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Etude d'un dispositif de traitement des imbrûlés des appareils de chauffage indépendants au bois
Abstract and Figures
La principale pollution des appareils domestiques de chauffage au bois est liée aux émissions d'imbrûlés gazeux et solides dans les fumées. Pour réduire ces rejets, nous proposons l'utilisation d'un dispositif de traitement des fumées pour piéger les particules et les détruire par micro-ondes. Après une étude des émissions de différents foyers fermés et une caractérisation des particules issues de la combustion du bois, le travail réalisé sur le piégeage dans un lit filtrant de billes de ciment réfractaire a permis de piéger 50 % des particules avec un lit de 5 cm. Ce lit chargé de particules est ensuite chauffé par micro-ondes : une énergie de l'ordre de 200 kJ a permis de régénérer le filtre totalement. Cette étude a montré que la post-combustion de fumées par apport d'énergie micro-ondes est particulièrement adaptée aux particules issues de la combustion du bois, comparé à la régénération par apport d'énergie classique, et un cahier des charges complet du dispositif a été élaboré.
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... De plus, la chaleur est envoyée vers le foyer par un réflecteur qui peut être installé dans la chambre de combustion pour assurer aux gaz une circulation plus longue (cf. Fig. 3 (b)) [36], [38], [39]. [36]. ...
... Fig. 3 (b)) [36], [38], [39]. [36]. ...
... La figure 4 donne une représentation des processus de formation des différents types de particules émis lors de la combustion du bois [10]. Le taux de CO varie au cours des différentes phases de combustion [36]. Durant la phase de l'allumage, les émissions de CO sont très élevées. ...
Cette thèse porte sur l’analyse de cycle de vie (ACV) du bois énergie dans les installations de chauffage domestique au bois dans la région Grand Est. L’étude considère les étapes d’exploitation forestière, de transport (vers les industries de production et vers les clients), de production et de combustion. L’unité fonctionnelle est la tonne de bois vert. Les impacts cancérigènes, non cancérigènes, respiratoires et le changement climatique sont évalués selon la méthode d’analyse d’impact de cycle de vie (AICV) IMPACT 2002+.D’abord, la combustion s’est effectuée dans des installations performantes. Puis, les émissions provenant de la totalité des installations de chauffage domestique au bois dans la région ont été étudiées. Une analyse approfondie de l’étape de production des granulés et une étude de sensibilité de l’étape de transport ont été réalisées. Une attention a porté sur les méthodes d’AICV : les méthodes IMPACT 2002+ et Recipe 2016 ont été comparées. Les résultats ont montré que les impacts ainsi que les éléments considérés et leur hiérarchisation diffèrent dans les deux méthodes.
... Tandis que la surface du matériau a fini de sécher, son coeur (ou l'amas de matériaux) est encore humide. La suite de la combustion de la surface génère de la chaleur qui permet au coeur de sécher et de poursuivre également sa combustion (Rabot-Querci, 2006). Dans le cas idéal d'une combustion de biomasse, les réactifs sont présents en quantités stoechiométriques et l'énergie d'activation (une flamme ou de la chaleur) est suffisante tout au long de la réaction pour permettre à la matière organique composant la biomasse d'être totalement oxydée par le dioxygène. ...
... Ces proportions sont toutefois très variables d'un résidu à un autre (Rosa et al., 2018). La biomasse contient également en très faibles proportions des composés azotés, soufrés et chlorés ainsi que des minéraux, des métaux et des sels (Rabot-Querci, 2006;Lackner et al., 2013). Dans la réalité, une combustion complète (dite « de qualité » ou encore « efficace »), générant uniquement du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau, est impossible en raison de nombreux facteurs qui viennent altérer la réaction. ...
