La technologie de nos chaudières est conçue pour atteindre la meilleure combustion possible et ainsi exploiter au mieux l'énergie du bois pour le chauffage.
Les chaudières à bois HARGASSNER allument et contrôlent la combustion du bois afin de valoriser la chaleur qu’il émet. Cette chaleur est transmise à un fluide caloporteur via l’échangeur contenu dans la chaudière pour chauffer un bâtiment ou un réservoir d’eau.
Nous explorerons ici les principes physiques et chimiques de la combustion du bois. L’objectif consiste à comprendre l’intérêt d’obtenir sa combustion complète et comment la technologie de nos chaudières permet de l’obtenir.
Les chaudières HARGASSNER figurent parmi les chaudières à bois les plus performantes du marché. Le label Flamme Verte en atteste les performances énergétiques et environnementales. Nos filtres à particules complètent nos chaudières afin de limiter au maximum les émissions de particules polluantes dues à des combustions incomplètes.
Allez plus loin grâce à la vidéo ci-contre.
Quels sont les enjeux d'une combustion complète du bois ?
Le bois est un matériau naturel issu de l’arbre, composé de matières organiques qui stockent de l’énergie. Une fois chauffé en présence d’air, il entre en combustion et libère cette énergie.
Le bois est un matériau solide et fibreux, composé de polymères organiques (cellulose, hémicellulose et lignine) stockés par l’arbre grâce à la photosynthèse. Ils contiennent du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène. Le bois contient aussi de l’eau et des minéraux provenant du sol responsables de la formation des cendres après combustion.
Lorsqu’il est soumis à une température suffisante, le bois amorce sa décomposition thermique (sans présence d’oxygène), appelée pyrolyse. Il libère alors des gaz qui s’oxydent au contact de l’air et entrent en combustion. Cela produit une flamme.
La combustion du bois constitue le processus inverse de la photosynthèse. Le carbone, l’hydrogène et l’oxygène stockés dans la matière organique sont libérés sous forme de chaleur, de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau.
La densité du bois dépend de l’essence. Une densité élevée signifie une plus grande quantité de matière combustible par volume. Les bois denses brûlent plus lentement et fournissent une combustion plus durable.
Le feu est la manifestation physique d'une combustion.
La combustion du bois est un cycle durant lequel le bois libère son énergie sous forme de chaleur et de lumière, tout en produisant des gaz et des résidus solides comme le charbon et les cendres.
La combustion du bois se déroule en trois phases : séchage, combustion et extinction, sur un cycle typique d’une heure.
Si une source de chaleur réchauffe le bois à plus de 200 °C, la pyrolyse décompose le bois en charbon et en gaz. Lorsque ces gaz arrivent en contact avec le dioxygène de l’air, ils s’enflamment et libèrent rapidement de l’énergie thermique. La combustion commence.
La combustion est une réaction chimique exothermique (elle libère de la chaleur) où des molécules complexes sont décomposées en molécules plus stables chimiquement. Elle implique un comburant oxydant (généralement le dioxygène de l’air O₂) et un combustible (ici le bois).
Les radicaux libres formés (atomes très réactifs possédant un électron non apparié), déclenchent et entretiennent des réactions chimiques en chaîne, permettant à la flamme de se propager tant que le combustible et l’oxygène sont disponibles.
Une combustion complète maximise le rendement thermique et limite les émissions polluantes.
Une combustion complète transforme le combustible en produits stables incapables de se réoxyder : CO₂ (dioxyde de carbone) et H₂O (vapeur d’eau). Elle libère toute l’énergie chimique disponible, appelée pouvoir calorifique, et maximise le rendement thermique. Elle réduit aussi au minimum les émissions polluantes.
La combustion incomplète se produit lorsque les gaz et particules ne s’oxydent pas complètement. Cela arrive souvent à cause d’une température trop basse, d’un mélange air/gaz insuffisant ou d’un temps de séjour trop court. Le carbone et les composés organiques ne se transforment alors pas entièrement en produits stables.
Une combustion incomplète génère des cendres, des créosotes, de la suie et gaz partiellement oxydés. Ces résidus contiennent des composés toxiques (CO, suie, goudron, NOx, hydrocarbures aromatiques, HAP, COV). Ils réduisent le rendement des équipements et peuvent nuire à la santé et aux installations.
