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Pédagogie et formation bulletArticle: Pourquoi ça fume?


Chacun sait qu'un incendie, surtout lorsqu'il se produit dans un local, a tendance à émettre une très grande quantité de fumée noire. Mais pourquoi ? En clair, pourquoi un feu, en plein air, va-t-il produire très peu de fumée et pourquoi, le même feu dans un local va-t-il en produire beaucoup plus ? La réponse habituelle, c'est que cela vient du manque de comburant car le feu est moins aéré qu'en plein air. Bonne tentative d'explication, mais qui, comme nous allons le voir, n'est pas du tout satisfaisante et surtout, source de nombreuses incompréhensions.

Lorsque la question est posée comme activité de découverte dans un cours théorique sur les Progressions Rapides du Feu, la réponse donnée par les stagiaires est toujours la même : le feu fume beaucoup car il est sous-oxygéné. Prenons donc un contre-exemple avec le foyer fermé. Sorte de caisse métallique avec une vitre, le foyer fermé (également appelé « insert ») sert à chauffer les maisons. Dans la plupart des pays Européens, ce système est assez connu pour avoir été observé par la plupart des stagiaires. Rappelons nous le cycle d'allumage et de gestion de notre feu. Au départ, nous mettons du papier, puis des petits morceaux de bois, puis des morceaux plus gros. Nous allumons. En premier nous voyons apparaître des fumées blanches. C'est la vapeur d'eau qui s'échappe des éléments combustibles, qui sont en train de sécher. Progressivement cette vapeur d'eau est remplacée par les gaz de pyrolyse, qui sont également blancs. La petite flamme initiale prend de l'ampleur et commence à attaquer les morceaux de bois les plus gros et ainsi de suite. Au bout de quelques minutes, le feu est bien installé. Et nous constatons qu'il n'émet plus de fumée. En tout cas, dans ce cycle, s'il a émis des fumées, elles sont blanches mais pas noires.

Le feu étant désormais bien actif, nous commençons à avoir un peu trop chaud. Il est donc décidé de baisser l'intensité du feu. Comment ? Simplement en fermant un peu l'arrivée d'air. Nous fermons donc l'entrée d'air qui se situe en partie inférieure, et nous constatons alors que le feu baisse très vite en intensité. Mais nous constatons également qu'il ne fume pas. En fait, il se met un peu à fumer, mais cette fumée est plutôt blanche.
Nous sommes donc face à deux différentes majeures par rapport à un incendie dans un local. En premier, un feu de local progresse et monte donc en intensité alors que nous constatons que dans notre exemple, la sous-ventilation fait baisser l'intensité du feu. En second, le feu de local « fume noir » alors que nous constatons ici l'apparition de fumées blanches. La sous-ventilation que nous venons de réaliser ne conduit donc pas aux effets que nous constatons dans un feu de local, soit disant sous ventilé.

Un feu dans un foyer fermé. A gauche le feu est bien ventilé, les flammes sont longues, dentelées et jaunes. Au milieu, l'entrée d'air vient d'être fermée. Immédiatement le feu baisse en régime, les flammes sont moins turbulentes et moins lumineuses. Au bout de quelques instants (à droite) le feu a fortement diminué d'intensité.
Lechatelier et la pyrolyse
Que s'est-il passé dans notre foyer fermé ? Simplifions le raisonnement en imaginons que nous ayons 10 morceaux de bois. Au départ il y a assez de comburant pour entretenir la combustion de ces 10 morceaux donc les 10 morceaux brûlent. Lorsque nous fermons l'arrivée d'air, nous diminuons la disponibilité en comburant. Or, le principe de Lechatelier nous indique (schématiquement) que toutes les réactions chimiques déséquilibrées, vont chercher naturellement à s'équilibrer. Si nous avons 10 morceaux de bois en feu et que nous ne fournissons du comburant pour n'en brûler que 5, nous avons donc un déséquilibre de la réaction chimique. Celle-ci va donc se rééquilibrer. Mais comme le feu ne peut pas acquérir plus de comburant, il va se rééquilibrer en diminuant sa consommation de combustible et nous n'aurons donc plus que 5 morceaux de bois en feu. Les 5 autres, qui étaient précédemment en feu, ne le seront plus. Mais comme ils sont chauds, ils vont pyrolyser. Et comme la pyrolyse fume « blanc », nous aurons donc des fumées blanches.
En clair, il n'est pas possible d'avoir une mauvaise combustion des 10 morceaux de bois si nous n'avons assez de comburant que pour en brûler 5.

