Brevet FR3006035A1 — publié le 20141128

DISPOSITIF DE PRODUCTION DE CHALEUR A PARTIR DE BIOMASSE SOLIDE La présente invention se rapporte à un dispositif de production de chaleur à partir de biomasse solide. Selon un mode de réalisation, un dispositif de production de la chaleur comprend une chambre de combustion dans laquelle on réalise une combustion d'un 5 combustible avec un comburant. Généralement, le comburant est de l'air à pression ambiante. Le combustible peut être de différentes natures. L'invention se rapporte plus particulièrement à un combustible solide, et notamment à de la biomasse solide. Pour la suite, le terme biomasse signifie l'ensemble des matières organiques. 10 Les gaz chauds issus de la combustion sont transférés par convection dans un échangeur qui assure le transfert de chaleur par conduction des gaz chauds à un fluide caloporteur comme de l'eau par exemple. Les gaz chauds sont généralement des fumées qui sont rejetées après filtration dans l'atmosphère. 15 bans le domaine de la biomasse, on connait également les gazogènes visant à transformer la biomasse solide en gaz. Ainsi, dans un gazogène, la biomasse solide est soumise à une phase de réduction visant à provoquer une combustion incomplète de la biomasse solide, en contrôlant l'alimentation en air du foyer, de manière à produire des gaz combustibles tels que le monoxyde de carbone, du 20 dihydrogène ou du méthane. Par la suite, les gaz combustibles sont brûlés dans une chambre de combustion pour produire de l'énergie sous forme de chaleur. La présente invention vise à améliorer le rendement thermique des solutions existantes. Ainsi, l'invention a pour objet un dispositif de production de la chaleur à partir de biomasse solide comprenant une chambre de réduction avec une alimentation 5 en biomasse solide et au moins un conduit d'échappement de gaz réduits, une chambre d'oxydation avec au moins une alimentation en gaz réduits reliée au conduit d'échappement de la chambre de réduction, au moins une alimentation en comburant, au moins un conduit d'échappement des fumées issues de l'oxydation des gaz réduits et un échangeur dans lequel circule un fluide caloporteur, 10 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour comprimer le comburant préalablement à son introduction dans la chambre d'oxydation de manière à générer une combustion scindée pressurisée à haute température. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard 15 des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma illustrant un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un schéma illustrant une chambre d'oxydation selon un mode de réalisation de l'invention, et - la figure 3 est une coupe de la chambre d'oxydation de la figure 2. 20 Sur la figure 1, on a représenté un dispositif 10 de production de la chaleur à partir de biomasse. Il comprend une alimentation 12 en biomasse solide susceptible d'alimenter une chambre 14 de réduction et une chambre d'oxydation 16. Selon un point important de l'invention, la chambre 14 de réduction de la 25 biomasse est distincte de la chambre d'oxydation 16 de manière à obtenir une combustion scindée. La chambre 14 de réduction comprend au moins un conduit 18 d'échappement des gaz produits relié à au moins une alimentation 20 en combustible gazeux de la chambre d'oxydation. Ainsi, la biomasse subit au préalable une opération de réduction endothermique dans une enceinte spécifique (la chambre 14 de réduction) afin que les gaz réduits puissent être ensuite oxydés séparément lors d'une réaction exothermique à haute température de l'ordre de 1400°C au minimum dans une zone spécifique de la chambre d'oxydation 16. La chambre 14 de réduction comprend au moins une alimentation 22 en gaz pour produire la réduction de la biomasse. Avantageusement, la chambre 14 de réduction de la biomasse comprend des moyens pour épurer les gaz produits afin de retirer notamment les particules telles que les cendres. Selon un mode de réalisation, la chambre 14 de réduction se présente sous la forme élémentaire d'un gazogène. La chambre 14 de réduction comprend en partie inférieure une sole perforée, de préférence inclinée, permettant l'injection d'air réducteur dans la couche solide puis la récupération gravitaire des cendres formées par les produits inertes. De préférence, la chambre 14 de réduction comprend des moyens de séparation par centrifugation permettant de retirer les cendres volatiles des gaz. Selon un mode de réalisation, la chambre 14 de réduction comprend un cyclone. Ainsi les gaz produits sont épurés naturellement des substances volatiles éventuellement fusibles, avant de pénétrer dans la chambre d'oxydation. La réduction de la biomasse permet de libérer des gaz à relativement basse température, notamment en dessous de la température fusible des cendres. Ainsi, il est possible d'épurer les gaz, ce qui permet de les oxyder à haute température dans une chambre d'oxydation en