Brevet FR3020139A1 — publié le 20151023

PROCEDE ET SYSTEME DE DETERMINATION D'UN TAUX D'HUMIDITE D'UNE MATIERE ORGANIQUE UTILISEE COMME COMBUSTIBLE Domaine technique La présente invention se rapporte à un procédé de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière. Elle concerne également un système mettant en oeuvre un tel procédé. Etat de la technique Avec les techniques actuelles, il n'est pas aisé de connaître en instantané le rendement d'une chaudière brûlant de la matière organique telle que du bois sous forme fragmentée. Avec les combustibles fossiles tels que le gaz ou le fioul, la connaissance du débit de combustible est aisée à connaître à l'aide d'instruments largement répandus. Cependant, dans le cas de la biomasse, on est confronté à plusieurs problèmes. Le premier se rapporte à la qualité de la matière organique, qui est très variable d'un approvisionnement à l'autre, et même au sein d'un même approvisionnement. La granulométrie, la densité ainsi que le taux d'humidité évoluent fortement. En conséquence, le pouvoir calorifique de la matière organique est très changeant. Même si on connaît le débit massique ou volumique de matière organique, la liaison avec une quantité de chaleur apportée n'est pas directe. En outre, la mesure même d'un débit massique ou volumique n'est pas aisé. Dans le cas d'un dosage volumique, par exemple par des poussoirs, le taux de remplissage et la densité variables ne permettent pas de déterminer de manière 25 suffisamment précise la quantité de matière envoyée dans la chaudière. Or, le paramètre le plus déterminant sur le pouvoir combustible est le taux d'humidité. Il est donc important pour connaître et suivre le processus de fonctionnement de la chaudière de connaître le taux d'humidité de la matière organique utilisée comme combustible. 30 Le document FR 2 983 962 Al montre une installation de mesure de l'humidité sur des plaquettes de bois utilisées comme combustible. Les plaquettes sont acheminées à travers une tuyère, et la réflexion d'ondes électromagnétiques émises par une antenne est analysée pour en déduire un taux d'humidité. La nécessité de conduire les plaquettes dans une tuyère induit des contraintes importantes d'implantation incompatibles avec des installations existantes L'invention vise à fournir un procédé de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière qui soit fiable, précis et réactif. Description de l'invention Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière comportant un conduit de fumées pour évacuer des fumées de combustion de la matière organique dans la chaudière, caractérisé en ce qu'on réalise un prélèvement de fumées dans le conduit de fumées, on détermine le taux d'humidité dans les fumées prélevées et on détermine le taux d'humidité de la matière organique en fonction du taux d'humidité des fumées. Ainsi, le prélèvement de fumées et la détermination du taux d'humidité de la matière organique peuvent être réalisés en continu. En outre, le prélèvement des fumées est effectué en un seul point du conduit de fumées, limitant ainsi les contraintes d'implantation du système selon l'invention. Le prélèvement dans les fumées permet de connaître le taux d'humidité de ces fumées, de manière directe ou indirecte, comme on le verra mieux par la suite. L'humidité des fumées provient essentiellement de l'eau vaporisée lors de la combustion de la matière organique, et d'autre part de l'humidité dans l'air comburant et de la formation d'eau pendant la combustion. De ce taux d'humidité dans les fumées, il est donc possible de remonter au taux d'humidité de la matière organique. Le taux d'humidité dans les fumées peut être mesuré directement par un capteur, par exemple par la détermination d'un point de rosée. De telles mesures peuvent être effectuées en direct et fournir des résultats en temps réel. Selon un mode de réalisation, on réalise une première mesure d'un taux d'oxygène dans les fumées prélevées et une deuxième mesure du taux d'oxygène dans les fumées prélevées au même endroit et après un assèchement desdites fumées, le taux d'humidité dans les fumées étant déterminé en fonction des mesures des taux