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Document 1705733
économie
et forêt
LES CHAUDIÈRES À BOIS DOMESTIQUES
ET INDUSTRIELLES
D . HIRSCH - R . SCHANDLONG
J . KUBALA - G . FROMENT
La conversion directe en chaleur de la ressource bois » considérée dans sa généralité (rondins,
plaquettes, déchets) présente l'avantage, par rapport à d'autres filières qui font souvent intervenir
une transformation supplémentaire de la matière brute en un combustible intermédiaire liquide,
solide ou gazeux, d'être la transformation la plus immédiatement accessible du point de vue
technologique.
Cette disponibilité immédiate de la technologie, liée à la nécessité de réduire à court terme
la dépense de fuel pour le chauffage (1/3 des importations de fuel en France), ouvre aujourd'hui
à ces matériels un marché non négligeable et ce, à deux niveaux d'utilisations :
— individuel, dans des chaudières à chauffe manuelle ou automatique, de petite puissance ;
— collectif ou industriel dans des appareils plus importants à alimentation automatique, de
puissance supérieure à 30 thermies/heure.
LES CHAUDIÈRES DOMESTIQUES À ALIMENTATION MANUELLE
Description des principaux types
La combustion se fait généralement sur grille . Ces chaudières sont construites en tôle d'acier
(5 mm) et soudées électriquement . Les portes et les grilles sont en fonte . Beaucoup de ces chaudières sont à gazéification partielle . Suivant les modèles, le réglage de l'admission d'air comburant
peut se faire sur l'air primaire et l'air secondaire, ou sur l'air primaire seulement (l'air secondaire
étant réglé manuellement) . Cette régulation automatique se fait au moyen d'un régulateur . à
chaînette » (ou calorstat) . Le régulateur permet d'afficher une température de départ de l'eau
de chaudière .
397
R .F .F. XXXVI - 5 - 1984
D.
HIRSCH -
R.
SCHANDLONG -
J.
KUBALA -
G . FROMENT
Les puissances de ces chaudières s'échelonnent de 10 à 200 kW . Certains modèles possèdent
un ballon d'eau chaude sanitaire incorporé ; d'autres sont prévus pour en adapter un ; d'autres
permettent la production d'eau chaude sanitaire, grâce à un serpentin.
Les longueurs de bûches utilisables varient de 30 cm à 1,5 m . Ce point a une importance pour
les prix du combustible (diminution du coût du tronçonnage et de la manutention).
Beaucoup de constructeurs de chaudières simple foyer annoncent que leur modèle ' bois ' peut
être transformé en chaudière fuel ou gaz par l'adaptation d'un brûleur sur la porte de chargement ou par remplacement de celle-ci . Ceci pose un problème car ces combustibles possèdent
des caractéristiques fondamentalement différentes exigeant normalement que les appareils qui
les brûlent leur soient particulièrement adaptés.
On peut classer les différents types de matériels existants sur le marché suivant le type de combustion qui s'y produit . A ces trois types de combustion (montante, horizontale et inversée), schématisés figure 1, il faut aujourd'hui ajouter de nouveaux types de chaudières s'inspirant plus directement encore des gazogènes.
• Les chaudières à bois et déchets de bois à combustion montante
Le principal défaut de ces appareils réside dans le fait qu'il est impossible de conserver une
puissance constante pendant plusieurs heures . En effet, après un chargement important de bois,
il se produit un coup de feu entraînant une forte montée de température de la chaudière . On
assiste ensuite à une baisse rapide des températures car il y a manque de bois pour maintenir
la puissance de départ . Suivant les fabricants, les puissances annoncées s'échelonnent de 30 à
50 kW et sont souvent largement surestimées [1]I"> . D'autre part, des gaz de combustion passent
directement du foyer à la buse d'évacuation des fumées, ils entraînent donc une forte quantité
de chaleur et l'on peut s'attendre à des températures moyennes des fumées de l'ordre de 400
à 500 °C . Pour réduire ces pertes, certains constructeurs ont équipé leur modèle d'un déflecteur
prolongeant la durée de séjour des fumées à l'intérieur de la chaudière.
Pour des puissances voisines de 30 kW, l'autonomie à pleine puissance ne dépasse guère 2 à 4 heures . Ces chaudières auront une forte consommation en bois pouvant atteindre pour certaines,
plus d'un stère tous les trois jours . La conduite de ces appareils demandera donc de gros efforts
de manutention pour les chargements en combustible.
