2.3. Combustion en chaudières automatiques
2.3.2. Etudes de combustion
De nombreuses études traitent de la combustion du bois dans des fours de laboratoires. En revanche, peu d’études traitent de la combustion du bois dans des chaudières industrielles.
Ce paragraphe présente les principaux résultats tirés d’études effectuées sur des chaudières industrielles.
2.3 1 -comburant
Une stion and Cofiring [59] page 105 révèle un e ît l’influence du mélange combustible-comburant sur les émi o
.2. . Influence du mélange combustible
illustration (Figure 2-23) tirée du Handbook of Biomass Combu pr mier résultat intéressant où appara
ssi ns de monoxyde de carbone.
Facteur d’air
Facteur d’air Facteur d’air
Chimique Thermique
Facteur d’air Facteur d’air Facteur d’air
Chimique Thermique
Figure 2-23 : Emissions gazeuses de monoxyde de carbone en fonction du facteur d'air.
La Figure 2-23 donne l’évolution des émissions de monoxyde de carbone en fonction du facteur d’air fourni à la combustion. Il apparaît que les émissions de monoxyde de carbone obtiennent un minimum pour un facteur d’air avoisinant 1,5. Ce minimum est le résultat d’un équilibre entre deux phénomènes distincts :
− Plus le débit d’air injecté augmente pour la combustion d’un même débit de bois, plus le débit de fumées augmente pour une même quantité d’énergie libérée : la température moyenne des fumées tend donc à diminuer. Cette baisse de température ralentit les vitesses d’oxydation des gaz et produit par conséquent davantage d’imbrûlés. Ce phénomène, dit thermique, est relevé par la droite rouge sur la droite de la Figure 2-23.
− Plus le débit d’air injecté diminue pour atteindre le débit d’air stœchiométrique, plus les imbrûlés gazeux manquent d’oxygène pour réagir. Ce phénomène, dit chimique, est lisible par la droite bleue sur la gauche de la Figure 2-23.
On note alors qu’il existe un domaine dans lequel l’air injecté est suffisant pour apporter l’oxygène nécessaire et assez faible pour garantir une température élevée.
Ce premier résultat indique que la combustion du bois requiert un juste équilibre entre débit d’air et débit de bois (traduit ici par le facteur d’air) afin de produire un minimum de monoxyde de carbone.
Rappelons que la réaction d’oxydation du CO en CO2 produit plus des deux tiers de l’énergie produite par l’oxydation du carbone du bois en CO2. Autrement dit, la présence de monoxyde de carbone dans les fumées, outre son caractère polluant, diminue le rendement énergétique.
2.3.2.2. Influences de l’humidité du bois et de la modulation de puissance
e chaudière automatique de 450 kW munie d’un foyer à
c des plaquettes forestières d’humidités différentes en faisant fonctionner la chaudière de 450 kW à des
d inale, soit 150 kW.
L’étude de Staiger et al. [51] est réalisée sur un
grilles mobiles à contre courant brûlant des plaquettes forestières humides.
La Figure 2-24 illustre les émissions de monoxyde de carbone obtenues lors d’essais de combustion ave puissances éveloppées variant jusqu’à un tiers de la puissance nom
Figure 2-24 : Emissions de monoxyde de carbone en fonction de la puissance délivrée et de l'humidité du bois (carrés et ligne continue : Hb = 42,4% ; losanges et ligne discontinue : Hb = 46,2% ; triangles et ligne pointillée : Hb = 51,4%).
La Figure 2-24 permet de noter les influences de l’humidité du bois et de la modulation de puissance sur les
émissions d ation d
uissance
de
Ces rés l’humid
Le seco concerne l’influence de l’humidité du combustible sur les
− plus le bois utilisé est humide et plus les émissions de monoxyde de carbone engendrées par sa e monoxyde de carbone. Ainsi, le premi résultat concernant l’influence de la modul
montre que : er e
p
− les émissions de monoxyde de carbone n’évoluent que peu et sont minimales dans un intervalle d’utilisation de la chaudière entre 50% et 100% de sa puissance nominale ;
− si la chaudière est utilisée en deçà de 50% de sa puissance nominale, les émissions de monoxyde de carbone augmentent fortement. On note une augmentation d’environ 50% des émissions monoxyde de carbone lorsque la puissance délivrée est diminuée de 50% à 33% de la puissance nominale.
