1 Validation des méthodes de mesures des caractéristiques des combustibles bois

1 Validation des méthodes de mesures des caractéristiques des combustibles bois déchiquetés ADEME Critt Bois - Fibois Mars 2002 2 SOMMAIRE Avant propos 4 I / Etude bibliographique sur le calcul du PCI 1. Pouvoirs Calorifiques d'un Combustible 6 1.1 - Définition 6 1.2 - Détermination du pouvoir calorifique 6 1.2.1 Pouvoir calorifique à volume constant 6 1.2.2 Pouvoir calorifique à pression constante 8 1.2.3 Comparaison des pouvoirs calorifiques Pv et Pp 9 2. Pouvoirs calorifiques supérieurs et inférieurs 10 2.1 - Définition 10 2.2 - Relation entre PCS et PCI 10 2.3 - Calcul approché du pouvoir calorifique 10 2.4 - Autres équations permettant de calculer le PCI et le PCS 11 2.4.1 Calcul du PCS 12 2.4.2 Calcul du PCI 12 2.5 - Combustion neutre ou stœchiométrique 13 2.5.1 Pouvoir comburivore (combustible solide ou liquide) 14 2.5.2 Pouvoir fumigène (combustible solide ou liquide) 14 3. Les normes françaises ou européennes 14 3.1 - La norme NF M 003-05 14 3.1.1 Principe 15 3.1.2 Appareillage 15 3.1.3 Mode opératoire 16 3.1.4 Expression des résultats 17 3.2 - Les normes européennes 18 3.3 - Analyse comparative 19 4. Variation du PCI en fonction de l'humidité 20 5. Utilisation des différentes formules de détermination du PCS et PCI 21 5.1 - Présentation des échantillons 21 5.2 - Présentation des résultats 21 5.2.1 Composition élémentaire des échantillons 21 5.2.2 Mesure du pouvoir calorifique supérieur 21 6. Conclusion sur l'étude bibliographique 23 3 II / Mesures complémentaires des appareils 1. Protocole 26 2. Mesures avec le seau Pandis 28 2.1 - Les résultats des tests 28 2.2 - Analyse des données 29 2.2.1 Influence de l'humidité 29 2.2.2 Influence de la granulométrie 32 2.2.3 Influence du type de bois 33 2.2.4 Influence de l'essence 35 2.3. Synthèse et recommandation d'utilisation 36 3. Mesures par le micro-ondes 37 3.1 - Rappel de la méthode micro-ondes 37 3.2 - Les résultats des tests 39 3.3 - Analyse des données 40 3.3.1 Influence de l'humidité 40 3.3.2 Influence de la granulométrie 41 3.3.3 Influence du type de bois 42 3.3.4 Influence de l'essence 43 3.4 - Analyse et conclusion 45 III / Réalisation de fiches pratiques Préambule 46 Procédure de contrôle des caractéristiques du combustible bois déchiqueté 47 Fiche 1 = La prise d'échantillons 48 Fiche 2 = Mesure du PCI 50 Fiche 3 = Méthode de référence de mesure de l'humidité (à l'aide d'une étuve) 52 Fiche 4= Mesure de l'humidité à l'aide d'un micro-ondes 53 Fiche 5 = Mesure de l'humidité au seau Pandis FMG 3000 55 Annexe 1 : Bibliographie PCI 57 Annexe 2 : Liste des spécifications techniques (TS) 60 4 Avant propos Cette réflexion fait suite au travail déjà effectué sur les mesures des caractéristiques des combustibles bois qui visait à recenser et évaluer les méthodes existantes. Ce travail avait été effectué dans le cadre d'un partenariat ADEME, FIBOIS Ardèche-Drôme, CRITT BOIS et CTBA. Plusieurs interrogations se sont posé et ont nécessité de nouvelles investigations : 1. La première était sur la mesure du PCI. Beaucoup de méthodes existent et il s'avérait nécessaire de réaliser une étude bibliographique poussée. (partie 1 du rapport) 2. La deuxième porte sur la validité de l’un des appareils de mesure d’humidité (mesure par résistivité électrique) : matériel développé par une entreprise autrichienne PANDIS le FMG 3000. Afin d’affiner les conclusions du premier rapport sur cet appareil, de nouveaux tests vont être effectués. Ces essais devraient permettre de vérifier la validité de cet appareil. En effet de nouveaux critères seront vérifiés (humidité, granulométrie, partie de l'arbre utilisée pour produire la plaquette, essence). (Partie 2 du rapport) 3. La troisième porte sur la validité de la méthode de mesure au micro-ondes. Des essais ont aussi été réalisés pour affiner les conclusions. (Partie 2 du rapport) Ce rapport est le résultat de l'étude mené à nouveau par l'ADEME en partenariat avec FIBOIS et le CRITT BOIS pour répondre à ces interrogations. Réalisation et rédaction de l'étude : FIBOIS Ardèche - Drôme : Boris BOUCHER et Frédérick LOURDAIS CRITT BOIS : Benoît WILLMANN Coordination technique et financement de l'étude : ADEME : Christophe BAREL 5 I / ETUDE BIBLIOGRAPHIE SUR LE CALCUL DU PCI Le pouvoir calorifique donne une valeur d’énergie contenue dans une unité de masse du combustible. L’unité SI est le J/g. L’unité la plus généralement utilisée dans la littérature est le kcal/kg et pour le bois énergie le kWh/tonne. Pour mémoire, les correspondances entre ces différentes unités sont : …J/g …Kcal/kg …KWh/Tonne J/g = 1 0,24 0,278 Kcal/kg = 4,18 1 1,161 kWh/tonne = 3,6 0,86 1 Deux types de pouvoir calorifique peuvent être déterminés : Le pouvoir calorifique d’un combustible est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète, sous pression atmosphérique normale, de l’unité de quantité de combustible. Le combustible, l’air de combustion et les produits de combustion sont ramenés à 0°C. On distingue le pouvoir calorifique supérieur (PCS) quand l’eau résultant de la combustion est ramenée à l’état liquide dans les produits de combustion (chaudière à condensation). Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) prend en compte la chaleur latente de vaporisation de l’eau qui reste à l’état de vapeur dans les produits de combustion. 6 1. Pouvoirs Calorifiques d’un Combustible 1.1 - Définition Nous appelons pouvoir calorifique d’un combustible, la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète sous pression atmosphérique normale de 1,013 bars, de l’unité de quantité de ce combustible (1 kg s’il s’agit de bois, 1 m3 s’il s’agit de gaz), le combustible et l’air étant à 0°C et les produits de combustion ramenés à 0°C. L’unité légale de quantité de chaleur est le Joule, mais, pour des raisons d’échelle, l’unité pratique est le kilowattheure. L’unité de masse pour les combustibles liquides et solides est le kg. L’unité de volume pour les combustibles gazeux est le mètre cube qu’il faut considérer dans les conditions normales de température et de pression, soit 0°C et 1,013 bars. 1.2 - Détermination du pouvoir calorifique Du point de vue de la thermodynamique, on peut définir différentes grandeurs du pouvoir calorifique suivant qu’il est défini à volume constant, à pression constante et si l’on tient compte ou non de la chaleur latente de vaporisation de l’eau. 1.2.1 Pouvoir calorifique à volume constant Le pouvoir calorifique Pv d’un combustible B est la grandeur définie par la relation, sous forme massique (ou molaire) : b 0 Rc 0 M v M U U P − = en kg J où : • UM0 énergie interne du mélange initial M, dans les conditions de références P0, T0 (P0 = 1,01325 bars et T0 = 25°C), • URco énergie interne des produits finaux de combustion Rc, résultant d’une combustion complète, dans les même conditions de référence, • Mb masse du combustible B en kg. 7 Détermination expérimentale Le pouvoir calorifique est pratiquement égal à l’énergie chaleur rapportée à l’unité de masse du combustible B, qu’il faut extraire d’un système fermé qui est le siège d’une combustion complète, à volume constant, afin de ramener la température finale des produits de combustion à la température initiale T0 du mélange avant combustion. Le premier principe de la thermodynamique donne : ∆U = ∆W + ∆Q où ∆W représente la variation des forces extérieures (travail) et ∆Q la variation de la quantité de chaleur. Les conditions expérimentales fixent les conditions particulières : • Enceinte indéformable : ∆E = 0, • Etat de repos initial et final : 0,5×∆C2 = 0, • Pas de déplacement vertical : ∆Z = 0. Il n’y a pas de variation de travail, d’où dans ces conditions : Q = U = UM(P0,T0) -URc(PRc,T0) En faisant l’hypothèse que les produits de combustion se comportent comme des gaz semi- parfaits, leur énergie interne est quasiment indépendante de la pression. D’où URc(P0,T0) = URc(PRc,T0) En divisant par la masse de combustible MB, il vient : B 0 Rc 0 M B M U U M Q qv − = = Cette égalité est à la base de la détermination expérimentale des pouvoirs calorifiques à l’aide de la bombe calorifique de Mahler. Le pouvoir calorifique défini par cette dernière expression est indépendant de la forme sous laquelle se présente le comburant (oxygène pur ou air) ainsi que sa quantité, pourvu que cette dernière soit suffisante pour assurer une combustion complète. 8 1.2.2 Pouvoir calorifique à pression constante Le pouvoir calorifique Pp d’un combustible est la grandeur définie par la relation b 0 Rc 0 M p M H H P − = en kg J avec : • HM0 enthalpie du mélange initial M, dans les conditions P0, T0, • HRc0 enthalpie des produits finaux de combustion résultant d’une combustion complète et dans les mêmes conditions de références, • MB masse du combustible. Détermination expérimentale : Le pouvoir calorifique coïncide avec l’énergie chaleur qp qu’il faut extraire (rapportée à l’unité de masse du combustible B), d’un système fermé qui est le siége d’une combustion complète isobare, afin de ramener la température finale des produits de combustion Rc à la température initiale T0 uploads/Politique/ critt-ademe-mesurecombustible-pdf.pdf

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