Une amélioration sensible a été recherchée par certains constructeurs qui, tout en conservant
le concept de combustion montante (qui permettait d'utiliser plus facilement des bûches de plus
de 1 m de longueur et qui est également plus simple à mettre en oeuvre), ont ajouté des dispositifs
permettant de mieux contrôler la combustion et de maximiser les surfaces d'échanges . C'est ainsi
que l'on rencontre aujourd'hui des chaudières à chambre de post-combustion permettant (si la
température y est suffisante) de rebrûler les gaz imparfaitement oxydés dans la chambre inférieure.
Le même résultat (diminution des imbrûlés et des températures de fumées) peut être obtenu
grâce à la mise en oeuvre de foyer largement pourvu de réfractaires et présentant une inertie
thermique apte à conserver en son sein des températures suffisantes pour permettre une combustion satisfaisante.
En plus de ces caractéristiques liées au foyer, ces chaudières peuvent être munies de surface
d'échange supplémentaires récupérant le rayonnement (tubes noyés dans le réfractaire), puis la
convection des gaz brûlés aux parois (tubes dans les carneaux de fumées).
1') Les numéros entre crochets renvoient
a
la bibliographie en fin d ' article.
398
Économie et forêt
Figure 1 :
LES DIFFÉRENTS MODES DE COMBUSTION.
Air secondaire
Cendrier
P . Air primaire.
S Air secondaire.
(1) Combustion montante
(3) Combustion inversée
(2) Combustion horizontale
—
La totalité de la masse brûle simultanément :
— en début de combustion, risques de
défaut d'air et importantes pertes par
imbrûlés gazeux,
— en fin de combustion, important excès
d'air, augmentation des pertes par chaleur
sensible des fumées. -
diminution des imbrûlés gazeux,
— parcours des fumées souvent insuffisant,
—
— risques de coup de feu par blocage des
bûches .
— parcours des fumées très favorable
l 'échange.
gazéification partielle,
— pas ou peu d'imbrûlés gazeux,
a
• Les chaudières à combustion horizontale
Ces modèles brûlent essentiellement du bois ou du charbon, mais il est aussi possible de leur
adapter un brûleur fuel . Ces chaudières possèdent, pour la plupart, un échangeur à chicane,
ce qui leur confère une grande surface d'échange . Les performances sont meilleures du fait que
l'on maîtrise mieux la combustion du bois (combustion en couche mince) . La régulation de l'air
se fait sur l'air primaire introduit sur les flancs de la charge, ce qui assure une meilleure répartition.
• Les chaudières à bois simple foyer et à combustion inversée
Sur le marché français,
on rencontre un seul
modèle de ce type (figure 2) conçu spécialement pour brûler le bois
et, éventuellement, adaptable aux autres combustibles . Dans cette chaudière, des matières volatiles sont dégagées à
travers la grille (zone la
plus chaude de la chaudière) et sont donc brûlées avant [évacuation
des fumées . De plus,
une bonne surface
d'échange permet d'obtenir des températures
de fumées assez basses
(250 °C) .
Départ chauffage
Chambre superieure
(trémie du bois et
Voi et d'air
chambre de combustion
primaire
mazout)
Bol de
combustion
Barreaux
de grille
Chambre inférieure
(chambre de
combustion du bois
et cendrier)
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Circuit des gaz
de combustion
Circulation
de l'eau
Figure 2 : SCHÉMA DE LA CHAU-
DIERE MORVAN MH-32 (SELF CLIMAT)
À COMBUSTION INVERSÉE.
D.
HIRSCH -
R.
SCHANDLONG -
J.
KUBALA -
G . FROMENT
• Les chaudières à bois à double foyer
Pour assurer une marche automatique des installations, les constructeurs ont conçu des chaudières
mixtes (ou double foyer) . Ces appareils comprennent deux foyers indépendants : d'une part, un
foyer à grille pour combustibles solides où il est possible de brûler du bois, d'autre part, une
chambre de combustion spéciale pour les combustibles liquides ou gazeux.
Le foyer à combustible solide (bois) possède les mêmes caractéristiques que les foyers des chaudières simple foyer, que nous avons évoqués précédemment.
Ces chaudières mixtes permettent généralement d'obtenir un passage automatique du combustible solide au combustible liquide ou gazeux . Ceci peut avoir une grande importance pour faciliter la conduite de l'appareil, en particulier on peut, par ce procédé, éviter d'avoir à recharger
la chaudière (en bois) la nuit ou à d'autres moments inopportuns.
• Les chaudières à gazéification
Un brevet récemment passé par un technicien français marque l'avènement pour le chauffage
domestique de ces chaudières très proches des gazogènes.
