WO2018211191A1 - Procede et dispositif de determination de l'humidite d'une matiere organique et des performances d'une chaudiere pour matiere organique - Google Patents

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fumes
oxygen
boiler
organic material
measurement
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Inventor
Christophe Pascual
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Cylergie
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/22—Fuels; Explosives
    • G01N33/222—Solid fuels, e.g. coal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/56—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the humidity of an organic material used as fuel and the performance of a boiler for organic material, as well as the device implementing said method.
  • the present invention finds, for example, applications in the field of industrial biomass boilers producing hot water or steam, which are supplied with fuel continuously by an automatic device and which have a regulating device, which enables also automatically adapt their instantaneous power to the need for heat or steam.
  • references in brackets ([]) refer to the list of references at the end of the text.
  • biomass fuels have very variable qualities in terms of nature, origin, particle size, density, moisture content and / or composition, and ultimately calorific value.
  • the simple value of smoke moisture which is an intermediate value generated by the calculation process, is a parameter that is increasingly used.
  • the administration begins to impose its measurement on sites equipped with continuous measurements of particles. These measurements are carried out on the chimney on damp fumes, but the regulation expresses the VLE (Values Limits of Emission) on dry fumes.
  • VLE Values Limits of Emission
  • To make the correction it is therefore necessary to have a measurement of the moisture content of the fumes.
  • hot water boilers suffer from corrosion problems induced by the desire to optimize their energy performance (as much as possible reducing the flue gas temperature to limit losses, but at the risk of causing their condensation in the heat exchangers ).
  • the measurement of the humidity of the fumes and their temperature makes it possible to calculate their temperature of condensation, thus to envisage a risk of condensation (if the temperature of the fumes is too close to the temperature of dew).
  • An infrared source emits on 1 to 2 wavelengths, the beam reflection on the surface of the wood samples makes it possible to measure their humidity.
  • this method is non-destructive and can be installed on a conveyor belt for an acceptable cost, it can only be used if a fuel of constant quality is available and for which the device has been specifically calibrated as it there is no universal calibration; This is prohibitive for supplies of varying quality.
  • a more recent ECRIN method patented by the company Cylergie (Patent FR 3020139) [1] is based on a cabinet that calculates the humidity of the fumes from oxygen measurements on the wet and dry fumes and on a calculation tool which from this information and others recovered from the boiler provides the moisture of the wood and the efficiency of the boiler.
  • this method is very dependent on the quality of the oxygen sensors in wet and dry smoke, but these probes drift slightly and are difficult to calibrate. The method is therefore difficult to implement.
  • the quality of biomass fumes means that these probes, although inexpensive, are not very accurate, drift quickly and are quickly deteriorated so that they must be changed very often (sometimes every month).
  • the dew point hygrometer (for example of the Gruter & Marchand brand). It is an extractive device that passes fumes on a cooled mirror that detects the onset of condensation. The equipment therefore actually measures a dew point. By calculation, we then go back to the humidity of the fumes. Although the price / quality ratio is quite good, the use of this equipment on the fumes is not satisfactory. Indeed it has not been developed for fumes that potentially contain particles that will disrupt the device and condensable gases that will disrupt the measurement with the mirror.
  • the solution provided by the inventors of the present invention has made it possible to (i) develop specific equipment for measuring the humidity of the fumes from the measurement of oxygen on dry and wet; this solution offers a compromise between accuracy and price sufficient to deploy the method, (ii) discover alternative solutions for measuring humidity in fumes that were not previously used in chimneys and which can also provide the necessary data energy calculations, and (iii) test the quality of the ultrasonic flowmeters on the fumes, develop and validate the calculation algorithm to obtain the values of the wood moisture, the instantaneous power of the biomass boiler, its instantaneous and average efficiency, without having to measure the fuel entering the boiler.
  • the inventors have developed an oxygen analysis array on wet and dry fumes, which allows to lift an important lock for the implementation of the solution for any type of supply sites ( cost of metrology), as well as a methodology for calculating and aggregating the various measurements and their corrections, in order to determine the characteristics of the fuel (humidity and ICP) and the boiler performance.
  • the measuring chamber consists of the following main organs assembled in this order: sampling: line for sampling flue gas in the boiler chimney; ⁇ 2h: Oxygen measurement probe on humid fumes; refrigeration / condenser unit: flue gas dryer by condensation of water by cooling; O2s: probe for measuring oxygen on dry smoke; pump: chimney suction pump. If the theoretical calculation which makes it possible to find the humidity of the fumes from the oxygen values is simple:
  • the inventors have carried out measurements on the same gas and given the short residence time of the fumes in the bay, almost instantaneously.
  • they have incorporated into the calculations several essential corrections (in particular air humidity, condenser temperature, parasitic air inputs, pressure of the O2 probes, etc.).
  • they defined a procedure for calibrating the assembly, which allows the user to maintain a good quality of measurement while avoiding the drifts inherent in the O2 probes and without the need to use standard gas cylinders.
