Corrélation « qualité de combustion / teneur en Carbone des particules

L’objectif est ici de déterminer le paramètre qui influe sur l’évolution de la composition en O et en C des particules. En effet, dans plusieurs études présentées précédemment, même si les particules produites étaient équivalentes, les équations de corrélations entre la teneur en O et

en C des particules (définies par microanalyse X) différaient. La teneur en O2 des fumées était

toujours suffisante pour oxyder les particules : la composition des particules ne doit donc pas être liée à ce phénomène. En revanche, la température des fumées peut varier énormément. La Figure 3-46 présente l’évolution des coefficients directeurs et ordonnées à l’origine issus de l’équation O%=a*C%+b pour la série d’essais sur l’étude de l’impact du mode d’allumage.

Figure 3-46 : Evolution des coefficients directeur et ordonnées à l’origine issus de l’équation O%=a*C+b en fonction de la température des fumées durant le prélèvement pour les essais issus de l’étude du mode

d’allumage

Le premier point remarquable est la forte corrélation obtenue pour les essais sur l’allumage, que ce soit le coefficient a ou b. Cela démontre bien que le coefficient b ne dépend pas, comme dit précédemment, uniquement de l’étape de métallisation. Ainsi, la température est bel et bien le paramètre le plus influent sur la répartition massique du Carbone et de l’Oxygène dans les particules.

185 Conclusion

3.4

Ce chapitre a permis de définir différents points :

- Les caractéristiques des particules types émises par un appareil à bûches durant les

trois phases de la combustion ;

- les caractéristiques des particules types émises par un poêle à granulés ;

- l’impact de la génération des appareils à bûches sur les émissions ;

- l’impact de la nature du combustible sur les émissions ;

- l’impact de deux critères d’utilisation (mode d’allumage et réglage des arrivées d’air)

sur les émissions.

Les émissions gazeuses sont totalement différentes entre la combustion de granulés ou de bûches. Les niveaux d’émissions sont beaucoup plus faibles dans le cas de la combustion de granulés. De plus, la nature des particules émises par un appareil indépendant à bûches est différente de celles émises par un poêle à granulés :

- les nanoparticules émises par la combustion de bûches ont un diamètre de 20 à 50 nm

contre 20 à 150 nm pour les granulés ;

- les morceaux de charbon émis par la combustion de granulés présentent une structure

organisée alors que ceux émis par la combustion de bûches sont amorphes.

La combustion d’une bûche peut être divisée en trois phases : la phase d’allumage, la combustion homogène et la combustion hétérogène. Ces trois phases de combustion présentent des émissions gazeuses et particulaires spécifiques. Au niveau des particules, les principales caractéristiques sont les suivantes :

- phase d’allumage : nanoparticules très peu agglomérées et morceaux de bois plus ou

moins dégradé, fortes émissions de TSP, d’EC et d’OC ;

- combustion homogène : nanoparticules peu ou pas agglomérées ;

- combustion hétérogène : morceaux de charbon amorphe, faibles émissions de

particules en masse.

Les prélèvements OC/EC et MEB ont été menés par la suite durant la phase homogène. La génération de l’appareil influe aussi de manière significative sur les émissions. Ainsi, le poêle WABI (2012) émet en moyenne dix fois moins de particules en masse et de HAP16 que le foyer SUNFLAM (2000). Outre les niveaux d’émissions, cette étude a permis de mettre en évidence de nombreux phénomènes dont les majeurs sont rappelés ici :

- l’air secondaire réduit la quantité de polluants émis (gazeux et solides, en masse) et

augmente la fraction ultrafine des particules ;

- l’air secondaire n’influe ni sur la nature chimique des particules émises (notamment le

ratio OC/TSP) ni sur les proportions relatives des différents HAP ;

- le ratio OC/TC ne dépend pas de la qualité de la combustion ;

- le design de l’appareil est le principal facteur impactant le ratio OC/TC des particules ;

- la technologie de l’appareil, qu’importe son design, influe sur les lois d’évolution des

