Brevet FR2765670A1 — publié le 19990108

PROCÉDÉ ET INSTALLATION DE PRODUCTION DE CHALEUR PAR COMBUSTION DE COMBUSTIBLES À FAIBLE POUVOIR CALORIFIQUE La présente invention concerne un procédé et une installation de production de chaleur par combustion de combustibles à faible pouvoir calorifique tels que les déchets industriels banals combustibles et les combustibles provenant de la biomasse. L'évolution de la réglementation sur la limitation des rejets solides et de polluants gazeux, d'une part, et l'intérêt économique engendré par le remplacement de combustibles nobles, tels que le charbon, le fuel, le gaz, par des combustibles de récupération pour la production d'énergie, d'autre part, ont conduit à s'intéresser à la valorisation de divers déchets combustibles à faible pouvoir calorifique. Parmi ces déchets combustibles figurent les déchets industriels banals combustibles tels que les déchets de carton, de papier, de matière plastique non souillée etc... et les combustibles provenant de la biomasse tels que des copeaux de bois non souillés, des cosses de fruits, d'amandes, des fibres ligneuses, la paille, la bagasse, etc.... Les combustibles provenant de la biomasse présentent des propriétés très intéressantes du fait de leur coût de production faible ou même éventuellement nul et de leur caractère de renouvelabilité. L'utilisation de combustibles issus de la biomasse, pour la production d'énergie calorifique, est souvent limitée par l'hétérogénéité de leur aspect et la variabilité de leur taux d'humidité qui affectent les performances des générateurs de chaleur en ce qui concerne le rendement et la puissance, ainsi que les rejets polluants, et par la dispersion des sources de ces combustibles, du coût de leur transport et de leur stockage intersaisonnier qui les rendent non compétitifs en regard des sources d'énergie classiques telles que le charbon, le fuel ou le gaz. La présente invention a pour but de fournir un procédé et une installation de production de chaleur qui permettent de s'affranchir des variations d'humidité d'un combustible à faible pouvoir calorifique, avec des contraintes minimales de granulométrie, tout en garantissant une qualité de combustion et des performances de rendement quelles que soient les caractéristiques du combustible brûlé, et de diminuer sensiblement le coût d'accès à l'énergie par la combustion de déchets végétaux ou industriels d'un coût faible, nul ou même négatif. A cet effet, ce procédé de production de chaleur à partir de combustibles à faible pouvoir calorifique, tels que des déchets industriels banals combustibles et des combustibles provenant de la biomasse, est caractérisé en ce qu'on brûle le combustible dans un réacteur à lit fluidisé, en réglant les conditions initiales de la combustion de manière à assurer une combustion autothermique, à une température de consigne d'au moins 850 C, le combustible solide et les effluents gazeux étant maintenus à cette température pendant au moins 2 secondes, pour un combustible de référence qui est le combustible le plus humide pouvant être utilisé, on règle ensuite le débit du combustible de manière à maintenir constante la teneur en oxygène des fumées et on maintient la température du lit fluidisé à la valeur de consigne en injectant un fluide d'appoint dans le lit fluidisé lorsque la température du lit a tendance à s'écarter de la température de consigne. L'invention a également pour objet une installation de production de chaleur par combustion de combustibles à faible pouvoir calorifique, comportant un réacteur à lit fluidisé formé au-dessus d'une grille de fluidisation, un circuit d'alimentation en air de fluidisation sous pression introduit dans le réacteur, en dessous de la grille de fluidisation et traversant cette grille de bas en haut pour la formation du lit fluidisé, un dispositif d'alimentation en combustible solide de granulométrie adaptée, débouchant dans le réacteur au-dessus de la grille de fluidisation et un régulateur du débit de combustible, caractérisée en ce que le régulateur du débit de combustible est relié à un capteur détectant la teneur en oxygène des fumées produites et en ce qu'elle comporte un dispositif d'injection d'un fluide d'appoint dans le lit fluidisé, ce dispositif comportant une canalisation reliée à au moins une source de fluide d'appoint