Le secteur agricole est actuellement marqué par d’importants changements dont le but est d’abaisser son empreinte environnementale. Entre autres, la pratique du brûlage à l’air libre des coproduits agricoles, est de plus en plus prohibée, en faveur de la mise en place de voies de valorisation de cette biomasse. Ces travaux de thèse ont été menés dans le cadre du projet VITIVALO dont les objectifs sont d’évaluer l’impact du brûlage à l’air libre des coproduits viticoles sur la qualité de l’air du territoire des Pays de Savoie en France et de proposer des alternatives à cette pratique. Dans un premier temps, les émissions particulaires et gazeuses du brûlage à l’air libre des sarments, des souches de vigne et des écarts de tri paraffinés de pépinières viticoles ont été estimées et caractérisées chimiquement à partir d’échantillonnages réalisés sur le terrain. Un inventaire des gisements des coproduits correspondants a également permis de quantifier les émissions générées par cette pratique sur l’ensemble du territoire. Dans un second temps, la valorisation chimique de la biomasse viticole a été envisagée comme alternative au brûlage à l’air libre. Ainsi, les teneurs en deux composés à haute-valeur ajoutée, le (E)-resvératrol (Rsv) et la (E)-ε-viniférine (Vf), ont été mesurées dans les coproduits viticoles les plus représentatifs des Pays de Savoie. De plus, plusieurs facteurs influençant les teneurs en Rsv et en Vf ont été mis en évidence et les conditions d’extraction des deux composés ont été optimisées. Enfin, les propriétés antifongiques des extraits de sarments et de souches de vignes savoyardes, ont été explorées sur Plasmopara viticola et Botrytis cinerea, les deux pathogènes responsables de deux des maladies les plus courantes chez la vigne : le mildiou et la pourriture grise respectivement. Ces résultats, prometteurs, sont une première étape vers le développement de produits phytosanitaires formulés à partir d’extraits de sarments et de souches de vigne des Pays de Savoie.
... The composition of the wood is the starting point for estimating the parameters of this fuel. As wood composition varies with species (oak, beech, fir, etc.), we took an average composition (Table 10 based on Rabot-Querci (2006). Considering a moisture content of 30% (Deglise and Donnot, 2004) and a sulphur content of 0.01% (Rector et al., 2013), which are necessary to specify a fuel parameter in Ariane, we were able to calculate a mean composition for wood chips (Table 10). ...
... Baudet, Prosim S.A., personal communication). By omitting sulphur, the composition of dry wood gives the raw formula CH 1.44 O 0.66 for the wood molecule (Rabot-Querci, 2006)). Molar mass of the fuel is therefore set at 24.0 g mol −1 . ...
The food industry urgently needs to design sustainability into its processes. Here we develop a methodological framework for the ecodesign of food processes. The framework combines process flowsheeting (using a process simulation tool) and multiobjective optimization with life-cycle and cost-cycle analysis tools embedded in a multicriteria decision support tool. The framework developed is illustrated by the example of milk evaporation, which is one of the most energy-intensive processes in the dairy industry and has huge potential for optimization. The commercial process simulator was first adapted to modeling milk evaporators. Economic and environmental criteria were then computed from inventories of both the production and cleaning phases, and we went on to apply multiobjective optimization (with a genetic algorithm) and multicriteria decision-making either independently or in combination. The potential of the framework was demonstrated first through analysis of three evaporator design solutions, and second as a support for the strategic choice of a fuel for the purpose of on-site energy production. This work provides a pathway to ecodesigning the entire milk powder production chain.
... Dans le cas d'une combustion, le type d'appareil combiné à l'essence du combustible représente un facteur très influent. En effet, la combustion de feuillus ou de résineux va changer la composition des COV émis, et le type d'appareil va modifier la quantité émise [37]. ...
... Elément de bois dégradé gardant une structure orienté (a, x1100), Elément de bois dégradé avec une structure désorganisée (b, x300), Détail de la structure désorganisée (c, x2030), Les particules sur les trois clichés proviennent d'une chaudière,[37] Notons que ce travail date de 2006 avec des appareils plus anciens et que les améliorations apportées à la conception peuvent avoir modifié les caractéristiques des particules. ...