d'oxygène. En éliminant ou réduisant l'humidité dans les fumées prélevées, on fait varier le taux d'oxygène d'une manière qu'il est possible de déterminer par calcul. Avec un asséchement imposé, et par la mesure des taux d'oxygène, il est donc possible de calculer le taux d'humidité. Par ailleurs, en analysant le même prélèvement, on évite des fluctuations qu'il pourrait y avoir avec des prélèvements distincts, en minimisant en outre le temps de parcours des gaz et donc le risque de déphasage temporel entre les analyses. Selon une disposition avantageuse, les fumées prélevées passent par une première sonde à oxygène pour réaliser la première mesure de taux d'oxygène, par un assécheur puis par une deuxième sonde pour réaliser la deuxième mesure de taux d'oxygène. Les mêmes fumées prélevées sont analysées d'abord par la première sonde puis par la deuxième après asséchement. Selon une caractéristique complémentaire, on aspire les fumées par une pompe placée en aval de la deuxième sonde à oxygène. Les deux sondes sont ainsi placées sensiblement dans les mêmes conditions de pression. De manière particulière, l'assécheur fonctionne par un refroidissement à température inférieure à 5°C. De manière complémentaire, on déduit de l'humidité de la matière organique un pouvoir calorifique estimé de ladite matière organique. En réalisant une hypothèse sur la nature de la matière organique, par exemple en considérant que c'est du bois, on peut donner une estimation en considérant un pouvoir calorifique de matière sèche, et en diminuant ce pouvoir calorifique par la chaleur latente de vaporisation de l'eau qui correspond à l'estimation de l'humidité de ladite matière organique. Selon une autre caractéristique complémentaire, on mesure en outre un débit massique ou volumique des fumées et un taux d'oxygène dans les fumées et on en déduit, en combinaison avec le pouvoir calorifique estimé, un débit massique de matière organique et une puissance fournie par la matière organique. Le débit des fumées est lié au débit d'air comburant et au volume fumigène de la matière organique. Le taux d'oxygène permet d'évaluer un excès d'air admis comme comburant. On en déduit le volume de fumées généré et donc le débit de matière qui est brûlée. De manière complémentaire, on mesure la puissance délivrée par la chaudière. Alternativement, on déduit de la mesure de débit et d'une mesure de la température des fumées une puissance de perte par les fumées, on estime par ailleurs les pertes thermiques de la chaudière et on en déduit une puissance délivrée par la chaudière en déduisant de la puissance fournie par la matière organique les puissances de perte. A partir de l'une de ces évaluations de la puissance de la chaudière et de la puissance fournie par la matière organique, on déduit un rendement instantané de la chaudière. Cette information est particulièrement intéressante pour vérifier le bon fonctionnement de la chaudière. Selon l'invention, le débit de combustible est ajusté en temps réel en fonction d'au moins un des paramètres suivants : rendement instantané de la chaudière, puissance de la chaudière, puissance fournie par la matière organique. En fonction de l'objectif de fourniture d'énergie, on peut régler de manière optimale et automatique le fonctionnement de la chaudière, en particulier sur l'aspect qualité des fumées. On peut notamment faire varier, pour une même puissance à fournir, les réglages de la répartition de l'air primaire sous le combustible et la proportion d'air secondaire dans la chambre de combustion en fonction de l'humidité du combustible. La matière organique est par exemple du bois. L'invention a aussi pour objet un système de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière, la chaudière comportant un conduit de fumées pour évacuer des fumées de combustion de la matière organique, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de prélèvement de fumées dans le conduit de fumées, et des moyens de calcul aptes à déterminer un taux d'humidité de la matière organique en fonction d'un taux d'humidité des fumées mesuré ou déduit de mesures dans les fumées prélevées, les moyens de calculs mettant en oeuvre le procédé tel que défini précédemment. