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Les résultats des tests de combustion en laboratoire et sites pilotes

Colloque final

du projet Life Green Pellets

23 septembre - Rennes

Les résultats présentés sur ce document sont issus des essais réalisés sur des chaudières de petite puissance lors du programme Green Pellets. Ils font ressortir plusieurs tendances et enseignements, mais ne sont pas généralisables.

Il est nécessaire de réaliser une étude préalable au cas par cas.

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23 septembre – Colloque final Green Pellets

Déroulement des essais3 phases

Analyse de la composition des combustiblesMasse volumique, PCI, Humidité, cendresAzote, soufre, chlore et métauxComparaison à la marque NF 444 et aux préconisations d’Obernberger

Tests de combustion en laboratoire2 heures d’essais à régime stabilisé (nominal et réduit) 14 combustibles comparés

Tests de combustion en sites pilotes10 sites pilotes en Bretagne et Pays de la LoireEssais en conditions réellesComparaison bois / biomasse herbacée

Analyse de la composition des combustibles en laboratoire afin de déterminer les propriétés physiques et chimiques pouvant influencer leur utilisation en tant que combustible.

NF 444 = marque concernant les granulés d'origine ligneuse et les granulés d'origine herbacée et/ou fruitière non traités chimiquement, basée sur la norme XP CEN/TS 14961, gérée par le FCBA et certifiée par l’Afnor.

Obernberger = Chercheur autrichien travaillant sur la combustion de la biomasse

Tests de combustion en laboratoire : Les combustibles sélectionnés sont testés dans la même chaudière en laboratoire pendant deux essais (régime nominal et réduit) de deux heures.

Tests de combustion en sites pilote : Les combustibles sélectionnés sont testés pour une durée de plusieurs semaines dans des chaudières pilotes et comparés au bois habituellement utilisé.

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PCI et humidité

Corrélation entre pouvoir calorifique et humidité du combustible

R2 = 0,68

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

7 000

8 000

9 000

10 000

11 000

12 000

13 000

14 000

15 000

16 000

17 000

18 000

0% 5% 10% 15% 20% 25%

Humidité du combustible

PC

I sur

bru

t (kJ

/kg)

Corrélation entre pouvoir calorifique et humidité du combustible

La quantité de chaleur libérée par la combustion de la biomasse, appelée pouvoir calorifique , dépend principalement de la teneur en carbone du combustible, puis de celle en hydrogène. L’humidité a également une forte influence sur le pouvoir calorifique.

Le PCI sur produit sec de la biomasse herbacée est souvent inférieur à celui du bois, en raison d’un taux de cendres plus important pour la biomasse herbacée.

Le PCI sur produit brut de la biomasse herbacée est souvent supérieur à celui du bois, en raison d’un taux de matières sèches plus élevé pour la biomasse herbacée.

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Cendres et mâchefers

Risque mâchefers

Taux de cendres supérieurs au boisBiomasse herbacée

La biomasse herbacée présente des teneurs en cendres systématiquement plus élevées.

Les combustibles présentant les valeurs les plus élevées sont : les pailles de blé, de colza et le roseau (au dessus des 4%).

Les cendres de ces combustibles ont un autre inconvénient : une température de déformation basse et par conséquent un risque de formation de mâchefers.

Le miscanthus, la paille de blé et la lande sont les trois biomasses présentant le risque le plus important d’après les analyses de composition.

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Azote

Respect de la marque NF444 QHP

> Préconisations d’Obernberger : chanvre, paille colz a, roseau, sarments

Tous les combustibles testés au laboratoire du CSTB respectent le seuil de 1,5% de la marque NF 444.

Les granulés de chanvre, de paille de colza et les sarments de vigne dépassent le seuil de 0,6% conseillé par Obernberger pour éviter toute formation accrue de NOx.

Le roseau broyé présente une teneur élevée, proche des 1,5% (référentiel de la marque NF 444 QHP agrogranulés).

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Soufre et chlore

Concentrations importantes pour paille colza, rosea u et lande

Tous 3 testés en mélange pour atténuer les risques d’émissions

La paille de colza et la lande ont des teneurs en chlore et soufre assez élevées, proches et supérieures au seuil de 2000 mg/kg de la marque.