La problématique des émissions de particules fines, posant des risques sanitaires et environnementaux avérés, a été très médiatisée ces dernières années. La solution mise en place consiste à aider financièrement les particuliers pour renouveler le parc d’appareils. Or, une utilisation non optimisée d’un appareil dégrade de manière significative ses émissions. Afin d’amender entre autres cette réflexion, de nombreuses campagnes expérimentales ont été menées au travers de caractérisations physico-chimiques complètes et innovantes des fumées, en particulier des particules fines : la Microscopie Electronique à Balayage, la microanalyse X et la détermination du type de carbone constitutif (Carbone Elémentaire, Carbone Organique). En premier lieu, la définition des paramètres d’utilisation de l’appareil et leurs niveaux de réponse ont permis de proposer une réduction significative des émissions dont celles de particules fines. Ainsi, les impacts des paramètres comme la nature du combustible, le mode d’allumage et l’injection d’air secondaire ont été quantifiés. Ensuite, les mécanismes de formations des particules ont été définis. Dans un second temps, ce travail de thèse s’est intéressé à l’évolution des caractéristiques des particules entre la chambre de combustion de l’appareil et le champ proche, permettant d’aller au-delà de l’étude normative classique. De nouveaux savoirs sur les particules ont ainsi été mis en évidence. L’ensemble de ces nouvelles connaissances, aidant à mieux connaître les particules produites par la combustion de bois dans des appareils indépendants, permettront dans le futur de créer des systèmes de traitement spécifiques et efficaces
... The composition of the wood is the starting point for estimating the parameters of this fuel. As wood composition varies with species (oak, beech, fir, etc.), we took an average composition (Table 10 based on Rabot-Querci (2006). Considering a moisture content of 30% (Deglise and Donnot, 2004) and a sulphur content of 0.01% (Rector et al., 2013), which are necessary to specify a fuel parameter in Ariane, we were able to calculate a mean composition for wood chips (Table 10). ...
... Baudet, Prosim S.A., personal communication). By omitting sulphur, the composition of dry wood gives the raw formula CH 1.44 O 0.66 for the wood molecule (Rabot-Querci, 2006)). Molar mass of the fuel is therefore set at 24.0 g mol −1 . ...
Milk concentration and spray drying are highly energy-intensive operations, for which energy consumption accounts for about 25% of the French dairy processing industry. A major challenge consists then in the design and development of sustainable dairy concentration processes which integrate technical, economic and environmental criteria. For this purpose, systems oriented tools have already been developed in the chemical industry by using a systemic approach combining modelling, simulation, and optimisation. Despite the proximity of chemical with food and bioengineering sectors, the utilization of such an approach for the modelling of dairy processes suffers from a lack of process models, more particularly when the whole process is considered and when concentration processes are involved. In that context, this work constitutes a preliminary study towards the development of a methodological framework for modelling and optimizing dairy processes. The proposed strategy consists in the combination of a chemical process simulator (ASPEN PLUS 7.3, AspenTech, Inc.) with an environmental model based on Life Cycle Assessment concepts. The simulated process concerns milk powder production, and more particularly milk concentration prior to drying, involving pre-heating, pasteurization, and evaporation steps. The process model performances are assessed through a sensitivity study on the number of effects in the evaporator, and the environmental impacts associated to the various steam requirements involved are quantified according to several scenarios.
