Brevet FR3042870A1 — publié le 20170428

DESCRIPTION La présente invention se rapporte au domaine général de la caractérisation massique des combustibles hétérogènes en entrée d'installation de production d'énergie et plus précisément de leur contenu massique en matière biogène et fossile. Le terme matière biogène désigne toute matière produite par des organismes vivants au cours de processus naturels, mais ni fossilisée ni dérivée de ressources fossiles (plantes, déchets de bois, résidus de sylviculture, ...). Les installations de production d'énergie (chaufferies, incinérateurs de déchets, fours de cimentiers, ...) utilisent des combustibles d'origines diverses. En dehors des combustibles homogènes composés uniquement de matière fossile ou de matière biogène (associée à un faible pourcentage d'eau et d'inertes), certaines installations sont susceptibles d'utiliser des combustibles de récupération (Ordures Ménagères, Déchets d'Activité Economique, Refus de Tri,...) dont la composition est variable et souvent difficile à déterminer. Ces combustibles hétérogènes sont ainsi composés d'une part de matière biogène et d'une part de matière fossile (associées à un faible pourcentage d'eau et d'inertes) dont les proportions peuvent varier au cours du temps selon le gisement. Dans la suite du texte, le terme « combustible » fait référence à ces combustibles dits hétérogènes. De façon bien connue, le Pouvoir Calorifique Inférieur est un indicateur de l'énergie produite par un combustible et correspond à la quantité d'énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de masse combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée et la chaleur contenue dans cette eau non récupérée. Dans le reste du texte, le terme PCI sera employé pour désigner le Pouvoir Calorifique Inférieur. L'utilisation des combustibles hétérogènes à des fins énergétiques ne permet pas de prédéterminer l'origine renouvelable ou non de l'énergie produite. Les parts d'énergie fossile et d'énergie renouvelable produites par la combustion dépendent de la composition du combustible. Le potentiel renouvelable d'une ressource énergétique est en effet directement lié à la quantité de matière biogène qui compose le combustible. Par ailleurs, les émissions nettes à comptabiliser dans les bilans de Gaz à Effet de Serre sont seulement celles provenant de l'oxydation du carbone des combustibles d'origine fossiles. Les émissions associées à la matière biogène sont compensées par l'assimilation pendant la durée de vie de la biomasse et sont intégrées au cycle naturel du carbone. Dans ce contexte, connaître la composition massique des combustibles présente un grand intérêt. Les procédés de caractérisation massique actuels sont basés sur des analyses du combustible en entrée d'installation de production d'énergie. Pour les combustibles 3042870 2 hétérogènes, une caractérisation du combustible entrant ne constitue pas une méthode satisfaisante afin d'estimer le contenu biogène. La caractérisation en entrée ne peut se faire que de manière ponctuelle et ne tient pas compte des variations du gisement de combustible dans le temps. 5 En outre, certaines fractions de combustible nécessitent des investigations approfondies pour estimer leur contenu biogène (matériaux composites, tissus, plastiques « verts », ...). En outre, la représentativité des échantillons utilisés pour la caractérisation en entrée est un facteur d'incertitude non négligeable. 10 En outre, si certains procédés de caractérisation existent en post-combustion, ils permettent de décrire le combustible en termes de contenu en carbone biogène et carbone fossile et en termes de contenu énergétique mais ne permettent pas le lien avec les fractions massiques. Le brevet EP1301747 décrit un procédé de détermination de la relation entre les porteurs d'énergie biogène et non biogène d'un combustible. Le brevet EP 2 203 740 B1 15 décrit un procédé simplifié pour déterminer la teneur en combustible fossile dans un courant de combustible, dans un four d'incinération. Ces technologies, utilisant l'analyse carbone 14 du CO2 émis post-combustion ont l'avantage de permettre un suivi dans le temps et de s'affranchir des contraintes d'échantillonnage et de représentativité des échantillons, mais présentent l'inconvénient de ne pas permettre la description du déchet 20 en fractions massiques. Les objets assignés à la présente invention visent par conséquent à porter remède aux différents inconvénients énumérés précédemment et à établir un procédé de contrôle et de détermination du contenu massique d'un combustible hétérogène utilisé pour la 25 production d'énergie. L'objet principal de la présente invention est un procédé simple de caractérisation massique permettant de déterminer à la fois le contenu fossile et biogène massique du combustible, d'en assurer le suivi dans le temps, tout en assurant un échantillonnage fiable. Un objet de la présente invention est d'établir la composition massique du 30 combustible au sens que sa masse peut être divisée en quatre fractions : - Matière inerte - Eau - Matière biogène - Matière fossile 35 Un autre objet assigné à l'invention vise à proposer un procédé permettant un suivi dans le temps permettant de tenir compte de la variabilité de composition du gisement de combustible. 3042870 3 Un autre objet assigné à l'invention vise à proposer un procédé permettant de s'affranchir des difficultés liées à l'échantillonnage en entrée d'installation de production d'énergie et aux incertitudes de ces procédés en prélevant en semi-continu le CO2 des gaz de combustion. 5 Un autre objet de la présente invention vise à proposer un procédé associant les systèmes de mesures et d'analyses des installations de production d'énergie, un système de prélèvement post-combustion semi-continu du dioxyde de carbone émis en cheminée lors de la combustion et des analyses en laboratoire. 