FR3012577A1 - Installation thermique de combustion de biomasse humide - Google Patents

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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 circuit (13) de fluide caloporteur à changement d'état alimenté en chaleur par le foyer (12) au niveau d'un premier échangeur (31), - au moins un étage de turbine (14a, 14b, 14c) disposé sur le premier circuit (13), un générateur électrique étant entraîné par l'au moins un étage de turbine (14a, 14b, 14c), - un séchoir (20) alimenté en chaleur par une première branche (21) du circuit (13) de fluide caloporteur, 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 que la première branche (21) est disposée par rapport à l'au moins un étage de turbine (14a, 14b, 14c) de sorte à extraire depuis le circuit (13) du fluide caloporteur gazeux à une température comprise entre 70°C et 120°C. L'invention concerne en outre un procédé pour la combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide.

Description

0 12 5 7 7 1 DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne une installation de production d'électricité par combustion de biomasse qui sèche de manière optimisée 5 celle-ci avant de la brûler dans son foyer. 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 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 tonne de bois « vert » contient 500 kilos d'eau non liée chimiquement au bois (eau de pluie, sève, etc.) 20 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. On distingue alors conventionnellement les deux énergies suivantes de la matière que l'on va brûler : 25 - 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 sous forme liquide et son énergie de chaleur latente est donc comptabilisée dans cette valeur PCS ; et 30 - 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. 3 0 12 5 7 7 2 La différence PCS - PCI représente donc l'énergie de vaporisation 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 5 consomme environ 20 % de l'énergie du bois sec. En ce cas, PCI = 80 % du PCS. 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 10 l'oxygène de l'air pour former H2O. Aussi, il est classique de sécher le bois quelques mois de manière 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. 15 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 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. 20 Certaines technologies, et en particulier la gazéification de la biomasse (production d'un gaz de synthèse riche en monoxyde de carbone et en hydrogène à partir de la biomasse, qui sera ensuite introduit dans un moteur pour y produire de l'électricité) nécessitent généralement un combustible d'humidité comprise entre 10 et 20 %, et sont donc alors 25 fréquemment couplés avec un séchage à partir d'eau chaude car le moteur dégage une part importante de puissance à 80 / 90°C, du fait de son circuit de refroidissement. Alternativement, de la chaleur (en particulier une partie de celle produite par la combustion de la biomasse) est utilisée pour pré-sécher la 30 biomasse avant de la brûler. Il est connu que cela permet d'augmenter la part de production d'électricité d'une cogénération (production de chaleur et d'électricité), mais cela est très peu réalisé dans le monde du fait des difficultés inhérentes à ce procédé. Afin de sécher cette biomasse plusieurs technologies sont connues, 5 notamment : - le séchage dans des fumées de combustion (luzerne dans des fumées de combustion de biomasse), - le séchage à l'air chaud, - le séchage à la vapeur surchauffée. 10 Dans les deux dernières techniques, les séchoirs sont alimentés en chaleur via de la vapeur (ou de l'eau chaude produite par échange de chaleur avec de la vapeur) extraite depuis une turbine à vapeur produisant de l'énergie mécanique puis électrique. 15 Il est connu que les séchoirs à vapeur surchauffée sont les plus efficaces pour sécher du bois. Les buées qui sortent sont alors à 100/130°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 20 biomasse. Les séchoirs à vapeur surchauffée sont plus chers que les séchoirs à air chaud, c'est pourquoi il est connu que l'on peut, pour diminuer les coûts, utiliser un pré-sécheur à air chaud qui sera suivi par un séchoir à vapeur surchauffée. Ainsi, le pré-sécheur utilise l'énergie des buées sorties 25 du séchoir à vapeur surchauffée pour chauffer l'air qui va pré-sécher le produit, avant d'être introduit dans le séchoir à vapeur surchauffée. Cette utilisation de l'énergie en cascade permet de diviser considérablement le besoin en énergie primaire. En utilisant un pré-sécheur suivi d'un séchoir à vapeur surchauffée, 30 le ratio descend à 550 - 600 kWh « d'énergie primaire » /Tonne d'eau évaporée sur les deux séchoirs. 3 0 1 2 5 7 7 4 Une telle solution est intéressante, mais nécessite de lourds investissements dans la mesure où il faut doubler la taille du séchoir (puisqu'au final la totalité de la matière à sécher passe dans chaque séchoir).
