Brevet FR2710399A1 — publié le 19950331

Dans la perspective de l'utilisation massive de l'énergie renouvelable que constitue la biomasse ligneuse, un certain nombre de réalisations ont pris forme. Ces réalisations proposent des moyens pour déchiqueter ou réduire en plaquettes le bois à récolter afin de le fragmetcr, ce qui permet ensuite de réaliser ralimentation automatique des chaufferies. On sait d'autre part que, pratiquement, le bois ne peut devenir "combustiblc" qu'à condition que sa teneur en eau, qui est d'au moins 50% au moment de la récolte, soit ramenée à moins de 30%. Cet impératif entrave la récolte car un temps, suffisaiment long, doit néssairet sparer l'abattage de la réduction en fragnments afin de permettre un séchage partiel sur place. La présente invention propose un procédé, dont les premunières étapes permettent de résoudre autrement } lecs deux suggestions précédemnment décrites tandis que les autres étapes auront pour objet d'exploiter les particularités des solutions nouvelles apportées pour la préparation du combustible fiagmenté. En effet, l'exposé qui suit, décrit aussi deux procédés et un calorifère associé à son dispositif original d'alimentation préparant par déshydratation le bois destiné à fournir de l'énergie thermique. Pour rapplication de l'invention, il est préféré la fragmentation par tranchage perpendiculaire de longues i 5 tiges de bois que produisent massivement les taillis cultivés en lignes à cet effet, puis récoltés et débités en tronçons sur la machine de récolte elle-même. Les tronçons produits sont courts, l'idéal étant de se rapprocher de la forme représentée par une longueur égale au diamètre. Un tel procédé est décrit dans le document FR-2.582.189. Il est possible par l'exploitation rationnelle de taillis d'obtenir une production intense. Les tronçons assemblés constituent une masse présentant une forte densité apparente, une perméabilité uniforme aux flux gazeux qui auront à la traverser, et enfin une facilité de mise cn écoulement pour sa mise en oeuvre. Le volume individuel des tronçons pourra avantageusement tre proportionném à la puissance donc à la dimension des appareils de chauffage. Toutefois il faut préciser que pour conserver les propriétés avantageuses de la fiagmentation il apparait que la longueur et le diamètre des tronçons ne devraient guère dépasser 80 rmin pour les installations de grande puissance. Les taillis sont récoltés l'hiver après la chute des feuilles, c'est à dire durant unec période de quatre mois débutant fin novembre. Il s'agit des mois o la consommation de combustible est la plus forte. La récolte mécanisée de taillis cultivés est rapide, par conséquent il n'est pas nécessaire de prévoir stocker une masse importante de tronçons car les appvisionnemets, à la demande des usagers, peuvent être satisfaits à partir des plaaions eles.mnes exploitées partiellement et selon les besoins au monmet de lutilisation. Le bois récolté est alors déposé, en l'rétat, dans les silos de capacité limite et proportionnée, associés aux calorifères installés. Le bois récolté en période hivernale contient 50 à 55% d'eau qu'il faudra nicessain réduire. 2 2710399 Le séchage naturel ne peut abaisser la teneur en eau à moins de 15%/. C'est pourquoi l'invention utilise la déshydratation du bois grâce à lemploi de gaz chauds pulsés au travers de la masse de tronçons occupant les silos associés aux appareils de chauffage. Plus la température des gaz chauds sera élevée et plus la déshydratation sera rapide et complète. La réduction en tronçons, du bois récolté, facilite d'ailleurs son séchage. L'expérience montre que pour ramener la teneur en eau des tronçons de 55% à environ 3% il suffit de 30 heures si le séchage est conduit à 60 C. Nous verrons plus loin que ce délai est compatible avec les buts visés selon rinvention. i est cependant à noter que le bois déshydraté puis livré à nouveau aux conditions atmosphériques ambiantes