WO2013182604A2 - Installation thermique de combustion de biomasse humide - Google Patents

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WO2013182604A2
WO2013182604A2 PCT/EP2013/061595 EP2013061595W WO2013182604A2 WO 2013182604 A2 WO2013182604 A2 WO 2013182604A2 EP 2013061595 W EP2013061595 W EP 2013061595W WO 2013182604 A2 WO2013182604 A2 WO 2013182604A2
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Olivier Ecalle
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Pyraine
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Definitions

  • the present invention relates to an improved thermal plant for burning wet biomass.
  • biomass includes all organic materials that can become sources of energy. These organic materials that come from plants are a form of storage of solar energy, captured and used by plants through chlorophyll. Used either directly or after chemical transformations such as anaerobic digestion, biomass releases thermal energy by burning.
  • a conventional biomass combustion plant for the production of hot water for industrial use is shown in FIG.
  • the "natural" moisture content of the cut wood is thus 50% on raw, ie one ton of "green” wood contains 500 kilos of water not chemically bound to the wood (rainwater, sap , etc.)
  • This moisture makes a substantial part of the energy released by the combustion of the biomass is consumed in the form of enthalpy of change of state to vaporize this water in the combustion chamber.
  • the PCS - PCI difference therefore represents the vaporization energy of the water initially contained in the fuel and also that produced by the oxidation of the hydrogen molecules of the fuel.
  • a totally anhydrous wood will in any case generate about 5% moisture in the fumes due to the presence of hydrogen atoms in the wood molecules that will combine with the oxygen in the air to form H2O.
  • the conventional method will consist in drying all the biomass, with combustion fumes at 400/500 ° C.
  • This device is satisfactory but requires a significant contribution of natural gas, which is an energy in the process of exhaustion.
  • the invention relates to a thermal combustion plant of material comprising a fraction of liquid water, the installation comprising a combustion chamber, a first coolant circuit supplied with heat by the furnace at a first exchanger, a dryer supplied with heat by a second heat transfer fluid circuit at a second exchanger, said material comprising a fraction of liquid water circulating in the dryer to reduce its liquid water fraction before being introduced into the fireplace, the installation being characterized in that it further comprises at least one fluid circuit to be heated and a circuit for the circulation of steam from the dryer to the at least one steam condenser, each at least one steam condenser being in heat exchange with a fluid circuit to be heated, the fluid temperature of the second circuit at the inlet of the second heat exchanger being greater than 100 ° C., the temperature of said fluid to be heated or at least one of the inlet circuits of the condensation condenser (s) being less than 80 ° C., the dryer being configured so that the vapors have a dew point greater than 80 ° C.
  • the dryer is an atmospheric dryer and the temperature of the fluid of the second circuit at the inlet of the dryer being at least 40 ° C higher than the temperature of said fluid to be heated in the circuit or circuits;
  • a fluid circuit to heat in heat exchange with a steam condenser is a fresh combustion air intake circuit from the atmosphere to the fireplace;
  • a fluid circuit to be heated in heat exchange with a steam condenser is a circuit of a fluid with a change of state, the heat transferred via the steam condenser allowing the evaporation of said state-change fluid so as to power a turbine driving an electric generator;
  • a fluid circuit to be heated is a heat recovery circuit successively in heat exchange with the steam circuit at the steam condenser and then with the first heat transfer fluid circuit at a third heat exchanger;
  • At least one turbine, at least one liquid compressor and at least one cold source are disposed on the first heat transfer fluid circuit, an electric generator being driven by the turbine;
  • the second heat exchanger is a cold source of the first heat transfer fluid circuit, the second heat transfer fluid circuit being a circuit for the circulation of the coolant of the first circuit in gaseous form from at least one turbine;
  • the second heat transfer fluid circuit is a branch of the first heat transfer fluid circuit
  • the first fluid circuit is a fluid circuit to heat in heat exchange with a condenser of the steam circuit disposed downstream of a cold source of the first heat transfer fluid circuit;
  • the second heat transfer fluid circuit is also in heat exchange with the furnace at an auxiliary exchanger arranged so that the combustion fumes from the furnace are in heat exchange with said auxiliary exchanger before the first exchanger;
  • the installation further comprises an auxiliary fireplace physically separated from the fireplace, specifically supplying heat to the second heat transfer fluid circuit;
  • the uncondensed fraction of the steam of the circuit is re-injected into the dryer after having circulated in the at least one condenser, a fourth heat exchanger permitting a heat exchange between the steams before and after having circulated in the at least one condenser;
  • the temperature of the fluid of the second circuit at the inlet of the dryer is between 105 ° C. and 180 ° C., and the temperature of said fluid to be heated in the circuit or circuits is between 20 ° C. and 80 ° C. at the inlet of the condenser or condensers steaming;
  • the material comprising a fraction of liquid water is biomass having a moisture content on crude greater than 30%;
  • the heat transfer fluids of the first circuit and / or the second circuit are chosen from water and so-called ORC (Organic Rankine Cycle) cycle fluids.
  • the invention proposes a process for the combustion of material comprising a fraction of liquid water in a thermal installation, the method being characterized in that it comprises stages of - Heating at a temperature of at least 100 ° C of a fluid of a second heat transfer fluid circuit;
  • FIG. 1 is a diagram of a thermal installation according to the prior art
  • FIG. 2 is a diagram of a first embodiment of a thermal installation according to the invention.
  • FIG. 3 is a diagram of a dryer of a thermal installation according to the invention.
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams of two alternative thermal installations according to the invention.
