Comprendre comment le bois de chauffage brûle : les détails techniques
Étape 1 : L'évaporation de l'humidité – ou « le démarrage difficile »
Si vous avez déjà essayé de brûler du bois humide ou non assaisonné dans votre foyer, vous savez à quel point cette étape peut être frustrante. Après avoir rassemblé du papier froissé, de l'allumage, une brassée de petites branches et un type d'accélérant pour démarrer un feu (et JAMAIS un bidon d'essence ou de diesel – sérieusement !), vous allumez une allumette (ou probablement plus comme 5 ou 10 si nous sommes honnêtes!) et c'est parti !
Malheureusement, cette première explosion de flammes induites par le pétrole se transforme généralement en l'étape du « il n'y a pas de fumée sans feu » où nous croisons les doigts, soufflons dessus jusqu'à en avoir les yeux qui louchent et espérons désespérément que le feu va prendre. (OK, c'est juste moi.)
Quoi qu'il en soit, si tout se passe bien, nous arrivons à l'étape de l'évaporation de l'humidité de la combustion du bois, où, au lieu de produire de la chaleur, la chaleur est absorbée lorsque l'eau piégée à l'intérieur du bois est transformée en vapeur et retirée du bois en étant bouillie.
Le plus souvent, les pyromanes observateurs parmi nous auront remarqué ce phénomène se produisant aux extrémités des petites branches, où l'eau juste sous l'écorce s'évapore en dégoulinant et en fumant dans l'âtre.
Techniquement, cette première étape de la combustion du bois repose sur l'augmentation de la température du bois à 100 degrés Celsius (212 °F) lorsque l'eau dans le bois commence à bouillir, puis s'évapore.
L'évaporation demande beaucoup d'énergie, ce qui réduit considérablement le rendement calorifique. La première règle de la combustion du bois est donc de s'assurer que votre bois de chauffage est sec. La teneur maximale en humidité devrait être considérée autour de 15-20 %, alors lors du choix du bois de chauffage, faites de l'humidité une considération ainsi que du type de bois.
Contrairement à l'humidité dans les bûches détrempées ou non assaisonnées, les gaz volatils sont combustibles. Ils brûlent et libèrent de la chaleur, ce que nous visons. Lorsque la température de la surface du bois augmente au-dessus de 100 °C (212 °F) jusqu'à environ 232 °C (450 °F), des gaz abondants en créosote sont libérés : dioxyde de carbone, monoxyde de carbone et acides acétique et formique.
Cependant, comme ces gaz générés lors de la première étape de la combustion ne s'enflamment qu'une fois que toute l'humidité s'est évaporée et que la température de l'allumage est suffisamment élevée pour les déclencher, cela conduit à des niveaux élevés des émissions que nous ne voulons pas vraiment envoyer dans la cheminée. Nous l'avons dit avant, mais nous allons le répéter : ne brûlez que du bois sec pour un rendement calorifique maximal.
Une fois ce processus d'évaporation de l'excès d'humidité terminé et que la température dans notre poêle ou foyer augmente, cela mène à l'Étape 2 de la combustion du bois.
Étape 2 : La vaporisation des composés hydrocarbonés, ou « combustion primaire »
À l'Étape 2 de la combustion du bois, nous n'en sommes toujours pas à la phase de production de chaleur (peut-être un tout petit peu), mais nous nous en rapprochons ! À ce stade, nous sommes au-dessus de 260 degrés Celsius (500 °F) et les températures augmentent. La structure chimique du bois commence à se décomposer et le processus de pyrolyse commence. La pyrolyse « libère des gaz organiques et laisse derrière elle du charbon de bois riche en carbone ».
Ce processus crée également un mélange d'hydrocarbures sous forme de gouttelettes de goudron liquide et de gaz combustibles, ainsi que de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et un bon mélange d'autres vapeurs. C'est un tournant important pour l'efficacité du poêle ou du foyer à bois à mesure que les températures continuent d'augmenter.
Après que l'humidité est chassée du bois et que la chaleur augmente la température du bois au-dessus de 282 °C (540 °F), la deuxième étape de la combustion a lieu. C'est l'étape de production de chaleur. Elle se produit à deux niveaux de température différents : la combustion primaire et secondaire.