et débouchant dans le réacteur au niveau de la grille de fluidisation ou dans le lit fluidisé, une vanne de régulation du débit de fluide d'appoint, branchée sur la canalisation, un régulateur commandant la vanne et un capteur de température détectant la température du lit fluidisé et relié au régulateur de manière à faire varier le débit du fluide d'appoint, par l'intermédiaire de la vanne, en fonction de la variation de la température du lit fluidisé. Le fluide d'appoint injecté dans le lit fluidisé peut être de l'eau, ou encore un fluide endothermique qui peut être soit un combustible liquide à faible pouvoir calorifique, tel que, par exemple, une boue provenant d'une station d'épuration, soit l'effluent liquide résultant du traitement des fumées produites par lavage. Si cet effluent liquide est faiblement calorifique, l'énergie qu'il contient est récupérée par sa combustion dans le foyer. Dans les deux cas précédents, les composés en suspension ou ceux dissous sont piégés partiellement par les solides constituant le lit et évacués avec les mâchefers. Le fluide d'appoint peut être constitué par un fluide exothermique, tel qu'un gaz ou un liquide, lorsqu'il se révèle nécessaire de compenser une baisse de la température du lit. Le procédé et l'installation suivant la présente invention présentent plusieurs avantages. En premier lieu, le procédé est indépendant du degré d'humidité du combustible donc de la saison d'utilisation et des conditions environnantes. Par ailleurs, le flux thermique fourni par le réacteur à lit fluidisé est constant et le rendement de l'installation est constant quelle que soit la qualité du combustible introduit dans le réacteur. La vitesse de fluidisation et par conséquent le débit d'air de fluidisation et l'excès d'air sont également constants, de même que le temps de séjour des fumées à la température fixée par la réglementation avant leur rejet à l'atmosphère. En ce qui concerne la récupération de l'énergie, les échangeurs se trouvant dans le réacteur fonctionnent d'une manière optimale quelle que soit la qualité du combustible, du fait qu'ils sont balayés par un flux thermique constant. La réponse aux variations de la qualité du combustible utilisé est rapide parce que le réglage du débit du fluide d'appoint est aisé et qu'une variation de ce débit entraîne une variation immédiate de la température du foyer. Enfin, la régulation du fonctionnement de l'ensemble de l'installation est particulièrement aisée. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est un schéma d'une installation de production de chaleur mettant en oeuvre le procédé suivant la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe verticale partielle d'une forme d'exécution de la grille de fluidisation du réacteur à lit fiuidisé de l'installation. La figure 3 est une vue en coupe verticale d'une buse de distribution de l'air de fluidisation et du fluide d'appoint faisant partie de la grille de fluidisation. La figure 4 est une vue en coupe horizontale faite suivant la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 5 est une vue en coupe verticale d'une variante d'exécution d'une buse de distribution d'air de fluidisation et d'introduction du fluide d'appoint. L'installation de production de chaleur qui est représentée sur la figure 1 comporte un réacteur à lit fluidisé 1 dans la partie inférieure duquel s'étend une grille de fluidisation horizontale 2 délimitant en dessous d'elle un compartiment 3 d'entrée de l'air de fluidisation. Cet air de fluidisation est introduit dans le compartiment 3 par une canalisation 4 reliée à un ventilateur 5 qui fournit également, par une canalisation 6, de l'air dans la chambre de combustion du réacteur 1 se trouvant au-dessus de la grille de fluidisation 2 et dans laquelle se trouvent des échangeurs de chaleur non représentés. Cette grille supporte, de la manière classique, un lit fluidisé 7 qui est constitué de particules solides, par exemple de sable, qui sont soulevées de la grille 2 lors du passage de l'air de fluidisation vers le haut à travers les ouvertures de la grille 2. L'installation suivant la présente invention comporte également un dispositif 8 d'alimentation en combustible à faible pouvoir calorifique, ce combustible pouvant être constitué par un déchet industriel banal ou encore par un combustible provenant