Deux types de chaudières sont actuellement en développement : l'une assez classique se rapproche
de la combustion horizontale et le bois y est gazéifié sur grille . Les gaz émis sont ensuite brûlés
au contact d'un tube alimenté en air préchauffé et percé de trous . Le deuxième type est conçu
sans grille et la gazéification s'effectue au niveau d'un diabolo également percé de trous . Avant
l'échangeur à tubes de fumées, on retrouve le tube percé alimenté en air secondaire . Les performances de ces appareils semblent extrêmement prometteuses.
CHAUDIÈRES À ALIMENTATION MANUELLE : PERFORMANCES
Un générateur de chaleur destiné au chauffage, quel que soit le combustible, se distingue du
point de vue technique par trois caractéristiques majeures : puissance, rendement, autonomie.
Il faut admettre que, dans le cas du bois, ces caractéristiques sont parfois délicates à définir
avec précision . Une campagne d'essais menée au C .O .S .T .I .C . en 1981-1982 nous a permis de mieux
situer ces performances sur les chaudières à bois du marché.
• Des puissances surestimées
Des mesures de puissances fournies par les chaudières à combustion montante sont reproduites
sur les courbes de la figure 3 . On constate que ces chaudières ne délivrent pas la ' puissance
nominale » annoncée par le constructeur (de 30 à 50 % en-dessous) . En outre, certains modèles
ne sont pas à même de délivrer des puissances régulières sur des périodes de temps significatives (> 2 heures) . Seuls les modèles à combustion montante, mieux étudiés, ou les chaudières
à combustion en couche mince (figure 4) sont à même de délivrer des puissances relativement
constantes sur plusieurs heures . Il faut noter également l'influence de l'humidité du bois sur la
puissance délivrée par l'appareil . Un bois sec permet d'atteindre, quel que soit l'appareil, des valeurs de puissance plus importantes (figure 4) . En règle générale, on aura donc intérêt à se faire
préciser les conditions dans lesquelles les performances de puissance annoncées sont réalisables,
lors du choix d'un matériel à bois.
Les considérations précédentes sur les puissances nous éclairent également sur les questions
relatives à l'autonomie. L'autonomie d'une chaudière à bois est évidemment fonction de l'allure
400
Économie et forêt
Figure 3 : ÉVOLUTION DE LA PUISSANCE AU COURS
DU TEMPS POUR DES CHAUDIÈRES A COMBUSTION
MONTANTE.
Puissance [kW]
Figure 4 : ÉVOLUTION DE LA PUISSANCE
AU COURS DU TEMPS POUR DES CHAUDIÈRES A COMBUSTION EN COUCHE MINCE.
INFLUENCE DE L'HUMIDITÉ DU BOIS.
30
20
10
0
1
2
3
4
1 : combustion montante classique ; puissance nominale = 40 [kW]
2 : combustion montante avec foyer chaud puissance nominale = 29 [kW]
0
1
2 Temps (heures)
1 : chaudière à combustion inversée ; puissance
nominale = 37 [kW]
2 : chaudière à combustion horizontale ; puissance
nominale = 25,5 [kW]
de marche de l'appareil . On peut aisément, connaissant le volume du foyer, calculer l'autonomie A
exprimée en heure .
A=
Volume foyer x masse volumique bois x P .C .I . bois x rendement
Puissance
(h)
Il est clair que les autonomies annoncées sans précision sur l'allure de marche n'ont ici encore
pas beaucoup de signification.
Pour les chaudières à combustion montante, nous obtenons des autonomies ne dépassant pas
3 heures aux allures maximales . L'autonomie n'augmentant pas beaucoup aux faibles allures, en
raison précisément du type de combustion ; on sera souvent obligé de prévoir trois chargements
par jour ; par contre, pour les chaudières à combustion en couche mince, on se contentera,
en moyenne, de deux chargements par jour.
Dans tous les cas, ces valeurs sont inférieures à celles obtenues par le calcul.
Un compromis est à réaliser entre les impératifs de confort et les impératifs d'économie . Trop
surdimensionner la chaudière par rapport aux besoins pénalise les rendements (baisse du rendement aux faibles allures) . L'attitude inverse induit une conduite plus contraignante mais moins
énergétivore.
• Des rendements variables
En ce qui concerne les rendements, leur détermination sur le banc s'est effectuée de deux manières
distinctes . Un bilan direct sur l'eau de chaudière a été doublé d'un bilan indirect des pertes
séparées.
Les courbes de la figure 5 présentent, sur une même échelle, les différentes valeurs des rendements obtenus pour l'ensemble de nos essais sur chaudière à alimentation manuelle (bilan sur
l'eau) . Les résultats varient de 35 à 70 %, suivant la chaudière et suivant l'allure de marche.
401
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D.
HIRSCH
R.
SCHANDLONG -
J.