  • FIG. 6 is a diagram of a second embodiment of a thermal installation according to the invention
  • FIG. 7 is a diagram of a third embodiment of a thermal installation according to the invention.
  • the invention relates to a thermal combustion installation 1 of material comprising a fraction of liquid water.
  • the material comprising a fraction of liquid water is stored in a silo 10.
  • a silo 10 it is advantageously biomass having a moisture content on a gross basis higher than 30%, or even greater than 50% (in particular wood recently cut), or even more than 70% (especially olives).
  • the installation comprises a fireplace 12, in which the material is burned.
  • This hearth 12 is in heat exchange with a first coolant circuit 13 at a first exchanger 31.
  • This first exchanger is typically a boiler, for example tubes, disposed within the fireplace 12 so as to recover the thermal energy of the combustion which is held there and increases in temperature the heat transfer fluid.
  • Many heat transfer fluids are possible for the first circuit 13, such as water, siloxane, toluene, heat transfer oils, molten salts, etc. The choice of fluid depends on the desired use of heat in the installation 1. Various embodiments will be described later in this description.
  • the installation 1 further comprises a dryer 20 supplied with heat by a second heat transfer fluid circuit 21 at a second exchanger 210.
  • the second circuit 21 may be the same as the first circuit 13 , or on the contrary be a circuit completely independent, or even be the flue gas discharge circuit (between the fireplace 12 and the chimney 1 1, the exchangers 31 and 210 possibly being combined) in direct exchange with the dryer 20.
  • the wet material from a possible silo 10 passes through the dryer 20 to reduce its liquid water fraction before being introduced into the fireplace 12 (in particular via the means 121 which will be described later).
  • the material whose combustion takes place in the hearth 12 is substantially less humid than the initial material (advantageously a moisture content on the output side of the dryer of 10 to 20%), which means that little energy is consumed. at the fireplace to evaporate water.
  • the combustion fumes thus contain little water vapor, and it is not necessary to provide an expensive system for recovering the latent heat of the fumes.
  • the installation according to the invention thus proposes an innovative solution for valuing the latent heat contained in the steam from the dryer 20.
  • the means 121 are advantageously configured to isolate the dried material from the atmosphere between the dryer 20 and the furnace 12.
  • the material is directly injected into the furnace 12 after drying.
  • the dryer 20 thus plays the role of "antechamber" of the hearth 12 since the wet matter is never again in contact with the atmosphere once it has been loaded into the dryer 20.
  • the dryer 20 serves as a buffer for temporary storage of fuel and can replace the silo 10, resulting in a facilitated logistics and a reduced construction cost.
  • the dryer 20 serves as a buffer for temporary storage of fuel and can replace the silo 10, resulting in a facilitated logistics and a reduced construction cost.
  • the dryer 20 serves as a buffer for temporary storage of fuel and can replace the silo 10, resulting in a facilitated logistics and a reduced construction cost.
  • the dryer 20 serves as a buffer for temporary storage of fuel and can replace the silo 10, resulting in a facilitated logistics and a reduced construction cost.
  • the dryer 20 serves as a buffer for temporary storage of fuel and can replace the silo 10, resulting in a facilitated logistics and a reduced construction cost.
  • the dryer 20 serves as a buffer for temporary storage of fuel and can replace the silo 10, resulting in a facilitated logistics and a reduced construction cost.
  • the dryer 20 serves as a buffer for temporary storage of fuel and can replace the silo 10, resulting in a
  • patent application FR2954814 proposes a two-stage solution of dryers, but this time the fumes at the outlet of the first stage are condensed to heat the fumes coming from the second stage, before reinjection of these into the second stage. (This is the opposite of patent GB2036787). Thus, it is avoided to increase the moisture content of the material to be dried, but the energy balance is not better insofar as the latent heat of the second stage is ultimately lost.
  • the installation 1 proposes to heat with the steam not the material to be dried (or part of the steam), but a fluid circuit (four types of fluid circuits to be heated 120, 40, 41 , 13 may be chosen alone or in combination according to embodiments that will be explained) through a circuit 22 for the circulation of steam from the dryer 20 to at least one steam condenser 23a, 23b, 23c, 23d, each at least a steam condenser 23a, 23b, 23c, 23d being in heat exchange with a fluid circuit to be heated 120, 40, 41, 13 (these four possible steam condensers respectively correspond to the four types of fluid circuit to be heated which will be described ).
  • fluid circuit to be heated means a circuit outside the dryer 20, in other words a circuit carrying a fluid which is physically separated from the interior of the dryer 20, and which naturally is not the second coolant circuit 21.
  • the recovery of the latent heat is carried out by causing condensation of the vapors in the steam condenser (s) 23a, 23b, 23c, 23d.
  • the dew point that is to say the temperature at which the partial pressure of water vapor is equal to its saturation vapor pressure, and thus the temperature below which the condensation of the water starts
  • fumes exiting the dryer 20 is greater than the temperature of the fluid to be heated circuit 120, 40, 41, 13.
  • the Applicant has indeed found that by using such an atmospheric dryer, the vapors exit naturally with an absolute pressure of water vapor of between 0.5 bar and 1 bar (in this case, the vapors are composed of steam of 'pure water). This interval causes a dew point of the steams between 80 ° C and 100 ° C. A dew point greater than 100 ° C implies a pressurized dryer. It will be noted that this dew point is independent of the amount of water present in the material to be dried. It is in fact constrained by the geometry of the dryer, the level of pressure that prevails, and the output rate of the steam (possibly via fans 26, see below). For example, if circuit 22 were to be blocked, the rate of water vapor began to rise, and the dew point with.
  • the dew point remains constant according to the time.
  • the dew point is fixed at the design stage.