Autrement dit, il est impossible qu’une chaudière moyennement performante possède de bons niveaux d’émissions.
Le bois sec permet une pyrolyse rapide, une combustion stable et un rendement thermique* optimal.
La teneur en eau correspond à la proportion d’eau contenue dans le bois. Cette eau absorbe une partie de la chaleur pour s’évaporer avant que le bois n’atteigne la température nécessaire à la pyrolyse, retardant la décomposition des composants et la libération des gaz combustibles.
L’eau agit comme un modérateur thermique, dispersant la chaleur dans le bois et empêchant d’atteindre rapidement les 200–300 °C nécessaires à la pyrolyse. Un bois humide libère moins d’énergie utile pour le chauffage, car une partie de l’énergie est consommée pour sécher le bois.
Un bois trop humide génère une combustion incomplète. Les gaz combustibles brûlent partiellement, générant plus de fumée, de créosote (voir plus bas) et de particules fines. À titre indicatif :
- Entre 20 et 30 % d’humidité, le niveau d’émissions polluantes du bois peut être multiplié par plus de 5.
- À 20 % d’humidité, le bois possède un pouvoir calorifique de 4 kWh/kg contre 2 kWh/kg à 50 % d’humidité.
L’usage de bois sec est vraiment conseillé.
*Rendement thermique : proportion de l’énergie contenue dans le combustible effectivement transformée en chaleur utile pour le chauffage, par rapport à l’énergie totale du combustible.
Comment l'humidité et la mauvaise gestion de la température des fumées détériorent une chaudière à bois ?
L’humidité du bois ne réduit pas seulement le rendement thermique, elle engendre aussi la formation de condensation acide et la détérioration prématurée du matériel.
Lors de la combustion, l’eau contenue dans le bois s’évapore et se mélange aux fumées. Si ces fumées refroidissent trop rapidement (en dessous d’environ 60°C à 100°C, selon les réglages), la vapeur d’eau qu’elles transportent repasse à l’état liquide. C’est ce qu’on appelle atteindre le point de rosée.
En condensant, la vapeur d’eau emprisonne les composés soufrés, les oxydes d’azote et les goudrons générés par les fumées. Ce mélange se transforme en un condensat acide et corrosif, un liquide qui s’attaque alors aux parois de l’échangeur et au conduit de fumée, provoquant une usure prématurée (percement) et l’apparition de bistre.
Plus le bois est humide, plus la quantité de vapeur d’eau dans les fumées est importante. Cela augmente mathématiquement le risque de condensation, car :
- La température de combustion est plus basse (l’énergie est gaspillée à évaporer l’eau).
- Le volume de vapeur à évacuer est beaucoup plus grand.
Une combustion complète nécessite de maîtriser trois paramètres fondamentaux (3T) : Température, Turbulence et Temps de séjour.
- La température doit rester suffisamment élevée (>800 °C pour du bois sec) pour oxyder complètement les gaz combustibles issus de la pyrolyse.
- La turbulence mélange efficacement les gaz et l’air secondaire, assurant que tout combustible entre en contact avec l’oxygène.
- Le temps de séjour maintient les gaz dans la zone de combustion assez longtemps pour que les réactions chimiques se terminent et que les radicaux libres se stabilisent.
Quels sont les risques de la modulation excessive d'une chaudière à bois ?
Le dimensionnement d’une chaudière moderne repose sur un équilibre entre performance thermique et protection du matériel. Une chaudière capable de moduler sa puissance en dessous de 30 % doit inévitablement utiliser des technologies obsolètes vieilles de 30 ans.
Les échangeurs haute performance d’aujourd’hui sont conçus pour capter un maximum de chaleur, ce qui refroidit fortement les fumées :
- À 100 % de puissance : les fumées sortent de la chaudière à environ 150°C.
- À 30 % de puissance : les fumées sortent de la chaudière à environ 100°C.