KUBALA -
% Rendement
80 ►
Mz
Figure 5 : RENDEMENTS OBTENUS
POUR L'ENSEMBLE DES ESSAIS SUR
CHAUDIÈRE À ALIMENTATION MANUELLE.
~ôp ~~~
Hz ~ C
60
l,
M,
n
~
40
G . FROMENT
--
•
-
~
` +` H,
•
I, : Chaudière à combustion inversée (22 000
- 32 000 [kcal/h]).
M,
Chaudière à combustion montante
(30 000 [kcal/h]).
~
M 2 Chaudière à combustion montante avec
échangeur spécial sur les fumées (30 000
[kcal/h]).
20
H, Chaudière à combustion horizontale (1)
(22 000 [kcal/h]).
0
10 000
20 000
H2 : Chaudière à combustion horizontale (2)
.. (22 000 [kcal/h]).
Puissance [kcal/h]
En combustion montante, les rendements à faible allure peuvent atteindre 35 à 40 % (chaudière
à tubes d'eau et grille espacée) . A faible allure, les pertes par imbrûlés gazeux sont très augmentées
et, si les grilles sont mal dimensionnées, les imbrûlés solides deviennent importants.
En combustion horizontale, c'est l'épaisseur de la couche mince, qui ne dépend que de la
surface du foyer, qui détermine l'allure de marche maximale . Lorsque cette épaisseur est totalement en ignition, l'ouverture du volet d'air n'apporte pas de supplément de puissance mais occasionne seulement des pertes sensibles plus importantes, d'où découle un affaiblissement du rendement . Cette situation peut expliquer l'allure décroissante de la courbe caractéristique pour ces
chaudières.
En combustion inversée, les rendements utiles obtenus lors de nos essais s'échelonnent de
53 à 63 % . Ce sont essentiellement les pertes par chaleur sensible des fumées et les pertes
par les parois qui abaissent le rendement . Par contre, les pourcentages de Co sont remarquablement faibles, ce qui ramène les pertes par chaleur latente à un très faible niveau (5 %) . Le
principe de la combustion inversée oblige les gaz de combustion à traverser la zone de braises
très chaudes et accélère le déplacement des équilibres chimiques vers la formation de Co 2 .
Le tableau I regroupe les résultats sur les différentes chaudières que nous avons testées . Les
valeurs moyennes des pourcentages de Co, de Co 2 , des pertes séparées et des rendements ont
été calculées sur chaque essai.
Les écarts reportés en regard de chaque valeur fixent les limites autour desquelles varient ces
valeurs pour des essais effectués dans des conditions variées.
Les principaux éléments de variabilité sont : l'humidité du bois le P ci du bois ; l'allure de marche
(position du régulateur) le tirage.
Installation et sécurité des chaudières à bois à alimentation manuelle
Sous l'aspect sécurité, les chaudières à bois sont à classer, bien sûr parmi les chaudières à
combustibles solides . Cependant, elles posent aux usagers et même aux professionnels des problèmes spécifiques apparemment nouveaux.
Parmi ceux-ci, il en est qui, en fait, étaient le lot quotidien des chauffagistes des générations
ayant vécu sous le règne du charbon :
— les risques « d'emballement « avec montée rapide de la température du fluide caloporteur
pouvant atteindre, tout au moins pour l'eau, celle d'ébullition . L'étude de ces risques amène à
402
Économie et forêt
Tableau I
Résultats moyens enregistrés sur différentes chaudières à différentes allures
(les écarts sont ceux observés sur l'ensemble des essais concernant la chaudière)
ALIMENTATION MANUELLE
Chaudière
Résultats
Combustion
montante
avec échangeur
sur les fumées
Combustion
montante
3
5
Nombre d'essais retenus
Combustion
horizontale
double foyer
Combustion
horizontale
avec freins
de fumées
Combustion
inversée
ALIMENTATION
AUTOMATIOUE
6
3
5
4
± 0,7
7,6 ± 1,4
7,3 ± 1,4
5,5 `± 0,6
2,1 ± 0,2
0,7 ± 0,4
% CO2
10,4 ± 0,7
3,5 ± 2
6
0/0 CO
3,7 ± 0,9
0,7 ± 0,8
1,6 ± 0,4
Pertes par chaleur sensible
[% Pc ,]
11,2 ± 0,7
23,3 ± 3
26,2 ± 4,7
17,6
3,4
20,4 _ 3,1
16,7 y 3
Pertes par chaleur latente
[% P,,]
17,9 ± 3,1
12,66 ± 2,8
15,0 ± 3
15,8 ± 2,1
6,3 ± 1,8
8,8 ± 2
Pertes par les chaleurs sensibles de l'eau des fumées
1,8 ± 0,2
1,6 ± 0,7
2,8 ± 0,5
2,7 ± 1
2,4 ± 0,6
2
± 0,8
Pertes par les parois [% P,;]
3
3,9 ± 0,4
3,8 ± 0,4
1
5,3
t
1,7
t
±1
% pertes séparées [% P c ;]
33,9 ± 0,5
37
Rendement indirect [%]
66,1 ± 5
Rendement direct [%]
61
±2
t 0,4
0,7
0,76
t
0,05
0,3
41,4 ± 6,9
37,1 ± 8,4
37,6 ± 2,6
27,2 - 6,1
58,3 ± 6,9
52,3 ± 12
62,2 ± 4
62,4'_ 2,6
72,8 ± 6,1
56,3 ± 3
48,2 ± 8
61
60
± 10,6
±9
± 2,7
réfléchir : sur le choix de la puissance, sur la nature et le montage du vase d'expansion, sur la
sécurité hydraulique à préconiser;
- les caractéristiques d'un conduit de fumée adapté aux températures élevées pouvant être
atteintes par les gaz de combustion du bois.
