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En partenariat avec Biomasse et qualité de l’air 24 mai 2011 Les différents systèmes de traitement des fumées, avantages et inconvénients, évolution technologique attendue. Ludovic DUSCH SA COMPTE R

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Page 1: En partenariat avec Biomasse et qualité de lair 24 mai 2011 Les différents systèmes de traitement des fumées, avantages et inconvénients, évolution technologique

En partenariat avec Biomasse et qualité de l’air24 mai 2011

Les différents systèmes de traitement des fumées, avantages

et inconvénients, évolution technologique attendue.

Ludovic DUSCHSA COMPTE R

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En partenariat avec Biomasse et qualité de l’air24 mai 2011

Les polluants concernés Les fumées et leurs constituants principaux :

La combustion de la biomasse est une réaction d’oxydation qui génère de la chaleur et des gaz principalement neutres (CO2, H20, N2, O2) contenant des polluants gazeux et particulaires variés dans des proportions plus ou moins fortes selon :

La nature du combustible

Le type de technologie de combustion

Les conditions d’utilisation de la chaudière Les polluants gazeux

Ils dépendent pour beaucoup des conditions de combustion et de la bonne adéquation entre le combustible et la technologie de combustion.

Les conditions d’exploitation restent aussi essentielles. Les poussières

Particules solides en suspension elles contiennent des imbrulés, des composées organiques. Même si leur proportion est directement liée à la nature du combustible et à la technologie de combustion leur captation passe obligatoirement par l’installation de dispositifs en aval de la chaudière.

Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

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La Réduction des polluants gazeux : Des mesures essentiellement primaires Une chaudière adaptée au combustible et vice versa

L’humidité du combustible est un paramètre important. Si certaines petites chaudières sont plus performantes avec des combustibles secs (humidité < 30 %) , les constructeurs préfèrent des produits plus humides (30 % < humidité < 50 %) pour les chaudières de grosse puissance.

Des conditions d’exploitation maitrisées

Bien adapter la puissance de la chaudière aux besoins réels du réseau et ne pas sur-dimensionner les installations. Respecter les conditions minimales d’utilisation des chaudières

La technologie de combustion complète et maitrisée

Etanchéité et régularité de l’introduction de combustible.

Privilégier la combustion sur grille automatique et la séparation des admissions d’air primaire.

Etagement des injections d’air secondaire et réinjection de fumées en mélange.

Chambres de combustion chaudes et superposées permettant d’augmenter la turbulence et le temps de séjour des gaz à haute température.

Contrôle des paramètres de combustion, optimisation et maitrise de la régulation combustion.

Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

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Coupe chaudière eau chaude avec foyer à grille et étagement d’air

AIR PRIMAIRE

INTRODUCTION

AIR SECONDAIRE ET RECYCLAGE FUMEES

GRILLE AUTOMATIQUE

Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

La Réduction des poussières : Des mesures en aval de la chaudière

La teneur en poussières en sortie de la chaudière va varier dans une fourchette de 500 à 1000 mg/Nm3 selon la nature du combustible (taux de cendres, proportion de fines), et les conditions de combustion (allure de marche). La taille des particules est très variable avec des cendres volantes grossières faciles à capter et des particules beaucoup plus fines

Toute chaudière d’une puissance supérieure à 300 kW est généralement équipé d’un dépoussiéreur type multi-cyclones qui permet de garantir une valeur limite en poussières de 150 mg/Nm3 (valeur maximale pour les installation de moins de 4 mW de puissance entrante – 3,4 mW en correspondance puissance utile).

Pour obtenir des concentrations plus faibles il sera nécessaire de rajouter un filtre complémentaire principalement du type eléctrofiltre ou filtre à manches qui permettra d’atteindre selon la technologie et son dimensionnement des valeurs inférieures aux différents seuils réglementaires de 100, 50, 30 et même 10 mg/Nm3

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

Le dépoussiéreur multi-cyclones :

Principe de fonctionnement :Il est composé d’une batterie de cyclones de petit diamètre assurant une séparation centrifuge

des poussières qui sont récupérées dans la partie basse de l’appareil alors que les fumées dépoussiérées repartent vers le haut.