  • the installation can advantageously comprise data processing means (possibly coupled to temperature / humidity sensors arranged in the enclosure of the dryer 20) configured to regulate the dew point as a function of flow. In all cases, those skilled in the art will be able to adapt the dryer 20 so that the vapors have the dew point of their choice.
  • a temperature of 100 ° C of the fluid of the second circuit 21 at the inlet of the second heat exchanger 210 is sufficient to cause the formation of steam, and these can heat any fluid having a temperature up to 80 ° C, temperature high enough to be easily upgraded. Indeed, a lower dew point would allow the condensation of steam on a very cold source, and would not have economic interest.
  • the invention is not limited to atmospheric dryers, and that in general it is sufficient that the temperature of the fluid of the second circuit 21 at the inlet of the second exchanger 210 is greater than 100 ° C (in particular greater than the dew point of the steams), that the temperature of said fluid to be heated of the circuits 120, 40, 41, 13 at the inlet of the or steam condensers 23a, 23b, 23c, 23d is less than 80 ° C, and the dryer 20 is configured so that the steam has a dew point greater than 80 ° C and preferably less than or equal to 100 ° C. This combination of temperatures offers very good energy performance, as will be shown later.
  • the fluid temperature of the second circuit 21 at the inlet of the second exchanger 210 is lower than the dew point of the steam (for example if the second circuit 21 is a hot water circuit at 105 ° C while the dryer 20 is a drier under pressure).
  • the steam is then saturated with water vapor and the moisture of the wood stops evaporating. This is why it is always advantageously provided that the dew point of the steams is lower than the temperature of the fluid of the second circuit 21 at the inlet of the second exchanger 210.
  • the installation comprises data processing means (coupled to temperature probes) configured to regulate the fluid temperature in the circuit 21, by example depending on the flow of fluid in various exchangers.
  • the temperature sensors measure the fluid temperature to be heated of the circuit or circuits 120, 40, 41, 13, data processing means being configured to impose on the circuit 21 a temperature of at least 40 ° C higher than the measured temperature.
  • Second preferred embodiment self-condensing boiler
  • a conventional boiler produces water at a temperature of 80 ° C. and whose boiler return water is at 60 ° C. preventing any normal condensation in the fumes (since the fumes condense only in contact with a wall at a temperature below the dew point, which here is a temperature of 60 ° C (molar concentration of 20% of water in the fumes )).
  • the same boiler (the exchanger 31) is this time supplied so as to carry a heat-transfer fluid (see the examples cited above) at high temperature, in particular hot water (which is the heat transfer fluid of the first circuit 13) at a temperature of at least 105 ° C.
  • the boiler 31 can produce superheated water up to 150 ° C, boosted to 6 bar (at this pressure, the water requires 160 ° C to vaporize), but alternatively a temperature of only 105 ° C presents the advantage of requiring almost no overpressure, and also not to cause the classification in the category of "boilers under pressure" (which starts at 1 10 ° C), resulting in additional regulatory constraints.
  • the second heat transfer fluid circuit 21 is a branch of the first heat transfer fluid circuit 13, or the smoke evacuation circuit in direct contact with the dryer 20.
  • the water at 105 ° (or more) thus directly supplies the second exchanger 210 of the air dryer 20 disposed between the storage silo 10 and the furnace 12 of the boiler 31.
  • the hot water that was used to dry the wet material is then returned to the boiler 31 to be temperature rise.
  • furnace 12 advantageously supplies two water circuits which draw their heat from the same combustion, as can be seen in FIG. 4:
  • a first boiler "high temperature” (typically 150 ° C as mentioned above) corresponding to an auxiliary heat exchanger 33 in the fireplace 12 which exclusively feeds the second circuit 21 and thence the dryer 20,
  • a possible heat exchanger (not shown) between the two water circuits allows in all circumstances to evacuate the excess heat of the second circuit 21 (where the installation 1 received very dry wood or the dryer 20 is temporarily unavailable), and avoid overheating.
  • the installation 1 comprises two physically separated foci, as can be seen in FIG. 5:
  • auxiliary hearth 18 which produces only superheated water at 150 ° C. (for example, 20% of the maximum power required for the circuit 41) for the second circuit 21,
  • each furnace is advantageously supplied with material exiting the dryer (the duct 121 distributes it).
  • the first circuit 13 is in heat exchange via a third heat exchanger 32 with a heat recovery circuit 41 (for example for an industrial use, a building or for a heat network).
  • a heat recovery circuit 41 for example for an industrial use, a building or for a heat network.
  • This is most often a water circuit. It may quite be the same water circuit as the circuit 13 (as in Figures 1, 4 and 5, in this case, the exchanger 32 is either a simple mixer or is simply absent) but it is preferable for conditions of contamination of water with impurities and different pressures between the two networks, to partition them.
  • the circuit 41 is here the fluid circuit to be heated.
  • the mist condenser 23c located upstream of the third exchanger 32, preheats this fluid with the latent heat of the steam, to reduce the heat input required at the third exchanger 32.
  • the dryer 20 consumes only one fraction (10 to 20% depending on the moisture content of the material to be dried) energy from the focus 12, and thus allows to provide by the condenser 23c 10 to 20% of the energy required for the network 41 of heat recovery.
  • the temperature of the water entering the condenser 23c is 60 ° C (there is then a differential of 45 ° C sufficient for a good yield), i.e. the return temperature of the water to the boiler 31.
  • FIG. 3 A particularly advantageous dryer 20 for this embodiment is shown in FIG. 3.
  • This dryer 20 has substantially a cone shape oriented downwards.
