Caractérisation des émissions produites par la chaudière fonctionnant au bois

Grâce aux efforts faits pour réduire la production des émissions de gaz à effet de serre, l’utilisation de sources d’énergie alternative a augmenté dans les dernières années (Vicente & Alves, 2018). Les énergies renouvelables sont des sources d’énergie dont le renouvelle me nt naturel est assez rapide pour qu’elles puissent être considérées comme inépuisables à l’échelle du temps humain. L’expression « énergie renouvelable » est la forme courte et usuelle pour faire référence aux « sources d’énergie renouvelables » ou aux « énergies d’origine renouvelable » qui sont plus correctes d’un point de vue physique (Bell, 2007).

Les énergies renouvelables représentent environ 13,9% de l’approvisionnement mondia l énergétique en 2017, soit 81,02 EJ (exajoule) (IEA, 2019). En 2017, la biomasse représentait la plus grande part d’EnR dans l’approvisionnement mondial, soit 70 % (55,6 EJ). L’hydroélectricité arrive en deuxième position avec 18 % (14,7 EJ), et ensuite les énergies solaire 3,79% (3,07 EJ), éolienne 5,01% (4,06 EJ) et géothermique 4,43%, (3,59 EJ). Tel que présenté sur la Figure 1-3 ; (IEA, 2019). Parmi les sources d’énergie renouvelable, l’une des plus prometteuses est la biomasse.

La biomasse résulte d’un processus biologique, spontané ou provoqué (R.P. Overend, 1985). La biomasse peut être utilisée pour la production d’énergie par combustion directe ou comme moyen de production d’autres biocombustibles.

La Figure 1-4 montre la consommation mondiale d’énergie renouvelable sur le long terme. Comme observé, la consommation d’énergie renouvelable a été dominée par la biomasse traditionnelle (« traditionnal biofuels ») : la combustion du bois, des matériaux forestiers et des déchets agricoles. Bien qu’elle ait été toujours mise en œuvre à petite échelle pendant des milliers d’années, dans plusieurs pays, la production thermoélectrique a été utilisée à grande échelle grâce au développement du pompage-turbinage à partir des années 1920. Après les années 2000, d’autres sources d’énergie renouvelable se développent à grands pas et l’utilisation de la biomasse traditionnelle finit par céder de la place à des nouvelles ressources.

Aujourd’hui,   les  combustibles   traditionnels   restentlaprincipalesourced’énergie renouvelable, représentant  60% à 70%  du total  consommé dans  le monde.  La biomasse traditionnelle reste la principale  source de combustible pour la cuisine et le chauffage  dans de nombreux  ménages  à faibles  revenus.  La combustion de la biomasse demeure  donc la plus répandue par rapport aux autres techniques,  grâce notamment à son utilisation pour le chauffa ge des bâtiments (Vicente & Alves, 2018). Selon la Banque mondiale, seulement 7 % des ménages à faibles revenus dans le monde ont accès à des combustibles et à des technologies propres pour la cuisine ; en Afrique subsaharienne  la moyenne  est de 13 %, et environ 33% en Asie du Sud (La Banque mondiale,2016).

En 2019, les énergies renouvelables représentent la 4ème source d’énergie primaire en France. Elles représentent 11,7% de la consommation d’énergie primaire, derrière le nucléa ire (40%), les produits pétroliers (28,8%) et le gaz naturel (16%) et devant le charbon (3%) et les déchets non renouvelables (0,8%). Au total, la consommation d’énergie primaire s’est élevée à 2 893 TWh en France en 2019, dont 339 TWh correspondent aux énergies renouvelab les  (Lelynx, 2021). Les principales énergies renouvelables utilisées en France selon Lelynx sont citées ci-dessous.

• La biomasse solide :

La biomasse solide sert principalement à produire de la chaleur, et une partie minime sert à produire de l’électricité. C’est l’énergie renouvelable la plus courante en France dans le secteur résidentiel.

