La liste détaillée des données mesurées es un datalogger Campbell Scientific CR 3000
valeur moyennée/sommée sur 5 minutes. Le calcul des moyennes
bois présentant une périodicité de 15 ou 30 min, une interpolation entre les points a été réalisée pour les à un pas de temps de 5 min pour les analyses instantanées.
La Figure 27 montre le positionnement des sonde
T
fuméesFigure 27 : Position des sondes de mesure
II. des de mesure du rendement instantané des chaudières
- la méthode « directe », qui compare l’énergie sortant et l’énergie entrant dans la chaudière, pour it de bois est nécessaire : un dispositif de mesure spécifique a été
sortant de la chaudière et à faire le rapport entre les deux :
B Métho
Deux méthodes différentes ont été adoptées pour la mesure du rendement instantané des chaudières (cf.
paragraphe I.A.3.b) :
laquelle une mesure précise du déb utilisé dans le cadre de cette étude,
- la méthode habituelle dite méthode de Siegert, qui permet d’estimer le rendement de manière indirecte en quantifiant les différentes sources de pertes.
II.B.1 Méthode directe
La méthode directe consiste à déterminer l’énergie entrant et
_
ηDirect_∆t : Rendement moyen durant ∆t (méthode directe) Ein_∆t : Energie entrante durant ∆t [kWh]
Eout_ ∆t : Energie sortante durant ∆t [kWh]
L’énergie sortante est comptabilisée directement via le compteur de chaleur de chaque chaudière :
Tret_ch. : Température de retour chaudière [°C]
L’énergie entrant dans la chaudière sous forme de plaquettes de bois peut être quantifiée en mesurant le débit de bois, son taux d’humidité Hb et le PCI du bois sec PCIbs :
_
in t
M
bhPCI
bh
Ein_t : Energie entrant dans la chaudière [kJ]
Mbh : Masse
PCIbh : Pouvoir Calorifique Inférieur du bois humide [J/kg]
de bois humide entrant dans la chaudière [kg]
(1 )
e vaporisation de l’eau = 2’260 kJ/kg
PCI du bois. ragraphe II.C.
II.B.2 Méthode indirecte (Siegert)
hode de Siegert permet d’estimer le rendement d’une chaudière de manière indirecte en quantifiant séparément les différentes sources de pertes [Good et al.; 2006] :
Meau : Masse d’eau contenue dans l’échantillon [kg]
PCIbs : Pouvoir Calorifique Inférieur du bois anhydre = 18’000 kJ/kg Lv : Chaleur latente d
Les grandeurs à connaître pour le calcul de l’énergie entrante sont le débit massique, le taux d’humidité et le Les protocoles de mesure sont détaillées en pa
La mét
1 1
Siegert
Q
iQ
sensiblesQ
rayonnemeQ
chimiquesQ
imbrûlés
nt
Qsensible es
o ent : nt, convection et conduction des parois de la
chimiques : complète (imbrûlés gazeux)
cendres) Cette méthode est couramment utilisée pour déterminer le rendement de tous types de chaudières. Cependant :
Dans le cas d’une chaudière bois, les résultats obtenus par cette méthode n’ont jamais été vérifiés par des
mesure (un de
La méth permet nt de la chaudière en période de stand-by, alors
même s chaud urant des périodes plus ou moins
conséq elon le
Les pertes thermi ar chale r imbrûlés gazeux sont calculées de la
re suivante [ al.; 2006
s : Pertes thermiques par chaleur sensible des fumé
Qray nnem Pertes thermiques par rayonneme
chaudière
Q Pertes chimiques par combustion in
Qimbrûlés : Pertes chimiques par combustion incomplète (imbrulés solides dans les
s directes s objectifs de ce travail).
ode ne pas de caractériser le fonctionneme
que le ières bois peuvent rester en stand-by d uentes (s ur dimensionnement).
ques p ur sensible et les pertes chimiques pa
Good et ] :
CO : Taux de monoxyde de carbone dans les fumé (sur fumées sèches) [% vol.]
CO2 : Taux de dioxyde ce carbone dans les fumées (sur fumées sèches) [% vol.]