de la biomasse. Le combustible utilisé se présente naturellement sous la forme de particules ou grains de dimension adaptée pour pouvoir s'intégrer aisément dans le lit fluidisé 7 et y être brûlé. Le débit du combustible fourni au réacteur 1 est déterminé par un régulateur 9 qui agit sur le dispositif d'alimentation en combustible 8 et qui est commandé par un capteur 11 placé dans la partie supérieure du réacteur 1 pour détecter la teneur en oxygène des fumées. L'installation suivant la présente invention est également pourvue de moyens qui permettent d'injecter dans le foyer du réacteur 1, c'est-à-dire dans la zone du lit fluidisé 7, un fluide d'appoint pour contrôler la température du lit fluidisé 7. Ce fluide d'appoint est fourni par une canalisation 12 qui débouche dans le réacteur 1, au niveau de la grille de fluidisation 2 ou directement dans le lit fluidisé 7, par l'intermédiaire d'une vanne 13 commandée par un régulateur 14 commandant le débit du fluide d'appoint. Ce régulateur 14 est connecté à un capteur de température 15 logé dans le lit fluidisé 7 pour détecter la température de ce lit. Sur la figure 1 sont représentées plusieurs sources susceptibles de fournir le fluide d'appoint. Ce fluide d'appoint peut être soit de l'eau fournie par une source 16, soit un agent endothermique qui peut être un combustible liquide à très bas pouvoir calorifique, tel que, par exemple, une boue de station d'épuration, fournie par une source 17, soit encore un agent exothermique tel qu'un gaz ou un liquide fourni par une source 18. Le fluide d'appoint peut être aussi constitué par l'effluent liquide résultant du traitement des fumées par lavage. Sur la figure 1 est représenté schématiquement un appareil 19 de lavage des fumées à la partie inférieure duquel est recueilli l'effluent de lavage 21 qui peut être dirigé soit vers la canalisation 12 d'alimentation en fluide d'appoint soit vers une autre installation de traitement ou de valorisation. Les composés en suspension ou dissous se trouvant dans le combustible liquide à faible pouvoir calorifique, tel qu'une boue de station d'épuration, fourni par la source 17 ou dans l'effluent de lavage 21, sont piégés par les particules solides constituant le lit fluidisé 7 et évacués avec les mâchefers. Le procédé et l'installation suivant la présente invention tiennent compte des variations de la qualité du combustible introduit dans le réacteur 1 et ils assurent une autorégulation instantanée du fonctionnement. En effet, les combustibles à faible pouvoir calorifique qui sont utilisés, à savoir les déchets industriels banals combustibles et les combustibles provenant de la biomasse, présentent un taux d'humidité très variable et une telle variation du taux d'humidité entraîne une perturbation des performances de l'installation en matière de rendement énergétique et de temps de séjour des gaz dans le foyer. Par exemple, une augmentation du taux d'humidité du combustible entraîne une baisse de la température du foyer d'où la nécessité de recourir à un combustible d'appoint et si la température ne peut pas être maintenue à sa valeur de consigne, le temps de séjour des gaz à la température de consigne se trouve réduit d'où également la nécessité de recourir à un combustible d'appoint pour respecter ce temps de séjour. Pour résoudre ce problème il est prévu, suivant la présente invention, de régler les conditions initiales de la combustion, dans le réacteur 1, de manière à assurer une combustion autothermique, c'est-à-dire s'entretenant d'elle-même, à une température de consigne d'au moins 850"C, pendant un temps de séjour ou de maintien du combustible solide et des effluents gazeux à cette température d'au moins 2 secondes, pour un combustible de référence qui est le combustible le plus humide devant être utilisé. Si les caractéristiques du combustible (teneur en humidité, caractère plus ou moins cendreux) viennent à varier, les régulateurs 9 et 14 interviennent pour compenser ces variations et maintenir constante la température du lit fluidisé 7. Plus particulièrement, si le taux d'humidité diminue par rapport à celui du combustible de référence, la teneur en oxygène des fumées tend à diminuer et cette diminution est détectée par le capteur 11 de la teneur en oxygène. Ce capteur agit sur le régulateur 9 qui réduit alors le débit de