UF 51.3 Folio 1
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Table des matières
1. Bases du bois-énergie
2. La combustion
3. Émissions dues à la combustion du bois
4. Cendres
Chapitre 3La combustion du bois
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Lumière solaire
Pertes
Chaleur utile
Eau
MinérauxCendres
Le cycle biologique du bois
1. Bases du bois-énergie
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iswww.pentaproject.ch 1. Bases du bois-énergie
Composés du bois
Cellulose représente plus de la moitié de la masse, donne au bois sa structure.
Hémicellulose donne sa rigidité à la structure cellulosique.
Lignine lie la cellulose et l’hémicellulose.
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iswww.pentaproject.ch 1. Bases du bois-énergie
Charbon de bois
85%67%
14%33%
Part en masse Part en énergie
Sels minéraux 1 %
Composés volatils
Parts pondérale et énergétique
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! Différence de comportement lors de la combustion!
• Bois dur : structure poreuse combustion lente, production de cendres importante.• Bois tendre : structure densefeu crépite, combustion rapide, peu de cendres.
1. Bases du bois-énergie
Bois dur ou bois tendre
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Pouvoir calorifique
Représente l’énergie contenue dans le bois : MJ/kg ou kWh/kg.
Le pouvoir calorifique dépend de l’espèce et de l’humidité du bois!
Contenu énergétique
Représente l’énergie contenue par unité de volume : MJ/m3 ou kWh/m3.
1. Bases du bois-énergie
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1 stère (x = 50%)6'400 MJ/stère
1'780 kWh/stère
1 stère (x = 15%)7'200 MJ/stère2'000 kWh/stère
Contenu énergétique
800 kg8 MJ/kg
(2,2 kWh/kg)
480 kg15 MJ/kg(4,2 kWh/kg)
PoidsPouvoir calorifique
bois frais(vert)
séché à l'air
eau
Influence de l’humidité sur le pouvoir calorifique
1. Bases du bois-énergie
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PCS = totalité de la chaleur de combustion.
PCI = chaleur réellement utilisable pour le chauffage. Perte de la chaleur latente d’évaporation.
1. Bases du bois-énergie
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2. La combustion
Oxygène Feu
Combus-tible
Combustion = réaction chimique exothermique
C + O2 C O2
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Combustibles gazeux (hydrocarbures aliphatiques)Combustibles gazeux (hydrocarbures aliphatiques)
CH4
Méthane
C2H6
Ethane
C3H8
Propane
C4H10
Butane Exemple d'hydrocarburelourd ramifié (isomérisé)
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Combustibles et carburants liquides et solidesCombustibles et carburants liquides et solides
nombre de carbones nom
C5
essence - benzine
pétrole - kérosène
huile "extra-légère" - diesel
huile moyenne
C15 huile lourde
C 500
bois – tourbe - charbon
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Combustibles solidesCombustibles solides
Ex: Cellulose
O CH ......
CH CH
OH
OH
CHCH
CH CH
OH
OH
O CH
CH O
CH2OH
CH O O
CH O
CH2OH
CH CH
OH
OH
CH
CH O
CH2OH
CH O
CH CH
OH
OH
CH2CH
CH O
CH2OH
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
azote oxygène eau argon CO2
76 %
20.9 %
2 % 1 % 0.03 %
Air comburantAir comburant
oxygèneazote
21 %
79 %
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TempératureTempérature
- 273 °C = zéro absolu (0° Kelvin) - 20 °C = conservation des aliments au congélateur
0 °C = point de fusion de l'eau 20 °C = température de confort d'habitation 60 °C = température des effluents gazeux après un laveur
100 °C = température d'ébullition de l'eau 150 °C = température moyenne des effluents d'un chauffage
> 300 °C = rupture des liaisons chimiques des hydrocarbures (craquage)
env. 700 °C = température minimale de combustion pour les solides env. 1200 °C = température de combustion Low-NOx env. 1700 °C = température de combustion high-NOx (conventionnel)
> 2000 °C = température de combustion dans un moteur
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H
H C
H
Ce
ee
e
TempératureTempérature
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H
H C
H
eH
HC
H
e
Radical Radical
TempératureTempérature