186 Naturellement, la nature du combustible influe sur les émissions. Deux paramètres ont été étudiés dans ce chapitre : l’influence de l’humidité et l’influence de l’écorce. Ainsi, un combustible humide conduira à une combustion mal maîtrisée et très émettrice d’imbrûlés

(CO, COVT et CH4, HAP16, TSP, EC et OC). De plus, la répartition granulométrique est plus

concentrée sur la fraction ultrafine lorsque le combustible est humide. Ainsi, l’humidité est un paramètre influant aussi sur le phénomène d’agglomération des nanoparticules. Les particules émises par la combustion de bûches humides sont les suivantes :

- nanoparticules très faiblement agglomérées avec un diamètre compris entre 20 et

200 nm ;

- des morceaux de bois thermiquement dégradé ;

- des morceaux de charbon.

La présence d’écorces augmente la durée de la combustion. De ce fait, les émissions de CO, NO et COVT sont globalement réduites. En revanche, les émissions de SOx sont beaucoup plus importantes si le combustible possède une écorce. Les émissions particulaires sont aussi impactées par la présence d’écorces. Les émissions de TSP sont plus importantes. Comme les émissions d’OC et d’EC ne varient que faiblement, cela signifie que la présence d’écorces implique une émission de cendres très importantes. La microscopie a permis de constater que la présence d’écorces induisait des émissions de nano-cristaux de Silice et de Sodium.

Concernant l’utilisation de l’appareil, le mode d’allumage influence drastiquement les niveaux d’émissions de la totalité des polluants. Ainsi, l’allumage inversé réduit la globalité des polluants, mais augmente les émissions d’EC. Dans un poêle étanche, la réduction de l’arrivée d’air augmente significativement les émissions de la globalité des polluants. De plus, une arrivée d’air fermée induit une condensation rapide des HAP.

L’évolution des particules dans le conduit est maintenant un point clé à définir afin de mieux comprendre les émissions particulaires dans l’air ambiant des appareils de chauffage domestique au bois.

Des tendances ont aussi été clairement observées. En voici les principales :

- une combustion en manque d’Oxygène produit des particules de plus grosses tailles ;

- les émissions de CO sont directement liées à la température ;

- dans un appareil performant, les émissions de COVT et de HAP présentent un

équilibre très sensible à la température ;

- une faible émission d’OC indique une faible émission de TSP ;

- La teneur en C et en O des particules est directement liée à la température.

De plus, une méthode rapide de détermination du ratio d’OC a été mise au point. Cette méthode est basée sur la mesure de la couleur des filtres. Une optimisation future de cette méthode pourrait permettre une mesure rapide sans matériel couteux de la composition en OC/EC.

Maintenant que l’influence sur les émissions au point de prélèvement de référence de nombreux paramètres, il est important d’observer l’évolution des particules dans le conduit d’évacuation des fumées.

187

Chapitre 4. DE LA FLAMME AU CHAMP

PROCHE

Dans ce chapitre, l’évolution des caractéristiques des particules depuis leur formation dans la chambre de combustion jusqu’au champ proche lors de l’émission à la sortie du conduit de cheminée a été caractérisée. Pour se faire, plusieurs séries d’essais ont été réalisées afin de suivre les modifications dans le conduit. Pour obtenir des résultats permettant d’établir une évolution complète, les essais ont été répétés plusieurs fois.

Etude comparative des résultats d’essais 4.1

L’étude de l’évolution des particules dans le conduit de cheminée comprend trois séries d’essais, préalablement décrites en 2.5.6. La Figure 4-1 est un rappel des caractéristiques des trois séries d’essais. Cette figure est aussi placée en annexe C dépliable en tant qu’illustration continue.

Figure 4-1 : Rappel des points de prélèvements de chaque série d’essais

Ainsi, à chaque série d’essais, des prélèvements étaient réalisés au point de référence. Afin d’obtenir une bonne répétabilité pour chaque typologie d’essai, les charges de combustible (du HSECse) étaient identiques. Une charge était composée de deux bûches de masses équivalentes. Le Tableau 4-1 présente l’intégralité des charges utilisées. Ainsi, seuls les essais « Prélèvement sortie diluée » ont été réalisés avec des charges de combustibles en moyenne plus élevées de 200 g que les autres types d’essai, soit une différence de 5%.