  • the wet material especially wood
  • the pipe 121 is equipped for example with a worm 122.
  • stainless steel as materials for the dryer 20 and the various equipment that complements it, because tannins are released by the heating of wood and carried away by the fumes, although much less aggressive than the products found in the combustion fumes .
  • the conduit 121 be configured to isolate the dried material from the atmosphere between the dryer 20 and the fireplace 12.
  • the wet material is dried at 90 ° C in the dryer 20 and the relative humidity of the mists near the outlet 201 is 90%, that is, its dew point temperature is about 86 ° C, at a temperature of absolute pressure of 700 mbar.
  • the vapor circuit 22 is a closed circuit.
  • one or more fans 26 ensure the re-circulation of steam.
  • a first fan 26 sends the "dry" vapors (that is to say after condensation) to be heated up to about 100 ° C on the second exchanger 210. Note that it is in this preferred embodiment not not inside the dryer 20, but just before the entrance 202.
  • the first fan can be slaved to the pressure in the dryer so as to avoid any cold air entry or uncontrolled exit of wet mist.
  • a controlled flow of the very humid air is extracted from the dryer (possibly via a second fan) and condenses on the condenser 23c exchanger placed on the water circuit 41 at 60 ° C (or 80 °) in case of superheated steam).
  • a manifold 24 separates the condensed liquid water (which will be removed) from the residual mist.
  • a condensate treatment device recovered under the condenser 23c may be provided. The heat of the condensates (several tens of degrees) can be further valorized then.
  • FIG 3 is shown a fourth heat exchanger 25 which transfers heat from the hot steams and very humid out of the dryer 20 and the same fumes drier and less hot after exchange with the condenser 23c.
  • This exchanger 25 is intended to transfer sensible heat between the two gas flows: this allows to preheat the air that arrives at the second exchanger 210 to reduce energy consumption at the second circuit 21.
  • This exchanger 25 is all the more useful as the temperature in the dryer 20 is low, and therefore it is necessary to stir a large volume of air to be in the range 80 ° C-100 ° C for the dew point temperature. fogging.
  • the use of the steam condenser 23c allows to reintroduce a dry air to the dryer, without the need for extra cold air outside. It can therefore operate in "closed circuit", without introducing fresh air, by adjusting the pressure in the dryer 20.
  • the phenomenon that regulates the internal pressure is as follows: the evaporation of water creates a release of molecules In the dryer, of course, the pressure rises and the vapors are evacuated to the outside by balancing the internal pressure and the external (atmospheric) pressure.
  • the condenser (s) 23a, 23b, 23c, 23d then make it possible to recover the heat of vaporization of the water which has been evaporated, with a very low power consumption (a few motors and the fan or fans 26 brewing in the dryer), while the technologies known to those skilled in the art do not allow it.
  • circuit 22 of steam is not limited to a "loop” operation.
  • a "one-way" structure as visible in Figure 4 is also possible and will be discussed later.
  • dryers can be used and the one presented is not limiting. Note that the invention is as previously explained not limited to atmospheric dryers.
  • PCI 72 units
  • the 50% wet biomass is injected into the dryer 20 before the furnace 12. It is assumed that first and second circuits 13, 21 are heated in the same furnace 12, the second circuit 21 being a 130 heat-transfer oil circuit. ° C. In the dryer 20, an energy of 8 units supplied by the circuit 21 is used by means of the second exchanger 210. The steam thus enters the dryer 20 at 202 at a temperature of 125 ° C.
  • Part of the steam is extracted by means of the fan 26 of the circuit 22 upstream of the condenser 23c at a temperature of 81 ° C. with a dew point of 75 ° C. They will be able to condense by giving up their latent heat and provide an energy of 8 to the circuit 41 whose water reaches 60 ° C.
  • the fumes therefore leave the condenser 23c at a temperature of 60 ° C plus a few degrees, or about 63 ° C.
  • the exchanger 25 between the incoming and outgoing steam of the condenser 23c transfers heat between the two flows and allows the steam entering the dryer 20 to rise to the temperature of 80 ° C, which avoids oversizing the second heat exchanger 210.
  • the biomass leaving the dryer 20 and introduced into the furnace 12 then always has 90 PCS units, but virtually 72 + 8 PCI units (the 8 coming from the evaporation of the liquid water: by definition, the PCI energy is calculated by subtraction of the PCS from the energy necessary to keep the water in the form of steam in the fumes, and because of the drying, the latter energy to be supplied has decreased)
  • a heat transfer fluid is used to change state (in the first circuit 13), in particular water or a fluid called ORC (Organic Rankine Cycle) such as siloxane or toluene, that is to say say an organic fluid boiling much lower than water, to produce electrical energy according to the classic Rankine cycle.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • a cogeneration plant has for example in the classic case an electrical efficiency of 10%, and a "heat" efficiency of 70%, an overall efficiency of 80%, measured on the PCI of the incoming fuel, with fumes exiting at 200%. ° C, and a biomass entering at 50% moisture on crude.
  • the first exchanger 31 vaporizes the high pressure fluid (alternatively, the first exchanger 31 heats an intermediate heat transfer fluid such as an oil which itself transfers its heat to the first circuit 13, see in this respect the patent application FR1 161333) the first circuit 13 sends it to relax in one or more turbines 14a, 14b driving an electric generator.
