Table des matières

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iswww.pentaproject.ch

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


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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.


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.


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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


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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.


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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


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H

H C

H

eH

HC

H

e

Radical Radical


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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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Air(oxygène)

Huile EL

Combustion avec combustibles liquides

Combustion avec combustibles liquides

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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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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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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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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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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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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 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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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.


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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


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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.


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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).


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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.


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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)


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Bois

Poussières fines

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Poussières fines

Huile lourde

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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!


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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 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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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

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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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4. Les cendres

8. Mesure des chlorures avec le "set"

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4. Les cendres

9. Neutraliser l'échantillon

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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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