Utilisation de la Chaleur de combustion pour l’énergie

Le résultat final de la combustion est de l’énergie utile – généralement sous forme de chaleur, d’énergie, ou à la fois de chaleur et d’énergie. Cela peut être utilisé pour fournir le chauffage des locaux pour les bâtiments, le chauffage de processus pour les besoins industriels, l’électricité pour une utilisation sur site ou la vente au réseau, ou la production simultanée de chaleur et d’électricité (appelée “cogénération et cogénération”). Le plus souvent, la chaleur de combustion est captée sous forme d’eau chaude, d’air chaud ou de vapeur.

La plupart des fermes n’ont pas de besoins importants en chaleur de combustion, à l’exception du chauffage des fermes en hiver dans les climats froids. Cependant, les exploitations agricoles devraient envisager la possibilité de fournir du combustible de combustion à des clients résidentiels, commerciaux ou industriels.

Équipement de combustion

L’équipement de combustion est disponible dans une variété de tailles et de configurations, bien que la sélection ait tendance à être plus petite que pour la combustion de combustibles fossiles. Il est généralement plus cher que les appareils alimentés au pétrole ou au gaz naturel, mais le combustible à biomasse est généralement moins cher, ce qui permet à l’utilisateur de réaliser des économies à long terme. Il existe de nombreux exemples de systèmes de combustion de la biomasse utilisés pour chauffer les serres dans les fermes.

Les deux principales catégories d’équipements de combustion de biomasse sont les systèmes résidentiels et les systèmes commerciaux / industriels.

Équipement de combustion résidentiel

Bois fendu. Photo: Jean-Pierre

Un foyer est la forme la plus courante d’équipement de combustion résidentiel – cependant, il a également tendance à être très inefficace (la majeure partie de la chaleur est perdue dans la cheminée). Il existe de nombreux autres types de poêles et de fours qui offrent une méthode d’utilisation plus efficace de la chaleur de combustion dans la maison. Habituellement, l’équipement ne convient qu’à un seul type de combustible à biomasse, il est donc important de sélectionner le poêle approprié pour le combustible que vous souhaitez brûler.

Les poêles à bois sont un moyen plus efficace de brûler du bois – ils contrôlent le débit d’air et maximisent l’extraction de la chaleur du combustible de combustion. Cependant, ces appareils ne conviennent généralement que pour brûler du bois de cordeau.

Les inserts de cheminée ne sont essentiellement que des poêles à bois installés dans l’ouverture d’un foyer existant. Ils fonctionnent un peu comme un poêle à bois et ont des cotes d’efficacité similaires.

Les poêles à pellets sont conçus pour brûler des granulés de bois spécialement fabriqués. Ces granulés sont fabriqués selon des spécifications minutieuses, ce qui permet aux poêles de fonctionner plus efficacement et de brûler plus proprement que les poêles à bois typiques. Certains poêles à pellets sont capables d’alimenter automatiquement le combustible dans le poêle, ce qui les rend un peu plus faciles à utiliser.

Les poêles à biomasse sont conçus pour brûler des pastilles de combustible fabriquées à partir de matériaux autres que le bois, tels que la paille de blé, le four à maïs ou les herbes. Assurez-vous de connaître le type de combustible qu’un poêle est capable de brûler, car d’autres types de combustible pourraient endommager le poêle ou entraîner des conditions de fonctionnement dangereuses.

Poêles à maïs – dans certaines régions du pays, il est populaire de brûler du maïs décortiqué comme combustible de combustion. À certains égards, les grains de maïs sont des granulés de carburant de fabrication naturelle. Le maïs brûle étonnamment bien, mais produit des quantités assez élevées de cendres qui sont plus sujettes au “scorification” (formation de morceaux durs) que la cendre de bois. Contrairement à la plupart des autres combustibles issus de la biomasse, le maïs contient des quantités mesurables de soufre (~ 0,1%, ce qui reste beaucoup plus faible que le charbon, par exemple). Par conséquent, les poêles à granulés de bois ne conviennent généralement pas au maïs, et des poêles à maïs spécialement conçus doivent être utilisés à la place. Certains rapports ont suggéré que les poêles à maïs fonctionnent également bien pour la biomasse, mais vérifiez auprès du fabricant du poêle pour vous en assurer.