Une solution simple, souvent directement intégrée à la chaudière. PerformancesPermet de garantir dans des conditions normale d’exploitation une valeur maximale en

poussières de 150 mg/Nm3 (Il convient pour les chaudières de moins de 4 mW)Dans certaines conditions très strictes (combustibles normalisés) il est possible de garantir une

valeur maximale de 100 mg/Nm3 mais cela reste exceptionnel.Son efficacité dépend de la taille des particules, il est peu efficace sur les particules de moins de

10 microns AvantagesSon coût représente moins de 5 % du montant des équipements chaudière bois et ses annexesSa simplicité et son coût d’exploitation quasiment nul InconvénientsPerformance limitée

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

PRINCIPE CYCLONE TANGENTIEL

Le dépoussiéreur multicyclones Performances

VLE en poussières de 150 mg/Nm3 - Il convient pour les chaudières de moins de 4 mWVLE en poussières de 100 mg/Nm3 dans certaines conditions très strictes - Combustibles normalisésUne efficacité qui dépend de la taille des particules

AvantagesSon coût - < 5 % du montant des équipements chaudière bois et ses annexesSa simplicité et son coût d’exploitation quasiment nul

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

Source COMPTE R

Dépoussiéreur multi-cyclones directement accolé à la chaudière (exemple 2500 kW)

Cendrier sous foyer avec évacuateur à chaînes

Caisson avec cyclones

Trémie de réception des poussières

Ventilateur d’extraction

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

L’électrofiltre : Principe de fonctionnement :

Il est composé d’un caisson métallique de grande dimension dans lequel les gaz circulent à faible vitesse entre des plaques métalliques verticales reliées à la masse.

Entre ces plaques sont suspendues des électrodes filiformes connectées à une source de courant haute tension. Les particules de poussières et les molécules gazeuses pénétrant dans le champ sont chargées électriquement et entrainées vers les plaques où elles s’accumulent.

Un frappage automatique et régulier des plaques et des électrodes permet de décoller les poussières pour les récupérer dans la trémie inférieure du filtre.

Pour éviter les risques de colmatage la trémie et l’ensemble du dispositif d’évacuation doivent être parfaitement bien calorifugés et équipés d’un dispositif de chauffage par cordons électriques.

Coûts :

Pour des puissances de 0,5 à 1mW – 40 à 60 % du montant chaudière et de ses annexes

Pour des puissances de 2 à 4 mW - 30 à 40 % du montant chaudière et de ses annexes

Pour des puissances de 4 à 8 mW – 20 à 30 % du montant chaudière et de ses annexes

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Source BETH Filter

Entrée gaz Sortie gaz

Récupération poussières

L’ électrofiltre

Groupe haute tension

Trémie de réception des poussières

Zone de filtration

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L‘électrofiltre :

PerformancesSes performances dépendent de la concentration en poussières dans le flux entrant, c’est la raison pour laquelle le multi-cyclones est généralement conservé en amont d’un électrofiltre pour garantir une concentration connue en entrée et limiter sa taille . Il doit être dimensionné dès la conception, pour la valeur de garantie souhaitée en sortie.Les valeurs de rejets garanties avec un électrofiltre sont couramment inférieures à 100, 50 ou 30 mg/Nm3 (à 11 % d’02).Il est possible de garantir des valeurs inférieures mais pour des surcouts importants

AvantagesInsensible aux escarbilles, aux trop hautes et trop basses températures (condensation) Robustesse et durée de vie - Faible coût d’exploitationFaible perte charge ne nécessitant pas de by-pass Peu s’adapter sur toutes puissances dés 300 Kw

InconvénientsSon encombrement – Installation intérieure pour limiter les nuisances sonoresLa spécificité des opérations d’entretien due à la présence de haute tension

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

Source COMPTE R

L’électrofiltre

L’électrofiltre

La benne à suies

Performances

VLE en poussières de 100, 50, ou 30 mg/Nm3 (à 11 % d’02).

Avantages

Insensible aux escarbilles, aux trop hautes et trop basses températures

Robustesse et durée de vie - Faible coût d’exploitation

Faible perte charge ne nécessitant pas de by-pass

Peu s’adapter sur toutes puissances dés 300 kW

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

Le filtre à manches : Principe de fonctionnement :

Il est composé d’un caisson métallique dans lequel sont disposées des manches ou poches filtrantes qui lorsque elles sont traversées par les gaz vont retenir les poussières.

Une injection régulière d’air comprimé dans les manches permet de décoller le gâteau de poussières pour le récupérer dans la trémie inférieure du filtre

La nature des manches dépend de la température des fumées et de leur composition chimique

Il est impérativement équipé d’un ensemble de by-pass en cas de détection de température anormale

Comme pour l’électrofiltre, la trémie et l’ensemble du dispositif d’évacuation doivent être parfaitement bien calorifugés et équipés d’un dispositif de chauffage par cordons électriques.

