FR2991754A1 - Installation thermique de combustion de biomasse humide - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une installation thermique (1) de combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide, l'installation comprenant un foyer (12) de combustion, un premier circuit (13) de fluide caloporteur alimenté en chaleur par le foyer (12) au niveau d'un premier échangeur (31), un séchoir (20) alimenté en chaleur par un deuxième circuit (21) de fluide caloporteur au niveau d'un deuxième échangeur (210), ladite matière comportant une fraction d'eau liquide circulant dans le séchoir (20) pour diminuer sa fraction d'eau liquide avant d'être introduite dans le foyer (12), l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un circuit de fluide à chauffer (120, 40, 41, 13) et un circuit (22) pour la circulation de buées depuis le séchoir (20) vers au moins un condenseur de buées (23a, 23b, 23c, 23d), chaque au moins un condenseur de buées (23a, 23b, 23c, 23d) étant en échange thermique avec un circuit de fluide à chauffer (120, 40, 41, 13), la température du fluide du deuxième circuit (21) en entrée du deuxième échangeur (210) étant supérieure à 100°C, la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits (120, 40, 41, 13) en entrée du ou des condenseurs de buées (23a, 23b, 23c, 23d) étant inférieure à 80°C, le séchoir (20) étant configuré pour que les buées présentent un point de rosée supérieur à 80°C. L'invention concerne en outre un dispositif d'amélioration des performances d'une installation thermique de combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne une installation thermique améliorée 5 de combustion de biomasse humide. ETAT DE L'ART Le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matières 10 organiques pouvant devenir des sources d'énergie. Ces matières organiques qui proviennent des plantes sont une forme de stockage de l'énergie solaire, captée et utilisée par les plantes grâce à la chlorophylle. Utilisée soit directement, soit après des transformations chimiques comme une méthanisation, la biomasse libère de l'énergie thermique en brulant. 15 Une installation classique de combustion de biomasse pour la production d'eau chaude à usage industriel est représentée sur la figure 1. Un des problèmes de la biomasse utilisée telle vient du fait qu'elle contient généralement une quantité élevée d'eau. Le taux d'humidité « naturelle » du bois coupé est ainsi de 50 % sur brut, c'est à dire qu'une 20 tonne de bois « vert » contient 500 kilos d'eau non liée chimiquement au bois (eau de pluie, sève, etc.) Cette humidité fait qu'une part conséquente de l'énergie libérée par la combustion de la biomasse est consommée sous forme d'enthalpie de changement d'état pour vaporiser cette eau dans le foyer de combustion. 25 On distingue alors conventionnellement les deux énergies suivantes de la matière que l'on va brûler : L'énergie PCS (Pouvoir Calorifique Supérieur) = l'intégralité de l'énergie apportée par le bois, l'eau qui a été produite sous forme de vapeur dans le foyer sort du dispositif de combustion 30 sous forme liquide et son énergie de chaleur latente est donc comptabilisée dans cette valeur PCS ; et - L'énergie PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) = l'énergie PCS dont on a déduit l'énergie nécessaire pour maintenir l'eau sous forme de vapeur dans les fumées. La différence PCS - PCI représente donc l'énergie de vaporisation 5 de l'eau contenue initialement dans le combustible et également celle produite par l'oxydation des molécules d'hydrogène du combustible. Ainsi, avec un bois à 50 % d'humidité, la vaporisation de l'eau consomme environ 20 % de l'énergie du bois sec. En ce cas, PCI = 80 % du PCS. 10 Il est à noter qu'un bois totalement anhydre générera de toutes façons environ 5 % d'humidité dans les fumées du fait de la présence des atomes d'hydrogène dans les molécules de bois qui vont se combiner avec l'oxygène de l'air pour former H20. Aussi, il est classique de sécher le bois quelques mois de manière 15 naturelle sur des aires de stockage-séchage, en laissant faire les échanges naturels avec l'atmosphère, et l'on atteint après quelques mois, une teneur en eau de 30 % sur brut. Il n'est pas toujours possible d'attendre le temps que ce séchage naturel se fasse, c'est pourquoi il arrive couramment que les bois soient 20 brûlés humides, par exemple dans les scieries qui utilisent du bois d'ceuvre juste coupé et brûlent dans des chaudières les sous-produits encore humides du sciage. Les foyers des installations de combustion classiques sont donc le 25 plus souvent dimensionnés pour brûler tous types de combustibles - secs ou humides, et on observe des teneurs en eau des fumées à la cheminée couramment de 15 à 25 % en volume molaire. Beaucoup d'énergie sous forme de chaleur latente (c'est-à-dire sous forme d'enthalpie de vaporisation) est donc récupérable et valorisable 30 dans les fumées avant de les rejeter. De manière classique, si la température d'eau qui revient à la chaudière est suffisamment basse (40 à 50°C), on refroidit les fumées qui sortent de la chaudière dans un condenseur. Cela permet de récupérer efficacement la chaleur latente des fumées, mais présente l'inconvénient de nécessiter des matériaux onéreux car la condensation des fumées provenant de la combustion de biomasse ou de déchets génère des acides puissants. Si la température de retour de l'eau est trop élevée, alors on peut alternativement utiliser des moyens comme une pompe à chaleur, pour refroidir l'eau de retour et pouvoir récupérer cette chaleur, mais cela nécessite de l'électricité, réduisant l'intérêt économique du procédé.

A côté de la combustion simple, certaines technologies alternatives connues de l'homme de l'art comme la gazéification du bois nécessitent une biomasse entrante très sèche dans le gazéificateur proprement dit. Aussi, il y est habituel de sécher fortement la biomasse (jusqu'à 10% d'humidité) avant de la gazéifier. La gazéification servant souvent à alimenter en gaz synthétique des moteurs pour produire de l'électricité, il est courant d'utiliser de la chaleur dégagée par le refroidissement du moteur ou contenue dans les fumées du moteur pour sécher le bois.