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est un schéma d'une chaudière comportant un système selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma de moyens de prélèvement et de mesure sur les fumées de la chaudière de la figure 1 ; - la figure 3 est une représentation schématique du procédé mis en oeuvre dans l'installation. DESCRIPTION DETAILLEE Une chaudière pour matière organique, dite également à biomasse, comporte de manière classique une chambre de combustion 1, des moyens de convoyage 2 pour amener la matière organique dans la chambre de combustion 1, des moyens de soufflage 3 pour injecter de l'air comburant dans la chambre de combustion 1 et un conduit de fumées 4 pour évacuer les fumées de combustion. La matière organique est amenée progressivement ou par lots par les moyens de convoyage 2 dans la chambre de combustion 1. La combustion de cette matière est réalisée à l'aide d'air comburant amené par les moyens de soufflage 3. Les fumées générées sont extraites par le conduit de fumées 4 en passant par un éventuel système de traitement, non représenté, afin de diminuer le taux de polluants. Par la suite, on considérera que la matière organique est du bois. Un système de détermination de l'humidité dans la matière organique selon l'invention comporte des moyens de prélèvement 5 de fumées dans le conduit de fumées 4, et des moyens de calcul 6 aptes à déterminer un taux d'humidité de la matière organique en fonction d'un taux d'humidité des fumées déduit de mesures dans les fumées prélevées. Les moyens de prélèvement 5 des fumées sont disposés en un seul point du conduit, de préférence proche de la chaudière. Comme le montre la figure 2, les fumées prélevées passent par une première sonde 51 à oxygène pour réaliser une première mesure de taux d'oxygène B, par un assécheur 53, par une deuxième sonde 52 pour réaliser une deuxième mesure de taux d'oxygène A2, puis par une pompe 54 placée en aval de la deuxième sonde 52 à oxygène. L'assècheur 53 est par exemple un condenseur amenant les fumées à une température comprise entre 0 et 5°C. L'eau condensée est séparée et évacuée. Les mesures sont représentées par l'étape 71 du diagramme de la figure 3. Le système selon l'invention comporte également des moyens de mesures (non représentés) de l'humidité de l'air comburant, par exemple disposés à proximité des 30 moyens de soufflage 3. Les moyens de calcul 6 reçoivent la première et la deuxième mesure de taux d'oxygène B, A2. Ils reçoivent en outre une mesure de la température des fumées et une mesure de débit desdites fumées. Ils reçoivent aussi la mesure de l'humidité de l'air comburant provenant des moyens de mesure de l'humidité de l'air comburant. Cette mesure permet de tenir compte de l'eau apportée par l'air comburant et donc de réaliser un calcul plus précis de l'humidité du combustible. La mesure de débit des fumées est réalisée par exemple par une sonde à ultrasons placée dans le conduit de fumées 4, non représentée. Les moyens de calcul 6 effectuent les calculs suivants. A partir d'une composition théorique du bois, on détermine la masse de bois sec Mbs, en kg/mol, et les volumes comburivore sec VAS et fumigène sec VFS, c'est-à-dire le volume d'air nécessaire à une combustion stoechiométrique et le volume de fumées généré par une telle combustion, en l'absence d'eau. Ces dernières valeurs sont exprimées par exemple en Nm3/mol de bois sec. On néglige la présence des cendres car celles-ci sont relativement minimes. Les calculs suivants sont effectués par cycles. On peut utiliser la deuxième mesure de taux d'oxygène A2 directement comme étant le taux d'oxygène des fumées sèches A, ou le corriger en fonction de la température de refroidissement de l'assècheur 53, en considérant un gaz saturé en humidité à cette température et à une pression au niveau de l'assécheur 53, la pression étant mesurée ou prise forfaitairement. A partir du taux d'oxygène sur fumées sèches, du volume comburivore sec VAS 20 et volume fumigène sec VFS, on détermine un excès d'air e, exprimé en pourcentage par la formule : A - VFS e = 1 A VAS . ( 4,77 100J La valeur 4,77 correspond au nombre de moles d'air pour une mole d'oxygène, c'est-à-dire en ajoutant 3,77 moles de diazote. 