Étude des émissions polluantes de la combustion de biomasses dans une chaudière à granulés

Study of pollutant emissions from biomass combustion in a pellet boiler

• Auteur / Autrice : Angel Alfonso Martinez Martinez
• Direction : Alexis Coppalle, Jérôme Yon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/11/2021
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Gwénaëlle Trouvé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Coppalle, Jérôme Yon, Céline Morin, Sylvain Salvador, Corine Lacour, Capucine Dupont, Yann Rogaume
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Céline Morin, Sylvain Salvador

Mots clés

Mots clés contrôlés

Densité

Aérosols

Polluants

Gaz à effet de serre -- Réduction

Énergie de la biomasse

Énergies renouvelables

Chaudières

Biomasse -- Combustion

Mots clés libres

Chaudières à granulés

Émissions

Biomass

Emissions

Pellet boiler

Résumé

Le besoin de combustibles alternatifs aux énergies fossiles a conduit à se tourner vers de nouveaux combustibles renouvelables. La biomasse est l’une des alternatives les plus utilisées. La biomasse peut être classée en fonction de son origine, comme la biomasse de bois qui est actuellement la plus utilisée. Il existe d’autres types de biomasse comme celle reposant sur les plantations énergétiques. Cependant, l’exploitation de cette biomasse alternative n’est pas toujours correcte et on sait qu’une mauvaise utilisation peut engendrer des comportements différents dans les appareils de combustion avec des conséquences en termes d’émissions polluantes. C’est pourquoi nous devons étudier l’effet de la nature et de la composition de la biomasse sur ses émissions lors de la combustion. Afin d’étudier expérimentalement la combustion de la biomasse, un banc expérimental basé sur une chaudière domestique à granulés de 20kW a été mis en place pendant la thèse. Les trois biomasses utilisées pour cette thèse sont le bois, le miscanthus et la paille. Les entrées d’air et de combustible sont contrôlées, le banc est instrumenté et permet des mesures d’émissions polluantes gazeuses et particulaires. De nombreux équipements sont utilisés pour le prélèvement (FPS) et les mesures d’émissions polluantes ont été mises en place (TESTO, SMPS, PPS, ELPI, TEOM). Des mesures de masse volumique effective des particules produites pendant la combustion de la biomasse ont également été réalisées. Différents paramètres tels que le mode d’alimentation (pulsé ou continu), la distribution d’air au sein du foyer et la nature de la biomasse sont étudiés. Les résultats obtenus ont montré que les émissions de CO sont fortement influencées par le type d’alimentation de la chaudière. Nous avons réussi à réduire d’environ 40 % les émissions de CO d’un chauffage classique en modifiant simplement son mode d’alimentation. La distribution d’apport en air dans le foyer de combustion a un effet important sur la réduction des émissions polluantes gazeuses. Les résultats obtenus ont montré de nettes différences dans les niveaux d’émissions gazeuses des trois types de biomasse, le bois étant le moins émissif. Enfin, Au niveau des émissions des particules par les trois types de biomasse, il y a des différences la concentration en masse et la distribution de taille des particules. Les images MET et la masse volumique spécifique montrent des différences entre les particules produites par le miscanthus comparées à celles produites par le bois.

The need to find alternatives to fossil fuels has increased the use and the study of new renewables energies. The biomass is one of the most used alternatives. Biomass can be classified according to its origin; the woody biomasses are currently the most widely used. There are other types of biomass such as biomass of agricultural origin and energy crops. The abundance of these kind of biomass, proposes to use them as energy source. The use of alternative biomasses has not been properly exploited and it is known that this use can generate different behaviors in the combustion devices with consequences in terms of polluting emissions. This is why we need to study the effect of the nature and composition of the biomass on its emissions during combustion. In order to study experimentally the combustion of biomass, an experimental bench based on a domestic pellet boiler of 20kW has been set up during this thesis. The three biomasses used for this work are wood, miscanthus and straw. The air and fuel inlets are controlled, the bench is instrumented and allows measurements of gaseous and particulate pollutant emissions. Numerous equipment’s for sampling (FPS) and emission measurements (TESTO, SMPS, PPS, ELPI, TEOM) have been set up. A CPMA was set up in conjunction with the SMPS to evaluate the effective density of particles produced during biomass combustion. TEM images were made from the aerosol produced by the combustion of wood and miscanthus. Different parameters such as the feeding mode (pulsed or continuous), the air distribution within the furnace and the nature of the biomass are studied. The results obtained showed that CO emissions are strongly influenced by the feeding mode of the boiler. Particles and NOx can be less affected by this loading process. We were able to reduce the CO emissions of a conventional heater by about 40% by simply changing the feed method. The air distribution in the combustion chamber was also tested. It was observed that small changes in the air distribution close to the fuel bed can have significant effects on the reduction of gaseous pollutant emissions. Also, the results obtained showed clear differences in the levels of gaseous emissions of the three types of biomass, with wood being the lowest of the three. Finally, in terms of particulate emissions, there are clear differences in mass concentration and size distribution, MET images and specific gravity showed differences in the nature and shape of particles for miscanthus and wood biomasses.