Il est connu que les séchoirs à vapeur surchauffée sont très efficaces pour sécher du bois. Les buées qui sortent sont alors à 100°C et on peut valoriser leur chaleur latente pour chauffer de l'eau par exemple. On citera par exemple la demande de brevet FR2962190 qui décrit ce type d'utilisation d'un séchoir à vapeur surchauffée pour la gazéification de biomasse. La gazéification est cependant une technologie onéreuse et qui n'est intéressante que dans certains cas. Dans le cas d'une combustion directe, il est tout à fait inutile de prévoir un séchoir à vapeur surchauffée, puisque sécher en amont consomme exactement la même quantité d'énergie que vaporiser l'eau lors de la combustion. Il est par ailleurs à noter que certaines biomasses sont très chargées en eau (par exemple, les grignons d'olive c'est à dire la pâte résiduelle des olives récoltées dont on a extrait l'huile peuvent contenir 60 à 75 % d'eau) et leur combustion directe est actuellement quasiment impossible. Si on veut les brûler quand même, le procédé classique consistera 5 à sécher l'ensemble de la biomasse, avec des fumées de combustion à 400 / 500°C. Aujourd'hui, on trouve ainsi des usines qui brûlent du gaz naturel dans des turbines à gaz. Cela produit d'une part de l'électricité et d'autre part des fumées sortant de la turbine à 450°C qui alimentent les séchoirs à grignons d'olive, et dont les buées sont rejetées à l'atmosphère. Ces 10 grignons séchés sont alors brûlés dans des chaudières qui produisent de la vapeur haute pression qui est turbinée produisant là aussi de l'électricité. Ce dispositif apporte satisfaction mais nécessite un apport important en gaz naturel, qui est une énergie en voie d'épuisement. 15 Il serait intéressant de disposer d'un système innovant qui permette simplement la combustion directe de toute biomasse humide avec un rendement bien meilleur que tout ce qui se fait actuellement. PRESENTATION DE L'INVENTION 20 Selon un premier aspect, l'invention concerne une installation thermique de combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide, l'installation comprenant un foyer de combustion, un premier circuit de fluide caloporteur alimenté en chaleur par le foyer au niveau d'un premier 25 échangeur, un séchoir alimenté en chaleur par un deuxième circuit de fluide caloporteur au niveau d'un deuxième échangeur, ladite matière comportant une fraction d'eau liquide circulant dans le séchoir pour diminuer sa fraction d'eau liquide avant d'être introduite dans le foyer, l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un circuit de fluide à 30 chauffer et un circuit pour la circulation de buées depuis le séchoir vers au moins un condenseur de buées, chaque au moins un condenseur de buées étant en échange thermique avec un circuit de fluide à chauffer, la température du fluide du deuxième circuit en entrée du deuxième échangeur étant supérieure à 100°C, la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits en entrée du ou des condenseurs de buées étant inférieure à 80°C, le séchoir étant configuré pour que les buées présentent un point de rosée supérieur à 80°C. L'installation selon l'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - le séchoir est un séchoir atmosphérique et la température du fluide du deuxième circuit en entrée du séchoir étant supérieure d'au moins 40°C à la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits ; - un circuit de fluide à chauffer en échange thermique avec un condenseur de buées est un circuit d'admission d'air frais de combustion 15 depuis l'atmosphère vers le foyer ; - un circuit de fluide à chauffer en échange thermique avec un condenseur de buées est un circuit d'un fluide à changement d'état, la chaleur transférée via le condenseur de buées permettant l'évaporation dudit fluide à changement d'état de sorte à alimenter une turbine entrainant 20 un générateur électrique ; - un circuit de fluide à chauffer est un circuit de valorisation de chaleur successivement en échange thermique avec le circuit de buées au niveau du condenseur de buées puis avec le premier circuit de fluide caloporteur au niveau d'un troisième échangeur ; 25 - au moins une turbine, au moins un compresseur de liquide et au moins une source froide sont disposés sur le premier circuit de fluide caloporteur, un générateur électrique étant entraîné par la turbine ; - le deuxième échangeur est une source froide du premier circuit de fluide caloporteur, le deuxième circuit de fluide caloporteur étant un circuit 30 pour la circulation du fluide caloporteur du premier circuit sous forme gazeuse issu d'au moins une turbine ; - le deuxième circuit de fluide caloporteur est une branche du premier circuit de fluide caloporteur ; - le premier circuit de fluide est un circuit de fluide à chauffer en échange thermique avec un condenseur du circuit de buées disposé en aval d'une 5 source froide du premier circuit de fluide caloporteur ; - le deuxième circuit de fluide caloporteur est également en échange thermique avec le foyer au niveau d'un échangeur auxiliaire disposé de sorte que les fumées de combustion issues du foyer soient en échange thermique avec ledit échangeur auxiliaire avant le premier échangeur ; 10 - l'installation comprend en outre un foyer auxiliaire physiquement séparé du foyer, alimentant en chaleur spécifiquement le deuxième circuit de fluide caloporteur ; - la fraction non condensée des buées du circuit est réinjectée dans le séchoir après avoir circulé dans l'au moins un condenseur, un quatrième 15 échangeur permettant un échange thermique entre les buées avant et après avoir circulé dans l'au moins un condenseur ; - la température du fluide du deuxième circuit en entrée du séchoir est comprise entre 105°C et 180°C, et la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits est comprise entre 20°C et 80°C en entrée du ou des 20 condenseurs de buées ; - la matière comportant une fraction d'eau liquide est de la biomasse présentant un taux d'humidité sur brut supérieur à 30% ; - les fluides caloporteurs du premier circuit et/ou deuxième circuit sont choisis parmi l'eau et les fluides de cycles dits ORC (Organic Rankine 25 Cycle). Selon un deuxième aspect, l'invention propose un dispositif d'amélioration des performances d'une installation thermique de combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide, l'installation comprenant 30 un foyer, un premier circuit de fluide caloporteur en échange thermique avec le foyer au niveau d'un premier échangeur, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un séchoir pour diminuer la fraction d'eau liquide de ladite matière avant son introduction dans le foyer, un deuxième circuit de fluide caloporteur alimentant le séchoir en chaleur au niveau d'un deuxième échangeur, au moins un circuit de fluide à chauffer et un circuit pour la circulation de buées depuis le séchoir vers au moins un condenseur 5 de buées, chaque au moins un condenseur de buées étant en échange thermique avec un circuit de fluide à chauffer, la température du fluide du deuxième circuit en entrée du deuxième échangeur étant supérieure à 100°C, la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits en entrée du ou des condenseurs de buées étant inférieure à 80°C, le séchoir étant 10 configuré pour que les buées présentent un point de rosée supérieur à 80°C. PRESENTATION DES FIGURES 15 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'une installation thermique conforme à l'art antérieur ; 20 - la figure 2 est un schéma d'un premier mode de réalisation d'une installation thermique selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma d'un séchoir d'une installation thermique selon l'invention ; - les figures 4 et 5 sont des schémas de deux alternatives d'installation 25 thermique selon l'invention ; - la figure 6 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation d'une installation thermique selon l'invention ; - la figure 7 est un schéma d'un troisième mode de réalisation d'une installation thermique selon l'invention. 30 DESCRIPTION DETAILLEE Architecture générale En référence aux figures 2 à 7, l'invention concerne une installation thermique 1 de combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide. La matière comportant une fraction d'eau liquide est stockée dans un silo 10. Comme expliqué, il s'agit avantageusement de biomasse présentant un taux d'une humidité sur brut supérieur à 30%, voire supérieur à 50% (en particulier du bois récemment coupé), voire supérieur à 70% (en particulier des grignons d'olives). L'installation comprend un foyer 12, dans lequel la matière est brulée. De tels foyers sont connus de l'homme du métier, et on comprendra que l'invention n'est limitée à aucune géométrie ni dimensionnement particulier. Ce foyer 12 est en échange thermique avec un premier circuit de fluide caloporteur 13 au niveau d'un premier échangeur 31. Ce premier échangeur est typiquement une chaudière, par exemple à tubes, disposée au sein du foyer 12 de sorte à récupérer l'énergie thermique de la combustion qui s'y tient et monte en température le fluide caloporteur. De nombreux fluides caloporteurs sont possibles pour le premier circuit 13, tels que l'eau, le siloxane, le toluène, les huiles caloporteuses, les sels fondus, etc. Le choix du fluide dépend de l'utilisation souhaitée de la chaleur dans l'installation 1. Différents modes de réalisation seront décrits dans la suite de la présente description. L'installation 1 comprend en outre un séchoir 20 alimenté en chaleur par un deuxième circuit de fluide caloporteur 21 au niveau d'un deuxième échangeur 210. Comme il sera expliqué plus loin, le deuxième circuit 21 peut être le même que le premier circuit 13, ou au contraire être un circuit complètement indépendant. La matière humide provenant du silo 10 transite dans le séchoir 20 pour diminuer sa fraction d'eau liquide avant d'être introduite dans la chaudière 12 (en particulier via les moyens 121 qui seront décrits plus loin). Ainsi la matière dont la combustion a lieu dans le foyer 12 est sensiblement moins humide que la matière initiale (avantageusement un taux d'humidité sur brut en sortie de séchoir de 10 à 20 %), ce qui fait que peu d'énergie est consommée au niveau du foyer pour évaporer de l'eau. Les fumées de combustion contiennent ainsi peu de vapeur d'eau, et il n'est pas nécessaire de prévoir un système couteux de récupération de la chaleur latente des fumées. De l'énergie est toutefois consommée au niveau du deuxième échangeur 210 qui transfère de la chaleur depuis le fluide caloporteur du deuxième circuit 21 vers la matière humide qui circule dans le séchoir afin d'évaporer cette eau contenue dans la matière. L'air chargé en vapeur d'eau généré par ce séchage (appelé « buées ») contient ainsi la chaleur latente qui aurait été dans les fumées de combustion si le bois avait été brulé humide. Toutefois, comme ces buées sont extraites en amont de la combustion, elles ne contiennent pas encore les composés azotés ou soufrés corrosifs qui posent des problèmes de corrosion d'échangeur dans les fumées de combustion. L'installation selon l'invention propose ainsi une solution innovante pour valoriser la chaleur latente contenue dans les buées issues du séchoir 20. Il est à noter que la demande de brevet GB2036787 avait proposé en 1978 une solution de valorisation de l'énergie de ces buées consistant à de façon surprenante utiliser deux étages de séchoirs, les buées issues du dernier étage étant injectées dans le premier étage afin de préchauffer la matière à sécher. Ce choix architectural est très paradoxal, puisque la vapeur issue du deuxième séchoir se condense dans le premier séchoir, et donc augmente l'humidité de la matière à sécher ! Bien que la matière ait été préchauffée (et encore avec un mauvais rendement à cause des faible échanges thermiques gaz/solide) plus d'humidité en entrée signifie une consommation d'énergie supplémentaire. Le bilan énergétique est donc quasiment nul, pour un coût très élevé dû à l'utilisation de multiples séchoirs spéciaux adaptés pour un fonctionnement haute pression (5 bars) ici nécessaire. Cette approche n'a donc pas servi de base à d'autres développements.