La valeur du taux de chlore du roseau broyé est spécialement remarquable.

De part ces résultats, il a été décidé que ces trois combustibles seraient testés en mélange pour atténuer le risque d’émissions.

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NF 444 QI* NF 444 QHP** ObernbergerBois

Granulé miscanthus T° déformation des cendres

Granulé chanvre PCI

Granulé switchgrass PCI

Granulé paille bléT° déformation des cendres

PCI

Granulé paille colzaSoufre

Taux de cendresPCI

Granulé roseauTaux de cendres

PCIGranulé 40% miscanthus

Granulé 20% paille colza

Plaquettes bois

Ceps de vigne

Sarments de vigne

Miscanthus T° déformation des cendres

Roseau vrac Chlore

Lande vrac Soufre* Qualité industrielle** Qualité haute performance

CombustiblesRespect des référentiels Facteurs rédhibitoires

NF 444 QHP

Conclusion composition

Attention à l’hétérogénéité des résultats pour un mêm e combustible

Les cultures dédiées (miscanthus, switchgrass et chanvre), respectent les référentiels sur les paramètres chimiques. On peut s’attendre à de faibles risques d’émissions polluantes. Il ne faut malgré tout pas négliger les risques de formation de mâchefers et les dégâts conséquents pour le miscanthus.

Les résidus de culture viticole (ceps et sarment de vigne), pour lesquels il est impératif de surveiller les éléments traces métalliques, mais qui, sur les analyses 2011, présentent un respect des seuils de la marque NF 444.

Les pailles et résidus d’entretien de territoire (roseau et lande), pour lesquels de fortes teneurs en cendres, azote, chlore et soufre risquent d’engendrer des émissions polluantes.

Il est important de souligner que les résultats d’analyse de composition peuvent être très hétérogènes sur les paramètres chimiques d’une même biomasse, voir d’un même lot de production.

Il est donc primordial d’effectuer des analyses, avant d’envisager une valorisation en combustion.

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Tests combustion

• Suivi du rendement de la chaudière

• Suivi des émissions atmosphériques : O2, CO2, CO, COV, NO,NO2, SO2,

particules, HCl

• Suivi des cendres (pesée, analyses, aspect)

CSTB

Sites

Tests de combustion au laboratoire du CSTB :

Pour chaque combustible, après une première demi-journée permettant d’optimiser les réglages, deux essais de deux heures chacun, à régime nominal, puis à régime réduit, sont réalisés.

A l’issu de la journée de mesure, la chaudière est décendrée puis nettoyée.

La chaudière employée pour cette étude est une chaudière poly-combustible « AgroFire » de marque HARGASSNER dont la puissance varie de 25 à 40 kW selon le combustible.

Remarque : De forts problèmes d’alimentation ont été rencontrés pour les produits non granulés. Certains résultats en sont dégradés.

Tests de combustion en sites pilotes :

Les tests réalisés en sites pilotes ont été programmés sur des périodes de 1 semaine à 1 mois, pendant lesquelles la consommation de combustibles, la production de cendres (quantité et qualité) et l’encrassement de la chaudière ont été suivis.

Deux essais comparatifs ont été programmés : un sur le bois, l’autre sur la biomasse testée.

Lors de cette période, une journée d’analyse des émissions et du rendement de combustion s’est déroulée sur 2 essais de 1 heure (à régime différents sur les sites où la distinction était pertinente).

Un organisme accrédité est intervenu sur la moitié de ces sites, pour effectuer des mesures normalisées. En complément et sur les autres sites, nous avons travaillé à l’aide d’un analyseur de combustion (à cellules électrochimiques).

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Sites pilotes

Plouaret COMPTE 450 kW

Rostrenen VETO 30 kW

Talensac REKA 60 kW

Guichen REKA 20 kW

COOPEDOM 20 MW

Retiers ENERGIE SYSTEME 200 kW

Thorigné d’Anjou REKA 10 kW

Besné VERNER 25 kW

Saint Fulgent VETO 300 kW

Pouzauges ENERGIE SYSTEME 40 kW Forges FROLING 150 kW

Les essais ont été réalisés sur 10 chaudières réparties en Bretagne et Pays de la Loire, et sur le four de 2 MW de la COOPEDOM.

