Table des matières

1. Chapitre 3La combustion du bois Table des matières • Bases du bois-énergie • La combustion • Émissions dues à la combustion du bois • Cendres

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

3. 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.

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

5. 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.

6. 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.

7. 1. Bases du bois-énergie Influence de l’humidité sur le pouvoir calorifique Contenu énergétique 1 stère (x = 50%)6'400 MJ/stère1'780 kWh/stère 1 stère (x = 15%)7'200 MJ/stère2'000 kWh/stère séché à l'air bois frais(vert) eau 800 kg8 MJ/kg (2,2 kWh/kg) 480 kg15 MJ/kg(4,2 kWh/kg) PoidsPouvoir calorifique

8. 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.

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

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

11. 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

12. Combustibles solides Ex: Cellulose

13. Air comburant

14. Température

15. Température

16. Température

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

18. 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

19. Préparation des combustibles Combustion avec combustibles liquides

20. 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

21. Excès d ’air

22. Formes de combustions

23. Formes de combustions

24. 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)

25. 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

26. 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.

27. 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).

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

29. 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

30. 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.

31. La combustion du bois

32. 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.

33. 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 CO + HC poussière non brûlée Si combustion incomplète 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

34. Exemple 1: combustion non contrôlée Température de réaction Vitesse de réaction

35. Exemple 2 : combustion contrôlée Température de réaction Vitesse de réaction

36. 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).

37. 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

38. 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

39. 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.

40. 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).

41. 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.

42. 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.

43. 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)

44. Poussières fines Bois

45. Poussières fines Huile lourde

46. Poussières fines Huile EL

47. Poussières fines Bois usagé

48. 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!

49. Comparatif des émissions horaires de particules entre une voiture diesel et une chaudière à pellets de 35 kW

50. Comparaison des émissions de poussières de diverses sources