Équipements de combustion Commerciaux/industriels

Chaudière à biomasse. Photo : Dan Ciolkosz

Les équipements de combustion commerciaux sont plus grands et plus complexes que les appareils résidentiels. En règle générale, la livraison de l’alimentation dans la chambre de combustion est automatisée grâce à l’utilisation de bandes transporteuses et / ou de tarières. Le débit de carburant et d’air est soigneusement contrôlé et les conditions dans la chambre de combustion sont automatiquement ajustées pour assurer une efficacité maximale. Des dispositifs avancés de contrôle de la pollution (généralement un séparateur cyclonique au minimum) sont utilisés pour maintenir les émissions de particules dans les limites réglementées pour les gros équipements.

Système de Manutention et de Livraison du Carburant. Photo : Dan Ciolkosz

Ces systèmes sont généralement construits sur mesure, en fonction des besoins de chauffage et du carburant disponible. Alors que la plupart des systèmes résidentiels produisent de l’air chauffé, les équipements commerciaux sont généralement conçus pour produire de l’eau chaude ou de la vapeur.

Efficacité de combustion

L’efficacité de l’équipement de combustion est égale à la quantité de chaleur utile produite divisée par la quantité totale de chaleur disponible dans le combustible.

L’efficacité d’un appareil dépend de la qualité de l’équipement et de la manière dont il est utilisé. La plupart des équipements de combustion ont le rendement le plus élevé lorsqu’ils fonctionnent à plein rendement – l’efficacité diminue lorsque la charge thermique est abaissée. Les rendements de combustion typiques à pleine charge de différents types d’équipements sont présentés dans le tableau suivant.

Ces valeurs d’efficacité sont basées sur la “valeur de chauffage plus élevée” du combustible. Gardez également à l’esprit que l’efficacité de ces appareils diminue si la production de chaleur est faible – ils sont conçus pour fonctionner au mieux à la production de chaleur maximale ou quasi maximale.

Problèmes de pollution et de qualité de l’air

La biomasse est un combustible relativement propre, en termes de pollution de l’air, SI elle est brûlée efficacement. Cela peut sembler surprenant pour les personnes habituées aux feux de fumée ou aux brûleurs à bois. Cependant, la fumée de ces systèmes inefficaces contient de grandes quantités de carburant non brûlé, ce qui est un signe de faible efficacité. Les équipements à haut rendement ne dégagent généralement aucune émission de fumée visible et aucune odeur détectable.

Il existe quatre principaux types de pollution de l’air pouvant être produits par combustion de la biomasse: 1) les produits de combustion normaux (dioxyde de carbone et eau), 2) les composés chimiques “supplémentaires” formés lors de la combustion, tels que les dioxydes de soufre (SOx) et les composés azotés (NOx), 3) les molécules de biomasse non brûlées, telles que la suie, et 4) les particules de cendres suffisamment petites pour flotter dans l’air (cendres volantes et particules).

Dioxyde de carbone et eau

Le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau sont les deux gaz primaires émis par une chambre de combustion. La combustion typique de la biomasse produit environ 1,8 kg de CO2 et 0,5 kg de vapeur d’eau par kg sec de carburant.

Le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau n’ont pas traditionnellement été considérés comme des polluants. Cependant, les préoccupations croissantes concernant le réchauffement climatique ont conduit les gouvernements à s’inquiéter des émissions de dioxyde de carbone. Certains gouvernements ont imposé des limites d’émission de CO2 pour les installations de combustion. Cependant, la combustion de la biomasse est généralement considérée comme “neutre en carbone”, ce qui signifie que le dioxyde de carbone émis par la combustion de la biomasse est réabsorbé par les cultures qui seront ensuite utilisées comme combustible. Pour cette raison, les émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion de la biomasse ne sont généralement pas limitées.

Les cheminées de combustion de la biomasse ont souvent des panaches de nuages blancs et tourbillonnants qui s’élèvent de leur sommet. C’est la vapeur d’eau dans l’échappement de combustion qui se condense en gouttelettes d’eau lorsqu’elle se refroidit. Certaines personnes pensent à tort que le nuage au-dessus d’une chambre de combustion de biomasse est un signe de pollution; en réalité, les gaz de la chambre de combustion sont souvent très propres.

NOx et SOx

Alors que les chambres de combustion modernes à biomasse ont généralement de faibles émissions par rapport à de nombreux autres combustibles, certains polluants de la combustion de la biomasse sont préoccupants.