combustible pour maintenir constante la teneur en oxygène des fumées. Parallèlement, la température du lit fluidisé 7 tend à augmenter. Cette augmentation de température qui est détectée par le capteur 15, est transmise au régulateur 14 qui agit sur la vanne 13 pour introduire le fluide d'appoint, tel que de l'eau ou un combustible endothermique, dans le lit fluidisé 7, afin d'abaisser la température de ce lit pour la maintenir constante. Si le combustible utilisé vient à être plus cendreux que le combustible de référence, la teneur en oxygène des fumees tend à augmenter. Cette augmentation de teneur est, là encore, détectée par le capteur 11 qui agit sur le régulateur 9 pour autoriser, dans ce cas, un débit de combustible plus important. Cette augmentation de débit du combustible compense la baisse de température du lit fluidisé qui résulte normalement de l'utilisation d'un combustible plus cendreux. Dans le cas contraire, c'est-à-dire si le combustible utilisé vient à être moins cendreux que le combustible de référence, la teneur en oxygène des fumées diminue et cette diminution de la teneur en oxygène, transmise au régulateur 9, provoque une réduction du débit de combustible assurant une compensation de la hausse de température du lit fluidisé du fait d'un combustible moins cendreux. L'installation suivant la présente invention peut comporter également, ainsi qu'il est connu dans la technique antérieure, des échangeurs de chaleur qui sont plus ou moins immergés dans le lit fluidisé 7 ou à immersion variable dans ce lit, par la variation de la hauteur du lit fluidisé ou par un système mécanique agissant sur la position des échangeurs dans le lit fluidisé, afin de régler la température du lit fluidisé 7. On décrira maintenant d'une façon plus détaillée, en référence aux figures 2 à 5, diverses formes d'exécution de la grille de fluidisation 2 adaptée pour la mise en oeuvre du procédé suivant la présente invention. La technique de combustion en lit fluidisé dense 7 en particulier suppose une bonne répartition de l'air sous la grille afin de mettre l'ensemble de la masse des particules solides constituant le lit 7 en suspension dans l'air. Les matériaux constituant la grille de fluidisation 2 doivent être en mesure de tenir à la température élevée qui règne dans le foyer. Ces matériaux sont en général soit des composés réfractaires (pièces de forme ou béton réfractaire, acier réfractaire, etc...) si la grille n'est pas refroidie, soit des aciers plus courants si la grille est refroidie. Dans ce dernier cas, cela suppose que les caractéristiques du combustible varient relativement peu autour d'une valeur moyenne, ce qui est rarement le cas lors de la combustion de combustibles provenant de la biomasse. Pour ces derniers combustibles, il importe de dimensionner la grille de fluidisation 2 pour une composition de la biomasse correspondant aux caractéristiques le plus souvent rencontrées. Lorsque le pouvoir calorifique du combustible provenant de la biomasse vient à varier brutalement, il faut, selon le cas, soit injecter un combustible d'appoint, dans le cas d'une biomasse plus humide et/ou plus cendreuse, soit tolérer un excès d'air plus important ou un arrosage du combustible, dans le cas d'une biomasse plus sèche et/ou moins cendreuse. Cela suppose des circuits d'amenée des fluides indépendants associés à un système de régulation complexe. La grille de fluidisation représentée sur les figures 2 à 5 permet de s'affranchir de ces contraintes. Comme on peut le voir sur la figure 2, la grille de fluidisation 2 est constituée d'un ensemble de buses de distribution d'air principales 22 comportant chacune un conduit vertical 23 délimité par une paroi latérale verticale 24, cylindrique ou prismatique, coiffée à son extrémité supérieure par un chapeau horizontal 25 qui est distant de l'extrémité supérieure de la paroi 24 en délimitant entre eux des orifices radiaux 26. L'air de fluidisation provenant du compartiment inférieur 3 s'écoule verticalement vers le haut dans chaque conduit 23, il est dévié horizontalement et radialement par chaque chapeau horizontal 25 et il s'écoule de nouveau verticalement vers le haut, dans chaque intervalle 27 entre les chapeaux 25 voisins, pour pénétrer dans le lit fluidisé 7. Les buses de distribution d'air principales 22 sont réparties de