Chapitre 3 La combustion du bois Table des matières Bases du bois-énergie La combustion Émissions dues à la combustion du bois Cendres UF 51.3 Folio 1

1. Bases du bois-énergie Le cycle biologique du bois Lumière solaire Eau Pertes Chaleur utile Cendres Minéraux UF 51.3 Folio 2

1. Bases du bois-énergie Composés du bois Cellulose représente plus de la moitié de la masse, donne au bois sa structure. Hémicellulose donne sa rigidité à la structure cellulosique. Lignine lie la cellulose et l’hémicellulose. UF 51.3 Folio 3

1. Bases du bois-énergie Parts pondérale et énergétique Part en masse Sels minéraux 1 % 85% 67% 14% 33% Part en masse Part en énergie Charbon de bois Composés volatils UF 51.3 Folio 4

1. Bases du bois-énergie Bois dur ou bois tendre ! Différence de comportement lors de la combustion! Bois dur : structure poreuse combustion lente, production de cendres importante. Bois tendre : structure dense feu crépite, combustion rapide, peu de cendres. UF 51.3 Folio 5

Le pouvoir calorifique dépend de l’espèce et de l’humidité du bois! 1. Bases du bois-énergie Pouvoir calorifique Représente l’énergie contenue dans le bois : MJ/kg ou kWh/kg. Le pouvoir calorifique dépend de l’espèce et de l’humidité du bois! Contenu énergétique Représente l’énergie contenue par unité de volume : MJ/m3 ou kWh/m3. UF 51.3 Folio 6

Poids Pouvoir calorifique 1. Bases du bois-énergie Influence de l’humidité sur le pouvoir calorifique Contenu énergétique 1 stère (x = 50%) 6'400 MJ/stère 1'780 kWh/stère 1 stère (x = 15%) 7'200 MJ/stère 2'000 kWh/stère bois frais (vert) séché à l'air eau 800 kg 8 MJ/kg (2,2 kWh/kg) 480 kg 15 MJ/kg (4,2 kWh/kg) Poids Pouvoir calorifique UF 51.3 Folio 7

1. Bases du bois-énergie PCS = totalité de la chaleur de combustion. PCI = chaleur réellement utilisable pour le chauffage. Perte de la chaleur latente d’évaporation. UF 51.3 Folio 8

2. La combustion Feu Oxygène Combus-tible Combustion = réaction chimique exothermique C + O2 C O2 Feu Oxygène Combus-tible UF 51.3 Folio 9

Combustibles gazeux (hydrocarbures aliphatiques) CH4 Méthane C2H6 Ethane C3H8 Propane C4H10 Butane Exemple d'hydrocarbure lourd ramifié (isomérisé) UF 51.3 Folio 10

Combustibles et carburants liquides et solides nombre de carbones nom C 5 essence - benzine pétrole - kérosène huile "extra-légère" - diesel huile moyenne C huile lourde 15 bois – tourbe - charbon C 500 UF 51.3 Folio 11

Combustibles solides Ex: Cellulose UF 51.3 Folio 12

Air comburant UF 51.3 Folio 13

Température UF 51.3 Folio 14

Température UF 51.3 Folio 15

Température UF 51.3 Folio 16

CO2 H2O Oxydation C +e 2 O -e + - - - 700 °C - - - O = C = O carbone + oxygène dioxyde de carbone 2 O -e 2 H +e H + - - - 700 °C - - - O O H2O Hydrogène + oxygène eau UF 51.3 Folio 17

Préparation des combustibles Etat des corps Etat gazeux 3 degrés de liberté occupe le volume à disposition Etat liquide 2 degrés de liberté occupe la surface à disposition Etat solide forme donnée, pas de dégrés de liberté Sur 1 centimètre, on pourrait selon les cas aligner de 5 à 100 millions d'atomes ou de molécules UF 51.3 Folio 18

Préparation des combustibles Combustion avec combustibles liquides UF 51.3 Folio 19

Préparation des combustibles Forme du combustible -- Comparaison huile EL / bois Huile EL Bois bûche 1 m  6000 cm2 plaquette forestière  13 cm2 pellet  2.8 cm2 UF 51.3 Folio 20

