Dans une chaudière à gazéification (ou « gazogène »), ce n'est pas la bûche qui brûle : c'est le gaz de gazéification du bois qu'elle libère sous l'effet de la chaleur. Ce gaz est un mélange de monoxyde de carbone, d'hydrogène, de méthane, de dioxyde de carbone et d'azote, brûlé dans une chambre séparée à plus de 1 000 °C. Sa composition et son pouvoir calorifique expliquent la conception de ces chaudières, et aussi pourquoi un bois humide les pénalise autant.
Du bois au gaz : les étapes de la transformation
Sous l'effet de la chaleur et d'un apport d'air limité, le bois passe par plusieurs étapes successives. Le détail des phases est décrit dans notre article sur la combustion du bois ; en résumé :
- Séchage (100-200 °C) : l'eau contenue dans le bois s'évapore, ce qui consomme de l'énergie.
- Pyrolyse (200-600 °C) : cellulose, hémicellulose et lignine se décomposent sans flamme et libèrent des gaz et des vapeurs.
- Charbon de bois (600-900 °C) : il reste du carbone fixe, oxydé par l'air primaire.
- Combustion du gaz : le gaz est mélangé à l'air secondaire et brûle dans la chambre de combustion.
Le bois est composé à environ 51 % de carbone, 42 % d'oxygène et 6,3 % d'hydrogène, avec très peu d'azote (0,1 %), de soufre et de chlore. Il contient aussi des minéraux (calcium, potassium, phosphore, fer…) qui finissent en cendres. Ces proportions déterminent la nature des gaz formés (données Propellet pour les granulés ; le bois bûche est très proche).
Composition du gaz de gazéification du bois
La composition varie avec le type de réacteur, l'humidité du bois et la quantité d'air. Pour une gazéification à l'air, les fourchettes publiées pour un réacteur à lit fixe sont les suivantes :
| Composant du gaz | Lit fixe co-courant (% volume) | Lit fixe contre-courant (% volume) |
|---|---|---|
| Hydrogène (H₂) | 15 à 21 | 10 à 14 |
| Monoxyde de carbone (CO) | 10 à 22 | 15 à 20 |
| Dioxyde de carbone (CO₂) | 11 à 13 | 8 à 10 |
| Méthane (CH₄) | 1 à 5 | 2 à 3 |
| Hydrocarbures (CₙHₘ) | 0,5 à 2 | non précisé |
| Azote (N₂) | le complément | le complément |
| PCI du gaz | 4,0 à 5,6 MJ/Nm³ | 3,7 à 5,1 MJ/Nm³ |
Source : tableau du Cirad (2001) repris dans le mémoire de Dejean (2iE, 2013). Gazéification à l'air.
Un exemple chiffré : une modélisation d'un gazogène à bois, validée par des essais (bois à 18,5 % d'humidité), donne 22,8 % de CO, 17,3 % de H₂, 9,0 % de CO₂, 1,1 % de CH₄ et 49,8 % d'azote, pour un PCI de 4,7 MJ/Nm³ (Diyoke et al., 2018). L'azote de l'air, qui ne brûle pas, représente donc près de la moitié du gaz.
Le gaz brut qui sort de la zone de pyrolyse contient en plus des composés condensables : vapeur d'eau, acide acétique (issu des hémicelluloses), méthanol (issu surtout de la lignine), phénols et goudrons. Ils ne figurent pas dans les tableaux de gaz « propre » ci-dessus, mais ils brûlent à leur tour dans la chambre à haute température, ou se déposent dans le conduit si la combustion est mauvaise.
Pouvoir calorifique : un gaz pauvre
Avec 4 à 6 MJ/Nm³, le gaz de gazéification du bois est un gaz pauvre. Le gaz naturel, lui, est de l'ordre de 35 MJ/Nm³ : il contient sept à neuf fois plus d'énergie par mètre cube. La cause est la dilution par l'azote et le CO₂, qui ne brûlent pas.
Le PCI se calcule à partir des trois gaz combustibles : PCI (MJ/m³) ≈ 0,126 × CO + 0,108 × H₂ + 0,358 × CH₄ (en % volume). Sur l'exemple modélisé ci-dessus, la formule donne environ 5,1 MJ/m³, du même ordre que les 4,7 MJ/Nm³ publiés (elle ignore les hydrocarbures plus lourds).
Ce faible pouvoir calorifique n'empêche pas une flamme très chaude, à condition de bien préparer le mélange. C'est le rôle de la chambre secondaire.
La combustion du gaz : buse, air secondaire et chambre céramique
Dans une chaudière à bûches, le gaz traverse une buse de gazéification percée d'ouvertures qui amènent l'air secondaire préchauffé, puis brûle dans une chambre en céramique. Un fabricant (ATMOS) indique une combustion du gaz de bois à 1 000-1 250 °C dans cette chambre ; les valeurs exactes dépendent du modèle.