25 Par ailleurs, comme indiqué à l'étape 73 de la figure 3, à partir de la première mesure de taux d'oxygène B et du taux d'oxygène des fumées sèches A, on détermine un taux d'humidité des fumées Hf par la relation : H =1-B f A A partir de l'excès d'air e, de l'humidité des fumées et de la masse molaire de 30 bois sec, on détermine l'humidité du bois Hb lors de l'étape 74. En effet, on considère que la quantité d'eau dans les fumées provient de l'humidité contenue à l'origine dans le bois humide. L'humidité du bois est définie par la formule : MH20 Hb 100 mH20±Mbs avec n/H20 la quantité d'eau en kg/mol de bois. Si on connaît l'humidité des fumées Hf, on peut calculer l'humidité du bois Hb humide par les formules : e [Nm3/mol bois] vFs ±- y ( 100) 2 H f 100 -VAS.PHI. 1+ ) 100-Hf e .VAS et Hb = 100 Mbs -Vm 1+ v io-3 H20 - H20 - avec MH20 la masse molaire de l'eau en [g/mol] ; PHI la teneur en eau de l'air comburant, en mole d'eau par mole d'air sec ; y la teneur en hydrogène du bois, en fraction massique ; V, le volume molaire dans les conditions normales de température et de pression, et vaut 0,0224 Nm3/mol. On considère donc que l'eau des fumées provenant de la combustion de l'hydrogène constitutif de la matière organique n'est pas à prendre en compte dans l'humidité initiale de celle-ci. Les calculs prennent en compte l'humidité de l'air comburant, soit par des mesures directes d'humidité et de température à l'entrée des moyens de soufflage 3, soit par des données météorologiques. A partir de l'humidité du bois, on en déduit à l'étape 75 le pouvoir calorifique inférieur du bois humide PCI. Cette donnée est essentielle pour apprécier la qualité d'un approvisionnement. En utilisant la mesure de débit volumique des fumées, telle que figurée à l'étape 76, rapportée au pouvoir fumigène humide et à l'excès d'air, on en déduit un débit massique de bois humide à l'étape 77. En le multipliant par le pouvoir calorifique inférieur déterminé à l'étape 75, on en déduit la puissance calorifique apportée par le combustible à l'étape 78. La puissance fournie par la chaudière peut être évaluée par exemple par la mesure d'un débit de fluide caloporteur, d'une température du fluide à l'entrée de la chaudière et une température à la sortie. En divisant cette puissance par la puissance apportée par le combustible, on en déduit un rendement instantané de la chaudière à l'étape 79. Dans une variante, à partir de la mesure de débit des fumées, on évalue la puissance fournie par la matière organique en additionnant la puissance mesurée de la chaudière, celle perdue par les fumées, celle par pertes thermiques de la chaudière et en déduisant celle apportée par l'air comburant. La puissance perdue dans les fumées est évaluée à partir du débit mesuré des fumées, de leur température et d'une capacité calorifique des fumées estimée à partir des capacités théoriques de chacun des composants des fumées et de la composition des fumées. La composition est prise par exemple de manière forfaitaire pour une nature connue de bois. Elle pourrait aussi être mesurée par un analyseur de gaz pour le dioxyde de carbone, en complément de la mesure d'humidité, et éventuellement pour l'azote. Les apports par l'air comburant sont également évalués à partir de la capacité calorifique de l'air et de la température de celui-ci et de débit d'air estimé. Les pertes par rayonnement de la chaudière ne sont pas mesurées mais prises à une valeur fixe. Dans une autre variante, lorsque la puissance de la chaudière n'est pas disposnible par défaut d'instrumentation, celle-ci est estimée par l'addition de la puissance fournie par la matière organique et de celle apportée par l'air comburant, et en retirant celle perdue par les fumées et celle par pertes thermiques de la chaudière. La puissance apportée par l'air comburant, celle perdue par les fumées et les pertes thermiques sont évaluées de la même manière que précédemment. La puissance fournie par la matière organique est estimée à partir de la mesure du débit des fumées