Au contraire, l'installation 1 selon l'invention propose de chauffer avec les buées non pas la matière à sécher, mais un circuit de fluide (quatre types de circuits de fluide à chauffer 120, 40, 41, 13 peuvent être choisis seuls ou en combinaison selon des modes de réalisation qui seront 5 explicités) grâce à un circuit 22 pour la circulation de buées depuis le séchoir 20 vers au moins un condenseur de buées 23a, 23b, 23c, 23d, chaque au moins un condenseur de buées 23a, 23b, 23c, 23d étant en échange thermique avec un circuit de fluide à chauffer 120, 40, 41, 13 (ces quatre condenseurs de buées possibles correspondent respectivement aux 10 quatre types de circuit de fluide à chauffer qui seront décrits). La récupération de la chaleur latente s'effectue en provoquant la condensation des buées dans le ou les condenseurs de buées 23a, 23b, 23c, 23d. Pour cela, il faut que le point de rosée (c'est-à-dire la température à laquelle la pression partielle de vapeur d'eau est égale à sa pression de 15 vapeur saturante, et ainsi la température en dessous de laquelle la condensation de l'eau commence) des buées sortant du séchoir 20 soit supérieur à la température du fluide à chauffer du circuit 120, 40, 41, 13. Cette approche permet l'emploi d'un séchoir 20 classique (voir plus loin dans la description une description détaillée d'un mode de réalisation 20 avantageux du séchoir) dit « atmosphérique », c'est-à-dire qui fonctionne sous une pression sensiblement atmosphérique avec un apport en continu de matière humide, contrairement aux séchoirs sous pression tels que ceux nécessités par la demande de brevet GB2036787 précédemment discutée. Le demandeur a en effet constaté qu'en utilisant un tel séchoir 20 25 atmosphérique, les buées sortent naturellement avec une pression absolue de vapeur d'eau comprise entre 0,5 bar et 1 bar (en ce cas, les buées sont composées de vapeur d'eau pure). Cet intervalle entraîne un point de rosée des buées compris entre 80°C et 100°C. Un point de rosée supérieur à 100°C implique un séchoir sous pression. 30 Ainsi, quelle que soit l'humidité de la matière à sécher une température de 100°C du fluide du deuxième circuit 21 en entrée du deuxième échangeur 210 suffit à provoquer la formation des buées, et ces dernières peuvent chauffer tout fluide ayant une température jusqu'à 80°C, température suffisamment élevée pour être facilement valorisée. On comprendra que l'invention n'est pas limitée aux séchoirs atmosphériques, et que de façon générale il suffit que la température du 5 fluide du deuxième circuit 21 en entrée du deuxième échangeur 210 soit supérieure à 100°C (en particulier supérieure au point de rosée des buées), que la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits 120, 40, 41, 13 en entrée du ou des condenseurs de buées 23a, 23b, 23c, 23d soit inférieure à 80°C, et que le séchoir 20 soit configuré pour que les buées 10 présentent un point de rosée supérieur à 80°C et avantageusement inférieur ou égal à 100°C. Cette combinaison de températures offre de très bonnes performances énergétiques, comme il sera montré plus loin. De façon particulièrement préférée, il est prévu un différentiel d'au moins 40°C (voire 50°C) entre la température du fluide du deuxième circuit 15 21 en entrée du séchoir 20 et la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits 120, 40, 41, 13, afin que les buées puissent aisément se condenser, et donc que le transfert de chaleur latente soit maximal. Il est à noter que bien que cela ne soit pas souhaitable, il n'est pas exclu que la température fluide du deuxième circuit 21 en entrée du 20 deuxième échangeur 210 se retrouve inférieure au point de rosée des buées (par exemple si le deuxième circuit 21 est un circuit d'eau chaude à 105°C alors que le séchoir 20 est un séchoir sous-pression). Les buées sont alors saturées en vapeur d'eau et l'humidité du bois arrête de s'évaporer. C'est pourquoi on prévoit toujours avantageusement que le 25 point de rosée des buées soit inférieur à la température du fluide du deuxième circuit 21 en entrée du deuxième échangeur 210. Ceci peut être assuré en prévoyant une température du fluide du deuxième circuit 21 en entrée du deuxième échangeur 210 supérieure ou égale au point d'ébullition de l'eau à la pression qui règne dans le séchoir 20 (par exemple 110°C à 30 1,5 bar). Une telle température garantit le séchage effectif de la matière humide.