Les chaudières étaient de petites puissances, pour la plupart dotées d’équipements spécifiques à la combustion de biomasse herbacée :

- Foyer à grilles mobiles

- Décendrage automatique

- Conduit en céramique

- Nettoyage automatique des échangeurs

Le protocole de réglage était le suivant :

- Réglage de l’amenée de combustible selon la puissance demandée.

- Vérification de la place de la flamme, la bonne répartition de combustible dans le foyer et l’absence d’imbrûlés dans le cendrier.

- Réglage visuel de la combustion par apport d’air primaire et secondaire (de 20% à 50% en air secondaire, le reste en air primaire).

- Vérification que le facteur d’air est entre 1.5 et 2.5. Déterminer la valeur pour laquelle le rendement énergétique est maximal et les émissions de CO minimales.

- Vérification de l’absence d’imbrûlés et de mâchefers dans le cendrier et adaptation du réglage des grilles mobiles et du décendrage, le cas échéant.

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Analyse des résultats

Critères fortement liés au réglageRendementCOCOV

Critères liés à la composition et au réglageParticulesNOx

SO2

HCl et dioxinesMétauxCendres

Reproductibilité sur le terrain

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Référentiels émissions

La classe 3 de la norme NF EN 303-5 (1999)

Rendement classe 3 ≥ 67 + 6*log (puissance nominale)

L’arrêté du 25/07/1997

La TA Luft – référence allemande

Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 1 Classe 2 Classe 3< 50 kW 15000 5000 3000 1750 200 100 200 180 150

50 à 150 kW 12500 4500 2500 1250 150 80 200 180 150150 à 300 kW 12500 2000 1200 1250 150 80 200 180 150

Puissance CO COV PoussièresLimites démissions (mg/Nm3 à 10% d'O2)

Pchaudière NOx (exprimés en NO2) SO2

2 à 20 MW 500 200

Arrêté du 25/07/1997 - VLE en mg/Nm 3 à 11% O 2

Pchaudière

> 100 kWHCl30

TA Luft* - VLE en mg/Nm 3 à 11% O 2

La norme NF EN 303-5 est applicable aux chaudières d’une puissance inférieure à 300 kW. Elle définit des critères concernant les imbrûlés et le rendement.

Elle permet de hiérarchiser les chaudières selon trois différentes classes. La plus restrictive a été ici choisie..

A titre d’information, la révision de cette norme ajouterai les classes 4 et 5 (jusqu’à 500 kW).

Il n’existe à l’heure actuelle aucune norme relative aux émissions atmosphériques de NOx et de SO2 liées à la combustion de biomasse pour les chaudières dont la puissance nominale est inférieure à 2MW. Pour ces deux paramètres, les résultats sont comparés aux seuils de l’arrêté du 25/07/1997 applicable aux chaudières de puissance comprise entre 2 et 20 MW.

En l’absence de référentiel en France, les concentrations en HCl ont été comparées à une référence allemande (TA Luft), applicable aux chaudières de puissance supérieure à 100 kW.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Granulés bois

Granulés miscanthus

Granulés chanvre

Granulés switchgrass

Granulés paille blé

Granulés paille colza

Granulés roseau

Granulés 40% miscanthus

Granulés 20% paille colza

Miscanthus vrac

Vrac roseau 40%

Vrac lande 25%

Ceps vigne vrac

Sarments vigne vrac

Rendement méthode directe (%)

Classe 3 EN 303-5 > 76,6%

Classe 5 EN 303-5 > 88,6%

Rendement

Respect de la classe 3 de la norme NF EN 303-5 pour tous sauf les ceps

Mis à part les ceps de vigne, tous les combustibles respectent la classe actuelle. En revanche, tous seraient écartés par la classe 5 de la révision.

On remarque que, pour certains produits en vrac, les rendements sont légèrement inférieurs, probablement en raison d’une combustion moins homogène liée à une moins bonne fluidité de l’alimentation. Cet aspect est probablement la cause du faible rendement observé lors de l’essai sur les ceps de vigne.