Par contre, il en est d'autres qui sont nées avec la crise de l'énergie et plus particulièrement
depuis que l'on vise à économiser les produits pétroliers, en leur substituant du bois . Il s'agit :
- des sécurités propres aux chaudières polycombustibles . Mais là, il s'agit plutôt d'un problème de constructeur ou d'usager ;
- des conditions à respecter lors de la mise en parallèle d'une chaudière à bois et d'une
chaudière à fuel (ou gaz) . II se pose notamment une question importante : faut-il un ou deux
conduits de fumée ?
• Risques d'emballement
Choix de la puissance : Au niveau des rendements et des condensations, la chaudière à bois
fonctionne mal à puissance réduite . II paraît donc souhaitable de fixer la puissance installée
au voisinage des déperditions réelles.
Mais une conduite confortable supposerait des chargements aussi espacés que possible . La tentation est donc forte de surdimensionner la chaudière et, par ce fait, de favoriser les emballements .
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Vase d'expansion : Bien que non interdit, théoriquement, le vase d'expansion du type fermé
s'est révélé dangereux à l'usage car une installation n'est jamais à l'abri d'un emballement brutal
de la chaudière lors duquel les soupapes de sécurité ne méritent plus leur nom.
Figure 6 : INSTALLATION D'UNE CHAUDIÈRE A BOIS.
Un vase d'expansion du type « ouvert »
offre une meilleure garantie, à condition
d'être monté correctement (figure 6).
Dans toute la mesure du possible, il devra se situer au droit de la chaudière
et lui être relié par un tube de gros
diamètre capable d'évacuer l'éventuel
débit de vapeur d'eau, et ne comportant
pas d'accident notable (surtout pas de
vanne !).
On notera :
— la vanne mélange qui impose une température minimale de l'eau de retour, pour éviter les condensations
de la chaudière,
— le vase d'expansion ouvert,
— la sécurité hydraulique (échangeur direct sur eau
de ville).
Sécurité hydraulique : Tout en ne sous-estimant pas l'importance du dimensionnement et du
montage corrects du vase d'expansion, certains organismes normatifs hésitent à classer celui-ci
parmi les organes de sécurité.
Mais, les montages en thermosiphon ne rencontrent pas non plus leur faveur :
— ils sont de plus en plus gênés » par des robinets thermostatiques,
— le plus souvent, ils ne sont que partiels (ne concernant que la salle d'eau par exemple),
donc parfaitement inaptes à évacuer la puissance voulue,
— ils sont de toute façon toujours très chers.
La possibilité de refroidir la chaudière en utilisant la possibilité de puisage sur un ballon d'eau
chaude sanitaire est déjà plus intéressante . Mais il est souvent difficile d'apprécier la puissance
réelle d'évacuation qu'offre cette solution . Et le problème de débit entre chaudière et échangeur
Eau Chaude Sanitaire n'est pas toujours résolu.
Pour l'instant, constructeurs et installateurs se rallient de plus en plus au système suivant (figure 6) :
— un échangeur convenablement dimensionné est incorporé à la chaudière et plongé dans l'eau
de chauffage ;
— il est relié au réseau d'eau de ville par l'intermédiaire d'une vanne ;
— cette vanne est commandée par une sonde thermique contrôlant la température de l'eau de
chauffage ;
— dès que la température de l'eau de chauffage dépasse le maximum affiché (95 °C ?), la vanne
s'ouvre et l'eau de ville traverse l'échangeur.
