Brevet FR2913724A1 — publié le 20080919

UTILISATION DE FUMEES CHAUDES ISSUES DE LA COMBUSTION DE MATIERES COMBUSTIBLES, POUR PRODUIRE DE L'ENERGIE MECANIQUE, ET INSTALLATION CORRESPONDANTE La présente invention concerne une utilisation de fumées chaudes issues de la combustion de matières combustibles pour produire de l'énergie mécanique, ainsi qu'une installation pour la mise en oeuvre de cette utilisation. Au sens de l'invention, les fumées chaudes désignent les produits, essentiellement gazeux, issus de la combustion de matières combustibles, et lesdites matières combustibles désignent tous combustibles gazeux, liquides ou solides, d'origine fossile ou renouvelable, employés seuls ou en mélange. Les déchets liquides ou solides entrent également dans la définition de matières combustibles, au sens de l'invention. De façon classique, ces matières combustibles sont traitées dans un foyer de combustion, qui comprend une enceinte ouverte, un équipement de combustion qui peut être un brûleur, une grille mécanique, un lit fluidisé ou encore tout autre support de combustion, ainsi que des dispositifs d'alimentation en combustible et comburant. Ce foyer peut être équipé ou non de premiers moyens d'utilisation de l'énergie produite par la combustion, comme par exemple des tubes échangeurs pour chauffer un fluide tel que de l'eau, de la vapeur, ou encore un fluide thermique. Cette première utilisation de la chaleur peut également consister à chauffer des objets ou une charge solide. En aval du foyer, les fumées chaudes sont à une température comprise entre 800 et 1 200 C. Dans l'état de la technique connu, ces fumées chaudes sont le plus souvent dirigées vers une chaudière de récupération, dans laquelle elles échangent de la chaleur avec un fluide, qui est en général de l'eau. Cet échange conduit donc à la production d'eau chaude ou de vapeur. Ceci étant précisé, l'invention se propose de valoriser ces fumées chaudes de façon plus avantageuse que dans l'art antérieur. L'invention vise en particulier à proposer une utilisation de ces fumées chaudes, qui permet de fournir, de façon simple et efficace, de l'énergie mécanique, ladite énergie mécanique pouvant être transformée en énergie électrique via un convertisseur tel qu'un alternateur. A cet effet, elle a pour objet une utilisation de fumées chaudes issues de la combustion de matières corbustibles, visant à produire de l'énergie mécanique, comprenant les étapes suivantes : - on brûle, dans un foyer, lesdites matières combustibles, de manière à générer lesdites fumées chaudes, qui présentent une température supérieure à 800 C ; - on dimensionne les étages respectifs de détente et de compression d'un turbocompresseur, de sorte que ce dernier soit propre à fournir de l'énergie ; - on couple ce turbocompresseur, notamment son étage de compression, à une sortie mécanique, telle qu'un arbre ; - on dirige un gaz de travail, notamment de l'air, provenant de la sortie de l'étage de compression dudit turbocompresseur, vers un échangeur, auquel on alimente également lesdites fumées chaudes ; - on transfère, dans cet échangeur de chaleur, tout ou partie de l'énergie thermique contenue dans ces fumées chaudes au gaz de travail ; - on envoie ensuite le gaz de travail provenant de la sortie de l'échangeur, en direction de l'entrée de l'étage de détente du turbocompresseur, de manière à fournir ladite énergie mécanique au niveau de la sortie mécanique. Selon d'autres caractéristiques : - les matières combustibles sont solides ; - les matières combustibles comprennent de la biomasse et ses déchets ; - on dirige au moins une partie du gaz de travail, évacué de la sortie de l'étage de détente, vers un sécheur ; - on dirige au moins aune partie du gaz de travail, évacué de la sortie de l'étage de détente, en direction du foyer ; - on fait circuler, dans l'échangeur de chaleur, les fumées chaudes et le gaz de travail à contre-courant. 