Le chalumeau et la bougie
Pourtant, lorsque l'on ferme l'entrée d'air du chalumeau, ça fume noir ! c'est exact. Mais là encore, si c'est l'explication qui vous été donné en cours, concernant le fait qu'un feu sous ventilé se met à fumer, c'est que le formateur n'a pas beaucoup réfléchi. Le chalumeau est en effet un très mauvais exemple pour illustrer ce phénomène car il participe d'une logique de combustion différente de celle d'un incendie.
Dans un chalumeau, le combustible est issu d'un réservoir. Le comburant vient quant à lui d'un autre réservoir, ou bien il est aspiré par effet de Venturi. C'est par exemple le cas dans le bec Bunsen des chimistes ou dans les petits chalumeaux utilisant des bouteilles de gaz butane : il y a un tube qui sort de la bouteille et ce tube est pourvu de trous : le mouvement du gaz sous pression aspire l'air par ces trous.
Mais quel que soit le système (aspiration par Venturi ou bouteille d'oxygène), le principe est le même : le combustible gazeux et le comburant sont mélangés avant la flamme. La flamme obtenue porte le nom de flamme de pré-mélange. Cette flamme n'est pas sensible à son environnement : si elle se trouve dans un milieu sous-oxygéné, cela ne la gêne pas puisqu'elle a déjà son comburant. Si nous la touchons, elle ne fume pas.
Pourtant, si nous bouchons les trous sur le côté du chalumeau, ça fume ! Oui, mais en fait, la flamme produite par le chalumeau se trouve dans l'impossibilité de valider le principe de Lechatelier. Alors que vous lui supprimez son comburant, vous continuez à forcer une arrivée de combustible trop importante qu'elle ne peut pas réguler. En fait, vous la déséquilibrez contre son grés en lui injectant une quantité de carbone très largement supérieure à ce qu'elle peut combiner avec l'oxygène fourni. C'est aussi ce qui se passe avec des pneus qui brûlent en plein air : la quantité de carbone est beaucoup trop importante par rapport à la quantité d'oxygène disponible, donc ça fume.
La flamme du chalumeau fume car elle ne peut pas rééquilibrer sa réaction, alors que dans un incendie, elle pourra la réguler. C'est pour cela que le feu va progresser lorsque vous allez ouvrir la porte, et ralentir lorsque vous allez la fermer.

Dans le cas de nos morceaux de bois dans la cheminée, ou même d'éléments mobiliers dans la maison, le raisonnement du chalumeau ne tient donc pas. La flamme dans la cheminée, ou sur le canapé lors de l'incendie, n'est pas du même type que la flamme du chalumeau. C'est une flamme de diffusion. C'est-à-dire une flamme qui reçoit du carbone (via le combustible) mais qui capte le comburant par sa périphérie. En fait, c'est son environnement qui lui donne le comburant. Cette flamme est creuse car sa réaction chimique se fait sur sa surface. Elle est très sensible à son environnement. Lorsque son environnement est très bien oxygéné, elle est jaune. Lorsqu'il l'est moins, elle est orange, et devient rouge lorsque le comburant manque beaucoup.

L'évolution d'un feu
Nous avons désormais une bonne partie des informations nous permettant de savoir pourquoi le feu fume dans le local et pas en extérieur. Il nous suffit d'un tableau, et de quelques schémas, pour « raconter le feu ».