est susceptible de reprendre jusqu'à 15 et même 20% d'eau. Il faudra donc éviter de difféirer son utilisation après déshydratation à moins de la maintenir à quelques dizaines de degrés centigrade au-dessus de l'ambiance. Une autre solution fut proposée pour préparer les tronçons de bois à devenir un combustible stable. Elle consiste à appliquer au bois un traitement thermique préalable appelé 'torréfaction". En effet, cette préparation rend le bois insensible à la reprise d'humidité. Cette solution est décrite dans le document FR-2.594.134. Elle présente toutefois l'inconvénient d'être relativement onéreuse. D'autre part, il est connu que plus l'humidité du bois combustible est élevée, plus s'abaisse la température du foyer qui le consume; plus s'abaisse aussi le rendement des appareils thermiques qui l'utilisent; et plus est élevée la teneur en eau des gaz brûlés. Pour ces différentes raisons, le calorifère, objet de la présente invention, met en oeuvre des fraigments de bois déshydratés dont la teneur en eau est réduite et maintenue jusqu'à la consommation aux environs de 3%. En effet, l'emploi de bois déshydraté détermine l'établissement d'une température élevée lors de sa combustion, et cet avantage va permettre de concevoir des appareils de chauffage de conception économique aussi bien pour leur réalisation que pour leur fonctionnement. La combustion du bois y sera complète et les gaz brûlés propres. C'est la raison pour laquelle l'invention se propose, dès lors d'utiliser l'énergie résiduelle contenue dans les gaz brûlés pour réaliser le séchage du bois dans les silos associés aux appareils de chauffage. Ces silos agencés en séchoir, sont capables de ramener dans le temps imparti et de maintenir la teneur en eau du bois à environ 3%jusqu'à son utilisation. La température des gaz brûlés à l'issue du calorifère est voisine de 180 C. Dans ces conditions le potentiel thlermique est suffisant pour permettre le séchage du bois avant son utilisation. En tenant compte du temps imparti pour le séchage du bois séjournant dans le silo, celui-ci sera conduit à C. Dans cette perspective les gaz brûlés sont mêlés à deux fois leur volume en air frais. Ce mélange est pulsé en conin au travers de la masse des fraigments de bois à sécher. Sous réserve d'avoir utilisé comme combustible le bois déshydraté dans les conditions ci-dessus définies, la teneur en eau du mélange caloporteur traversant le séchoir est de l'ordre du cinquième de la valeur correspondant à la saturation H20 à 60 C. Les dessins annexés, planche 1/2 t 2/2 représentent un mode de réalisation non limitatif selon l'invention. Le calorifère dans l'excmplc choisi est employé pour élever la température de leau parcourant un circuit hydraulique non représenté. La planche 1/2 représente, en coupe le calorifère lui-mnme. En foncionme il prend position selon son axe de syNétrie vertical (l). Son enveloppe cylindrique (2) est évidée de haut en bas et selon raxc de symétrie (1). Elle est constituée de la double paroi (3), laquelle dans sa partie infricurc est occupée par un faisceau tubulaire dont les tubes verticaux (4) et (5) sot les seuls éléments représentés sur le dessin. Us sont ouverts ià lars exémités (6) et (7). La double paroi comporte les issues "entrée" (8) et "sortie (9). Elle est parcourue par l'reau d'un circuit hydraulique, non représenté comportant une pompe de circulation et des radiateurs. Un tube horizontal (10) traverse latéralement et de façon étanche la double paroi, il passe entre les tubes du dit faisceau et débouche dans la chambre cylindrique (I l). Ce tube ouvert aux deux extrémités contient une - vanne papillon réglable (12). L'évidement (13) du flanc supérieur de l'enveloppe (2) supporte, grâce à l'épaulement (14), l'entonnoir dénommné ci-après foyer (15) réalisé en acier réfractaire. A l'intérieur de l'évidement cylindrique inférieur (16) se trouve une sole métallique (17) sur laquelle repose