Brevet FR2723429A1 — publié le 19960209

La présente invention est relative à la mise en combustion directe de "bois vert" préalablement divisé en fragments de petits volumes, dans le but de produire économiquement de l'énergie thermique. Le bois vert, aussitôt récolté contient une forte proportion d'eau, dépassant généralement 50%. Les thermiciens savent qu'il est difficile sinon impossible d'utiliser, tel que, le bois vert dans les appareils de chauffage de technique courante. Avant utilisation le bois devra donc être séché. A cet effet, après abattage, il séjournera suffisamment longtemps sur place ou mieux encore, sous abri. Ainsi l'on obtient, après plus d'un an, le bois de chauffage de bonne qualité contenant 15 à 20% d'eau. Plus récemment des chaufferies de grande puissance ont été conçues, elles utilisent comme combustible du bois fragmenté qui permet l'alimentation automatique de générateurs thermiques. Ces chaufferies ont été conçues pour s'accommoder de bois contenant jusqu'à 35% d'eau. Aulâ, leur rendement baisse. La nécessité d'un séchage au moins partiel subsiste donc. Le bois fragmenté est le plus souvent obtenu par déchiquetage mécanique de "rémanents forestiers" ou encore de déchets de scierie. Les fragments sont alors dénommés "Plaquettes" ou "chips" en langue anglaise. La fragmentation s'opére après séjour du bois abattu, suffisant pour ramener son taux d'humidité à 35%. Il y a donc nécessité d'une reprise avec utilisation de main d'oeuvre pour alimcnter la machine. Une autre façon de produire du bois fragmenté consiste à exploiter en coupes réglées des plantations spécifiques de taillis (en très courte rotation ) implantées pour cela en lignes. Ces plantations produisent des tiges rectilignes qui sont récoltécs mécaniquement et tranchées simultanément et perpendiculairement afin de les réduire en petits tronçons (Documents Fr. 8507839 - 86.00307 - 87.12674 ). La main d'oeuvre est alors limitée au seul chauffeur de machine, cependant le bois récolté contient plus de 50% d'eau. Pour réduire cette humidité, il faudra le rassembler en silos équipés de ventilateurs mécaniques. On conçoit dès lors l'incidence économique afférente au séchage partiel, mais nécessaire, du bois avant son utilisation comme combustible pour chaufferie. D'où l'avantage de pouvoir disposer de générateurs thermiques susceptibles de s accommoder de l'utilisation de bois contenant audela de 50% d'eau. C'est l'objet de la présente invention. Ainsi que toutes installations ces nouveaux générateurs possédent une réserve individuelle destinée à leur procurer une certaine autonomie de fonctionnemenL Cette réserve devra être équipée d'une ventilation mécanique de faible puissance ( environ 10 Watt par m3 de capacité installée ) capable de s'opposer efficacement au développement des fermentations anaérobies et des moisissures, lesquelles en peu de temps abaisseraient le potentiel calorifique du bois et rendraient difficiles les manipulations mécaniques ultérieures. Grâce à cette disposition peu coûteuse, les silos individuels peuvent êtres alimentés directement à partir des sources de production sans autres opérations intermédiaires que la récolte et son hachage. D'autre part les thermiciens savent aussi que le séchage, lorsqu'il est provoqué et qu'on le veut rapide, de petits éléments à déshydrater sera obtenu efficacement sous deux conditions: - La première concerne le volume des éléments à sécher, lesquelles, aussi réduits que possible seront par exemple pour le bois compris entre 1 et 3 cm3; - La seconde concerne l'élévation de température des dits éléments. Elle devra être la plus élevée possible, compatible avec l'état recherché de la matière après ce traitement. Or, selon l'invention présente, cet état faisant immédiatement suite au séchage provoqué sera sa mise en combustion. Ainsi la monté en température des fragments de bois vert pourra donc, sans inconvénient, être rapide et élevée. Le procédé de combustion pour "bois vert" préalablement divisé en fragments, proposé selon l'invention, consiste à établir sur une grille, et à partir de l'approvisionnement continu en dits fragments, un lit de combustion de faible épaisseur et de hauteur constante de telle sorte que la perte de charge, offerte au flux d'air de combustion qui le traverse de haut en bas, reste réduit et uniforme. Il est caractérisé en