Excès d ’air UF 51.3 Folio 21

Formes de combustions UF 51.3 Folio 22

Formes de combustions UF 51.3 Folio 23

La combustion du bois La composition du bois Le comportement effectif des combustibles bois n’est pas seulement régi par les caractéristiques thermiques de la substance organique constituante. Les propriétés physiques et chimiques du combustible jouent un rôle important dans le processus de combustion : humidité sur brut granulométrie masse volumique apparente spécificité de la surface taux de cendres composition et propriétés des substances inorganiques (matières minérales, métaux, halogènes, métaux alcalins) UF 51.3 Folio 24

La combustion du bois Composition chimique Le bois se compose principalement de matières organiques, d’eau et de substances minérales. Après plusieurs étapes et transformations du bois, la composition va se modifier en cellulose, en lignine et en d’autres substances minérales, qui forment les cendres (graisses, minéraux, composés carbonés). Tableau : Répartition des différents constituants du bois Constituants du bois % Cellulose de 40 à 50 % Hémi-cellulose de 10 à 30 % Lignine de 15 à 30 % Matières organiques et minérales de 0,5 à 2 % UF 51.3 Folio 25

La combustion du bois L’eau contenue dans le bois On distingue plusieurs types d’eau contenu dans le bois : - l’eau de constitution des molécules ligneuses qui est liée au bois par voie chimique. - l’eau d’imprégnation et de capillarité contenu dans les parois cellulaires et les pores du bois qui est liée au bois par voie physique. Cette eau peut être éliminée par séchage. UF 51.3 Folio 26

La combustion du bois Composition élémentaire La composition élémentaire du combustible va déterminer le pouvoir calorifique et les conditions dans lesquelles doit s’effectuer sa combustion.  La composition élémentaire du bois complètement sec se compose en moyenne de : 49 % de carbone (C), 45,3 % d’oxygène (O), 5,5 % d’hydrogène (H), 0,2 % d’azote (N). UF 51.3 Folio 27

La combustion du bois Part en masse Part en énergie Parts pondérale et énergétique Sels minéraux 1 % 85% 67% 14% 33% Part en masse Part en énergie Charbon de bois Composés volatils UF 51.3 Folio 28

Trois conditions nécessaires au démarrage de la combustion La combustion du bois La combustion directe Pour que la combustion soit possible, il faut réunir en même temps une matière combustible, un corps comburant (oxygène, air…) qui, se combinant, produisent  la combustion et une énergie pour le démarrage de la réaction chimique de combustion. La conversion thermochimique est adaptée aux caractéristiques du bois. Elle permet de valoriser tous les composants du bois et utilise une matière première sèche.  Trois conditions nécessaires au démarrage de la combustion UF 51.3 Folio 29

La combustion du bois La combustion directe Au cours de la combustion directe, le bois est décomposé par la chaleur dans le foyer en gaz et en charbon de bois. Le contact avec l’air comburant provoque l’oxydation des gaz chauds et la gazéification du charbon de bois en gaz combustibles. Environ 80 à 90 % du poids du bois est transformé en gaz durant cette phase. Les gaz combustibles issus du bois sont les suivants : monoxyde de carbone (CO), hydrogène (H2) et hydrocarbures (CmHn). Ces gaz doivent être brûlés dans la chambre de combustion, sans quoi ils pollueraient l’atmosphère. Le but de la combustion est donc de convertir totalement l’énergie chimique du bois en chaleur, par oxydation. UF 51.3 Folio 30

La combustion du bois Transformation 1 L'évaporation de l'eau                 Transformation 1 L'évaporation de l'eau Transformation 2 Le dégagement de fumée Transformation 3 La carbonisation UF 51.3 Folio 31

Phases de la combustion La combustion du bois Phases de la combustion Séchage : consomme de l’énergie pour évaporer l’eau, Pyrolyse : formation de charbon de bois et libération de gaz combustibles, Oxydation : transformation des gaz de combustion avec dégagement de chaleur. UF 51.3 Folio 32