Nous avons un local, simple, dans lequel un fauteuil est en feu. Au début, le feu est de petite taille. Il produit des gaz, issus de la combinaison du carbone et de l'oxygène, donc du CO et du CO2. Bien sûr, il existe de nombreux autres produits gazeux, mais nous pouvons simplifier et nous contenter de ceux-là. Ces gaz, chauds, montent et se trouvent bloqués par le plafond. Ils sont incolores. Puisque le feu est correctement ventilé, il progresse : plus on ventile le feu et plus il progresse, puisque le principe de Lechatelier s'applique dans les deux sens : si on baisse l'arrivée d'air le feu diminue, mais tant qu'il a plus d'air que nécessaire, il progresse, ce qui est le cas ici.
Le feu prend donc de l'ampleur, donc la flamme augmente tant en diamètre qu'en hauteur. Au bout de quelques instants, le haut de la flamme va se trouver dans une zone dans laquelle le comburant aura été remplacé par les produits de la combustion, qui à ce stade sont toujours invisibles. Mais nous avons ici une flamme de diffusion, donc une flamme qui capte son comburant par sa périphérie. La partie basse de la flamme capte toujours du comburant, puisqu'elle est dans une zone correctement ventilée. Par contre, le haut de la flamme va commencer à avoir du mal à trouver le comburant dont elle a besoin. Visuellement, cela se remarque ; le bas de la flamme est jaune, tandis que le haut est orange. Le carbone, présent dans la partie basse de la flamme, réagit donc correctement puis qu'il est associé à un quantité suffisante d'oxygène, mais le carbone qui est dans le haut de la flamme, ne peut plus réagir correctement puisqu'il ne dispose pas d'assez d'oxygène. Ce carbone va donc commencer à s'échapper sans avoir réagi et va commencer à former une couche de fumée visible.

Mais les choses ne vont pas en rester là : à ce stade, le feu a déjà pris une bonne ampleur. Le cycle séchage pyrolyse inflammation est devenu très rapide et le feu prend de l'ampleur, de seconde en seconde. L'étape durant laquelle la flamme ne touche pas encore le plafond, tout en ayant sa partie haute sous-oxygénée, dure en fait très peu de temps. En quelques instants, le feu a continué à progresser et désormais la flamme touche le plafond.
D'un seul coup, la situation va se dégrader car la flamme de diffusion va maintenant être détériorée « mécaniquement » par le plafond. Pour comprendre cette dégradation soudaine des conditions, il suffit de prendre une bougie. Allumez là et attendez. Vous constatez qu'elle ne fume pas. Maintenant, touchez là avec la lame d'un couteau. Immédiatement, vous voyez apparaître un filet de fumée.. noire ! Et pourtant vous n'avez qu'une flamme de bougie d'un peu plus d'1cm de haut et de quelques millimètres de diamètres. Imaginer que cette flamme fasse 1m de diamètre et plusieurs mètres de haut, et vous aurez une idée de la quantité de fumée produite.

Au-delà de cette quantité, c'est la vitesse de production qui étonne le plus. Dans les caissons flashover utilisés en Belgique ou au Brésil (caissons sans exutoire) la conservation des gaz en partie haute permet une excellente observation de cette évolution. Le feu est bien jaune, puis lorsque les flammes augmentent, leur partie supérieure devient orange. Une fumée assez diffuse est alors produite.

   
   
Evolution de la fumée en caisson sans usage d'exutoire et avec ventilation basse. Le changement de couleur des flammes est parfaitement visible. Il ne s'écoule que quelques secondes entre la seconde et la troisième image (Caisson de « travail », société SDP2 (Mayenne-France). Essai de dosage combustible - 2003)

Bizarrement, lorsque les flammes s'étalent au plafond, la production de fumée n'augmente pas instantanément. Il s'écoule généralement quelques secondes avant qu'elle ne commence. Mais entre le dernier moment où l'on voit les flammes au plafond, de façon très distincte, et le moment ou le plafond de fumée est à 1,20m du sol (avec une visibilité de seulement quelques centimètres dans cette fumée), il s'écoule un temps très court. Au maximum une minute. Le temps le plus court que nous avons observé est de 8 secondes ! Le volume occupé par les fumées étant d'environ 40m3, nous avons donc une production de fumée de l'ordre de 5m3 par seconde, pour un feu impliquant seulement 1 palette et une toute petite partie de 3 plaques d'aggloméré Il devient évident que pour des matériaux nettement plus chargés en carbone, ce qui est le cas des mobiliers actuels, la production de fumée est encore plus grande.
Nous avons d'ailleurs ici une explication quant à certains décès en incendie, lorsque les personnes essayent de lutter sans moyen de protection respiratoire : le temps d'aller chercher l'extincteur et c'est trop tard !
Il est d'ailleurs intéressant de constater qu'aux USA, la situation appelée IDHL (Immediately Dangerous to Life and Health donc immédiatement dangereuse pour la vie et la santé) est définie comme étant liée au fait que les flammes atteignent le plafond.