  • an intermediate heat transfer fluid such as an oil which itself transfers its heat to the first circuit 13, see in this respect the patent application FR1 161333
  • the fluid in the vapor phase is condensed on one or more condensers 16a, 16b, 16c (in order to avoid any confusion with the condenser or condensers 23a, 23b, 23c, 23d of the vapor circuit 22, the condenser or condensers of the first circuit 13 necessary to respect the Rankine cycle will be called "cold sources" 16a, 16b, 16c in the remainder of the present description, but it will be understood that they achieve the condensation of the vapors leaving the turbine (or more generally of a motor in the broad sense) in the liquid state by dissipating - or enhancing - their latent heat).
  • At least one liquid compressor 15 also disposed on the circuit 13 (at the outlet of the cold source or sources 16a, 16b, 16c) allows the pressure rise of the condensates.
  • These compressors 15 are optionally mechanically connected to one or more turbines 14a, 14b.
  • the cold source (s) 16a, 16b, 16c correspond to different means, which can be used alone or combined with each other as can be seen in FIG. 6, in order to evacuate the condensation heat of the vapor fluid.
  • the heat of condensation is enhanced. It is then a device such as the third heat exchanger 32, which transfers as previously explained the heat in excess of the fluid of the first circuit 13 (here the latent heat of the expanded steam) to a heat recovery circuit 41,
  • This type of cold source 16a is at the origin of the cogeneration. It should be noted that the recovery of this heat can occur in the plant itself, in which the steam is transported.
  • the exchanger 32 is then physically there (the circuit 41 corresponding to the medium heated by this exchanger), and condensates are returned from the factory to the boiler 31.
  • the heat of condensation is dissipated. It may indeed be interesting to reach a lower liquid fluid temperature with a recovery circuit. This low temperature corresponds to a low condensing pressure of the steam and maximizes the production of electricity. It is then a device such as a heat exchanger with the medium (the atmosphere, a river, the ocean etc.).
  • the heat of condensation is used to supply the dryer 20. It is then the second exchanger 210 of the second circuit 21, which is a circuit for the circulation of the coolant of the first circuit 13 in gaseous form from at least one turbine 14a.
  • the working fluid thus undergoes a first expansion and then a portion of this fluid is extracted from the intermediate pressure turbine 14a (for example at 8 bar / 170 ° C.) towards the second circuit 21 to transmit its heat to the dryer 20.
  • This heat is transmitted either directly by causing this vapor to condense at the cold source 16c (the second exchanger 210), or by using an intermediate fluid (typically superpressed liquid water) between the turbine 14a and the dryer 20, in order to avoid having to carry steam under pressure over long distances.
  • the direct use of the intermediate pressure fluid as a fluid of the second circuit 21 is interesting because it allows to quickly heat the material to be dried in the dryer (reduction of the investment required) and to obtain fog at 100 ° C "pure" water vapor coming out of the dryer.
  • the remainder of the working fluid continues its expansion in the medium pressure turbine 14b up to the pressure level where it can condense on the water of the recovery circuit 41 to heat for example from 60 to 80 ° C via the cold source 16a.
  • this "low pressure" steam is sent directly to a plant for use there.
  • a portion of the working fluid will continue to relax to the lowest possible level (there may be more than two turbines 14a, 14b), and will condense on the cold source 16b rejecting as explained its heat to the outside, without valuing it.
  • the steam from the dryer 20 via the steam circuit 22 can be upgraded in four ways on four different circuits in the case of a cogeneration. As can be seen in Figure 6, these ways are not exclusive to each other, and it will be understood that all combinations are possible. The choice will depend in particular on the initial humidity of the biomass and therefore the amount of latent heat that can be recovered in the steam. It will be noted that several condensers 23a, 23b, 23c, 23d may be located on parallel branches of the vapor circuit 22 (as shown in FIG. 6), but also in series (as can be seen in FIG. 7 which will be discussed further).
  • the first way has already been explained for the previous embodiment: it is to heat the fluid of the heat recovery circuit 41 via the condenser 23c.
  • the fumes from the dryer 20 at a temperature of about 100 ° C can be upgraded by producing electricity.
  • a machine Thermodynamics that operates between 100 ° C and ambient (25 ° C) can convert about 7 to 9% of the energy transited into electricity.
  • the fluid circuit to be heated is then a circuit 40 of a fluid with a change of state via the condenser 23b.
  • the working fluid may be the same as that of the main circuit 13 (which simplifies the operation) or be different in a specific machine more suited to these temperature levels. For example, in the case of a large installation 1, one can have a first circuit 13 superheated steam and a circuit 40 fluid ORC.
  • the electrical efficiency becomes 1 1% approximately (10% gain compared to the reference) and the overall efficiency will be 82%.
  • the fog of the vapor circuit 22 can be used to preheat the combustion air that is sent into the firebox.
  • the fluid circuit to be heated is the circuit 120 for fresh combustion air intake (which draws atmospheric air) via the exchanger 23a.
  • the formed liquid is raised in pressure by a compressor 15, then must be reheated before being introduced into the boiler.
  • the heat energy of the dryer 20 can be used to heat the liquid fluid at the outlet of the heat sink 16b for dissipation.
  • the fluid circuit to be heated is then the main circuit 13 and the condenser 23d of the vapor circuit 22 is disposed downstream of the cold source 16b (in particular just after a compressor 15).
  • the installation 1 also allows a gain in electrical production by preheating between 20 and 100 ° C the material to be burned with steam that has already been turbined.
  • circuit 22 shown in Figure 6 is "one-way" without reintroduction of air .
  • This one-way circuit 22 has the advantage of being structurally simple and to make that the fumes are quickly constituted only water vapor (the initial air, whose volume is finished, is quickly driven by the steam). In the absence of control of the dryer through the circuit 22, these vapors would escape into the ambient air through the inputs / outputs of material or would quickly put the dryer in dangerous overpressure.
