Chaudières à grille optimisées pour combustibles ligneux

En utilisation stationnaire, les systèmes à grille actuels atteignent avec un combustible adéquat une bonne qualité de combustion. Pour augmenter le recours à l’énergie-bois, on fait néanmoins de plus en plus souvent appel à des assortiments de combustibles à teneur élevée en cendres et d’une humidité variable qui non seulement altèrent la qualité de combustion mais libèrent aussi des quantités élevées d’oxydes d’azote (NOX) et des particules fines. Ces deux paramètres dépendent en effet de la teneur en eau et en cendres des combustibles, de leur fragmentation et du taux de remplissage des installations. Dans le cadre du projet, les chercheurs ont optimisé la conception et le fonctionnement de la grille pour obtenir une haute qualité de combustion, y compris à charges partielles et avec des assortiments de combustibles de moindre qualité, tout en limitant les émissions d’oxydes d’azote.

Dans le paysage suisse de l’énergie, la part du bois énergie peut être accrue par l’utilisation d’assortiments de bois de faible qualité. Il est néanmoins indispensable que le recours à ces combustibles – caractérisés par une teneur élevée en cendres et en eau et libérant d’importantes quantités d’oxydes d’azote – produise le moins d’émissions nocives possible. Par ailleurs, en présence de combustibles aux propriétés variables, il est essentiel de pouvoir disposer d’un fonctionnement flexible des installations. Les chaudières à grille actuelles génèrent des émissions relativement élevées d’oxydes d’azote. En outre, à charge partielle ou en présence de combustibles de nature hétérogène, la combustion peut s’avérer incomplète, ce qui augmente les rejets de monoxyde de carbone, de composés organiques et de particules de suie.

Le projet était axé sur l’élaboration d’une chaudière à grille mobile munie d’une zone de postcombustion modulaire et d’une commande séparée des différents secteurs. L’objectif consistait à obtenir un lit de combustible homogène ne présentant idéalement ni chutes ponctuelles de température, ni concentrations localisées de substances nocives. A cette fin, les chercheurs ont eu recours à un étagement de l’air «Low-NOX» combiné à une combustion optimisée des substances solides sur la grille. En parallèle, ils ont simulé la combustion dans un modèle bipartite tenant compte, d’une part, de la transformation de la substance solide sur la grille et, d’autre part, des réactions des phases gazeuses dans la chambre de combustion.

L’amélioration des techniques de chauffage à grille permet d’employer des combustibles biogènes de qualité inférieure, et ce en dégageant de faibles quantités de substances nocives, augmentant ainsi la part des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie globale. En même temps, les installations optimisées dans le cadre de ce projet et les méthodes de conception innovantes pourront contribuer à l’avancée technologique des secteurs industriels impliqués et à assurer ainsi le maintien des emplois en Suisse.

Dans le cadre de ce projet, les chercheurs ont mis au point un modèle de grille pour combustibles issus de la biomasse et en ont optimisé la géométrie et les paramètres de fonctionnement. Un prototype semi-industriel a également été réalisé et testé. Cette grille multizone permet la combustion quasi complète des produits ligneux de qualité inférieure avec un excellent rendement. En outre, le modèle conserve ses pleines fonctionnalités, y compris avec une charge partielle de 30%. Ces excellents résultats sont dus dans une large mesure à l’optimisation de l’alimentation en air, qui offre une possibilité de régulation ciblée en fonction des besoins dans les différentes zones de la grille.

Clean technologies for wood combustion from 500 kW to 50 MW