 
Schémas issus du document formateur « Commentaires et Justification » utilisé lors de la partie théorique du cours « Progression Rapide du Feu » à l'IPF de Jurbise (Belgique) et au CTO-CBMDF (Brasilia-Brésil). A gauche le feu démarre, la flamme ne touche pas la zone sous-oxygénée. Au centre la flamme touche cette zone. A droite, la flamme touche le plafond, elle émet alors une grande quantité de fumée.

Impact opérationnel
D'un point pédagogique, comprendre « pourquoi ça fume » est intéressant, d'autant que dans un caisson correctement géré, le phénomène est facile à observer.
Mais c'est d'un point de vue opérationnel que cette connaissance à l'impact le plus important. C'est d'autant plus important que diffuser la croyance « ça fume parce que c'est sous ventilé » a au contraire toutes les chances d'amener à des accidents.
Imaginons le responsable d'intervention qui se dit « ça fume noir donc c'est sous ventilé ». Que va-t-il faire ? En toute logique, comme la fumée est très gênante, il va se dire « puisque ça fume parce que c'est sous ventilé, si je ventile ça va moins fumer ». Sauf que le feu est sans doute dans une phase de montée en puissance et qu'en ventilant, cela va aggraver la situation. A l'extrême, la fumée noire peut être le signe d'un black-fire. Ce phénomène particulier se produit lorsque le feu produit une fumée tellement chargée en carbone qu'elle ne peut plus prendre feu. Amener de l'air va en provoquer l'inflammation soudaine et souvent très violente.
De même, si l'on croit que le feu sous-ventilé fume, alors il devient impossible de justifier l'anti-ventilation, puisque dans ce cas, nous allons accroître la quantité de fumée donc le danger de ce combustible gazeux.

Au contraire, si l'on comprend réellement pourquoi ça fume, nous pouvons en déduire plusieurs choses :
- Lors de l'approche, si nous entrons puis que nous refermons la porte, nous allons sous-ventiler le feu. Donc celui-ci va baisser en intensité. Si cette baisse en intensité diminue la dimension des flammes et que celles-ci ne touchent plus le plafond, alors la production de fumée cessera puisque c'est le contact flamme - plafond qui est majoritairement responsable de l'émission de fumée. Bien sûr, il y aura alors reprise de la pyrolyse, mais le but étant alors d'avancer et d'attaquer, l'opération aura des chances de réussir.

- Cette production de fumée étant alors freinée, nous pourrons attaquer. En premier, il faudra pulser dans les fumées pour les diluer et gagner rapidement en visibilité, puis attaquer doucement le foyer (attaque pulsing penciling) afin de diminuer en quelques secondes, la hauteur des flammes. Nous aurons à la fois une disparition des fumées par dilution et en même temps une diminution de la production de ces fumées puisque le feu ne touchera plus le plafond.

Ce principe d'attaque est démontré en caisson flashover à Brasilia (Brésil) et Jurbise (Belgique), en utilisant un protocole de brûlage référencé CS-02, dans ces écoles. Il consiste à placer la quantité habituelle de combustible (environ une palette et 4 plaques d'aggloméré). Le feu est allumé, en étant peu ventilé. Le but étant qu'il progresse assez lentement pour que les stagiaires puissent avoir le temps d'observer. En plus, le haut des portes arrières du caisson étant fermées, la fumée se stratifie assez facilement. Alors que dans le brûlage de base, la porte de droite est ensuite totalement ouverte, dans ce brûlage « CS-02 » seul le bas de la seconde porte est ouverte. Le feu est alors sur-ventilé en partie basse alors que le haut des portes empêche les fumées de sortir.

