Combustion propre de la biomasse sèche

La solution de Planète Bois

Planète Bois a fait le choix d’introduire dans les pays du Sud cette technologie de foyers très performants.Planète Bois est détenteur d'une innovation dans la conception des chambres de pyrolyse pour réduire le temps de transfert des gaz avant combustion dans la chambre de développement des flammes.

 

Pour les applications qui nous intéressent (broussailles, fagots, rondins, ..) dans la gamme de puissance de 5 à 50 kW, quel compromis raisonnable peut-on valider dans de tels contextes (matériaux locaux à bas coût, facilité de diffusion, d’usage, d’entretien, longue durée de vie, ..) ? 

Les règles de conception

Schéma de principe: Combustion Latérale Inférieure Optimisée (CLIOp)

Il n’est pas simple de faire la part des choses sur la base de ce qu’on lit dans les forums sur les équipements bois de feu en pays du Sud, on voit parfois apparaître des « state of art » qui n’ont pas lieu d’être. On va tenter de donner ici les éléments de compréhension pour identifier ce qui est du ressort de la combustion performante.

 

Du point de vue de la théorie :

Il faut d’abord admettre que le bois en tant que tel ne brûle pas mais ce sont ses produits de dégradation qui seuls sont combustibles.

La combustion du bois que l’on veut rendre optimale est, à la base, une réaction d’oxydation par l’oxygène de l’air qui va dans un premier temps décomposer les molécules complexes (longues chaînes moléculaires) du bois (cellulose, hémicellulose, lignine), pour ensuite brûler des molécules simples de type hydrocarbures combustibles (CmHn), mais aussi de l’hydrogène (H2) et du monoxyde de carbone (CO). Et quand tout se passe de manière idéale (haute température, mélange parfait avec l’oxygène de l’air), la combustion ne produit que de l’eau, du gaz carbonique et de la chaleur qui nous intéresse.

 

Pour compliquer tout cela, on va rencontrer deux types de combustion qui vont interférer, l’une lente : la combustion du charbon de bois (les braises) et l’autre rapide : celle des gaz combustibles dégagés dès que le bois atteint une certaine température, autour de 300 °C.

 

Pour visualiser les phénomènes en jeu qui sont plus ou moins simultanés, on va distinguer trois phases.

 

Le chauffage - séchage :

C’est un séchage à la hussarde (sauf à l’allumage qui peut être poussif si le bois est trop humide), les braises et les parois rayonnant fortement, les gaz environnants à haute température transmettant rapidement la chaleur au bois. On suppose que tant que l’eau est présente en surface (maintien à 100°C), aucun gaz combustible ne peut donc s’échapper.

 

La pyrolyse-gazéification

Une fois que les températures s’élèvent dans le bois, des gaz combustibles se dégagent quelles que soient les conditions de l’atmosphère environnante (plus ou moins oxydante).

La température du bois ne dépasse pas les 800 °C tant que la pyrolyse se maintient.

Cette phase produit autour de 85% de matières volatiles et 15% de charbon de bois. La nature du bois et les conditions de montée en température influent sur ces ratios. On sait par exemple que la lignine donne plus de charbon que la cellulose, que plus la montée en température est rapide, plus le volume de gaz produits est important.

 

Les combustions :

  • La combustion des gaz produits

La qualité de la combustion des gaz produits dépend fortement des conditions environnantes (haute température, temps de brassage suffisant avec l’oxygène,..). Dans les conditions optimales, la température de flamme peut se situer aux alentours de 1300°C. La température de flamme est un indicateur fondamental d’une combustion propre.

 

  • La combustion du résidu charbonneux : les braises

L’oxydation du carbone contenu dans les braises va alors augmenter les températures de celles-ci autour de 1000°C. On aura essentiellement un dégagement de CO2 et de CO.

 

Du point de vue de la pratique :

On ne peut pas contrôler aisément deux types de combustion très différentes dans une même enceinte, les conditions environnantes optimales ne sont pas compatibles. La meilleure solution dans la pratique reste de séparer physiquement ces deux réactions. Ceci explique pourquoi les foyers très performants sur les plans énergétique et environnemental possèdent deux chambres de combustion différentes.

Il s’agit d’une première chambre de pyrolyse-gazéification dans laquelle la combustion contrôlée du résidu charbonneux permet le dégagement régulier des matières volatiles. Au fur et à mesure que le combustible est enfourné, les gaz combustibles sont produits et le charbon est brûlé. A cette première chambre est accolée une seconde chambre dédiée exclusivement à la combustion performante des gaz combustibles.

Pour simplifier, la première chambre est l’usine à gaz, la seconde le véritable brûleur à gaz.

On parle d’air primaire injecté dans la première chambre pour consommer le résidu charbonneux et d’air secondaire généralement en excès et préchauffé pour permettre une combustion la plus complète possible des gaz produits (haute température, temps de contact avec l’oxygène nécessaire le plus long possible).

