Brevet FR2880102A1 — publié le 20060630

Dispositif de combustion de biomasse â lit fluidisé 4 - La présente invention permet de brûler des combustibles divers pour produire de l'énergie thermique par récupération de chaleur sur les gaz de combustion. 6 - Elle est décrite. en détail. dans le cas d'une combustion de biomasse seule. puis il est indiqué. comment. 7 sans changements importants. cette invention permet de brûler des boues en mélange avec de la biomasse S ou. d'autres produits. notamment_ des crus carnés. 9 - Le dispositif de combustion pour brûler seulement de la biomasse I I) - Actuellement_ l'énergie thermique utilisée dans le monde est produite. essentiellement_ par des 11 combustibles fossiles. 12 - Les gisements de combustibles fossiles ont une durée de vie qui. d'après les plus grands spécialistes. 13 n'excédera pas deux cents ans. 14 Leurs combustions produits des gaz à effet de serre et des fumées chargées de cendres, contenant des métaux lourds. cendres qu'il faut d'abord capter par des dispositifs onéreux puis évacuer dans des 16 décharges contrôlées où elles sont accueillies à des prix élevés. 17 - La biomasse, lors de sa combustion, met à disposition une énergie renouvelable 18 - La quantité de gaz carbonique capté lors de la production naturelle de biomasse correspond à la 19 quantité de gaz carbonique dégagé lors de sa combustion. - Sa combustion produit peu de cendre. moins de 2 % de sa masse pour des bois abattus en forêt. 21 - Dans les pays développés comme l'est la France. du fait du déplacement des populations de la 22 campagne vers la ville et de l'amélioration de productivité de l'agriculture, la forêt recouvre de plus en 23 plus de surface. 24 - Les gisements de biomasse s'étendent et leur exploitation raisonnée permet de conserver l'accessibilité et l'esthétique des zones boisées. 26 - Pour ces raisons. la France et les pays européens attendent de voir se développer des technologies 27 nouvelles pour rendre plus économique la combustion de la biomasse. 28 - Les chaudières de moyenne ou de forte puissance brûlant de la biomasse. actuellement disponibles sur 29 le marché. sont d'une conception ancienne. 3t1 - La mise en oeuvre de ces chaudières entraîne des investissements lourds et des coûts d'exploitation et I d'entretien. élevés. 2 - Les fabricants de chaudières en France qui étaient parmi les meilleurs du monde. victimes de la 3 concurrence des pays de l'est de l'Europe. ont pratiquement disparu. 4 - Les grands groupes industriels européens n'investissent plus dans la recherche de solutions innovantes pour brûler de la biomasse. 6 - Toutes ces raisons ont poussé THEL-ETB a rechercher et à inventer le dispositif de combustion 7 qui est décrite dans le présent texte. 8 - Le dispositif de combustion est économique en installation et en exploitation. 9 - Il est peu polluant car la combustion s'effectue à basse température avec un fort excès d'air. - II est conçu avec peu de matériel mécanique_ sans grille dans la chambre de combustion. I 1 - Le dispositif est constitué : 12 - D'une chambre de combustion 13. Elle est équipée: 14 - A sa base, d'un plénum 2 où arrive l'air de combustion mélangé à des fumées recyclées après leur refroidissement dans une chaudière par récupération de la chaleur sensible qu'elles contiennent. 16. Le mélange régulé de l'air de combustion et des fumées recyclées, permet de contrôler la 17 température de la chambre de combustion en la maintenant à des valeurs basses. 18 - D'une plaque de fluidisation 3 en matériaux réfractaires. d'une section inférieure à celle de la 19 chambre de combustion, placée dans une pièce en acier réfractaire, boulonnée sur des brides soudées. l'une sur les parois de la partie basse de la chambre de combustion. l'autre sur les parois de la partie 21 haute du plénum d'admission de l'air de combustion. 22 - Cette pièce une fois déboulonnée peut pivoter autour d'un axe vertical 4 pour sortir de l'ensemble 23 chambre de combustion. plénum. permettant d'intervenir facilement sur la plaque de fluidisation. 24 - La plaque de fluidisation comporte des injecteurs verticaux d'air de combustion répartis sur sa surface. injecteurs permettant après arrêt des ventilateurs de combustion et de recirculation des 26 fumées. à la masse circulante de produits calibrées, dans sa chute vers le bas, de traverser les 27 injecteurs et de venir se rassembler dans la trémie 5 à la base du plénum. 