Équation chimique de la combustion du bois Atmosphère «Bois» humide CH14O7 (N,S) + H2O Chaleur Séchage H2O Air primaire (O2+N2) Pyrolyse H2O + gaz combustibles: CO+HC+H2 Si combustion incomplète CO + HC poussière non brûlée Air secondaire (O2+N2) Oxydation Composés désirés: CO2 + H2O (+N2) Composés non désirés: NO2+poussière CO2 + NO2 Poussière brûlée H2O + N2 Si combustion complète Chaleur Cendres UF 51.3 Folio 33

Exemple 1: combustion non contrôlée Température de réaction Vitesse de réaction UF 51.3 Folio 34

Exemple 2 : combustion contrôlée Température de réaction Vitesse de réaction UF 51.3 Folio 35

Température de combustion Entre 1000 et 3500 °C, selon le combustible. Températures de combustion du bois Température de combustion Entre 1000 et 3500 °C, selon le combustible. Température de braises Entre 400 et 1600 °C, à des endroit différents du tas de braises (couleurs différentes). UF 51.3 Folio 36

Rendement de combustion Décrit la qualité de la combustion La combustion du bois Rendement de combustion Décrit la qualité de la combustion Formule de Siegert : η(technique de combustion) = 100 – (f(bois) * (Tf – Ta)) / [CO2] Calcul plus complexe : η(technique de combustion) = 100 – pertes par imbrûlés gazeux – pertes par chaleur sensible des fumées UF 51.3 Folio 37

3. Émissions dues à la combustion du bois Combustion Chaleur + émissions gazeuses Combustion complète : émissions inévitables = CO2, NOX, H2O, cendres. Mauvaise combustion : émissions évitables = CO, HC, poussières fines UF 51.3 Folio 38

3. Émissions dues à la combustion du bois Émissions inévitables : CO2 et H2O CO2 issu de la combustion du bois ne contribue pas au réchauffement climatique, H2O sous forme de vapeur. H provient des liaisons de constitution du bois, et se lie à l’oxygène de l’air. UF 51.3 Folio 39

3. Émissions dues à la combustion du bois Émissions inévitables : NOX NOX proviennent de l’azote constitutif du bois, NOX = pollueur précurseur, NO2 : toxique respiratoire (muqueuses et poumons), NO et NO2 créent des dommages aux plantes (combinaisons avec d’autres substances). UF 51.3 Folio 40

3. Émissions dues à la combustion du bois Émissions évitables: CO Produit de la combustion incomplète, CO indique la qualité de la combustion, CO en contact avec l’air CO2 Toxique respiratoire. Troubles cardiaques et nerveux. UF 51.3 Folio 41

3. Émissions dues à la combustion du bois Émissions évitables: hydrocarbures (HC) Produit de la combustion incomplète, Responsables de l’odeur typique du feu de bois, Plusieurs types de HC, certains cancérigènes. UF 51.3 Folio 42

3. Émissions dues à la combustion du bois Émissions évitables: poussières fines Une technologie adaptée et une bonne utilisation de la chaudière réduit la quantité de PM 10, Nuit au système respiratoire, éponge à hydrocarbures cancérigènes, Baisse de la luminosité: nocif pour les plantes, Facilitent les pluies acides. (voir chapitre UF SCB 4) UF 51.3 Folio 43

Poussières fines Bois UF 51.3 Folio 44

Poussières fines Huile lourde UF 51.3 Folio 45

Poussières fines Huile EL UF 51.3 Folio 46

Poussières fines Bois usagé UF 51.3 Folio 47

3. Émissions dues à la combustion du bois Facteurs influant sur la production d’émissions Nature du combustible : humidité et taille. Réglage de la chaudière : optimisation de l’excès d’air et de la température de combustion. Adaptation de la chaudière au combustible! UF 51.3 Folio 48

Comparatif des émissions horaires de particules entre une voiture diesel et une chaudière à pellets de 35 kW   Voitures sans filtre à particules (FAP) vitesse fixe 120 km/h Chaudière pellets 35 kW FAP Rüegg Euro 3 Euro 4 vitesse variable Euro 5 FAP dès sept. 2008 Emission, valeur limite mg/km 50 25 5 valeur mesurée mg/MJ 12 20 6 Consommation l/100/km Consommation MJ/h 432 140 Emission de particules fines g/h 6.0 3.0 5.2 0.6 2.8 0.8 UF 51.3 Folio 49