manière à permettre une fluidisation homogène de l'ensemble du lit 7 sur toute la surface du foyer. Aux buses principales 22 sont associés des injecteurs secondaires 28 qui s'étendent verticalement dans chaque conduit 23, le long de sa paroi latérale 24, et ces injecteurs secondaires 28 sont reliés, par l'intermédiaire de la vanne 13 et de la canalisation 12, à l'une quelconque des sources de fluide d'appoint représentées sur la figure 1. Dans la forme d'exécution représentée sur les figures 2 à 4, l'orifice d'injection 28a de chaque injecteur secondaire 28 est situé à l'endroit de l'extrémité supérieure du conduit 23 de passage de l'air de fluidisation et de l'extrémité interne d'un orifice radial 26 débouchant dans le lit fluidisé 7. Le fluide d'appoint sortant de l'orifice 28a, situé à l'extrémité supérieure de chaque injecteur secondaire 28, est ainsi entraîné dans le lit fluidisé 7 par le courant d'air de fluidisation horizontal. Dans le cas de l'utilisation, en tant que fluide d'appoint, d'un fluide liquide ou d'une boue en suspension dans l'eau, la buse de distribution principale 22 décrite précédemment présente l'avantage de ne pas nécessiter un pulvérisateur particulier. En effet, la vitesse de l'air de fluidisation s'écoulant en regard de l'orifice de sortie 28a de chaque injecteur secondaire 28 est suffisante pour provoquer un "éclatement" du fluide d'appoint et un entraînement des gouttelettes formées. Suivant une variante, chaque buse de distribution principale 22 peut être équipée de plusieurs injecteurs secondaires 28 qui sont respectivement reliés à des circuits d'alimentation en fluides d'appoints différents, ce qui permet d'injecter dans l'air de fluid:sation différents fluides d'appoint suivant les besoins. Suivant une autre variante, chaque buse de distribution principale 22 peut ne comporter qu'un seul injecteur secondaire 28 relié à un circuit d'alimentation en fluide d'appoint équipé d'un dispositif de régulation permettant de passer d'un fluide d'appoint à un autre suivant l'évolution de la qualité du combustible provenant de la biomasse utilisé. Lors de l'arrêt de l'installation ou pendant un arret thermostatique ou encore avec le redémarrage de l'installation, il est préférence de balayer le circuit de fluide d'appoint aboutissant aux injecteurs secondaires 28 par de l'air afin d'éviter tout risque d'incident par suite d'une accumulation de gaz dans le foyer. Dans la variation d'exécution représentée sur la figure 5, chaque injecteur secondaire 28 est fermé à son extrémité supérieure et l'orifice 28a d'injection du fluide d'appoint est prévu dans la partie inférieure de l'injecteur secondaire 28 de manière que le fluide d'appoint soit injecté dans la zone où l'air de fluidisation pénètre dans le conduit central 23. La grille de fluidisation 2 dont des formes d'exécution non limitatives ont été décrites précédemment en référence aux figures 2 à 5, présente plusieurs avantages. Elle est capable de brûler des combustibles divers et variés, seuls ou en mélange ; au démarrage, elle permet d'assurer un soutien thermique pour la mise en température du lit fluidisé, en portant la masse de particules inertes, constituant le lit, de la température d'auto-allumage du combustible d'appoint jusqu'à la température de consigne de sorte que la puissance du brûleur de démarrage s'en trouve réduite et, à l'arrêt, elle permet d'achever la combustion des parties organiques qui se trouvent dans le lit fluidisé 7 et en évitant ainsi les risques de prise en masse du lit et les combustions incomplètes et incontrôlées qui peuvent entraîner des risques d'explosion au redémarrage de l'installation. REVENDICATIONS 1. Procédé de production de chaleur à partir de combustibles à faible pouvoir calorifique, tels que des déchets industriels banals combustibles et des combustibles provenant de la biomasse, est caractérisé en ce qu'on brûle le combustible dans un réacteur (1) à lit fluidisé (7), en réglant les conditions initiales de la combustion de manière à assurer une combustion autothermique, à une température de consigne d'au moins 850"C, le combustible solide et les effluents gazeux étant maintenus à cette température pendant au moins 2 secondes, pour un combustible de référence qui est le combustible le plus humide pouvant être utilisé, on règle ensuite le débit du combustible de manière à maintenir constante la teneur en oxygène des fumées et on maintient la température du lit fluidisé (7) à la valeur de consigne en injectant un fluide d'appoint dans le lit fluidisé lorsque la température du lit a tendance à s'écarter de la température de consigne. 2. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que, si la température du lit fluidisé (7) tend à augmenter, on injecte dans ce lit, en tant que fluide d'appoint, un fluide endothermique tandis que si la température tend à diminuer, on injecte dans le lit un fluide exothermique gazeux ou liquide. 3. Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce qu'on injecte, en tant que fluide endothermique, de l'eau, un effluent liquide faiblement combustible, un combustible à très bas pouvoir calorifique tel qu'une boue de station d'épuration ou encore un effluent liquide résultant du traitement par lavage des fumées produites. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'on injecte, dans le lit fluidisé (7), un fluide d'appoint sélectionné parmi plusieurs fluides d'appoints de natures différentes. 5. Installation de production de chaleur par combustion de combustibles à faible pouvoir calorifique, comportant un réacteur (1) à lit fluidisé (7) formé au-dessus d'une grille de fluidisation (2), un circuit (4,6) d'alimentation en air de fluidisation sous pression introduit dans le réacteur, en dessous de la grille de fluidisation (2) et traversant cette grille de bas en haut pour la formation du lit fluidisé (7), un dispositif d'alimentation en combustible solide de granulométrie adaptée, débouchant dans le réacteur (1) audessus de la grille de fluidisation (2) et un régulateur (9) du débit de combustible, caractérisée en ce que le régulateur (9) du débit de combustible est relié à un capteur (11) détectant la teneur en oxygène des fumées produites et en ce qu'elle comporte un dispositif d'injection d'un fluide d'appoint dans le lit fluidisé (7), ce dispositif comportant une canalisation (12) reliée à au moins une source (16,17,18,19) de fluide d'appoint et débouchant dans le réacteur (1) au niveau de la grille de fluidisation (2) ou dans le lit fluidisé (7), une vanne (13) de régulation du débit de fluide d'appoint, branchée sur la canalisation (12), un régulateur (14) commandant la vanne (13) et un capteur de température (15) détectant la température du lit fluidisé (7) et relié au régulateur (14) de manière à faire varier le débit du fluide d'appoint, par l'intermédiaire de la vanne (13), en fonction de la variation de la température du lit fluidisé (7). 6. Installation suivant la revendication 5 dans laquelle la grille de fluidisation (2) comporte une pluralité de buses de distribution d'air principales (22), s'étendant verticalement, comportant chacune un conduit central (23) traversé par un courant ascendant d'air de fluidisation qui est dévié ensuite horizontalement avant de pénétrer dans le lit fluidisé (7), caractérisée en ce que chaque buse de distribution d'air principale (22) comprend au moins un injecteur secondaire (28) relié à une source de fluide d'appoint (16-19) pour injecter le fluide d'appoint dans le courant d'air de fluidisation avant son entrée dans le lit fluidisé (7). 7. Installation suivant la revendication 6 caractérisée en ce que l'injecteur secondaire (28) comporte un orifice d'injection (28a) qui est situé à l'extrémité supérieure de l'injecteur (28) à l'endroit où le courant d'air de fluidisation vertical est dévié horizontalement avant de pénétrer dans le lit fluidisé (7). 8. Installation suivant la revendication 6 caractérisée en ce que l'injecteur secondaire (28) comporte un orifice d'injection (28a) qui est situé sur la paroi latérale de l'injecteur secondaire vertical (28) et qui est dirigé vers le centre de la buse principale (22) de manière à injecter le fluide d'appoint perpendiculairement au courant d'air de fluidisation vertical. 9. Installation suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisée en ce que chaque buse de distribution d'air principale (22) comporte plusieurs injecteurs secondaires (28) qui sont reliés respectivement aux différentes sources de fluide d'appoint (16-19) afin de pouvoir injecter sélectivement, dans l'air de fluidisation, un fluide d'appoint parmi plusieurs fluides d'appoint de natures différentes.