Ce type d'exercice, particulièrement chaud (et interdit aux stagiaires débutants !), permet de valider plusieurs points. En premier, l'idée généralement diffusée suivant laquelle les flammes au plafond se trouvent à l'interface air-fumée, est une information totalement fausse et dangereuse. Elle est généralement émise par des personnes travaillant avec des caissons à exutoire, donc perdant en quasi-permanence les gaz les plus chauds. Au contraire, en évitant les exutoires et en conservant les fumées, nous constatons qu'au bout de quelques instants après le début de la ventilation basse du foyer, la chaleur devient insupportable et une observation du plafond permet de voir des zones oranges qui y circulent. Les flammes sont donc dans les fumées et lorsqu'elle apparaîtront à l'interface air-fumée, ce sera beaucoup trop tard pour réagir.

Vue d'un caisson flashover avec système de porte découpée (Jurbise - Belgique). A l'allumage, seule la partie basse de la porte de gauche est ouverte. Lors le feu a produit de la fumée et qu'on souhaite ventiler le feu tout en conservant la fumée, seule la partie basse de la porte de droite est ouverte en plus (brûlage tupe CS-02). Tout le bas est donc ouvert, et tout le haut est donc fermé, ce qui donne les pires conditions!

Flammes dans les fumées : diffusion ou pré-mélange ?
Sachant que la fumée ne contient pas ou peu d'oxygène, les flammes y existant peuvent difficilement être du type « diffusion ». Il semble en fait qu'à ce stade, le courant de convection soit très violent. Le courant de convection, c'est le courant d'air, qui amène l'air extérieur vers le foyer. Lorsque le feu prend de l'ampleur, le courrant de convection s'accélère. Il est alors possible que l'air, injecté vers le foyer, n'y soit pas intégralement consommé. Dans ce cas, le comburant qui n'est pas consommé, remonte rapidement le long de la colonne de flamme, puis est injecté dans les fumées. Celles-ci étant très chaudes et hautement combustibles, il s'en suit des auto-inflammations, par zone.

En fait, dés qu'il y a de la fumée, il faut pulser dedans. Le refroidissement des fumées ne pouvant se réaliser correctement qu'à petit débit, avec une lance inclinée à 45° par rapport au sol, avec un angle de jet de 60°, et une lance ouverte pendant 1/2 seconde maximum, la quantité d'eau envoyée sera totalement négligeable et ce n'est pas en pulsant 4 fois dans un couloir que nous aurons des dégâts des eaux.
Et il ne faut surtout pas attendre d'avoir chaud pour pulser ! dans le caisson, dans le cadre de ce brûlage, les formateurs débutants se font régulièrement piéger : ne voyant que de la fumée, ils attendent et lorsqu'ils commencent à sentir la chaleur, les impulsions n'arrivent généralement plus à contrer l'évolution de la situation. Lors d'un stage formateur (Juin 2008 à Jurbise), il a ainsi fallut deux lances pour réussir à redresser la situation et dans les autres cas, l'évacuation a été la seule issue.

Le second point qui a été remarqué c'est que l'action des lances sur les fumées, relève rarement le plafond de fumée. Mais par contre, il y a une dilution des fumées. Plusieurs points se complètent :

  • Le feu augmente en intensité et brûle donc une partie des fumées, qui disparaissent dans la zone proche du feu
  • L'effet de chaleur de ces fumées en feu est grandement atténué par les impulsions
  • Les impulsions diluent les fumées, abaissent la température et augmentent la visibilité. Ceci à condition qu'elles soient faites à petit débit car dans le cas contraire l'eau heurte les murs et le plafond, et produit de la vapeur, qui brûle les intervenants et perturbe la visibilité
  • Dès que le feu est attaqué à la base, la production de fumée diminue rapidement puisqu'en quelques secondes les flammes ne touchent plus le plafond.

Les deux derniers points (pusling pour diluer, même si la chaleur semble acceptable, et attaque du foyer pour baisser la dimension des flammes), amène rapidement une amélioration d'une situation qui semble au départ assez incontrôlable.