  • the subject of the present invention is therefore a method for determining the performance of a boiler for an organic material comprising a flue gas duct for evacuating combustion fumes from the organic material in the boiler, said method comprising the following steps:
  • step b) determining the moisture content of the organic material used as fuel from the measurements of step a);
  • step b determining the lower heating value (LHV) of the organic material used as fuel from the measurement of step b); d) the determination of the volumetric flow rate of the flue gases taken from the flue gas duct;
  • step e determining the mass flow rate of organic material used as fuel from the measurement of step d), step a), and the oxygen content on dry flue gases;
  • said method further comprising the following measurement corrections:
  • the sampling of fumes and the determination of the moisture content of the organic material can be carried out continuously.
  • the sampling in the fumes makes it possible to know the moisture content of these fumes, directly or indirectly.
  • the humidity of the fumes comes mainly from the vaporized water during the combustion of the organic matter, and secondly from the humidity in the combustion air and the formation of water during the combustion (eg in case of DeNOx treatment). From this moisture content in the fumes, it is therefore possible to go back to the moisture content of the organic matter.
  • the rate of oxygen is varied so that it can be determined by calculation. With imposed drying, and by the determination of the oxygen level, it is then possible to calculate the moisture content. Furthermore, by analyzing the same sample, it avoids fluctuations that could be with separate samples, further minimizing the gas travel time and therefore the risk of temporal phase shift between the analyzes.
  • step c) by making a hypothesis on the nature of the organic matter (eg considering that it is wood), it is possible to give an estimate by considering a calorific value of dry matter, and by decreasing this calorific value by the latent heat of vaporization of the water which corresponds to the estimate of the moisture of said organic matter.
  • a mass or volume flow of the fumes and an oxygen content in the fumes are measured and, in combination with the estimated heating value, a mass flow of organic matter and a power output are deduced therefrom. by the organic matter.
  • the flue gas flow is related to the combustion air flow rate and the fumigant volume of the organic matter.
  • the oxygen content makes it possible to evaluate an excess of air admitted as an oxidizer. We deduce the volume of fumes generated and therefore the flow of material that is burned.
  • step g) a power of loss by the fumes is deduced from the measurement of flow and a measurement of the temperature of the fumes.
  • the thermal losses of the boiler are also estimated and a power delivered by the boiler is deduced by deducting the powers of loss from the power supplied by the organic material.
  • step h) from one of these evaluations of the power of the boiler and the power provided by the organic material, an instantaneous efficiency of the boiler is deduced. This information is particularly interesting for checking that the boiler is working properly.
  • the fuel flow can be adjusted in real time according to at least one of the following parameters: instantaneous efficiency of the boiler, power of the boiler, power provided by the organic material.
  • the boiler operation can be adjusted optimally and automatically, in particular the quality aspect of the fumes.
  • the organic material may be wood.
  • Both probes are placed under substantially the same pressure conditions, as well as the condenser.
  • Oxygen is measured with zirconium probes, giving a signal proportional to the density of oxygen. Now if we have 10% oxygen in a gas at 800 mbar we will have a lower oxygen density than in a 10% gas but at 1000 mbar (see the problem of oxygenation in high mountains). It is therefore necessary to make a correction to correct the measurement error of the probes when they work at a pressure different from the atmospheric pressure. This is essential because the two oxygen measurements are quite close to one another and the calculation formulas use a ratio of these values. Also the slightest measurement error influences the results very significantly.
  • the cold trap or condenser does not allow to completely dry the fumes during operation at a temperature below or equal to 5 ° C. They leave the condenser at the temperature of the condenser and being saturated with water.
  • the residual humidity in the flue gases at their outlet can generate in subsequent calculations a difference of 1.5 to 2 points in the moisture content of the organic matter. If this residual moisture can not be suppressed in continuous use of the bay, on the other hand, it is easy to calculate it by making the ratio of the saturation pressure of the water to the condenser temperature (an empirical formula has been deduced thermodynamic tables) on the pressure in the condenser. Thus correction formulas have been incorporated into the calculations to take this into account.
  • the ambient air comprises between 0.8 and 2% moisture, which must be deduced from the humidity of the fumes to obtain water from the wood. It is therefore necessary to measure this humidity.
  • the usual equipment used climatic engineering
  • O2 probes must be properly calibrated and all stray air inlets between the two probes must be removed. Also a very particular attention was brought to the assembly of the cold trap or condenser which is in depression (the pump of aspiration of the fumes being downstream), and comprises 3 connections (entry and exit of the fumes and exit of the condensates) at the level from which parasitic air entries may appear. Indeed a small air inlet at 20% oxygen (even less than 1%) will have a great influence on the dry oxygen measured downstream and can be increased. It is therefore necessary to evaluate the possible leak rate by a calibration method with an oxygen-free standard gas (if oxygen is measured on the O2s probe, it means that we have had an ambient air inlet. by a leak). It is then necessary to correct the O2s measurements of this external oxygen supply.
  • the bay includes several sources of heat: the two O2 probes whose sensitive cell operates at about 550 ° C and which are confined in a hot box at 250 ° C, the heat removal device cold traps or condensers, the pump.