ce que le dit air de combustion est préalablement porté à température élevé. Selon l'invention l'énergie devant porter à température élevée, le dit flux d'air de combustion est prélevé sur celles du processus de combustion lui-même. Deux dessins sont annexés à ce dossier : La planche 1/2 représente un mode de réalisation non limitatif d'un calorifère selon l'invention ; La planche 2/2 est une vue schématique de l'installation de chauffage complète comprenant le calorifere lui-même et les accessoires nécessaires à son fonctionnement. Le caloritere, dans l'exemple choisi, est employé pour élever la température de l'eau parcourant un circuit hydraulique extérieur, non représenté. La planche 1/2 montre en coupe le calorifere lui-même. celuici est construit et fonctionne selon son axe de asymétrie vertical (1). Son enveloppe cylindrique (2) est évidée de haut en bas, selon son axe de symétrie. Elle est constituée de la double paroi (3), laquelle dans sa partie inférieure est occupée par un faisceau tubulaire dont les tubes verticaux (4) et (5) sont les seuls éléments représentés sur le dessein. Ils sont ouverts à leurs extrémités (6) et (7). La double paroi comporte les issues "entrée" (8) et "sortie" (9). Elle est parcourue par l'eau 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 (3), il passe entre les tubes du dit faisceau et débouche dans la chambre cylindrique (Il). Ce tube ouvert aux deux extrémités contient une vanne papillon réglable (12). L'évidement (13) de la pièce en matériaux réfractaire (13 bis) supporte, grâce à l'épaulement (14) I'entonnoir dénommé 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 forme de creuset réalisé en pisé réfractaire. La chambre (18) est percée 9 sa base (19) et selon son axe de symétrie pour formé le canal (21) prolongé par le chambrage (22), lequel est en communication avec le volume (11) par l'intermédiaire des 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 la matière constituant la chambre de combustion (18). Le volume (11) est fermé, à 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). elle possède en sa partie inférieure une bride (28) sous laquelle une contre-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). Le calorifere, planche 1/2, pour la combustion de bois dans lequel les fragments sont déposés en continu à l'intérieur de l'entonnoir (15) porté à température élevée, dénommé ci-après foyer, pour y être partiellement consumés en présence d'un flux d'air primaire organisé par dépression afin de traverser de haut en bas, la température du dit foyer résultant de sa position au centre de la chambre de combustion (18) ayant la forme d'un creuset à l'intérieur duquel il est suspendu et dans lequel, après retournement vers le haut les gaz en ignition achèvent leur combustion, en présence d'un flux d'air secondaire, débouchant à la base du foyer (15), gaz en ignition entraînant avec eux les cendres issues de la combustion du bois avant de gagner le faicceiiu tubulaire (4-5) de l'échangeur thermique pour y céder l'essentiel de leur potentiel calorifique (la présente description qui concerne la planche 1/2 est jusqu'ici intégralement reproduite à partir du document FR 93.11200), est caractérisé en ce que à l'intérieur du dit entonnoir-foyer (15) est positionné une grille (32) délimitant d'une part une zone supérieure de faible épaisseur dénommée lit de combustion (33) occupé part les fragments de bois se consumant et d'autre part une zone inférieure (34) parcourue dans le même sens par les gaz en ignition. La grille (32) est positionnée dans la moitié supérieure de l'entonnoir-foyer (15), sur celle-ci repose le lit de combustion (33), elle est caractérisée en ce que la surface de passage délimitée par chacune de ses mailles est voisine ou supérieur au centimètre carre. La chambre de combustion (18) est coiffée par la pièce en matière réfractaire (13 bis). Le calorifère est caractérisé en ce qu'il comporte, traversant le sommet de la chambre de combustion où ils sont chauffés extérieurement les élément tubulaires (35) d'un échangeur thermique ayant pour objet l'élévation de température du flux d'air de combustion pulsé à débit réglable la parcourant intérieurement avant de déboucher dans l'entonnoir d'alimentation (38) par les orifices (37) disposés en couronne. Le calorifère est encore caractérisé en ce que entre le dit calorifere et le ventilateur (45) est inséré un échangeur condenseur (44) lequel est équipé d'un siphon (46), les entrées (48) et sortie (49) de l'échangeur (44) sont raccordées au circuit hydraulique de chauffage dans sa zone la plus froide. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de l'exposé qui suit et analyse le fonctionnement d'une installation mettant en oeuvre le procédé et le calorifère selon l'invention. Le silo (39) est préalablement empli de bois vert, et le ventilateur (40) de faible puissance est mis en route. Il place le silo en dépression de telle sorte qu'une légère entrée d'air y pénètre par sa base et traverse la masse stockée, évitant ainsi les dégradations anaérobies du bois. Pour l'allumage du calorifère, du charbon de bois est déposé sur la grille (32) du foyer (15). Cette précaution permettant, lors de l'allumage, d'éviter, l'émission de fumées. Les ventilateurs (45) et (42) sont mis en marche : Le premicr établi dans le calorifère la dépression qui détermine l'apport des flux d'air de combustion, l'un primaire au travers de l'entonnoir (38), L'autre secondaire, à la base du foyer (15); Le second (42) forme le flux d'air passant par l'échangeur (35). Ce flux est porté à température élevée lorsque le calorifère est en fonctionnement. On remarquera en passant que lorsque le flux débité par le ventilateur (42) est porté à son maximum il est susceptible d'annuler et donc de se substituer au flux d'air devant traverser le col de l'entonnoir (38). On conçoit qu'en agissant sur le débit du ventilateur (42) il devient possible de régler la température (par le mélange des deux flux) de l'air de combustion devant traverser le lit de combustion. Cette possibilité de réglage des températures du comburant sera utilisée selon l'invention, non seulement pour réaliser la combustion de bois vert le plus hydraté mais encore des fournitures de bois à taux d'humidité moins important. Dans une certaine mesure il est aussi possible par ce moyen et à partir d'une livraison de bois à taux d'humidité déterminé de régler la puissance développée par le calorifère. Au moment de l'allumage, I'échangeur (35) est sans effet sur la température de l'air qui le traverse, on y remédie en utilisant le réchauffeur électrique (43). L'allumage du charbon de bois occupant le foyer se fait à l'aide d'une flamme quelconque appliquée pendant quelques secondes en passant par l'entonnoir (38). La mise en combustion s'établit alors rapidement et l'alimentation en bois vert peu commencer. Le foyer (15) est métallique et donc conducteur de la chaleur. Il est positionné à l'intérieur de la chambre de combustion (18) dont il subit le rayonnement. Sa température s'élève rapidement. Sous l'influence de l'air de combustion porté à température élevée, le séchage du bois aussitôt déposé inlervient brutalemenl, il est suivi de près par la mise en combustion des gaz distillés à partir du bois soumis au rayonnement du foyer, puis par la combustion du carbone solide résidu de la distillation. Cette succession de réactions, qui se déroulent par la suite en continu, aboutit à consumer à vitesse constante le bois vert livré au calorifère. Le flux d'air primaire admis au travers du lit dc combustion n'autorise qu'unc combustion partielle du combustible, elle produit donc du gaz CO. Cette disposition qui limite l'intensité exothermique de la première réaction de combustion dans le foyer est délibérée. Elle fait partie d'un lot de mesures prises pour fixer en dessous de 900"C la température atteinte par le foyer et la grille du calorifère qui conserveront ainsi leur longévité. D'autre par les cendres issues de la combustion sont véhiculées par les gaz en ignition, or elles sont vitrifiées au dessous de cette même température ce qui aurait pour effet de les agglutiner. Ces mesures prises sont les suivantes: - Le calorifère est destiné à consumer le bois dont le pouvoir calorifique, une fois déshydrater, ne dépasse pas 4000 KCal/Kg. - La combustion dans le foyer du calorifère n'est que partielle elle produit du gaz CO et non Cd, avec dégagement partiel de l'énergie potentielle. - La combustion second, produisant le gaz C02 , intervient dans la chambre enveloppant le foyer. L'échange thermique, en sa périphérie avec le fluide hydraulique du circuit de chauffage, y est organisé pour limiter l'élévation de la température. - Les