Cette étude s’est proposée de valoriser la pomme de cajou e combustible. Le matériel est constitué de pommes de cajou séchée non carbonisée (PCSNC), pommes de cajou fermentées séchées carbonisées (PCFSC),, pommes de cajou séchées et carbonisées (PCSC), briquettes comportant 100% de pommes carbonisées et 0% de sciure de bois carbonisée (BPC100), briquettes comportant 80% de pommes carbonisées et 20% de sciure de bois carbonisée (BPC80), briquettes comportant 70% de pommes carbonisées et 30% de sciure de bois carbonisée (BPC70), briquettes comportant 60% de pommes carbonisées et 40% de sciure de bois carbonisée (BPC60). Ces combustibles ont été caractérisés en déterminant la quantité de chaleur dégagée, la durée de combustion, le temps d’ébullition, le niveau de dégagement de fumée, la masse de suie après combustion et le taux de cendres. Les valeurs obtenues pour ces paramètres ont été comparées à celles du charbon de bois. Il ressort que les quantités de chaleur dégagées par PCFNC (963 KJ) et PCSNC (943 kJ) sont relativement proches de celle (1122 kJ) du charbon de bois. Pour la durée de combustion, ce sont les briquettes et le charbon de bois témoin qui mettent plus de temps à se consumer (60 minutes, environ). Le temps le plus court d’ébullition de l’eau est obtenu avec BPC100 (10,98 minutes contre 15,45 minutes pour le charbon de bois). Les combustibles à base de pommes de cajou ont tous dégagé de la fumée et ont favorisé un dépôt de suie après la combustion contrairement au charbon de bois. Au niveau de la cendre, BPC60 et BPC70 ont produit moins de cendre (10g) que le charbon de bois (12,5g). Au vu de ces résultats, si certaines caractéristiques de la pomme de cajou sont améliorées, sa valorisation énergétique est possible. This study intended to valorize the cashew apple or cashew nut into fuel. The material consists of cashew apples and sawdust, which allowed us to obtain 8 types of fuel. This includes dried cashew apples without carbonization (PCSNC), dried fermented cashew apples with carbonization (PCFSC), dried cashew apples with carbonization (PCSC), and briquettes with 100% carbonized apples and 0% sawdust with carbonization (BPC100), briquettes with 80% carbonized apples and 20% carbonized sawdust (BPC80), briquettes with 70% carbonized apples and 30% carbonized sawdust (BPC70), briquettes with 60% carbonized apples and 40% carbonized sawdust (BPC60). These fuels were characterized by determining the amount of released heat, combustion time, boiling time, level of smoke release, soot mass after combustion, and ash content. The values obtained for these parameters were compared with those of charcoal. The heat release of PCFNC (963 kJ) and PCSNC (943 kJ) is relatively close to that of charcoal (1122 kJ). The briquettes and the control charcoal take longer to burn (about 60 minutes, in terms of burning time. The shortest water boiling time was obtained with BPC100 (10.98 minutes versus 15.45 minutes for charcoal). Cashew apple fuels all gave off smoke and promoted soot deposition after combustion. This was not the same as charcoal’s case. Regarding ash generation, BPC60 and BPC70 produced less ash (10g) than charcoal (12.5g). Considering these results, if some characteristics of the cashew apple are improved, its energy valorization is possible.
Les chaufferies automatiques au bois fragmenté connaissent un fort développement. Ces chaufferies doivent répondre aux besoins en chaleur et sont soumises aux aléas du bois. La chaudière doit adapter sa puissance, et permettre l'utilisation de bois dont la granulométrie et l'humidité peuvent fluctuer. Notre étude est menée sur une chaudière automatique à grilles mobiles de 200 kW. 1000 heures d'essais de combustion de sciures et de plaquettes, d'humidités variables selon 3 paliers de puissance permettent d'obtenir une représentation du CO émis par la combustion en fonction de l'humidité, de la puissance et du débit d'air. Ce modèle permet d'évaluer l'impact environnemental de différents types de régulations de combustion. Une nouvelle logique de régulation a alors pu être proposée : elle permet de réduire jusqu'à 40% les émissions de CO par une simple reprogrammation de l'automate et fonctionne quelles que soient les caractéristiques du bois ou la puissance appelée.
Particulate matter emitted from wind tunnel simulations of biomass burning for five herbaceous crop residues (rice, wheat and barley straws, corn stover, and sugar cane trash) and four wood fuels (walnut and almond prunings and ponderosa pine and Douglas fir slash) was collected and analyzed for mojor elements and water soluble species. Primary constituents of the particulate matter were C, K, C1, and S. Carbon accounted for roughly 50% of the herbaceous fuel PM and about 70% for the wood fuels. For the herbaceous fuels, particulate matter from rice straw in the size range below 10 gm aerodynamic diameter (PM10) had the highest concentrations of both K (24%) and C1, (17%) and barley straw PM10 contained the highest sulfur content (4%). , , and S were present in '' ns of ' wood c,, ot ,-,a .... a lc,,7o1 with maximum concentrations of 6.5% (almond prunings), 3% (walnut prunings), and 2% (almond prunings), respectively. Analysis of water soluble species indicated that ionic forms of K, C1, and S made up the majority of these elements from all fuels. Element balances showed K, C1, S, and N to have the highest recovery factors (fraction of fuel element found in the particulate matter) in the PM of the elements analyzed. In general, chlorine was the most efficiently recovered element for the herbaceous fuels (10 to 35%), whereas sulfur recovery was greatest for the wood fuels (25 o 45%). Unique potassium to elemental carbon ratios of 0.20 and 0.95 were computed for particulate matter (PM10 K/C(e)) from herbaceous and wood fuels, respectively. Similarly, in the size class below 2.5 gm, high-temperature elemental carbon to bromine (PM2.5 C(eht)/Br) ratios of-7.5, 43, and 150 were found for the herbaceous fuels, orchard prunings, and forest slash, respectively. The molar ratios of particulate phase bromine to gas phase CO2 (PM10 Br/CO2) are of the same order of magnitude as gas phase CH3Br/CO2 reported by others.
