Brevet FR2823291A1 — publié le 20021011

La présente invention concerne une installation de production d'eau chaude haute température à partir de la combustion de combustibles solides et notamment de combustibles provenant de la biomasse. On sait que l'évolution de la réglementation sur la limitation des rejets solides et des polluants gazeux, d'une part, et l'intérêt économique engendré par le remplacement de combustibles nobles, tels que le charbon, le fioul, 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 récupérables figurent les combustibles provenant de la biomasse ou biocombustible, tels que des copeaux de bois non souillés, des cosses de fruit, d'amandes, des fibres ligneuses, la paille, la bagasse, etc... Les biocombustibles présentent des propriétés très intéressantes du fait de leur coût de production faible ou même éventuellement nul et de leur caractère de renouvelabilité. Toutefois, l'utilisation de ces biocombustibles pour la production d'énergie calorifique est souvent limitée par la variabilité de leur taux d'humidité qui dépend fortement non seulement du niveau de leur évolution mais encore de leur période de ramassage, des conditions atmosphériques lors de cette opération et des conditions de stockage jusqu'à leur reprise sur stock avant leur combustion. Cette forte variation d'humidité conduit à tolérer des excès d'air importants dans le cas de combustibles secs ou à injecter un combustible d'appoint (gaz, fioul ou charbon) dans le cas de combustibles très humides, ceci afin de maîtriser la combustion dans le foyer. Le demandeur a proposé pour résoudre ce problème, dans le brevet FR-A-2 765 670, de dimensionner l'unité de combustion constituée par un réacteur à lit fluidisé, pour le biocombustible le plus humide permettant une combustion autothermique, c'est-à-dire assurant le maintien de la température de combustion à une valeur de consigne, et de compenser la variation d'humidité de ce biocombustible par l'injection, dans le lit fluidisé, d'une quantité variable d'un fluide d'appoint endothermique, tel que de l'eau ou un combustible ayant un pouvoir calorifique inférieur à celui correspondant à l'autothermicité de l'unité de combustion. Le fluide d'appoint endothermique peut être aussi constitué par l'effluent de lavage liquide recueilli à la partie inférieure d'un appareil de lavage des fumées sortant du réacteur à lit fluidisé. L'installation précitée permet de produire une énergie calorifique à un seul niveau de température. Dans un second brevet FR-A-2 795 487 le demandeur a également proposé une installation de production de chaleur tenant compte automatiquement des variations d'humidité du biocombustible de base tout en garantissant à la fois une puissance totale fournie constante et une maîtrise de la répartition de cette puissance entre une énergie à température élevée (énergie haut niveau) et une énergie à température plus basse (énergie bas niveau), et ce au moindre coût de l'installation. On remarquera cependant que l'utilisation de la chaleur basse température produite dans de telles installations n'est souvent possible que dans des domaines limités et bien spécifiques, tels que notamment ceux de l'industrie du bois et des cultures sous serres. Par ailleurs, compte tenu du faible niveau des températures obtenues, le coût en comparaison de celui des corps de chauffe devient alors la plupart du temps prohibitif. La présente invention a pour but de proposer une installation du type précité dont la construction est non seulement simplifiée par rapport à celles de l'état antérieur de la technique, mais qui, de plus, se révèle particulièrement intéressante sur le plan du bilan énergétique. La présente invention a ainsi pour objet une installation de production de chaleur par combustion de combustibles provenant de la biomasse, du type comprenant un réacteur à lit fluidisé, une source de combustible exothermique à taux d'humidité variable, un circuit échangeur de chaleur immergé air/eau apte à occuper dans le foyer du réacteur différentes positions fonction de la quantité de chaleur à évacuer par cet échangeur, caractérisée en ce que : - la partie supérieure d'évacuation des gaz de combustion du réacteur est en communication directe avec des moyens aptes à assurer une humidification de ces gaz et à transformer leur chaleur sensible en chaleur de vaporisation, - elle comporte un premier étage de condensation apte à récupérer cette chaleur de vaporisation et à la transmettre à un fluide en circulation dans le circuit primaire d'un échangeur eau/eau, - le circuit secondaire de l'échangeur eau/eau est disposé en série et en amont de