Premier mode de réalisation préféré : chaudière auto-condensante Dans une installation telle que celle de la figure 1, une chaudière classique produit de l'eau à une température de 80°C et dont l'eau de retour chaufferie est à 60°C, empêchant toute condensation normale dans les fumées (puisque les fumées ne se condensent qu'en contact avec une paroi à température inférieure au point de rosée, qui est ici une température de 60°C (concentration molaire de 20% d'eau dans les fumées)). Au contraire, dans une installation 1 telle que celle représentée par la figure 2, la même chaudière (l'échangeur 31) est cette fois alimentée de sorte à porter un fluide caloporteur (voir les exemples cités précédemment) à haute température, en particulier de l'eau chaude (qui est le fluide caloporteur du premier circuit 13) à une température d'au moins 105°C. La chaudière 31 peut produire de l'eau surchauffée jusqu'à 150°C, surpressée à 6 bars (à cette pression, l'eau nécessite 160°C pour se vaporiser), mais alternativement une température de seulement 105°C présente l'avantage de ne nécessiter quasiment aucune surpression, et également de ne pas entraîner le classement dans la catégorie des « chaudières sous-pression » (qui commence à 110°C), ce qui entraîne des contraintes réglementaires supplémentaires. Ici, le deuxième circuit 21 de fluide caloporteur est une branche du premier circuit 13 de fluide caloporteur. L'eau à 105° (ou plus) alimente donc directement le deuxième échangeur 210 du séchoir 20 atmosphérique disposé entre le silo 10 de stockage et le foyer 12 de la chaudière 31. L'eau chaude qui a servi à sécher la matière humide est ensuite renvoyée à la chaudière 31 pour y être de remontée en température. Il est alternativement possible d'avoir deux circuits 13, 21 distincts, éventuellement en échange thermique. On peut en particulier prévoir que le 30 foyer 12 alimente avantageusement deux circuits d'eau qui tirent leur chaleur de la même combustion, comme l'on voit sur la figure 4: - une première chaudière « haute température » (typiquement 150°C comme mentionné précédemment) correspondant à un échangeur auxiliaire 33 dans le foyer 12 qui alimente exclusivement le deuxième circuit 21et de là le séchoir 20, - et une deuxième chaudière « classique » (qui correspond au premier échangeur 31) en aval de la première (par rapport au sens de circulation des fumées) qui est à température ordinaire (60 / 80°C par exemple). - Un éventuel échangeur de chaleur (non représenté) entre les deux circuits d'eau permet en toutes circonstances d'évacuer l'excédent de chaleur du deuxième circuit 21 (cas où l'installation 1 a reçu du bois très sec ou que le séchoir 20 est momentanément indisponible), et d'éviter une surchauffe. On peut aussi concevoir que l'installation 1 comprenne deux foyers physiquement séparés, comme l'on voit sur la figure 5: - un foyer « auxiliaire » 18 qui ne produit que de l'eau surchauffée à 150°C (par exemple, 20 % de la puissance maximale nécessaire au circuit 41) pour le deuxième circuit 21, - le foyer 12 principal qui fournit les 80 % de la puissance maximale à une température de 80°C, Comme l'on voit sur la figure 5, on alimente avantageusement chacun des foyers avec de la matière sortant du séchoir 20 (la conduite 121 en assure la répartition). Ce cas de figure à deux foyers 12, 18 se produit par exemple si la premier foyer 12 existe déjà et qu'on veuille améliorer le bilan énergétique 25 en installant un séchoir neuf avec son circuit 21 spécifique à eau surchauffée (voir plus loin dans la description). Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le premier circuit 13 est en échange thermique via un troisième échangeur 32 avec un 30 circuit 41 de valorisation de chaleur (par exemple pour un usage industriel, un bâtiment ou pour un réseau de chaleur). Il s'agit le plus souvent d'un circuit d'eau. Il peut tout à fait s'agir du même circuit d'eau que le circuit 13 (comme dans les figure 1, 4 et 5, dans ce cas-là, l'échangeur 32 est soit un simple mélangeur, soit tout simplement absent), mais il est préférable pour des conditions de contamination de l'eau en impuretés et de pressions différentes entre les deux réseaux, de les cloisonner. Il est à noter que dans 5 le cas de deux circuits distincts, il est possible de remplacer l'eau comme fluide caloporteur du deuxième circuit 21 par exemple par des huiles caloporteuses, qui peuvent être montées bien plus haut en température tout en restant à l'état liquide même à pression atmosphérique. Dans ce dernier cas on peut choisir une température de fluide en entrée de deuxième 10 échangeur 210 jusqu'à 190°C. En effet, à condition de respecter le minimum de température de 40°C indiqué ci-dessus, on a intérêt - d'un point de vue du coût d'investissement du séchoir - à avoir la température du fluide dans le circuit 21 à la température la plus élevée possible. 15 Dans la figure 2, le circuit 41 est ici le circuit de fluide à chauffer. Le condenseur de buées 23c, situé en amont du troisième échangeur 32, permet de préchauffer ce fluide avec la chaleur latente des buées, afin de diminuer l'apport de chaleur nécessaire au niveau du troisième échangeur 32. Le séchoir 20 ne consomme qu'une fraction (10 à 20 % selon les taux 20 d'humidité de la matière à sécher) de l'énergie du foyer 12, et permet donc ainsi de fournir par le condenseur 23c 10 à 20 % de l'énergie nécessaire au réseau 41 de valorisation de chaleur. Dans le cas d'un premier circuit d'eau à 105°C, la température de l'eau qui rentre dans le condenseur 23c est de 60°C (on a alors un différentiel de 45°C suffisant pour un bon rendement), 25 c'est-à-dire la température de retour de l'eau à la chaudière 31. Il est à noter qu'il peut y avoir plus d'un condenseur de buées 23c, et que ce ou ces condenseurs peuvent être de n'importe quel type connu. Un séchoir 20 particulièrement avantageux pour ce mode de 30 réalisation est représenté par la figure 3. Ce séchoir 20 présente sensiblement une forme de cône orienté vers le bas. La matière humide (en particulier du bois) y est introduite en partie haute descend par gravité jusqu'à une conduite 121 via laquelle elle est introduite dans le foyer 12, la conduite 121 étant équipée par exemple d'une vis sans fin 122. On choisit avantageusement l'acier inox comme matériaux pour le séchoir 20 et les différents équipements qui le complètent, car des tanins sont dégagés par le chauffage de bois et emportés par les buées, bien que nettement moins agressifs que les produits trouvés dans les fumées de combustion. La matière humide est séchée à 90°C dans le séchoir 20 et l'humidité relative des buées proche de la sortie 201 est de 90 %, c'est à dire que sa température de rosée est d'environ 86°C, à une pression absolue de 700 10 mbar. Ici, le circuit 22 de buées est un circuit fermé. En d'autres termes, un ou plusieurs ventilateurs 26 assurent la re-circulation des buées. Un premier ventilateur 26 envoie les buées « sèches » (c'est-à-dire après condensation) se faire réchauffer jusqu'à environ 100°C sur le deuxième 15 échangeur 210. On note qu'il est dans ce mode de réalisation préféré non pas à l'intérieur du séchoir 20, mais juste avant l'entrée 202. Le premier ventilateur peut être asservi à la pression dans le séchoir de façon à éviter toute entrée d'air froid ou sortie incontrôlée de buées humides. Il est à noter que dans le cas d'eau (ou d'un autre fluide) à haute 20 température dans le deuxième circuit 21 (150°C voire plus), il peut être généré à l'intérieur du séchoir une atmosphère composée exclusivement de vapeur d'eau surchauffée, à la pression atmosphérique, c'est à dire à température supérieure à 100°C. La température de rosée est toujours à 100°C, mais cette vapeur surchauffée contient plus de chaleur sensible. 25 En bas de séchoir, un débit contrôlé de l'air très humide est extrait du séchoir (via éventuellement un deuxième ventilateur) et vient se condenser sur le condenseur 23c échangeur placé sur l'eau du circuit 41 à 60°C (voire 80° en cas de vapeur surchauffée). Un collecteur 24 permet de séparer l'eau liquide condensée (qui sera 30 éliminée) du résiduel de buées. Un dispositif de traitement des condensats récupérés sous le condenseur 23c peut être prévu. La chaleur des condensats (plusieurs dizaines de degrés) peut être encore valorisée ensuite. Sur la figure 3 est représenté un quatrième échangeur 25 qui permet de transférer de la chaleur depuis les buées chaudes et très humides 5 sortant du séchoir 20 et ces mêmes buées plus sèches et moins chaudes après échange avec le condenseur 23c. Cet échangeur 25 a vocation à transférer de la chaleur sensible entre les deux flux gazeux : cela permet de préchauffer l'air qui arrive au deuxième échangeur 210 afin de réduire la consommation énergétique au 10 niveau du deuxième circuit 21. Cet échangeur 25 est d'autant plus utile que la température dans le séchoir 20 est faible, et qu'il faut en conséquence brasser un volume d'air important pour être dans la plage 80°C-100°C pour la température de rosée des buées. 15 On remarquera ici une différence importante entre le fonctionnement du séchoir 20 et celui des séchoirs traditionnels. En effet, dans un séchoir traditionnel, lorsque la biomasse est chauffée, elle se sèche progressivement et l'humidité de l'air se rapproche de la saturation, ce qui 20 fait que l'évaporation ralentit. Afin de continuer à évaporer le produit traité, il y a deux méthodes connues de l'homme du métier : - utiliser une pompe à chaleur (électrique ou « tritherme à absorption ») : les buées se refroidissent et condensent sur la batterie froide de la pompe à chaleur puis les buées froides et sèches sont réchauffées sur la 25 batterie chaude de la pompe à chaleur et on réintroduit dans le séchoir un air sec et chaud ; - évacuer vers l'extérieur une partie de l'air chaud et humide et introduire de l'air froid et sec. Un échangeur à contre-courant permet de transférer une partie de la chaleur des buées humide pour chauffer l'air sec. 30 Dans le séchoir 20, l'utilisation du condenseur de buées 23c (et/ou les condenseurs 23a, 23b, 23d qui seront décrits plus loin) permet de réintroduire un air sec vers le séchoir, sans avoir besoin d'appoint d'air froid extérieur. On peut donc fonctionner en « circuit fermé », sans introduire d'air frais, en réglant bien la pression dans le séchoir 20. Le phénomène qui règle la pression interne est le suivant : l'évaporation de l'eau crée un dégagement de molécules gazeuses dans le séchoir 20. Naturellement, la pression monte et les buées s'évacuent vers l'extérieur par équilibrage de la pression interne et la pression externe (atmosphérique). Il faut donc régler le flux de buées vers le ou les condenseurs de buées 23a, 23b, 23c, 23d de façon à ce que la quantité d'eau extraite de la biomasse soit en permanence égale à celle collectée au niveau du collecteur de condensats 24. On peut donc régler le ou les ventilateurs 26 en fonction de la pression dans le séchoir : si la pression augmente, il faut augmenter le débit de buées vers le ou les condenseurs 23a, 23b, 23c, 23d pour condenser plus et faire baisser la pression interne. Et réciproquement, afin d'éviter l'entrée d'air extérieur. Le ou les condenseurs 23a, 23b, 23c, 23d permettent alors de récupérer la chaleur de vaporisation de l'eau qui a été évaporée, avec une très faible consommation électrique (quelques moteurs et le ou les ventilateurs 26 de brassage dans le séchoir), alors que les technologies connues de l'homme de l'art ne le permettent pas. On note en outre que le circuit 22 de buées n'est pas limité à un fonctionnement « en boucle ». Une structure « à sens unique » telle que visible sur la figure 4 est également possible et sera discutée plus loin. De nombreux types de séchoirs peuvent être utilisés et celui présenté 25 n'est pas limitatif. On notera que l'invention n'est comme expliquée précédemment pas limitée aux séchoirs atmosphériques. Exemple numérique pour le premier mode de réalisation préféré 30 Dans cette partie, on prendra l'exemple de l'incinération de 100 unités PCS de biomasse humide à 50 % (PCI = 80 unités). Les échanges seront supposés « idéaux », sans pertes thermiques pour la bonne compréhension. Dans le cas de l'installation d'art antérieur du type de la figure 1 où l'on brule directement la biomasse humide, la chaudière a typiquement un 5 rendement de 90 % sur le PCI du combustible et fournira donc une chaleur de 80 *90% = 72 unités au circuit 41. Le rendement sur PCS vaut 72 / 100 = 72 % sur PCS. Les fumées contiennent une énergie de 100 - 72 = 28 unités, dont 20 représente l'évaporation de l'eau. 10 Avec l'installation de la figure 2, on va montrer que seulement 90 unités PCS de biomasse humide à 50% (PCI = 72 unités) permettent d'obtenir le même résultat. La biomasse humide à 50 % est injectée dans le séchoir 20 avant le 15 foyer 12. On fait l'hypothèse de premier et deuxième circuits 13, 21 chauffés dans le même foyer 12, le deuxième circuit 21 étant un circuit d'huile caloporteuse à 130°C. Dans le séchoir 20, est utilisée une énergie de 8 unités fournie par le circuit 21 au moyen du deuxième échangeur 210. Les buées rentrent ainsi 20 dans le séchoir 20 en 202 à une température de 125°C, Une partie des buées est extraite au moyen du ventilateur 26 du circuit 22 en amont du condenseur 23c à une température de 81°C avec une température de rosée de 75°C. Elles vont pouvoir se condenser en cédant leur chaleur latente et fournir une énergie de 8 au circuit 41 dont 25 l'eau arrive à 60°C. Les buées sortent donc du condenseur 23c à une température de 60°C plus quelques degrés, soit environ 63°C. L'échangeur 25 entre les buées rentrantes et sortantes du condenseur 23c transfère de la chaleur entre les deux flux et permet aux 30 buées rentrant dans le séchoir 20 de remonter à la température de 80°C, ce qui évite de surdimensionner le deuxième échangeur 210.