De même, on trouve également des séchoirs à vapeur surchauffée pressurisés (3 bar), alimentés par une source de vapeur à 212°C (20 bar) et couplés à un séchoir à air chaud permettent d'atteindre des ratios inférieurs 500 kWh / tonne. Il est également connu que plus on sèche la biomasse, plus grande sera alors la puissance en PCI que l'on rentre dans la chaudière, et plus celle-ci sera capable de fournir de la vapeur haute pression, et plus on fera alors d'électricité. On a alors cherché à sécher fortement jusqu'à 10 % la biomasse pour se rapprocher des caractéristiques de combustion du charbon : l'application typique est la co-combustion de granulés de bois (10 % d'humidité) avec du charbon dans des chaudières initialement conçues pour 100 % de charbon. Cependant, si on fait le séchage juste avant la combustion, en cas d'indisponibilité du séchage, par exemple lors d'une maintenance, la chaudière va voir arriver subitement un combustible très humide, et elle aura de sérieuses difficultés à brûler ce combustible humide qui présente des caractéristiques de combustion très différentes du bois très sec. C'est pourquoi, le séchage de la biomasse humide n'est généralement pas pratiqué dans les installations de combustion de biomasse arrivant humide, alors que la technologie du séchage existe 25 depuis longtemps. Il serait intéressant de disposer d'un système innovant qui permette de sécher de la matière humide de manière plus efficace que tout ce qui se fait actuellement, tout en gardant un coût d'investissement minimum et une 30 facilité opérationnelle. PRESENTATION DE L'INVENTION 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 circuit de fluide caloporteur à changement d'état alimenté en chaleur par le foyer au niveau d'un premier échangeur, - au moins un étage de turbine disposé sur le premier circuit, un générateur électrique étant entraîné par l'au moins un étage de turbine, - un séchoir alimenté en chaleur par une première branche du circuit de fluide caloporteur, 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 que la première branche est disposée par rapport à l'au moins un étage de turbine de sorte à extraire depuis le circuit du fluide caloporteur gazeux à une température comprise entre 70°C et 120°C.
L'installation selon l'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la première branche est disposée par rapport à l'au moins un étage de turbine de sorte à extraire depuis le circuit du fluide caloporteur gazeux à 25 une température comprise entre 80°C et 110°C, préférentiellement entre 80°C et 100°C ; - ladite matière entrante est de la biomasse présentant un taux d'humidité sur brut supérieur à 30% ; - le séchoir est configuré pour que la biomasse présente en sortie du 30 séchoir un taux d'humidité sur brut encore supérieur à 20% ; - le fluide caloporteur du circuit est de la vapeur d'eau ; - le circuit est configuré de sorte à ce que la vapeur d'eau extraite via la première branche présente une pression comprise entre 0,3 bar et 2 bar, préférentiellement entre 0,5 bar et 1 bar ; - le séchoir est un séchoir à air chaud, l'installation comprenant en outre 5 un circuit d'entrée d'air du séchoir à air chaud, et un deuxième échangeur thermique disposé sur le circuit d'entrée d'air, en prise avec ladite première branche ; - l'installation comprend au moins un étage de turbine Haute/Moyenne Pression et au moins un étage de turbine Basse Pression disposés 10 successivement sur le circuit, la première branche prélevant du fluide caloporteur du circuit entre l'étage de turbine Haute/Moyenne Pression et l'étage de turbine Basse Pression ; - l'installation comprend en outre des moyens de valorisation de chaleur alimentés en chaleur par une deuxième branche du circuit de fluide 15 caloporteur disposée en amont de la première branche ; - l'étage de turbine Haute/Moyenne Pression comprend au moins un étage de turbine Haute Pression et au moins un étage de turbine Moyenne Pression disposés successivement sur le circuit, la deuxième branche prélevant du fluide caloporteur du circuit entre l'étage de turbine Haute 20 Pression et l'étage de turbine Moyenne Pression. Selon un deuxième aspect, l'invention propose un procédé pour la combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide dans une installation thermique, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des 25 étapes de (a) Vaporisation sous une pression supérieure à 40 bar d'un fluide caloporteur d'un circuit dans un premier échangeur ; (b) Première détente du fluide caloporteur jusqu'à une température comprise entre 70°C et 120°C dans au moins un étage de turbine 30 Haute/Moyenne Pression ; (c) Extraction de fluide caloporteur au niveau d'une première branche du circuit ; (d) Circulation de ladite