l'échangeur immergé air/eau et est alimenté par l'eau de retour à réchauffer, l'eau de départ étant délivrée en sortie de l'échangeur eau/eau. Les moyens aptes à humidifier les gaz de combustion pourront être constitués d'un laveur ou, dans une variante de mise en oeuvre de l'invention, par un séchoir, notamment un séchoir rotatif à bois. L'installation pourra comporter un second étage de condensation et des moyens aptes à récupérer la chaleur de celui-ci et à la transmettre à l'air de combustion du réacteur. Préférentiellement les moyens de réchauffage de l'air de combustion seront couplés avec des moyens d'humidification de celui-ci. Dans une application de l'invention, notamment une application de fonctionnement en incinérateur, l'installation comportera des moyens aptes à court-circuiter le passage de l'eau dans le circuit primaire de l'échangeur eau/eau. Préférentiellement le circuit secondaire de l'échangeur eau/eau comportera une pompe à débit variable et des moyens de commande aptes, par le contrôle de ce débit, à maintenir une différence de température constante entre la température de l'eau de retour qui entre dans le circuit secondaire de l'échangeur eau/eau et la température de l'eau (D) délivrée. La présente invention permet de moduler en fonction des besoins le rendement thermique de l'installation entre 0% (fonctionnement en incinérateur) et 94% sur PCS, soit le Pouvoir Calorifique Supérieur (fonctionnement chauffage). Elle permet ainsi, avec une même installation, de satisfaire à des besoins de fourniture de chauffage variables au cours du temps et d'élimination de D. I. B (Déchets Industriels Banals) également variables. La présente invention est également intéressante en ce qu'elle met en oeuvre un échangeur eau/eau, à l'opposé des dispositifs de l'état antérieur de la technique précités, qui font appel à des échangeurs air/eau. Or les échangeurs eau/eau possèdent un rapport de transfert de chaleur qui est de quatre à cinq fois plus élevé que celui des échangeurs air/eau. La présente invention permet ainsi, à rapport de transfert de chaleur égal, de baisser les coûts de construction de cet élément de façon particulièrement substantielle. Par ailleurs on sait que dans les réacteurs à lit fluidisé les cendres produites au cours de la combustion sont entraînées avec les gaz de combustion et ont un effet d'encrassement et d'abrasion sur l'échangeur avec lequel elles viennent en contact, avec pour conséquences de nécessiter des entretiens répétés et provoquant une usure de cet élément. La présente invention évite cet inconvénient dans la mesure où les cendres sont éliminées dans le laveur avant leur passage dans l'échangeur. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, des formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel : La figure 1 est une représentation schématique d'une installation de production de chaleur à lit fluidisé suivant l'invention. La figure 2 est une représentation schématique d'une variante de mise en oeuvre d'une installation de production de chaleur à lit fluidisé suivant l'invention, dans laquelle l'installation alimente un séchoir. L'installation de production dé chaleur qui est représentée sur la figure 1 comporte un réacteur 1 à lit fluidisé de type connu de l'état antérieur de la technique. Ce réacteur comprend ainsi à sa partie inférieure une grille 3 qui supporte un lit fluidisé 5, constitué par exemple de particules solides, notamment en sable, qui sont soulevées par un flux d'air qui est pulsé à partir du dessous de la grille 3. L'installation comporte une source de combustible 7 qui alimente le foyer par une conduite 9 dont le débit est contrôlé par une électrovanne Il commandée par un régulateur 13. Ce régulateur est relié à un capteur de température 16 qui mesure la température du lit fluidisé. La partie supérieure du réacteur 1 comporte un échangeur immergé 15 qui est monté mobile verticalement à l'intérieur du lit fluidisé 5 sous l'action de moyens de commande 17 pilotés par des moyens de régulation 19 en relation avec le régulateur 13. La partie supérieure du réacteur 1 est en communication directe avec la partie supérieure d'un laveur 20. Ce laveur est constitué d'un élément tubulaire qui comporte à sa partie supérieure une rampe d'arrosage 21 et à sa partie inférieure un bac 23 permettant de recueillir l'eau d'arrosage. Le laveur comprend également des moyens de filtration et d'évacuation des cendres non représentés sur le dessin. Une pompe 27 permet de renvoyer cette eau, par une canalisation 28, vers les rampes d'arrosage 21, de façon à la réutiliser pour assurer le lavage des fumées. Le