Brevet FR2979415A1 — publié le 20130301

BRÛLEUR DE BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE A TRIPLE FLUX AVEC GENERATION DE GAZ DE COMBUSTION A TENEUR CONTROLEE EN OXYGENE. L'invention se rattache au secteur technique des appareils de combustion, et en particulier des brûleurs de biomasse notamment à partir de déchets du type sciure, résidus forestiers et résidus agricoles. Le développement durable et le traitement des énergies renouvelables apparaissent être les seules solutions pour réduire la dépendance aux énergies fossiles, tenant compte de l'épuisement progressif et rapide de celles-ci, et aussi pour maitriser et réduire l'empreinte carbone lors de la production de chaleur et plus généralement lors de la production d'énergie. Tous les travaux de recherche et de développement se font dans ce sens avec une prise de conscience très forte des individus et aussi grâce à des actions d'informations et de programmes de développement proposés par les pouvoirs publics, avec par exemple en France récemment les travaux relatifs au Grenelle de l'Environnement en 2007-2009. Ainsi, certains se sont penchés sur la valorisation énergétique de la biomasse, laquelle constitue une source d'approvisionnement considérable en respectant les objectifs précités. On connaît ainsi des brûleurs à biomasse traitant essentiellement des produits de sciure. En pratique, de tels brûleurs ne sont pas adaptés pour traiter des produits de granulométrie plus conséquente et les conditions d'utilisation et de fonctionnement restent donc limitées. En outre, la combustion initiée par les brûleurs de ce type s'effectue de manière très classique, suffisante pour des produits de sciure à faible granulométrie. La démarche du Demandeur a été d'appréhender la valorisation de biomasse lignocellulosique dans une variété de produits beaucoup plus large et de granulométrie très différente, par exemple depuis la sciure jusqu'à la plaquette forestière en passant par le granulé. Un autre but recherché du Demandeur était de permettre une combustion de la biomasse lignocellulosique propre, non polluée, de type résidus forestiers ou agricoles, avec donc des granulométries différenciées, offrant ainsi une capacité et des volumes de produits à brûler beaucoup plus importants et moins sélective et permettant ainsi une réduction des coûts de production. Un autre but selon l'invention était de permettre un traitement de la biomasse dans des états différenciés, par exemple de la biomasse crue ou de la biomasse torréfiée. Un autre but recherché selon l'invention était de permettre le traitement de la biomasse lignocellulosique avec une très large gamme de puissances thermiques. Ainsi, la démarche du Demandeur a été de concevoir un nouveau type de brûleur de biomasse répondant aux différents objectifs précités avec une capacité accrue de variétés de type de biomasse constitutive, avec des granulométries très variables, et un état initial différencié. La solution mise au point par le Demandeur répond à tous ces objectifs, par la mise en oeuvre d'un brûleur aux caractéristiques spécifiques et agissant dans des conditions différentes et nouvelles par rapport à l'état de la technique actuel et connu du Demandeur. Cette solution est mise en oeuvre par un procédé très particulier qui permet la combustion de la biomasse de manière optimisée.30 Selon une première caractéristique de l'invention, le brûleur de biomasse lignocellulosique est remarquable en ce qu'il comprend un corps extérieur formant colonne agencée intérieurement avec d'une part une partie réceptrice de la biomasse formant corps de chauffe et autour de celui-ci sur une partie de son pourtour périphérique avec une chambre de distribution et de circulation d'un gaz spécifique, et en ce que la hauteur du corps de chauffe est inférieure à celui de la colonne, de façon à délimiter en partie haute un passage de circulation dudit gaz spécifique, et en ce que l'alimentation de la biomasse à l'intérieur du brûleur dans la partie réceptrice s'effectue par un moyen d'alimentation en continu, et en ce que la colonne du brûleur débouche par sa partie basse vers une chambre thermique et tuyère du passage de flamme, et en ce que la chambre entourant le corps de chauffe débouche en partie basse du brûleur au niveau de la jonction du brûleur avec la chambre thermique et la tuyère de passage de flamme, et en ce que le brûleur comprend deux circuits d'arrivée d'airs primaire et secondaire, permettant