la chambre de combustion (18) en formne de creuset nréalisé en pisé réfractaire. La chambre (18) est percée à sa base (19) et selon son axe de symétrie pour former le canal (21) prolongé par le chambrage (22) lequel est en communication avec le volume (11) par l'interm&iairc de trous (23) percés dans la sole (17). La sole (17) porte selon son axe la pièce (24) ménageant un espace annulaire libre, formant canal, avec le pisé de la chambre de combustion (18). Le volume (11) est fermé, i sa base, de façon étanche à l'aide d'un voile métallique (25). Un cône métallique (26) est fixé sous l'enveloppe double-paroi (2) et audelà de la place occupée par les tubes tels que (4) et (5) appartenant au faisceau tubulaire. La virole réceptrice (30) est montée de façon étanche sous la doubleparoi (2), elle possède en sa partie inférieure, une bride (28) sous laquelle une contr-bride (29) est adaptée de façon amovible et étanche, contre-bride appartenant au conteneur (27), non représenté, devant recevoir les cendres issues de la combustion. La virole réceptrice des gaz brûlés (30) possède une issue tubulaire (31). On remarquera que si l'on établit une dépression en (31), et du fait de l'étanchéité de l'assemblage des divers élénments consitu le calorifère, celle-ci se retrouv en deux endroits; d'unc part à la base du foyer (15) et de l'autre à l'issue du tube (10) dont l'entrée est contrôlée par la vanne papillon (12). La planche 2/2 représente le dispositif d'alimentation en fragments de bois desservant le calorifère auquel il est nécessairement associé. Le bâti (32) supporte le silo (33) et aussi, en porte à faux, le calorifère (34). Le silo (33) cornporte une embouchure (35), penetam son remplissage en fragments de bois, sur laquelle est assujetti un couvercle étanche (36). 4 2710399 L'embouchure est en conmunication avec l'ouïe "aspiration" (37) d'un ventilateur (38) plaçant le silo aen dépression régulée de façon constante in at de sa charge. Le fond (39) du silo comporte une cloison inclinée perforée (40) perméable, cloison précédée d'une chambre (41) en communication avec le refoulement du ventilateur (42). Une vis d'alimentation (43) sert à l'extraction des fragments de bois séchés du silo (33). Ils sont ensuite conduits par l'intermnédiaire de la goulotte (44) vers le foyer (15) du calorifère o ils sont déversés à niveau constant. A l'extrémité de la goulotte (44) est placée un détecteur infrarouge (45). L'ouïe "aspiration" (46) du ventilateur (42) est placée en vis-à-vis et à distance réglable de la sortie (31) du collecteur de gaz brûlés (30). Les caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de l'exposé qui suit, lequel analyse le fonctionnement du calorifère associé au dispositif qui l'alimente. Le silo (33) est initialement empli au tiers de sa hauteur en fragments de bois préalablement séchés et puis en bois vert. Pour l'allumage, le foyer (15), planche 2/2 du calorifère est chargé en charbon de bois jusqu'à son épaulement (14). Cette disposition permet d'effectuer la mise à feu sans qu'il y ait formation excessive et momentanée de fiumée. Les ventilateurs (38) et (42) sont mis en marche. Ce dernier, établissant la dépression voulue dans le calorifère, détermine les entrées d'air de combustion: d'une part dans rentonnoir (15) pour l'air primaire et d'autre part à la base de la chambre de combustion (18) pour rair secondaire dont le débit est réglable à l'aide du volet (12). Le charbon de bois placé dans rentonnoir est alors allumé, puis, lorsque la combustion est bien établie, le dispositif d'alimentation est à son tour mis en fonction. Le foyer (15) qui est métallique et donc conducteur de la chaleur est positionné à l'intérieur de la chambre de combustion (18), il en subit le rayonnement et sa température s'élève rapidement aux environs de 700 C. Sous l'influence du rayonnement interne de la paroi du foyer (15), la distillation du bois des tronçons qui remplissent, s'établit