PCIbs : Pouvoir calorifique inférieur du bois sec [kJ/kg]
] T : Température des fumées [°C]
t
Remarque : On e habituelle
es
Hbs : Humidité du bois (sur masse sèche) [%
fumées
Tex : Température ambiante [°C]
travaill ment plutôt avec l’humidité du bois sur masse humide b eau
bs eau
H M
M M
qu’avec l’humidité du bois sur masse sèche bs eau
bs
Meau : Masse d’eau contenue dans l’échantillon [kg]
La température s fum et nce, les protocoles de mesure
pour le PCI et l’
Les pertes thermiques p e des parois de la
chaudière. Dan otre e
st très bien isolée. Nous avons donc décidé de négliger les pertes par rayonnement.
Les pertes par imbrûlés solides Qimbrûlés peuvent être déterminées en quantifiant le carbone restant dans les de ées la température ambiante sont mesurées en permane
humidité du bois, les taux de CO et CO2 dans les fumées sont décrits au paragraphe II.C.
ar rayonnement Qrayonnement dépendent de la température et de la surfac
s n cas, la température des parois est très proche de la température ambiante, car la chaudièr e
cendres extraites de la chaudière (cf. paragraphe II.C.4).
II.C Protoco
II.C.1 it de b
La mesure ins et en ’entrée de la chaudière, nécessaire au calcul du
rendement insta , est une cadre de ce projet, un dispositif conçu pour la mesure de débits de céréales dans l’industrie agro-alimentaire a été testé avec des plaquettes forestières.
II.C.1.a Matériel utilisé
Le dispositif utilisé (cf. Figure 28) est un débitmètre Rembe C-lever 50. Cet appareil mesure le débit d’un produit s forme pulvérulente, ce qui a nécessité de le tester pour des plaquettes de bois) chutant sur un déflecteur de forme radiale relié à des jauges de contraintes qui mesurent la force centripète exercée sur le déflecteur et en déduit le débit. Une correction est appliquée pour tenir compte de la friction. L’appareil renvoie 1 impulsion pour chaque kg de bois mesuré.
les de mesure
Déb ois
tantanée continu du débit de bois à l ntané question épineuse. Dans le
(plutôt sou
Figure 28 : Débitmètre Rembe C-lever 50 pour la mesure du débit de bois et principe de mesure (source : Rembe GmbH)
II.C.1.b Montage et étalonnage du débitmètre sur site, filtrage des données obtenues
Le transport du bois depuis le silo situé en sous-sol se fait grâce à un système de convoyage qui le remonte au dessus de la chaudière et le déverse dans un tube de chute. Le bois tombe ensuite devant un poussoir actionné par un vérin qui le pousse dans la chaudière. Le système est totalement fermé pour contenir la poussière et éviter l’intrusion de corps étrangers.
Afin de pouvoir mesurer le débit de bois, nous avons mis en place le dispositif de mesure au niveau du tube de chute, en remplaçant celui-ci par deux pièces de tôlerie d’adaptation. Le montage réalisé est présenté en Annexe 5. La Figure 29 illustre le débitmètre en conditions réelles d’utilisation. La forme du débitmètre induit une
restriction de diamètre (cf. Figure 28) qui entraîne parfois des obstructions par pontage : sans intervention, st arrêtée. Le débitmètre n’a donc pas pu être laissé en place en continu en l’alimentation en bois de la chaudière e
dehors des périodes de campagne.
Figure 29 : Débitmètre bois en fonctionnement au cours d’une campagne de mesure
Le constructeur spécifie une précision de 1 % de la valeur maximale de la gamme de mesure choisie. Le débitmètre a été étalonné dans les conditions réelles d’utilisation sur site. Une bonne corrélation a été obtenue, avec une erreur <2.5% dans le cas de la grande chaudière et <3.5% dans le cas de la petite chaudière (cf.
Annexe 5).
Le e
esure, comme lorsque des morceaux de bois se coincent sur le capteur (cf. Annexe 5).
II.C.2 is
s données brutes ont également été filtrées en fonction des anomalies rencontrées au cours des campagnes d m
Humidité du bo
La connaissance de la variation de l’humidité du bois en complément du débit de bois est indispensable pour quantifier l’énergie entrant dans la chaudière. En effet, l’humidité du bois influe sur son pouvoir calorifique, l’évaporation de l’eau contenue dans le bois avant la combustion nécessitant de l’énergie (cf. paragraphe I.A.2.c).