apports d'air de combustion sont impérativement réduits dès que cesse l'alimentation en bois vert. En effet dans cette situation, voulue lors de l'arrêt de l'installation ou accidentelle, le contenu du foyer se transforme en totalité après distillation, en charbon de bois lequel possède un pouvoir calorifique double de celui du bois. Dans ce cas il y aurait aussitôt surchauffe à l'intérieur du calorifère avec éventualité de détruire le foyer et la grille. Sous la grille se développe une première flamme qui est réductrice. Elle entraîne avec elle les cendres, résidus de la combustion du bois. L'expérience montre que les passages formés par les mailles de la grille doivent être au moins de un centimètre carré, faute de quoi il y a risque d'accumulation de cendres bloquant son fonctionnement. Nous avons vu précédemment l'existence d'une limite de la température admissible. A la base de la chambre et donc a l'issue du foyer (15) est admis le flux d'air secondaire qui assure la combustion du gaz CO initialement produit. Cette combustion s'opére après son retournement vers le haut dans la chambre annulaire. Les gaz brûlés lèchent l'échangeur (35), dont la fonction fut analysée précédemment, puis franchissent l'échangeur tubulaire (4-5) où ils cèdent l'essentiel de leur énergie. On remarquera que l'expansion radiale des volumes parcourus par les gaz brûlés, combinée avec leur abaissement de température consécutif à la traversée de l'échangeur (4-5) ont pour résultat une réduction importante de leur vitesse d'écoulement. C'est alors que leur séparation d'avec les cendres qu'ils véhiculaient va se produire. Ces derniers longeant la virole conique (26) continuent leur course vers le conteneur (27) tandis que les gaz brûlés se dirigent, par l'intermédiaire de la conduite (31), vers l'echangeur-condenseur inséré dans la zone en retour la plus froide du circuit hydraulique du circuit de chauffage (44). Quittant le calorifère lui-même vers 1500C, les gaz brûlés céderont à ce second échangeur une partie importante de leur potentiel résiduel : d'une part, par simple échange en ce qui concerne les gaz brûlés eux-mêmes et d'autre part par condensation pour la vapeur d'eau produite lors du séchage initial du bois et, en moindre quantité lors de sa combustion. Du ventilateur (45) sera extrait finalement un mélange basse température comprenant les gaz brûlés et de l'eau vésiculaire. L'eau de condensation sera évacuée après son passage dans le siphon (46) lequel s'oppose à l'entrée d'air que provoquerait, en son absence, la dépression établie par le ventilateur (45). A la sortie du calorifère proprement dit, les gaz brûlés contiennent encore quelques cendres ultra-frnes. Celles-ci seront filtrées lors de la condensation de l'eau dans l'échangeur (44) et évacuées avec l'eau condensée. Quelques observations et réflexions clôtureront cet exposé. 1- Lorsque le calorifère, selon l'invention fonctionne à partir de bois vert il suffit de quelques minutes de substitution de l'air de combustion chaud par de l'air froid pour l'étouffer. 2- L'apport continu de bois vert à la surface du lit de combustion occulte l'émission du rayonnement infrarouge émis par les braises sous-jacentes. L'arrêt de cet apport est donc détectable, par cette même émission, qui réapparaît. 3- La teneur élevée en eau, des fragments de bois déposés à la surface du lit de combustion, interdit leur mise à feu par le flux d'air de combustion porté à température élevée. Des lors celleci peut dépasser 350"C. Cette situation se prolonge tant qu'il y a apport de bois vert. 60 secondes suffisent en cas d'arrêt de cet apport pour qu'apparaissent l'ignition des éléments de plus petits volumes. 4- L'eau contenue dans le bois vert déposé à la surface du lit est rapidement transformée en vapeur, laquelle inerte comme l'azote contenu dans l'air de combustion, traverse le foyer en ignition et contribue au transfert des calories produites à une température modérée, ce qui est recherché pour la bonne tenue du foyer et de la gnlle mais aussi pour permettre le transport des cendres par les gaz brûlés. 