  • the two O2 probes whose sensitive cell operates at about 550 ° C and which are confined in a hot box at 250 ° C
  • the heat removal device cold traps or condensers, the pump.
  • T> 50 ° C a temperature control system has been put in place to maintain the temperature in the room.
  • bay at less than 40 ° C which consists of a cooling by renewal of the air, for example by the triggering of an exhaust fan above 40 to 50 ° C.
  • said method further comprises a calibration of the two oxygen probes. Indeed the oxygen contents are used to calculate the humidity of the fumes by the formula:
  • the calibration of the two oxygen probes is performed with a standard gas introduced into the measuring circuit.
  • the standard gas concentration must be corrected when the two oxygen probes are calibrated at a pressure different from the atmospheric pressure.
  • the standard gas must be introduced at the level of the chimney into the flue gas sampling probe, and not through the nozzle at the head of the cabinet uniting the various components of the analysis array O2; this could generate a cold point (because the line is completely in a hot zone) on which could condense water that could then be entrained and disrupt the measurements of the ⁇ 2h probe.
  • This calibration is the most lapped but can be cumbersome to implement on a bay where the gas line and the condenser must be perfectly dry before calibration so that the standard gas is not randomly diluted with condensed water in the chamber. condenser or in the sampling line while this water will re-vaporize afterwards. It therefore requires a preparation of at least one hour during which the cabinet is swept with ambient air that dries the circuit. Also this operation is only feasible a few times a year and by meticulous staff. In order to make this calibration step simpler and to increase the frequency, it is possible to implement a variant of the array which consists of a circuit completed by the addition of a 4-way valve, a valve 3 a "valve" rotameter and a supply for the standard gas (FIG.
  • This variant has the very great advantage of supplying the standard gas directly into the box grouping the various organs of the O2 analysis array and not at the top of the sampling probe. So there is a lot less dilution risks of the standard gas and the pressure in the cabinet is almost equal to the atmospheric pressure, which limits the impact of the pressure correction.
  • the calibration of oxygen probes is carried out by weighing the condensates produced by the flue gas condenser, and by measuring in parallel the flow of dry fumes once passed into the cold trap or condenser.
  • This measurement can be performed using a flow meter, for example a rotameter, or using a volumetric gas meter. In both cases the measured values must be corrected in temperature and pressure.
  • This original method is based on the fact that the condensate flow rate is directly proportional to the humidity extracted from the fumes.
  • This variant is reliable, but also requires a calibration time of several hours to weight the random flow of drops of water falling from the condenser, but during its implementation the measurements continue to be made, and its implementation is much simpler for operators.
  • the present invention also relates to a device for determining the performance of a boiler for organic material comprising a flue gas duct for discharging combustion fumes of the organic material into the boiler, said device being characterized in that it comprises , assembled in series in this order:
  • a pressure sensor placed at the O2s probe; a probe for measuring the temperature and the relative humidity of the combustion air;
  • a condensate extraction system of the condenser for example by a peristaltic pump.
  • the sampling of fumes made at a single point of the flue gas limits the constraints of implantation of the device of the invention.
  • the smoke suction pump was placed downstream of the second oxygen sensor. Because of this location at the end of the line, the two probes thus have a working pressure closer to the identical.
  • Both oxygen probes frame the cold trap or condenser, and the 3 bodies operate at the same pressure.
  • the O2 probes are in series with precision operation and have simplified the gas circuits and the refrigeration unit (or condenser). This has led to a very simple fluid circuit, so little subject to the problems of entry type of spurious air, cold spots in the areas to remain hot, etc.
  • the probe for measuring the temperature and humidity of the air has been integrated into the device for calculating the humidity of the fumes and the humidity of the wood.
  • the pressure sensor continuously measures the pressure at the oxygen probes for possible correction.
  • zirconium oxide probes used that they measure a density of oxygen they translate into volume concentration. But for the same volume concentration of oxygen, we will not have the same density at 2 different pressures.
  • the continuous measurement of the pressure which evolves in the sampling line according to its fouling, makes it possible to overcome this inaccuracy. This correction is particularly essential at the time of the calibration of the probes.
  • said device further comprises a system for calibrating oxygen probes.
  • said oxygen probe calibration system comprises a measurement circuit completed by a 4-way valve, a 3-way valve, a valve rotameter and a supply for the standard gas.
  • FIG. 1 represents a diagram of means of sampling
  • FIG. 2 shows a variant of the O2 analysis array.
  • FIG. 3 shows the diagram of a boiler comprising a device according to the invention.
  • FIG. 5 represents a version of the analysis array device according to the invention.
  • a boiler for organic matter also known as biomass, conventionally comprises a combustion chamber (1), conveying means (2) for feeding the organic material into the combustion chamber (1), blowing means (3). ) to inject combustion air into the combustion chamber (1) and a flue (4) to evacuate the combustion fumes ( Figure 3).
  • the organic material is brought gradually or in batches by the conveying means (2) into the combustion chamber (1).
  • the combustion of this material is carried out using combustion air supplied by the blowing means (3).
  • the fumes generated are extracted via the flue (4) via a possible treatment system (not shown), in order to reduce the pollutant level.
