Brevet FR3014540A1 — publié le 20150612

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à une chaudière à combustibles solides équipée d'un foyer comprenant au moins deux alimentations distinctes d'air primaire et secondaire. Etat de la technique Il existe des chaudières à échangeurs massiques et ther- miques permettant de rehausser le point de rosée des produits de combustion pour améliorer leurs performances, brevet FR 71 12770. Ces chaudières rehaussent le point de rosée des fumées en utilisant un air comburant réchauffé et saturé en vapeur d'eau. Le rendement de combustion est amélioré par la possibi- lité de condenser la vapeur d'eau des fumées à des températures plus élevées que des chaudières à condensation classiques. Ces chaudières sont généralement des chaudières à com- bustibles liquides ou gazeux, car ce procédé est difficilement applicable sur des chaudières à combustibles solides. En effet, les chaudières à combustibles solides tel le bois ou le charbon par exemple, sont constituées de pièces chaudronnées acier de dimensions très importantes qui ne sauraient être réalisées en acier inoxydable pour des raisons économiques, et qui de ce fait crai- gnent la corrosion que produirait l'air humide issu de l'échangeur massique et thermique. Une partie finale constitue l'échangeur récupérateur condenseur destinée à provoquer la condensation de la vapeur d'eau des fumées de combustion, pour alimenter en énergie un circuit destiné au chauffage. De même ces chaudières disposent d'un foyer qui comprend d'importantes masses réfractaires. Ces réfractaires sont généralement des éléments maçonnés et ne supportent pas des projections de gouttelettes d'eau liquide telles que l'échangeur massique et thermique en dispense inévitablement avec la production de son air chaud et satu- ré de vapeur d'eau, ou bien de celles issues d'une condensation sur les parois des conduites véhiculant cet air chaud. D'autre part, les foyers de chaudières à combustibles so- lides disposent obligatoirement d'au moins deux alimentations d'air in- dépendantes : alimentation d'air primaire qui transite par le dessous de la grille de combustion, alimentation d'air secondaire qui est amenée dans le ciel de foyer par des trous généralement pratiqués à travers le réfractaire. Une amenée d'air primaire chaud et saturé directement sous le combustible froid en dessous de la grille aurait pour conséquence de mouiller celui-ci par effet de condensation, le bois ainsi mouillé se gorgerait d'eau par capillarité ce qui le rendrait difficilement inflammable. La proportion d'air primaire et d'air secondaire obéit à des règles précises selon les besoins d'oxygène de chacun de ces circuits, or il se trouve que la quantité de vapeur d'eau que contient l'air humide saturé que fournit l'échangeur massique et thermique modifie en permanent les volumes de gaz comburant et les pertes de charge des circuits d'amenées. De ce fait il n'est pas possible de régler correctement la combustion, ni la proportion air primaire/air secondaire en raison des variations perpétuelles d'humidité du comburant. Ces variations d'humidité du comburant sont inévitables en raison des adaptations de l'échangeur massique et thermique aux différents régimes de puissance et de température lors du fonctionne- ment de la chaudière. Pour ces raisons il n'existe pas de chaudières à combustibles solides à condensation. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une chaudière à combustibles solides et condensation. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet une chaudière à com- bustibles solides caractérisée en ce que l'alimentation en air est équipée d'un échangeur massique et thermique pour humidifier l'air comburant et rehausser la teneur en vapeur d'eau des fumées, et un surchauffeur en aval de l'échangeur massique et thermique et avant l'entrée de l'air humidifié dans le foyer, pour élever la température de l'air humide et le dessaturer. L'échangeur massique et thermique combiné à un surchauffeur associé au foyer permettent de réaliser une chaudière à combustibles solides et condensation pour bénéficier de tous les avantages de l'effet de condensation appliqué à une chaudière. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le sur- chauffeur est alimenté en énergie à partir du foyer ou de l'eau de chauffage produite par la chaudière ou de la vapeur produite par la chaudière. Le surchauffeur est notamment un dispositif constitué par un échangeur combiné à un caloduc ou un thermosiphon, un échangeur combiné à un circuit de gaz chauds. Le caloduc, le thermosiphon et la conduite de gaz chauds sont issus du foyer. Suivant une autre caractéristique, l'alimentation en air, en sortie de l'humidificateur, se subdivise en un conduit d'alimentation en air primaire arrivant sous la grille du foyer et un conduit d'alimentation en air secondaire humide surchauffé arrivant au niveau du développement des flammes du lit de combustibles solides. Cette arrivée d'air est particulièrement importante tant pour les combustibles développant une flamme au-dessus du lit que les combustibles déve- loppant une flamme sous le lit de combustibles et les braises dans le cas des chaudières à bois à combustion inversée. En particulier, l'alimentation en air primaire et celle en air secondaire peuvent être fournies par un échangeur massique et thermique différent, ce qui permet de régler la teneur en humidité de chaque flux d'air, différemment, en fonction des besoins de la combus- tion ou de la nature du combustible. Suivant une autre caractéristique, le conduit d'alimentation en air primaire, humide, surchauffé, de même que celui de l'air secondaire humide surchauffé, sont munis chacun d'un capteur de mesure de débit d'air primaire et secondaire et/ou de la température de cet air. Ces informations sont transmises à une unité centrale de gestion qui gère le fonctionnement de la chaudière. Pour les mêmes raisons, le conduit primaire et le conduit secondaire d'air humide, surchauffé, sont munis de moyens de réglage de débit. Le réglage sera encore affiné si l'entrée d'air sec comburant en amont de l'échangeur massique et thermique est munie d'un dispositif de mesure des caractéristiques de l'air sec entrant dans l'échangeur massique et thermique. Suivant une autre caractéristique, le foyer est équipé d'un dispositif de soutien de flamme créant un point chaud localisé dans le foyer pour soutenir la flamme en cas d'excès d'humidité et/ou d'insuffisance de température du foyer. Ce dispositif de soutien de flamme est avantageusement constitué par une petite alimentation d'air comburant sec localisée sur un point du foyer, une résistance élec- trique, un soufflage d'air chaud, notamment à une haute température supérieure à celle d'inflammation et localisé sur un point du foyer, un arc électrique ou un brûleur indépendant en combustibles et en air comburant. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la chau- dière comporte un condenseur de sortie traversé par les fumées et qui comporte un laveur avec un circuit d'eau de lavage relié au circuit d'eau de lavage de l'échangeur massique et thermique traitant l'air comburant. Le condenseur de sortie avec son laveur peut avantageu- sement être constitué par la cheminée de sortie qui sera équipée d'un laveur avec un fond pour récupérer l'eau de lavage réchauffée et alimenter ainsi le circuit d'eau de lavage de l'échangeur massique et thermique. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de différents exemples de chaudière à combustibles solides et condensation représentés très schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma de base d'une chaudière à combustibles solides et condensation selon l'invention, la figure 2 est un schéma d'un second mode de réalisation d'une chaudière à combustibles solides et condensation selon l'invention, la figure 3 est un schéma d'un troisième mode de réalisation de la chaudière à combustibles solides et condensation selon l'invention, la figure 3A est un détail d'une variante du troisième mode de réalisation selon la figure 3, la figure 4 est un schéma d'un quatrième mode de réalisation d'une chaudière à combustibles et condensation selon l'invention, la