  • the installation therefore comprises a heat sink 16b heat sink
  • the fluid of the first circuit 13 high temperature steam, high pressure, typically 500 ° C, 90 bar
  • the return water to the boiler 31 leaving at 20 ° C makes possible the use of a water condenser in the flue gases at the outlet of the boiler 31 since the steam of the fumes will condense in contact with a wall at a temperature below the dew point which is here a temperature of 60 ° C (molar concentration of 20% of water in the fumes).
  • a smoke condenser of wood boilers is an expensive device as indicated above,
  • the second circuit 21 receives the steam from the outlet of the high pressure turbine 14a at a pressure of 8 bar.
  • the dryer 20 is preferably of the "superheated steam” type, that is to say that the atmosphere inside is as explained composed of pure water vapor at a temperature above 100 ° C. and at the pressure atmospheric.
  • the dryer 20 is fed by the second heat exchanger 210 (which is a cold source 16c of the first circuit 13). An energy of 8 units is provided.
  • the steam (composed of pure water vapor) reaches a temperature of 160 ° C. at the outlet of the exchanger 210, and leaves the dryer 20 at a temperature slightly above 100 ° C.
  • the fumes are condensed in the condenser 23d by giving up their latent heat to provide an energy of 8 to the first circuit 13 whose water reaches 20 ° C, and leaves at 100 ° C.
  • the fumes come out of the condenser 23d in the form of liquid condensates, almost pure water, which can be recovered or eliminated. There is no gas return to the dryer 20.
  • the condensers 23a, 23b, 23c, 23d are very important because the "simple" drying of the wood at the inlet of the hearth 12 with steam that would have been previously turbined does not on its own provide an energy saving Student.
  • the boiler 31 would then provide additional steam heat to produce the 8 heat units required for the dryer and 1 additional unit of electricity by passing the 8 units in the high pressure turbine 14a.
  • FIG. 7 represents a cogeneration plant 1 with a very humid material (for example olive pomace, that is to say the pasty residue after extraction of the oil from the olive tree fruit) which reaches 60 to 70% moisture, which makes direct burning impossible.
  • a very humid material for example olive pomace, that is to say the pasty residue after extraction of the oil from the olive tree fruit
  • the pomace is as in the other embodiments dried in the dryer 20 and then introduced into the furnace 12. Their combustion produces high temperature steam, high pressure which is turbined to 8 bar (170 ° C). The thus relaxed steam serves to supply, as in the second embodiment, the dryer 20, and a condensate degassing tank (in a conventional manner).
  • the mist exiting the dryer 20 serves to vaporize a portion of the water of the first circuit 13 which has condensed in the dryer 20 and which starts in the first circuit 13 (it is in the case of a condenser 23d downstream of a cold source 16c which corresponds here to the second exchanger 210), after expansion of this liquid water to a pressure corresponding to a boiling temperature slightly lower than the steam outlet temperature.
  • VOCs Volatile Organic Compounds
  • the water which has been vaporized by misting is preferably raised in temperature (by superheated steam leaving the turbine 14a) in order to be effectively turbined in an auxiliary turbine 14b.
  • An interesting - but not limiting - way is to use a steam ejector 17 from the steam extracted from the turbine 14a and temperature remote from its condensation temperature. This ejector 17 makes it possible to obtain a superheated vapor (that is to say at a temperature well above its evaporation temperature) at a pressure and temperature between those of the steam and that of the driving steam of the ejector 17. Steam can then be effectively turbined to ambient pressure and provide electrical energy.
  • vapors which may still be partially gaseous at the outlet of the condenser 23d, are again condensed in the condenser 23a in heat exchange with the fresh combustion air intake circuit 120.
  • the invention relates to a device for improving the performance of a thermal combustion installation 1 of material comprising a fraction of liquid water.
  • This device makes it possible to modify an existing installation in order to obtain the increases of efficiency previously highlighted, without significant structural change of this installation.
  • the device comprises, as explained, a dryer 20 for reducing the fraction of liquid water of said material before it is introduced into the hearth 12, a second heat transfer fluid circuit 21 supplying the dryer 12 with heat at a second exchanger 210 (the device advantageously comprises an auxiliary focus to supply the secondary circuit without modifying the first circuit 13), at least one fluid circuit to be heated 120, 40, 41, 13 and a circuit 22 for the circulation of steam from the dryer 20 to at least a steam condenser 23a, 23b, 23c, 23d, each at least one steam condenser 23a, 23b, 23c, 23d being in heat exchange with a fluid circuit to be heated 120, 40, 41, 13, the temperature of the fluid of the second circuit 21 at the inlet of the second exchanger 210 being greater than 100 ° C., the temperature of the said fluid to be heated in the circuit or circuits 120, 40, 41, 13 at the inlet of the steam condenser (s) 23a, 23b, 23c, 23d being lower than 80 ° C, the dryer
  • this device for improving the performance of an installation may include an auxiliary fireplace 18 (see FIG. 5) which makes it possible to supply heat to the second circuit 21 without any necessary modification of the installation. existing.
  • An additional adaptation of the fireplace 12 also involves performing a recycling of fumes after the boiler 31 to reinject a portion of these fumes into the fireplace 12.
  • This device - "dilution" fumes fairly conventional - aims to avoid getting too high temperatures in the home from the combustion of a product now dry and therefore very energetic, which leads in particular the formation of NOx.
  • the invention further relates to a method for the combustion of material comprising a fraction of liquid water in a thermal installation 1 as described above.
  • This process is distinguished by the particular drying of the wet material so as to recover and enhance the latent heat associated with it.