La sécurité sera considérée comme satisfaisante à une double condition :
— le débit d'eau de ville est au minimum de 1 000 I/h ;
— lorsque la chaudière est maintenue à sa puissance nominale (moyenne sur 3 h), la température de l'eau ne doit pas dépasser 115 ° C.
404
Économie et forêt
• Conduits de fumée
Leur adéquation à la chaudière est une condition sine qua non du fonctionnement correct de
celle-ci . C'est la valeur de la dépression à la buse qui constitue l'expression la plus claire . Si
celle-ci est insuffisante, il y a manque de tirage et mauvaise combustion . Si celle-ci est trop
forte il y a excès d'air et donc chute de rendement . Les valeurs correctes (indiquées par les
constructeurs) se situent entre 15 et 30 Pa.
Quant à la section du conduit, elle est souvent encore trop forte . Aussi, beaucoup de constructeurs rappellent-ils dans leurs catalogues la formule approximative :
S (dm 2 ) =
P (kcal/h) _
1 500 Vh (m)
Section du conduit =
Puissance (kcal/h)
1 500 /hauteur du conduit (m)
Encore faut-il rester raisonnable et ne pas envisager de section ridiculement faible (moins de
1 dm 2 sur certaines notices) . Il faut aussi tenir compte du fait que les fumées de bois peuvent
être, au moins momentanément, beaucoup plus chaudes que celles d'une chaudière à fuel . Cellesci culminent à 250 . . . 300 °C . Au bois, leur température peut dépasser 500 °C . Comme les boisseaux
en béton, couramment utilisés pour la réalisation des conduits de fumée, ne sont garantis que
jusqu'à 360 °C, il paraît indispensable de prévoir que, pour une chaudière à bois, la base au
moins des conduits soit réalisée en matériaux réfractaires ou renforcés par des tubages adéquats.
Par ailleurs, est-il besoin de rappeler que le bois dit sec, de deux ans de coupe, dont les six derniers mois sous abri, contient encore de 20 à 25 % d'eau, en masse . Les fumées sont donc très
chargées en eau, surtout en début de combustion . Pour qu'il n'y ait pas de condensation, donc
bistrage inesthétique et condensats désagréables, il faut que le conduit de fumée soit calorifugé.
Enfin, signalons que, sauf précautions spéciales, l'emploi de bois vert conduit toujours à un goudronnage très rapide du conduit et souvent à de violents feux de cheminée.
Chaudières polycombustibles et chaudières en parallèle
La mise en parallèle de deux chaudières, dont l'une fonctionne au bois et l'autre au fuel ou au
gaz, pose un sérieux problème de sécurité dans la mesure où il faut éviter absolument des combustions simultanées risquant de provoquer des explosions.
La mise en oeuvre de deux conduits de fumée indépendants apporte une solution radicale, bien
que contraignante et chère, à ce problème.
Mais, d'aucuns affirment que nul texte législatif n'interdit réellement de raccorder, sur un même
conduit, l'évacuation des produits de combustion de combustibles différents, sous réserve de respecter certaines dispositions.
Sans vouloir préjuger du contenu des documents réglementaires en cours d'établissement et, en
nous limitant au cas du fonctionnement automatique du brûleur, il est possible d'imaginer les sécurités suivantes :
— le chargement du foyer à combustible solide ne peut pas se faire lorsque le brûleur est
en service (rupteur sur la porte de chargement),
— la mise en route automatique du brûleur ne peut s'effectuer que lorsque la combustion
du combustible solide est pratiquement arrêtée, ce qui peut se détecter, entre autres méthodes :
• soit par aquastat réglé en limite basse (30 °C ?) et posé sur le retour chauffage (voire même
sur l'aller),
• soit par pyrostat de température de fumée réglé en limite basse (100 °C ?) et installé dans le
conduit de fumée ' bois
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D. HIRSCH - R . SCHANDLONG - J . KUBALA - G. FROMENT
Appareils domestiques à alimentation automatique
Depuis peu, on remarque sur le marché des Systèmes automatiques à petite puissance (30 à
150 thermies/heure) aptes à utiliser des déchets ou plaquettes de bois . De petits silos permettent
à l'utilisateur, moyennant un décendrage journalier, de disposer de plusieurs jours d'autonomie.
Outre une autonomie accrue, ces appareils sont à même de délivrer des puissances nettement
plus régulières, et ce, quelle que soit l'allure, du fait d'une régulation sur l'alimentation en combustible . Enfin, dans certains systèmes, tel que celui testé au C .O .S .T .I .C ., l'utilisation des plaquettes
humides est possible, sans oblitérer le rendement ou la puissance délivrée, comme le montrent
les courbes de la figure 7 [3] .