matière comportant une fraction d'eau liquide dans un séchoir alimenté par chaleur par la première branche de sorte à diminuer sa fraction d'eau liquide ; (e) Combustion dans un foyer de l'installation de la matière ayant circulé dans le séchoir en vue d'alimenter en chaleur le premier échangeur. L'installation selon l'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - le procédé comprend en outre suite à l'étape (c) une étape de deuxième détente du fluide caloporteur dans au moins un étage de turbine Basse pression - le fluide caloporteur est de la vapeur d'eau, la première détente de l'étape (b) étant mise en oeuvre jusqu'à atteindre une pression inférieure à 2 15 bar, préférentiellement inférieure à 1 bar. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention 20 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 selon l'invention ; - la figure 2a et 2b sont des graphes représentant la puissance électrique et le rendement d'un exemple d'installation en fonction de la pression 25 d'extraction de vapeur ; DESCRIPTION DETAILLEE Architecture générale 30 301 2 5 7 7 8 En référence à la figure 1, 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 5 typiquement dans un silo. 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). Cette matière humide peut également être constituée d'ordures, de boues, etc. 10 Dans la suite de la description, on prendra l'exemple de biomasse présentant un taux d'humidité compris entre 30 et 60%, mais l'homme du métier saura transposer le présent procédé à d'autres matières humides. L'installation est une installation de combustion. Elle comprend ainsi un foyer 12, dans lequel la matière est brulée. De tels foyers sont bien 15 connus de l'homme du métier. Ce foyer 12 est classiquement en échange thermique avec un circuit de fluide caloporteur 13 au niveau d'un premier échangeur 31. Ce dernier 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 20 tient et monte en température puis vaporise le fluide caloporteur. De nombreux fluides caloporteurs à changement d'état sont possibles, tels que l'eau, le siloxane, le toluène, d'autres huiles siliconées dans les cycles dits ORC, etc. Alternativement, le foyer 12 peut transmettre sa chaleur à un premier fluide caloporteur (par exemple des huiles caloporteuses, des sels 25 fondus, etc.), qui est lui-même en échange thermique avec le circuit 13 du fluide à changement d'état. Par « vapeur » on entendra tout fluide caloporteur à l'état gazeux, dans un cycle de Rankine, ou de Hirn. Dans la suite de la présente description, on prendra l'exemple d'une configuration dans laquelle le circuit 13 est un circuit de vapeur d'eau/eau 30 liquide en échange thermique direct avec le foyer 12. Le premier échangeur 31 cumule les rôles de générateur de vapeur et surchauffeur de vapeur, et la vapeur sort du foyer 12 typiquement à une pression d'au moins 40 bar (voire plus de 90 bar) et une température d'au moins 300°C (voire plus de 500°C) Sur le circuit 13 de fluide caloporteur sont disposés au moins un étage de turbine de détente 14a, 14b, 14c (Avantageusement un étage Haute Pression 14a, puis un étage Moyenne Pression 14b, et enfin un étage Basse Pression 14c, comme l'on verra), un condenseur 15, un compresseur de liquide non représenté. Un générateur électrique est entraîné par le ou les étages de turbines 14a, 14b et 14c. Avoir plus d'un étage de turbine de détente est une technique couramment utilisée pour récupérer au mieux l'énergie mécanique de la vapeur : celle-ci est détendue autant de fois qu'il y a d'étages, ceux-ci étant mécaniquement reliés, par exemple par un axe commun. Dans l'installation selon l'invention, la vapeur est détendue une première fois, puis au moins une partie de la vapeur sortant est redétendue, puis au moins une partie de la vapeur sortant est encore redétendue. L'invention n'est pas limitée à trois étages et peut en avoir bien plus. On comprendra en outre que les étages 14a, 14b et 14c ne sont pas forcément des étages d'une même turbine, et peuvent appartenir à deux ou plus turbines distinctes. Il faut en effet se rappeler qu'une « turbine » est un « bloc » sous pression dans lequel la vapeur passe dans des séries d'aubes fixées à ce bloc puis d'aubes fixées au rotor de la turbine qui entrent en rotation par la détente de la vapeur. Un « étage » est un couple aube fixe / aube tournante. Une turbine est à simple étage ou multi étagée. Dans une turbine la vapeur « tournoie » autour de l'axe du rotor, puis sort de la turbine dans une canalisation de transfert.
Le condenseur 15 sert à liquéfier complètement la vapeur afin de pouvoir la comprimer à moindre coût (selon le cycle de Rankine). La chaleur latente de condensation est typiquement rejetée dans l'environnement sans valorisation.