• L’hydraulique renouvelable :

La France compte plus de 2 000 installations hydrauliques, ce qui fait d’elle, avec la Suède, l’un des principaux producteurs d’énergie hydraulique de l’Union Européenne. L’hydraulique représente 51% de la production brute d’électricité renouvelable en France en 2019 dont le plus gros de la production es localisé dans l’est ainsi que dans le sud-est du pays. Malgré sa place privilégiée, l’énergie générée à partir de cette source reste variable suite à sa forte dépendance au débit des cours d’eau, mais surtout à la pluviométrie. En 2019, la production hydraulique a légèrement diminué par rapport à 2018.

• Les biocarburants :

Ils représentent 9,6% de la production d’énergies primaires renouvelables en France. Cela fait des biocarburants la 3ème source renouvelable en France, derrière la biomasse solide et l’hydraulique. A noter que le biodiesel représente 81% de la consommation de biocarburants, contre 19% pour le bioéthanol.

Depuis les années 2000, la production d’électricité éolienne augmente constamment. En 2019, la production brute a atteint les 34,6 TWh, soit une progression de 21% par rapport à 2018. Une hausse qui s’explique par des conditions météorologiques très favorables. La puissance raccordée en 2019 s’établit  à 1,4 GW, un chiffre  en recul par rapport à 2018 (-11%).

Le plus gros de la production se fait dans le nord de la France.

• Le solaire photovoltaïque :

A partir de l’année 2009, la filière  solaire photovoltaïque progresse à vive allure. En 2019, la production  s’est élevée à 11,4 TWh, un chiffre  en hausse de +7,5% par rapport à 2018. La baisse des prix des modules photovoltaïques sur les dernières années peut notamment expliquer cet engouement. Sans énorme surprise, c’est dans le sud-ouest et le sud-est de la France, les zones géographiques qui bénéficient du plus grand ensoleillement, que la production est la plus forte.

• Le solaire thermique :

La filière  du solaire thermique a progressé de 3,4% en 2019 pour atteindre  2,2 TWh. Cette filière est particulièrement développée dans les DOM, et spécifiquement à La Réunion. Le solaire thermique y représente les deux tiers des énergies renouvelables consommées pour produire de la chaleur. En métropole, cette proportion n’est que de 1%.

• La géothermie :

L’énergie géothermique est particulièrement produite en Ile-de-France, en Nouvelle-Aquitaine et dans le bassin rhénan. En 2018, on a enregistré 1,9 TWh de chaleur livrée.

• Les pompes à chaleur :

Le parc de pompes à chaleur installées en France ne cesse de progresser, notamment grâce à la vente d’appareils air-air. En 2019, 34 TWh de chaleur renouvelable ont été produits grâce aux pompes à chaleur, un chiffre en hausse de 12% par rapport à l’année précédente. Selon des chiffres provisoires, 907 000 appareils ont été vendus en 2019. Parmi eux : 728 000 pompes à chaleur air/air, 176 000 air/eau et 2 600 géothermiques.

• Le biogaz et le biométhane :

Le biogaz sert principalement à produire de l’électricité et de la chaleur. Entre 2018 et 2019, l’ensemble de la production d’énergie à partir de biogaz a progressé de 13%, rapporte le ministère de la Transition écologique. En 2019, 1,2 TWh de biométhane obtenu par épuration du biogaz, ont été injectés dans les réseaux de gaz naturel. Cela représente une progression de +70% par rapport à 2018. Fin 2019, on comptait 123 installations dédiées en France, soit une capacité totale de 2,2 TWH/an en service.

La Figure 1-5 montre la proportion de la consommation d’énergie renouvelable en France pour 2020. Le bois-énergie est en diminution par rapport à 2016, passant de 41% à 34% de la production d’énergies renouvelables française, mais toujours devant l’hydraulique (17%) et les biocarburants (12%). Par ailleurs, le solaire photovoltaïque ne représente que 3% et la géothermie moins de 3% (Centre de ressources pour la chaleur renouvelable et l’aménage me nt énergétique de territoires, 2017).

Le terme « biomasse » couvre un large éventail de plantes et de matériaux dérivés, y compris les déchets biodégradables. Etant donné que les compositions chimiques de ces matières premières varient considérablement, le type de technologies de conversion de la biomasse dépend du matériau donné (Hayes, 2013).

