Paramètres de la combustion

La qualité de la combustion dans les appareillages est régie par plusieurs paramètres dont l’optimisation est un élément clé pour réduire les émissions. A cette fin, les constructeurs sont généralement amenés à considérer 4 critères importants :

- les conditions de mélange,

- la température au sein du foyer de combustion, - le temps de séjour,

- la turbulence.

Les conditions de mélange

Les conditions de mélange, autrement dit la richesse d’un mélange, traduit le rapport air/combustible. On considère généralement la variable 𝜆 définie comme suit :

𝐴𝑖𝑟 𝑡𝑜 𝐹𝑢𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 (𝐴𝐹𝑅) =

𝑚_{𝑓𝑢𝑒𝑙}

𝜆 =

𝐴𝐹𝑅𝑠𝑡𝑜𝑒𝑐ℎ

Dans les conditions stœchiométriques de la réaction, ce rapport équivaut à 1. Si le mélange se compose d’une fraction plus importante de fuel 𝜆 < 1, le mélange est dit riche. Si 𝜆 > 1, il est considéré pauvre. En conditions d’utilisation réelles, les proportions stœchiométriques d’air ne sont jamais suffisantes pour oxyder la totalité du carbone présent dans le fuel, et la combustion est réalisée avec un excès d’air, soit 𝜆 > 1. Un excès d’air trop faible crée des zones riches dans le mélange qui contribuent à la formation et l’émission de carbone élémentaire (Figure 1.31). Trop

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élevé, l’excès d’azote absorbe l’énergie du système et tend à faire diminuer la température au sein du foyer de combustion. Il en résulte des sous-produits plus oxydés.

FIGURE 1.31 – Caractéristique de l’aérosol organique selon les conditions de combustion. COC se réfère à Condensable Organic Compounds, et soot à un aérosol riche en carbone élémentaire. Au point A la température de combustion est abaissée. Aux points B et C, elle est élevée (Nussbaumer et al., 2010).

La régulation de l’arrivée d’air par le développement de foyers de combustion dits à double combustion ou staged-air system est l’exemple même d’une amélioration par les constructeurs pour optimiser les conditions de mélange (Figure 1.32). Le système à plusieurs entrées se base sur la séparation en plusieurs points du foyer de combustion des phases de combustion. Le bois est initialement gazéifié durant la phase de pyrolyse sous une arrivée d’air primaire, placée en dessous de la grille sur laquelle est posé le combustible. Dans un second temps, le charbon est oxydé sous une arrivée d’air secondaire généralement placée au-dessus ou à l’arrière de la chambre. Cette arrivée supplémentaire favorise l’oxydation complète des composés émis lors de la pyrolyse. Le contrôle de l’ouverture et de la fermeture de ces deux orifices est un jeu d’équilibre pour assurer une combustion à la fois la plus efficace possible mais aussi la plus longue possible, sous-entendu, le contrôle des ouvertures est un paramètre non négligeable pour une utilisation optimale de l’équipement. Dans le cas de poêles entièrement automatisés, sensibles aux paramètres de combustion mentionnés, ce jeu d’équilibre sur les ouvertures mais aussi l’ajout de combustible, ou la ventilation, sont

FIGURE 1.32 – Principe de la double combustion pour un appareillage de chauffage au bois résidentiel (KBANE, 2017)

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contrôlés par le poêle. L’opérateur n’est plus maître de la combustion. Ce système doit ainsi contribuer à améliorer l’efficacité de combustion.

La température dans le foyer de combustion

La température au sein du foyer est directement influencée par les matériaux de l’enceinte utilisés, c’est-à-dire la capacité du matériau à absorber la chaleur, sa densité, son épaisseur, ses caractéristiques isolantes. Comme décrit précédemment, la température est un facteur déterminant de la combustion et notamment dans l’émission des PAHs. Des températures plus faibles contribuent également à former une plus grande quantité de CO et d’autres composés organiques volatils, mais également de cendres. Une température plus élevée tend en revanche à favoriser l’émission de NOx (Van Loo and Koppejan, 2008).

Le temps de séjour

On définit le temps de séjour comme le temps de passage des émissions gazeuses dans le foyer de combustion. Un temps de séjour trop court ne permet pas une complète oxydation des produits intermédiaires de combustion et contribue à favoriser la formation de polluants. Les NOx font exception à cette règle. Leur formation est favorisée par un temps de séjour long. Le temps de séjour optimal dépend aussi, lui-même, de la température. Le volume du foyer est toutefois le principal paramètre sur lequel les constructeurs peuvent jouer pour optimiser le temps de séjour.

La turbulence

La turbulence au sein du foyer permet un mélange homogène du combustible avec l’air et une meilleure distribution de la température. Le design du foyer de combustion et les vitesses des flux d’air entrant sont ici les paramètres clés.

Abattement des émissions : stratégie primaire et secondaire

Pour limiter la pollution par les appareillages de chauffage au bois, les constructeurs peuvent s’appuyer sur deux stratégies d’abattement :

Stratégie primaire – on limite la formation des sous-produits de combustion en améliorant la combustion. Cette stratégie est entièrement basée sur l’optimisation des conditions précisées ci-dessus. Ainsi encourager les particuliers à délaisser les foyers ouverts pour les foyers fermés (cheminées avec insert, poêles) s’inscrit directement dans cette stratégie d’abattement des émissions.

Stratégie secondaire – on piège ou on détruit les polluants formés avant émission. C’est le but d’utilisation des précipitateurs électrostatiques, des cyclones, des filtres, ou des convertisseurs catalytiques. Les techniques d’abattement secondaires n’équipent à l’heure actuelle uniquement que les grosses installations, et ne peuvent s’appliquer aux petits appareillages des particuliers. En revanche des études sont menées pour tenter d’installer sur ce type d’installation des catalyseurs pour l’élimination des VOCs. Leur maintenance pour les particuliers demeure le point le plus complexe à assurer.

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