laveur 20 est en communication, par un conduit de gaz 24, avec un double condenseur/réchauffeur 25. De façon connue, ce dernier est constitué d'une rampe d'arrosage 31 qui débouche au-dessus d'un lit d'éléments solides de garnissage de colonne 32 sur lesquels l'eau ruisselle, et qui permettent d'augmenter la surface d'échange, ces éléments de garnissage étant maintenus par une grille 33 audessous de laquelle débouche le conduit 24. Au-dessous de celle-ci se trouve un bac 34 destiné à recevoir l'eau de condensation, qui est relié par une conduite 29 à l'entrée 30a du circuit primaire (ou source chaude) d'un échangeur 30 dont la sortie 30b alimente la rampe d'arrosage 31. L'eau de retour R provenant de l'installation arrive à l'entrée 30c du circuit secondaire (ou source froide) de l'échangeur 30 et, après avoir l'avoir traversé, sort de celui-ci par sa sortie 30d pour traverser ensuite l'échangeur immergé 15 et retourner en D vers l'installation avec de l'eau réchauffée. L'installation comporte un second étage de condensation qui est couplé avec un réchauffeur de l'air d'alimentation de la combustion. Ce second étage est ainsi constitué, comme précédemment, d'une rampe d'arrosage 36 qui débouche au-dessus d'un lit d'éléments de garnissage 38, maintenus par une grille 40 au-dessous de laquelle est disposé un récupérateur 42 relié à une conduite 44 qui amène l'eau récupérée et réchauffée dans une rampe d'arrosage 46 disposée au-dessus d'un lit d'éléments de garnissage 48 maintenus par une grille 50. L'eau est récupérée à la partie inférieure du condenseur/réchauffeur 25, dans un bac 52 d'où elle est ramenée par une conduite 54, au moyen d'une pompe 56, vers la rampe d'arrosage 36. Un ventilateur 58 aspire l'air extérieur A et le pulse sous la grille 50, de sorte qu'il traverse le lit d'éléments de garnissage 48 où il se réchauffe et s'humidifie et est amené, par une conduite 60, dans le réacteur 1 où il assure l'alimentation en air du lit fluidisé 5 (air de combustion). On décrira maintenant le fonctionnement de la présente installation. Ainsi qu'il est connu de l'installation décrite dans le brevet FR-A-2 795 487, l'échangeur 15 est utilisé pour maintenir constante la température du lit fluidisé 5. Ainsi, quand une augmentation de température du foyer est détectée par le capteur de température 16, les moyens de régulation 19 agissent sur les moyens de commande 17 pour descendre l'échangeur immergé 15 dans le lit fluidisé 5 où il absorbe une quantité de chaleur plus grande, équilibrant de ce fait la température du foyer. A l'inverse une baisse de température du foyer entraîne une remontée de l'échangeur 15. En sortie du réacteur 1 les gaz de combustion pénètrent dans le laveur 20 où ils sont soumis à l'action de l'eau délivrée par la rampe 21, sous l'action de laquelle ils se refroidissent en évaporant une partie de l'eau de lavage, si bien que leur température passe d'environ 850 C à la température de saturation du mélange formé par ces gaz et la vapeur d'eau évaporée. Cette température de saturation et on le sait inversement proportionnelle à l'excès d'air de combustion. Ainsi, dans le présent mode de mise en oeuvre de l'invention, dans le cas d'un lit fluidisé dense, avec un excès d'air de 30% et un combustible bois à 17% sur bois brut, cette température de saturation du mélange est de 85, 2. C. Cette chaleur de vaporisation de la vapeur produite dans le laveur 20 est fournie au premier étage de condensation. En l'espèce cette chaleur est fournie au circuit primaire de l'échangeur 30 via l'eau recueillie dans le bac 34, la circulation étant assurée par une pompe 35. On assure ainsi le réchauffage de l'eau de retour R circulant dans le secondaire de l'échangeur 30. Suivant l'invention, cette eau est amenée ensuite dans l'échangeur immergé 15 qui est disposé en aval de ce dernier et remonte la température du fluide caloporteur au-dessus de la température de saturation des gaz de combustion en sortie du laveur 20. Le second étage de condensation, qui fonctionne comme le premier, assure deux fonctions, d'une part il récupère un complément de chaleur qu'il fournit à l'air de combustion et d'autre part il humidifie celui-ci, si bien que ses apports de chaleur sensible et de vapeur d'eau à cet air de combustion ont pour effet de remonter la teneur en vapeur des gaz sortant du laveur 20 ainsi que leur température de saturation qui passe ainsi de 85, 2 C à 88, 6 C. Avec une telle installation en utilisant un lit fluidisé dense avec un excès d'air de 30% et un combustible constitué par du bois à 17% d'humidité sur poids brut on a été en mesure de relever de 75 C à 95 C l'eau