L’industrie des combustibles fait souvent référence aux technologies de première ou de deuxième génération. Les combustibles de première génération sont considérés comme ceux qui sont obtenus à partir de cultures et de déchets à base de sucre, d’amidon ou d’huile. À ce jour, la quasi-totalité des combustibles produits commercialement proviennent de ces matières premières (Mohr & Raman, 2013). Les combustibles de deuxième génération sont produits à partir de la conversion de matériaux ligno-cellulosiques, une biomasse qui contient principalement de la cellulose, de l’hémicellulose et de la lignine. Par rapport aux carburants de première génération, les combustibles de deuxième génération présentent un avantage car ils permettent d’éviter d’entrer en concurrence avec d’autres besoins fondamentaux de l’huma nité tels que la nourriture. Cette catégorie comprend également les déchets de bois et les déchets provenant d’activités liées à l’agriculture.

Une bonne partie de cette thèse se concentre sur la biomasse de bois. Ceci est dû au fait que la biomasse de bois est la plus commercialisée et la plus référencée actuellement. Il a donc été décidé de commencer l’étude par celle-ci.

Le bois contient deux composants chimiques majeurs : la lignine (18 à 35 %) et les glucides (65 à 75 %). La partie glucidique du bois contient de la cellulose dont la teneur varie de 40 à 50 %, et des hémicelluloses dont la teneur se situe entre 25 et 35 % (Pettersen, 1984).

On s’accorde généralement à dire que la biomasse est une ressource renouvelab le. Toutefois, cela n’est pas tout à fait exact. Certains problèmes environnementaux non résolus peuvent se présenter pendant la plantation, la culture, la récolte, le transport et l’utilisation des combustibles de la biomasse, sans compter l’impact associé aux déchets issue de son utilisatio n. Ceci est mis en évidence en réalisant une Analyse du Cycle de Vie (ACV) de cette biomasse. L’ACV est une méthode normalisée d’analyse environnementale qui prend en compte l’ensemble des étapes de la vie d’un produit depuis l’extraction des matières premières, leur s transformations pour la production jusqu’à sa consommation. (Khila, 2018).

La biomasse continue d’être la plus importante des énergies considérées comme renouvelables. Celle-ci peut être convertie en énergie utile (chaleur ou électricité) ou en vecteurs énergétiques (comparable à du charbon, du pétrole ou du gaz) par des technologies de conversion thermochimique et biochimique. Les technologies de conversion biochimique (qui font intervenir avec des réactions chimiques qui se déroulent au sein de micro–organismes et notamment dans les cellules) comprennent la fermentation pour la production d’alcool et la digestion anaérobique pour la production de gaz enrichi en méthane. Dans la Figure 1-6 une liste non exhaustive de différentes façons de convertir la biomasse en énergie est présentée (van Loo & Koppejan, 2007). Par la suite, une attention particulière sera portée sur la conversion thermochimique de la biomasse car elle est le sujet principal de cette thèse.