figure 5 est un schéma d'un autre mode de réalisation avec une variante de dispositif de soutien de flamme, la figure 6 est un schéma d'une chaudière avec deux échangeurs thermiques et massiques d'air, la figure 7 est un schéma d'un autre mode de réalisation de la chaudière avec un échangeur massique et thermique de fumées dans la cheminée d'évacuation des fumées. Description de modes de réalisation de l'invention Selon la figure 1, l'invention a pour objet une chaudière à combustibles solides et condensation se composant d'un foyer 1 avec une grille 11 recevant un lit de combustibles solides CS surmonté d'un échangeur primaire 2 relié à un circuit de chauffage primaire 21. Le foyer 1 est alimenté en air primaire sous le lit de combustibles, à travers la grille 11 par des registres réglables 111 ; il est alimenté en air secondaire au-dessus du combustible (CS). L'air comburant du foyer 1 est fourni par un ventilateur d'alimentation 5 suivi d'un échangeur massique et thermique d'air 6 relié au circuit d'air primaire Cl et secondaire C2 à travers un surchauffeur 65 élevant la température de l'air humide et le dessaturant. En sortie 22 de l'échangeur primaire 2, le circuit des gaz de combustion comporte un extracteur 3 alimentant un échangeur ré- cupérateur condenseur 4 relié à un circuit de chauffage secondaire 41. Les fumées passent ensuite dans un échangeur massique et thermique de fumées 7 puis s'échappent. De façon plus détaillée, l'échangeur massique et ther- mique d'air 6 est muni d'une entrée 61 en partie basse, reliée au venti- lateur 5 et d'une sortie 62 en partie haute avec un laveur 63. Le fond 64 de l'échangeur 6 récupère les eaux de lavage. L'échangeur massique et thermique d'air 6 a pour fonc- tion d'humidifier l'air comburant pour rehausser la teneur en vapeur d'eau des fumées et améliorer la température de rosée ainsi que les performances de condensation. Le surchauffeur 65 qui élève la température de l'air hu- mide en sortie 62 de l'échangeur massique et thermique d'air 6 et le dessature est alimenté en énergie à partir du foyer 1 ou de l'eau de chauffage produite ou de la vapeur si la chaudière produit de la vapeur. Le surchauffeur 65 alimente les circuits d'air Cl, C2. Le foyer 1 recevant l'air humide est de préférence équipé d'un dispositif de soutien de flamme 9 qui crée un point chaud localisé dans le foyer 1 pour soutenir la flamme en cas d'excès d'humidité et/ou de l'insuffisance de température du foyer. Ce dispositif de soutien de flamme 9 est d'une puissance négligeable en regard de la puissance de la chaudière. Il a une alimentation en air frais et sec indépendante qui lui permet d'entretenir localement une flamme vive. Ce dispositif de soutien de flamme 9 peut également être une alimentation directe d'air ambiant sec 491 et/ou 492 localisée sur un point du foyer, une résistance électrique ou un soufflage d'air à haute température ou encore un arc électrique maintenant un point chaud. Les cendres du foyer 1 sont récupérées dans un cendrier 112 dont elles sont évacuées de manière automatique par un dispositif non représenté. L'échangeur récupérateur condenseur 4 comporte des surfaces d'échange 42 destinées à provoquer la condensation de la vapeur d'eau des fumées munies de moyens d'arrosage et de pulvérisation d'eau sur des surfaces destinées à échanger par condensation pour ren- forcer l'échange thermique par contact de cette eau avec les fumées et pour laver les suies et particules qui peuvent se déposer. Ce lavage est commandé de façon périodique par une vanne 44 d'un circuit de rinçage 43. L'échangeur récupérateur condenseur 4 e st relié à l'entrée 71 en partie basse de l'échangeur massique et thermique de fumées 7 dont la sortie 72 en partie haute évacue les fumées dans la cheminée. L'échangeur massique et thermique de fumées 7 com- porte en partie haute un laveur 73 pour laver les fumées avant leur évacuation de l'installation. L'eau de lavage réchauffée ainsi est récupérée au fond 74 de l'échangeur massique et thermique de fumées 7. L'échangeur thermique et massique 6 et l'échangeur massique et thermique