  • a system for determining the humidity in the organic material comprises means for sampling (5) fumes in the flue (4), and calculating means (6) able to determine a rate of Moisture of the organic matter as a function of the smoke moisture content deduced from measurements in the collected fumes.
  • the sampling means (5) of the fumes are arranged at a single point of the duct, preferably close to the boiler.
  • the flue gases taken pass through a first oxygen sensor ( ⁇ 2h) to make a first oxygen level measurement (B), by a dryer (cold group or condenser), by a second oxygen sensor. (O2s) to perform a second measurement of oxygen level (A2), then by a pump placed downstream of the second oxygen sensor (O2s).
  • the dryer is for example a condenser bringing the fumes to a temperature between 0 and 5 ° C.
  • the condensed water is separated and evacuated.
  • the measurements are represented by step (1 1) of FIG. 4.
  • the device of the invention also comprises means for measuring (not shown) the humidity of the combustion air, for example disposed near the blowing means (3).
  • the calculation means (6) receive the first and second oxygen level measurements (B, A2). They also receive a measurement of the flue gas temperature and a flow measurement of said fumes. They also receive the measurement of the humidity of the combustion air coming from the means for measuring the humidity of the combustion air. This measurement makes it possible to take into account the water supplied by the combustion air and thus to make a more precise calculation of the fuel moisture.
  • the flue gas flow measurement is carried out for example by an ultrasonic probe placed in the flue (4) (not shown).
  • the calculation means (6) perform the calculations below to go back to the instantaneous efficiency of a boiler, considering for example that the organic material is wood.
  • the calculations are made by following the steps of Figure 4 presented below chronologically:
  • the second measurement of oxygen level (A2) can be used directly as the moisture content of the dry flue gas (A), or correct it as a function of the cooling temperature of the dryer, considering a saturated gas in humidity at this temperature and at the pressure of the dryer, the pressure being measured or taken at a flat rate.
  • the value 4.77 corresponds to the number of moles of air per one mole of oxygen, that is to say by adding 3.77 moles of dinitrogen.
  • a humidity level of Hf fumes by the following relation:
  • the humidity of the wood Hb is determined during the step 14 of FIG. 4. In fact, it is believed that the amount of water in the flue gas comes in part from the moisture originally contained in the moist wood.
  • the moisture of the wood is defined by the formula:
  • the humidity of the wood Hb can be calculated by the formulas:
  • V m is the molar volume under normal conditions of temperature and pressure, and is 0.0224 Nm 3 / mol.
  • the moisture content of the fumes coming from the combustion of hydrogen constituting the organic matter must be taken into account in the calculation of the humidity of the latter.
  • the calculations also take into account the humidity of the combustion air, either by direct measurements of humidity and temperature at the inlet of the blowing means (3), or by meteorological data. From the moisture of the wood, it is deduced in step 15 of Figure 4, the lower calorific value of wet wood (PCI) ®. This data is essential to appreciate the quality of a supply.
  • step 16 of FIG. 4 Using the measurement of the volume flow rate of fumes, as shown in step 16 of FIG. 4, relative to the wet smoke power and to the excess air (e), we deduce a mass flow rate of wet wood to step 17 of Figure 4 ⁇ . By multiplying it by the PCI determined in step 15, the heating power contributed by the fuel is deduced in step 18 of FIG. 4 ⁇ .
  • the power supplied by the boiler can be evaluated for example by measuring a heat transfer fluid flow, a temperature of the fluid at the boiler inlet and a temperature at the outlet ⁇ . By dividing this power by the power provided by the fuel, an instantaneous efficiency of the boiler is deduced in step 19 of FIG. 4 ®.
  • Table 1 below lists the main data that are used in the process of the invention and must be measured continuously.
  • Table 2 gives an exhaustive list of secondary information and how it is taken into account. These data can:
  • This table does not include the corrections of the essential measurements in the process of the invention, which are carried out directly in the O2 analysis array (pressure for example), and which were previously detailed in the description part of the invention. .
  • the power provided by the organic matter is evaluated by adding the measured power of the boiler, that lost by the flue gases, that by thermal losses of the boiler and deducing that provided by the combustion air:
  • the power lost in the smoke is evaluated from the measured flow rate of the fumes, their temperature and a heat capacity of the fumes estimated from the theoretical capacities of each of the components of the fumes and the composition of the fumes.
  • the composition of the fumes is calculated from their excess air and the composition of the wood. It could also be measured by a gas analyzer for carbon dioxide, in addition to the moisture measurement, and possibly for nitrogen.
  • the contributions by the combustion air are also evaluated from the heat capacity of the air and the temperature thereof and its flow rate calculated from the flue gas flow rate.
  • the radiation losses of the boiler are not measured but taken at a fixed value.
  • the power supplied by the combustion air, that lost by the fumes and the thermal losses are evaluated in the same way as previously.
  • the power provided by the organic matter is estimated from the measurement of the flue gas flow rate and the evaluation of the heating value from the moisture, as explained above.