Le bois déchiqueté contient toujours une part d’humidité variable d’une livraison à l’autre. A 30 % de puissance, lorsque la température des fumées tombe sous les 100°C, l’humidité se transforme en eau dans le conduit ou dans l’échangeur. Mélangée aux résidus de combustion, cette eau devient un acide corrosif qui détruit l’installation.
Pour qu’une chaudière module sa puissance en dessous de 10 %, elle doit obligatoirement sacrifier :
- Soit son rendement : en utilisant un échangeur qui laisse échapper beaucoup de chaleur. Dans ces conditions, pour avoir 100°C de fumées à basse puissance, on monterait à 200°C-250°C à pleine puissance. C’est un gaspillage d’énergie énorme.
- Soit sa qualité de la combustion : On pourrait réduire l’air entrant, mais cela encrasserait la chaudière et augmenterait la pollution.
Pourquoi faut-il réguler l'apport d'air frais dans une chaudière à bois ?
Comme expliqué plus haut, la combustion du bois requiert la présence d’oxygène notamment présent dans l’air frais. Le taux d’oxygène optimal dans les fumées pour garantir une combustion complète du bois dans le foyer se situe entre 7 et 10 %.
Ce taux permet d’atteindre la combustion stœchiométrique : combustion réalisée avec la quantité exacte de comburant permettant de complètement oxyder le combustible. L’objectif est donc de réguler l’apport en air afin d’obtenir ce taux d’oxygène idéal dans les gaz de combustion.
- Si le taux est inférieur, le feu s’étouffe et la combustion est incomplète.
- Si le taux est supérieur, le surplus d’oxygène et d’air frais ne sert à rien. Pire, l’air frais est à température ambiante loin en dessous de la température cible des fumées de 150°C. Cet air frais, va donc absorber la chaleur et donc faire baisser la température des fumées.
Comment réguler la température du foyer sans ajouter davantage d’air frais ? Voir plus bas dans l’onglet « Recyclage des fumées ».
Comment les chaudières HARGASSNER surmontent les enjeux d'une combustion complète ?
Les chaudières HARGASSNER jusqu’à 330 kW sont toutes labelisées Flamme Verte. Le cadre technique exigeant du label impose des objectifs rigoureux :
- Un rendement à puissance nominale minimum
- Une efficacité énergétique saisonnière minimum
- Une température de fumée en sortie de chaudière à puissance nominale de 160°C maximum
- Une quantité d’imbrulés et des niveaux d’émission de gaz, particules et COV maximaux
Afin de respecter ce cadre technique, la technologie des chaudières HARGASSNER a été étudiés dans les moindres détails. Tous les composants possèdent une utilité permettant d’atteindre les objectifs définis. Il est impossible pour un équipement rustique ou ancien d’atteindre ce niveau d’exigences.
La gestion de la combustion dans le foyer
La vis entrée chaudière assure un apport constant et sécurisé en bois.
Le système de décendrage par grille(s) automatique et le capteur de niveau de bois maintiennent un lit de braises homogène. La grille nettoie aussi automatiquement le foyer des cendres sans gaspiller de combustible. Elle effectue des cycles réguliers pour permettre au bois de se consumer totalement avant vidange.
Dans certains foyer, le bois froid est posé sur le lit de braise ce qui l’étouffe (comme souvent lorsqu’on recharge un barbecue de charbon).
Les foyers de combustion de chaudières HARGASSNER sont de type volcan. Cela signifie que le combustible est poussé par le dessous au centre de la grille, comme de la lave qui monte au centre d’un volcan. Dans ce type de foyer, le nouveau bois arrive par le dessous et pousse les cendres vers les bords. Ainsi, il conserve le lit de braise intact. Le bois est séché progressivement à mesure qu’il monte vers la zone de feu.
Le foyer en pierres réfractaires accumule la chaleur et maintien des températures élevées, même à charge partielle. Le bois gazéifie rapidement et ces gaz brûlent intégralement. La conception du foyer optimise la combustion des gaz en multipliant leur passage par la flamme.
La gestion de l'air comburant
Quels sont les bénéfices concrets d'une sonde lambda ?
Nos chaudières biomasse sont aujourd’hui complétement étanches.
L’air est amené par deux à trois arrivées : en amont du lit de braise et dans la chambre de combustion remplie de réfractaires.