La combustion de la biomasse peut être réalisée à plusieurs échelles, des chaudières domestiques aux grandes installations industrielles. Cette thèse se concentre sur les applicatio ns domestiques, néanmoins, les résultats obtenus sur certains phénomènes de la combustio n peuvent être extrapolés à d’autres applications, en particulier lors de l’utilisation de la biomasse déchiquetée.
Le choix et la conception de tout système de combustion de la biomasse sont principalement déterminés par :
• Les caractéristiques du combustible à utiliser.
• La législation environnementale.
• Les coûts et les performances des équipements nécessaires ou disponibles.
• L’énergie produite (chaleur, électricité).
La technologie de combustion est choisie pour s’adapter aux caractéristiques du combustible afin de répondre aux exigences technologiques et écologiques. L’ensemble des technologies peut donc varier d’un cas à l’autre, mais généralement, les choix sont guidés par des effets d’économie d’échelle liés à la complexité du système d’alimentation en combustib le,   à la technologie de combustion et au système d’épuration des fumées. Les informations trouvées dans les sections suivantes sont majoritairement tirées du travail de (van Loo & Koppejan, 2007) et (Strehler, 2000). Les références ne seront plus citées pour chaque information discutée par souci de simplicité. Les systèmes à grande échelle utilisent habituellement des combustibles de faible qualité (haute teneur en humidité, taille des particules et comportement de fusion des cendres non homogènes), tandis que des combustibles de haute qualité sont nécessaires pour les systèmes à petite échelle, en raison des exigences élevées en matière de rendement imposées par les normes et des éventuels problèmes mécaniques et de combustion que certains combustibles de basse qualité pourraient causer.
Dans ce contexte, les technologies de combustion pour les applications à grande échelle, présentent des similitudes avec les systèmes de combustion des déchets. De plus, lorsque des combustibles de biomasse naturelle non traités chimiquement sont utilisés, les technologies d’épuration des gaz de combustion nécessaires sont moins complexes et donc moins coûteuses. Malgré cet avantage, les anciennes technologies de combustion se sont révélées incapables de traiter efficacement les combustibles de biomasse non-homogènes, et des problèmes concernant les émissions et la sécurité ont surgi. De nouvelles technologies de préparation des combustibles, de combustion et d’épuration des gaz de combustion ont été développées. Elles s’avèrent plus efficaces, plus propres et plus rentables que les systèmes précédents et peuvent être utilisées pour une alimentation multicombustible. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour les applications de combustion de la biomasse dans des conditions qui étaient auparavant trop coûteuses ou inadaptées, augmentant la compétitivité de ces systèmes et la disponibilité des installations sur le marché.
Le développement de technologies plus performantes n’a pas échappé au secteur résidentiel. Au fil du temps, à mesure que l’utilisation de la biomasse pour chauffer les maisons augmentait, les appareils ont évolué et se sont améliorés. Ainsi, la cheminée ouverte utilisée depuis des années a été remplacée par des appareils de plus en plus sophistiqués : poêles (plus ou moins perfectionnés, à bois ou à granulés), foyers fermés, fours, chaudières à bois et, depuis quelques décennies, chaudières à granulés ou à copeaux de bois.
Aujourd’hui, il est connu que le rendement des cheminées est faible (environ 10%) et leur utilisation comme moyen de chauffage domestique n’est plus très populaire, elles ne servent plus que comme objet décoratif et convivial.
Une description plus détaillée des équipements les plus répandus sera réalisée par la suite. La chaudière étant l’équipement choisi pour ce travail expérimental, elle sera bien évideme nt détaillée. Mais des informations sur d’autres technologies seront également fournies car la majorité des valeurs obtenues dans ce mémoire seront comparées à d’autres résultats issus de travaux utilisant aussi des granulés mais avec des installations un peu différentes. D’où la nécessité de comprendre la différence entre chacun d’eux.