30 L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre de l'utilisation telle que définie ci-dessus, comprenant : - un foyer permettant de brûler lesdites matières combustibles ; - un échangeur de chaleur en relation avec le foyer ; - un turbocompresseur, dont les étages respectifs de détente et de compression sont dimensionnés, de sorte que ce turbocompresseur est propre à fournir de l'énergie mécanique, la sortie de l'étage de compression étant mise en relation avec l'entrée de l'échangeur de chaleur, alors que l'entrée de l'étage de détente est mise en communication avec la sortie de l'échangeur de chaleur ; et - une sortie mécanique, couplée au turbocompresseur, notamment à son étage de compression. L'invention va être décrite ci-après, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif, dans lesquels la figure unique est une vue schématique, illustrant une installation permettant la mise en oeuvre d'une utilisation de fumées chaudes conforme à l'invention. L'installation conforme à l'invention, illustrée sur la figure unique, comprend tout d'abord un foyer 2, de type classique, muni d'un ou plusieurs équipements de combustion. Ce foyer, qui est représenté de façon schématique, comporte notamment une alimentation 4 en matière combustible, telle que de la biomasse ou ses déchets, ainsi qu'une alimentation 6 en comburant. En aval de ce foyer 2, une ligne 8 permet d'évacuer les fumées chaudes, que se propose de traiter l'invention. Cette ligne 8 débouche à l'entrée d'un échangeur 10. Par ailleurs, il est prévu un turbocompresseur, désigné dans son ensemble par la référence TC, qui comprend, de façon habituelle, un étage de compression C, ainsi qu'un étage de détente D. Les deux étages sont reliés par un arbre de liaison mécanique 12, l'étage de compression est associé à une entrée de gaz 14 et à une sortie de gaz 16, alors que l'étage de détente D est associé à une entrée de gaz 18 et à une sortie de gaz 20. L'entrée de gaz 14 permet d'alimenter l'étage de compression par de l'air prélevé dans le milieu ambiant, via un filtre. Par ailleurs, la sortie 16 débouche dans l'échangeur 10, de manière à assurer une circulation de ces gaz à contre-courant par rapport aux fumées chaudes admises par la ligne 8. L'entrée 18 de l'étage de détente D est mise en communication avec la sortie de l'échangeur 10, alors que les gaz évacués par la sortie 20 de l'étage de détente D peuvent être renvoyés au moins partiellement vers l'alimentation 4 et/ou être dirigés vers un dispositif non représenté consommant de l'énergie thermique, tel une chaudière à eau chaude, à vapeur ou à fluide thermique, un sécheur, ou tout autre processus industriel utilisant de l'énergie thermique. Les fumées évacuées par la sortie de l'échangeur 10 circulent dans une ligne 30, mise en communication avec un autre dispositif, également non représenté, consommant de l'énergie thermique, tel une chaudière à eau chaude, à vapeur ou à fluide thermique, un sécheur, ou tout autre processus industriel utilisant de l'énergie thermique. Enfin ces fumées sont dirigées directement ou indirectement, via un traitement habituel, vers l'entrée d'une cheminée 32, représentée de façon schématique. Conformément à l'invention, on couple le turbocompresseur TC, de préférence son étage de compression C, avec une sortie mécanique 22, susceptible de fournir de l'énergie mécanique. Dans l'exemple illustré, il s'agit d'un arbre 22 qui peut être associé à un alternateur de type classique non représenté, via un réducteur de vitesse, un alternateur grande vitesse, ou tout autre dispositif consommant de l'énergie mécanique. On rappelle qu'un turbocompresseur (en anglais : turbocharger ) fait partie de la famille des turbomachines, ce dernier terme désignant tout appareil générateur ou récepteur agissant de manière dynamique sur un fluide à l'aide d'un rotor tournant autour d'un axe fixe. Un turbocompresseur permet habituellement de récupérer une partie de l'énergie des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, afin de comprimer l'air alimentant ce moteur. Par conséquent, ce turbocompresseur se distingue d'une turbine à gaz, qui est également une turbomachine appartenant à la famille des moteurs à combustion interne, dont le rôle est de produire de l'énergie mécanique à partir de l'énergie contenue dans un combustible liquide ou gazeux. Une telle turbine à gaz est constituée d'un étage de compression, d'une chambre de combustion ainsi que d'un étage de détente. Ainsi, un turbocompresseur diffère d'une turbine à gaz essentiellement en ce qu'il est dépourvu d'une telle chambre de combustion et qu'il ne produit en général pas d'énergie mécanique. La mise en oeuvre de l'installation décrite ci-dessus, en référence à la figure unique, va maintenant être explicitée dans ce qui suit. Il s'agit tout d'abord d'admettre, dans le foyer 2, des matières combustibles et un comburant qui est le plus souvent de l'air, par les lignes respectives 4 et 6 Ce foyer peut être constitué d'une grille