limitant les risques d'encrassement. Selon un avantage procuré par l'invention, il est de la sorte possible d'utiliser de la biomasse de type agricole (déchets de végétaux, déchets viticoles ou autre). La chambre d'oxydation 16 comprend une première partie 24 avec au moins une alimentation 20 en gaz réduits et au moins une alimentation 26 en comburant et une seconde partie 28 avec au moins un conduit 30 d'échappement des fumées issues de l'oxydation à haute température des gaz réduits ainsi qu'au moins un échangeur 31 dans lequel circule un fluide caloporteur (eau ou autre). Selon une caractéristique importante de l'invention, l'oxydation des gaz réduits est réalisée sous pression, à savoir à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Avantageusement, le taux de compression est supérieur à 2. De préférence, le taux de compression est compris entre 3 et 4. Cette caractéristique permet de réduire les surfaces d'échange. Ainsi, avec un taux de compression de l'ordre de 3, il est possible de diviser les surfaces d'échange par deux, ce qui permet de réduire la taille du dispositif. De préférence, le comburant est injecté dans la chambre d'oxydation 16 sous pression. A cet effet, le dispositif comprend des moyens de compression pour 15 comprimer le comburant. Selon un mode opératoire, le comburant est de l'air. Selon un mode de réalisation, un dispositif comprend un compresseur 32 dont l'entrée 34 est reliée à l'air libre et dont la sortie 36 est reliée à l'alimentation 26 en comburant de la chambre d'oxydation. 20 Avantageusement, le compresseur 32 est cinématiquement lié en rotation avec une turbine 38 entraînée en rotation par les fumées sortant de la chambre d'oxydation 16. Ainsi, l'énergie nécessaire pour comprimer le comburant est produite par les fumées sortant de la chambre d'oxydation, ce qui permet d'obtenir un système autonome. 25 De préférence, le dispositif comprend des moyens pour réguler la pression du comburant. A cet effet, un capteur de pression 40 est prévu au niveau d'un conduit acheminant le comburant vers l'alimentation 26 et un bypass 42 est prévu pour court-circuiter la turbine 38, ledit bypass 42 comprenant une vanne de régulation 44 pour permettre de réguler le débit des fumées passant à travers la turbine 38. Pour obtenir une régulation automatique, la vanne de régulation 44 est réglée sur une valeur de consigne et s'ouvre plus ou moins en comparant la pression mesurée par le capteur de pression 40 et la pression de consigne. Selon une autre particularité, le comburant est injecté dans la chambre d'oxydation avec un faible excès d'air tout en respectant une combustion complète du ou des combustibles. Cette caractéristique contribue à augmenter la température de combustion et donc les échanges thermiques par rayonnement. Avantageusement, l'admission du comburant est faite de manière à obtenir un taux d'oxygène dans les fumées proche de 5%. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend des moyens pour préchauffer le comburant préalablement à son introduction dans la chambre d'oxydation 16. A cet effet, le dispositif comprend un échangeur 46 assurant un transfert thermique entre les fumées sortant de la chambre d'oxydation 16 et le comburant. Selon un mode de réalisation, pour le comburant, l'échangeur 46 est intercalé entre la sortie du compresseur 32 et l'alimentation 26 en comburant de la chambre d'oxydation 16, et pour les fumées, il est placé en sortie de la turbine 38. En sortie de l'échangeur 46, au moins une partie des fumées sont réinjectées dans la chambre 14 de réduction via l'alimentation 22 et/ou passent à travers des moyens de filtration 48 avant d'être rejetées dans l'atmosphère. Selon un avantage important de l'installation, le réchauffage de l'air comburant par les fumées crée un effet économiseur de combustible qui améliore le rendement de la réaction. De préférence, la chambre d'oxydation comprend plusieurs alimentations en carburant. Ainsi, elle comprend une alimentation 20 primaire dédiée aux gaz réduits provenant de la biomasse solide qui est accouplée à au moins une alimentation 26 en comburant primaire, ainsi qu'au moins une alimentation 50 secondaire en gaz qui est accouplée à au moins une alimentation 52 en comburant secondaire. Cette configuration permet d'obtenir un dispositif polyvalent Sur les figures 2 et 3, on a représenté une chambre d'oxydation selon un mode de réalisation plus particulièrement pertinent. Comme indiqué précédemment, la chambre d'oxydation 16 comprend une première partie 24 sous la forme d'un cylindre creux 54. Ce dernier est obturé à une première extrémité par une paroi 56 approximativement semi-sphérique et comprend à une seconde extrémité une cloison 58 sous forme d'un disque avec un trou 60 de passage de diamètre b et un diamètre extérieur ajusté au diamètre du cylindre creux. La paroi 56 comprend au moins un brûleur 62 avec les différentes alimentations 15 en carburant et en comburant. Le brûleur 62 n'est pas plus détaillé car il est connu de l'homme du métier. Avantageusement, la paroi 56 comprend également un oeilleton 63. La chambre d'oxydation 16 comprend une seconde partie 28 sous la forme d'un cylindre creux 64 ayant les mêmes diamètres (intérieur/extérieur) que ceux du 20 cylindre creux 54. Ce cylindre creux 64 est obturé à une première extrémité par une paroi 66 approximativement semi-sphérique qui comprend de préférence une trappe de visite 68. Les cylindres creux 54 et 64 sont reliés entre eux par un système de bridage 70, la cloison 58 étant intercalée entre eux. Ainsi, les deux cylindres creux 54 et 64 communiquent via le trou de passage 60. 