Brevet FR2979138A1 — publié le 20130222

INSTALLATION DE COGENERATION A PARTIR DE BIOMASSE. L'invention est relative à une installation de cogénération à partir de biomasse, comprenant un foyer de combustion de la biomasse qui émet des fumées servant à vaporiser un fluide dont les vapeurs entraînent une turbine, en particulier pour produire de l'électricité, ce fluide travaillant selon un cycle de Rankine. Une installation de cogénération est destinée à produire simultanément deux formes d'énergies, généralement de l'énergie électrique et de l'énergie thermique. Les installations de cogénération permettent de valoriser différents types de biomasse. Toutefois, la chaleur récupérable sous forme vapeur sur certains foyers de combustion de biomasse consiste en une vapeur à relativement faible niveau de pression et de température, rendant cette valorisation relativement peu intéressante. Dans le cas où la biomasse est constituée par des boues de traitement des eaux, provenant notamment de stations d'épuration, la température des fumées sortant du foyer de combustion est de l'ordre de 850°C ; ces fumées servent au préchauffage de l'air de combustion et leur température, en sortie du préchauffage, est généralement de l'ordre de 500°C. Les rendements obtenus, jusqu'à ce jour, pour la production d'énergie électrique avec une installation de cogénération fonctionnant dans ces conditions, sont relativement faibles. L'invention a pour but, surtout, de proposer une installation de cogénération à partir de biomasse qui permet d'obtenir de meilleurs rendements pour la production de l'autre forme d'énergie, en particulier énergie électrique, alors que la chaleur est disponible à une température relativement basse, notamment inférieure à 500°C. Selon l'invention, une installation de cogénération à partir de biomasse, comprenant un foyer de combustion de la biomasse qui émet des fumées servant à vaporiser un fluide dont les vapeurs entraînent une turbine, en particulier pour produire de l'électricité, ce fluide travaillant selon un cycle de Rankine, est caractérisée en ce que le foyer de combustion est un incinérateur de boues de traitement des eaux, et en ce que le fluide utilisé dans le cycle de Rankine est un fluide organique. Avantageusement, l'incinérateur de boues est un incinérateur à boîte à vent chaude. Le fluide organique du cycle de Rankine peut être une huile, ou un hydrocarbure, en particulier pour une température de source chaude comprise entre 150°C et 300°C. Le fluide organique du cycle de Rankine peut aussi être constitué par du toluène ou un siloxane, en particulier pour une température de source chaude supérieure à 300°C. On choisit le fluide du cycle de Rankine en fonction de la température des fumées. De préférence, le fluide du cycle de Rankine est vaporisé dans un échangeur évaporateur. L'échangeur évaporateur peut être traversé par les fumées de l'incinérateur. Selon une autre possibilité, l'échangeur évaporateur est traversé par un fluide caloporteur qui est chauffé par les fumées dans un deuxième échangeur de chaleur. L'installation comporte un condenseur des vapeurs à la sortie de la turbine ; le fluide froid du condenseur est constitué par de l'eau de refroidissement dont la température à l'entrée est avantageusement d'environ 70°C, et le condenseur est prévu pour que l'eau de refroidissement, à la sortie du condenseur, soit à une température comprise entre 85°C et 95°C, avantageusement environ 90°C, permettant une valorisation de cette chaleur résiduelle. En particulier, l'énergie récupérée lors de la condensation du fluide à la sortie du condenseur, peut être envoyée dans un sécheur des boues avant leur entrée dans l'incinérateur. La température du fluide organique à l'entrée de la turbine peut être comprise entre 200°C et 400°C, en particulier égale à 270°C, pour une pression comprise entre 9 et 17 bars, en particulier de 15 bars. Un échangeur est généralement prévu sur les fumées pour préchauffer l'air de combustion envoyé dans l'incinérateur. Un autre échangeur peut être prévu sur le cycle du fluide organique pour récupérer de la chaleur résiduelle. L'invention est ainsi relative à l'association d'un incinérateur de boues avec un cycle de Rankine organique permettant de produire de l'électricité grâce à la chaleur résiduelle des fumées de l'incinérateur avec un rendement satisfaisant, même si la température de ces fumées est relativement basse. L'avantage du cycle de Rankine organique est de produire potentiellement de la chaleur à moyenne température, de l'ordre de 90°C. La chaleur résiduelle après la valorisation en énergie électrique peut être valorisée en pré-séchage de