  • the present invention makes it possible to implement a method of regulating the operation of a boiler for organic matter by determining its performance, which essentially relies on a specific assembly of the elements of the device of the invention, the choice of measuring instruments. in order not to amplify the calculation errors that start from the characteristics of the fumes to arrive at the performances of the boiler, and especially the setting up of corrections necessary to obtain reliable and precise measurements as well as a protocol of calibration of the probes of measurement of oxygen is direct (injection of standard gas) or indirect (calculation of the condensate flow).
  • Example 1 Example of an analysis array device of 0 2 according to the invention
  • FIG. 5 represents a version of the O2 analysis array device according to the invention in which one can see: the high temperature controlled enclosure in which the two O2 probes (1) are located, the electronic control units of the probes O2 (2), the flue gas dryer (3) and its condensation flask (4), the peristaltic condensate drain pump (5), connected under the condensation flask, the pressure sensor and its electronic card ( 6) which measures the flue gas pressure at the condenser, the flue gas pump (7), the rotameter (rear side) (8) at the outlet of the flue gas pump, a relative humidity and temperature sensor. the ambient air (9), the electronic card (10) which manages the cabinet and makes the calculations of humidity of the fumes and the biomass fuel.
  • the oxygen sensors on wet and dry fumes are for example of the OXYBOX AIR type of the company SETNAG.
  • the fume dryer is for example of the ECP1000 type of the company

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de détermination des performances d'une chaudière pour matière organique, ainsi que le dispositif mettant en œuvre ledit procédé.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION DE L'HUMIDITE D'UNE MATIERE ORGANIQUE ET DES PERFORMANCES D'UNE CHAUDIERE POUR
MATIERE ORGANIQUE DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de détermination de l'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible et des performances d'une chaudière pour matière organique, ainsi que le dispositif mettant en œuvre ledit procédé.
La présente invention trouve par exemple des applications dans le domaine des chaudières biomasse industrielles produisant de l'eau chaude ou de la vapeur, qui sont alimentées en combustible en continu par un dispositif automatique et qui disposent d'un dispositif de régulation, qui permet d'adapter également automatiquement leur puissance instantanée au besoin de chaleur ou de vapeur.
Dans la description ci-dessous, les références entre crochets ([ ]) renvoient à la liste des références présentée à la fin du texte.
Etat de la technique
Actuellement, il n'est pas aisé de connaître en instantané le rendement d'une chaudière brûlant de la matière organique telle que du bois sous forme fragmentée.
En effet les combustibles biomasse ont des qualités très variables en termes de nature, d'origine, de granulométrie, de densité, de taux d'humidité et/ou de composition, et au final de pouvoir calorifique.
Actuellement, il n'est pas possible de mesurer en continu, en direct et à un coût qui soit compatible avec leur valeur marchande la composition de ces combustibles (notamment leur humidité), et leur débit en entrée de chaudière. Or ces deux informations permettent de calculer la puissance instantanée apportée par le combustible. La connaissance en continu de l'humidité du combustible permettrait d'adapter automatiquement les réglages de la chaudière (les recettes) donc de gagner en précision et en efficacité énergétique. Elle permettrait aussi de calculer en continu le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) du combustible et de fiabiliser les opérations de paiement des livraisons qui se basent actuellement sur les tonnages livrés pondérés par l'humidité mesurée sur un prélèvement sur chaque chargement. Elle permettrait enfin d'améliorer grandement les calculs de rendement d'exploitation (notamment sur les centrales de cogénération qui doivent contractuellement obtenir des rendements minimums).
La connaissance du rendement instantané doit pour sa part permettre à l'exploitant de mieux piloter une chaufferie pour privilégier au fil de la saison les générateurs qui ont la meilleure performance, et d'alerter d'une dégradation anormale de leurs performances.
Au fil du temps, il est apparu que la simple valeur de l'humidité des fumées, qui est une valeur intermédiaire générée par le processus de calcul, constitue un paramètre de plus en plus utilisé. Par exemple, l'administration commence à imposer sa mesure sur les sites équipés de mesures en continu de particules. Ces mesures sont réalisées à la cheminée sur des fumées humides, mais la réglementation exprime les VLE (Valeurs Limites d'Emission) sur fumées sèches. Pour faire la correction, il faut donc disposer d'une mesure du taux d'humidité des fumées. Par exemple, les chaudières à eau chaude sont victimes de problèmes de corrosion induit par la volonté d'optimisation de leur performance énergétique (abaissement le plus possible de la température des fumées pour limiter les pertes, mais au risque de provoquer leur condensation dans les échangeurs). La mesure de l'humidité des fumées et de leur température permet de calculer leur température de condensation, donc de prévoir un risque de condensation (si la température des fumées est trop proche de la température de rosée).