La mesure de l’humidité du bois en continu est complexe à réaliser. Nous avons testé plusieurs méthodes :
a) Utilisation de capteurs de mesure d’humidité par radiofréquence ou par infrarouge (à insérer dans la chaîne d’alimentation du combustible)
b) Détermination indirecte grâce à la connaissance du taux d’humidité dans les fumées et des équations de combustion
c) Prélèvement d’échantillons de bois et mesure de l’humidité en étuve
II.C.2.a Capteurs par radiofréquence et par infrarouge
Les capteurs de mesure d’humidité du bois en continu disponibles sur le marché sont peu nombreux. Deux types de capteurs nous ont été gracieusement prêtés par la société Marino Müller pour pouvoir les tester :
Un capteur par radiofréquence : mesure la constante diélectrique de l’échantillon, dont la valeur varie en fonction du taux d’humidité.
Un capteur par infrarouge : mesure l’absorption par l’échantillon du rayonnement infrarouge émis par le capteur à certaines longueurs d’ondes, qui varie en fonction du taux d’humidité.
Les capteurs ont été testés sur différents échantillons présentant des caractéristiques diverses, selon le protocole détaillé en Annexe 6, dans laquelle sont également les résultats des tests. Les résultats principaux sont les suivants :
L’incertitude de mesure est élevée dans la plupart des cas, et vaut de l’ordre de 20% en moyenne pour les deux types de capteurs. Ces résultats sont corroborés par ceux trouvés dans la littérature, notamment dans [Jensen et al.; 2006].
Pour le capteur par radiofréquence, la densité apparente des copeaux de bois influence fortement la mesure.
Le capteur par infrarouge mesure plus particulièrement l’humidité de la surface de l’échantillon (la seule partie qui soit exposée au rayonnement).
Pour les deux
Au vu de ces résultats, nous n’avons pas retenu ces capteurs pour l’étude.
midité
xHyOzNuSv (sans l’humidité) avec x, y, z, u, v les fractions molaires
n théorique des fumées. Dans la réalité, la combustion n’est pas stœchiométrique mais se fait en présence d’un excès d’air pour s’assurer d’une combustion complète du bois. La valeur d’excès d’air peut être déterminée grâce à la mesure du taux d’oxygène résiduel dans les fumées par la sonde lambda. On peut donc caractériser la composition des fumées dans le cas où le bois brûlé serait totalement sec. Dans la pratique, l’humidité initiale du
capteurs, la mesure est influencée par :
- l’inhomogénéité du taux d’humidité dans le volume de copeaux,
- la taille de la zone de mesure des capteurs, de faible dimension par rapport à la taille des copeaux et de l’échantillon.
II.C.2.b Détermination indirecte en utilisant le taux d’hu dans les fumées
La composition du bois est de la forme C
[%mol] associées à chaque élément. La valeur de ces coefficients varie peu d’une essence à l’autre, et on peut donc utiliser des valeurs usuelles sans grand risque d’erreur (cf. paragraphe I.A.2.a).
On peut en déduire l’équation de combustion stœchiométrique du bois (cf. Annexe 7) et donc la compositio
bois se retrouve sous forme de vapeur d’eau dans les fumées et la différence entre le taux d’humidité théorique et le taux d’humidité réel des fumées permet de déterminer quelle quantité d’eau a été évaporée du bois avant sa com
La faibl
fiable. Peu de capteurs fiables existent, aussi une possibilité explorée dans ce travail est d’utiliser un gaz traceur,
par e ectivement sèches et humides (cf.
nnexe 8). Le rapport entre les deux valeurs permet théoriquement de déterminer l’humidité des fumées.
sure dans les calculs (cf. Annexe 8). Les résultats montrent que pour une incertitude de mesure des teneurs en oxygène de 1%
r des faibles taux d’humidité).
à mesurer l’humidité du bois entrant dans la chaudière en continu nous a conduits à opter pour des prélèvements réguliers d’échantillons de bois, dont l’humidité a été mesurée a posteriori en étuve selon le
s de bois d’environ 250 g à intervalles réguliers (15 min au cours des en sachets plastiques laissés ouverts pour éviter la putréfaction.
mesu uisqu’il nécessite une intervention humaine. Cela n’a pas été problématique puisque humidité du bois est utilisée uniquement pour le calcul du rendement des chaudières, qui n’est mesuré que sur les site également une présence sur site.