L'installation 1 comprend en outre un séchoir 20, en particulier un séchoir à air chaud 20 (qui est moins cher qu'un séchoir à vapeur surchauffée). Il est avantageusement « atmosphérique », c'est-à-dire qu'il fonctionne sous une pression proche de la pression atmosphérique, et non par exemple sous dépression. Ce séchoir 20 peut être un séchoir unique assurant la totalité du séchage de la matière humide entrante. Comme expliqué avant, un séchoir à air chaud est un séchoir dans 5 lequel un flux de gaz pratiquement exempt d'H20 est dirigé vers la matière à sécher (ou inversement la matière est atomisée dans le flux de gaz). Ce gaz est typiquement soit de l'air atmosphérique dans le cas d'un circuit d'air ouvert (on voit par exemple sur la figure 1 un circuit d'entrée d'air 23), soit un gaz inerte, par exemple de l'air à teneur abaissée en oxygène, de 10 l'azote, de l'argon, etc., dans le cas d'un circuit fermé (en d'autres termes le circuit 23 forme une boucle). Le fait que le gaz en contact avec cette matière soit inerte permet d'éviter tout risque d'incendie ou d'explosion dans cette enceinte. L'installation 1 comprend également un circuit de transport 11 de 15 ladite matière à sécher. Ce circuit 11, qui consiste par exemple en un ou plusieurs tapis, permet de transporter la matière depuis l'éventuel silo de stockage jusqu'à une sortie de matière séchée (en particulier le foyer 12), via le séchoir 20. Ainsi la matière dont le cas échéant la combustion a lieu dans le foyer 12 est sensiblement moins humide que la matière initiale 20 (avantageusement un taux d'humidité sur brut en sortie de 20 à 35 %, comme l'on verra plus loin), 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. 25 Principe de l'invention Il est connu de manière générale que plus la source chaude qui alimente un séchoir est élevée, plus faible est la consommation d'énergie 30 du séchoir, et en plus le temps de séchage est diminué, accroissant ainsi sa productivité. 3 0 1 2 5 7 7 11 Ainsi un séchoir à air chaud consommera de manière typique environ 950 (avec une source de chaleur qui sera de la vapeur 4 bar à 145°C) à 2 000 (eau chaude à 70°C) kWh/Tonne d'eau évaporée alors qu'un séchoir à vapeur surchauffée (alimenté en chaleur à 165°C, vapeur à 7 bar) nécessitera 850 kWh/Tonne, sachant que la chaleur latente de l'eau à 100°C est de 627 kWh/Tonne. Un séchoir alimenté via de l'eau chaude est plus grand qu'un séchoir alimenté via de la vapeur du fait qu'il faut faire circuler plus d'air pour évaporer la même quantité d'eau, et que la cinétique de séchage est plus lente, et il est donc plus onéreux. Un tel séchoir est utilisé par exemple dans des cas où l'on veut éviter d'acheter une chaudière à vapeur, qui reste très chère, ou que l'on dispose d'eau chaude disponible comme par exemple dans les procédés de gazéification.
Par ailleurs, la production électrique d'une turbine à vapeur est maximale lorsque la vapeur va jusqu'au condenseur, en traversant tous les étages où elle va produire de la puissance en se détendant. Donc plus on extrait de la vapeur de la turbine pour l'envoyer vers le séchoir, moins on produira d'électricité et plus mauvais sera le rendement global de l'installation. Le rendement global est défini comme le ratio (électricité produite + énergie vapeur éventuellement fournie à un utilisateur de chaleur) / (énergie en PCI apportée par le combustible humide). En effet : - on parle ici de cycles électriques purs (l'installation ne sert qu'à produire de l'électricité) ou de cogénérations, c'est à dire qu'il y a un utilisateur de chaleur (papeterie, réseau de chaleur, hôpital, etc.) extérieur à l'installation qui va consommer une partie de la vapeur ; - l'énergie utilisée par le séchoir est en quelque sorte « auxiliaire à la cogénération » et n'est donc pas valorisée dans le calcul de rendement.
Typiquement, le rendement d'une telle installation en cogénération est de 68,5 % sans séchage de la biomasse humide, 69,8 % avec un séchage à la vapeur surchauffée et de 69,5 % avec un séchage à air chaud 5 à partir de vapeur 2 bar. Les écarts peuvent sembler faibles, mais les installations sont déjà bien optimisées et il est difficile de gagner des points de rendements. La raréfaction des énergies primaires impose de trouver des solutions innovantes pour gagner toujours un peu plus en efficacité. 