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OxydationOxydation
CO2
C+e+e
+e +e2 O
-e-e+ - - - 700 °C - - - O = C = O
dioxyde de carboneoxygènecarbone +
2 H+e
2 O-e-e
+ - - - 700 °C - - -
H2O
HO O
oxygèneHydrogène + eau
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Préparation des combustiblesPréparation des combustibles
Etat gazeux
Etat liquide
Etat solide
3 degrés de libertéoccupe le volume à disposition
2 degrés de libertéoccupe la surface à disposition
forme donnée, pas de dégrés de liberté
Sur 1 centimètre, on pourrait selon les cas aligner de 5 à 100 millionsd'atomes ou de molécules
Etat des corps
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Préparation des combustiblesPréparation des combustibles
Air(oxygène)
Huile EL
Combustion avec combustibles liquides
Combustion avec combustibles liquides
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Préparation des combustiblesPréparation des combustibles
bûche 1 m 6000 cm2
plaquette forestière 13 cm2pellet 2.8 cm2
Huile EL
Bois
Forme du combustible -- Comparaison huile EL / bois
Exemple: une sphère d'huile EL de 1 kg
diamètre de la sphère = 12.6 cm
surface d'évaporation = 500 cm2
pulvérisation jusqu'à un diamètre de 0.15 mm
480 millions de gouttelettes
surface d'évaporation = 344'500 cm2
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Combustible / Excès d'air: type de combustion % EA % O2 % CO2
Brûleur à air pulsé 1.1 - 1.3 10 - 30 2 - 5 11 - 9
Brûleur atmosphérique à gaz
1.2 - 1.5 20 - 50 3 - 7 10 - 8
Huile EL 1.1 - 1.3 10 - 30 2 - 5 14 - 12
Bois 1.6 - 2.6 60 - 160 8 - 13 12 - 8
Excès d ’airExcès d ’air
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Formes de combustionsFormes de combustions
Combustion rapide (oxydation)
Explosion chaleur + détente + lumière
Combustion normale (oxydation)
Feu chaleur + détente + lumière
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iswww.pentaproject.ch La combustion lente (oxydation)
la pourriture la fusion la désintégration
Les bactéries utilisent l'énergie et la chaleur libéréelors de la destruction des liaisons des chaînehydrocarbonées. Produits: H2O + CO2 pas depolluants!
Formes de combustionsFormes de combustions
la digestion: destruction enzymatique des liaisons hydrocarbonées dans un estomac. L'énergie produite est également transformée en chaleur. Produits: mouvement, augmentation de taille ou de volume, H2O + CO2
la rouille le fer se lie avec l'oxygène de l'air. Produits: rouille - minerais de fer (oxydes de fer)
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La combustion du boisLa combustion du bois
La composition du bois
Le comportement effectif des combustibles bois n’est pas seulement régi par les caractéristiques thermiques de la substance organique constituante. Les propriétés physiques et chimiques du combustible jouent un rôle important dans le processus de combustion : • humidité sur brut• granulométrie• masse volumique apparente• spécificité de la surface• taux de cendres• composition et propriétés des substances inorganiques (matières minérales, métaux, halogènes, métaux alcalins)
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La combustion du boisLa combustion du bois
Composition chimique
Le bois se compose principalement de matières organiques, d’eau et de substances minérales.
Après plusieurs étapes et transformations du bois, la composition va se modifier en cellulose, en lignine et en d’autres substances minérales, qui forment les cendres (graisses, minéraux, composés carbonés).
Tableau : Répartition des différents constituants du bois
Constituants du bois %
Cellulose de 40 à 50 %
Hémi-cellulose de 10 à 30 %
Lignine de 15 à 30 %
Matières organiques et minérales de 0,5 à 2 %
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La combustion du boisLa combustion du bois
L’eau contenue dans le bois
On distingue plusieurs types d’eau contenu dans le bois :
- l’eau de constitution des molécules ligneuses qui est liée au bois par voie chimique.
- l’eau d’imprégnation et de capillarité contenu dans les parois cellulaires et les pores du bois qui est liée au bois par voie physique. Cette eau peut être éliminée par séchage.