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0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Granulés bois


Granulés chanvre




Granulés roseau



Miscanthus vrac

Vrac roseau 40%

Vrac lande 25%

Ceps vigne vrac

Sarments vigne vrac

Émissions de CO(mg/Nm 3 à 10% O2)

Norme actuelle respectée

Émissions bien inférieures sur les produits granulés (sauf paille colza)

Tous les combustibles granulés testés présentent des émissions de CO inférieurs à la réglementation actuelle.

Même si elle reste en deçà des valeurs d’émissions limites, la paille colza semble bien plus difficile à brûler.

La révision de la norme NF EN 303-5 prévoit de rabaisser le seuil à 500 mg/Nm3. Les granulés composés totalement ou partiellement de paille colza seraient alors à exclure d’une valorisation en combustion.

Pour les produits en vrac, les émissions restent également inférieures au référentiel actuel.

En revanche, seul le mélange bois-roseau respecterait la valeur de la classe 5 de la norme NF EN 303-5.

Les résultats obtenus ont probablement été dégradés par la difficulté d’alimentation.

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Émissions de COV(mg/Nm 3 à 10% O2)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Granulés bois


Granulés chanvre




Granulés roseau



Miscanthus vrac

Vrac roseau 40%

Vrac lande 25%

Ceps vigne vrac

Sarments vigne vrac

Normes actuelle et future respectées

Émissions sarments faussés par difficulté d’alimentat ion

Tous les granulés testés présentent des émissions de COVT très faibles, bien inférieures aux réglementations actuelle et future.

Les tests réalisés sur les granulés de paille de colza sont encore une fois les plus mauvais émetteurs.

Pour les combustibles bruts, peu de différences sont à signaler. Tous respectent la norme actuelle et seuls les sarments dépasseraient la limite future.

Le problème d’alimentation rencontré lors des essais sur les sarments de vigne a détérioré ces valeurs d’émissions.

C’est un point auquel il est nécessaire d’apporter une attention très particulière : il faut absolument que la granulométrie du combustible soit adaptée au système d’alimentation par vis. Dans l’impossibilité d’obtenir un produit correct, il faut alors privilégier les systèmes d’alimentation par tapis.

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Émissions de particules(mg/Nm 3 à 10% O2)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Granulés bois


Granulés chanvre




Granulés roseau



Miscanthus vrac

Vrac roseau 40%

Vrac lande 25%

Ceps vigne vrac

Sarments vigne vrac

Émissions moins élevées pour les produits granulés

Dépassement des normes actuelles pour les pailles, landes et vignes

40

Les essais sur granulés contenant de la paille de colza dépassent la valeur limite d’émissions actuelle.

La paille de blé engendre de fortes émissions de particules également.

Tous les autres granulés présentent des résultats satisfaisant les réglementations actuelle et future.

Pour les produits broyés, les émissions de particules sont bien plus élevées.

Seuls le miscanthus en vrac et le mélange bois-roseau respectent la réglementation actuelle mais seraient à écarter lors de la révision de la norme.

Encore une fois, l’hétérogénéité de l’alimentation a dégradé les valeurs d’émissions. D’autres facteurs rentrent en compte :

- Le taux de fines du combustible

- L’optimisation du réglage de la chaudière

- Le comportement en combustion...

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R2 = 0,7292

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Concentration en azote du combustible (%)

Émissions de NO x(mg/Nm 3 à 10% O2)

Émissions de NO x liées à la composition du combustible

Roseau 40%

Lande 25% et granulé roseau

La plupart des essais respectent le seuil de l’arrêté de 1997.

Les tests sur roseau et lande, purs ou utilisés en mélange avec du bois, présentent des valeurs très élevées en comparaison des autres combustibles. Les émissions du mélange bois-roseau sont même supérieures au référentiel choisi.

Les émissions de NOx sont fortement liées à la teneur en azote du combustible. Pour éviter les émissions accrues de NOx, il semble judicieux de choisir des combustibles respectant les préconisations d’Obernberger : N < 0.6%.

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Bilan matière sur l’azote

Répartition de l'azote lors de la combustion (en grammes)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Granulés bois


Granulés chanvre




Granulés roseau



Miscanthus vrac

Roseau 40%

Lande 25%

Ceps de vigne

Sarments de vigne

N sous forme NOx fuméesN cendres foyerN cendres nettoyageRestant

L’azote se retrouve majoritairement dans les fumées

Environ 15 à 30% de l’azote se retrouve sous forme de NOx dans les fumées, alors qu’il n’en reste pas 1% dans les cendres.