et la combustion des pyroligneux s'y installe grâce à l'afflux de rair primaire y pénétrant. Dans cette première phase de la combustion, le volume des tronçons de bois évolue peu. Les pyroligneux les plus résistants à la gazéification auront à traverser la zone de braises sous-jacente ou leur transformation en monoxyde de carbone permettra de les brûler. Ensuite, intervient à la base de l'entonnoir, la combustion du carbone solide accompagné de la réduction quasiment totale du volume initial du bois, seules subsistent les cendres qui ne représentent plus que 3% de la masse de combustible initial. Cette combustion est la plus exothermique, elle est activée et complétée par l'apport de rair secondaire réealisé à la base du foyer (19). La combustion des pyroligneux et du carbone produisent simultanément: a) une quantité importante de gaz brûlés dont le volume est d'abord très dilaté du fait de la haute température qui règne dans la chambre de combustion; b) une petite quantité de cendres dont la caractéristique est la légèreté. L'écoulement des gagz brûlés est donc rapide et turbulent dans la chambre de combustion. Ils entraînent avec eux les cendres hors de la dite chambre de combustion. L'extension radiale, caractéristique organisée pour la conception du caloritre du volume parcouru par les gaz brûlés d'une part et la contraction des gaz brûlés d'autre part, provoquée par l'change thermique avec le fluide caloporteur circulant dans la double-paroi (3) déte e un rale- nt important de la vitesse d'écoulement des gaz brûlés dans le calorifère. Cette particularité va penmettre la séparation des cendres qui, après avoir longé la face interne du cône (26), poursuivront leur trajectoire jusqu'au contencur (27) fixé à la bride (28). 10.Lesgazbrûlés, dont la temp me fut abaissée après échange seront extraits par laconduite (31), à une température voisine de 180 C, placée en regard de l'ouie (46), planche 2/2, du ventilateur (42). Les caractéristiques du ventilateur (42) sont établies pour que le volume de gaz traversant le ventilateur soit approximativement le triple de celui provenant du calorifère. Ainsi le mélange de gaz pulsé par le dit ventilateur sera composé de 1/3 de gaz brûlés et 2/3 d'air frais, il sera donc ramené à environ 60 C, température requise pour fournir au séchoir le flux gazeux capable de sécher le bois qu'il contient dans le délai imparti. Le ventilateur (38) met le séchoir en dépression régulée au niveau de la grille (40) ce qui stabilise le débit du ventilateur (42). En exploitant la possibilité de régler la dépression qui provoque l'aspiration des gaz brûlés débouchant de la conduite (3 1) il est possible, dans une certaine mesure de régler la puissance développée par le calorifere. Le foyer (15) du calorifère, une fois mis à feu selon les indications précédemment définies, est dès lors alimenté automatiquement par apports successifs de fragments de bois sec à l'aide d'actions commandées de la vis (43) effectuées au fur et à mesure de leur combustion. Les dits apports occultent pour un moment le rayonnement infrarouge énis en sous-couche par les pyroligneux en ignition. Lors de sa réapparition le dit rayonnement déclenche un nouvel apport, et ainsi de suite. A cette fin, un détecteur infrarouge (45) est place sous l'extréniité de la goulotte (44). Les solutions proposées par la présente invention permettent de réaliser des installations de puissances diverses y compris celles demandées pour l'équipement en moyen de chauffage des maisons individuelles. Revendications 1. Procédé pour la combustion an continu de bois fragmnenté, caractérisé en ce que les fragments préalablement déshydratés, sont introduits dans un entonnoir métallique porté à température élevée dénommé ci-après foyer, pour y être consurné en présence dun flux d'air organisé par dépression afin de le traversr de haut en bas, la température du dit foyer résultant de sa position au centre de la chambre de combustion, ayant la forme d'un creuset, o il est suspndu et dans laquelle après retournement vers le haut les gaz en ignition achèvent leur combustion à haute tempéraue avant de gagner l'échangeur thermique de l'appareil de chauffa pour y céder l'essentiel de leur potentiel calorifique, le reliquat étant récupéré pour la déshydratation des dits fragments de bois dans le silo d'alimnt, agencé en séchoir, associé au calorifère. 