The effects of different parameters on performance and emissions of three biomass-fired stoves have been investigated. The parameters considered were moisture content of fuel, size of fuel, size of pot and method of ignition, while the selected stoves were an improved Indian stove, a Vietnamese traditional stove and an improved stove developed by the Royal Thai Forestry Department. It was found that increase in fuel moisture content resulted in decrease in stove efficiency, increase in the emission factor of CO and decrease in the emission factor of NOx; a slight decrease in CO2 emission factor was also observed, while emission of CH4 was not significantly effected. The fuel size did not show any significant influence on the efficiency of the stove, however, it showed significant influence on the emission of CO for the size range investigated. The size of pan did not affect the efficiency of the stoves tested. Two methods of stove ignition—conventional bottom ignition and top ignition—were investigated. In general, emission of CO and NOx was significantly less in case of top ignition in comparison with conventional bottom ignition.
The quantitative proportions of 16 alkenes, 5 alkadienes, 5 alkynes and several alkanes and arenes were determined in emissions from wood burning in a wood-stove and in small-scale model experiments. Samples were taken on triple-layer adsorption cartridges, and gas chromatographic separations were performed on an aluminium oxide column.Ethene, ethyne and benzene were major components, especially from efficient flame combustion. The proportions of C3C7 alkenes were markedly higher for smouldering. The carcinogenic compounds benzene and 1,3-butadiene constituted roughly 10–20% and 1–2% by weight of total non-methane hydrocarbons. Similar results were obtained for hardwood and softwood.
Catalytic filters were prepared by depositing a γ-Al2O3 layer on the pore walls of α-Al2O3 filters by in situ precipitation (nitrate–urea method), followed by Pt dispersion via incipient wetness impregnation. The thereby obtained catalytic filters were tested, after characterisation (permeability assessment, BET measurement, SEM-EDAX observation, XRD analysis), in the catalytic combustion of selected volatile organic compounds (naphtalene, propylene, propane and methane), fed alone or in mixture. The VOCs conversion results, obtained by varying the operating temperature, the superficial velocity and the catalyst loading in the filter, showed that catalytic filters might outperform conventional technologies in the treatment of flue gases where simultaneous dust removal and catalytic abatement of VOCs have to be accomplished (municipal waste incinerators, wood combustion furnaces, etc.). On the grounds of a kinetics assessment study, a model, based on an isothermal pseudo-homogeneous approach, was also assembled and solved by the finite difference method, getting fair, though improvable, fitting of the experimental abatement data.
An investigation was carried out on the emissions produced in a 20 kW experimental boiler burning a combination of wood and household refuse. The wood content ranged from 10 to 50%. Direct sampling with Tenax adsorbent was used to cover a range of volatile organic compounds (VOCs). The measurements also included unburned hydrocarbons, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and flue gas temperature. Combustion and emission parameters were recorded continuously with a multipoint data logger. VOCs were analyzed by gas chromatography and mass spectrometer (GC/MS). The main emphasis was placed on the effect of wood on VOC emissions. The results showed that as the wood content increased from 10 to 50%, there was a roughly linear increase in emissions of total VOCs. Carbon monoxide and unburned hydrocarbon emissions also increased. These results suggest that household refuse is a good substitute for wood as a boiler fuel, as it has a similar calorific value but fewer emissions.