Combustion primaire :
Le processus par lequel les gaz sont libérés du bois et brûlés est appelé combustion primaire. La combustion primaire commence à environ 282 °C (540 °F), se poursuit vers 482 °C (900 °F) et entraîne la libération d'une grande quantité d'énergie. La combustion primaire libère également de grandes quantités de gaz combustibles non brûlés, y compris du méthane et du méthanol, ainsi que plus d'acide, de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone – qui sont le côté potentiel « beurk » de l'équation.
Combustion secondaire :
C'est le moment de se concentrer, car ces gaz, appelés gaz secondaires, contiennent jusqu'à 60 % du potentiel calorifique du bois, de sorte que leur combustion efficace et optimisée est vraiment importante pour atteindre une efficacité de combustion globale élevée. Les gaz secondaires ne sont pas brûlés près du bois en raison du manque d'oxygène ou d'une température insuffisante.
Les conditions nécessaires pour brûler les gaz secondaires sont suffisamment d'oxygène et des températures d'au moins 593 °C (1100 °F). L'apport d'air est un élément critique. Un air trop faible ne supportera pas la combustion secondaire, et un air trop important refroidira la température à un point où cette combustion secondaire ne pourra pas se produire.
La combustion secondaire peut se produire dans les poêles à bois et foyers à haute efficacité conçus pour satisfaire ou dépasser les exigences de l'EPA en matière d'air pur, mais uniquement si le poêle est utilisé avec du bois correctement séché et assaisonné, utilisé d'une manière compatible avec sa conception et connecté à un tuyau ou à une cheminée propre et fonctionnel.
L'inachèvement de la combustion est un gaspillage et arrête le processus à la production de monoxyde de carbone, ce qui est sous-optimal, surtout si la cheminée ne tire pas suffisamment et peut refouler le CO dans la maison. Encore une fois, l'équilibre est primordial dans la combustion du bois, la chaleur et l'oxygène en harmonie pour créer une efficacité de combustion optimale !
Étape 3 : L'allumage et la combustion des vapeurs de gaz – l'effet de « post-combustion »
Maintenant que nous avons tous ces gaz inflammables produits, pour une efficacité maximale de la combustion du bois et une pollution minimale, ce dont ils ont besoin maintenant est l'atteinte et le maintien d'un seuil de température minimum pour que la combustion des vapeurs de gaz se produise.
Nous devons supposer que toutes les composantes de ce que l'on appelle « le triangle du feu » sont présentes au cours de ce processus. Le NFI (Institut national des foyers) indique qu'entre 282 °C et 663 °C (540 °F et 1 225 °F) nous avons enfin une combustion complète !
Dans ce cycle de combustion, le carbone est le premier à réagir avec l'oxygène, produisant du monoxyde de carbone potentiellement mortel, bien que, curieusement, plus de la moitié de la chaleur produite par le feu à ce stade provienne de la combustion des hydrocarbures gazeux et du monoxyde de carbone lui-même.
Pour que la combustion se poursuive, la température doit rester généralement au-dessus de 593 °C (1 100 °F), mais peut atteindre 1 093 °C (2 000 °F) ! Ironiquement, à ce stade de la combustion, notre vieil ami l'eau est également produit, car les molécules d'hydrogène et d'oxygène se combinent, entraînant de grandes quantités de vapeur d'eau dans les gaz de combustion.
Il est donc très important de minimiser le potentiel de condensation dans le conduit de fumée et de s'assurer que les matériaux du tuyau de poêle sont inoxydables et résistants à la corrosion pour une longue durée de vie.
Étape 4 : Combustion du charbon de bois – la lueur chaleureuse des braises - parfaite pour les guimauves !
C'est la dernière étape de la combustion, car les trois premiers processus ont laissé le carbone dans le charbon de bois comme seul matériau combustible restant. Pour que cela continue de brûler, une température supérieure à 510 °C (950 °F) est nécessaire pour brûler ce charbon de bois riche en carbone, mais il peut brûler avec peu ou pas de flamme du tout.
Lorsque vous remarquez le son et la chaleur des braises qui rougissent à la fin d'un feu, c'est en fait le carbone qui brûle dans le charbon de bois !
Pour résumer les étapes de la combustion : le processus de combustion du bois est complexe, car différentes bûches sont à différents stades pendant un feu. L'essentiel est qu'après avoir sélectionné le bon bois, vous devez contrôler précisément la température de combustion et le niveau d'oxygène pour optimiser le processus de combustion.
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