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La combustion du boisLa combustion du bois
Composition élémentaire
La composition élémentaire du combustible va déterminer le pouvoir calorifique et les conditions dans lesquelles doit s’effectuer sa combustion. La composition élémentaire du bois complètement sec se compose en moyenne de :
49 % de carbone (C), 45,3 % d’oxygène (O), 5,5 % d’hydrogène (H), 0,2 % d’azote (N).
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La combustion du boisLa combustion du bois
Charbon de bois
Composés volatils
Parts pondérale et énergétique
85%
67%
14%
33%
Part en masse Part en énergie
Sels minéraux 1 %
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La combustion du boisLa combustion du bois
Pour que la combustion soit possible, il faut réunir en même temps une matière combustible, un corps comburant (oxygène, air…) qui, se combinant, produisent la combustion et une énergie pour le démarrage de la réaction chimique de combustion. La conversion thermochimique est adaptée aux caractéristiques du bois. Elle permet de valoriser tous les composants du bois et utilise une matière première sèche.
La combustion directe
Trois conditions nécessaires au démarrage de la combustion
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La combustion du boisLa combustion du bois
La combustion directeAu cours de la combustion directe, le bois est décomposé par la chaleur dans le foyer en gaz et en charbon de bois. Le contact avec l’air comburant provoque l’oxydation des gaz chauds et la gazéification du charbon de bois en gaz combustibles. Environ 80 à 90 % du poids du bois est transformé en gaz durant cette phase. Les gaz combustibles issus du bois sont les suivants : monoxyde de carbone (CO), hydrogène (H2) et hydrocarbures (CmHn). Ces gaz doivent être brûlés dans la chambre de combustion, sans quoi ils pollueraient l’atmosphère. Le but de la combustion est donc de convertir totalement l’énergie chimique du bois en chaleur, par oxydation.
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La combustion du boisLa combustion du bois
Transformation 1
L'évaporation de l'eauTransformation 2
Le dégagement de fuméeTransformation 3La carbonisation
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Phases de la combustion
1. Séchage : consomme de l’énergie pour évaporer l’eau,
2. Pyrolyse : formation de charbon de bois et libération de gaz combustibles,
3. Oxydation : transformation des gaz de combustion avec dégagement de chaleur.
La combustion du boisLa combustion du bois
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«Bois» humide CH14O7 (N,S) + H2O
ChaleurSéchage
Air primaire (O2+N2)
Pyrolyse
H2O + gaz combustibles: CO+HC+H2
Air secondaire (O2+N2)
Oxydation
Chaleur
Atmosphère
Composés désirés: CO2 + H2O (+N2)Composés non désirés:
NO2+poussière
Si combustion complète
Si combustion incomplète
CO + HCpoussière non brûlée
CO2 + NO2 Poussière brûléeH2O + N2
Cendres
H2O
Équation chimique de la combustion du boisÉquation chimique de la combustion du bois
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Exemple 1: combustion non contrôlée
Vitesse de réaction
Tem
péra
ture
de
réac
tion
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Exemple 2 : combustion contrôlée
Vitesse de réaction
Tem
péra
ture
de
réac
tion
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Température de combustion
Entre 1000 et 3500 °C, selon le combustible.
Température de braises
Entre 400 et 1600 °C, à des endroit différents du tas de braises (couleurs différentes).
Températures de combustion du boisTempératures de combustion du bois
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Rendement de combustion Décrit la qualité de la combustion
Formule de Siegert :
η(technique de combustion) = 100 – (f(bois) * (Tf – Ta)) / [CO2]
Calcul plus complexe :
η(technique de combustion) = 100 – pertes par imbrûlés gazeux – pertes par chaleur sensible des fumées
La combustion du boisLa combustion du bois
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3. Émissions dues à la combustion du bois
Combustion Chaleur + émissions gazeuses
• Combustion complète : émissions inévitables = CO2, NOX, H2O, cendres.
• Mauvaise combustion : émissions évitables = CO, HC, poussières fines
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Émissions inévitables : CO2 et H2O
• CO2 issu de la combustion du bois ne contribue pas au réchauffement climatique,
• H2O sous forme de vapeur. H provient des liaisons de constitution du bois, et se lie à l’oxygène de l’air.