de fumées 7 sont reliés par un circuit de lavage 8 formé d'une branche aller 81 et d'une branche retour 82 équipées chacune d'une pompe 83, 84 et de filtres 85, 86. Les filtres 85, 86 maintiennent l'eau propre et sans particules, évitant la transmission de particules dans les fumées. Ces filtres 85, 86 sont par exemple de simples bacs de décantation munis d'extracteurs automatiques de boues. La branche aller 81 relie le fond 74 de l'échangeur massique et thermique de fumées 7 au laveur 63 de l'échangeur 6 et la branche retour 82 relie le fond 64 de l'échangeur 6 au laveur 73 de l'échangeur massique et thermique de fumées 7. L'eau de lavage est mise en circulation par les pompes 83, 84. Le circuit de rinçage des fumées 43 de l'échangeur se- condaire dérive du circuit 8 alimentant l'échangeur massique et ther- mique de fumées 7. La chaudière à combustibles solides décrite ci-dessus est reliée à une unité de commande 100 qui gère le fonctionnement du ventilateur d'alimentation 5, de l'extracteur 3, des pompes de circulation 83, 84 en fonction des besoins auxquels doit répondre la chaudière ain- si que des mesures de température et de débit des gaz dans la chaudière. Le circuit d'air primaire Cl est équipé d'un capteur de débit 101. Le circuit d'air secondaire C2 est équipé également d'un cap- teur de débit 102. Le débit d'air primaire et le débit d'air secondaire sont réglés par des régulateurs 104, 105 tels que des papillons. La sortie du ventilateur d'alimentation 5 est également régulée par un régulateur 106 tel qu'un papillon et la température de l'air en sortie du ventilateur est détectée par un capteur de température 103. Les capteurs de débit d'air primaire et secondaire hu- mide, surchauffé 101, 102, effectuent des mesures de vitesse, de pression, de température et d'humidité. Les informations ainsi recueillies sont fournies à l'unité centrale 100 qui détermine le débit équivalent d'air comburant sec. Ces informations sont complétées par les mesures faites par le capteur 103 de l'air comburant sec en amont du laveur d'air 63 de l'échangeur massique et thermique d'air 6. Selon une caractéristique de l'invention, le circuit de la- vage 8 comporte un dispositif d'adjonction de produits chimiques de traitement pour prévenir la corrosion et/ou rabattre le taux d'émission de polluants gazeux en ajoutant des additifs, par exemple issus des cendres ou des suies et de l'eau des cendres ou des suies en cas de systèmes à cendres mouillées. La figure 2 montre un second mode de réalisation de la chaudière à combustibles solides et condensation, en grande partie identique au premier mode de réalisation, sauf pour la partie concernant le surchauffeur 265. Selon ce mode de réalisation, le surchauffeur 265 est constitué par un caloduc ou un thermosiphon. L'extrémité 266 de ce surchauffeur se trouve au niveau du foyer 1 au-dessus du lit de combustibles CS pour être chauffé dans le cas d'un thermosiphon par un réservoir de liquide en ébullition. Une conduite 267 relie ce point chaud 266 à un échangeur-condenseur 268 placé dans la conduite d'air humide 270 en sortie de l'échangeur massique et thermique d'air 6. Suivant le cas, il peut être constitué de plusieurs éléments en parallèle, notamment indépendants et interchangeables avec des branches 267a,b,c dérivant de la conduite 267. Les autres éléments de l'installation identiques à ceux du mode de réalisation de la figure 1 portent les mêmes références et leur description ne sera pas reprise. La figure 3 montre un troisième mode de réalisation d'une chaudière à combustibles solides et condensation analogue au second mode de réalisation de la figure 2, avec toutefois à la place du caloduc ou du thermosiphon, un surchauffeur 365 relié à la conduite d'air humide 370 et formé d'un échangeur 368 alimenté par un conduit 367 avec les fumées du foyer 1, retournant par un conduit 369 dans le conduit de fumées en sortie 22 du foyer 1 en amont de l'extracteur 3. Ces fumées circulent dans le sens montant à travers l'échangeur 368. Le conduit se subdivise en plusieurs branches 367a,b,c dans l'échangeur 368 pour