Ce surcroît de confort
d'utilisation a bien évidemment son contrepoids financier car de tels matériels sont encore chers .
puissance [kW]
— rendement (%)
- - excès d'air (r)
puissance
30-75. 75
rendement indirect
rendement
direct
20 50 50
Figure 7 : VARIATION DU RENDEMENT ET DE LA PUISSANCE EN FONCTION DE L'HUMIDITE DU BOIS SUR UN SYSTÈME A AVANT-FOYER .
25- 25
excès d'air
30%
40 %
Humidité massique
du bois
CHAUDIÈRES À BOIS INDUSTRIELLES
Au-dessus de 200 à 250 thermies/heure, il devient possible d'installer et de rentabiliser des systèmes à alimentation automatique . Ce type de matériels s'étend sur une gamme de puissances
très large . Aux puissances très élevées, on dispose souvent de chaudières à vapeur sous pression
à tubes d'eau . Aux puissances inférieures, on rencontre des appareils à tubes de fumées . En ce
qui concerne les foyers, ceux-ci sont immédiatement issus des foyers à charbon . On en distingue
différents types fonction, d'une part des tailles d'installation et, d'autre part, des caractéristiques
de granulométrie et d'humidité du bois à traiter [3].
Une installation industrielle de combustion du bois regroupe les éléments suivants : un silo avec
dispositif d'extraction, une reprise du produit par vis ou ventilateur, suivant sa granulométrie,
une alimentation dans le générateur, une chaudière et des filtres de dépoussiérage des fumées.
Autour de cette configuration générale, les constructeurs développent des procédés variés en
fonction du produit à traiter.
On distinguera plus particulièrement :
— le tout-venant non broyé, tels que écorces, morceaux de bois, déchets de déroulage, déchets
de fabrication,
— le bois déchiqueté issu de coupe de taillis déchiquetés sur sites,
— les sciures et copeaux provenant des scieries et/ou des menuiseries et des déchets broyés.
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Économie et forêt
Outre ces caractéristiques de granulométrie, l'humidité du déchet doit être prise en compte dans
la mise en oeuvre des foyers et des systèmes d'alimentation automatique.
Foyer enterré et avant-foyer
Ces foyers sont adaptés aux déchets humides de granulométries variables . Ils sont réservés aux
installations de fortes puissances et sont souvent surmontés de chaudières à tubes d'eau.
Maçonné en béton réfractaire avec décendrage automatique ou manuel, des avant-foyers équipés
d'une grille en gradin sont surplombés d'une chaudière à vapeur faite de tubes écrans et d'un
faisceau de tubes d'eau.
L'alimentation peut se faire par vis, par tapis convoyeur ou par insufflation.
Les avant-foyers se justifient surtout dans le cas de déchets humides qui vont subir, avant combustion, un préséchage grâce au rayonnement de la voûte . Ils sont envisageables pour s'adapter
à une chaudière existante.
Les travaux de génie civil qu'il faut consentir pour mettre en place ces avant-foyers sont lourds
et coûteux en investissements . Ils sont inabordables dans le cadre de chauffage collectif de petits
bâtiments ou de petites industries . Ils tendent également à disparaître sur les grosses puissances
où l'on préfère mettre en oeuvre des broyages préalables et des systèmes de combustion plus
compacts dont voici deux exemples :
Foyer à grille mécanique et projeteur
Les grilles mécaniques développées dans les chaudières charbons peuvent être également utilisées
dans le cas du bois . Là encore l'alimentation peut être faite par projeteur ou par gravité et poussoir, mais le produit est alors étalé sur la grille par un répartiteur réglable en fonction de l'épaisseur de couche souhaitée . Ces mécanismes relativement lourds sont évidemment réservés à des
systèmes produisant de la vapeur sous pression . Enfin, on ne les utilisera qu'avec des produits
de faible granulométrie.
Foyer volcan (figure 8)
Ici, les déchets de granulométrie fine ou moyenne, arrivent dans un bol de combustion en forme
de volcan . Après avoir traversé le dépoussiéreur et le foyer, ils aboutissent dans un puits sous
le centre de la chambre de combustion . La vis est en ce point équipée de contre-ailettes qui
Figure 8 : FOYER VOLCAN INSTALLE DANS L'USINE DE MEUBLES J . PARISOT
(5 000 th/h) (ANGE-WARME).
,-41",';' 1.--
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D.
HIRSCH -
R.
SCHANDLONG -
J.