5- L'énergie utilisée lors du séchage du bois vert à la surface du lit de combustion est prélevée au processus de combustion à l'intérieur même de la chambre (18). Elle lui est en totalité restituée, mais dégradée, sous la double forme: d'une certaine élévation de température de l'air de combustion, d'une part, et contenue dans la vapeur d'eau extraite du bois de l'autre, vapeur traversant le foyer et se retrouvant mêlée avec les gaz brûlés, d'où l'utilité du second échangeur condenseur qui permet d'en récupérer une partie importante. 6- En exploitant la possibilité de régler la dépression dans le calorifere qui est seulement de quelque 100 Pa, on dispose d'un moyen d'ajuster la puissance développée par le générateur. 7- L'inertie de fonctionnement du calorifere correspond à la quantité de bois mis en oeuvre à l'intérieur de son foyer. Elle est donc courte. Cette technique s'apparente donc à celle des brûleurs pour lesquels les apports de comburant et de carburant sont réglés dans la plus juste proportion pour fournir la combustion complète capable du meilleur rendement. 8- Pour l'établissement de générateurs de grande puissance fonctionnant sur ce principe, la construction selon un axe de symétrie vertical aboutirait à la formation d'une zone centrale très éloignée des surfaces d'échange et par conséquent sans doute trop chaude. Afin de parer à cet inconvénient, de tels appareils pourraient être construits selon un plan de symétrie vertical. Le dessin de la planche 1/2 représentant alors la coupe de l'appareil dont l'extension serait longitudinale. Revendications. I - Procédé de combustion pour "bois vert" préalablement divisé en fragments selon lequel on établit sur une grille, et à partir de l'approvisionnement continu en dits fragments, un lit de combustion de faible épaisseur et de hauteur constante de telle sorte que la perte de charge offerte au flux d'air de combustion qui la traverse de haut en bas reste réduite et uniforme, caractérisé en ce que le dit air de combustion est préalablement porté à température élevée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie devant porter à température élevée le dit flux d'air est prélevé sur celle issue du processus de combustion luimême. 3 - Calorifere, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, pour la combustion de "bois vert" dans lequel les fragments de bois sont déposés en continu à l'intérieur de l'entonnoir (15) porté à température élevée, dénommé ci-après foyer, pour y être consumé partiellement en présence d'un flux d'air primaire organisé par dépression afin de le traverser de haut en bas, la température du dit foyer résultant de sa position au centre de la chambre de combustion (18) ayant la forme d'un creuset à l'intérieur duquel il est suspendu et dans lequel après retournement vers le haut les gaz en ignition achèvent leur combustion en présence d'un flux d'air secondaire débouchant à la base du foyer (15), gaz en ignition entraînant avec eux les cendres issues de la combustion du bois avant de gagner le faisceau tubulaire (4-5) de l'échangeur thermique pour y céder l'essentiel de leur potentiel calorifiquc, caractérisé en ce que à l'intérieur du dit foyer (15) est positionnée une gnlle (32) délimitant d'une part une zone supérieure de faiblie épaisseur dénommée lit de combustion (33) occupée par les fragments de bois se consumant, et d'autre part une zone inférieure (34) parcourue dans le même sens par les gaz en ignition. 4 - Caloriiêre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface de passage délimitée par chacune des mailles de la grille (32) est voisine ou supérieure au centimètre carré. 5 - Calorifère selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'apport de l'air de combustion est impérativement réduit aussitôt que cesse l'alimentation en fragments de bois. 6 - Calorifère selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte, traversant le sommet de la chambre de combustion où ils sont chauffés extérieurement, les éléments tubulaires (35) d'un échangeur thermique ayant pour but l'élévation en température du flux d'air pulsé de combustion, à débit réglable, le parcourant intérieurement avant de déboucher dans l'entonnoir d'alimentation (38) par les orifices (37) disposés en couronne. 7 - Calorifère selon l'une des revendications 3 à 6, fonctionnant en dépression du fait de l'action d'un ventilateur d'extraction des gaz brûlés (45) et comportant, incorporé un échangeur tubulaire (3-4) récoltant l'essentiel de l'énergie produite, caractérisé en ce que entre le calorifere et le dit ventilateur (45) est intercalé un échangeurcondenseur (44).