ressortir par les branches 369a,b,c rejoignant le conduit 369. Selon la variante représentée à la figure 3A qui ne porte que sur le surchauffeur 365A, la circulation des fumées se fait en sens inverse, les fumées chaudes arrivant par le conduit 367 issu du foyer traversent l'échangeur 368 dans le sens descendant pour mieux recueil- lir les condensats et les évacuer directement à ce niveau par les branches 369a,b,c et le conduit 369 qui reçoit la sortie 22. Les autres éléments de l'installation identiques à ceux du mode de réalisation de la figure 1 portent les mêmes références et leur description ne sera pas reprise. La figure 4 montre un quatrième mode de réalisation dans lequel le dispositif de soutien de flamme 490 est constitué par une arrivée d'air comburant, directement du ventilateur 5 par une conduite 491 sous la grille 11 et/ou une conduite 492 arrivant au-dessus de la grille 11 et du lit de combustibles CS pour créer des points de combus- tion préférentielle à deux endroits CS1 et/ou CS2 du lit de combustibles CS. Les autres éléments de l'installation identiques à ceux du mode de réalisation de la figure 1 portent les mêmes références et leur description ne sera pas reprise. La figure 5 montre un autre mode de réalisation dans le- quel le dispositif de soutien de flamme 590 est constitué par un brûleur auxiliaire alimenté en air non humidifié et débouchant dans le foyer 1 au-dessus du lit de combustibles CS. Les autres éléments de l'installation identiques à ceux du mode de réalisation de la figure 1 portent les mêmes références et leur description ne sera pas reprise. La figure 6 montre un autre mode de réalisation de la chaudière avec deux échangeurs thermiques et massiques 6A, 6B, dis- tincts, l'un 6A pour le conduit d'air primaire C 1 et l'autre 6B pour le conduit d'air secondaire C2. Ces deux échangeurs thermiques et mas- siques 6A, 6B sont alimentés chacun par un ventilateur 5A, 5B. Les deux échangeurs 6A, 6B sont munis de laveurs 63A, 63B distincts ainsi que de surchauffeurs 65A, 65B distincts. Les laveurs sont reliés au circuit de liquide de lavage 8 comportant par ailleurs l'échangeur mas- Bique et thermique de fumées 7. Les conduits d'air primaire Cl et d'air secondaire C2 peuvent ainsi fournir de l'air primaire et de l'air secondaire ayant des teneurs différentes en humidité et des débits d'air sec équivalent parfaitement maîtrisés par chaque ventilateur 5A et 5B. Les autres éléments de l'installation identiques à ceux du mode de réalisation de la figure 1 portent les mêmes références et leur description ne sera pas reprise. La figure 7 montre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel l'échangeur massique et thermique de fumées 7A est constitué par la cheminée d'évacuation des fumées. Les autres éléments de l'installation identiques à ceux du mode de réalisation de la figure 1 portent les mêmes références et leur description ne sera pas reprise. De façon générale, dans les différents modes de réalisa- tion présentés aux figures 2-7, tous les éléments du mode de réalisation de la figure 1, bien que repris aux modifications près décrites ci-dessus, ne sont pas nécessairement représentés ni référencés de façon détaillée. L'installation de chaudière selon l'invention convient tout particulièrement pour des chaudières d'une puissance de 100 kW à plusieurs MW.25 NOMENCLATURE 1 Foyer 2 Echangeur primaire 21 Circuit de chauffage primaire 22 Sortie fumées de la chaudière 3 Extracteur 4 Echangeur récupérateur condenseur 41 Circuit de chauffage secondaire 42 Surface d'échange à condensation 43 Circuit de rinçage de fumées 44 Vanne 5, 5A, 5B Ventilateur d'alimentation en air 6, 6A, 6B Echangeur massique et thermique d'air 61 Entrée de l'échangeur massique 62 Sortie 63, 63A,B Laveur 64 Fond 65, 65A,B Surchauffeur 7, 71 Echangeur massique et thermique de fumées 71 Entrée 72 Sortie 73 Laveur 74 Fond 8 Circuit de liquide de lavage 81 Branche aller 82 Branche retour 83, 84 Pompes de circulation du liquide de lavage 85, 86 Filtres 9 Dispositif de soutien de flamme 11 Grille 111 Registres 112 Cendrier35 100 Unité de commande 