D’autre part, l’imprécision liée au caractère ponctuel de la mesure s’est révélée assez faible au final, l’humidité du bois évol
caution, nous avons effectué bustion et ainsi remonter à l’humidité du bois. Cette méthode est décrite plus en détail en Annexe 8.
esse de cette méthode réside dans la difficulté à mesurer l’humidité des fumées de combustion de manière ex mple l’oxygène, et de mesurer sa teneur dans les fumées resp
A
Pour tester la fiabilité de cette méthode, nous avons estimé théoriquement l’effet des incertitudes de mesure des teneurs en oxygène dans les fumées sèches et humides en propageant l’erreur probable de me
(correspondant aux meilleures technologies actuelles), l’erreur sur le taux d’humidité du bois dépasse facilement les 100% (et augmente fortement pou
Nous n’avons donc pas retenu cette méthode pour notre étude.
II.C.2.c Protocole retenu : prélèvement d’échantillons de bois et mesure de l’humidité en étuve
La difficulté
protocole suivant :
Prélèvement et pesée d’échantillon
1ères campagnes puis 30 min au vu de la stabilité des valeurs mesurées).
Stockage
A l’issue de la campagne, étuvage des échantillons 24 h à 105°C.
Pesée des échantillons sortis de l’étuve.
Calcul du taux d’humidité.
Remarque : ce choix implique que nous avons mesuré l’humidité du bois seulement au cours des campagnes de re et pas en continu, p
l’
campagnes de mesure à cause de la mesure du débit de bois qui néces
uant peu au cours d’une même campagne de mesure.
II.C.3 PCI du bois
Le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) du bois sec (anhydre) est relativement constant d’une essence à l’autre : la valeur usuelle de 18’000 kJ/kg est souvent avancée (cf. paragraphe I.A.2.c). Par pré
des mesures ponctuelles par calorimétrie sur 5 échantillons prélevés à la chaufferie de Cartigny au cours de la campagne du 29-31 mars 2011 selon le protocole habituel. La Figure 30 présente les résultats obtenus.
0 1 2 3 4 5 6
du PCI anhydre obtenue est de 18'238±586 kJ/kg pour les 5 échantillons, soit un écart de l’ordre de 1% par rapport à la valeur usuelle de 18'000 kJ/kg, utilisée dans les calculs par la suite.
tre détectée de manière visuelle : des nt généralement d’une combustion incomplète tandis que des ne de bonne combustion. Nous avons régulièrement contrôlé visuellement la ualité des cendres et n’avons pas observé d’anomalies, si bien que nous n’avons pas jugé utile de mesurer le
s de 1g.
Passer l’échantillon une heure à 600°C.
Figure 30 : Résultat des mesures du PCI anhydre des échantillons de bois de la chaufferie de Cartigny réalisées avec le calorimètre de laboratoire
La valeur moyenne
II.C.4 Carbone résiduel dans les cendres
La présence de carbone imbrûlé dans les cendres peut généralement ê cendres de couleur gris foncé ou noire atteste
cendres de couleur claire sont sig q
taux de carbone résiduel dans les cendres en continu durant les campagnes.
Nous avons effectué par précaution quelques prélèvements de cendres au cours de la campagne du 15.11.2011 sur le bac de la petite et de la grande chaudière, ainsi que sur un bac de stockage à côté des chaudières. Nous les avons transmis au laboratoire d’analyse de l’Institut Forel de l’Université de Genève pour mesure du carbone résiduel selon la procédure habituelle, à savoir :
Peser un échantillon de cendre
Peser l’échantillon après une nuit au dessicateur.
Le Tableau 7 présente les résultats obtenus sur nos échantillons :
Tableau 7 : Résultat des analyses de carbone résiduel dans les échantillons de cendres de Cartigny
Date / Heure Emplacement Taux
d'imbrûlés 15.11.2011 à 8h35 cendres bac PC 0.98%
15.11.2011 à 16h40 cendres bac PC 1.12%
15.11.2011 cendres bac GC (à l’arrêt) 3.80%
15.11.2011 cendres bac de stockage 3.56%
Le taux d’imbrûlés dans les échantillons de cendres est faible (<4% de la masse de cendres). Si on considère que le bois sec présente un taux de cendres de l’ordre de 2%, le taux d’imbrûlés sur bois sec sera inférieur à 0.1% : nous l’avons négligé dans la suite des calculs.
II.C.5 Taux d’oxygène résiduel
Un des objectifs du suivi énergétique était de vérifier la justesse de la mesure d’oxygène résiduel dans les fumées de combustion par la sonde lambda de la chaudière, suspectée comme étant imprécise. Pour ce faire, nous avons utilisé une sonde oxygène au zirconium de marque Econox d’une précision de 1 mV sur la tension produite, correspondant à 0.5 à 1% sur le taux d’oxygène. Nous avons l’avons placée dans la conduite de es de la grande chaudière 2 mètres en aval du ventilateur d’extraction et de la sonde lambda.