et de l'évaluation du pouvoir calorifique à partir de l'humidité, telle qu'exposée précédemment. L'invention permet de mettre en oeuvre un procédé de régulation de fonctionnement de la chaudière, en agissant d'une part sur le débit de combustible, et d'autre part sur la quantité d'air comburant insufflé par les moyens de soufflage 3, ainsi que sa répartition en air primaire sous le lit de combustion, en air secondaire et éventuellement tertiaire dans les flammes ou les fumées. Le réglage de ces paramètres est effectué en prenant en compte notamment une indication de la puissance, par exemple la puissance fournie par la matière organique ou la puissance de la chaudière, et l'humidité des fumées. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière comportant un conduit de fumées (4) pour évacuer des fumées de combustion de la matière organique dans la chaudière, caractérisé en ce qu'on réalise un prélèvement de fumées dans le conduit de fumées (4), on détermine le taux d'humidité dans les fumées prélevées et on détermine le taux d'humidité de la matière organique en fonction du taux d'humidité 10 des fumées. 2. Procédé selon la revendication 1, selon lequel on réalise une première mesure d'un taux d'oxygène (B) dans les fumées prélevées et une deuxième mesure du taux d'oxygène (A2) dans les fumées prélevées au même endroit et après un assèchement desdites fumées, le taux d'humidité dans les fumées étant déterminé 15 en fonction des mesures des taux d'oxygène (A2, B). 3. Procédé selon la revendication 2, selon lequel les fumées prélevées passent par une première sonde (51) à oxygène pour réaliser la première mesure de taux d'oxygène (B), par un assécheur (53) puis par une deuxième sonde (52) pour réaliser la deuxième mesure de taux d'oxygène (A2). 20 4. Procédé selon la revendication 3, selon lequel on aspire les fumées par une pompe (54) placée en aval de la deuxième sonde (52) à oxygène. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, selon lequel l'assécheur (53) fonctionne par un refroidissement à température inférieure à 5°C. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, selon lequel on 25 déduit de l'humidité de la matière organique un pouvoir calorifique estimé de ladite matière organique. 7. Procédé selon la revendication 6, selon lequel on mesure en outre un débit massique ou volumique des fumées et un taux d'oxygène dans les fumées et on en déduit, en combinaison avec le pouvoir calorifique estimé, un débit massique 30 de matière organique et une puissance fournie par la matière organique. 8. Procédé selon la revendication 7, selon lequel on mesure la puissance délivrée par la chaudière. 9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on déduit de la mesure de débit et d'une mesure de la température des fumées une puissance de perte par les fumées, on estime par ailleurs les pertes thermiques de la chaudière et on en déduit une puissance délivrée par la chaudière en déduisant de la puissance fournie par la matière organique les puissances de perte. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, selon lequel on déduit de la puissance de la chaudière et de la puissance fournie par la matière organique, un rendement instantané de la chaudière. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le débit de combustible est ajusté en temps reel en fonction d'au moins un des paramètres suivants : rendement instantané de la chaudière, puissance de la chaudière, puissance fournie par la matière organique. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, selon lequel la matière organique est du bois. 13. Système de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière, la chaudière comportant un conduit de fumées (4) pour évacuer des fumées de combustion de la matière organique, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de prélèvement (5) de fumées dans le conduit de fumées (4), et des moyens de calcul 6 aptes à déterminer un taux d'humidité de la matière organique en fonction d'un taux d'humidité des fumées mesuré ou déduit de mesures dans les fumées prélevées, les moyens de calcul 6 mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 12.25