ultats sur l’influence de la modulation de puissance sont manifestement peu dépendants de ité du bois utilisé comme combustible.
nd résultat traduit sur la Figure 2-24
émissions de monoxyde de carbone. Il apparaît une nette stratification des émissions de monoxyde de carbone en fonction de l’humidité du bois :
combustion sont importantes pour une même puissance. Entre l’utilisation d’un bois à 42,4% d’humidité sur brut et un bois à 51,4%, les émissions de monoxyde de carbone sont presque doublées.
2.3.2.3. Solution technique particulière
La modulation de puissance semble être le défi technique devant être relevé sur les chaudières utomatiques fonctionnant au bois.
a chaudière qui développe une puissance nominale de 500 kW sert au chauffage d’un réseau de chaleur urbain dans la ville suédoise de Boden proche du cercle polaire arctique. Afin d’augmenter l’intervalle de modulation de la puissance, cette chaudière est munie d’un double foyer alimenté par trois vis d’Archimède (cf. Figure 2-25). Le petit foyer est prévu pour délivrer une puissance nominale de 150 kW. Il est alimenté par une vis d’Archimède tandis que le grand foyer de 350 kW est alimenté par deux vis. a
C’est dans ce cadre qu’un fabricant suédois a développé une chaudière particulière en partenariat avec l’Université Technologique de Luleå (Suède). Cette chaudière a fait l’objet de travaux de recherche publiés par Lundgren et al. [22,23].
L Chambre de combustion primaire tion yer) Chambre de combustion secondaire s d’alim enta le gra nd fo foyer) 3 vi (2 vis p our (1 vis p our le
petit Air primaire latéral
frontal Air primaire Actionneur hydraulique Grilles Chambre de Chambre de combustion secondaire s d’alim enta le gra nd fo foyer) combustion primaire tion yer) 3 vi (2 vis p our (1 vis p our le petit
Air primaire latéral
frontal Air primaire Actionneur hydraulique
Grilles
Figure 2-25 : Description du foyer double de la chaudière automatique produisant 500 kW.
nfiguration
ette co double et asymétrique du foyer permet, d’après Lundgren, d’obtenir une modulation e la puissance sur un intervalle entre 10% et 100% de la puissance nominale. En fonction de la puissance
s fonctionnent en parallèle à pleine puissance.
− Lorsque la puissance diminue, le petit foyer est régulé jusqu’à être arrêté, la chaudière ne délivre
é. La chaudière ne produit plus que 150 kW ;
La Figu
pendan les appels de puissance varient entre 50 kW et 500 kW. Les émissions de monoxyde de arbone sont mesurées pendant ce cycle de fonctionnement et représentées (courbe noire) en parallèle de la ourbe de puissance (courbe rouge).
C d
thermique appelée par le réseau de chauffage, les foyers sont arrêtés ou démarrés. − Ainsi, à pleine puissance les deux foyer
donc plus que 350 kW.
− Lorsque la puissance appelée diminue encore, le grand foyer est régulé et le petit foyer redémarré jusqu’à ce que le grand foyer soit arrêt
− Si la puissance appelée baisse davantage, seul le petit foyer fonctionne et est régulé jusqu’à un tiers de sa puissance nominale, soit 50 kW.
re 2-26 illustre une modulation de puissance type effectuée sur 12 heures de fonctionnement t lesquelles
c c
Figure 2-26 : Evolution au cours du temps de la puissance délivrée et des émissions de CO.
On peut noter alors les très faibles émissions de monoxyde de carbone lorsque la chaudière délivre plus de 150 kW. Quelques pics de monoxyde de carbone sont visibles lors des changements de puissance qui correspondent au démarrage ou à l’extinction d’un des foyers.
Lorsque la puissance baisse en deçà de 150 kW, les émissions de monoxyde de carbone sont plus chaotiques.