de générer trois flux gazeux susceptibles de circuler à l'intérieur du brûleur et de produire ensemble une combustion secondaire pour l'émission d'un gaz sortant et permettant le traitement des produits organiques issus de la biomasse, et en ce que la structure du brûleur définit quatre zones spécifiques, une zone de combustion primaire, une zone de gazéification, une zone de filtration, lesdites zones se situant successivement dans le corps de chauffe, et une zone de combustion secondaire. Selon une autre caractéristique, le procédé de traitement de biomasse lignocellulosique dans un brûleur de biomasse, est remarquable en ce qu'il met en oeuvre l'émission et la gestion de trois flux gazeux et d'un flux solide de biomasse, lesdits flux gazeux traversant des zones successives du brûleur à savoir une zone de combustion primaire, une zone de gazéification, une zone de filtration et une zone de combustion secondaire, et en ce que le premier flux de combustion primaire traverse la zone de combustion primaire à l'intérieur du corps du brûleur, et en ce que le second flux traverse les zones de gazéification et de filtration pour transporter une substance organique issue de la biomasse vers la zone de combustion secondaire et en ce que le troisième flux génère la combustion secondaire, et en ce que les trois flux gazeux se rencontrent à l'avant du brûleur pour définir une zone de combustion secondaire permettant de générer un gaz sortant régulé en température et en taux d'oxygène. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention illustrée d'une manière non limitative aux figures des dessins où : - la figure 1 est une vue à caractère schématique du brûleur de biomasse selon l'invention mettant en oeuvre une distribution de gaz selon un triple flux. - la figure 2 est une vue partielle et en coupe transversale au niveau de la zone de combustion. - la figure 3 est une vue représentant le brûleur de biomasse avec la tuyère et le dispositif de régulation. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures des dessins. Le brûleur de biomasse lignocellulosique est référencé dans son ensemble par (B). Il comprend un corps extérieur (1) formant colonne agencée intérieurement avec d'une part une partie (la) réceptrice de la biomasse (3) formant corps de chauffe et autour de celui-ci sur une partie de son pourtour périphérique avec une chambre (4) de distribution et de circulation d'un gaz spécifique, ainsi qu'il sera exposé par la suite. La hauteur du corps de chauffe est inférieure à celui de la colonne, de façon à délimiter en partie haute un passage (lb) de circulation de gaz. L'alimentation de la biomasse (3) à l'intérieur du brûleur dans la partie réceptrice s'effectue par un moyen d'alimentation (5) en continu de tout type connu, comprenant par exemple une vis d'Archimède ou autre. La biomasse traitée est à base de produits lignocellulosiques, selon différentes formes en granulés, plaquettes ou autres avec une granulométrie variable. La colonne du brûleur se présente en situation verticale, et débouche par sa partie basse vers une chambre thermique (6) et tuyère du passage de flamme. Par ailleurs, la chambre (4) entourant le corps de chauffe (la) débouche en partie basse du brûleur au niveau de la jonction du brûleur avec la chambre thermique et la tuyère de passage de flamme. La partie basse du brûleur est agencée avec un réceptacle (7) pour la collecte de cendres. Le brûleur de biomasse selon l'invention est agencé pour engendrer un triple flux de gaz et un flux solide qui vont permettre une combustion optimisée de la biomasse en mettant en oeuvre une solution hybride avec à. la fois le principe de la gazéification et le principe de la combustion de solide. La mise en oeuvre du brûleur génère trois flux gazeux référencés (G1-G2G3) et un flux solide (FS), et a pour objectif et résultat la meilleure combustion possible de la biomasse, quelle que soit la taille des particules de biomasse traitée et permet un contrôle simultané de la quantité résiduelle d'oxygène présente dans le flux gazeux en sortie du brûleur. Afin d'assurer la distribution des flux (G1-G2-G3), le brûleur comprend deux circuits d'arrivée d'air d'une part d'air primaire, et d'autre part d'air secondaire. Le premier circuit (CI) d'air primaire comprend un conduit (8) avec ventilateur (9) débouchant dans la partie basse du corps de chauffe au niveau de la partie zone de combustion primaire. Ce conduit (8) est agencé