A ce jour, en commercialisation, il n'existe pas de solution complète répondant au besoin du marché décrit ci-dessus. Des sociétés proposent par contre des éléments de réponse, mais qui sont soit partiels soit à des prix incompatibles avec les moyens financiers des entreprises, ou encore qui ne sont pas adaptés à certains contextes (e.g. combustible trop variable pour des mesures directes, fumées trop agressives, etc .). L'humidité de la biomasse est le paramètre le plus impactant sur son PCI. Le taux de cendres est également important mais sa valeur fluctue généralement dans une faible plage (0,5 à 3%) de sorte qu'on peut s'affranchir de sa mesure. Sur les chaufferies la mesure du PCI se fait donc par la mesure de l'humidité. Pour ce faire, un dispositif a été développé et commercialisé par la société Bestwood (Suède) qui est constitué d'un spectromètre laser connecté à une fibre optique qui peut être montée sur une sonde à piquer au bout d'un bras automatique ; ce qui permet alors de mesurer l'humidité du contenu des camions de livraison avant déchargement, ou montée au-dessus d'une bande transporteuse pour ainsi évaluer l'humidité de la biomasse en cours de convoyage, par exemple en entrée de chaudière. Bien qu'il s'agisse de la seule méthode non destructive de mesure précise de l'humidité de la biomasse, son prix d'achat et d'entretien sur plusieurs années est beaucoup trop élevé. Plusieurs sociétés commercialisent des dispositifs optiques utilisant le proche infrarouge pour mesurer l'humidité de la biomasse en entrée de chaudière, comme par exemple le dispositif NTIR commercialisé par Berthold ou Edit. Une source infrarouge émet sur 1 à 2 longueurs d'ondes, la réflexion de faisceau sur la surface des échantillons de bois permet de mesurer leur humidité. Bien que cette méthode soit non destructive et puisse être installée sur une bande transporteuse pour un coût acceptable, elle n'est utilisable que si l'on dispose d'un combustible de qualité constante et pour lequel l'appareil aura été spécifiquement étalonné car il n'existe pas d'étalonnage universel ; ce qui est rédhibitoire pour des approvisionnements de qualité variable. Une méthode plus récente ECRIN brevetée par la société Cylergie (Brevet FR 3020139) [1 ] s'appuie sur un coffret qui calcule l'humidité des fumées à partir de mesures d'oxygène sur les fumées humides et sèches et sur un outil de calcul qui à partir de ces informations et d'autres récupérées sur la chaufferie fournit l'humidité du bois et le rendement de la chaudière. Toutefois cette méthode dépend beaucoup de la qualité des sondes de mesure de l'oxygène des fumées humides et sèches, or ces sondes dérivent légèrement et sont difficiles à étalonner. La méthode est donc délicate à mettre en œuvre.
De nombreux autres matériels sont commercialisés pour réaliser la mesure en continu de l'humidité des fumées mais aucun n'est adapté à notre contexte technico-économique : à savoir que les sites sur lesquels cette mesure est nécessaire, ne sont pas prêts à consacrer des budgets supérieurs à 10 k€ pour une telle solution (sinon sa rentabilité est trop aléatoire) et que les matériels doivent être robustes et ne pas nécessiter d'intervention fréquente pour le calibrage, le nettoyage, etc.... On peut noter par exemple les sondes capacitives (par exemple de la marque Vaisala). Il s'agit de sondes de type micro-électronique de petite taille (0,1 cm2 environ), développées pour réaliser des mesures dans l'air ambiant et qui peuvent également être utilisées sur des fumées. Les mesures sont in situ (dans les conduits de fumées). Mais la qualité des fumées de biomasse fait que ces sondes, bien que peu coûteuses, sont peu précises, dérivent rapidement et sont rapidement détériorées si bien qu'il faut les changer très souvent (tous les mois parfois). On peut noter également l'hygromètre à point de rosée (par exemple de la marque Gruter & Marchand). Il s'agit d'un dispositif extractif qui fait passer les fumées sur un miroir refroidi qui détecte le début de condensation. Le matériel mesure donc en réalité un point de rosée. Par le calcul, on remonte ensuite à l'humidité des fumées. Bien que le rapport qualité/prix soit assez bon, l'utilisation de ce matériel sur les fumées n'est pas satisfaisante. En effet il n'a pas été développé pour des fumées qui contiennent potentiellement des particules qui vont perturber l'appareil et des gaz condensables qui vont perturber la mesure avec le miroir. On peut encore noter la technologie OFCEAS. Il s'agit d'une autre méthode extractive commercialisée par la société AP2E depuis 2012 (matériel de la gamme PROCEAS) qui fournit des valeurs fiables et précises mais pour un budget bien plus élevé que la précédente. Bien que cette méthode soit précise et bien adaptée aux fumées de biomasse, le matériel est trop onéreux pour être intégré dans une chaîne de mesure de l'humidité de la biomasse et des performances d'une chaudière. On peut noter enfin la technologie de LASER in- situ (par exemple de la société ABB). Cette technologie de laser in situ (en cheminée) mesure l'humidité par un faisceau laser qui traverse le flux de fumées dans la cheminée. Bien que la mesure soit très précise et représentative et très bien adaptée aux fumées de biomasse, ce matériel est également bien trop onéreux pour être intégré dans une chaîne de mesure de l'humidité de la biomasse et des performances d'une chaudière. Enfin des méthodes utilisent la mesure du rendement instantané par les fumées de combustion. Ces solutions classiquement utilisées pour calculer les rendements instantanés des combustions de gaz ou de fiouls. Elles donnent des résultats d'autant plus précis que les caractéristiques du combustible sont bien définies (méthode de Siegert). Pour ces combustibles fossiles, si l'on connaît la température de l'air comburant, et celle des fumées ainsi que l'excès d'air des fumées, on peut estimer le rendement de la chaudière avec une bonne précision. Comme il est facile dans ce cas de mesurer le débit du combustible (compteur gaz ou fioul), on peut calculer la puissance instantanée de la chaudière. Le cas de la biomasse est plus compliqué. En plus des températures et de la teneur en oxygène des fumées, il faut mesurer leur humidité pour pouvoir calculer un rendement et pour estimer le débit de combustible il faut mesurer leur débit. Bien qu'il s'agisse d'une méthode très réactive et qui permet en quasi instantané d'avoir les caractéristiques de la combustion et donc qui se prête bien à une utilisation en régulation de conduite, la méthode calculatoire basée sur les équations de la combustion est très longue. Elle nécessite en outre une instrumentation de très grande précision car une très faible erreur sur les données d'entrée (humidité des fumées notamment) génère une très grande erreur sur l'estimation de l'humidité du combustible ; Cette méthode n'est d'ailleurs pas mise en œuvre par les fabricants de matériel.