mécanique,d'un brûleur, d'un lit fluidisé ou de tout autre support de combustion. Les matières combustibles susceptibles d'intervenir dans le cadre de l'invention sont notamment tout hydrocarbure, liquide, gazeux ou solide, des déchets industriels ou ménagers possédant un pouvoir calorifique suffisant, du bois de toutes essences, de l'écorce, des palettes, tout déchet d'exploitation forestière ou de bois, des céréales, de la paille (blé, seigle, orge, maïs, colza), des tourteaux issus de la trituration d'oléagineux, des plantes énergétiques (exemple : miscanthus et sorgho), des boues de stations d'épuration, ou encore tous déchets végétaux. En aval du foyer 2, les fumées chaudes ainsi produites circulent dans la ligne 8, à une température comprise entre 800 et 1200 C. Dans ce qui suit, les pressions dont il est question sont des pressions absolues. De façon parallèle, de l'air est admis, sensiblement à température et à pression atmosphérique, dans l'entrée 14 de l'étage de compression C. Cet air comprimé est alors évacué par la sortie 16, à une température comprise entre 150 et 400 C et à une pression comprise entre 3 et 15 bar. Les fumées chaudes de la ligne 8 et le gaz comprimé de la ligne 16 sont alors admis dans l'échangeur 10, selon un écoulement de préférence à contre-courant, ce qui est avantageux car la température de sortie de l'air est alors maximale. Un tel échangeur, qui est connu en soi, est par exemple à tubes ou encore de type régénératif. Un tel échangeur est avantageusement équipé d'un système de ramonage en continu, permettant de pallier tout problème d'encrassement sans arrêt de l'installation. A la sortie de l'échangeur 10, les fumées évacuées par la ligne 30 présentent une température comprise entre 300 et 650 C. Par ailleurs, l'air comprimé admis par la ligne 16 se trouve réchauffé dans l'échangeur 10, de sorte qu'il est évacué de celui-ci à une température comprise entre 500 et 1200 C. Cet air comprimé est maintenu sensiblement à la même pression dans l'échangeur 10, à savoir que la perte de charge de cet air comprimé entre l'entrée et la sortie de cet échangeur reste inférieure à 5%, de préférence inférieure à 1% . Le gaz réchauffé, provenant de l'échangeur, est alors admis à l'entrée 18 de l'étage de détente D, où il se trouve détendu. Ainsi, cet air circule dans la ligne de sortie 20 à une pression proche de la pression atmosphérique, alors que sa température est comprise entre 200 et 650 C. Cette phase de détente conduit à la génération d'énergie mécanique, dont une partie est utilisée par l'intermédiaire de l'arbre 12 pour faire fonctionner l'étage de compression C, et dont l'autre partie est susceptible de fournir de l'énergie à la sortie mécanique 22. L'arbre de liaison 12 et l'arbre de sortie 22 possèdent une vitesse de rotation comprise entre 20 000 et 80 000 tr/min, en fonction de la puissance de sortie. Comme cela ressort de ce qui précède, l'essence de l'invention consiste à utiliser un turbocompresseur, qui est habituellement une machine non productrice d'énergie, en tant que machine productrice d'énergie. A cet effet, un turbocompresseur tel qu'utilisé dans l'invention présente un étage de détente surdimensionné, par rapport à l'étage de détente utilisé dans un turbocompresseur classique qui n'est pas destiné à fournir de l'énergie. II existe une multitude de moteurs à combustion interne équipés de turbocompresseurs, chacun ayant des caractéristiques bien spécifiques. Afin de standardiser au maximum leurs produits, les constructeurs de turbocompresseurs ont créé des gammes de produits, chaque élément de la gamme disposant d'un corps et d'un maximum de pièces similaires et de plusieurs éléments de détente et de compression pouvant se monter sur ce corps. En vue de réaliser l'invention il s'agit, comme évoqué ci-dessus, de dimensionner le turbocompresseur TC pour qu'il fournisse de l'énergie. Par conséquent, on sélectionne de façon avantageuse parmi les différents éléments de détente et de compression d'un même corps, ceux qui sont les mieux adaptés pour maximiser l'énergie produite en fonction des caractéristiques souhaitées. Il s'agit typiquement de fixer une plage acceptable pour la puissance mécanique à produire, puis d'adapter le débit et la pression de travail de l'installation à ce que peut fournir le constructeur de turbocompresseur, afin de maximiser la production d'énergie électrique. La démarche est identique à celle qui est mise en oeuvre dans