  • this method comprises steps of:

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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 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

Installation thermique de combustion de biomasse humide
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne une installation thermique améliorée de combustion de biomasse humide.
ETAT DE L'ART Le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matières 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 brûlant. 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 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.
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 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 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.
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 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.
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'œuvre juste coupé et brûlent dans des chaudières les sous-produits encore humides du sciage. Les foyers des installations de combustion classiques sont donc le 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 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 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 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.
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
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 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 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 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 entraînant 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 ;
• 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 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 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 ;
• 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 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 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 Cycle).
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 étapes de - Chauffage à une température d'au moins 100°C d'un fluide d'un deuxième circuit de fluide caloporteur ;
- Circulation de ladite matière comportant une fraction d'eau liquide dans un séchoir en échange thermique avec le deuxième circuit de fluide caloporteur au niveau d'un deuxième échangeur de sorte à diminuer sa fraction d'eau liquide et produire des buées présentant un point de rosée compris entre 80°C et 100°C ;
- Extraction des buées du séchoir via un circuit pour la circulation de buées ;
- Condensation des buées dans au moins un condenseur de buées en échange thermique avec un circuit de fluide à chauffer, le fluide du circuit de fluide à chauffer présentant en entrée du condenseur de buées une température inférieure à 80°C ;
- Combustion dans un foyer de l'installation de la matière ayant circulé dans le séchoir en vue de chauffer un fluide d'un premier circuit de fluide caloporteur au niveau d'un premier échangeur.
PRESENTATION DES FIGURES 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 ;
- 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 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.
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 brûlée. 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, voire être le circuit d'évacuation des fumées (entre le foyer 12 et la cheminée 1 1 , les échangeurs 31 et 210 étant éventuellement confondus) en échange direct avec le séchoir 20.
La matière humide provenant d'un éventuel silo 10 transite dans le séchoir 20 pour diminuer sa fraction d'eau liquide avant d'être introduite dans le foyer 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 coûteux 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 brûlé 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.
De façon préférée, les moyens 121 sont avantageusement configurés pour isoler la matière séchée de l'atmosphère entre le séchoir 20 et le foyer 12. En d'autres termes, la matière est directement injectée dans le foyer 12 après séchage. Le séchoir 20 joue ainsi le rôle « d'antichambre » du foyer 12 puisque la matière humide n'est plus jamais en contact avec l'atmosphère une fois qu'elle a été chargée dans le séchoir 20. Cela a de nombreux avantages :
- le séchoir 20 sert de zone tampon pour le stockage temporaire de combustible et peut remplacer le silo 10, d'où une logistique facilitée et un coût de construction diminué. De plus, le séchoir
20 en tant que prolongement du foyer 12 est sous la responsabilité du fabricant de la chaudière, d'où une situation plus claire en termes de gestion de l'installation 1 ;
- les risques d'incendies sont fortement diminués, puisque seule la matière humide (avant séchage) peu inflammable est exposée à l'atmosphère (et aux éventuels risques associés : mégots, etc.). La matière sèche, beaucoup plus réactive, est quant à elle consommée au plus tard quelques heures après production et n'est jamais exposée à l'air.
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.
De façon similaire, la demande de brevet FR2954814 propose une solution à deux étages de séchoirs, mais cette fois les buées en sortie du premier étage sont condensées pour réchauffer les buées issues du deuxième étage, avant réinjection de celles-ci dans le deuxième étage (c'est l'inverse du brevet GB2036787). Ainsi, on évite d'augmenter l'humidité de la matière à sécher, mais le bilan énergétique n'est pas meilleur dans la mesure où la chaleur latente du deuxième étage est ultimement perdue.
Ces approches n'ont 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 (ou une partie des buées), 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 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 quatre types de circuit de fluide à chauffer qui seront décrits).
On comprendra que par « circuit de fluide à chauffer », on entend un circuit extérieur au séchoir 20, en d'autres termes un circuit transportant un fluide qui est séparé physiquement de l'intérieur du séchoir 20, et qui naturellement n'est pas le deuxième circuit de fluide caloporteur 21 .
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 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 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 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. On notera que ce point de rosée est indépendant de la quantité d'eau présente dans la matière à sécher. Il est en effet contraint par la géométrie du séchoir, le niveau de pression qui y règne, et le débit de sortie des buées (éventuellement via des ventilateurs 26, voir plus loin). Par exemple, si l'on venait à bloquer le circuit 22, le taux de vapeur d'eau se met à monter, et le point de rosée avec.
Dans une configuration, où la circulation des buées dans le circuit 22 est libre le point de rosée reste constant selon le temps. Le point de rosée est donc fixé dès la conception. Alternativement, dans une configuration où le débit de buées est contrôlé via un ventilateur 26, l'installation peut avantageusement comprendre des moyens de traitement de données (éventuellement couplés à des capteurs de température/hygrométrie disposés dans l'enceinte du séchoir 20) configurés pour réguler le point de rosée en fonction du débit. Dans tous les cas l'homme du métier saura adapter le séchoir 20 de sorte à ce les buées présentent le point de rosée de son choix.
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. En effet, un point de rosée plus bas ne permettrait la condensation des buées que sur une source très froide, et n'aurait pas d'intérêt économique.
On comprendra que l'invention n'est pas limitée aux séchoirs atmosphériques, et que de façon générale il suffit que la température du 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 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 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 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 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 1 10°C à 1 ,5 bar). Une telle température garantit le séchage effectif de la matière humide.
De façon générale, on comprendra que plus le point de rosée est haut, plus on pourra valoriser l'énergie des buées à niveau élevé de température (et donc plus cette valorisation sera rentable), mais plus il faudra fournir un niveau élevé de température au deuxième circuit 21 . Les travaux de la Demanderesse ont montré que l'intervalle 80°C-100°C était optimal sur tous les plans.