La quantité retrouvée dans les condensats (sous forme HNO3) est négligeable et n’a pas été intégrée au graphique.

La part d’azote restante a probablement été émise sous forme N2.

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Émissions de SO 2(mg/Nm 3 à 10% O2)

Respect de la référence (arrêté de 1997)

Émissions de SO 2 liées à la composition

R2 = 0,3562

0

50

100

150

200

0 200 400 600 800 1000 1200

Concentration en soufre du combustible (mg/kg)

Roseau 40% et granulé roseau

Tous les combustibles testés présentent des valeurs d’émissions de SO 2 bien inférieures à la référence choisie.

Les combustibles à base de roseau présentent les valeurs d’émissions les plus fortes, en lien avec la composition du combustible (la corrélation reste faible).

Pour éviter tout risque d’émissions accrues, il paraît recommandé d’opter pour des combustibles respectant le seuil de la marque NF 444.

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Bilan matière sur le soufre

Répartition du soufre lors de la combustion (en grammes)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Granulés bois


Granulés chanvre




Granulés roseau



Miscanthus vrac

Roseau 40%

Lande 25%

Ceps de vigne

Sarments de vigne

S sous forme SO2 fuméesS cendres foyer

S cendres nettoyage

Restant

Soufre dans les fumées et les cendres

Dans les cendres volantes : risque de corrosion du conduit

Selon les produits, le soufre se retrouve plus ou moins dans les cendres ou les fumées.

Dans les cendres, la quantité est plus importante dans les cendres volantes et peut entraîner un risque de corrosion. De plus, la partie restante du soufre est probablement combinée sous forme de sels dans les dépôts et augmentent ce risque.

Les quantités retrouvées dans les condensats (H2SO4) sont encore une fois négligeables et ne sont pas représentées sur le graphique.

Pour éviter les problèmes de corrosion, il est préférable de choisir les combustibles respectant les préconisations d’Obernberger (S < 1000 mg/kg).

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R2 = 0,9508

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Concentration en chlore du combustible (mg/kg)

Émissions de HCl et dioxines(mg/Nm 3 et ng/Nm 3 à 10% O2)

R2 = 0,576

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Concentration en chlore du combustible (mg/kg)

Roseau 40%

Émissions liées à la composition du combustible

HCl

Dioxines

La majorité des combustibles testés présente des valeurs d’émissions de HClbien inférieures à la TA Luft.

Le mélange à 40% de roseau broyé dépasse la référence allemande. La corrélation entre la teneur initiale et les émissions est démontrée.

Concernant les émissions de dioxines, on remarque que le miscanthus est bien plus émetteur que le bois ou les ceps et sarments.

Ces résultats sont liés à un essai réalisé sur du miscanthus spécifiquement fortement concentré en chlore (3 fois supérieur à la moyenne).

Pour limiter les émissions de ces deux paramètres, il est important de contrôler la teneur en chlore du combustible et de vérifier que celui-ci respecte les préconisations d’Obernberger (Cl < 1000 mg/kg).

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Bilan matière sur le chlore

Répartition du chlore lors de la combustion (en grammes)

0 10 20 30 40 50 60

Granulés bois


Granulés chanvre




Granulés roseau



Miscanthus vrac

Roseau 40%

Lande 25%

Ceps de vigne

Sarments de vigne

Cl sous forme HCl fuméesCl cendres foyerCl cendres nettoyageRestant

Le chlore se retrouve majoritairement dans les cend res

Le bilan matière montre que le chlore se retrouve majoritairement dans les cendres, assez peu dans les fumées et de façon négligeable dans les condensats (d’ailleurs non représentés sur le graphique).

Une bonne partie du chlore a été retrouvée dans les cendres volantes et risque d’entraîner la corrosion des équipements.

Le chlore peut également réagir avec certains métaux pour former des sels. La part restante du chlore a pu se retrouver sous cette forme, et accentuer le risque de corrosion.