le cadre de la fabrication d'un turbocompresseur classique, non producteur d'énergie. De ce fait, le turbocompresseur utilisé dans l'invention présente un coût sensiblement identique à celui des turbocompresseurs habituels, produits en très grande série. Il est également aisé de moduler la puissance de sortie, car il existe un nombre important de corps, d'étages différents de compression et de détente. Une fois que les caractéristiques du turbocompresseur ont été choisies, on lui associe l'arbre de sortie 22, de manière à fournir l'énergie mécanique désirée. On notera également que, par rapport à une turbine à gaz, le turbocompresseur utilisé dans l'invention est dépourvu de chambre de combustion. En revanche, il tire parti des fumées chaudes issues du foyer 2, d'une manière indirecte du fait de la présence de l'échangeur. L'utilisation de turbocompresseurs multi éléments comportant deux ou plusieurs éléments de compression et deux ou plusieurs éléments de détente permettra également d'augmenter les performances de l'installation. En conclusion, l'invention est avantageuse en termes de coût de fabrication et d'entretien, puisqu'elle fait appel à un turbocompresseur de grande série. Comme vu ci-dessus, elle offre en outre une grande modularité, puisqu'il est possible de faire varier aisément les tailles des étages respectifs de détente et de compression. Enfin, l'invention permet de couvrir une gamme énergétique intermédiaire, comprise entre 100 et 5000 kW, et particulièrement entre 100 et 1000 kW qui n'est pas traitée de manière industrielle par les turbines à gaz habituelles. REVENDICATIONS 1. Utilisation de fumées chaudes issues de la combustion de matières combustibles, visant à produire de l'énergie mécanique, comprenant les étapes suivantes : - on brûle, dans un foyer (2), lesdites matières combustibles, de manière à générer lesdites fumées chaudes, qui présentent une température supérieure à 800 C ; - on dimensionne les étages respectifs de détente (D) et de compression (C) d'un turbocompresseur (TC), de sorte que ce dernier soit propre à fournir de l'énergie ; - on couple ce turbocompresseur (TC), notamment son étage de compression, à une sortie mécanique (22), telle qu'un arbre ; - on dirige un gaz de travail, notamment de l'air, provenant de la sortie (16) de l'étage de compression (C) dudit turbocompresseur (TC), vers un échangeur (10), auquel on alimente également lesdites fumées chaudes; - on transfère, dans cet échangeur de chaleur (10), tout ou partie de l'énergie thermique contenue dans ces fumées chaudes au gaz de travail ; - on envoie ensuite le gaz de travail provenant de la sortie de l'échangeur (10), en direction de l'entrée (18) de l'étage de détente (D) du turbocompresseur (TC), de manière à fournir ladite énergie mécanique au niveau de la sortie mécanique (22). 2. Utilisation de fumées selon la revendication 1, caractérisée en ce que les matières combustibles sont solides. 3. Utilisation de fumées selon la revendication 2, caractérisée en ce que les matières combustibles comprennent de la biomasse et ses déchets. 4. Utilisation de fumées selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on dirige au moins une partie du gaz de travail, évacué de la sortie (20) de M'étage de détente (D), vers un sécheur. 5. Utilisation de fumées selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on dirige au moins une partie du gaz detravail, évacué de la sortie (20) de l'étage de détente (D), en direction du foyer (2). 6. Utilisation de fumées selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on fait circuler, dans l'échangeur de chaleur (10), les fumées chaudes et le gaz de travail à contre-courant. 7. Installation pour la mise en oeuvre de l'utilisation conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant : - un foyer (2) permettant de brûler lesdites matières combustibles ; - un échangeur de chaleur (10) en relation avec le foyer ; - un turbocompresseur (TC), dont les étages respectifs de détente (D) et de compression (C) sont dimensionnés, de sorte que ce turbocompresseur (TC) est propre à fournir de l'énergie mécanique, la sortie (16) de l'étage de compression étant mise en relation avec l'entrée de l'échangeur de chaleur (10), alors que l'entrée (18) de l'étage de détente (D) est mise en communication avec la sortie de l'échangeur de chaleur (10) ; et - une sortie mécanique (22), couplée au turbocompresseur (TC), notamment à son étage de compression (C).