101, 102, 103 Capteur de débit température, humidité et pression 104, 105, 106 Régulateur de débit 265 Surchauffeur 266 Extrémité du surchauffeur/point chaud 267 Conduite 267a,b,c Branches de la conduite 268 Echangeur 270 Conduit d'air humide 365, 365A Surchauffeur 367 Conduite d'entrée 367a,b,c branches de la conduite 367 368 Echangeur 369 Conduite de sortie 369a,b,c Branches de la conduite 369 370 Conduite d'air humide 490 Dispositif de soutien de flamme/arrivée d'air comburant 491 Conduite 492 Conduite 590 Dispositif de soutien de flamme/brûleur auxiliaire C 1 Circuit d'air primaire C2 Circuit d'air secondaire CS Combustibles solides30 REVENDICATIONS1°) Chaudière à combustibles solides équipée d'un foyer comprenant au moins deux alimentations distinctes d'air primaire et secondaire, chaudière caractérisée en ce que l'alimentation en air (5) est équipée d'un échangeur massique et thermique d'air (6) pour humidifier l'air comburant et rehausser la teneur en vapeur d'eau des fumées, et d'un surchauffeur (65) en aval de l'échangeur massique et thermique d'air (6) et avant l'entrée de l'air humidifié dans le foyer (1), pour élever la température de l'air humide et le dessaturer. 2°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 1, caractérisée en ce que le surchauffeur (65, 265, 365) est alimenté en énergie à partir du foyer ou de l'eau de chauffage produite par la chaudière ou de la vapeur pro- duite par la chaudière. 3°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alimentation en air, en sortie de l'humidificateur, se subdivise en un conduit d'alimentation en air primaire humide surchauffé (Cl) arrivant sous la grille (11) du foyer (1) et un conduit d'alimentation en air secondaire (C2) humide surchauffé arrivant au niveau du développement des flammes du lit de combustibles solides (CS). 4°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 3, caractérisée en ce que le conduit d'alimentation en air primaire humide surchauffé (Cl) est muni d'un capteur de mesure de débit d'air primaire, de température, d'humidité et de pression (101) et le conduit d'alimentation en air se- condaire humide surchauffé (62) est muni d'un capteur de mesure de débit d'air secondaire de température, d'humidité et de pression (102). 5°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 3, caractérisée en ce quele conduit primaire (Cl) et le conduit secondaire (C2) d'air humide surchauffé sont munis de moyens de réglage (104, 105). 6°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entrée d'air sec comburant (61) en amont de l'échangeur massique et thermique d'air (6) est munie d'un dispositif de mesure (103) des caractéristiques de l'air sec entrant et du débit. 7°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 1, caractérisée en ce que le foyer (1) est équipé d'un dispositif de soutien de flamme (9) créant un point chaud localisé dans le foyer (1) pour soutenir la flamme en cas d'excès d'humidité et/ou d'insuffisance de température du foyer. 8°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif de soutien de flamme (9) est une résistance électrique, un soufflage d'air chaud à haute température, un arc électrique ou un brû- leur indépendant en combustible et en air comburant (490) ou une ali- mentation ponctuelle d'air ambiant sec. 9°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' elle comprend un échangeur récupérateur condenseur 4. 10°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chaudière comporte un échangeur massique et thermique de fumées (7) traversé par les fumées et qui comporte un laveur (73) avec un cir- cuit d'eau de lavage (8) relié au circuit d'eau de lavage de l'échangeur massique et thermique d'air (6) traitant l'air comburant. 11°) Chaudière à combustibles solides selon la revendication 1, caractérisée en ce quele surchauffeur (65) est un dispositif choisi dans le groupe constitué par un échangeur combiné à un échangeur à caloduc combiné à un thermosiphon (265) ou un échangeur combiné à un circuit de gaz chauds (365), le caloduc, le thermosiphon et la conduite de gaz chauds étant issus du foyer (1).