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0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 1,400

Bois

Ceps

Sarments

Bois

Ceps

Sarments

Bois

Ceps

Sarments

Zin

cC

uivr

eA

rsen

ic

Fumées Cendres

Bilan matière métaux (g)

Émissions de métaux plus élevées pour les ceps et sa rments

Bilan matière : Cu, As et Zn se retrouvent majoritai rement dans les cendres

En lien avec la pratique culturale et donc la composition initiale des ceps et sarments de vigne, les émissions de métaux sont plus élevées pour ces deux produits.Le bilan matière révèle que les métaux se retrouvent majoritairement dans les cendres.

Il est primordial de prévoir une analyse de ces cendres, si l’on envisage une valorisation en épandage.

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Production de cendres

Taux de cendres inférieurs à 5% (plutôt surestimés à l’analyse de composition)

Formation de mâchefers pour certains :

Qualité :Valeur neutralisante : de 8 à 55%Valeur fertilisante : N+P+K > 7% (respect NF U 42-001)Innocuité : concentrations en métaux en lien avec teneur initiale (respecter limites fixées par l’arrêté du 02/02/1998 concernant l’épandage des effluents d’ICPE)

Roseau

Sarments

Bois

Switchgrass

Miscanthus

Paille de blé

Les taux de cendres obtenus lors des essais au laboratoire du CSTB et en sites pilotes sont tous inférieurs à 5% (plutôt surestimés à l’analyse de composition).

Une formation de mâchefers a été observée pour le miscanthus, le switchgrasset la paille de blé. Pour le miscanthus, elle a même engendré de grosses difficultés d’évacuation et la casse de matériel sur un site pilote. Le granulé mixte bois-miscanthus a permis de réduire cette contrainte.

Les analyses de qualité ont été les suivantes :

- Valeur neutralisante (ou amendante) : Le bois, le chanvre, la paille de colza, la lande et les ceps de vigne présentent les meilleures valeurs amendantes.

- Valeur fertilisante : Toutes les cendres respectent la norme applicable aux engrais organo-minéraux (NF U 42-001).

- Innocuité : La concentration en métaux lourds dans les cendres est liée à la composition initiale. En revanche, le respect de la marque NF 444 ne permet pas forcément de respecter les limites fixées par l’arrêté du 02/02/1998 (concernant l’épandage des effluents d’ICPE). Une analyse des cendres est donc nécessaire avant toute valorisation.

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Reproductibilité des résultatssur le terrain

Résultats en mg/Nm3 à 10% d’O2

Rendement

CO

Particules

NOx

SO2

Les résultats détaillés des sites pilotes sont téléchargeables sur le site de l’association.

Nous avons souhaité, ici, présenter la reproductibilité sur le terrain des résultats obtenus en laboratoire.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Granulés chanvre




Roseau 40%

Lande 25%

Sarments

Rendement méthode indirecte laboratoire Rendement méthode indirecte sites pilotes

T° fumées de 350°C

T° fumées de 250°C

Rendement

Température fumées trop haute = suralimentation en combustible

A réglage optimisé, les rendements calculés au laboratoire et sur sites pilotes sont similaires.

Sur deux sites, l’analyseur de combustion a mesuré de fortes températures de fumées, de 2 à 3 fois supérieures à celles des essais au laboratoire, dues à une suralimentation en combustible par rapport à la puissance de l’installation. Les pertes thermiques étaient alors très importantes et ont engendré une chute du rendement de combustion.

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Granuléschanvre

Granulésswitchgrass

Granulés40%

miscanthus

Granulés20% paille

colza

Miscanthus Roseau 40% Lande 25% Sarments devigne

3000

Particules et CO(mg/Nm 3 à 10% O2)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Granulés chanvre Miscanthus Lande 25% Sarments de vigne

Laboratoire/site : résultats similaires en conditio ns optimisées

Particules

CO

Dans l’ensemble, les résultats obtenus sur les mesures d’imbrûlés au laboratoire semblent reproductibles sur sites pilotes.

Les légères différences observées ont été engendrées par des défauts d’optimisation :

Granulé 20% paille colza : Les essais réalisés au CSTB sur le granulé mixte paille de colza ont été perturbés par un fort encrassement de la chaudière. Les résultats obtenus ont alors été faussés, et les essais écourtés.

