Résultats de la campagne de brûlée avec/sans air ionisé au secondaire

alimentant la zone secondaire de l’appareil de chauffage à biomasse ne sont pas aussi concluants que ceux réalisés sur la combustion de propane assistée par champ électrique direct. Toutefois, un certain nombre de paramètres sont à prendre en compte pour dresser un bilan complet des essais. En outre, certains points positifs

10_{Telle que présentée dans les travaux d’Hugo Marcoux rapportés dans son mémoire « Réduction de l’émission de particules fines issues de la}

sont dignes d’être étudiés plus en détail par des essais et analyses supplémentaires créés spécifiquement. Pour obtenir des indices sur les altérations causées par l’ionisation préalable de l’air du secondaire sur la combustion, 6 essais ont été réalisés avec la modification sur le circuit d’air du secondaire présentée précédemment, avec le protocole de brûlée validée préalablement avec l’industriel. Parmi eux, trois ont été effectués sans activer le générateur électrique, pour établir une base de comparaison des modifications sur le profil d’émissions gazeuses et particulaires engendrées par les altérations effectuées sur le circuit d’air du secondaire. Les trois autres ont été réalisés avec le générateur activé, et donc avec ionisation préalable de l’air du secondaire. Les émissions gazeuses et particulaires ont été enregistrées et traitées de la même façon pour l’ensemble des essais. Les résultats ont été moyennés par la suite pour chaque série (avec et sans ionisation) afin de limiter l’impact des facteurs environnementaux et lisser les éventuelles variations inhérentes à la réalisation d’essais expérimentaux.

Sur le plan des émissions gazeuses, une attention particulière a été portée sur le monoxyde de carbone (CO), qui fait l’objet d’une réglementation très stricte; sa dangerosité est avérée particulièrement lors de l’utilisation d’appareil à biomasse en milieu confiné ou non suffisamment ventilé avec plusieurs décès reportés dans le monde chaque année d’une intoxication au monoxyde de carbone (plus de 70 cas recensés par le Ministère de la Santé et des Services Sociaux en 201611_{). Les essais ont montré une réduction globale de la concentration}

de CO de 25 à 30 % sur la durée totale de la brûlée de la charge de test lorsque le système d’ionisation de l’air du secondaire était activé (Tableau 3.1, comparaison avec et sans DBD). La dernière colonne du tableau rappelle les résultats lorsque l’air du secondaire est apporté par tire naturelle et non avec le débit de 0.52 g/s d’air sec  circulant dans le générateur de DBD avant d’arriver au secondaire.

Tableau 3.1 : Résultats de la campagne d’essais de combustion avec DBD sur l’air du secondaire et comparaison avec le même dispositif sans activation de la décharge. Les résultats des essais sans altération

du système d’air du secondaire.

11_{Source : www.msss.gouv.qc.ca/professionnels/sante-environnementale/monoxyde-de-carbone/intoxication-au-monoxyde-de-carbone/} Sans DBD Avec DBD Différence en % (référence sans DBD)

Étalon (rappel sans altération)

CO total (g) 537 397 -25 % 530

CO (g/MJ d’énergie

Cette réduction est particulièrement marquée lorsque l’on considère la répartition temporelle des émissions de CO. Lors de la dernière phase de la combustion, lorsque la presque totalité de la charge de test a été transformée en braise, le taux de CO sans DBD au secondaire est de l’ordre de 5400 ppm, contre 3600 ppm avec DBD. Cette dernière phase de combustion, caractérisée par le ralentissement de taux de combustion (lorsqu’il reste environ 25 % de masse de combustible), représente entre 30 et 40 % de la durée totale de l’essai et n’est donc pas négligeable. Pendant cette période, la combustion est très lente, avec peu de flammes (combustion essentiellement pauvre en O2), même si l’appareil reste encore extrêmement chaud (température

de surface supérieure à 120 °C). Typiquement, ce cas de figure survient en fin de nuit, lorsque les usagers sont endormis et que la charge de l’appareil de chauffage chargée la veille au soir est presque consumée. Il est donc particulièrement intéressant d’avoir une réduction de CO lors de cette phase pour la sécurité des utilisateurs, afin de prévenir les empoisonnements.

Du point de vue des émissions particulaires, peu de conclusions peuvent être établies quant à l’effet de l’ionisation de l’air du secondaire. Les travaux s’étant concentrés sur les émissions gazeuses lors des essais sur le propane, il y avait peu d’attentes sur une quelconque altération de la quantité de suies émises par l’activation de forces électrodynamiques sur l’air du secondaire, ce qui a été confirmé par les brûlées effectuées; on note même une augmentation du taux d’émissions de particules de l’ordre de 18 % lorsque le secondaire est alimenté en air ionisé. L’analyse au MEB des filtres avec et sans ionisation semble suggérer un diamètre moyen de particules agglomérées sur les filtres supérieurs lors de l’ionisation de l’air du secondaire à celui lorsque le générateur n’est pas activé. Cela semble faire écho à certaines études qui discutent de la capacité de la suie à porter une charge résiduelle à sa formation (Onischuk et coll. [21]), qui sous l’effet de l’air ionisé, pourrait réagir en s’agglomérant ensemble pour former des flocons avec un diamètre moyen supérieur tel qu’observé. Cette observation nécessiterait des études complémentaires afin d’être validée ou infirmée.