dans le corps de chauffe avec un répartiteur de flux (10) définissant deux flux (G1-02) orientés de manière différenciée, ainsi qu'explicité par la suite. Le second circuit (C2) d'air dit d'air secondaire débouche dans la partie basse du brûleur au niveau de la jonction avec l'arrivée des différents flux de gaz (G1-G2), comme il sera exposé par la suite. Le second circuit met en oeuvre un ventilateur (11). Le premier circuit d'air(C1) inclut une vanne (V1) de régulation contrôlée par la température mesurée par un thermocouple (T2) situé dans la chambre thermique. Le second circuit d'air (C2) inclut une vanne (V2) de régulation contrôlée par le taux d'oxygène mesuré avec une sonde de mesure (02) dans le flux sortant de la chambre thermique. Un autre thermocouple (Ti) disposé en amont dans la chambre thermique permet un autre contrôle de température. Le brûleur selon l'invention étant défini dans sa structure, il convient d'identifier les différentes zones de celui-ci, qui permettent sa mise en oeuvre et la gestion des différents flux gazeux (G1-G2-G3) et solide (FS). Une première zone (Z1) dite de combustion primaire est située à l'intérieur et en partie basse du corps de chauffe. Elle est en étroite liaison avec les deux circuits (Cl) et (C2) générant les flux (G1) et (G2). Cette zone (Z1) a pour fonction de brûler une partie de la biomasse apportée par le flux (FS) correspondant à l'introduction de la biomasse à l'intérieur de la colonne et spécifiquement dans le corps de chauffe du brûleur. Cette zone fournit également l'énergie nécessaire à la gazéification de la biomasse. Cette double action conduit à l'appauvrissement en oxygène du flux gazeux entrant, dénommé flux d'air primaire. Cette zone de combustion est constamment alimentée par l'air primaire contenant de l'oxygène afin de permettre la combustion complète de la biomasse située dans cette zone. Cette combustion conduit à l'appauvrissement en oxygène du flux d'air primaire lorsqu'il traverse la biomasse, et aussi à la fourniture de l'énergie nécessaire à la gazéification de la biomasse qui se déroule sur les couches de solides situées au dessus de la zone de combustion primaire. En pratique, les gaz de combustion issus de cette zone, pauvres en oxygène, sont orientés selon deux flux (G1) et (G2) grâce au répartiteur de flux introduit dans le circuit primaire (C1). Une partie du flux (G1) est ainsi envoyée vers l'avant du brûleur et produit sur la face avant de petites flammes. Cela se situe au niveau de la jonction de la partie basse du corps de chauffe avec la zone de jonction de la chambre thermique, et de la chambre entourant le corps de chauffe. L'autre flux (G2) est renvoyé dans la colonne du corps de chauffe vers la zone de gazéification en remontant de bas en haut, afin de chauffer la biomasse et permettre le processus de gazéification. La seconde zone (Z2), dite zone de gazéification, est située à l'intérieur du corps de chauffe, juste au dessus de la zone de combustion primaire. Cette zone de gazéification génère d'importants volumes de gaz riches en matières organiques qui enrichissent le flux (G2) lors de son passage dans cette zone du brûleur. La décomposition gazeuse de la biomasse génère ainsi des gaz combustibles qui sont entrainés par le flux (G2) en direction du haut du brûleur vers la troisième zone (Z3), dite zone de filtration. Au-dessus de cette zone de gazéification, se trouve être la zone (Z3) de filtration située à l'intérieur du corps de chauffe. Cette zone (Z3) permet de filtrer les goudrons (matières organiques liquides) contenus dans le flux (G2), de les distiller et de les fragmenter avant de les réinjecter grâce au flux (G2) sur l'avant du brûleur pour être entièrement brulés. Pour se faire, le flux gazeux (G2), après avoir traversé les zones (Z1) et (Z2) est dirigé par le biais de la chambre (4) entourant le corps de chauffe à l'endroit de jonction avec la chambre thermique. Le flux (G2) transporte en outre les fragments de goudrons à cet endroit permettant ainsi de les brûler. Durant son passage dans cette chambre (4), le flux (G2) reste à l'état chaud de par son contact avec les parois du corps de chauffe, ce qui évite toute condensation de goudrons ou autres matières telles que jus pyroligneux à l'intérieur du corps de chauffe. La quatrième zone, dite de combustion secondaire, est située à l'avant et dans la partie basse du brûleur et correspond avec l'intégration du circuit secondaire (C2) au