La biomasse sortant du séchoir 20 et introduite dans le foyer 12 a alors toujours 90 unités PCS, mais virtuellement 72 + 8 unités PCI (les 8 venant de l'évaporation de l'eau liquide : par définition, l'énergie PCI se calcule par soustraction du PCS de l'énergie nécessaire pour maintenir l'eau sous forme de vapeur dans les fumées, et à cause du séchage cette dernière énergie à fournir a diminué) Avec le même rendement de chaudière de 90% sur PCI on obtient à nouveau 72 unités, dont 64 envoyées au premier circuit 13 (puis au troisième échangeur 32) et 8 au deuxième circuit 21 comme expliqué précédemment. Le circuit de valorisation 41 reçoit donc bien 64 + 8 = 72 unités d'énergie, soit la même chose que l'exemple précédent Les fumées sortent seulement avec une énergie de 90 - 72 = 18 unités, dont 10 représentent l'évaporation de l'eau. On voit donc que l'installation 1 selon l'invention permet d'économiser 10% du combustible nécessaire. Le rendement global de la chaudière + séchoir devient 72 / 72 = 100% sur PCI et 72 / 90 = 80 % sur PCS. Deuxième mode de réalisation préféré : cogénération Les installations précédemment décrites visent une production de chaleur pure. Dans un fonctionnement dit en cogénération, on vise une production combinée d'électricité et de chaleur. Pour cela, on utilise un fluide caloporteur à changement d'état (dans le premier circuit 13), en particulier de l'eau ou un fluide dit ORC (Organic Rankine Cycle) comme le siloxane ou le toluène, c'est-à-dire un fluide organique à température d'ébullition bien plus basse que l'eau, pour produire de l'énergie électrique selon le cycle classique de Rankine. Une installation en cogénération a par exemple dans le cas classique 30 un rendement électrique de 10 %, et un rendement « chaleur » de 70 %, soit un rendement global de 80 %, mesuré sur le PCI du combustible entrant, avec des fumées sortant à 200°C, et une biomasse entrant à 50 % d'humidité sur brut. Le premier échangeur 31 vaporise le fluide à haute pression (alternativement, le premier échangeur 31 chauffe un fluide caloporteur intermédiaire tel qu'une huile qui lui-même transfère sa chaleur au premier circuit 13, voir à ce titre la demande de brevet FR1161333), le premier circuit 13 l'envoie se détendre dans une ou plusieurs turbines 14a, 14b entraînant un générateur électrique. Après détente, le fluide en phase vapeur est condensé sur un ou plusieurs condenseurs 16a, 16b, 16c (afin d'éviter toute confusion avec le ou les condenseurs 23a, 23b, 23c, 23d du circuit 22 de buées, le ou les condenseurs du premier circuit 13 nécessaires pour respecter le cycle de Rankine seront appelés « sources froides » 16a, 16b, 16c dans la suite de la présente description, mais on comprendra qu'il réalisent la condensation des vapeurs sortant de la turbine (ou plus généralement d'un moteur au sens large) à l'état liquide en dissipant - ou valorisant - leur chaleur latente). Enfin, au moins un compresseur de liquide 15 lui aussi disposé sur le circuit 13 (en sortie de la ou les sources froides 16a, 16b, 16c) permet la remontée en pression des condensats. Ces compresseurs 15 sont éventuellement reliés mécaniquement à une ou plusieurs turbines 14a, 14b. La ou les sources froides 16a, 16b, 16c correspondent à différents moyens, qui peuvent être utilisés seuls ou combinés les uns avec les autres comme l'on voit sur la figure 6, afin d'évacuer la chaleur de condensation du 25 fluide vapeur. Dans la source froide 16a, la chaleur de condensation est valorisée. Il s'agit alors d'un dispositif tel que le troisième échangeur 32, qui transfère comme expliqué précédemment la chaleur en excès du fluide du premier circuit 13 (ici la chaleur latente de la vapeur détendue) à un circuit 41 de 30 valorisation de chaleur, voire à l'air de combustion nécessaire au foyer 12. Ce type de source froide 16a est à l'origine de la cogénération. Il est à noter que la valorisation de cette chaleur peut se produire dans l'usine proprement dite, dans laquelle la vapeur est transportée. L'échangeur 32 se trouve alors physiquement là-bas (le circuit 41 correspondant au milieu chauffé par cet échangeur), et des condensats sont retournés de l'usine vers la chaudière 31.

Dans la source froide 16b, la chaleur de condensation est dissipée. Il peut être en effet intéressant d'atteindre une température de fluide liquide plus basse qu'avec un circuit de valorisation. Cette basse température correspond à une faible pression de condensation de la vapeur et maximalise la production d'électricité. Il s'agit alors d'un dispositif tel qu'un échangeur avec le milieu (l'atmosphère, une rivière, l'océan etc.). Dans la source froide 16c, la chaleur de condensation est utilisée pour alimenter le séchoir 20. Il s'agit alors du deuxième échangeur 210 du deuxième circuit 21, lequel est un circuit pour la circulation du fluide caloporteur du premier circuit 13 sous forme gazeuse issu d'au moins une turbine 14a. En effet, dans le mode de réalisation préféré représenté, l'installation 1 comprend deux turbines 14a, 14b successives dont une turbine haute pression 14a et une turbine moyenne pression 14b (ou bien une seule turbine avec plusieurs extractions possibles à différents niveaux de pression). Le fluide de travail subit ainsi une première détente puis une partie de ce fluide est extrait de la turbine 14a à pression intermédiaire (par exemple à 8 bar / 170°C) vers le deuxième circuit 21 pour transmettre sa chaleur au séchoir 20. Cette chaleur est transmise soit directement en faisant se condenser cette vapeur au niveau de la source froide 16c (le deuxième échangeur 210), soit en utilisant un fluide intermédiaire (typiquement de l'eau liquide surpressée) entre la turbine 14a et le séchoir 20, afin d'éviter de devoir transporter de la vapeur sous pression sur de longues distances. L'utilisation directe du fluide à pression intermédiaire comme fluide 30 du deuxième circuit 21 est intéressante car cela permet de chauffer rapidement la matière à sécher dans le séchoir 20 (réduction de l'investissement nécessaire) et d'obtenir des buées à 100°C de vapeur d'eau « pure » sortant du séchoir. Le reste du fluide de travail (la part qui n'est pas détournée vers le séchoir 20) continue sa détente dans la turbine à moyenne pression 14b jusqu'au niveau de pression où il pourra se condenser sur l'eau du circuit 41 de valorisation à chauffer par exemple de 60 à 80°C via la source froide 16a. Alternativement, comme indiqué ci-dessus, cette vapeur « basse pression » est envoyée directement vers une usine pour y être utilisée.