Il ressort de ce qui suit qu'aucune des solutions potentiellement utilisables pour mesure en continu les caractéristiques de la biomasse n'est aujourd'hui applicable de manière générique. Les solutions existantes ne donnent des résultats précis que sur une gamme étroite de combustibles. Par ailleurs elles ne sont pas robustes aux variations de qualité des combustibles ni à celles des conditions environnementales. Par exemple, les mesure d'humidité par NTIR sont impactées par l'état de surface, la granulométrie, la couleur, etc .. des échantillons. Seule aujourd'hui la solution Bestwood répond à une partie du cahier des charges mais son coût la rend totalement inutilisable sur tous les sites. Quant à la méthode de mesure par les fumées, aucun constructeur de chaudière n'est capable à ce jour de mettre en œuvre la chaîne de mesure nécessaire à un coût acceptable. Des méthodes plus abordables seraient potentiellement utilisables, e.g. hygromètre à point de rosée, voire sonde capacitive, mais ces deux dernières technologies n'ont pas fait leurs preuves sur des fumées de combustion de biomasse.
Lorsque l'on utilise une méthode classique pour calculer le rendement des chaudières (et non une méthode de type SIEGERT), il faut aussi avoir accès à une valeur du débit du combustible. Cette mesure peut s'effectuer dans les dispositifs de convoyage, mais elle sera alors très sensibles aux caractéristiques du combustible : densité, granulométrie, humidité, etc.... Or dans le cas d'approvisionnements de sites en combustible de qualité très variable et non prévisible à l'avance, il faut disposer de solutions dont la qualité de réponse est complètement indépendante du produit mesuré. D'autres méthodes évaluent le débit massique par le nombre de coups de poussoir, ou par des dispositifs similaires. Ainsi le volume de combustible introduit par chaque mouvement du système d'alimentation dans la chaudière est estimé par un étalonnage préalable, on compte ensuite le nombre de cycles. Bien que cette méthode ne nécessite que l'équipement de la chaudière avec un dispositif simple de comptage, le calcul du débit massique à partir du relevé d'indexé est très estimatif et peu fiable car le combustible a une densité variable et le dispositif d'alimentation n'est jamais rempli de la même manière. Une dernière voie pour calculer le débit de combustible consiste à passer par la mesure du débit des fumées (connaissant leur excès d'air et l'humidité du combustible on peut ensuite par le calcul remonter au débit de combustible). Mais les mesures précises du débit de fumées sont elles aussi difficiles à réaliser. La méthode classique par tube Pitot si elle est robuste, ne donne de bons résultats que sur une plage de débit assez restreinte. Elle doit d'autre part faire l'objet d'une maintenance attentive pour éviter tout encrassement du tube par les poussières ou les condensats des fumées. Les méthodes par ultrasons qui fonctionnent sur une plage de mesure bien plus large et sont moins sensibles à un défaut de maintenance, n'ont pas encore fait leurs preuves.
Il existe donc toujours un besoin d'une méthode générique pour calculer de manière fiable et précise le rendement d'une chaudière pour matière organique qui ne présente pas les désavantages et inconvénients de l'art. Description de l'invention
Il est possible, dans une chaudière biomasse, à partir de mesures dans les fumées, si elles sont précises, de calculer l'humidité du combustible. Ces paramètres associés à une mesure également précise de débit des fumées et à des mesures classiques de température sur la chaudière permettent de calculer le rendement d'une installation. Toutefois cette méthode n'est actuellement pas mise en œuvre car se heurte à un problème majeur : les chaudières ne sont pas, pour des raisons économiques, équipées de l'instrumentation nécessaire.