De façon similaire à ce qui a été proposé pour le point de rosée, il est intéressant que l'installation comprenne des moyens de traitement de données (couplés à des sondes de températures) configurés pour réguler la température de fluide dans le circuit 21 , par exemple en fonction du débit de fluide dans divers échangeurs. Dans un mode de réalisation particulièrement performant, les capteurs de température mesurent la température fluide à chauffer du ou des circuits 120, 40, 41 , 13, des moyens de traitement de données étant configuré pour imposer au circuit 21 une température d'au moins 40°C supérieure à la température mesurée.
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 1 10°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, ou le circuit d'évacuation des fumées en contact direct avec le séchoir 20. 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 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 21 et 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 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 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 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 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.
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 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), 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 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. Comme expliqué précédemment, il est souhaitable que la conduite 121 soit configurée pour isoler la matière séchée de l'atmosphère entre le séchoir 20 et le foyer 12.
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 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 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 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.
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 éliminée) du résiduel de buées. Un dispositif de traitement des condensais récupérés sous le condenseur 23c peut être prévu. La chaleur des condensais (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 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 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.
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 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 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.
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 condensais 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 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
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 brûle directement la biomasse humide, la chaudière a typiquement un 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. 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 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 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 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 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 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 FR1 161333), 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 condensais. 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 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 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 condensais 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 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 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 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.
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.
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 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 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 1 1 % environ (gain de 10 % par 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 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.
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 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, 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 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 séchoir 20) plutôt qu'à 150-200°C à la cheminée 1 1 (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.
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.
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 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 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 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
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, - 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 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 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
- 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 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 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 condensais liquides, d'eau quasiment pure, qui peut être récupérée ou éliminée. Il n'y a pas de renvoi gazeux vers le séchoir 20.
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.
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 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 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.
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 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 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, 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 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.
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 % 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 condensais (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 préférentiel lement 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 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 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 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 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 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 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 compris supérieur à 80°C, et avantageusement supérieur ou égal à 100°C.
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. Procédé
Selon un troisième aspect, l'invention concerne en outre un procédé pour la combustion de matière comportant une fraction d'eau liquide dans une installation thermique 1 telle que décrite précédemment.
Ce procédé se distingue par le séchage particulier de la matière humide de sorte à récupérer et valoriser au mieux la chaleur latente associée. Ainsi, ce procédé comprend des étapes de :
- Chauffage à une température d'au moins 100°C d'un fluide du deuxième circuit 21 de fluide caloporteur ;
- Circulation de ladite matière comportant une fraction d'eau liquide dans le séchoir 20 en échange thermique avec le deuxième circuit 21 de fluide caloporteur au niveau du deuxième échangeur 210 de sorte à diminuer sa fraction d'eau liquide et produire des buées présentant un point de rosée compris entre 80°C et 100°C ;
- Extraction des buées du séchoir 20 via le circuit 22 pour la circulation de buées ;
- Condensation des buées dans au moins un condenseur de buées 23a, 23b, 23c, 23d en échange thermique avec le circuit de fluide à chauffer 120, 40, 41 , 13, le fluide du circuit de fluide à chauffer 120, 40, 41 , 13 présentant en entrée du condenseur de buées 23a, 23b, 23c, 23d une température inférieure à 80°C ;
- Combustion dans un foyer 12 de l'installation 1 de la matière ayant circulé dans le séchoir 20 en vue de chauffer le fluide du premier circuit 13 de fluide caloporteur au niveau du premier échangeur 31 . Une partie de cette énergie de combustion récupérée via le circuit 13 peut être fournie au deuxième circuit 21 pour le fonctionnement du séchoir 20 (même si comme expliqué avant des modes de réalisation alternatifs sont possibles).

Claims

REVENDICATIONS
1. 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. Installation selon la revendication 1 , dans laquelle le séchoir (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. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans 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. 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) entraînant un générateur électrique.
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. 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. 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. 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. 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 buées disposé en aval d'une source froide (16b) du premier circuit (13) de fluide caloporteur.
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. 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. 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. 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. 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. 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. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant une conduite (121 ) pour le transfert de matière séchée depuis le séchoir (20) vers le foyer (12), la conduite (121 ) étant configurée pour isoler la matière séchée de l'atmosphère entre le séchoir (20) et le foyer (12).
17. 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
- Chauffage à une température d'au moins 100°C d'un fluide d'un deuxième circuit (21 ) de fluide caloporteur ;
- Circulation de ladite matière comportant une fraction d'eau liquide dans un séchoir (20) en échange thermique avec le deuxième circuit (21 ) de fluide caloporteur au niveau d'un deuxième échangeur (210) de sorte à diminuer sa fraction d'eau liquide et produire des buées présentant un point de rosée compris entre 80°C et 100°C ;
- Extraction des buées du séchoir (20) via un circuit (22) pour la circulation de buées ;
- Condensation des buées dans au moins un condenseur de buées (23a, 23b, 23c, 23d) en échange thermique avec un circuit de fluide à chauffer (120, 40, 41 , 13), le fluide du circuit de fluide à chauffer (120, 40, 41 , 13) présentant en entrée du condenseur de buées (23a, 23b, 23c, 23d) une température inférieure à 80°C ;
- Combustion dans un foyer (12) de l'installation (1 ) de la matière ayant circulé dans le séchoir (20) en vue de chauffer un fluide d'un premier circuit (13) de fluide caloporteur au niveau d'un premier échangeur (31 ).
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