Poêles à accumulation de chaleur
Les poêles à accumulation de chaleur lourds sont construits à partir de plaques de pierres lourdes. Par exemple, la pierre ollaire (« speckstein » en allemand) est connue pour sa capacité à résister aux flammes directes et à conserver la chaleur. Pendant la combustion, le bois est brûlé à un taux de combustion élevé. Une fois le feu éteint, le poêle continue à diffuser la chaleur accumulée dans la pièce pendant un temps considérable (1 à 2 jours). Les poêles finlandais en stéatite ont généralement une masse considérablement élevée d’entre 700 kg à 3000 kg, et parfois plus encore. Ils peuvent donc stocker beaucoup d’énergie qui est ensuite lenteme nt libérée dans l’espace environnant.
Chaudières à bûches
Il existe de nombreux modèles de chaudières à bûches, qui peuvent être classées en trois catégories en fonction du type de combustion, c’est-à-dire du parcours des gaz dans la chambre de combustion. Pour celles de combustion montante (ou directe), l’air primaire est injecté sous le bois, l’air secondaire au-dessus et le flux d’extraction d’air est naturel (pas d’extracteur ou de ventilateur). Une deuxième classification sont les chaudières à combustion horizontale (ou semi-inversée) où l’air primaire est injecté par le bas du bois, seule la partie en bas de l’empilement de biomasse brûle. Une chambre de combustion séparée pour les gaz (avec air secondaire) est donc placée sur le côté du foyer. Le tirage des fumées quant à lui est souvent naturel mais peut être forcé. Enfin, pour ceux avec une combustion inversée (ou descendante) l’air primaire est injecté en haut de la chambre de combustion et descend à travers le bois reposant sur une grille ; sous cette grille se trouve une chambre de combustion des gaz (air secondaire). Le tirage peut être naturel mais il est le plus souvent forcé par un ventilateur, ce qui permet également un meilleur contrôle de la combustion, on parle alors de chaudière turbo.
Les chaudières à tirage naturel sont régulées par l’apport d’air primaire : un volet commandé par un thermostat contrôle la quantité d’air primaire injectée dans la chaudière (l’air secondaire étant fixé à l’installation). Lorsque la demande d’énergie augmente (température inférieure à la température de consigne), le volet est ouvert, introduisant une quantité suffis a nte d’air primaire pour avoir une combustion importante. Lorsque la température de consigne est atteinte, le volet se ferme limitant la combustion. Dans les chaudières de type turbo, le ventilateur permet une régulation en fonction de la demande d’énergie.
Chaudières à surchauffe « Over-fire boilers ».
Les chaudières à surchauffe sont les chaudières domestiques les plus simples et les moins chères pour la combustion de bûches de bois. Dans ces chaudières, la combustion se produit dans tout le lot de combustible plus ou moins en même temps, comme dans les poêles à bois. La chaudière est habituellement équipée d’une entrée d’air primaire sous la grille et d’une entrée d’air secondaire au-dessus du lot de combustible, dans la chambre de combustion (des gaz). Le bois est introduit par la porte supérieure et les cendres sont évacuées par la porte inférieure.
Ces chaudières utilisent le tirage naturel. Les émissions d’hydrocarbures non brûlés des chaudières à surchauffe peuvent être élevées si elles fonctionnent à faible taux de combustio n, ce qui est souvent le cas, notamment au printemps et en automne. Une combustion optimale pour l’environnement ne peut être obtenue que si la chaudière fonctionne au rendement thermique nominal. Dans les pays scandinaves, les chaudières à surchauffe sont générale me nt raccordées à un réservoir de stockage d’eau d’un volume de 1 à 5 m3. Ainsi, l’eau chaude sanitaire est produite par un échangeur de chaleur dans le réservoir de stockage. Dans de nombreux pays européens, les chaudières à surchauffe sont également utilisées avec des réservoirs de stockage de chaleur permettant d’allumer la chaudière à la puissance thermiq ue nominale afin de minimiser les émissions.
Chaudière à tirage descendant « Down-draught boilers »
Les dernières innovations dans le secteur de la combustion des bûches de bois sont les chaudières à tirage descendant. Les gaz de combustion sont forcés à s’écouler vers le bas à travers des trous dans une grille en céramique. L’air de combustion secondaire est introduit dans la grille ou dans la chambre de combustion secondaire, qui est habituellement isolée par de la céramique. La combustion finale a lieu à des températures élevées. Etant donné que la résistance à l’écoulement des gaz de combustion est assez élevée, un ventilateur d’air de combustion ou un ventilateur de gaz de combustion est nécessaire. Ce ventilateur permet également une introduction et distribution précises de l’air de combustion primaire et secondaire dans la chambre de combustion.
Des limites d’émission très strictes dans certains pays ont rendu nécessaire l’introduc tio n de chaudières à tirage descendant. D’autres nouveautés incluent des dispositifs avancés de contrôle de la combustion. C’est le cas des sondes de contrôle lambda pour mesurer la concentration en oxygène des gaz de combustion, permettant un contrôle précis de l’air de combustion et une combustion par étapes. En raison de leur technologie plus avancée, les chaudières à tirage vers le bas sont plus coûteuses que les chaudières simples à tirage vers le haut ou même que les chaudières à surchauffe.