10 Il est donc évident pour l'homme du métier qu'il a intérêt à travailler à la température la plus élevée au niveau du séchoir afin de maximaliser le rendement de son installation. Or la demanderesse a constaté par ses études que de façon très surprenante le rendement global d'une installation de cogénération présente 15 un maximum imprévu lorsque le séchage est effectué à très basse température. Les figures 2a et 2b représentent les résultats de simulations obtenus en puissance électrique et efficacité d'une installation qui produirait 20 sans aucun séchage une puissance électrique de référence donnée (soit 100% de la puissance de référence) avec un rendement de 68,5 % à partir de biomasse à 45% d'humidité sur brut. L'abscisse représente dans les deux graphes la pression d'extraction de la turbine 14a, 14b, 14c, avec des ratios d'énergie nécessaire au séchoir 20 pour la vaporisation de 550 25 kWh/Tonne pour une source chaude à 165°C (7 bar), 1 000 kWh/Tonne, pour une source chaude à 120°C (2 bar), 1 100 kWh/Tonne pour une source chaude à 90°C (0,7 bar) et 1 800 kWh/Tonne, pour une source chaude à 80°C (0,5 bar). L'ordonnée du graphe de la figure 2a représente le ratio de la puissance électrique obtenue sur la puissance électrique de 30 référence. On constate ainsi qu'il y a un optimum sur une fourchette étroite de fonctionnement de la cogénération (à des températures et pression anormalement basses pour des séchoirs alimentés via de la vapeur), avec un pic à près de 110 % de la puissance électrique de référence pour un rendement de 70,1%, soit très légèrement au-dessus du rendement de 69,8 % obtenu avec un séchoir à vapeur surchauffée, pourtant l'un des plus onéreux. Il existe en fait deux phénomènes qui s'opposent et mènent à ce résultat paradoxal : - d'une part, plus l'extraction de la vapeur est à une faible pression, plus la vapeur qui sera extraite vers le séchoir se détend dans la turbine et va produire plus d'électricité, - mais d'autre part, le séchoir basse température étant de moins en moins efficace au fur et à mesure que sa température diminue, il demande plus de vapeur, et alors moins de vapeur se détendra dans les derniers étages de la turbine entre l'extraction vers le séchoir et le condenseur, et moins d'électricité sera produite. Il a été constaté qu'autour de 1 bar/100°C (c'est-à-dire des températures jusque-là rencontrées uniquement pour des séchoirs à eau chaude, dans des installations sans chaudière à vapeur et donc sans production électrique), le premier phénomène devient plus important que le second, menant à une inflexion inattendue de la courbe de puissance et d'efficacité. D'autre part, la production marginale de vapeur (production de vapeur supplémentaire par pourcent d'humidité en moins dans la matière humide) d'une chaudière diminue fortement lorsque le séchage de la matière humide descend en dessous de 20 %. Ainsi, une chaudière qui produit 65 T/h de vapeur 90 bar avec 55 MW de biomasse humide (45 % d'humidité sur brut) non séchée entrant dans la chaudière produira 70 T/h de vapeur avec une biomasse séchée à 25 % et seulement 72 T/h avec une biomasse séchée à 15 %. Il apparait donc intéressant pour la chaudière de viser en fin de séchage une humidité de la biomasse dans la fourchette de 20 à 35 %, car ainsi, elle est dimensionnée pour une biomasse sèche, mais restera aisément compatible avec une biomasse humide en cas d'indisponibilité du séchoir, et ce sans surcoût significatif sur la chaudière, Et sécher de la biomasse dans cette fourchette d'humidité reste compatible avec un séchoir à très basse température (i.e., la température de la source chaude qui l'alimente est inférieure à 110°C) car les liaisons entre l'eau et les fibres de biomasse ne sont pas aussi fortes que si on veut sécher en dessous de 20 %, et on peut donc adopter un tel séchoir moins efficace. Cette fourchette large permet aussi de faire fonctionner au maximum un outil de séchage (le séchoir 20) qui ne sera pas trop dimensionné. On entend par cela qu'une biomasse arrivant à 30 % pourra être séchée à 20 % alors qu'une biomasse très humide sera séchée à 35 %, voire 40 % seulement. Le séchoir 20 permet de réduire la fourchette d'amplitude de l'humidité de la biomasse, sans chercher à maintenir une valeur d'humidité constante en sortie de séchoir. Configurer « le niveau de séchage » du séchoir 20 (en particulier de sorte à ce que la biomasse présente en sortie un humidité encore supérieure à 20%) se fait par exemple en choisissant adéquatement la longueur du séchoir 20, le temps de circulation de la matière à l'intérieur, le débit et la vitesse d'air chaud y circulant (pour un séchoir à air chaud), etc. Descendre la température de la source chaude du séchoir sous les 70°C mène en revanche à une perte rapide de rendement car la cinétique d'évaporation se dégrade beaucoup et on finit par arriver à une impossibilité physique de pouvoir sécher de la biomasse à 20 %.
