Brevet FR2857732A1 — publié le 20050121

La présente invention concerne les chaudières destinées à assurer la montée en température d'un fluide caloporteur pouvant être utilisé à des fins diverses et plus généralement dans une installation de chauffage de locaux. L'objet de l'invention vise plus précisément une chaudière susceptible de 5 fonctionner à partir d'un combustible du type à éléments individualisés, tels que particules ou granulés, de matériaux combustibles uniques ou combinés comme par exemple, végétaux, cartons, bois, etc. Une application préférée de l'invention concerne la réalisation d'une chaudière fonctionnant à partir de particules de bois. D'une manière classique, une chaudière de chauffage du type à bois comporte un foyer de combustion pourvu d'un orifice de passage pour un combustible à base de bois. Un tel foyer de combustion est équipé d'un brûleur permettant d'enflammer le combustible à l'intérieur du foyer de combustion. Une telle chaudière comporte également des moyens de fourniture d'un 15 comburant primaire tel que de l'air pour permettre la combustion et l'obtention de gaz et fumées. Ces gaz et fumées sont canalisés pour être conduits dans une chambre de récupération des gaz et fumées qui sont conduits vers un échangeur de chaleur entre un circuit de circulation d'un fluide caloporteur et un circuit de circulation des gaz et fumées. L'inconvénient principal d'une chaudière de chauffage du type à bois provient de son mauvais rendement thermique. Aussi, l'objet de l'invention vise donc à remédier à cet inconvénient en proposant une nouvelle chaudière de chauffage à combustible du type à éléments individualisés tels que notamment, particules de bois, présentant un rendement thermique amélioré. Pour atteindre un tel objectif, l'objet de l'invention concerne une chaudière de chauffage à combustible du type à éléments individualisés comportant: - un foyer de combustion pourvu d'un orifice de déversement d'un combustible apporté par des moyens d'amenée, - un moyen pour permettre d'enflammer le combustible à l'intérieur du 30 foyer de combustion, - des moyens de fourniture d'un comburant primaire pour permettre la combustion et l'obtention de gaz et fumées, - un système de canalisation des gaz et fumées, - une chambre de récupération des gaz et fumées issus du système de canalisation, - et un échangeur de chaleur entre un circuit de circulation d'un fluide 5 caloporteur et un circuit de circulation des gaz et fumées issus de la chambre de récupération. Selon l'invention, la chaudière de chauffage comporte: - une grille de récupération du combustible pour supporter un matelas poreux dudit combustible, - des moyens de fourniture d'un comburant secondaire entre le système de canalisation des gaz et fumées et le matelas poreux afin de perturber la circulation des gaz et fumées, - une chambre de récupération s'élevant dans le prolongement vertical du foyer de combustion. Un autre objet de l'invention vise à assurer le traitement par calcination, incinération ou combustion de déchets au sens général. L'objet de l'invention trouve ainsi une application par exemple dans le domaine de l'incinération de déchets de nature végétale ou à caractère industriel banal tels que par exemple palettes ou cartons, et trouve une application particulièrement avantageuse pour le traitement des 20 déjections d'animaux et en particulier les fientes de volailles. Selon cette application, la chaudière de chauffage comporte des moyens d'amenée assurant l'apport de déchets sur la grille de récupération. Avantageusement, les moyens d'amenée sont alimentés par des moyens d'approvisionnement en combustible et des moyens d'approvisionnement en déchets, 25 ces moyens d'approvisionnement étant distincts. Selon une autre caractéristique de l'invention, le foyer de combustion comporte en dessous de la grille de récupération, des moyens d'extraction des cendres pilotés par une unité de commande. Avantageusement, les moyens d'extraction des cendres sont constitués par un 30 organe moteur assurant au moins en partie l'escamotage de la grille de récupération. De préférence, les moyens d'extraction des cendres comportent également un moyen d'évacuation des cendres à l'extérieur du foyer et issues de la grille de récupération. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, l'unité de commande 5 pilote aussi le moyen pour enflammer le matelas poreux et les moyens d'approvisionnement en déchets et en combustible de manière à assurer de manière répétée, la réalisation d'un cycle de régulation comportant une étape pour enflammer les déchets et le combustible, une étape de combustion pendant laquelle les moyens d'approvisionnement en déchets et en combustible sont régulés et une étape 10 d'extraction des cendres. Un autre objet de l'invention vise à maîtriser les paramètres des gaz et fumées produits lors de la combustion afin de respecter l'environnement. A cet effet, la chambre de récupération des gaz et fumées délimite un chemin de circulation dont la longueur est adaptée pour permettre un temps de séjour des gaz et fumées entre 15 l'entrée et la sortie, supérieur ou égal à 2 s, à une température au moins égale à 850 C. De cette manière, pratiquement la totalité des dioxines présents dans les gaz et fumées est éliminée. Avantageusement, le chemin de circulation des gaz et fumées est délimité par une cheminée s'élevant verticalement dans le prolongement du foyer de combustion 20 et munie d'une virole interne délimitant intérieurement un circuit ascendant pour les gaz et fumées et extérieurement, un circuit descendant pour les gaz et fumées. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur comporte une série de tubes échangeurs s'étendant parallèlement entre eux verticalement en étant disposés entre la virole et une enveloppe externe et constituant intérieurement 25 un circuit de circulation des gaz et fumées relié, en partie basse, à la sortie du chemin de circulation et en partie haute à une chambre de sortie. De préférence, les tubes échangeurs constituent par leurs parois, des capacités d'échange avec un circuit de circulation d'un fluide caloporteur contenu entre lesdits tubes échangeurs et des tubes concentriques et dans une chambre de mélange 30 traversée par les tubes échangeurs. Avantageusement, la chambre de sortie comporte une bouche de sortie équipée d'un filtre et en ce que l'échangeur de chaleur comporte à sa partie basse une sortie d'extraction pour des particules. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en 5 référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1 est une vue en coupe élévation d'un premier exemple de réalisation d'une chaudière de chauffage conforme à l'invention. La Figure 2 est une vue en coupe transversale prise sensiblement selon les 10 lignes II-II de la Fig. 1. La Figure 3 est une vue en coupe élévation montrant un deuxième exemple de réalisation d'une chaudière de chauffage conforme à l'invention. Tel que cela ressort plus précisément des Fig. 1 et 2, l'objet de l'invention concerne une chaudière de chauffage 1 fonctionnant à l'aide d'un combustible 2 se 15 présentant sous la forme d'éléments individualisés tels que des particules ou des granulés de matériaux solides. De préférence, ces éléments individualisés sont des copeaux de bois. Bien entendu, ces éléments individualisés de combustible peuvent être réalisés en des matériaux différents tels qu'en papier ou carton, par exemple. La chaudière de chauffage 1 comporte un foyer de combustion 3 délimité par 20 une enveloppe fermée 4 à caractère réfractaire. Le foyer de combustion 3 comporte un orifice 5 de déversement du combustible 2 amené par l'intermédiaire de moyens d'amenée 6 qui, dans l'exemple illustré, est constitué par l'intermédiaire d'une vis sans fin. De préférence, ces moyens d'amenée 6 sont alimentés en éléments individualisés 2 par des moyens d'approvisionnements 7 tels qu'une trémie à 25 déversement contrôlé. Conformément à l'invention, le foyer de combustion 3 est pourvu d'une grille 8 de récupération du combustible 2, disposée ainsi au-dessous du niveau de l'orifice de déversement 5. La grille de récupération 8 est adaptée pour supporter le combustible 2 sous la forme d'un matelas poreux M. Le foyer de combustion 3 est équipé d'un moyen non représenté permettant d'enflammer le combustible à l'intérieur du foyer de combustion et notamment, le matelas poreux M de combustible. Par exemple, un tel moyen peut être constitué par un brûleur de tout type connu en soi ou un élément électrique chauffant. La chaudière de chauffage 1 comporte également des moyens 11 de fourniture d'un comburant primaire tel que de l'air pour permettre la combustion et l'obtention 5 de gaz et fumées représentés par les lettres F à la Fig. 1. Par exemple, ces moyens de fourniture 11 peuvent être constitués par un ventilateur 12 débouchant par une canalisation 13 dans une enceinte 14 aménagée en-dessous de la grille de récupération 8. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le foyer de combustion 3 10 est pourvu de moyens 15 de fourniture d'un comburant secondaire entre le matelas poreux M et un système de canalisation 16 des gaz et fumées vers une chambre 17 de récupération. Les moyens de fourniture 15 permettent de perturber la trajectoire ascendante des gaz et fumées F. Par exemple, ces moyens de fourniture 15 sont constitués par un moyen de ventilation 18 permettant d'amener de l'air à des 15 orifices 19 répartis à la périphérie du foyer de combustion 3 selon une section droite transversale. Ces gaz et fumées F sont donc perturbés avant d'être conduits vers le système de canalisation 16 de manière à contribuer à leur combustion. Par exemple, le système de canalisation 16 est constitué par la partie supérieure du foyer 3 réalisée sous la forme d'un venturi. Selon une caractéristique de réalisation, ces gaz et 20 fumées F sont conduits naturellement par voie ascensionnelle vers la chambre de récupération 17 qui s'élève dans le prolongement vertical du foyer de combustion 3. Selon un exemple préféré d'application de la chaudière de chauffage selon l'invention, au traitement par combustion de déchets, les moyens d'amenée 6 assurent aussi l'apport à l'intérieur du foyer de combustion, de déchets 20 destinés à 25 être déversés sur la grille de récupération 8. De préférence, les moyens d'amenée 6 sont alimentés en déchets par des moyens d'approvisionnement 21 tels qu'une trémie à déversement contrôlé. De tels déchets 20 se présentent naturellement ou à la suite d'un traitement approprié sous la forme d'éléments individualisés, de particules ou de granulés. Ces déchets peuvent être constitués par des produits forestiers provenant 30 par exemple d'élagage ou par des cartons ou des palettes traités préalablement par un broyeur associé ou non à la chaudière de chauffage. Selon une application préférée, les déchets sont constitués par des déjections de volailles combinées ou à non à d'autres produits tels que des copeaux de bois. Les déchets 20 ainsi que le combustible 2 sont donc déversés au-dessus de la grille 8 qui supporte ainsi un matelas constitué d'un mélange du combustible et des 5 déchets. Il s'établit ainsi une sorte de matelas poreux M de quelques centimètres d'épaisseur qui se trouve enflammé par le brûleur. Selon une autre caractéristique de réalisation de l'invention, le foyer de combustion 3 comporte en-dessous de la grille de récupération 8, des moyens 30 d'extraction des cendres pilotés par une unité de commande non représentée. Ces 10 moyens d'extraction des cendres 30 sont constitués par un organe moteur 31 agissant par l'intermédiaire d'une transmission 32 pour permettre l'escamotage au moins partiel de la grille de récupération 8. Dans l'exemple illustré, la grille de récupération 8 est entraînée en rotation pour permettre la tombée des cendres dans l'enceinte 14 située en-dessous du foyer de combustion 3. De préférence, la 15 transmission 32 assure également la rotation d'un racleur 34 permettant d'entraîner les cendres en direction d'un moyen d'évacuation 36 des cendres à l'extérieur du foyer. Dans l'exemple illustré, ce moyen d'évacuation 36 est constitué par l'intermédiaire d'une vis sans fin, entraînée en rotation également par l'organe moteur 31. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chaudière de chauffage 1 comporte un échangeur de chaleur 40 entre un circuit de circulation 41 d'un fluide caloporteur et un circuit de circulation 42 des gaz et fumées issus de la chambre de récupération 17. Dans l'exemple illustré, la chambre de récupération 17 est délimitée intérieurement par une virole 45 portée par le foyer réfractaire 3 permettant de 25 délimiter intérieurement un chemin ascendant 17, pour les gaz et fumées issus directement du foyer de combustion 3 et extérieurement, un chemin descendant 172 pour les gaz et fumées qui se retrouvent en partie basse à l'entrée du circuit de circulation 42 des gaz et fumées de l'échangeur de chaleur 40. La chambre de récupération 17 présente ainsi un chemin de circulation 171, 172 pour les gaz et 30 fumées entre le foyer de combustion 3 et l'entrée de l'échangeur de chaleur 40. Selon une caractéristique préférée de réalisation, l'échangeur de chaleur 40 comporte une série de tubes échangeurs 50, s'étendant parallèlement entre eux verticalement en étant disposés entre la virole 45 et une enveloppe externe 51. Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 2, les tubes échangeurs 50 sont disposés sur une circonférence circulaire. Le circuit de circulation des gaz et fumées 42 est donc relié en entrée à sa partie basse, à la sortie du chemin de circulation 172 de la 5 chambre de récupération 17 et en partie haute, à une chambre de sortie 55 dans laquelle débouchent les tubes échangeurs 50. De préférence, la chambre de sortie 55 comporte une bouche de sortie équipée d'un filtre. De même, l'échangeur de chaleur 40 comporte à sa partie basse, une sortie d'extraction pour des particules provenant des gaz et fumées. Les tubes échangeurs 50 constituent par leurs parois, des capacités d'échange avec le circuit de circulation 41 d'un fluide caloporteur contenu entre lesdits tubes échangeurs 50 et des tubes concentriques 57. Le fluide échangeur contenu entre les tubes échangeurs 50 et les tubes concentriques 57, communique avec une chambre de mélange 60 aménagée dans la partie haute de la chaudière de chauffage et traversée 15 par les tubes échangeurs 50. Pour l'application avantageuse de la chaudière de chauffage au traitement des déchets 20, la chambre de récupération 17 des gaz et fumées délimite un chemin de circulation 171, 172 dont la longueur est adaptée pour permettre un temps de séjour des gaz et fumées entre l'entrée et la sortie, supérieure ou égale à 2 s et à une 20 température au moins égale à 850 C. Il doit être compris que le temps de trajet des gaz et fumées dans le chemin de circulation 171, 172 doit être égal au moins à 2 s. Une telle disposition permet d'assurer de brûler pratiquement la totalité des dioxines présents dans les gaz et fumées. Selon cet exemple de réalisation illustré plus précisément à la Fig. 3, le chemin de circulation des gaz et fumées est délimité par 25 une cheminée 61 s'élevant verticalement dans le prolongement du foyer de combustion 3. Cette cheminée 61 est munie d'une virole interne 45 délimitant intérieurement le chemin ascendant 17, pour les gaz et fumées. Cette virole interne 45 est montée à l'intérieur et à distance d'une chemise concentrique 62 délimitant entre elles le chemin descendant 172 pour les gaz et fumées.Cette cheminée 61 est 30 pourvue d'un dôme 63 prolongeant la chemise 62 pour refermer la cheminée à sa partie haute en vue de permettre le changement de direction des gaz et fumées. Dans la mesure où les chemins ascendant 17 et descendant 172 s'étendent de part et d'autre de la virole 45, les gaz et fumées conservent, pendant ce trajet, une haute température au moins égale à 850 C. Selon une autre caractéristique préférée de réalisation, l'unité de commande pilotant les moyens 30 d'extraction des cendres commandent aussi le moyen pour 5 enflammer le matelas poreux M et les moyens d'approvisionnement 21, 7 en déchets 20 et en combustible 2. Cette unité de commande permet d'assurer de manière répétée la réalisation d'un cycle de régulation comportant une étape pour enflammer les déchets 20 et le combustible 2, une étape de combustion pendant laquelle les moyens d'approvisionnement 21 en déchets 20 et les moyens 10 d'approvisionnement 7 en combustible 2 sont régulés de manière à obtenir une température suffisante dans le foyer de combustion 3 et adaptée à l'énergie disponible pour la chaudière de chauffage. Cette étape de combustion est suivie par une étape d'extraction des cendres au cours de laquelle les moyens 30 d'extraction des cendres sont pilotés. Un tel cycle de régulation est ainsi répété régulièrement en 15 fonction de la demande thermique et des apports en combustible et en déchets. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Chaudière de chauffage à combustible (2) du type à éléments individualisés comportant: - un foyer de combustion (3) pourvu d'un orifice (5) de déversement d'un combustible (2) apporté par des moyens d'amenée (6), - un moyen pour permettre d'enflammer le combustible à l'intérieur du foyer de combustion (3), - des moyens (11) de fourniture d'un comburant primaire pour permettre la combustion et l'obtention de gaz et fumées (F), - un système de canalisation (16) des gaz et fumées, - une chambre de récupération (17) des gaz et fumées issus du système de canalisation, - et un échangeur de chaleur (40) entre un circuit de circulation (41) d'un fluide caloporteur et un circuit de circulation (42) des gaz et fumées issus de la 15 chambre de récupération (17), caractérisée en ce qu'elle comporte - une grille (8) de récupération du combustible (2) pour supporter un matelas poreux dudit premier combustible, - des moyens (15) de fourniture d'un comburant secondaire entre le système 20 de canalisation (16) des gaz et fumées et le matelas poreux afin de perturber la circulation des gaz et fumées, - une chambre de récupération (17) s'élevant dans le prolongement vertical du foyer de combustion. 2- Chaudière de chauffage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les 25 moyens d'amenée (6) assurent l'apport de déchets (20) sur la grille de récupération (8). 3- Chaudière de chauffage selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens d'amenée (6) sont alimentés par des moyens d'approvisionnement (7) en combustible (2) et des moyens d'approvisionnement (21) en déchets (20), ces 30 moyens d'approvisionnement (21, 7) étant distincts. 4- Chaudière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le foyer de combustion (3) comporte en dessous de la grille de récupération (8), des moyens (30) d'extraction des cendres pilotés par une unité de commande. 5- Chaudière selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens 5 d'extraction des cendres (30) sont constitués par un organe moteur (31) assurant au moins en partie l'escamotage de la grille de récupération (8). 6- Chaudière selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens d'extraction des cendres (30) comportent également un moyen d'évacuation des cendres (36) à l'extérieur du foyer et issues de la grille de récupération. 7- Chaudière selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'unité de commande pilote aussi le moyen pour enflammer le matelas poreux et les moyens d'approvisionnement (21, 7) en déchets (20) et en combustible (2) de manière à assurer de manière répétée, la réalisation d'un cycle de régulation comportant une étape pour enflammer les déchets et le combustible, une étape de combustion 15 pendant laquelle les moyens d'approvisionnement (21, 7) en déchets et en combustible sont régulés et une étape d'extraction des cendres. 8- Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre de récupération des gaz et fumées (17) délimite un chemin de circulation (171, 172) dont la longueur est adaptée pour permettre un temps de séjour des gaz et fumées entre 20 l'entrée et la sortie, supérieur ou égal à 2 s, à une température au moins égale à 850 C. 9- Chaudière selon la revendication 8, caractérisée en ce que le chemin de circulation des gaz et fumées (171, 172) est délimité par une cheminée (61) s'élevant verticalement dans le prolongement du foyer de combustion (3) et munie d'une 25 virole interne (45) délimitant intérieurement un chemin ascendant (171) pour les gaz et fumées et extérieurement, un chemin descendant (172) pour les gaz et fumées. - Chaudière selon les revendications 1 et 8, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (40) comporte une série de tubes échangeurs (50) s'étendant parallèlement entre eux verticalement en étant disposés entre la virole (45) et une enveloppe 30 externe (51) et constituant intérieurement un circuit de circulation des gaz et fumées (42) relié, en partie basse, à la sortie du chemin de circulation (17) et en partie haute à une chambre de sortie (55). 11- Chaudière selon la revendication 10, caractérisée en ce que les tubes échangeurs (50) constituent par leurs parois, des capacités d'échange avec un circuit de circulation (41) d'un fluide caloporteur contenu entre lesdits tubes échangeurs (50) et des tubes concentriques (57) et dans une chambre de mélange (60) traversée par les tubes échangeurs (50). 12 - Chaudière selon la revendication 10, caractérisée en ce que la chambre de sortie (55) comporte une bouche de sortie équipée d'un filtre et en ce que l'échangeur de chaleur (40) comporte à sa partie basse une sortie d'extraction pour des particules.