Depuis plusieurs années, de nombreux travaux sont réalisés pour développer des méthodes permettant de réduire les émissions polluantes. Pour ce faire, deux grandes techniques sont utilisées :
– Techniques primaires : il s’agit de réduire les émissions en améliorant la combustio n. Pour réaliser les techniques primaires, on agit sur les caractéristiques de l’appareil de combustion (matériaux de fabrication par exemple) et sur les réglages en se basant sur la règle des 4T, (température, teneur en oxygène, turbulence, temps de séjour). Il faut assurer une teneur optimale de l’air par rapport au combustible, maintenir la température de combustion approprié à chaque combustible, assurer un bon mélange air-combustible ce qui nécessite une turbulence de l’air et assurer le temps de combustion de façon à ce que celle-ci s’opère entièrement dans le foyer (volume et forme de la chambre de combustion, nombre et répartition des arrivées d’air, chargement, tirage).
– Techniques secondaires : il s’agit de mettre en place des systèmes de traitement des fumées à la sortie de l’appareil. Des dispositifs particuliers doivent être développés en fonction de la nature du polluant à traiter.
Dans les techniques de réductions secondaires, de nombreuses méthodes de filtration des fumées existent :
– Système de traitement des émissions de CO et de COV : utilisation de catalyseurs (souvent plus efficace pour les émissions de CO que pour celles de COV)
– Systèmes de traitement des émissions de NOx : utilisation de la réduction sélective non catalytique (SNCR) et de la réduction sélective catalytique (SCR), mais inapplicable dans le secteur domestique
– Systèmes de traitement des particules : il en existe de nombreux types. Ils sont caractérisés par trois éléments principaux : 1-la fraction granulométrique limite d’efficacité : il s’agit de la taille la plus fine des particules filtrées ; 2-l’encombrement, l’emplacement et le coût ; 3 – la technologie utilisée.
Une réduction primaire consiste finalement à améliorer la combustion pour rendre l’appareil plus performant. Cela entraîne une augmentation du prix des appareils de chauffage. Cette augmentation reste minime face au tarif des dispositifs de traitement secondaire et le coût de leur entretien.