Les règles de conception qui ont été retenues peuvent être listées comme suit :

  • ne pas dépasser une température de flamme de 1000°C pour pouvoir utiliser des matériaux réfractaires à coût abordable produits localement (on estime en combustion bois qu’à partir de 900°C, on obtient une très bonne qualité environnementale avec un très faible taux de poussières et d’imbrûlés)
  • un contrôle simple de l’air primaire et secondaire autour d‘une puissance nominale (position tout ou rien), l’air secondaire étant de préférence préchauffé avant son injection dans le bas de la chambre de développement des flammes
  • ne pas réaliser d’échange aves les gaz de combustion avant un développement suffisant des flammes
  • pour s’assurer d’une combustion la plus complète possible, un excès d’air autour de 1,75 a été défini
  • une température de fumées sortie équipement très basse entre 70 - 100°C, soit un rendement énergétique global de 80 à 90%, souvent deux échangeurs en série pour tirer au mieux profit de la haute température des gaz de combustion
  • un tirage assuré de préférence par assistance mécanique (fiabilité, faible coût d’installation, faible consommation électrique de quelques watts, ..) avec une conception d’extracteur performant constructible localement
  • une construction respectant les savoir-faire locaux (assemblage, matériaux, ..) qui peut être facilement standardisée avec une recherche du coût final le plus bas possible sans sacrifier à la qualité finale et à la durabilité.

 

De cette manière, les équipements conçus et transférés aux producteurs locaux par Planète Bois assurent un contrôle optimal des paramètres d’une très bonne combustion mais aussi d’un rendement global le plus haut possible caractérisant un équipement HPEE.

 

Les indicateurs de combustion performante

Un thermocouple haute température peut suffire à caractériser simplement une combustion propre. Si la température des flammes est maintenue à 900°C avant un premier échange et si l’on n’aperçoit aucune fumée visible en sortie, il y a de grandes chances que l’on soit en présence d’une combustion propre.

 

Le contrôle direct de la qualité environnementale des fumées est quand à lui plus délicat et coûteux à mettre en œuvre. On va retrouver à côté du monoxyde de carbone (CO) des polluants issus d’une mauvaise combustion : les COV (Composés Organiques Volatiles), les HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques), des imbrûlés solides (suies, goudrons).

Le marqueur le plus souvent utilisé est la proportion des poussières fines, nommées PM 2,5, soit de dimension inférieure à 2,5 µm dans les fumées.

 

 

Les efforts menés sur l’amélioration de la combustion et donc l’impact sanitaire des équipements sont vite récompensés : A titre comparatif, un feu de broussailles émet 5 000 mg/m3 de poussières, une cheminée ouverte, 400 mg/m3, un poêle à bois performant (et brûlant du bois sec), 45 mg/m3.

 

Les normes concernant les taux de poussières dans les fumées émises par les équipements de petite puissance de combustion bois tardent à se mettre en place. La Suisse est la plus avancée actuellement en imposant une déclaration de conformité pour les appareils mis en service sur le marché (100 mg/m3) depuis 2008 et un label pour les équipements dont les émissions de particules sont inférieures à 75 mg/m3.



Une grande facilité d’usage et d’entretien

Dans les équipements proposés par Planète Bois, il reste peu de place aux mauvais réglages et usages. Une fois les conditions de combustion propre en place (pyrolyse avec lit de braise, tirage défini, ouverture en position prévus,..).La seule chose à faire est d’enfourner le bois au fur et à mesure de la consommation dans la chambre de pyrolyse. Ce type d’équipement apporte un niveau de confort inégalé : zone environnante sécurisée, pas de chaleur, de fumées, intervention réduite, équipement réglé en fonctionnement nominal. Les conditions de travail sont sensiblement améliorées pour les applications artisanales en particulier.

Il s’agira de retirer le dépôt de cendres excessif, d’assurer un entretien annuel et un nettoyage régulier des surfaces d’échanges suivant l’usage.

 

Nécessité d’utiliser du bois sec

Qui dit combustion propre dit utilisation de bois sec !! Des études ont montré que les émissions de poussières fines étaient multipliées d’un ratio de 2 à 4 de part l’usage de bois humide. Donc utiliser du bois humide fait perdre sur les deux tableaux : énergétique (le contenu énergétique du bois diminue avec l’eau contenue dans le bois) et environnemental (le taux de poussières émises augmente avec l’humidité du bois). Pour une chaudière, cela se traduit par un encrassement accéléré des échangeurs.

Les conditions pour obtenir un bois suffisamment sec ne sont pas drastiques et une bonne gestion des stocks de bois collectés ou achetés permet aisément d’y parvenir après un séchage à l’air libre sous abri pendant quelques mois. Un taux d’humidité de 15 à 20 Hb (pourcentage sur brut) est recommandé.

 

Impact sur l'effet de serre

Le carbone élémentaire, appelé aussi « black carbon » a un fort pouvoir d’effet de serre, sa réduction par la combustion propre de biomasse a un impact rapide (faible durée de vie) sur le réchauffement climatique contrairement à la réduction d’émission de CO2 (longue durée de vie) renforçant l’intérêt de multiplier les projets à combustion propre de biomasse. En effet, la diffusion d'équipements à combustion propre en remplacement d'équipements conventionnels permettrait d'avoir un effet rapide sur le réchauffement climatique.

Source: Tami Bond and al., 2013

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