25 Le cylindre creux 64 comprend à proximité de la cloison 58 au moins un orifice 72 qui communique avec le conduit 30 d'échappement des fumées. Comme illustré sur la figure 3, la chambre d'oxydation 16 comprend un isolant thermique 74 appliqué au niveau des surfaces extérieures des cylindres creux 54 et 64 et des parois 56 et 66. La chambre d'oxydation ne comprend pas de murs réfractaires pour créer une inertie thermique. Cette inertie était auparavant recherchée dans le cadre de la combustion de biomasse solide dans un foyer unique à des fins de séchage, d'activation, d'ignition et de lissage des irrégularités de combustion. En parallèle, il était nécessaire de prévoir des dispositifs de sécurité qui compliquaient les installations. L'échangeur 31 comprend deux parties d'échangeur 76 et 78. Chaque partie 76 et 78 comprend une pluralité d'anneaux tubulaires 80 juxtaposés. be préférence, les anneaux tubulaires 80 sont agencés entre eux de manière à être jointifs ou en contact les uns avec les autres à la température de fonctionnement de la chambre d'oxydation. Par anneau, on entend un profil fermé comme par exemple un contour circulaire, un contour hexagonal (illustré sur la figure 3), ou autre. Tous les anneaux tubulaires 80 ont la même section et le même profil (contour). 15 Ainsi, chaque partie 76 et 78 définit un cylindre creux avec un diamètre intérieur sensiblement égal au diamètre b du trou de passage 60. Un piètement 81 peut être prévu pour supporter tous les anneaux tubulaires. La première partie 76 de l'échangeur 31 est disposée dans la première partie 24 de la chambre d'oxydation de manière concentrique avec le cylindre creux 54 de 20 manière à délimiter un foyer 82 dans lequel est générée la flamme du brûleur 62 et une seconde zone annulaire 84. La première partie 76 de l'échangeur 31 comprend à l'opposé du brûleur 62 une plaque 85 qui délimite à l'intérieur de la première partie 24 de la chambre d'oxydation une première zone appelé foyer borgne 82 à l'intérieur de la 25 première partie 76 et une seconde zone annulaire 84 entre le cylindre creux 54 et la première partie 76. La plaque 85 est distante de la cloison 58 pour permettre le passage des gaz entre la seconde zone annulaire 84 et le trou de passage 60. La plaque 85 du foyer borgne 82 impose aux fumées un retour vers la zone de combustion, ce qui tend à limiter les émissions polluantes, notamment des oxydes d'azote, des oxydes de soufre,... Le premier anneau tubulaire 80.1 de la première partie est disposé à proximité 5 du brûleur 62 et distant de la paroi 56 semi sphérique de manière à permettre le passage des gaz chauds du foyer borgne 82 vers la seconde zone annulaire 84. A l'opposé, la première partie 76 de l'échangeur 31 comprend la plaque 85 soudée contre le dernier anneau tubulaire 80.2 de ladite première partie, ce dernier étant distant de la cloison 58 de manière à permettre aux gaz chauds de 10 s'écouler de la seconde zone tubulaire 84 vers le trou de passage 60. La seconde partie 78 de l'échangeur 31 est disposée dans la seconde partie 28 de la chambre d'oxydation. Le premier anneau tubulaire 80.3 de ladite seconde partie est plaqué contre la cloison 58 et le dernier anneau tubulaire 80.4 est distant de la paroi semi-sphérique 66. Ainsi, les gaz chauds s'écoulent à 15 l'intérieur de la seconde partie 78 de l'échangeur puis à l'extérieur en direction des orifices 72 disposés à proximité de la cloison 58 entre la seconde partie 78 et le cylindre creux 64. Le dispositif comprend au moins un collecteur d'entrée 86 destiné à alimenter les parties 76 et 78 en fluide caloporteur à une première température TO et au 20 moins un collecteur de sortie 88 via lequel le fluide caloporteur est évacué à une température T1. Selon les variantes, les anneaux tubulaires 80 peuvent être reliés en série et/ou en parallèle et connectés de manière adéquate aux collecteurs 86 et 88. Selon l'exemple illustré sur les figures 2 et 3, les anneaux tubulaires 80 sont 25 reliés en parallèle, chacun d'eux comprenant un raccord 90 relié au collecteur d'entrée 86 et un raccord 92 relié au collecteur de sortie 88, les raccords 90 et 92 étant diamétralement opposés. Selon un avantage, tous les anneaux reçoivent une sollicitation thermique