Eventuellement, une partie du fluide de travail continuera à se détendre jusqu'au niveau le plus bas possible (il peut y avoir plus de deux turbines 14a, 14b), et se condensera sur la source froide 16b en rejetant comme expliqué sa chaleur à l'extérieur, sans la valoriser.

Les buées issues du séchoir 20 via le circuit 22 de buées peuvent être valorisées de quatre façons sur quatre circuits différents dans le cas d'une cogénération. Comme l'on voit sur la figure 6, ces façons ne sont pas exclusives entre elles, et l'on comprendra que toutes les combinaisons sont possibles. Le choix dépendra en particulier de l'humidité initiale de la biomasse et donc de la quantité de chaleur latente qui pourra être récupérée dans les buées. On notera que plusieurs condenseurs 23a, 23b, 23c, 23d peuvent être situés sur des branches parallèles du circuit 22 de buées (comme représenté sur la figure 6), mais également en série (comme l'on voit sur la figure 7 qui sera discutée plus loin).

Premier circuit de fluide à chauffer La première façon a déjà été expliquée pour le mode de réalisation précédent : il s'agit de chauffer le fluide du circuit 41 de valorisation de 30 chaleur via le condenseur 23c. Dans le cas d'une cogénération dont toute l'énergie de condensation des buées du séchoir serait valorisée à 60 °C sur ce seul échangeur 23c, on obtient par exemple un rendement électrique de 9 % (perte de 1 %), et un rendement «chaleur» de 78 %, soit un rendement global de 87% (gain de 7 %). En effet, cette valorisation de la chaleur latente de la matière humide 5 à brûler fait qu'il y aura - un peu plus (+ 5 %) de vapeur turbinée dans la première turbine haute pression 14a, - mais moins de vapeur (- 10 %) turbinée dans la deuxième turbine moyenne pression 14b. 10 La somme de ces deux effets fait qu'un peu moins d'électricité est produite, mais avec une augmentation du rendement global (chaleur + électricité). La bonne valorisation énergétique de la biomasse rend cette solution particulièrement intéressante. 15 Deuxième circuit de fluide à chauffer Les buées issues du séchoir 20 à une température d'environ 100°C peuvent être valorisées en produisant de l'électricité. Une machine 20 thermodynamique qui fonctionne entre 100°C et l'ambiante (25°C) pourra transformer environ 7 à 9 % de l'énergie transitée en électricité. Le circuit de fluide à chauffer est alors un circuit 40 d'un fluide à changement d'état via le condenseur 23b. Le fluide de travail peut être le même que celui du circuit principal 13 (ce qui simplifie l'exploitation) ou être 25 différent dans une machine spécifique plus adaptée à ces niveaux de température. Par exemple, dans le cas d'une grosse installation 1, on peut avoir un premier circuit 13 à vapeur surchauffée et un circuit 40 à fluide ORC. Le rendement électrique devient 11 % environ (gain de 10 % par 30 rapport à la référence) et le rendement global sera de 82 %.

Il est à noter que cette solution peut être utilisée pour le mode de réalisation précédent (chaudière autocondensante) pour fournir un appoint d'électricité.

Troisième circuit de fluide à chauffer Les buées du circuit 22 de buées peuvent servir à préchauffer l'air de combustion qui est envoyé dans le foyer. Le circuit de fluide à chauffer est donc le circuit 120 d'admission d'air frais de combustion (qui aspire l'air 10 atmosphérique) via l'échangeur 23a. Cela apporte un gain de rendement global, mais on ne peut valoriser ainsi qu'une fraction (environ 10 à 30 % selon l'humidité du bois) de la chaleur des buées au vu de la quantité de chaleur limitée transférable à ce fluide. 15 Quatrième circuit de fluide à chauffer Comme expliqué précédemment, lorsque l'une partie du fluide de travail est amenée à se détendre jusqu'à une très basse pression, il peut 20 produire un maximum d'électricité, mais alors il se condense à basse température, et sa chaleur de condensation ne peut être valorisée et doit être dissipée dans l'environnement (rivière, atmosphère,...) via une source froide 16b à dissipation. Le liquide formé est remonté en pression par un compresseur 15, 25 puis doit être réchauffé avant d'être introduit dans la chaudière. Traditionnellement, on utilise une fraction encore très chaude du fluide qui a été turbiné mais qui est encore gazeux afin de faire ce préchauffage du liquide. Avantageusement on peut utiliser l'énergie des buées du séchoir 20 30 pour réchauffer ce fluide liquide en sortie de la source froide 16b à dissipation. Le circuit de fluide à chauffer est alors le circuit principal 13 et le condenseur 23d du circuit 22 de buées est disposé en aval de la source froide 16b (en particulier juste après un compresseur 15). Le bilan énergétique d'une telle solution est détaillé plus loin dans la présente description.

Le choix de l'opérateur entre un ou plusieurs de ces circuits 120, 40, 41, 13 de fluide à chauffer dépend des conditions économiques de l'opération, et de l'humidité initiale du combustible. Il est à noter que le fait d'évacuer la vapeur d'eau à 100°C (au 10 séchoir 20) plutôt qu'à 150-200°C à la cheminée 11 (cas « actuel ») fait de toute façon gagner environ un point de rendement. De même, l'installation 1 permet aussi un gain de production électrique par le fait de préchauffer entre 20 et 100°C la matière à brûler avec la vapeur qui a été déjà turbinée. 15 Par ailleurs, on note que contrairement au précédent mode de réalisation dans lequel le circuit 22 forme une boucle permettant de renvoyer un air sec vers le séchoir 20, le circuit 22 représenté sur la figure 6 est « à sens unique » sans réintroduction d'air. 20 La vaporisation de l'eau entraîne comme expliqué une augmentation de la pression interne, puis la sortie naturelle des buées par rééquilibrage des pressions. Ce circuit 22 à sens unique présente l'avantage d'être structurellement simple et de faire que les buées ne sont rapidement constituées que de vapeur d'eau (l'air initial, dont le volume est fini, est 25 rapidement chassé par la vapeur d'eau). En l'absence de contrôle du séchoir par le biais du circuit 22, ces buées s'échapperaient dans l'air ambiant par les entrées / sorties de matière ou mettraient rapidement en surpression dangereuse le séchoir 20. On notera qu'il est tout à fait possible de prévoir un fonctionnement 30 alternatif dans lequel les buées peuvent ne pas être composées à 100 % d'eau. Le résiduel d'air est alors réintroduit dans le séchoir 20 comme expliqué précédemment.

Exemple numérique pour le deuxième mode de réalisation préféré De façon similaire au premier exemple numérique, on prendra 5 l'exemple de la combustion de 100 unités PCS de biomasse humide à 50 % (PCI = 80 unités). Les échanges seront supposés sans pertes thermiques et le calcul est simplifié pour la bonne compréhension. Avec un rendement de 90 % sur le PCI du combustible, la chaudière 31 (le premier échangeur) fournit donc une énergie de 72 unités 10 Dans une cogénération classique orientée production d'électricité (l'installation comprend donc une source froide 16b à dissipation de chaleur), le fluide du premier circuit 13 (vapeur haute température, haute pression, typiquement 500°C, 90 bar) permet ensuite : - de produire 19 unités d'électricité dans deux turbines 14a, 14b, 15 - de fournir 30 unités de chaleur à un industriel par un circuit 41 de valorisation de chaleur (via la source froide 16a ou directement sous forme de vapeur), - de dissiper 31 unités d'énergie dans l'atmosphère par condensation de la vapeur en sortie d'étage final de la turbine au niveau de la 20 source froide 16b. L'eau liquide en sortie de la source froide 16b est à une température de 20°C. Avant d'être renvoyée dans la chaudière 31, elle est réchauffée par de la vapeur extraite entre les turbines 14a/14b à une pression 25 intermédiaire (typiquement 8 bar). Ce réchauffage prend une énergie de 8 unités. Cette énergie de 8 unités ne compte pas dans le bilan global (il s'agit d'un transfert interne au premier circuit 13) et on a bien l'équilibre énergétique : - énergie rentrant dans le premier circuit 13 = 72 30 - énergie sortant du premier circuit 13 = 31 + 30 + 19 = 72 Les fumées contiennent une énergie de 100 - 72 = 28 unités, dont 20 unités représentent l'évaporation de l'eau. L'eau de retour à la chaudière 31 sortant à 20°C rend possible l'utilisation d'un condenseur d'eau dans les fumées en sortie de la chaudière 31 puisque la vapeur d'eau des fumées se condensera en contact avec une paroi à température inférieure au point de rosée qui est ici une température de 60°C (concentration molaire de 20 % d'eau dans les fumées). Habituellement, selon l'état de l'art, les fumées sont envoyées à l'atmosphère sans valorisation parce qu' : - un condenseur de fumées de chaudières à bois est un dispositif onéreux comme indiqué précédemment, - il n'y a pas adéquation entre le besoin de 8 unités pour chauffer l'eau de 25 à 100°C et les 28 unités d'énergie contenues dans les fumées qui sortent à +/- 180°C. Le rendement de la cogénération est donc de (30 + 19)! 80 = 61,25 % sur PCI.