Il est donc paradoxal mais finalement optimal de combiner : l'utilisation d'un séchoir 20 dont la source de chaleur lui est fournie par un fluide caloporteur gazeux à une température inférieure à 120°C, mais restant supérieure à 70°C, avantageusement inférieure à 110°C, mais restant supérieure à 80°C, encore plus avantageusement inférieure à 100°C, voire comprise entre 85°C et 95°C (préférentiellement autour de 90°C), - qui sèche de la matière arrivant humide sur le site (typiquement de la biomasse à une humidité de 30 à 60 % sur brut), jusqu'à un taux d'humidité de 20 à 35 % en sortie de séchoir, - cette matière est brûlée dans le foyer 12 d'une installation 1 de cogénération qui produit de la vapeur haute pression (au moins 50 bars) qui est turbinée pour fournir de l'électricité et (éventuellement) de la chaleur à un utilisateur extérieur (par extraction d'une partie de la vapeur de la turbine, voir plus loin) - une autre partie de vapeur est alors extraite à une température comprise entre 120°C et 70°C (voir ci-dessus pour les niveaux de température et pression préférés) pour alimenter le séchoir 20. Ainsi la chaudière n'est plus soumise à des contraintes 15 opérationnelles fortes, et donc des coûts élevés si le séchoir tombe en panne car elle pourra brûler aisément biomasse « relativement sèche » ou « fortement humide », et l'efficacité et la puissance électriques seront maximales pour la même quantité de biomasse approvisionnée sur le site. Le fonctionnement général de la présente l'installation 1 optimisée 20 est le suivant : - le séchoir 20 sèche la matière entrant humide, en utilisant de la vapeur extraite de la turbine 14a, 14b ,14c ; - le foyer 12 brûle la matière séchée, et produit de la vapeur à haute pression (au moins 40 bar pour de l'eau), 25 - la ou les étages de turbines 14a, 14b, 14c détendent la vapeur en produisant de l'énergie mécanique puis électrique, - une partie de la vapeur est extraite via une deuxième branche 41 pour alimenter en chaleur un utilisateur (cogénération), - une autre partie de vapeur est extraite à basse température via 30 la première branche 21 pour alimenter le séchoir 20, - le reste de la vapeur est détendue à la pression la plus basse possible et la chaleur latente de condensation de la vapeur est envoyée à l'atmosphère, - la vapeur devenue liquide est comprimée, et renvoyée à la chaudière pour faire un autre cycle. Extraction de vapeur En référence toujours à la figure 1, trois étages de turbines 14a, 14b et 14c sont représentées, respectivement à des niveaux de Haute, Moyenne et Basse Pression (typiquement 90 bar en entrée de l'étage Haute Pression (HP) 14a, quelques bar en entrée de l'étage Moyenne Pression (MP) 14b, et moins de 1 bar en entrée de l'étage Basse Pression (BP) 14c). Il y a généralement plusieurs étages de chacune des sortes, avec des détentes progressives à chaque étage. Par détente adiabatique, la température de la vapeur d'eau chute, et l'on est déjà très proche du point de condensation en sortant de l'avant dernier étage de turbine 14b. Le séchoir 20 est alimenté en chaleur par une première branche 21 issue du circuit 13. L'échange thermique entre le séchoir 20 et la branche 21 se fait en particulier via un deuxième échangeur 230 mettant en prise le circuit d'entrée d'air 23 (mentionné précédemment) et la branche 21. Dans ce mode de réalisation il y échange thermique direct entre la vapeur de la branche 21 et l'air chaud du séchoir 20, mais comme il sera mentionné plus loin il peut y avoir un circuit d'eau intermédiaire. Dans le mode de réalisation dans lequel la branche 21 alimente directement en chaleur le séchoir 20, le deuxième échangeur est typiquement un condenseur de la vapeur basse température circulant dans la branche 21. Cette branche 21 est disposée par rapport à l'au moins un étage de 30 turbine 14a, 14b, 14c de sorte à extraire depuis le circuit 13 du fluide caloporteur gazeux (vapeur) à une température comme expliqué comprise entre 70°C et 120°C, voire entre 70°C et 110°C, voire entre 80°C et 110°C, voire entre 80°C et 100°C, voire entre 85°C et 95°C, voire environ 90°C. Le contrôle de la température d'extraction est en particulier obtenu en contrôlant la pression d'extraction. En effet, la pression d'extraction et la température d'extraction sont en général liées (par une fonction qui dépend du fluide caloporteur), car à ces niveaux importants de détente, la vapeur comprend une phase liquide. Dans la mesure où les niveaux de pression dans les différents étages sont connus, la localisation du point d'extraction permet ainsi de contrôler la température de la vapeur dans la branche 21.
La température et la pression dans cette première branche 21 sont fonction de la nature du fluide caloporteur, des niveaux de pression et de température en sortie du premier échangeur 31, et des configurations des étages de turbines 14a, 14b, 14c et de la branche 21 (position du point d'extraction).
Dans le cas préféré où le fluide est la vapeur d'eau, la correspondance entre pression et vapeur est approximativement la suivante : 70°C 0,3 bar 80°C 0,5 bar 90°C 0,7 bar 100°C 1 bar 110°C 1,5 bar 120°C 2 bar Les gammes de pression 0.3 bar - 2 bar, voire 0.5 bar - 1.5 bar, voire 0.5 bar - 1 bar sont ainsi avantageuses. Une pression d'extraction de vapeur d'eau autour de 0,7 bar est donc préférée. L'homme du métier saura déterminer les pressions adéquates pour atteindre les niveaux de température souhaités lorsque le fluide caloporteur n'est pas de l'eau. Au vu des niveaux de température et de pression qui règnent dans 25 ces ensembles de turbines 14a, 14b, 14c, le point d'extraction est typiquement entre les étages MP 14b et les étages BP 14c. Le niveau de pression associé à ce point du circuit 13 est le plus souvent compris entre 0,5 bar et 1,5 bar lorsque le fluide de travail est de la vapeur d'eau. On note que la branche 21 peut comprendre un détendeur pour ajuster à la baisse le niveau de pression le cas échéant. On notera également que transporter de la vapeur en dépression 5 (typiquement sur la gamme entre 0,5 bar/80°C et 1 bar/100°C) mène à des difficultés (taille des tuyaux, risques d'entrées d'air parasite), aussi la branche 21 peut inclure comme expliqué un circuit intermédiaire d'eau chaude sur lequel la vapeur extraite va se condenser juste à la sortie de la turbine 14b. Ce réseau transportera alors la chaleur vers le séchoir 20, le 10 cas échéant le deuxième échangeur 230 peut alors mettre en échange thermique le circuit d'entrée d'air 23 avec ce réseau d'eau chaude. Alternativement, si par exemple l'on se place dans la gamme entre 1 bar/100°C et 1,5 bar/110°C, la vapeur reste en surpression et une condensation directe de la vapeur pour alimenter le séchoir 20 est préférée.