Miscanthus : L’alimentation était plus adaptée à la granulométrie en site pilote. Au CSTB, les essais ont été perturbés par l’hétérogénéité de l’alimentation.

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0

50

100

150

200

Granulés chanvre Miscanthus Lande 25% Sarments de vigne

SO2 et NOx(mg/Nm 3 à 10% O2)

0

100

200

300

400

500

600

700

Granuléschanvre

Granulésswitchgrass

Granulés40%

miscanthus

Granulés20% paille

colza

Miscanthus Roseau 40% Lande 25% Sarments devigne

Laboratoire Site pilote

en lien avec l’hétérogénéité des teneurs initiales

Pour NO x et SO2, la reproductibilité est moins visible

SO2

NOx

Pour les oxydes d’azote et de soufre, les résultats semblent moins reproductibles.

Les différences observées sont fort probablement liées aux conditions de combustion et à l’hétérogénéité de la teneur initiale du combustible.

Pour les NOx, on observe malgré tout une certain reproductibilité sur plusieurs essais, avec des tendances similaires.

Pour les SO2, la quantité mesurée lors des essais en sites pilotes étaient toujours supérieure.

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Conclusion sur les combustibles

Recommandations d’utilisation

Importance des réglages et de l’adaptation combustible/chaudière

ConclusionRecommandations

29


Conclusions combustibles

Respect classe 3 (et 5 pour les granulés)

NF EN 303-5 (CO, COV et poussières)

Respect arrêté 1997 et TA Luft

(NOx, SO2, HCl)

Facteurs - rédhibitoires

- limitants

Bois

Miscanthus Mâchefers

Switchgrass Mâchefers

Chanvre NOx

Paille de blé Poussières, HCl

Paille de colzaPoussières

Fort encrassement

Ceps et sarments Poussières, CO

Roseau NOx, HCl

Lande Poussières, NOx

Le granulé de bois arrive en tête des meilleurs combustibles. Les résultats des tests respectent tous les seuils d’émissions et aucune formation de mâchefers n’a été observée.

Le miscanthus respecte également tous les seuils d’émissions, même si celles de SO2 et de HCl sont plus élevées que pour le bois. La combustion du miscanthus entraîne systématiquement une formation plus ou moins importante de mâchefers. L’utilisation en mélange avec le bois a permis de limiter ces trois facteurs.

Le switchgrass et le chanvre respectent eux aussi les référentiels d’émissions. La combustion du switchgrass entraîne une formation de mâchefers et celle du chanvre, des émissions légèrement supérieures en NOx.

Les émissions de particules liées à la combustion des pailles de blé et de colza ne respectent pas la norme NF EN 303-5.La paille de blé émet également des quantités d’HCl supérieures au référentiel allemand. La combustion des granulés contenant de la paille de colza a posé d’importants problèmes d’encrassement de l’installation et des appareils de mesure.

Les tests des ceps et sarments dépassent les seuils d’émissions de particules et présentent des valeurs très élevées en CO. La difficulté d’alimentation est une des causes de ces mauvais résultats.

Pour le roseau, les seuils de la norme EN 303-5 sont respectés mais les teneurs variables en azote, soufre et chlore engendrent des émissions de NOX, SO2 et HCl pouvant dépasser les limites des référentiels. Ces résultats posent la question de la variabilité de la composition de la matière première et soulignent l’importance de réaliser des analyses préalables.

Les émissions de particules sur les essais du mélange bois-lande dépassent les seuils de la norme et les émissions de CO et NOx présentent des valeurs assez élevées.

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Recommandationsd’utilisation

Respecter les seuils de la marque NF 444 et les préconisations d’Obernberger (combustible pur ou mélange avec bois)

Azote < 0.6%

Soufre < 1000 mg/kgChlore < 1000 mg/kg

Adaptation combustible / chaudièrePréparation du combustibleSystème d’alimentationÉquipements spécifiques (grilles mobiles, conduit céramique..)