Avec l'installation 1 selon la figure 6, en considérant à titre d'exemple la seule contribution du condenseur 23d (voire section « quatrième circuit de fluide à chauffer » ci-avant), on va montrer que seulement 90 unités PCS de biomasse humide à 50% (PCI = 72 unités) permettent d'obtenir encore le même résultat.

Le deuxième circuit 21 reçoit la vapeur issue de la sortie de la turbine haute pression 14a à une pression de 8 bars. Le séchoir 20 est préférentiellement du type «à vapeur surchauffée », c'est-à-dire que l'atmosphère à l'intérieur est comme expliqué composée de vapeur d'eau pure à une température supérieure à 30 100°C et à la pression atmosphérique. Le séchoir 20 est alimenté par le deuxième échangeur 210 (qui est une source froide 16c du premier circuit 13). Une énergie de 8 unités est fournie. Les buées (composées de vapeur d'eau pure) atteignent une température de 160°C en sortie de l'échangeur 210, et sortent du séchoir 20 à une température légèrement supérieure à 100°C, Les buées sont condensées dans le condenseur 23d en cédant leur 5 chaleur latente pour fournir une énergie de 8 au premier circuit 13 dont l'eau arrive à 20°C, et sort à 100°C. Les buées sortent du condenseur 23d sous forme de condensats liquides, d'eau quasiment pure, qui peut être récupérée ou éliminée. Il n'y a pas de renvoi gazeux vers le séchoir 20. 10 Le bois séché en sortie du séchoir 20 et transporté par la conduite 121 vers le foyer 12 a donc comme dans le cas précédent une énergie PCS de 90 unités dont une énergie PCI de 72 unités + les 8 venant de l'évaporation de l'eau liquide. (Somme = 80 unités). Les fumées sortent à nouveau avec une énergie de 18 unités, dont 10 unités en vapeur d'eau. 15 On voit donc que l'installation 1 apporte un gain de 10 % sur la quantité de bois nécessaire. Le rendement de la cogénération optimisée devient (30 + 19) / 72 = 68 % sur PCI, soit un gain important de 7 points de rendement. On voit ici que les condenseurs 23a, 23b, 23c, 23d sont très 20 importants car le « simple » séchage du bois en entrée de foyer 12 avec de la vapeur qui aurait été auparavant turbinée ne permet pas à lui seul d'apporter un gain énergétique élevé. La chaudière 31 devrait alors fournir 9 de chaleur supplémentaire en vapeur pour produire les 8 unités de chaleur nécessaire au séchoir 20 et 1 25 unité d'électricité supplémentaire par le passage des 8 unités dans la turbine haute pression 14a. La chaudière 31 nécessiterait donc (72+9) / 90% = 90 unités PCI en sortie de séchoir 20, soit 82 unités PCI = 102,5 unités PCS en entrée de séchoir 20. 30 Le rendement énergétique de cette cogénération non optimisée serait donc de seulement de (19 + 1 + 30) / 82 = 60,97 %, soit une légère baisse de rendement par rapport à l'état de l'art.

Dans le cas d'une vraie cogénération, compte tenu des échanges « non-idéaux » entraînant des pertes thermiques (par exemple, si on fournit 8 unités d'énergie au séchoir 20, on ne peut pas valoriser l'intégralité de ces 5 8 unités sur le condenseur 23d), et de la complexité des cycles, la demanderesse a calculé que le gain réel pouvait être une économie de 7 % sur le combustible nécessaire. On produit autant d'électricité et de chaleur valorisée, tout en améliorant ainsi de presque 3 % le rendement global de cette cogénération, et ceci avec des moyens simples et relativement peu 10 coûteux (un séchoir à vapeur surchauffé est un dispositif simple dans son principe, et assez facile à fabriquer). Ce gain est substantiel et remarquable, sachant que des moyens très importants de Recherche et Développement sont dépensés par de grandes sociétés pour gagner quelques dixièmes de points de rendement, 15 typiquement, pour produire de la vapeur à quelques degrés de plus en sortie de la chaudière 31, avec de sérieux problèmes de corrosion à maîtriser. En fonction des projets, et de l'humidité des matières à brûler, on 20 peut utiliser uniquement un seul des condenseurs 23a, 23b, 23c, 23d qui permettrait à lui seul de valoriser l'énergie des buées, ou au contraire, si l'énergie de vaporisation de la matière est proportionnellement très importante, on utilisera l'intégralité de ces moyens de valorisation. 25 Troisième mode de réalisation préféré : cogénération à grignons La figure 7 représente une installation 1 de cogénération avec une matière très humide (par exemple des grignons d'olive, c'est-à-dire le résidu pâteux après extraction de l'huile des fruits de l'olivier) qui atteint 60 à 70 % 30 d'humidité, ce qui rend sa combustion directe impossible.

Les grignons sont comme dans les autres modes de réalisation séchés dans le séchoir 20 puis introduits dans le foyer 12. Leur combustion produit de la vapeur haute température, haute pression qui est turbinée jusque 8 bar (170°C). La vapeur ainsi détendue sert à alimenter comme dans le deuxième mode de réalisation le séchoir 20, et une bâche de dégazage des condensats (de manière classique). La buée sortant du séchoir 20 sert à vaporiser une partie de l'eau du premier circuit 13 qui s'est condensée dans le séchoir 20 et qui repart dans le premier circuit 13 (on est dans le cas d'un condenseur 23d en aval d'une source froide 16c qui correspond ici au deuxième échangeur 210), après détente de cette eau liquide à une pression correspondant à une température d'ébullition légèrement inférieure à la température de sortie des buées. On ne peut pas utiliser directement les buées du séchoir 20 car elles sont polluées par des Composés Organiques Volatiles (COVs), poussières, etc, qui ne doivent surtout pas pénétrer dans une turbine à vapeur. L'eau qui a été vaporisée grâce aux buées est préférentiellement remontée en température (par de la vapeur surchauffée sortant de la turbine 14a) afin de pouvoir être turbinée efficacement dans une turbine auxiliaire 14b. Une manière intéressante - mais non limitative - est d'utiliser un éjecteur de vapeur 17 à partir de la vapeur extraite de la turbine 14a et de température éloignée de sa température de condensation. Cet éjecteur 17 permet d'obtenir une vapeur surchauffée (c'est à dire à une température nettement supérieure à sa température d'évaporation) à 25 pression et température comprises entre celles des buées et celle de la vapeur motrice de l'éjecteur 17. Cette vapeur peut alors être turbinée efficacement jusqu'à la pression ambiante et fournir une énergie électrique. On note que les buées, pouvant être encore partiellement gazeuses en sortie du condenseur 23d, sont à nouveau condensées dans le 30 condenseur 23a en échange thermique avec le circuit d'admission d'air frais de combustion 120.