15 Comme l'on voit toujours sur la figure 1, l'installation peut en outre comprendre une seconde branche 41 du circuit 13 disposée en amont de la première branche 21 (c'est-à-dire entre le premier échangeur 31 et la première branche 21), pour l'extraction de vapeur à un plus haut niveau de 20 pression et de température (typiquement quelques bars et plus de 120°C) en vue d'une utilisation par des moyens de valorisation de chaleur 40, qui peuvent être tout utilisateur extérieur de vapeur chaude (par exemple un réseau de chaleur urbain) qui tire parti de la cogénération. Le point d'extraction de la deuxième branche 41 est typiquement entre les étages 25 HP 14a et les étages MP 14b. De manière générale, une extraction de vapeur dans une turbine est soit « réglée », c'est à dire qu'un dispositif équivalent à un détendeur fixe à l'intérieur de la turbine une pression au niveau de l'extraction. C'est important sur les étages MP 14b car souvent un client doit être 30 approvisionné (via la deuxième branche 41) avec de la vapeur à des niveaux de pression/température constants. Malheureusement, ce dispositif induit une perte de charge et une baisse de rendement. Dans les étages basse pression 14c qui nous concernent, on préfère une sortie dite « glissante » : le design initial permet de calculer aux conditions nominales à quel étage il faut extraire la vapeur pour avoir la pression souhaitée. L'absence de dispositif de contrôle de la pression augmente le rendement mais induit que si on s'éloigne des conditions du design, par exemple selon que l'utilisateur de chaleur 40 consomme plus ou moins (et donc extrait plus ou moins de vapeur via la deuxième branche 41), alors la pression de la vapeur extraite va fluctuer (typiquement, un design à 0,7 bar/90°C verra la pression/température varier entre 1 bar/100°C et 0,5 bar/80°C). Il faut donc que l'utilisateur de cette vapeur de caractéristiques non stables (i.e. le séchoir 20) ne soit pas perturbé par ces variations. C'est le cas dans la présente installation 1 car comme expliqué précédemment le séchage ne vise pas une cible d'humidité en sortie de séchoir 20 qui soit constante (par exemple entre 19,9 % et 20,1 %, comme on peut le trouver pour des séchoirs connus). Notre objectif est lié au fonctionnement global de l'ensemble de l'installation et vise à éliminer un maximum d'humidité en visant une fourchette large de 20 à 35 %. Procédé Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé pour la combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide dans une installation thermique 1 telle que décrite précédemment. Ce procédé comprend des étapes de : (a) Vaporisation (et généralement surchauffe) sous une pression supérieure à 40 bar d'un fluide caloporteur (typiquement vapeur d'eau) d'un circuit 13 dans un premier échangeur 31 ; (b) Première détente du fluide caloporteur jusqu'à atteindre une température comprise entre 70°C et 120°C (en d'autres termes détente du fluide caloporteur jusqu'à ce qu'il présente un niveau de pression correspondant à une température comprise entre 70°C et 120°C) dans au moins un étage de turbine Haute/Moyenne pression 14a, 14b (avantageusement comprenant au moins une détente dans une étage HP 14a, puis une détente dans un étage MP 14b) ; (c) Extraction de fluide caloporteur au niveau d'une première branche 21 du circuit 13 ; (d) Circulation de ladite matière comportant une fraction d'eau liquide dans un séchoir 20 alimenté par chaleur par la première branche 21 (via le deuxième échangeur 230) de sorte à diminuer sa fraction d'eau liquide ; (e) Combustion dans un foyer 12 de l'installation 1 de la matière ayant circulé dans le séchoir 20 en vue d'alimenter en chaleur le premier échangeur 31. Comme expliqué, les niveaux de température sont préférentiellement entre 80°C et 100°C, avantageusement autour de 90 °C. Si le fluide caloporteur est de la vapeur d'eau, les niveaux de pression au point d'extraction sont préférentiellement entre 0,3 bar et 2 bar, avantageusement entre 0,5 bar et 1 bar, et si possible autour de 0,7 bar. L'étape (c) peut être suivie d'une étape de deuxième détente du fluide caloporteur dans au moins un étage de turbine Basse pression 14c, et 20 précédé d'une extraction de fluide caloporteur au niveau de la deuxième branche 41 (vers des moyens de valorisation 40). Ce procédé s'inscrit dans un cycle dit « Rankine » pour la production d'électricité : après la deuxième détente, le fluide caloporteur est typiquement condensé, puis compressé avant d'être renvoyé au foyer 12 25 pour remontée en température et vaporisation.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Installation thermique (1) de combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide, l'installation comprenant : - un foyer (12) de combustion, - un circuit (13) de fluide caloporteur à changement d'état alimenté en chaleur par le foyer (12) au niveau d'un premier échangeur (31), - au moins un étage de turbine (14a, 14b, 14c) disposé sur le premier circuit (13), un générateur électrique étant entraîné par l'au moins un étage de turbine (14a, 14b, 14c), - un séchoir (20) alimenté en chaleur par une première branche (21) du circuit (13) de fluide caloporteur, 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 que la première branche (21) est disposée par rapport à l'au moins un étage de turbine (14a, 14b, 14c) de 20 sorte à extraire depuis le circuit (13) du fluide caloporteur gazeux à une température comprise entre 70°C et 120°C.