2. Procédé selon la revendication I pour l'élimination des cendres formées lors de la combustion du bois dans le dit foycr, caractérisé en ce que les gaz en ignition fortement dilatés ont une vitesse d'écoulement telle qu'ils puissent en&ainerles cendres hors de la dite chambre de combustion en vue de s'en séparer ultérieurement lorsque leur vitesse se trouvera réduite: a) par contraction lors de leur abaissement de température par éhange thrmique. b) par l'augmentation de la section aménagée radialement pour leur passage dans le dit échangeur. 3. Calorifère, planche 1/2, pour la combustion en continu de bois fragmenté, mcttant aen ocuvre les procédés selon les revendications 1 et 2, caractérisé ena ce que son enveloppe extérieure (2), constituée de l'enceinte double-paroi (3) de forme cylindrique à axe de symétrie vertical, est évidé en son centre et porte: a) suspendu à son flanc supérieur, l'entonnoir métallique qui constitue le foyer (15) b) en sa partie médiane, la chambre de combustion (18) en fomne de creuset, laquelle entoure le foyer (15) c) la pièce en tôle (25) qui ferme le dessous de l'révidement central pour constituer avec la sole (17) le volume cylindrique (11) en communication avec le tube ouvert (10) et la base de la clhambre de combustion (19). d) fixé sous l'enveloppe double-paroi et à 'cxtérieur de l'échangeur se trouent suspendus, le cône (26) et la virole réceptrice (30) sous laquelle est adapté de façon amovible le conteneur (27), la dite virole comportant une tubulure latérale et ouverte (31), ces trois derniers éléments étant solidaires et assemblés de façon étanche avec l'enveloppe double-paroi (2) de sorte qu'il ne subsiste en communication avec l'extérieur que: le foyer (15), le volume (11) et latubuhlure (31). 4. Calorifère selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tubulure (31) planche 2/2 est placé en vis-à-vis et à proximité de l'ouie aspiration (46) du ventilateur (42), cette disposition mettant l'cnceinte du calorifère en dépression, ce qui a pour effet de provoquer les entrées crair suivantes: - primaire et dirigée vers le bas dans le foyer (15) planche 1/2 - secondaire à la base de la chambre de combustion (18) planche 1/2. 5. Calorifère (34) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par un dispositifdalim on en bois fiaichm nt récolté, dispositif conmportant le silo (33) de capacité sante pour assurer au calorifre rautonomie de focionnement ce silo étant agencé en séchoir capable de ramener pendant la durée de stockage la teneur en eau du bois à environ 3 %et de la maintenir à ce niveau jusqu'à son utilisation dans le dit calorifère. 6. Calorifere selon la revendication 5, caractérisé en ce que les gaz brûilés propres issus du calorifère par la canalisation (31) sont mêlés à de l'air frais aspirés simultanént par l'oule (46) pour constituer le mélange gazCux caloporteur, mélange pulsé par le ventilateur (42) puis aspiré au travers de la masse de firagments de bois contenu dans le dit silo par le ventilateur (38) afin de les déshydrater. 7. Calorifere selon la revendication 5 caractérisé en ce que les apports successifs de fragments de bois déposés dans le foyer (15) sont effectués au fur et à mesure de leur combustion, et constitue en surface du foyer une couche opaque au rayonnement infrarouge émis par la flanumme sous-jacente et de la sorte stoppe le fonctionnement de la vis d'alimentation laquelle est remise en action dés rapparition dune nouvelle émission infrarouge.