La forme en voûte du foyer et la buse située au plus haut étranglent les gaz afin d’améliorer leur mélange avec l’air secondaire au cœur du foyer.
L’air est soigneusement dosé grâce à la sonde lambda. Elle régule en continu le taux d’oxygène dans le foyer entre 7 et 10 % et garantit un mélange oxygène/gaz optimal pour une combustion complète.
Une chaudière est un athlète qui court un marathon. Pendant 42 km, il doit réguler sa respiration afin de ne pas s’essouffler mais aussi de ne pas manquer d’air. La sonde lambda agit alors comme un poumon intelligent. Elle ajuste le rythme respiratoire de la chaudière à chaque foulée peu importe le terrain. Elle garantit que la chaudière consomme le minimum d’énergie pour le maximum de performance.
Le bois n’est pas un combustible uniforme car son humidité et sa densité changent d’une livraison à l’autre. Pour caricaturer, dans un même silo aucun morceau de bois n’est identique.
Dans une chaudière sans sonde lambda, l’apport d’air frais est constant et excessif pour s’assurer que le bois brûle et que les gaz nocifs rencontrent un maximum d’oxygène. Le rendement de la chaudière diminue alors que ses émissions polluantes augmente.
Dans une chaudière avec une sonde lambda, on mesure l’oxygène résiduel en temps réel et on optimise la combustion. Lorsque le foyer passe d’un bois humide à un bois plus sec, la bonne combustion de ce dernier requiert moins d’oxygène. Par conséquent, la sonde lambda va réduire immédiatement l’apport d’air frais.
D’un autre côté, la sonde pilote surtout l’apport d’oxygène par l’air secondaire afin de transformer le monoxyde de carbone (gaz mortel) en dioxyde de carbone.
Une sonde lambda est surtout essentielle pour faire fonctionner une chaudière à charge partielle. Dans ces conditions la gestion fine de l’apport d’air réduit considérablement les émissions de la chaudière ainsi que son encrassement.
La gestion de la turbulence
Quels sont les bénéfices concrets des turbulateurs ?
Nous avons expliqué que pour obtenir une bonne combustion, il faut que les gaz de pyrolise et l’oxygène soient se mélangent le plus longtemps possible. En freinant les gaz grâce à la perte de charge, c’est-à-dire la chute de pression due aux frottements divers contre les parois, on garde les fumées le plus longtemps possible dans la chaudière et on force ce mélange. L’échangeur HARGASSNER est ainsi conçu comme un long parcours créant un maximum de pertes de charge et de turbulences.
Si l’échangeur était un tube lisse et droit, les fumées s’échapperaient à toute vitesse vers la cheminée. Le bois brûlerait de façon trop vive et les gaz n’auraient pas le temps de finir leur combustion.
Les turbulateurs intégrés dans l’échangeur maximisent le transfert thermique en créant de la turbulence dans les fumées.
Le système de nettoyage automatique ou manuel de l’échangeur actionne les turbulateurs qui raclent les parois de l’échangeur grâce à leur arêtes vives. Cela améliore le transfert de chaleur vers le circuit de chauffage.
En effet, 1 mm de suie sur une paroi, c’est 10 % de rendement en moins. Grâce aux turbulateurs, l’échangeur reste propre en permanence.
Dans une chaudière sans turbulateurs, les gaz chauds ont tendance à filer tout droit au centre des tubes. Une couche de gaz froids stagne contre la paroi et agit comme un isolant. Résultat, la chaleur est éjectée sans avoir été transféré au réseau de chauffage. C’est ce qu’on appelle le flux laminaire (Déf. qui s’effectue par glissement longitudinal d’une couche de fluide sur une autre, sans qu’il y ait mélange entre les couches).
Dans une chaudière dotée de turbulateurs, les gaz se mélangent. La chaleur qui était au centre du flux est projetée contre les parois de l’échangeur.
Etude complémentaire :
https://informatech.energir.com/?p=135
[..] Pour quantifier les performances de ces deux solutions, le CTGN a testé une chaudière « tubes à feu » 2 passes d’une capacité de 175 BHP (5 550 lb/h de vapeur produites à 125 psig).