  2. 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la première branche (21) est disposée par rapport à l'au moins un étage de 25 turbine (14a, 14b, 14c) de sorte à extraire depuis le circuit (13) du fluide caloporteur gazeux à une température comprise entre 80°C et 110°C, préférentiellement entre 80°C et 100°C.
  3. 3. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans 30 laquelle ladite matière entrante est de la biomasse présentant un taux d'humidité sur brut supérieur à 30%.
  4. 4. Installation selon la revendication 3, dans laquelle le séchoir (20) est configuré pour que la biomasse présente en sortie du séchoir (20) un taux d'humidité sur brut encore supérieur à 20%.
  5. 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le fluide caloporteur du circuit (13) est de la vapeur d'eau.
  6. 6. Installation selon la revendication 5, dans laquelle le circuit (13) est configuré de sorte à ce que la vapeur d'eau extraite via la première 10 branche (21) présente une pression comprise entre 0,3 bar et 2 bar, préférentiellement entre 0,5 bar et 1 bar.
  7. 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le séchoir (20) est un séchoir à air chaud, l'installation comprenant 15 en outre un circuit d'entrée d'air (23) du séchoir à air chaud (20), et un deuxième échangeur thermique (230) disposé sur le circuit d'entrée d'air (23), en prise avec ladite première branche (21).
  8. 8. Installation selon l'une des revendications précédentes, 20 comprenant au moins un étage de turbine Haute/Moyenne Pression (13a, 13b) et au moins un étage de turbine Basse Pression (13c) disposés successivement sur le circuit (13), la première branche (21) prélevant du fluide caloporteur du circuit (13) entre l'étage de turbine Haute/Moyenne Pression (13a, 13b) et l'étage de turbine Basse Pression (13c). 25
  9. 9. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens de valorisation de chaleur (40) alimentés en chaleur par une deuxième branche (41) du circuit (13) de fluide caloporteur disposée en amont de la première branche (21). 30
  10. 10. Installation selon les revendications 8 et 9 en combinaison, dans lequel l'étage de turbine Haute/Moyenne Pression (13a, 13b) 301 2 5 7 7 23 comprend au moins un étage de turbine Haute Pression (13a) et au moins un étage de turbine Moyenne Pression (13b) disposés successivement sur le circuit (13), la deuxième branche (41) prélevant du fluide caloporteur du circuit (13) entre l'étage de turbine Haute Pression (13a) et l'étage de 5 turbine Moyenne Pression (13b)
  11. 11. Procédé pour la combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide dans une installation thermique (1), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de (a) Vaporisation d'un fluide caloporteur d'un circuit (13) dans un premier échangeur (31) ; (b) Première détente du fluide caloporteur jusqu'à atteindre une température comprise entre 70°C et 120°C dans au moins un étage de turbine Haute/Moyenne Pression (14a, 14b) ; (c) Extraction de fluide caloporteur au niveau d'une première branche (21) du circuit (13) ; (d) Circulation de ladite matière comportant une fraction d'eau liquide dans un séchoir (20) alimenté par chaleur par la première branche (21) de sorte à diminuer sa fraction d'eau liquide ; (e) Combustion dans un foyer (12) de l'installation (1) de la matière ayant circulé dans le séchoir (20) en vue d'alimenter en chaleur le premier échangeur (31).
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre suite à l'étape (c) une étape de deuxième détente du fluide caloporteur dans au moins un étage de turbine Basse Pression (14c).
  13. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 et 12, dans lequel le fluide caloporteur est de la vapeur d'eau, la première détente l'étape (b) étant mise en oeuvre jusqu'à atteindre une pression inférieure à 2 bar, préférentiellement inférieure à 1 bar.
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