CO (g/kg de combustible) 98.9 73.5 -26 % 75.8 CO (g/h) 194.0 138.4 -29 % 97.8 Particules (g/h) 11.8 9.9 -18 % 2.1 Débit de combustion (kg/h) 1.7 1.6 -5.9 % 1.2

Il est toutefois important de noter l’importante différence entre le taux d’émission de particules moyen avec de l’air pompé dans le secondaire à 0.52 g/s et celui lorsque le débit d’air du secondaire est régi par la tire naturelle du poêle. Les modifications apportées au circuit d’air secondaire de l’instrument de chauffage pour accommoder l’ionisation de l’air modifie considérablement le profil d’émission et soulève la question de l’adéquation en termes de puissance entre le prototype de générateur construit au laboratoire. En effet, c’est le temps de résidence de l’air dans le générateur qui dicte le débit maximal qu’il est possible d’envoyer au secondaire. Il est très probable que ce débit (0.52 g/s) soit trop faible pour les besoins de l’instrument du partenaire du projet. Il est possible que cette inadéquation ait limité l’influence de la DBD sur la combustion. Les futures recherches devraient donc trouver un moyen d’adresser cette problématique afin de renforcer la pertinence de l’étude.

Conclusions

Le processus de combustion est extrêmement compliqué, avec plus de 300 réactions dans les mécanismes les plus aboutis pour tenter d’en capturer toutes les subtilités. Si le mécanisme est compliqué, ses produits sont néanmoins bien connus, avec le dioxyde de carbone (CO2) et la vapeur d’eau (H2O) principalement, mais aussi

les produits annexes qui parasitent cette combustion comme le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azotes (NOx) et les particules solides (suies). La plupart des approches traditionnelles pour limiter les émissions

annexes reposent sur un délicat équilibre entre taux de mélange, température et temps de résidence dans la chambre de combustion. Ces approches, si elles ont permis autrefois de grandes réductions de ces émissions parasites, peinent aujourd’hui à suffire pour respecter les normes d’émissions sans cesse plus strictes, et ce, quel que soit le domaine de l’industrie concernée par la combustion.

L’étude rapportée dans ce mémoire fait écho à de nouvelles approches qui émergent pour limiter les émissions gazeuses et particulaires de combustion. Le principe repose sur une modification des réactions intermédiaires de combustion, à l’instar des approches traditionnelles qui se focalisent majoritairement sur les conditions initiales de la combustion pour affecter les produits. Dans ces travaux, des essais concluants ont été menés sur de la combustion du propane et des pistes encourageantes ont été identifiées pour la combustion de biomasse. Un champ électrique généré par différentes formes d’électrodes a été appliqué sur la zone de combustion de différentes conformations de brûleurs au propane; les effets sur les émissions gazeuses ont été mesurés par un assemblage de trois appareils (analyseur infrarouge, détecteur d’ionisation de flammes et détecteur d’oxygène). Ce champ électrique est établi avec une fréquence sinusoïdale variable allant de 10 kHz à 20 kHz, et une amplitude allant de 5 kV à 20 kV. Pour la combustion de biomasse, le choix s’est porté sur un générateur de décharge à barrière diélectrique (DBD) pour alimenter la zone de combustion secondaire d’un instrument de chauffage fourni par le partenaire industriel du projet SBI. La fréquence du générateur est fixée à 8.2 kHz, avec une puissance allant jusqu’à 150 W pour une décharge de 5 kV.

Sur la partie au propane, d’importantes réductions d’émission de CO ont été observées sur la totalité des cas d’études. Dans les cas concernés, selon le type de brûleur, une diminution notable des émissions de propane non brûlé est également enregistrée. Un mécanisme qui a fait l’objet d’une publication a été proposé suite à ces travaux, afin d’expliquer la réduction des émissions de CO, ainsi que les altérations spatiales du front de flamme selon la direction principale du champ électrique. Une augmentation du CO2 et de la vapeur d’eau dans certains

cas montre également une amélioration de l’efficacité de la combustion. Par ailleurs, une méthode de découpler les émissions de CO et de NOx, problématique importante dans certains secteurs industriels où des compromis

doivent être constamment effectués pour les réduire conjointement, a été mise en évidence dans l’un de nos cas d’étude. Cette piste serait intéressante à poursuivre afin d’en savoir plus sur la portée de ce mécanisme et

son applicabilité en entreprise. Les émissions particulaires sont également réduites dans certaines configurations sur la base d’observations relatives à la couleur de la flamme.

Pour la biomasse, les résultats sont encourageants, avec une notable réduction du CO lors de certaines phases de combustion (sur des brûlées de 3h). Toutefois, l’envergure de l’instrument de chauffage fourni par l’industriel partenaire du projet a été un obstacle au bon développement du projet. En effet, le gabarit du poêle ne correspondait pas à un cadre de recherche fondamentale. Si des solutions ont été trouvées pour coupler la combustion aux forces électro hydrodynamiques créées par l’assistance électrique (DBD sur l’air alimentant la combustion de la zone secondaire avec un débit réduit), ces solutions ne sauraient être des preuves de concept à part entière. Il est évident que de plus amples analyses avec un financement à la hauteur du défi doivent être menées pour établir des corrélations sur le schéma de ce qui a été fait sur la recherche sur le propane. Dans l’ensemble, ces travaux ont montré avec succès des alternatives pour répondre à des enjeux industriels avec une approche de recherche en laboratoire. De futurs projets verront le jour afin de poursuivre les travaux commencés dans les différentes branches de la combustion.

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Annexe A : Données de calibration du débitmètre

Coriolis CMFS010M

Annexe B : Données de certification de l’appareil

de chauffage à biomasse (fabricant et laboratoire)

Données de certification obtenues au laboratoire pour valider le protocole expérimental et l’acquisition des données.