Les tests visaient à mesurer la production de vapeur ainsi que l’efficacité et la perte de pression à différents régimes d’opération. Ces tests ont été effectués avec:
- des tubes de convection lisses;
- des tubes corrugués;
- des turbulateurs.
[…] si on compare les résultats obtenus à 4 700 lb/h, capacité maximale où nous avons pu faire fonctionner la chaudière avec les turbulateurs, nous constatons un gain d’efficacité de 7,5 %. Ce gain est supérieur de 1 % au gain des tubes corrugués. […]
Les bénéfices concrets du recyclage des fumées
Certaines chaudières sont équipées d’un système de recyclage de fumées. Il prélève une partie des gaz de combustion en sortie d’échangeur puis la réinjecte dans la chambre de combustion. Ce système possède deux avantages.
Certains combustibles biomasse bois possèdent des cendres qui fondent à basse température (environ 1000 à 1100°C). Si le foyer dépasse cette température, les cendres fondent, coulent et durcissent en refroidissant. Elles forment alors des blocs de verre appelés mâchefer. Le recyclage des fumées permet de refroidir la flamme. En gardant la température sous le point de fusion des cendres, on évite que le mâchefer n’étouffe la grille de combustion.
Sans recyclage, pour être sûr que le bois et les gaz brûlent bien, on doit injecter plus d’air frais. Cet air entre à température ambiante et ressort par la cheminée à 150°C ce qui représente une perte.
Avec le recyclage, on utilise des fumées à 150°C à la place de l’air frais pour créer la turbulence dans le foyer. Au final, on réduit le volume de fumées chaudes éjecté par la chaudière.
Comment expliquer que réinjecter du gaz dans le foyer permet de faire baisser la température de la flamme ?
Les fumées que l’on réinjecte sont composées de CO2 et d’azote, des gaz inertes qui ne brûlent pas. En les mélangeant à l’air frais, on augmente le volume total de gaz dans le foyer sans augmenter la puissance du feu. Ce volume de gaz supplémentaire agit comme une éponge thermique. Il absorbe une partie de l’énergie intense de la flamme.
C’est ce qu’on appelle la “dilatation” du mélange : la température de la flamme baisse car la chaleur est mieux répartie dans tout le volume du foyer au lieu d’être concentrée en un point brûlant. Cela ferait fondre les cendres (mâchefer) ou fendre les briques réfractaires.
Le fonctionnement d'une chaudière réduit au minimum la création de condensation acide.
Lors des phases d’allumage, où la combustion est incomplète et les fumées froides, une condensation temporaire peut se former. Pour solutionner ce problème, nos chaudières sont conçues afin d’atteindre le plus rapidement possible la température de sécurité de l’échangeur.
Toutes nos chaudières sont dotées d’un groupe de recyclage intégré.
Au démarrage, le groupe de recyclage hydraulique de la chaudière fait circuler l’eau du circuit primaire (à l’intérieur de la chaudière) en boucle jusqu’à ce que l’échangeur atteigne la température de sécurité.
Ensuite, le groupe de recyclage mélange l’eau chaude qui sort de la chaudière à l’eau froide qui entre dans la chaudière. Cela évite que l’eau froide qui entre dans la chaudière fasse redescendre la température de l’échangeur en dessous du niveau de sécurité.
Les échangeurs HARGASSNER sont conçus en acier de haute qualité capables de résister à cette légère condensation pendant des décennies.
Comment une ballon tampon contribue à maintenir la combustion complète du bois ?
Grâce au ballon tampon, la chaudière à bois automatique fonctionne le plus souvent et longtemps possible à une température de combustion optimale.
Une combustion complète ne peut être atteinte et maintenue que sur des cycles longs. Un cycle d’au moins une heure permet au foyer réfractaire d’atteindre une température élevée et stable. Les gaz disposent alors du temps et des conditions nécessaires pour brûler intégralement, conformément à la règle des 3T.
Un ballon tampon bien dimensionné permet à une chaudière automatique de fonctionner sur des cycles de combustion longs et continus. La chaudière maintient une haute température de foyer le plus longtemps possible. Le ballon absorbe l’énergie produite et la restituera ensuite au réseau.
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