Les principaux polluants dont il faut se préoccuper lors de la combustion de la biomasse sont les oxydes d’azote – NO2 et NO3. Ils sont généralement appelés émissions de “NOx” et se forment lorsque l’azote dans l’air se combine chimiquement avec l’oxygène au cours de la combustion. Les NOx dans l’atmosphère peuvent se combiner avec la vapeur d’eau pour former de l’acide nitrique et ont été identifiés comme une source importante de pluies acides. Une combustion plus chaude produit plus de NOx, alors que les conditions plus froides en produisent moins. Les émissions de NOx d’une chambre de combustion à biomasse sont généralement similaires à celles d’une chambre de combustion au charbon ou d’un autre système à combustibles fossiles et dépendent généralement davantage de la conception de l’équipement de combustion que du type de combustible.

Les composés d’oxyde de soufre (“SOx”) sont un autre produit de combustion considéré comme une source de pluies acides – les molécules se combinent avec l’eau pour former de l’acide sulfurique. Les composés SOx se forment lorsque le soufre dans le carburant se combine avec de l’oxygène pendant le processus de combustion. Le charbon a généralement des niveaux élevés de soufre, alors que la plupart de la biomasse en contient très peu.

Suie et créosote

“Suie” est un terme générique désignant les particules non brûlées ou partiellement brûlées dans les gaz d’échappement. La “créosote”, d’autre part, fait référence à un liquide goudronneux qui se condense après une combustion incomplète de la biomasse (le charbon peut également produire de la créosote). Alors que les foyers résidentiels et les poêles à bois sont depuis longtemps des sources de ces polluants, les équipements de combustion à haut rendement produisent peu ou pas de ces matériaux.

Particules (cendres)

La plupart des cendres issues de la combustion restent dans la chambre de combustion. Cependant, de petites quantités de cendres les plus fines (appelées “cendres volantes”) sont évacuées de la chambre de combustion avec les gaz d’échappement. Les équipements de combustion à l’échelle commerciale utilisent des dispositifs de piégeage des cendres tels que des “séparateurs cycloniques” et des “maisons à sacs” pour éliminer la majeure partie de ces cendres avant qu’elles ne soient rejetées dans l’atmosphère.

Règlement sur la qualité de l’air

Les émissions atmosphériques provenant de très gros équipements de combustion (c.-à-d. des centrales électriques) sont réglementées par la loi fédérale. Les équipements plus petits sont réglementés par les règles nationales et locales. Ces règlements exigent généralement une autorisation préalable et des essais réguliers des gaz de cheminée pour assurer la conformité avec les règles. Souvent, le plus petit équipement de combustion (p. ex. équipement résidentiel) n’est pas réglementé de cette manière. Au lieu de cela, les fabricants de petits appareils peuvent être tenus de certifier que leur équipement répond à certaines exigences minimales.

Pour Plus d’informations

Combustion: Intro | Matières premières | Traitement / Utilisation

• Ressources de Wood2Energy, Université du Tennessee:
  • Un état de la science et de la Technologie. Publication approfondie sur les technologies de combustion. 2010.
  • Base de données des utilisateurs de biomasse des États-Unis et du Canada. Base de données des industries du bois, des producteurs et des utilisateurs de l’énergie, pouvant être recherchée par plusieurs caractéristiques. 2010.

• Ressources du BERC, le Centre de Recherche sur l’Énergie de la Biomasse:
  • Aperçu de la Technologie à l’échelle communautaire.
  • Avantages de l’utilisation de l’énergie de la biomasse pour les écoles et les communautés. Fiche d’information.
  • Énergie de la biomasse et dioxyde de carbone. Fiche d’information.
  • Fiche d’information sur les émissions de combustion de la biomasse. Fiche d’information.
  • plus de 50 études de cas sur les meilleurs systèmes énergétiques de biomasse dans le monde.
  • Guide de chauffage aux copeaux de bois pour les environnements commerciaux et institutionnels.
  • Base de données nationale des projets d’énergie de biomasse à l’échelle communautaire

• Ressources de l’extension coopérative de Penn State:
  • Équipement de chauffage à biomasse à l’échelle commerciale.
  • Co-Cuisson De La Biomasse Avec Du Charbon.
• Ressources de Cornell Cooperative Extension, Chauffage au bois:
  • Comparaison des Équipements de Combustion
  • Sécurité des Poêles à bois
  • Entretien approprié
  • Meilleures Pratiques de combustion
  • Achat de Bois de Chauffage
• Pellet Fuels Institute: Normes de l’industrie et disponibilité.
• Polluants de combustion. Université d’État de l’Utah, Extension coopérative.

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Contributeurs à Cet article

Auteur

• Daniel Ciolkosz, Associé en extension, Penn State

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