28 - Cette conception de plaque de fluidisation est protégée parle brevet THEL-ETB. N 0212832000 29 - La chambre de combustion de section circulaire, en forme de U renversé. contient le flux des gaz de combustion mélangé avec des billes en matériau réfractaire expansé, billes portées par le flux de 1 gaz de,combustion et d'air de combustion. 2 - La forme conique de la base 6 de la chambre de combustion située au dessus de la plaque de 3 fluidisation permet les modes de fonctionnement suivants: 4 - Phase de démarrage avant combustion ou phase d'attente "chaude" - Le débit d'air injecté dans le plénum, traversant la plaque de fluidisation, permet de 6 maintenir les billes expansées dans la partie conique 6 de la base de la chambre de 7 combustion et empêche les billes de traverser la plaque de fluidisation pour aller dans le 8 plénum. 9 - Le brûleur 7 placé dans la veine d'air de l'alimentation de l'air de combustion porte. au démarrage, la chambre de combustion à la température choisie pour permettre l'inflammation 11 du combustible dans la chambre de combustion. 12 - Faibles charges de combustion 13 - Les billes sont portées par le flux de gaz de combustion qui. restant faible. les maintient 14 dans la partie basse du la chambre de combustion. - Le lit fluidisé constitué par les billes et les gaz de combustion. est un lit fixe 16 - Moyennes et fortes charges de combustion 17 - Lorsque l'on augmente, progressivement, la charge thermique, la vitesse de circulation des 18 gaz dans la chambre de combustion augmente avec l'augmentation de la charge. pour 19 atteindre une vitesse telle que les forces de portance qui s'exercent sur la base des billes les entraînent vers le haut jusqu'au sommet de la première branche la de la chambre de 21 combustion en forme de U renversé. Arrivées au sommet. elles redescendent vers le bas 22 dans la branche 1 b. entraînées par le flux de gaz niais aussi par leur gravité. 23 - Dans la partie basse de la deuxième branche de la chambre de combustion. le flux de gaz 24 contenant les billes circulaires et les cendres de la combustion, rencontre, d'abord. un dispositif de recentrage des billes 8 constitué par une grille formée de barreaux axiaux en 26 forme de cone renversé ( tête en bas).avec un angle choisi pour permettre la descente par 27 gravité des billes. Le centre circulaire 9 du cone est libre pour permettre le passage des billes 28 une fois que celles ci ont été recentrées 29 - Ce cone renversé est prolongé par un cylindre dont les parois font grille. - Le flux décrit. ci dessus. traverse le dispositif de centrage de la façon suivante: 1 - Les gaz de combustion et les cendres fines traversent les grilles du cone et du 2 cylindre dont les barreaux sont suffisamment espacés pour les laisser passer. 3 - Les billes et les parties de combustible non brûlées. ne peuvent traverser les grilles 4 et sont rassemblées au centre du cone laissé libre. Elles tombent. alors, par gravité par le cylindre dans la trémie d'alimentation du projeteur décrit. ci après. dont le rôle 6 est de réinjecter les billes dans la chambre de combustion. 7 - Le flux des gaz de combustion séparé des billes, se dirige par la sortie de la chambre de 8 combustion 10 située sur la partie basse de la deuxième partie de la chambre de combustion. 9 vers la chaudière de récupération Iloù les fumées se refroidissent, puis. vers le dispositif de traitement de fumées 12. et, enfin, vers le ventilateur d'extraction 13 qui les pulse dans la 11 cheminée. 12 - Cette conception de chambre de combustion permet de séparer les gaz de combustion des 13 billes sans faire appel à un cyclone, et donc. améne peu de pertes de charge lors 14 de la circulation des gaz. - Une partie des fumées refroidies par la chaudière, sont reprises par le ventilateur de 16 recyclage 13 pour permettre de contrôler la température de combustion et par le ventilateur 15 17 du projeteur pneumatique. 18 - Par le projeteur pneumatique 19 - Le projeteur pneumatique 16 alimenté par le ventilateur 15 aspirant une partie des fumées refroidies pour qu'il n'y ait pas de risque d'inflammation dans le projeteur. reçoit. dans sa 21 première partie. par le haut, avec un distributeur rotatif 17, les billes et les parties de 22 combustible non brûlées, provenant de la base de la deuxième branche de la chambre de 23 combustion. base formant trémie. 24 - Dans la deuxième partie du projeteur. grâce à un système progressif et modulable 18 ( vis, poussoirs, convoyeur à raclettes. etc.) est introduit. par dessus. la 26 biomasse préparée pour avoir la granulométrie adéquate à son introduction ( sciure. 