la biomasse à incinérer, et/ou pour des besoins de chaleur bâtiment. Dans les systèmes existants, la chaleur résiduelle des fumées de l'incinérateur n'est pas exploitée dans les meilleures conditions. Le cycle de Rankine organique permet de valoriser avec des rendements satisfaisants une chaleur disponible à moins de 300°C quelle que soit la taille de l'incinérateur de boues. L'installation de cogénération selon l'invention concerne principalement des installations de puissance limitée, généralement inférieure à ou de l'ordre de 1 MWei (1 mégawatt électrique). L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est un schéma d'une installation de cogénération selon l'invention et Fig. 2 est un schéma d'une variante de réalisation de l'installation de cogénération. En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir une installation I de cogénération à partir de biomasse constituée par des boues 1 de traitement des eaux, provenant principalement de stations d'épuration. Les boues 1 traversent un sécheur 2, notamment de type indirect, avant d'être admises dans un foyer de combustion constitué par un incinérateur 3 de boues. Une dérivation (non représentée) peut être prévue pour court-circuiter le sécheur 2 si les boues sont suffisamment sèches. La siccité des boues admises dans l'incinérateur 3 est généralement comprise entre 15% et 35% en masse. Les fumées, émises par l'incinérateur 3, sont dirigées par une conduite 4 vers un échangeur évaporateur 5. En traversant cet échangeur 5, les fumées permettent de chauffer et vaporiser un fluide passant dans une autre conduite 6 de l'échangeur 5. Ce fluide travaille selon un cycle de Rankine et circule dans une boucle B. Le fluide utilisé dans le cycle de Rankine, selon l'invention, est un fluide organique volatil qui peut être choisi parmi les huiles, les réfrigérants, les hydrocarbures, le toluène, les siloxanes, principalement en fonction de la température des fumées arrivant par la conduite 4. Pour des températures relativement basses généralement inférieures à 300°C, le fluide est constitué par un réfrigérant ou un hydrocarbure. Pour des températures plus élevées, notamment supérieures à 300°C, le fluide est de préférence du toluène ou un siloxane. Les fluides de travail qui peuvent être utilisés dans un cycle de Rankine organique sont nombreux, ce qui permet de s'adapter au mieux à la température de la source chaude constituée par les fumées traversant l'échangeur 5 : - des réfrigérants sont utilisés pour des sources chaudes à basse température, inférieure à 150°C ; - des hydrocarbures permettent de valoriser des sources chaudes à moyenne température comprise entre 150°C et 300°C ; - enfin, pour les sources chaudes à température plus élevée, supérieure à 300°C, on utilise de préférence le toluène ou une catégorie de fluides appelés "siloxanes", de la famille des silicones. Le fluide organique liquide qui entre dans l'évaporateur 5 est transformé en vapeur à la sortie de l'échangeur 5, sous une pression de 10 à 15 bars environ et est dirigé vers l'entrée d'une turbine 7, couplée à un générateur d'électricité 8, notamment un alternateur. Les vapeurs sortant de la turbine 7 sont dirigées vers un condenseur 9 traversé par un fluide de refroidissement, généralement de l'eau arrivant par une conduite 10 et évacuée par une conduite 11. Le fluide condensé, sous forme liquide, à la sortie du condenseur 9 est dirigé vers une pompe 12 qui porte le liquide à une pression suffisante pour le réintroduire dans l'échangeur évaporateur 5. Le condenseur 9 peut être réalisé sous différentes formes, en particulier selon l'une au moins des formes suivantes, qui peuvent être combinées : - boucle thermique alimentant le pré-sécheur de la biomasse à incinérer - aérocondenseur, - hydrocondenseur avec tour d'évaporation, - boucle de chauffage de locaux administratifs ou de procédé, - boucle d'eau chaude pour le maintien en température d'un digesteur, - boucle d'eau chaude pour couvrir un besoin de chaleur. En fonction des capacités thermiques de l'installation, la valorisation électrique sera réalisée à l'aide d'une turbine 7, ou d'une vis. Certains des fluides organiques utilisés dans le cycle de Rankine peuvent être inflammables. L'installation est munie de systèmes d'étanchéité performants ainsi que de systèmes de protection de manière à assurer la sécurité des personnes et des biens en cas de problème. Une attention particulière est apportée au réseau de rétention et de collecte des fuites afin d'éviter tout déversement dans l'environnement et tout risque d'inflammation. Les fumées sortant de l'évaporateur 5 traversent avantageusement un échangeur 13 qui