Coûts :

Pour des puissances de 0,5 à 1mW – 50 à 60 % du montant chaudière et de ses annexes

Pour des puissances de 2 à 4 mW - 30 à 40 % du montant chaudière et de ses annexes

Pour des puissances de 4 à 8 mW – 15 à 25 % du montant chaudière et de ses annexes

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Source TECFIDIS

Entrée des Gaz

Sortie des

Gaz

Récupération

poussières

Filtre à manches

Manches filtrantes

Différents types de dé-colmatage

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

Le filtre à manche : PerformancesSes performances sont indépendantes de la concentration en poussières dans le flux entrant,

malgré cela le multi-cyclones est conservé en amont d’un filtre à manches pour capter les éventuelles escarbilles.

Les valeurs de rejets garanties avec un filtre à manches sont couramment inférieures à 20 ou même 10 mg/Nm3 (à 11 % d’02).

AvantagesPerformance élevée quelque soit la concentration en entrée ce qui en fait un choix

incontournable pour les biomasses à fortes émissions particulairesEncombrement moindre qu’un électrofiltre - Peut s’adapter sur toutes puissances dés 300 kWMontant fortement dépendant de la température des fumées et donc devient très concurrentiel

en cas d’installation après un économiseurSimplicité des opérations d’exploitation (hors remplacement périodique des manches) InconvénientsSa sensibilité aux escarbilles, points chauds et froids des fumées, attaques chimiquesSa forte perte de charge nécessitant d’augmenter sensiblement la puissance du ventilateur

d’extractionLa consommation d’air comprimé constante quelle que soit la taille du filtreSes coûts d’exploitation (les manches représentent 30 % du prix du filtre) et doivent être

remplacées toutes les 20000 à 25000 heures soit tous les 4 à 5 ans

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Source LUHR Filter

Le filtre à manches

By-pass avecRegistres de sécurité

Caisson avec manches filtrantes

PerformancesVLE en poussières de 20, 10 mg/Nm3 (à 11 % d’02).

Avantages

Performance élevée quelque soit la concentration en entrée

Encombrement moindre qu’un éléctrofiltre

Simplicité des opérations d’exploitation (hors remplacement périodique des manches)

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

Les condenseurs : Principe de fonctionnement :

Les fumées traversent une ou plusieurs chambres où elles sont soumises à une pulvérisation de gouttelettes d’eau froide.

Sous l’action de ce refroidissement, la vapeur d’eau contenue dans les fumées se condense en libérant une quantité importante d’énergie.

Cet échange permet de récupérer une quantité importante d’énergie et aussi de capter une partie des particules contenues dans les fumées.

L’eau réchauffée et chargée passe dans un échangeur de chaleur installé sur les retours froids du réseau où elle cède ainsi son énergie avant de passer dans un dispositif de traitement ce qui lui permet de travailler en circuit fermé. Au niveau du circuit de traitement seule la fraction des condensats est régulièrement évacuée.

Il est cependant préférable d’installer ce dispositif après un premier dépoussiérage pour limiter la partie traitement des eaux.

Coûts :

Ces dispositifs présentent des investissements très différents selon les techniques employées (échange direct ou indirect, traitement d’eau incorporé ou non, présence d’un filtre en amont). Plutôt développés pour les fortes puissances dans les pays du nord de l’Europe ou l’Autriche, des solutions plus économiques sont en cours de mise au point pour les petites et moyennes puissances.

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Le condenseur

Entrée gaz

Sortie gaz

Source Svensk Rökgasenergi

Caissons de pulvérisation

Traitement d’eau

Echangeur

Rejets à l’égout

Réseau de chaleur à retours froids < 40°C

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

Le condenseur

PerformancesLe dispositif permet selon la nature des poussières en entrée de l’appareil

d’atteindre des concentrations comprises en 50 et 100 mg/Nm3 (à 11% d’02).

AvantagesCombinaison récupération d’énergie et dépoussiérage

InconvénientsSon coût très différent selon les techniques et la taille des installationsLa nécessité d’avoir un combustible humide (humidité sur brut > 45 %) et des

retours de réseau froids < 40 %.Le traitement des eaux

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Bois-énergie : Quel impact sur la qualité de l’air

Source Svensk Rökgasenergi

CondenseurEntrée gaz

Sortie gaz

Echangeur

Refroidissement