27 broyats. plaquettes, etc.) 28 - Le projeteur réinjecte des billes et le combustible dans la chambre de combustion pour 29 permettre un fonctionnement continu. 3o. Il est conçu avec une sole horizontale sur laquelle s'appuie la masse des billes 1. L'arrêt de l'alimentation pneumatique. interrompt immédiatement l'alimentation en 2 combustible de la chambre de combustion 3 - Ce type de projeteur est protégé par le brevet THEL-ETB N 0212832000 4 - Pour isoler le projeteur, lors d'arrêts inopinés ou programmés de la machine_ deux trappes 19, 20 actionnées par des vérins, se ferment. 6 - Le dispositif de combustion utilisé pour brûler de la biomasse avec des boues 7 ou d'autres déchets 8 - La description reste la même 9 - Comme il s'agit de déchets. il faudra que les caractéristiques du dispositif de combustion en particulier la température de combustion. la longueur de la chambre de combustion en fonction de la vitesse de 11 circulation du flux des gaz de combustion et des billes. permettent de respecter les réglementations en 12 vigueur pour les déchets ( actuellement pour les déchets banals, 850 c, 2 secondes dans la chambre de 13 combustion. avec.au moins. la présence de 6 % de 02 dans celles ci) 14 - Les boues. avant leur introduction dans le projeteur. seront malaxées avec la biomasse. - Pour les déchets liquides. déchets carnés broyés, par exemple, les parties solides incluses dans le 16 liquide devront être finement broyées. 17 - L'introduction se fera directement par pulvérisation. en base de la première partie de la chambre de 18 combustion. 19 - Lorsque les produits à brûler auront des pourcentages de stériles importants. stériles générant des cendres lors de la combustion, la première partie du projeteur sera modifiée. 21 - Elle aura une sole qui sera formée d'une grille permettant de faire passer les fines des résidus de 22 combustion et non les billes. 23 - La trémie de base de la chambre de combustion et la première partie du projeteur pneumatique 24 seront montés sur une table vibrante 21 générant un mouvement alternatif favorisant la descente des billes et l'évacuation des produits fins à travers la grille. 26 - De plus. pour éviter les collages sur les parois des tubes de la chaudière. la température des fumées en 27 sortie de la chambre de combustion sera abaissée au environ de 600 c par réinjection dans les gaz de 28 combustion avant chaudière, d'un débit de fumées refroidies pris après la chaudière de récupération. -6- 2880102 Exemples de fonctionnement du dispositif de combustion Fonctionnement bois seul Désignation unité combustible utilisé bois bois bois bois bois bois débit bois t/h 2 1 0,5 2 1 0.5 pourcentage d'humidité bois % 35 35 35 50 50 50 débit d'air de combustion stochio ''' ' 5828 2914 1457 4483 2241 1121 débit de l'excès d'air 3697 1748 874 2690 1345 672 température de combustion (1= 850 850 850 850 850 850 débit de fumées recyclées 8116 4057 2028 4317 2160 1078 débit des fumées 19115 9556 4778 13352 6677 3337 température des fumées sortie chaudière "g' 150 150 150 150 1.50 150 composition des fumées CO2 N"'3'h 2077 1038 519 1359 679 340 H20 2960 1480 740 2785 1393 696 N2 12802 6400 3200 8374 4188 2093 02 1276 638 319 835 417 209 total 19115 9556 4778 13352 6677 3337 température sortie fumées C 150 150 150 150 150 150 quantité de 02 dans la chambre de % 14,3 14.3 14.3 15.5 15.5 15,5 combustion quantité de 02 dans les fumées % 6.7 6,7 6,7 6.3 6,3 6,3 Puissance utile sortie chaudière kW 5593 2796 1398 3935 1968 983 Rendement combustion 82 82 82 75 75 75 vitesse de circulation des gaz dans four 111'seC 6 6 6 6 6 6 Diamètre dufour m 2.15 1.52 1,08 1.80 1.27 0.90 -7- 2880102 Exemples de fonctionnement du dispositif de combustion Combustion bois et boues eau résiduaire Désignation unité combustible utilisé bois bois bois boues boues boues débit bois t/h 2 1 0,5 boues t/h 2 1 0.5 pourcentage d'humidité bois 4, 35 35 35 boues % 80 80 80 débit d'air de combustion stochio '"''1' 6801 3401 1700 débit de l'excès d'air "",3h 5441 2720 1360 température de combustion 850 850 850 débit de fumées recyclées ''m"'' 2730 1364 681 débit des filmées """ '1' 18000 8999 4499 des fiunées sortie chaudière dc: e 150 150 150 _température composition des fumées CO2 \m_Jh 1644 822 411 H20 4515 2257 1128 N2 "310494 5247 2623 02 ''n3 h 1347 673 337 total "'"'' 18000 8999 4499 _ quantité de 02 dans la chambre de % 18.5 18,5 _ combustion 18,5 quantité de 02 dans les fumées % 7,5 7,5 7.5 Puissance utile sortie chaudière kW 5321 2660 1330 Rendement combustion % 67 67 67 vitesse de circulation des gaz dans four nuszc 6 6 6 Diamètre dufour m 2,09 1,48 1. 