188

Tableau 4-1 : Description des charges

Le Tableau 4-2 présente les résultats caractéristiques de la qualité de la combustion (O2,

température des fumées, CO) mesurée au point de référence pour chaque essai des trois

séries. Les résultats sont très proches les uns des autres, avec une répétabilité très satisfaisante. Cela signifie donc que les résultats aux autres points de prélèvements pourront être comparés.

Tableau 4-2 : Répétabilité des mesures classiques au point de référence pour les trois séries d’essais

Le Dioxygène est plus bas de en moyenne de 1% dans la troisième série. Cela est dû à l’action de la dilution, qui perturbait l’extracteur de fumée. Ce dernier régulait à 12 Pa dans les deux premières séries d’essais, mais peinait à obtenir 10 Pa lorsque la dilution était activée. Comme les débits d’air de combustion sont liés directement au tirage, il apparaît normal que le dernier

cas conduise à un débit d’air plus faible et donc à une teneur en O2 plus faible. Ce phénomène

Type d'essai Répétition Bûches 1 (kg) Bûches 2 (kg) Masse totale (kg) Moyenne (kg)

1 1.71 2.03 3.74 2 1.93 1.78 3.71 3 1.8 1.89 3.69 4 2.02 1.75 3.77 1 1.73 1.95 3.68 2 1.73 1.96 3.69 3 1.8 1.89 3.69 4 2.05 1.72 3.77 1 1.83 2.06 3.89 2 1.89 2.1 3.99 3 1.92 2.05 3.97 4 1.91 2.02 3.93 Prélèvement "chambre" Prélèvement "sortie" Prélèvement "sortie diluée" 3.73 3.71 3.95

Type d'essai Répétition O₂ (%) CO₂ (%) CO (mg.Nm^-3 à 13% O₂) T fumée (°C)

1 14.9 6.0 2128 337 2 15.7 5.2 1760 300 3 14.4 6.5 2406 348 4 13.0 7.9 2205 373 Moyenne 14.5 6.4 2125 340 Ecart-type 1.1 1.1 270 30 1 15.5 5.7 2447 332 2 14.7 5.9 2183 356 3 14.0 6.2 3283 361 4 14.4 6.4 2245 357 Moyenne 14.6 6.0 2539 351 Ecart-type 0.6 0.3 509 13 1 14.3 6.7 2221 336 2 13.3 7.4 1835 351 3 14.0 6.3 2047 322 4 12.8 7.1 2419 341 Moyenne 13.6 6.8 2130 337 Ecart-type 0.7 0.5 249 12 Prélèvement "chambre" Prélèvement "sortie" Prélèvement "sortie diluée"

189 de concurrence entre l’extracteur de combustion qui régule un tirage à 12 Pa et le ventilateur de dilution qui crée une surpression, bien que présent, n’impacte que légèrement les

conditions de combustion. En effet, pour une concentration en O2 plus faible, les émissions de

CO et la température des fumées sont équivalentes. Ainsi, les résultats obtenus à chaque point de prélèvement pourront être comparés entre eux en dépit de prélèvements réalisés au cours d’essais différents. Les résultats seront présentés de la manière suivante :

- 1 : caractérisation globale au point de référence ;

- 2 : pour chaque point de prélèvement :

o résultats à ce point ;

o comparaison à la référence ;

- 3 : conclusion sur les évolutions.

Ce format de présentation des résultats permettra à la fois la caractérisation des émissions en un point et la compréhension de l’évolution de ces caractéristiques.

Dans cette étude, les caractéristiques physico-chimiques des particules ont été particulièrement observées. De plus, les HAP16 et les COVT ont aussi été ciblés, puisqu’ils sont des précurseurs à la formation de nouvelles particules dans l’air ambiant. Bien que les COVT soient toujours traités de manière séparée, les HAP16 seront traités en même temps que les émissions de TSP. Ces séries d’essais permettront donc de répondre à deux objectifs principaux, à savoir :

- déterminer les mécanismes de formation des différentes particules ;

190 Les émissions au point de référence