Privilégier les combustibles granulés pour réduire les émissions d’imbrûlés et respecter les futures normes

Optimiser les réglages à chaque changement de combustible

Il est essentiel d’optimiser l’adaptation combustible/chaudière :

- En adaptant la préparation d’un combustible en fonction d’une installation existante

- En vérifiant l’adaptabilité du système d’alimentation et de l’installation au combustible disponible

- En ayant une installation spécifiquement équipée pour la combustion de biomasse herbacée (grilles mobiles ou racleur, conduit céramique…)

Pour éviter les émissions accrues de NOx, SO2, HCl et dioxines et les risques de corrosion liés, il est important d’opter pour des combustibles respectant les préconisations d’Obernberger.

Les essais réalisés lors du programme Green Pellets semblent démontrer que les émissions d’imbrûlés sont moindres pour les produits granulés. Pour respecter la révision de la norme NF EN 303-5, il faudrait donc privilégier cette forme de biomasse, ou utiliser ces produits broyés dans des chaudières plus adaptées au vrac.

Pour terminer, il est très important d’apporter un soin particulier à l’optimisation des réglages.

Les diapositives suivantes vont démontrer l’impact de l’amélioration des réglages sur les émissions d’imbrûlés.

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Importance des réglages Facteur d’air

On observe sur ces deux graphiques qu’il y a un facteur d’air, compris entre 1,5 et 2,5, pour lequel les émissions de CO sont minimales et le rendement de la chaudière maximal.

Ce facteur optimal est à déterminer pour chaque chaudière et chaque combustible.

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Optimisation réglagesentre 2010 et 2011

0

1

2

3

4

5

Granulés bois Granulés miscanthus Granulés chanvre Granulés switchgrass Granulés paille blé Granulés roseau Miscanthus vrac

Facteur d'air (λ) 2010Facteur d'air (λ) 2011

5,1

2,5

4,0 4,2 12,4

0,8

7,8

Facteur d’air entre 1.5 et 2.5 et régime stabilisé en 2011

On remarque l’amélioration sensible des réglages entre 2010 et 2011.

Les tests sur la première campagne présentent des facteurs d’air très élevés et une irrégularité de la combustion avec des écarts types très importants.

Lors des tests en 2011, on observe qu’une valeur de facteur d’air comprise entre 1,5 et 2,5 a été respectée pour les 7 combustibles de nouveau testés et les faibles écarts types sont signe de stabilité de la combustion.

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0

20

40

60

80

100

120

140

Granulés miscanthus Granulés chanvre Granulés switchgrass Granulés roseau Miscanthus vrac

COVt 2010 (mg/Nm3 à 10% d'O2) COVt 2011 (mg/Nm3 à 10% d'O2)

Optimisation réglagesentre 2010 et 2011

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Granulés bois Granulésmiscanthus

Granulés chanvre Granulésswitchgrass

Granulés paille blé Granulés roseau Miscanthus vrac

CO 2010 (mg/Nm3 à 10% d'O2) CO 2011 (mg/Nm3 à 10% d'O2)

Émissions ré duites entre 2010 et 2011

On remarque que les émissions sont fortement diminuées d’une année sur l’autre.

Mis à part pour le miscanthus en vrac (dont l’essai a été compliqué par l’alimentation inadaptée), tous les combustibles respecteraient alors la classe actuelle, ainsi que la future.

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Préconisations de réglages

20 à 50%

1Amenée combustible

puissance demandée

3

2

3

4

5

Vérificationfacteur d’air

Adaptation combustible/chaudière indispensable

Formation des installateurs primordiale

Voici le protocole de réglage à suivre pour optimiser la combustion :

- Réglage de l’amenée de combustible selon la puissance demandée

- Vérification de la place de la flamme dans le foyer, la bonne répartition de combustible dans le foyer et l’absence d’imbrûlés dans le cendrier

- Réglage visuel de la combustion par apport d’air primaire et secondaire (de 20 à 50% en air secondaire, le reste en air primaire)

- Vérification du facteur d’air. Sa valeur doit être entre 1,5 et 2,5. Déterminer la valeur pour laquelle le rendement énergétique est maximal et les émissions de CO minimales.

- Vérification de l’absence d’imbrûlés et de mâchefers dans le cendrier et adaptation du réglage des grilles mobiles et du décendrage, le cas échéant.

les résultats des tests de combustion en laboratoire et ... · analyse de la composition des...

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