Dispositif d'amélioration des performances d'une installation thermique Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un dispositif d'amélioration des performances d'une installation thermique 1 de 5 combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide. En effet comme expliqué précédemment, il existe de nombreuses installations (comprenant typiquement un foyer 12, un premier circuit 13 de fluide caloporteur en échange thermique avec le foyer 12 au niveau d'un premier échangeur 31) ne disposant pas d'un séchoir 20 et réalisant ainsi 10 directement la combustion de matière humide. Ce dispositif permet de modifier une installation existante afin d'obtenir les augmentations de rendement mises en évidences précédemment, sans changement structurel important de cette installation. Le dispositif comprend comme expliqué un séchoir 20 pour diminuer 15 la fraction d'eau liquide de ladite matière avant son introduction dans le foyer 12, un deuxième circuit 21 de fluide caloporteur alimentant le séchoir 12 en chaleur au niveau d'un deuxième échangeur 210 (le dispositif comprend avantageusement un foyer auxiliaire pour alimenter le circuit secondaire sans modifier le premier circuit 13), au moins un circuit de fluide 20 à chauffer 120, 40, 41, 13 et un circuit 22 pour la circulation de buées depuis le séchoir 20 vers au moins un condenseur de buées 23a, 23b, 23c, 23d, chaque au moins un condenseur de buées 23a, 23b, 23c, 23d étant en échange thermique avec un circuit de fluide à chauffer 120, 40, 41, 13, la température du fluide du deuxième circuit 21 en entrée du deuxième 25 échangeur 210 étant supérieure à 100°C, la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits 120, 40, 41, 13 en entrée du ou des condenseurs de buées 23a, 23b, 23c, 23d étant inférieure à 80°C, le séchoir 20 étant configure pour que les buées présentent un point de rosée compris supérieur à 80°C, et avantageusement supérieur ou égal à 100°C.

30 Toutes les améliorations précédemment discutées peuvent être utilisées. On peut en particulier inclure dans ce dispositif d'amélioration des performances d'une installation un foyer auxiliaire 18 (voir figure 5) qui permet d'alimenter en chaleur le deuxième circuit 21 sans qu'il y ait de modification nécessaire de l'installation existante. Une adaptation supplémentaire du foyer 12 consiste par ailleurs à effectuer un recyclage de fumées après la chaudière 31 afin de réinjecter une partie de ces fumées dans le foyer 12. Ce dispositif - « dilution » des fumées, assez classique - vise à éviter d'obtenir des températures trop élevées dans le foyer venant de la combustion d'un produit à présent sec et donc très énergétique, qui entraîne notamment la formation de NOx.10

Claims (16)

1. REVENDICATIONS1. Installation thermique (1) de combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide, l'installation comprenant un foyer (12) de combustion, un premier circuit (13) de fluide caloporteur alimenté en chaleur par le foyer (12) au niveau d'un premier échangeur (31), un séchoir (20) alimenté en chaleur par un deuxième circuit (21) de fluide caloporteur au niveau d'un deuxième échangeur (210), ladite matière comportant une fraction d'eau liquide circulant dans le séchoir (20) pour diminuer sa fraction d'eau liquide avant d'être introduite dans le foyer (12), l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un circuit de fluide à chauffer (120, 40, 41, 13) et un circuit (22) pour la circulation de buées depuis le séchoir (20) vers au moins un condenseur de buées (23a, 23b, 23c, 23d), chaque au moins un condenseur de buées (23a, 23b, 23c, 23d) étant en échange thermique avec un circuit de fluide à chauffer (120, 40, 41, 13), la température du fluide du deuxième circuit (21) en entrée du deuxième échangeur (210) étant supérieure à 100°C, la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits (120, 40, 41, 13) en entrée du ou des condenseurs de buées (23a, 23b, 23c, 23d) étant inférieure à 80°C, le séchoir (20) étant configuré pour que les buées présentent un point de rosée supérieur à 80°C.
2. 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle le séchoir 25 (20) est un séchoir atmosphérique et la température du fluide du deuxième circuit (21) en entrée du séchoir (20) étant supérieure d'au moins 40°C à la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits (120, 40, 41, 13).
3. 3. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans 30 laquelle un circuit (120) de fluide à chauffer en échange thermique avec un condenseur de buées (23a) est un circuit d'admission d'air frais de combustion depuis l'atmosphère vers le foyer (12).
4. 4. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle un circuit (40) de fluide à chauffer en échange thermique avec un condenseur de buées (23b) est un circuit d'un fluide à changement d'état, la chaleur transférée via le condenseur de buées (23b) permettant l'évaporation dudit fluide à changement d'état de sorte à alimenter une turbine (14c) entrainant un générateur électrique.
5. 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle un circuit (41) de fluide à chauffer est un circuit de valorisation de chaleur successivement en échange thermique avec le circuit (22) de buées au niveau du condenseur de buées (23c) puis avec le premier circuit (13) de fluide caloporteur au niveau d'un troisième échangeur (32).
6. 6. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle au moins une turbine (14a, 14b), au moins un compresseur de liquide (15) et au moins une source froide (16a, 16b, 16c) sont disposés sur le premier circuit (13) de fluide caloporteur, un générateur électrique étant entraîné par la turbine (14).
7. 7. Installation selon la revendication 6, dans laquelle le deuxième échangeur (210) est une source froide (16c) du premier circuit (13) de fluide caloporteur, le deuxième circuit (21) de fluide caloporteur étant un circuit pour la circulation du fluide caloporteur du premier circuit (13) sous forme gazeuse issu d'au moins une turbine (14a).
8. 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle le deuxième circuit (21) de fluide caloporteur est une branche du premier circuit (13) de fluide caloporteur.
9. 9. Installation selon l'une des revendications 6 à 8, dans laquelle le premier circuit (13) de fluide est un circuit de fluide à chauffer en échange thermique avec un condenseur (23d) du circuit (22) de buéesdisposé en aval d'une source froide (16b) du premier circuit (13) de fluide caloporteur.
10. 10. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle le deuxième circuit (21) de fluide caloporteur est également en échange thermique avec le foyer (12) au niveau d'un échangeur auxiliaire (33) disposé de sorte que les fumées de combustion issues du foyer (12) soient en échange thermique avec ledit échangeur auxiliaire (33) avant le premier échangeur (31).
11. 11. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un foyer auxiliaire (18) physiquement séparé du foyer (12), alimentant en chaleur spécifiquement le deuxième circuit (21) de fluide caloporteur.
12. 12. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la fraction non condensée des buées du circuit (22) est réinjectée dans le séchoir (20) après avoir circulé dans l'au moins un condenseur (23a, 23b, 23c, 23d), un quatrième échangeur (25) permettant un échange thermique entre les buées avant et après avoir circulé dans l'au moins un condenseur (23a, 23b, 23c, 23d).
13. 13. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la température du fluide du deuxième circuit (21) en entrée du séchoir (20) est comprise entre 105°C et 180°C, et la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits (120, 40, 41, 13) est comprise entre 20°C et 80°C en entrée du ou des condenseurs de buées (23a, 23b, 23c, 23d).
14. 14. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la matière comportant une fraction d'eau liquide est de la biomasse présentant un taux d'humidité sur brut supérieur à 30%.
15. 15. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les fluides caloporteurs du premier circuit (13) et/ou deuxième circuit (21) sont choisis parmi l'eau et les fluides de cycles dits ORC (Organic Rankine Cycle).
16. 16. Dispositif d'amélioration des performances d'une installation thermique (1) de combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide, l'installation comprenant un foyer (12), un premier circuit (13) de fluide caloporteur en échange thermique avec le foyer (12) au niveau d'un premier échangeur (31), le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un séchoir (20) pour diminuer la fraction d'eau liquide de ladite matière avant son introduction dans le foyer (12), un deuxième circuit (21) de fluide caloporteur alimentant le séchoir (20) en chaleur au niveau d'un deuxième échangeur (210), au moins un circuit de fluide à chauffer (120, 40, 41, 13) et un circuit (22) pour la circulation de buées depuis le séchoir (20) vers au moins un condenseur de buées (23a, 23b, 23c, 23d), chaque au moins un condenseur de buées (23a, 23b, 23c, 23d) étant en échange thermique avec un circuit de fluide à chauffer (120, 40, 41, 13), la température du fluide du deuxième circuit (21) en entrée du deuxième échangeur (210) étant supérieure à 100°C, la température dudit fluide à chauffer du ou des circuits (120, 40, 41, 13) en entrée du ou des condenseurs de buées (23a, 23b, 23c, 23d) étant inférieure à 80°C, le séchoir (20) étant configuré pour que les buées présentent un point de rosée supérieur à 80°C.