équilibrée en quantité d'énergie. Ainsi, l'anneau tubulaire 80.1 qui est exposé à la température la plus chaude au niveau de sa face orientée vers l'intérieur et la moins chaude au niveau de sa face orientée vers l'extérieur reçoit approximativement la même quantité de chaleur que le dernier anneau 80.2 qui est exposé au niveau de ses faces interne et externe sensiblement à une même température moyenne. Ainsi, l'irrigation des anneaux tubulaires par le fluide caloporteur est plus facile à répartir naturellement sur l'ensemble de l'échangeur et l'usure des anneaux tubulaires est sensiblement homogène. Sur le plan fonctionnel, on obtient un échange thermique par rayonnement de la flamme dans le foyer borgne 82, puis par rayonnement des gaz chauds dans les autres parties de la chambre de combustion. Selon l'invention, le dispositif permet d'obtenir les phases suivantes - une réduction de la biomasse solide pour produire des gaz réduits épurés des cendres fusibles, - une oxydation des gaz réduits dans une chambre d'oxydation séparée de la chambre de réduction, ladite oxydation étant réalisée sous pression avec de préférence un préchauffage du comburant et un faible excès d'air. Cela permet d'obtenir globalement une combustion scindée, comprenant une 20 phase de réduction d'une biomasse solide à pression atmosphérique et à température inférieure à la fusibilité des cendres, libérant ainsi une phase d'oxydation pressurisée à haute température, en vue de chauffer indirectement et efficacement un fluide caloporteur par échange thermique de surface en raison du rayonnement des gaz chauds. REVENDICATIONS1. Dispositif de production de la chaleur à partir de biomasse solide comprenant une chambre de réduction (14) avec une alimentation en biomasse solide et au moins un conduit (18) d'échappement de gaz réduits, une chambre d'oxydation (16) avec au moins une alimentation (20) en gaz réduits reliée au 5 conduit (18) d'échappement de la chambre de réduction (14), au moins une alimentation en comburant (26), au moins un conduit (30) d'échappement des fumées issues de l'oxydation des gaz réduits et un échangeur (31) dans lequel circule un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (32) pour comprimer le comburant préalablement à son introduction dans la chambre 10 d'oxydation (16) de manière à générer une combustion scindée pressurisée à haute température. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour préchauffer le comburant. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un 15 échangeur (46) pour assurer un transfert thermique entre les fumées sortant de la chambre d'oxydation et le comburant qui alimente la chambre d'oxydation. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oxydation est réalisée avec un faible excès d'air. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 20 ce qu'il comprend une turbine (38) entrainée en rotation par les fumées sortant de la chambre d'oxydation (16) liée en rotation avec les moyens (32) de compression. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un bypass (42) pour court-circuiter la turbine, muni d'une vanne de régulation (44) 25 pour réguler le débit des fumées traversant la turbine (38). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre (14) de réduction comprend des moyens pour épurer les gaz produits. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre d'oxydation (16) comprend une première partie (24) comprenant au moins un brûleur (62) et une première partie (76) de l'échangeur (31) qui délimite un foyer (82) dans laquelle est générée la flamme du brûleur (62) et une seconde zone annulaire(84). 9. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la 10 chambre d'oxydation (16) comprend : - une seconde partie (28) comprenant une seconde partie (78) de l'échangeur (31), - une cloison (58) intercalée entre les première et seconde parties (24, 28) avec un trou de passage (60) permettant de les faire communiquer, 15 - la première partie (76) de l'échangeur comprenant à l'opposé du brûleur (62) une plaque (85) qui permet de délimiter un foyer (82) borgne, ladite plaque (85) étant distante de la cloison (58), - la seconde partie (78) de l'échangeur étant plaquée contre la cloison (58), au moins un orifice (72) qui communique avec le conduit (30) 20 d'échappement des fumées étant disposé à l'extérieur de ladite seconde partie (78) et à proximité de la cloison (58). 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que chaque partie (76, 78) de l'échangeur (31) comprend une pluralité d'anneaux tubulaires (80) juxtaposés, agencés entre eux de manière à être jointifs à la température 25 de fonctionnement de la chambre d'oxydation. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un collecteur d'entrée (86) destiné à alimenter l'échangeur (31) en fluide caloporteur à une première température TO et au moins uncollecteur de sortie (88) via lequel le fluide caloporteur est évacué à une température Ti.