La température compte : pour convertir tout le monoxyde de carbone en CO₂, il faut au minimum 850 °C avec un temps de séjour de 2 à 3 secondes dans le foyer (Propellet, 2018). Une étude sur des chaudières bois a relevé que des émissions de CO élevées venaient d'une chambre trop froide, refroidie par la chaudière, avec des fumées qui y restent trop peu de temps (Hroncová et al., 2016). Sur une chaudière à gazéification, la répartition de l'air secondaire par plusieurs orifices, plutôt que par deux gros, a réduit les émissions de CO.
Précision de vocabulaire : dans une chaudière à bûches, la « gazéification » désigne en pratique la production du gaz par pyrolyse, suivie d'une combustion étagée. Un gazogène industriel, qui transforme le charbon en gaz avec un apport d'air limité, est un réacteur distinct.
Ce qui fait varier la composition du gaz
- L'humidité du bois : l'évaporation de l'eau consomme de l'énergie et refroidit la zone de gazéification. Notre article sur la combustion du bois indique qu'un bois vert brûle deux fois moins efficacement et produit deux à trois fois plus de goudron et de suie dans le conduit. Voir aussi le pouvoir calorifique du bois.
- La température : en pyrolyse du bois entre 650 et 950 °C, plus la température monte, plus la production d'hydrogène augmente et plus celle de CO diminue ; à 950 °C, 76 % de la masse du bois part en gaz en 2 secondes (Commandré et al., 2011, essai de laboratoire).
- La quantité d'air : trop peu d'air et le gaz reste riche en imbrûlés ; trop d'air et la zone refroidit.
- Le type de réacteur : lit fixe co-courant ou contre-courant, comme dans le tableau ci-dessus.
Les polluants liés à la composition du bois
- Le CO est le principal imbrûlé gazeux, avec le méthane, les hydrocarbures et les goudrons ; c'est un bon indicateur de la qualité de la combustion.
- Les oxydes d'azote (NOx) viennent surtout de l'azote du bois : le NO « combustible » représente 65 à 95 % des NOx totaux (Propellet). Le NO thermique, formé à partir de l'azote de l'air, n'apparaît qu'à partir de 1 300-1 400 °C.
- Le chlore et le soufre forment de l'acide chlorhydrique et de l'acide sulfurique, qui corrodent la chaudière et le conduit en cas de condensation.
Ce que cela change en pratique
- Utiliser un bois sec, pour un gaz plus riche et moins de goudrons.
- Faire fonctionner la chaudière à pleine puissance, avec un ballon tampon pour stocker la chaleur : la chambre secondaire reste chaude et la combustion complète.
- Faire ramoner et nettoyer régulièrement : voir notre guide entretien de la chaudière bois.
- Pour comparer les modèles, voir nos prix de chaudière bois.
Questions fréquentes
Quelle est la composition du gaz de bois brûlé dans une chaudière à gazéification ?
Un mélange de CO (10 à 22 %), d'hydrogène (10 à 21 %), de CO₂ (8 à 13 %) et de méthane (1 à 5 %), avec de l'azote en complément (environ la moitié du gaz). Il contient aussi des vapeurs condensables : acide acétique, méthanol et goudrons.
Quel est le pouvoir calorifique du gaz de gazéification du bois ?
Entre 3 et 6 MJ/Nm³ pour une gazéification à l'air, soit environ sept à neuf fois moins que le gaz naturel.
À quelle température brûle le gaz dans la chaudière ?
Autour de 1 000 à 1 250 °C dans la chambre en céramique d'après un fabricant. Le CO ne se convertit entièrement en CO₂ qu'au-dessus de 850 °C avec 2 à 3 secondes de séjour.
Quelle différence entre pyrolyse et gazéification ?
La pyrolyse décompose le bois par la chaleur sans oxygène et donne du gaz, des liquides et du charbon. La gazéification transforme ensuite ces produits en gaz combustible avec un apport limité d'air ou d'eau.
Sources
- Cirad (2001), tableau repris par A. Dejean, mémoire 2iE, 2013 : composition du gaz et PCI.
- Diyoke C. et al. (2018), Modelling of down-draft gasification of biomass, Applied Thermal Engineering 142.
- Commandré J.-M. et al. (2011), Pyrolysis of wood at high temperature, Fuel Processing Technology 92.
- Hroncová E. et al. (2016), Combustion of Biomass Fuel and Residues: Emissions Production Perspective, IntechOpen.
- Propellet / RAGT Énergie (2018), formation « La combustion des granulés de bois ».
- ATMOS, chaudières à gazéification de bois Generator.