permet de réchauffer l'air de combustion arrivant par une conduite 14 et sortant réchauffé par une conduite 15 en direction de l'incinérateur 3. L'eau de refroidissement du condenseur 9, arrivant par la conduite 10, peut être à une température d'environ 70°C pour ressortir par la conduite 11 à une température comprise entre 85°C et 95°C, de préférence d'environ 90°C. Cette eau peut être dirigée par une conduite 16, pour partie ou en totalité, vers le sécheur 2 de type indirect, ce qui permet de récupérer une partie de la chaleur résiduelle de cette eau pour le séchage des boues avant incinération. En cas d'excès d'eau, une conduite 11a permet de diriger cet excès vers une valorisation, notamment un chauffage. Avantageusement, l'installation de cogénération I constitue une unité qui nécessite un local spécifique, ventilé, et équipé de tous les moyens pour assurer la maintenance des équipements. Une unité peut être réalisée sous forme compacte et construite sur traîneau (skid) jusqu'à une puissance de 1 MWeI (1 Mégawatt électrique) ou plus. Le local serait d'une dimension de 22 m x 11 m x 7 m (longueur x largeur x hauteur) pour une puissance de 2 MWeI et de 18,5 m x 7m x 6 m pour 700 KWeI. Une attention particulière est apportée à l'accès aux différents 2 0 équipements pour les interventions en exploitation. Fig. 2 illustre une variante de réalisation de l'installation de cogénération I selon l'invention. Les éléments identiques ou jouant un rôle semblable à des éléments déjà décrits à propos de Fig. 1 sont désignés par les mêmes références numériques sans que leur description soit reprise en détail. 25 Un circuit intermédiaire D dans lequel circule un fluide caloporteur, qui demeure à l'état liquide est prévu pour transférer une partie de la chaleur des fumées sortant de l'incinérateur 3 à l'échangeur évaporateur 5. Le circuit D comporte un échangeur de chaleur 17 entre les fumées et le fluide caloporteur du circuit D. Ce fluide caloporteur peut être une huile thermique. Une pompe 18 30 fait circuler le fluide caloporteur dans le circuit D. Ce fluide passe dans l'échangeur évaporateur 5 pour vaporiser le fluide organique de la boucle B travaillant selon le cycle de Rankine. Dans la boucle B un échangeur régénérateur 19 est prévu entre la sortie de la turbine 7 et 1"entrée du condenseur 9 pour réchauffer le fluide 35 organique, qui sort de la pompe 12 sous forme liquide, par la vapeur basse pression sortant de la turbine 7. L'échangeur 13, traversé par les fumées à leur sortie de l'échangeur 17, permet de réchauffer un fluide qui sort par la conduite 15 pour une valorisation énergétique. L'échangeur 13 permet notamment de préchauffer l'air de combustion pour l'incinérateur 3. Le fluide de refroidissement du condenseur 9 sort par la conduite 11 pour permettre également une valorisation énergétique, telle qu'un séchage des boues évoqué à propos de Fig. 1. A titre d'exemples non limitatifs quelques valeurs de température et de pression sont données ci-après à propos de l'installation de Fig. 2. Ces valeurs peuvent s'appliquer également à des parties de l'installation de Fig.1. Les fumées, à l'entrée de l'échangeur 17, peuvent avoir une température comprise entre 400°C et 1200°C. A la sortie de l'échangeur 17 ces fumées sont à une température d'environ 300°C. Dans le circuit intermédiaire D, le liquide caloporteur entre dans l'échangeur 17 à une température comprise entre 200 et 250°C et sort de l'échangeur 17 à une température comprise entre 290 et 320°C. La pression des vapeurs ou gaz en sortie de l'évaporateur 6 et en entrée de la turbine 7 est de l'ordre de 10 bars, tandis qu'à la sortie de la turbine 7, et à l'entrée du régénérateur 19, la pression des vapeurs est de l'ordre de 0,1 bar. En fonction des possibilités de valorisation thermique, le schéma de valorisation énergétique peut être adapté afin de rentabiliser au mieux l'investissement. L'installation de cogénération avec cycle organique de Rankine selon l'invention présente plusieurs avantages importants. Cette installation permet de générer de l'énergie électrique avec des sources de chaleur à température relativement basse. Les composés organiques du fluide de travail, dans le cycle organique de Rankine, ont généralement une masse moléculaire élevée qui permet une efficacité améliorée de la turbine. Un autre avantage des composés organiques réside en ce qu'ils n'ont pas besoin d'être surchauffés pour atteindre des enthalpies élevées. En outre, comme ils ne sont pas mouillants, ils ne condensent pas lors de leur détente dans la turbine, ce qui limite l'érosion et la corrosion des aubages de la turbine. Compte tenu de la température et