de retour R à réchauffer arrivant dans l'installation (At=20 C). Pour une installation donnée ce At doit être maintenu à une valeur constante. Pour ce faire, on fera appel à une pompe de circulation 64 dont on pilotera le débit en fonction des conditions de fonctionnement de l'installation, de façon à maintenir cette valeur de At à une valeur constante donnée. Bien entendu, dans le cas d'une combustion de biomasse, lorsque l'humidité de celle-ci dépasse 50% du poids total, le réchauffage/humidification de l'air de combustion est progressivement supprimée. Le système produira alors de la chaleur basse température, qui pourra dans certains modes d'utilisation se révéler intéressante. On a représenté sur la figure 2 une variante de mise en oeuvre de l'invention dans laquelle on utilise celle-ci pour faire fonctionner une installation de séchage. Dans cette application de l'invention la sortie du réacteur 1 est directement reliée à l'entrée 70 d'un séchoir à bois 72, de façon que les gaz de combustion parcourent celui-ci avant d'arriver dans le laveur 20. On réalise ainsi, suivant l'invention, la conversion de la chaleur sensible en sortie de réacteur en chaleur de vaporisation en séchant un produit humide. Dans une autre variante de mise en oeuvre de la présente invention on peut utiliser l'installation en la faisant fonctionner en incinérateur. Dans ce mode de mise en oeuvre on souhaite brûler un combustible sans récupérer de chaleur. Pour ce faire l'installation comporte une dérivation 73 équipée d'une vanne 75 qui permet de court-circuiter le circuit primaire, ou source chaude, de l'échangeur eau/eau 30. Dans ces conditions l'eau qui entre et sort du condenseur 25 est à la même température. Par ailleurs, afin d'enlever au système l'apport thermique de l'échangeur immergé 15 on admet de l'eau dans le lit fluidisé 5. Pour ce faire on ouvre une vanne 77 qui permet de mettre en communication le lit fluidisé 5 avec la canalisation 28 qui relie le bac 23 à la rampe d'arrosage 21. On provoque ainsi une vaporisation qui abaisse la température du lit fluidisé 5, si bien que les moyens de régulation 19 commandent la remontée de l'échangeur immergé 15. REVENDICATIONS 1.-Installation de production de chaleur par combustion de combustibles provenant de la biomasse, du type comprenant un réacteur (1) à lit fluidisé, une source de combustible exothermique (7) à taux d'humidité variable, un circuit échangeur de chaleur immergé air/eau (15) apte à occuper, dans le foyer du réacteur (1), différentes positions fonction de la quantité de chaleur à évacuer par cet échangeur, caractérisée en ce que : - la partie supérieure d'évacuation des gaz de combustion du réacteur (1) est en communication directe avec des moyens (20,42) aptes à assurer une humidification de ces gaz de façon à transformer leur chaleur sensible en chaleur de vaporisation, - elle comporte un premier étage de condensation apte à récupérer cette chaleur de vaporisation et à la transmettre à un fluide en circulation dans le circuit primaire d'un échangeur eau/eau (30), - le circuit secondaire de l'échangeur eau/eau (30) est disposé en série et en amont de l'échangeur immergé air/eau (15) et est alimenté par l'eau de retour (R) à réchauffer, l'eau de départ (D) étant délivrée en sortie de l'échangeur eau/eau (15). 2. -Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens aptes à humidifier les gaz de combustion sont constitués d'un laveur (20). 3. -Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens aptes à humidifier les gaz de combustion sont constitués d'un séchoir (72), notamment un séchoir à bois. 4. -Installation suivant l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte un second étage de condensation et des moyens aptes à récupérer la chaleur de celui-ci et à la transmettre à l'air de combustion alimentant le réacteur (1). 5. -Installation suivant la revendication 4 caractérisée en ce que les moyens de réchauffage de l'air de combustion sont couplés avec des moyens d'humidification de celui-ci. 6. -Installation suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens aptes à court-circuiter le passage de l'eau dans le circuit primaire de l'échangeur eau/eau (30). 7. -Installation suivant l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le circuit secondaire de l'échangeur eau/eau (30) comporte une pompe à débit variable (64) et des moyens de commande aptes, par le contrôle de ce débit, à maintenir une différence de température (At) constante entre la température de l'eau de retour (R) qui entre dans le circuit secondaire de l'échangeur eau/eau (30) et la température de l'eau (D) délivrée.