3. Émissions dues à la combustion du bois
UF 51.3 Folio 40
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Émissions inévitables : NOX
• NOX proviennent de l’azote constitutif du bois,
• NOX = pollueur précurseur,
• NO2 : toxique respiratoire (muqueuses et poumons),
• NO et NO2 créent des dommages aux plantes (combinaisons avec d’autres substances).
3. Émissions dues à la combustion du bois
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3. Émissions dues à la combustion du bois
Émissions évitables: CO
• Produit de la combustion incomplète,• CO indique la qualité de la combustion,
• CO en contact avec l’air CO2
• Toxique respiratoire. Troubles cardiaques et nerveux.
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Émissions évitables: hydrocarbures (HC)
• Produit de la combustion incomplète,• Responsables de l’odeur typique du feu
de bois,• Plusieurs types de HC, certains cancérigènes.
3. Émissions dues à la combustion du bois
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Émissions évitables: poussières fines
• Une technologie adaptée et une bonne utilisation de la chaudière réduit la quantité de PM 10,• Nuit au système respiratoire, éponge à hydrocarbures cancérigènes,• Baisse de la luminosité: nocif pour les plantes,• Facilitent les pluies acides.
(voir chapitre UF SCB 4)
3. Émissions dues à la combustion du bois
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Bois
Poussières fines
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Poussières fines
Huile lourde
UF 51.3 Folio 46
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Poussières fines
Huile EL
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Poussières fines
Bois usagé
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Facteurs influant sur la production
d’émissions
1. Nature du combustible : humidité et taille.
2. Réglage de la chaudière : optimisation de l’excès d’air et de la température de combustion.
Adaptation de la chaudière au combustible!
3. Émissions dues à la combustion du bois
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Comparatif des émissions horaires de particules entre une voiture diesel et une chaudière à pellets de 35 kW
Comparatif des émissions horaires de particules entre une voiture diesel et une chaudière à pellets de 35 kW
Voitures sans filtre à particules (FAP) vitesse fixe 120 km/h
Chaudièrepellets 35 kW
Chaudièrepellets 35 kWFAP Rüegg
Euro 3 Euro 4
Euro 4vitesse variable
Euro 5FAP dès
sept. 2008
Emission, valeur limitemg/km
50 25 5
Emission, valeur mesuréemg/MJ
12 20 6
Consommation l/100/kmConsommation MJ/h
12432
140 140
Emission de particules fines g/h 6.0 3.0 5.2 0.6 2.8 0.8
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Comparaison des émissions de poussières de diverses sources
Comparaison des émissions de poussières de diverses sources
Installation/unités à l'émission mg/Nm3 Nm3/h g/j Kg/an
Chauffage au bois, plaquettes forestières semi-sèches 3 MW, état 2006 avant assainissement
300 - 700 7'500 54'000 - 130'000 11'000 - 24'000
Chauffage au bois, plaquettes forestières semi-sèches 3 MW, état 2007 après mise en service d'un avec filtre électrostatique
1 - 5 7'500 200 - 900 40 - 180
Chauffage aux déchets de bois usagé (bois de démolition) 2.5 MW avec filtre à manches
1 6'500 156 39
Poêle à bois à feu traversant 8 kW, 10 heures de feu par jour 482 24 115 23
Poêle à bois à feu traversant 8 kW avec accumulateur de chaleur, alimenté avec des bûches de 30 cm, 5 heures de feu par jour
867 25 108 22
Cheminée de salon 8 kW, foyer fermé par une vitre, avec récupérateur de chaleur, 2 heures par jour
288 30 17 3.5
Potager – chauffage central à feu traversant 18 kW alimenté avec des bûches de 30 cm, 10 heures de feu par jour
389 60 233 47
Chauffage au bois, bûches, foyer inversé 30 kW, alimenté avec des bûches de 50 cm 1'076 100 1'300 260
Chauffage au bois, bûches, foyer inversé 45 kW, alimenté avec des bûches de 50 cm 112 150 202 40
Chauffage aux pellets 35 kW 14 200 33.6 6.16
Chauffage aux pellets 35 kW avec filtre électrostatique 4 200 9.6 1.76
Autres installations à titre de comparaison
Tridel, usine d'incinération de Lausanne 0.7 123'000 2'600 925
Verrerie 272 7'900 51300 19'000
Voiture diesel 120 km/h Euro 3 1 h/j, 250 j/an 6 1.5 Les teneurs en poussières (mg/Nm3) dans les effluents ont été mesurées sur des installations existantes Les débits d'effluents gazeux (Nm3/h) ont été mesurés sur les grandes installations, pour les petites, ils ont été calculés d'après la puissance de l'installation Les émissions en grammes par jour (g/j) ont été calculées en fonction d'un nombre d'heures moyen d'utilisation Les émissions annuelles se rapportent à la période d'utilisation moyenne (nombre de jours par an) soit sur toute l'année, soit durant la période de chauffage.