Comparaison des émissions de poussières de diverses sources UF 51.3 Folio 50

Effets des polluants résultant du chauffage au bois sur les êtres humains Effets potentiels sur la santé de certains contaminants issus de la fumée de bois lorsque leur concentration est trop élevée dans l’air Contaminants Effets Monoxyde de carbone CO Maux de tête, nausées, étourdissements, aggravation de l’angine chez les personnes ayant des problèmes cardiaques Composés organiques volatils COV Irritation et maux respiratoires; certains COV sont cancérigènes (ex. : benzène) Acroléine et formaldéhyde Irritation des yeux et des voies respiratoires Particules fines PM2,5 Irritation des voies pulmonaires; aggravation des maladies cardiorespiratoires, mortalité plus hâtive Oxydes d'azote NOx Irritation du système respiratoire, douleur à l'inspiration, toux, œdème pulmonaire Hydrocarbures aromatiques Polycycliques HAP Certains HAP sont considérés comme mutagènes ou cancérigènes ou soupçonnés de l’être Dioxines et furannes Cancérigènes probables UF 51.3 Folio 51

Effets des polluants résultant du chauffage au bois sur les êtres humains Poussières fines UF 51.3 Folio 52

Contrôle des émissions UF 51.3 Folio 53

4. Les cendres Formés par les éléments incombustibles du bois, Représentent 1 – 2 % de la masse du bois, Éléments constitutifs des cendres : sels minéraux de Ca, K, Mg et P. ! Si des métaux lourds sont décelés = combustion de bois pollué ou de matériaux non autorisés! UF 51.3 Folio 54

4. Les cendres Pour s’assurer que la chaudière à bois est correctement utilisée: Évaluer la qualité du combustible, Évaluer la qualité des cendres, Test rapide. UF 51.3 Folio 55

4. Les cendres Combustibles autorisés: Combustibles interdits: bois de tige naturel écorce briquettes de charbon brindilles et cônes petites quantités de papier (allumage) Combustibles interdits: panneaux contreplaqués, de bois aggloméré déchets de bois tels que panneaux de coffrage, plateaux d'échafaudage etc. grandes quantités de papier et de carton bois de meuble bois imprégné sous pression déchets ménagers bois avec corps étrangers bois avec résidus de produits de traitement UF 51.3 Folio 56

4. Les cendres 3.Test rapide Qu'a-t-on brûlé dans la chaudière? Effectuer un test rapide Non conforme OPAIR Autres mesures telles qu’avertissement ou dispo- sition juridique conforme Une ou plusieurs valeurs dépassées non conforme Test rapide Qu'a-t-on brûlé dans la chaudière? Les cendres le montrent! UF 51.3 Folio 57

3. Test rapide EMPA (LFEM) 4. Les cendres 3. Test rapide EMPA (LFEM) 1. Echantillonnage des cendres UF 51.3 Folio 58

4. Les cendres 2. Analyse visuelle UF 51.3 Folio 59

4. Les cendres 3. Pesée des cendres tamisées UF 51.3 Folio 60

4. Les cendres 4. Solution d'extraction pour l'analyse UF 51.3 Folio 61

4. Les cendres 5. Filtration UF 51.3 Folio 62

4. Les cendres 6. Mesure du zinc avec le "set" UF 51.3 Folio 63

4. Les cendres 7. Acidifier l'échantillon UF 51.3 Folio 64

4. Les cendres 8. Mesure des chlorures avec le "set" UF 51.3 Folio 65

4. Les cendres 9. Neutraliser l'échantillon UF 51.3 Folio 66

4. Les cendres 10. Mesure du plomb avec le "set" UF 51.3 Folio 67

4. Les cendres Valorisation et élimination Interdiction d’épandage en forêt! Valorisation comme engrais, mais en quantité limitée! le reste éliminé par les services communaux ou un centre de compostage. Cendres de bois autres qu’à l’état naturel décharge bioactive. UF 51.3 Folio 68