mélange des flux (G1) en provenance du bas du corps de chauffe, du flux (G2) en provenance de la chambre (4) entourant le corps de chauffe et du flux (G3) d'air secondaire initié par le circuit (C2). Ces trois flux se retrouvent dans la zone de jonction de la chambre thermique et permettent ensemble un effet de combustion secondaire. Cela permet la combustion des substances organiques transportées par le flux (G2).30 Ainsi selon l'invention, la rencontre des flux (G1-G2-G3) génère la formation d'un flux gazeux sortant dans la chambre thermique et évacué ensuite dans le circuit de chauffage, en présentant une teneur en oxygène contrôlée. Ce contrôle est permis plus particulièrement par la teneur en oxygène liée au flux (G3) et régulée à partir de la vanne (V2) et les mesures faites en continu par la sonde à oxygène (02). Ainsi, la mise en oeuvre de ces trois flux (G1-G2-G3) en combinaison avec l'introduction en continu de biomasse, selon le flux (FS) permet la combustion de la biomasse dans des conditions de granulométrie variée, et aussi de traiter des produits de biomasse dans des états différenciés. Selon l'invention, chacun des flux (G1-G2-G3) a une fonction particulière et ils se rejoignent à un moment donné à l'intérieur du brûleur pour assurer une zone de combustion secondaire qui permet de traiter des substances organiques générées par la biomasse. Plus spécifiquement, le flux (G1) dit de combustion primaire est issu du passage de l'air primaire au travers de la zone de combustion à l'intérieur du corps du brûleur. Ce flux appauvri en oxygène sort à l'avant du brûleur. Le flux (G2) orienté à l'intérieur du corps de chauffe est un flux riche en substances organiques à travers son passage des zones (Z2) et (Z3) de gazéification puis de filtration. Ce flux (G2) assure une fonction de transport des substances organiques pour, à travers un circuit spécifique dans le brûleur, être amené à l'avant du brûleur vers une zone de combustion secondaire. Le flux (G3) générant la combustion secondaire permet de contrôler la combustion au point de rencontre des trois flux (G1-G2-G3) à l'avant du brûleur dans la zone de combustion des gaz. En d'autres termes, l'invention met en oeuvre un procédé de combustion de biomasse lignocellulosique, à partir de la mise en oeuvre de trois flux gazeux et d'un flux solide dans une structure spécifique d'un brûleur agencé pour autoriser la mise en oeuvre et la circulation de chacun des flux, puis la rencontre des flux gazeux dans une zone située à l'avant du brûleur générant une combustion secondaire en vue de l'obtention d'un gaz sortant dont le taux d'oxygène est contrôlé et permettant un traitement complet de l'ensemble des composants notamment organiques de la biomasse. Par ailleurs, la vanne (V1) disposée dans le circuit primaire (Cl) permet de contrôler la quantité de gaz introduite dans la zone de combustion primaire dans le corps de chauffe et par conséquent, elle permet de contrôler la température finale obtenue au sein du flux gazeux sortant. La vanne (V2) permet de contrôler le flux (G3) et la quantité d'oxygène apportée au niveau de la zone secondaire de combustion et donc de réguler la teneur en oxygène dans le flux gazeux sortant du réacteur. Selon l'invention, le flux solide (FS) composé de biomasse est alimenté de manière automatique et continue, elle est en outre établie de manière à permettre la fermeture du brûleur à étanchéité dans sa partie haute pour la circulation du flux (G2). Le brûleur selon l'invention et son procédé permettent d'équiper des installations industrielles pour la génération de gaz de combustion à teneur contrôlée en oxygène. Les avantages ressortent bien de l'invention, et en particulier on souligne les points suivants : - meilleure combustion de la biomasse et de l'ensemble de ses composants, quelle que soit la granulométrie des particules ; - contrôle de la quantité résiduelle d'oxygène dans le flux gazeux sortant ; - possibilité de contrôler et d'ajuster la concentration d'oxygène en fonction des besoins dans le flux sortant ; - possibilité de fonctionner avec une gamme étendue de granulométrie de biomasse ; - possibilité d'avoir une gamme de puissance thermique adaptée et variable ; - possibilité de fonctionner avec une variété de biomasse d'origine à partir de résidus forestiers ou agricoles ; - possibilité de fonctionner avec de la biomasse crue ou torréfiée ; - gestion automatisée de régulation du flux gazeux sortant.