045 Exemples de fonctionnement du dispositif de combustion Combustion bois et boues papetières Désignation unité combustible utilisé bois bois bois boues boues boucs débit bois t/h 1.5 0.75 0.40 boues t/h 3 1.5 0.75 pourcentage d'humidité bois % 35 35 35 boues % 50 50 50 débit d'air de combustion stochio Nm3h 8025 4011 2078 débit de l'excès d'air N"'3'' 6417 3208 1662 température de combustion 'z 2 850 850 850 débit de fumées recyclées Nm 8050 4025 2098 débit des filmées N"" l' 23221 11610 6043 température des fumées sortie chaudière degrec 150 150 150 composition des fumées CO2 \m3'1 2518 1259 653 H20 Nm3ih 5594 2797 1432 N2 "113''' 13045 6523 3423 02 2063 1031 535 total Nn'3ih 23221 11610 6043 quantité de 02 dans la chambre de % 16.7 19,7 16.6 combustion quantité de 02 dans les fumées % 8,9 8.9 8.9 Puissance utile sortie chaudière kW 6916 3458 1798 Rendement combustion % 0,74 0,74 0,74 vitesse de circulation des gaz dans four n,aec 6 6 6 Diamètre dufour m 2,37 1.68 1,21 Exemples de fonctionnement du dispositif de combustion Combustion cru carné Désignation unité combustible utilisé cru cm cru débit cru t/h 5 2.5 L25 pourcentage d'humidité cm % 64 64 64 débit d'air de combustion stochio N'n"m 10814 5407 2704 débit de l'excès d'air N""',' 6489 3244 1622 température de combustion 'é 850 850 850 débit de fumées recyclées > hn^,' 4645 2318 1158 débit des fumées "" h 26939 13465 6731 température des fumées sortie chaudière 150 150 150 composition des fumées CO2 N"" '' 2107 1053 527 H20 Nm3.h 6669 3334 1667 N2 Nz"'h 16516 8255 4127 02 Nm?''h 1646 823 411 total Nn'3/h 26939 13465 6731 quantité de 02 dans la chambre de % 17,8 17,8 17,8 combustion quantité de 02 dans les fumées % 6.1 6,1 G. 1 Puissance utile sortie chaudière kW 7898 3948 1974 Rendement combustion % 0,68 0,68 0,68 vitesse de circulation des gaz dans four lleSèC 6 6 6 Diamètre dufour m 2,56 1,81 1,28 1 Revendications, 2 1) Dispositif de combustion caractérisé par la combinaison des caractéristiques suivantes:: 3. le dispositif de combustion est constitué d'une chambre de combustion (1) en forme de U 4 renversé, composée de deux cylindres verticaux (la) et (lb) reliés à leur sommet. 5. En bas du premier cylindre (la), où est soufflé l'air de combustion, est située une plaque de 6 fluidisation (3) 7. Une charge solide constituée par des billes en matériau réfractaire, est portée par l'air et les 8 gaz de combustion. 9. A faible charge le lit est fixe.. A moyenne et forte charge, il est circulant 10. Il parcourt, alors, l'ensemble de la chambre de combustion (1) en forme de U renversé. I 1. En bout de la chambre de combustion (1), en bas de son deuxième cylindre (lb), la charge 12 solide se sépare des gaz de combustion et des cendres qui partent vers la chaudière de 13 récupération (11) , le traitement de fumée(I2) et la cheminée. 14 - La charge solide, billes et parties de combustible non brûlées, tombe dans la trémie d'un projeteur pneumatique qui les réinjecte à la base du premier cylindre (la) de la chambre de 16 combustion (1), en dessus de la grille de fluidisation (3). 17 - Le flux de combustion comprenant la charge solide constituée par des billes en matériau 18 réfractaire, le combustible et les gaz, circule dans la chambre de combustion sans avoir besoin 19 de passer à travers un cyclone pour séparer, en fin de combustion, les solides des gaz, cyclone qui augmente les pertes de charges à vaincre par le ventilateur de combustion 21 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un dispositif en forme de cône (6) à la base 22 de la chambre de combustion (1), au dessus de la plaque de fluidisation (3), permettant à la 23 chambre de combustion de fonctionner en flux fixe à faible charge, et, en flux circulant à 24 moyenne et à forte charge 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé par un dispositif, en fin de combustion, 26 constitué par une pièce composée d'un cône renversé (8) prolongé par un cylindre (9), cône 27 et cylindre dont les parois sont des grilles canalisant les billes et les parties solides non 28 brûlées vers le bas où se trouve la trémie du projeteur pneumatique et laissant passer les gaz 29 de combustion et les cendres qui partent vers la chaudière de récupération(11) , le traitement des fumées (12) puis la cheminée