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Effets des polluants résultant du chauffage au bois sur les êtres humains
Effets des polluants résultant du chauffage au bois sur les êtres humains
Effets potentiels sur la santé de certains contaminants issus de la fumée de bois lorsque leur concentration est trop élevée dans l’airContaminants EffetsMonoxyde de carbone CO Maux de tête, nausées, étourdissements,
aggravation de l’angine chez les personnes ayant des problèmes cardiaques
Composés organiques volatils COV Irritation et maux respiratoires; certains COV sont cancérigènes (ex. : benzène)Acroléine et formaldéhyde Irritation des yeux et des voies
respiratoiresParticules fines PM2,5 Irritation des voies pulmonaires; aggravation des maladies cardiorespiratoires, mortalité
plus hâtiveOxydes d'azote NOx Irritation du système respiratoire, douleur à
l'inspiration, toux, œdème pulmonaireHydrocarbures aromatiquesPolycycliques HAP Certains HAP sont considérés comme
mutagènes ou cancérigènes ou soupçonnés de l’être
Dioxines et furannes Cancérigènes probables
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Effets des polluants résultant du chauffage au bois sur les êtres humains
Effets des polluants résultant du chauffage au bois sur les êtres humains
Poussières fines
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Contrôle des émissionsContrôle des émissions
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iswww.pentaproject.ch 4. Les cendres
• Formés par les éléments incombustibles du bois,• Représentent 1 – 2 % de la masse du bois,• Éléments constitutifs des cendres : sels minéraux de Ca, K, Mg et P.
! Si des métaux lourds sont décelés = combustion de bois pollué ou de
matériaux non autorisés!
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Pour s’assurer que la chaudière à bois est correctement utilisée:
• Évaluer la qualité du combustible,• Évaluer la qualité des cendres,• Test rapide.
4. Les cendres
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iswww.pentaproject.ch 4. Les cendres
Combustibles autorisés:• bois de tige naturel
écorcebriquettes de charbon
• brindilles et cônes• petites quantités de
papier (allumage)
Combustibles interdits:• panneaux contreplaqués,
de bois aggloméré• déchets de bois tels que
panneaux de coffrage, plateaux d'échafaudage etc.
• grandes quantités de papier et de carton
• bois de meuble• bois imprégné sous
pression• déchets ménagers• bois avec corps étrangers• bois avec résidus de
produits de traitement
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3.Test rapide
Effectuer un test rapideNon conforme OPAIR
Autres mesures tellesqu’avertissement ou dispo-
sition juridique
conforme Une ou plusieurs valeurs dépassées non conforme
Test rapide
4. Les cendres
Qu'a-t-on brûlé dans la chaudière?
Les cendres le montrent!
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3. Test rapide EMPA (LFEM)
4. Les cendres
1. Echantillonnage des cendres
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4. Les cendres
2. Analyse visuelle
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4. Les cendres
3. Pesée des cendres tamisées
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4. Les cendres
4. Solution d'extraction pour l'analyse
UF 51.3 Folio 62
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4. Les cendres
5. Filtration
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4. Les cendres
6. Mesure du zinc avec le "set"
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4. Les cendres
7. Acidifier l'échantillon
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8. Mesure des chlorures avec le "set"
UF 51.3 Folio 66
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4. Les cendres
9. Neutraliser l'échantillon
UF 51.3 Folio 67
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4. Les cendres
10. Mesure du plomb avec le "set"
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Valorisation et élimination• Interdiction d’épandage en forêt!• Valorisation comme engrais, mais en quantité limitée!
le reste éliminé par les services communaux ou un centre de compostage.• Cendres de bois autres qu’à l’état naturel décharge bioactive.
4. Les cendres
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