Le terme « aérosol » désigne la suspension de particules liquides ou solides dans un milie u gazeux. Le terme a été créé comme l’analogue en phase gazeuse des hydrosols (signifia nt « particule d’eau » en grec) et fait référence à la suspension de particules dans un liquide ( (Kulkarni, Baron, & Willeke, 1993). Il est convenu maintenant dans la communauté scientif iq ue que les aérosols peuvent être modélisés par un système triphasique : liquide, solide et gaz. En effet, il y a beaucoup d’échanges entre les différentes phases en fonction des conditions de formation, conditions de prélèvements et conditions atmosphériques. En 2007, le GIEC (Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat, IPCC, créé en 1988 par l’Organisation Météorologique Mondial et le Programme des Nations Unies pour l’Environnement) publie un rapport sur les effets néfastes des particules sur la santé et l’environnement. La combustion de la biomasse est un des plus grands contributeurs à la concentration massique d’aérosols au niveau global (Levin, et al., 2010). Les aérosols émis par la combustion de la biomasse ont un effet significatif sur le bilan radiatif de la terre. La composante en carbone noir (BC), qui absorbe fortement les radiations solaires visib les, pourrait être un important facteur de réchauffement de la planète dans les périodes de forçage direct. Les substances nocives de la fumée de combustion de la biomasse (HAP, Particules solides, S, CL, parmi d’autres) augmentent le taux de mortalité des humains, il est donc essentiel d’acquérir une connaissance détaillée des aérosols émis par la combustion de la biomasse solide (Shi, et al., 2019).
Dans le cadre de la qualité de l’air, ces particules sont souvent classées en fonction de leur « diamètre aérodynamique », qui correspond au diamètre moyen d’une sphère qui posséderait des propriétés aérodynamiques équivalentes. L’appellation « PM10 » désigne les particules dont le diamètre est inférieur à 10 µm. Le diamètre des particules fines PM2.5 et PM1 sont inférieurs respectivement à 2,5 et à 1 µm. Les effets néfastes sur la santé de l’expositio n aux particules ont été décrits dans de nombreuses études épidémiologiques. Les études, les plus anciennes se sont concentrées sur les PM10. Au cours de la dernière décennie, l’accent a de plus en plus été mis sur les PM2, 5, et le terme « particules fines » a été limitée à cette fraction de taille. Actuellement, les particules ultrafines (UF, PM0.1) sont également considérées importantes. Cependant pour ces dernières, une caractérisation plus fine serait l’estimation du nombre de particules plutôt que leur masse, en raison de l’effet important de ces petites particules sur la santé (Englert, 2004).
Emission des particules
Les particules sont émises dans l’atmosphère par des phénomènes naturels (soulèveme nts de poussière, incendie), ou des phénomènes anthropiques (agriculture, transport, chauffa ge). (Seinfield & Spyros, 1997) décrivent trois types de particules :
– Le type grossier : Particules de taille supérieure à 1 µm venant majoritairement de processus mécaniques (soulèvements de poussières désertiques, industrielles ou volcaniques).
– Le type accumulation : Particules de taille entre 0,1 et 1 µm venant de coagulation de particules du type fin.
– Le type fin : Particules de taille inférieure à 0,1 µm formées majoritairement par nucléation.
Les particules peuvent être classées en tant que particules primaires, qui sont les particule s directement rejetées dans l’atmosphère, et les matières particulaires secondaires (MPS) qui sont constituées de particules formées chimiquement dans l’atmosphère ou simplement ajoutées à d’autres particules formées (Bigg, 1997).
De nombreuses études épidémiologiques ont montré une corrélation entre les effets négatifs sur la santé et l’augmentation des concentrations de particules dans l’air ambiant (Englert, 2004). En raison de cette corrélation et de l’utilisation croissante de la combustion de la biomasse, l’émission de particules provenant de la combustion de la biomasse, en particulier celle des particules ultrafines, doit être étudiée en détail. Les travaux actuels se limitent à la combustion primaire et aux particules émises par les systèmes de chauffage (Johansson, Tullin, Leckner, & Sjövall, 2003). Il existe trois sources principales de particules provenant de la combustion de la biomasse:
1. Les particules provenant d’une combustion incomplète, la suie.
2. Les particules organiques condensables (goudron)
3. Les particules de cendres, dont la matière est inorganique.
La formation de particules dépend des conditions de combustion et de l’excès d’air (Gaegau, 2001). Chaque type de particule a un mécanisme de formation différent. La suie et les particules organiques sont formées par une combustion incomplète dans la zone de flamme, alors que les particules de cendres ont leur origine dans des éléments initiaux (Na, K, …), présents de la biomasse (Sippula, 2010).
Les particules de suies
Ces particules représentent un mélange complexe de carbone élémentaire amorphe (composant principal) et d’autres matières organiques. Le processus de formation des suies dans les flammes est le même pour la combustion des hydrocarbures légers et les vapeurs de pyrolyse de la biomasse (Fitzpatrick, et al., 2008). Les suies résultent de la formation des premiers anneaux aromatiques qui formeront des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). L’étape suivante est la naissance d’un noyau de particule (inferieur à quelques nanomètres) dont la croissance par ajout d’acétylène ou d’autres molécules gazeuses conduit à formatio n finale de la particule de suie. Il existe deux voies de formation de la suie (Wiinikka & Gebart, 2005):
• A basse température, les hydrocarbures aromatiques produisent directement de la suie en se transformant en une structure semblable au graphite
• A des températures plus élevées, les hydrocarbures aliphatiques et aromatiques se fragmentent d’abord, puis les fragments se polymérisent pour former des molécules plus grandes, formant ainsi la suie.
Ensuite, les particules grossissent par des réactions de surface, la coagulation et l’agglomération (Tissari, et al., 2008). Le processus de formation dépend principalement du combustible, des conditions de combustion et du type de flamme. Dans les unités de combustio n de la biomasse à l’échelle industrielle, les quantités de suie dans les émissions sont générale me nt négligeables, alors que dans les unités de combustion à petite échelle, la suie peut être une fraction importante des émissions de particules fines. Dans le système utilisé pour cette thèse (une chaudière à pellets) les émissions de suies sont aussi négligeables (Boman, Nordin, Boström, & Öhman, 2004).