10 Le procédé de détermination de la masse de matière biogène d'un combustible destiné à la production d'énergie qui fait l'objet de la présente invention est caractérisé en ce que le procédé allie différentes unités fonctionnelles d'échantillonnage, de mesure et d'analyse dont l'assemblage permet la détermination du contenu massique d'un combustible. 15 Les objets caractéristiques de l'invention apparaissent plus en détail à la lecture de la description qui suit, ainsi qu'à l'aide du dessin annexé. La figure 1 illustre de manière schématique les unités fonctionnelles du procédé suscité. Sur la figure on note par des lettres latines les éléments de l'installation de production d'énergie sur laquelle le procédé est appliqué tel que (A) est l'alimentation de 20 l'installation de production d'énergie en combustible. On note (B) le foyer de combustion. On note (C) la chaudière de récupération d'énergie. On note (D) le système de traitement des fumées. On note (E) le système d'évacuation des fumées. Selon une caractéristique importante de l'invention, le procédé comporte un assemblage de différentes unités fonctionnelles. 25 Le procédé comporte un système de prélèvement proportionnel des fumées et d'échantillonnage du CO2 conforme à la norme ISO 13833 (1) et un laboratoire d'analyses ex-situ par dosage du C14 des échantillons prélevés permettant de déterminer le pourcentage de carbone biogène et de carbone fossile issus du combustible (2). Ces unités fonctionnelles sont couplées à la mesure continue du taux d'humidité des fumées au niveau 30 du système d'évacuation de l'installation de production d'énergie (3). Ces unités fonctionnelles sont couplées à l'échantillonnage régulier des résidus de combustion : cendres sous foyer (4), cendres sous chaudière et résidus d'épuration des fumées (5) et à des analyses réalisées ex situ en laboratoire (6) pour déterminer leur taux d'humidité et d'inertes. 35 Il est remarquable que le procédé comporte un système de prélèvement de CO2 conforme à la norme ISO 13833. De façon bien connue l'analyse des échantillons de CO2 est réalisée ex situ par mesure du taux de carbone 14 pour détermination du taux de CO2 biogène. 3042870 4 Il est remarquable que le procédé comporte la mesure du taux d'humidité des fumées. De façon bien connue ? cette mesure est réalisée en continu au niveau du système d'évacuation des fumées de l'installation de production d'énergie. Il est remarquable que le procédé comporte en parallèle des éléments suscités un 5 système de prélèvement régulier des mâchefers et des cendres. De manière bien connue, l'analyse de leur contenu en inertes et en humidité est réalisée ex situ. Au sens de l'invention, un algorithme de calcul (7) permet de déterminer les fractions massiques d'eau, de matière inerte, de matière biogène et de matière fossile 10 contenues dans le combustible à partir des données issus des unités fonctionnelles suscitées. Au sens de l'invention, la détermination du contenu massique du déchet se fait par définition d'un algorithme de calcul basé sur la résolution du système d'équations suivant : -A+B+C+D=E FA=H GB=I 15 Avec : - A: masse de matière biogène contenue dans le combustible hétérogène (kg) - B: masse de matière fossile contenue dans le combustible hétérogène (kg) - C : masse de matière inerte contenue dans le combustible hétérogène (kg) - D: masse d'eau contenue dans le combustible hétérogène (kg) 20 - E: masse de combustible hétérogène brûlée pendant la durée de prélèvement (kg) - F: pourcentage de carbone contenu dans la matière biogène - G: pourcentage de carbone contenu dans la matière fossile - H: masse de carbone biogène émise pendant la durée de prélèvement (kg) - I: masse de carbone fossile émise pendant la durée de prélèvement (kg) 25 Il est remarquable que la mise en place d'un procédé de détermination de la répartition massique matière biogène/matière fossile associé aux algorithmes de détermination de la répartition du contenu énergétique du déchet permet le suivi dans le temps des PCI globaux des matières fossiles et biogènes. Il est remarquable que le procédé permet d'envisager des systèmes d'adaptation du 30 combustible en entrée aux objectifs environnementaux et énergétiques de l'installation de production d'énergie. Le procédé selon l'invention est particulièrement destiné à caractérisation combustible entrant afin de maîtrise les émissions et la production d'énergie. 35 REVENDICATIONS1) Procédé de détermination et de suivi dans le temps des contenus massiques biogène et fossile d'un combustible hétérogène à partir de l'analyse carbone 14 post- combustion du CO2 de gaz de combustion caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à prélever les gaz de combustion et à échantillonner le CO2 contenu dans ceux-ci (1), à analyser via un laboratoire ex situ les échantillons prélevés par dosage du carbone 14 pour déterminer le pourcentage de carbone biogène et de carbone fossile issus du combustible (2), à mesurer en continu le taux d'humidité en cheminée de l'installation de production d'énergie (3), à échantillonner régulièrement les résidus de combustion : cendres sous foyer (4), cendres sous chaudière et résidus d'épuration des fumées (5) et à les analyser en laboratoire ex situ (6) pour déterminer leur taux d'humidité et d'inertes. 2) Procédé selon la revendication 1 tel que la détermination du contenu massique du déchet se fait par définition d'un algorithme de calcul (7) basé sur la résolution du système d'équations suivant {A+B+C+D=E FA=H GB=I Avec - - A: masse de matière biogène contenue dans le combustible hétérogène (kg) - B: masse de matière fossile contenue dans le combustible hétérogène (kg) - C : masse de matière inerte contenue dans le combustible hétérogène (kg) D: masse d'eau contenue dans le combustible hétérogène (kg) - E: masse de combustible hétérogène brûlée pendant la durée de prélèvement (kg) - F: pourcentage de carbone contenu dans la matière biogène - G: pourcentage de carbone contenu dans la matière fossile H: masse de carbone biogène émise pendant la durée de prélèvement (kg) - I: masse de carbone fossile élise pendant la durée de prélèvement (kg)