Cette sonde comporte un senseur en hauffé à 700°C génère une tension
r la mesure. En fonction de la quantité de poussières dans les gaz, il est nécessaire de faire des purges régulières du circuit
itionnée à l’amont de l’électroflitre, nous avons
Figure 31 : Taux d’oxygène résiduel dans les fumées selon sonde zirconium et sonde lambda chaudière sur une heure (1 mesure par seconde)
fumé
oxyde de zirconium, qui lorsqu’il est c
dépendant de la différence de concentration en oxygène dans les gaz situés de part et d’autre de l’élément de mesure. Une pompe aspire les gaz à mesurer ainsi que l’air ambiant jusqu’au capteur pour effectue
contenant les gaz mesurés (dans notre cas, la sonde ayant été pos
programmé une purge toutes les 10 min selon les recommandations du fabricant). Suite à une purge, les mesures sont perturbées durant plusieurs minutes comme on peut le voir sur la Figure 31, le temps que la sonde baigne à nouveau dans le gaz à mesurer.
purges de la sonde zirconium
En dehors des périodes de purge, les mesures données par les deux sondes sont proches. Nous avons donc utilisé dans la suite de l’analyse les mesures réalisées par la sonde lambda.
II.C.6 Excès d’air
L’excès d’air traduit la tée pou r rapport à é d’air nécessaire pour la combustion stœchiomé
quantité d’air appor r la combustion pa la quantit trique.
ent apportée lors de la combustion O : Quantité d’O nécessaire pour la combustion stœchiométrique O2_réel : Quantité d’O2 réellem
2_stoechio 2
L’excès d’air a été calculé durant les campagnes de mesure à l’aide du taux d’oxygène contenu dans les fumées sèches, mesurées par l’analyseur de gaz (cf. paragraphe II.C.7), selon la relation suivante :
1 100 1
II.C.7 Emissions atmosphériques
La comp aide d’un
analyseur d
L’appareil ectrofiltre
(cf. Figure au centre
de la se
II.C.7.a Matériel utilisé
osition des fumées de com analysée durant les campagnes de mesure à l’
e gaz portable Testo 350XL (cf. Figure 32).
prélève dans le conduit de fumées un échantillon de gaz entre le ventilateur d’extraction et l’él 32). Il est positionné dans un des piquages existants, perpendiculairement à l’écoulement et ction circulaire du conduit.
bustion a été
Figure 32 : Analyseur de gaz Testo 350XL utilisé pour les mesures d’émissions gazeuses et position de la sonde de prélèvement dans le conduit en aval du ventilateur d’extraction des fumées
Cet échantillon est séché en traversant un élément Peltier, puis va traverser des cellules électrochimiques (une pour la détection de chaque gaz). Les gaz analysés par l’appareil sont les suivants
- Monoxyde de carbo - Oxygène 2
- Oxydes d’azote NO - Dioxyde de souffre SO
DIR)
Les con il sont données par rapport au volume de gaz sec.
ramique de la tête de la sonde doit être réalisé toutes
campagnes.
Les émissions ont été mesurées durant toutes les campagnes avec notre analyseur de gaz à raison de 1 point par seconde moyenné sur 1 minute. De la même manière que pour les données relevées par le datalogger, le calcul des moyennes sur 5 minutes et sur 1 heure utilisées dans la suite de l’analyse a été effectué avec un horodatage des données au début du pas de temps.
Nous n’avons pas pu réaliser de mesures de poussières dans les fumées, alors même que les émissions de poussières par les chaudières bois sont actuellement sujettes à polémique. Cependant, le Service de protection de l’air a réalisé en janvier 2012 un contrôle réglementaire sur l’installation, qui a montré que les émissions de poussières après l’électrofiltre étaient proches de 0 (cf. paragraphe III.C.4.c).
: ne CO
O
, NO2 2
- Dioxyde de carbone CO2 (cellule infrarouge N centrations en gaz mesurées par l’appare
Remarque : Le fabricant de l’appareil recommande une maintenance régulière qui impose la présence d’un opérateur : en particulier un nettoyage à l’alcool du filtre cé
les 90 min. D’autre part, des cycles de purge à l’air frais des cellules et de la canne de prélèvement sont
les 90 min. D’autre part, des cycles de purge à l’air frais des cellules et de la canne de prélèvement sont