Ainsi, dans les caissons, en quelques minutes et alors que les portes arrières hautes sont toujours fermées, il n'y a plus de fumées.

Fin de l'attaque lors d'un brûlage type CS-02. Quelques minutes auparavant le plafond de fumée était dense, noir et situé à 1,20m du sol. Le haut des portes arrière est toujours resté fermé, et pourtant la fumée a disparu (Stage formateurs flashover - Jurbise (Belgique) - Octobre 2008)
Conclusion
Comprendre le principe de production de fumée permet de justifier tout un ensemble d'actions telles que l'anti-ventilation, ou les attaques par alternance pulsing-penciling. La production de fumée dans un local est un point important car la fumée se propage partout, prend feu et met en danger les intervenants, principalement sur le trajet qu'ils doivent effectuer de l'extérieur jusqu'au foyer principal. Ne pas comprendre parfaitement ce mode de production peut amener à des choix d'actions dommageables tant pour la structure que pour les victimes et les intervenants.


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Re: Pourquoi ça fume? (Score: 1)
par stoller le 19 octobre 2008 à 13:49:27
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
Très bon article qui complète judicieusement le scénario pédagogique et les commentaires du formateur. Merci Pilou.



Re: Pourquoi ça fume? (Score: 1)
par titoff le 19 octobre 2008 à 14:26:40
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
merci, encore plein de réponses à des questions que l'on ne se pose même pas !!!!
trop fort



Re: Pourquoi ça fume? (Score: 1)
par fireball le 26 octobre 2008 à 11:52:44
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
un très bon article et qui clarifie beaucoupd e chsoes pour al civile que je suis.il me reste à bien "l'ingurgiter" et le cogiter pour pouvoir me l'approprier avec mes mots à moi,lol.
merci!



Re: Pourquoi ça fume? (Score: 1)
par boots le 27 novembre 2008 à 13:53:00
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
excellent encore article qui donne matière a réflexion une fois de plus !!!!!!!!!!
merci et bravo



Re: Pourquoi ça fume? (Score: 1)
par POMPIERBRUXELLES le 04 décembre 2008 à 17:04:15
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
Superbe article qui complète : Attention aux fumées et Vision dans la fumée.

Si je comprends bien, il y a grossièrement trois méthodes pour fabriquer de la fumée.

Mécaniquement : Lorsque la flamme de diffusion touche une cloison verticale ou horizontale la flamme de diffusion est mécaniquement perturbée. La diffusion de l'oxygène sur tout le pourtour de la flamme est diminué, voir fortement réduit. Le contact de la flamme avec les cloisons, lui fait perdre de la chaleur. Le résultat est que la combustion parfaite est empêchée. Le carbone ne peut donc être oxydé complètement, il s'échappe donc sous forme de suie. Les fumées sont plutôt grises voir noires.
NB Le vent peut avoir cet effet, par exemple sur un feu d'essence en plein air. Il perturbe la flamme de diffusion et alors qu'il n'y avait pas de fumée, le coup de vent la fait apparaître.

Chimiquement: Lorsque les gaz de combustion s'accumule au plafond, il constitue une atmosphère dans laquelle les flammes ne peuvent parfaitement oxyder le carbone, il y a donc production de fumée.
Les fumées sont plutôt grises voir noires.

Pyrolyse : Lorsque les flammes disparaisses (extinction avec réduction de chaleur, sous ventilation) la chaleur encore présente permet la production de gaz de pyrolyse (même sans oxygène). Les fumées sont alors plutôt blanchâtre.

Erik





Re: Pourquoi ça fume? (Score: 1)
par Fred33 le 02 juillet 2009 à 14:55:06
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
Excellent article effectivement, complet et dont la conclusion corrobore les dernières innovations en formation chez les SP.
On ne se penche effectivement pas suffisamment sur ces fumées noires, et surtout leur production!

J'aurais bien aimer avoir de telles informations à ma formation initiale de pompier, notamment pour compléter le fameux TOOTEM.

Encore un article qui devrait interpeller pour la création d'un nouveau Guide National de Référence chez les SP français, la version actuelle comprenant de -décidément- trop nombreuses carences.


 
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