KUBALA -
G . FROMENT
soulèvent verticalement le combustible . Ce dernier se déverse ensuite sur une grille en forme
de cône étagé . On a donc successivement un préséchage dans la chambre d'expansion des gaz,
un séchage dans le bol de combustion, puis le long du déversement sur les grilles . L'air primaire
souffle tangentiellement aux grilles, assure la gazéification qui s'accomplit principalement sur les
grilles plates du fond.
Les foyers à grille inclinée et alimentation par vis
Ces foyers permettent également la combustion de tout-venant humide ramené à des granulométries raisonnables.
Ces quatre systèmes, aptes à brûler les produits humides, font appel à des techniques dites à
foyer sec >, au sein duquel l'humidité du bois n'entrave pas la combustion, grâce aux fortes
températures régnant dans le foyer.
Dans le cas de puissances moins élevées et pour brûler des déchets humides, on peut également,
si l'on dispose du broyage préalable, mettre en oeuvre des systèmes à projeteur sur grille fixe,
positionnée dans un foyer maçonné (figure 9).
Ce matériel développé en France, concerne des puissances comprises entre 500 et 1 500 thermies/heure et s'adapte donc à des utilisations industrielles ou chauffage collectif.
Bien que certains des systèmes précédents conviennent pour des copeaux ou sciures, on trouve
d'autres dispositifs plus compacts pour traiter ce type de produits, d'une humidité inférieure à
30 % sur brut et de faible granulométrie.
Figure 9 : UNE INSTALLATION DE PETITES ET MOYENNES PUISSANCES POUR LA COMBUSTION DE DÉCHETS
DE BOIS HUMIDES SUR GRILLE FIXE (CONCEPTION ESCOFFIER PRODUITE PAR SAPCA).
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Économie
et
forêt
D'une manière générale, la régulation de ces systèmes s'effectue en tout ou rien sur l'alimentation
en combustible et en air comburant.
La température d'eau de chaudière étant réglée par un aquastat commandant l'alimentation en
bois et la marche des ventilateurs . La charge du réseau secondaire étant, elle, modulée au moyen
d'une vanne trois voies asservie à une sonde de température extérieure . Cette régulation, alliée
à la vitesse d'inflammation du bois, permet de disposer de puissance régulière et d'une bonne
souplesse de chauffe, comme nous l'ont montré les essais entrepris à Creil (H .L .M .) et à Bourgde-Péage (usine de fabrique de tagettes [2], [4]) . Les performances thermiques varient d'un appareil
à l'autre : sous réserve que l'installation soit adaptée aux déchets de bois, les rendements s'étalent de 65 à 80 % [4] en fonction de l'allure de marche.
CONCLUSIONS
L'ensemble des résultats présentés ici montre que, sous certaines conditions, presque tous les
déchets de bois (ou les sous-produits du bois) peuvent techniquement être valorisés sous forme
de chaleur et ceci dans des conditions d'exploitation certes encore perfectionnables mais, d'ores
et déjà, satisfaisantes dans de nombreux cas, sous réserve d'une étude sérieuse de l'ensemble
des problèmes.
La diffusion de ces techniques dépend donc aujourd'hui de facteurs socio-économiques . Il va
de soi, par exemple, que les prix du combustible bois sont déterminants, comme risquent d'être
encore un temps déterminantes les aides de l'État dans l'exploitation de la filière chauffage au
bois [5] .
D . HIRSCH, R . SCHANDLONG
J . KUBALA, G . FROMENT
ECOLE NATIONALE SUPÉRIEURE
DES ARTS ET INDUSTRIES DE STRASBOURG
(E .N .S .A .I .S.)
24, boulevard de la Victoire
67084 STRASBOURG CEDEX
COMITÉ SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE
DE L'INDUSTRIE DU CHAUFFAGE,
DE LA VENTILATION
ET DU CONDITIONNEMENT D'AIR (C .O .S .T.I .C .)
Domaine de Saint-Paul
78470 SAINT-RÉMY-LÈS-CHEVREUSE
BIBLIOGRAPHIE
[1] CADIERGUES (R .) et al . — Combustion du bois et des matières organiques . — PROMOCLIM E, juin 1981.
[2] HIRSCH (D .) et al . — Contrôle et amélioration du rendement des chaudières à bois . — PROMOCLIM E, décembre 1981.
[3] HIRSCH (D .) . — Chaudières domestiques et industrielles . — Exposé présenté à I'E .N .G .R .E .F ., mars 1983.
[4] HIRSCH (D .), HUCKERT (F.) . — Combustion des déchets humides : deux systèmes au banc d'essai . — PROMOCLIM E, juin 1982.
[5] HIRSCH (D .), CHANTRET (H .) . — Perspectives économiques à moyen terme des filières vertes . — PROMOCLIM E, février 1982 .
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