de la pression du fluide, la turbine tourne à faible vitesse, de l'ordre de 3000 tr/min, ce qui permet de limiter les contraintes mécaniques et de la coupler directement à l'alternateur 8, sans réducteur de vitesse intermédiaire. La solution de l'invention avec cycle de Rankine à fluide organique permet d'obtenir des rendements électriques améliorés, relativement à une technologie à vapeur d'eau, dans le domaine des puissances relativement faibles de l'ordre de 1 MW, ou moins, sans limitation de puissance supérieure. Un exemple comparatif est donné ci-après entre 1/ une installation de cogénération classique avec cycle de Rankine à vapeur d'eau et 2/ une installation de cogénération avec cycle de Rankine à fluide organique selon l'invention. 1/ Installation de cogénération avec cycle de Rankine à vapeur d'eau Boue à 22% de siccité. 3 000 kg MS/h Pré-séchage thermique à 26% de siccité. => Puissance nécessaire pour le séchage : 2097 kWth i=> Débit des fumées : 30 438 Nm3/h -> Température des fumées entrée échangeur : 591 °C -> Température des fumées sortie échangeur : 220°C -> Puissance transférée : 4872 kW -> Puissance disponible pour production énergie électrique : Production de vapeur : Pression : 35 bars Température : 350 °C Turbine : Pression d'échappement : 8 bars Température d'échappement : 170 °C Rendement : 8% Production électrique : 0.08 *4872 = 390 kWe 2/ Installation de cogénération avec cycle de Rankine à fluide organique Boue à 22% de siccité. 3 000 kg MS/h Séchage de 50 `)/0 de la boue dans un sécheur à basse température jusqu'à 80% de siccité. Mélange avec le reste des boues déshydratées -> Boues à 35% de siccité au total. -> Puissance consommée pour le séchage : 5 000 kW -> Débit des fumées : 26 750 Nm3/h -> Température des fumées entrée échangeur : 849 °C -> Température des fumées sortie échangeur : 220°C i=> Puissance transférée : 7381 kW Circuit organique de Rankine : Rendement turbine : 15% => 1 107 kWe Récupération thermique : 80 `)/0 => 5 904 kWth Pertes 5% Conclusion : Production du cycle de Rankine : + 280% en électricité + eau chaude encore disponible : 904 kWth pour autres usages : chauffage locaux, digesteurs 20 REVENDICATIONS1.Installation de cogénération à partir de biomasse comprenant un foyer de combustion de la biomasse qui émet des fumées servant à vaporiser un fluide dont les vapeurs entraînent une turbine (7), en particulier pour produire de l'électricité, ce fluide travaillant selon un cycle de Rankine, caractérisée en ce que le foyer de combustion est un incinérateur (3) de boues de traitement des eaux, et en ce que le fluide utilisé dans le cycle de Rankine est un fluide organique. 2.Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'incinérateur de boues est un incinérateur à boîte à vent chaude. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le fluide organique du cycle de Rankine est une huile. 4. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le fluide organique du cycle de Rankine est un hydrocarbure, en particulier pour une température de source chaude comprise entre 150°C et 300°C. 5. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide organique du cycle de Rankine est constitué par du toluène ou un siloxane, en particulier pour une température de source chaude supérieure à 300°C. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fluide du cycle de Rankine est vaporisé dans un échangeur évaporateur (5). 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'échangeur évaporateur (5) est traversé par les fumées de l'incinérateur (3) 8. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'échangeur évaporateur (5) est traversé par un fluide caloporteur qui est chauffé par les fumées dans un deuxième échangeur de chaleur (17). 9. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un condenseur (9) des vapeurs à la sortie de la turbine, le 2 97913 8 10 fluide froid du condenseur étant constitué par de l'eau de refroidissement , caractérisée en ce que la température de l'eau de refroidissement à l'entrée est d'environ 70°C, et en ce que le condenseur (9) est prévu pour que l'eau de refroidissement, à la sortie du condenseur, soit à une 5 température comprise entre 85°C et 95°C. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'énergie récupérée lors de la condensation du fluide à la sortie du condenseur, est envoyée dans un sécheur (2) des boues avant leur entrée dans 10 l'incinérateur. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la température du fluide organique à l'entrée de la turbine est comprise entre 200°C et 400°C, en particulier de 270°C, pour 15 une pression comprise entre 9 et 17 bars, en particulier de 15 bars.