La solution apportée par les inventeurs de la présente invention a permis de (i) développer des matériels spécifiques pour la mesure de l'humidité des fumées à partir de la mesure de l'oxygène sur sec et sur humide ; cette solution offrant un compromis précision/prix suffisant pour déployer la méthode, (ii) découvrir des solutions alternatives de mesure d'humidité dans les fumées qui n'étaient pas jusqu'alors utilisées dans les cheminées et qui peuvent elles aussi fournir les données nécessaires aux calculs énergétiques, et (iii) tester la qualité des débitmètres ultrason sur les fumées, mettre au point et valider l'algorithme de calcul pour obtenir les valeurs de l'humidité du bois, de la puissance instantanée de la chaudière biomasse, de son rendement instantané et moyen, sans avoir à réaliser des mesures sur le combustible entrant dans la chaudière.
Pour ce faire, les inventeurs ont mis au point une baie d'analyse de l'oxygène sur les fumées humides et sèches, qui permet de lever un verrou important pour la mise en œuvre de la solution pour tout type d'approvisionnement les sites (coût de la métrologie), ainsi qu'une méthodologie de calcul et d'agrégation des différentes mesures et de leurs corrections, afin de déterminer les caractéristiques du combustible (humidité et PCI) et les performances de la chaudière.
Comme le montre la figure 1 , la baie de mesure est constituée des principaux organes suivants assemblés dans cet ordre : prélèvement : ligne de prélèvement des fumées dans la cheminée de la chaudière ; Û2h : sonde de mesure de l'oxygène sur les fumées humides ; groupe froid/condenseur : sécheur de fumées par condensation de l'eau par refroidissement ; O2s : sonde de mesure de l'oxygène sur les fumées sèches ; pompe : pompe d'aspiration des fumées de la cheminée. Si le calcul théorique qui permet de trouver l'humidité des fumées à partir des valeurs d'oxygène est simple :
T T ^lhumide
fumées
2 sec
sa mise en œuvre est bien plus difficile. En effet l'écart entre O2humide et O2sec sur les fumées de combustion de biomasse des chaudières est de l'ordre du pourcent, il faut donc pouvoir mesurer ces grandeurs précisément et dans les mêmes conditions.
Pour ce faire les inventeurs ont réalisé les mesures sur un même gaz et compte-tenu du faible temps de séjour des fumées dans la baie, en quasi instantané. En outre, ils ont intégré aux calculs plusieurs corrections essentielles (notamment humidité de l'air, température du condenseur, entrées parasites d'air, pression des sondes O2, etc .). Enfin ils ont défini une procédure de calibrage de l'ensemble qui permet à l'utilisateur de maintenir une bonne qualité de mesure en évitant les dérives inhérentes aux sondes O2 et sans avoir besoin d'utiliser des bouteilles de gaz étalon.
La présente invention a donc pour objet un procédé de détermination des performances d'une chaudière pour matière organique comportant un conduit de fumées pour évacuer les fumées de combustion de la matière organique dans la chaudière, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
a) la détermination du taux d'humidité dans les fumées de combustion prélevées dans le conduit de fumées à partir d'une première mesure par une première sonde à oxygène Û2h d'un taux d'oxygène dans les fumées prélevées puis d'une deuxième mesure par une deuxième sonde à oxygène O2s d'un taux d'oxygène dans les fumées prélevées au même endroit et après assèchement desdites fumées dans un condenseur ;
b) la détermination du taux d'humidité de la matière organique utilisée comme combustible à partir des mesures de l'étape a) ;
c) la détermination du pouvoir calorifique inférieur (PCI) de la matière organique utilisée comme combustible à partir de la mesure de l'étape b) ; d) la détermination du débit volumique des fumées de combustion prélevées dans le conduit de fumées ; et
e) la détermination du débit massique de matière organique utilisée comme combustible à partir de la mesure de l'étape d), de l'étape a), et du taux en oxygène sur fumées sèches ;
f) la détermination de la puissance apportée par la matière organique utilisée comme combustible à partir des mesures des étapes c) et e) ; g) la détermination de la puissance délivrée par la chaudière ;
h) la détermination du rendement instantané de la chaudière à partir des mesures des étapes f) et/ou g) ;
ledit procédé comprenant en outre les corrections de mesure suivantes :
- de la pression au niveau des deux sondes à oxygène et du condenseur qui est la même, lorsque lesdites sondes fonctionnent à une pression différente de la pression atmosphérique ;
- de la température du condenseur ;
- de l'humidité absolue de l'air comburant, calculée à partir de la température et de l'humidité relative de l'air comburant ;
- de la quantité d'eau apportée par le réactif et par les produits de réactions en cas de traitement pour réduire les oxydes d'azote des fumées avec des solutions utilisant de l'urée ou de l'ammoniaque.
- des entrées d'air parasite dans le circuit de mesure entre les deux sondes à oxygène ;
- du taux de cendres de la matière organique.
Selon les étapes a) et b), le prélèvement de fumées et la détermination du taux d'humidité de la matière organique peuvent être réalisés en continu. Le prélèvement dans les fumées permet de connaître le taux d'humidité de ces fumées, de manière directe ou indirecte. L'humidité des fumées provient essentiellement de l'eau vaporisée lors de la combustion de la matière organique, et d'autre part de l'humidité dans l'air comburant et de la formation d'eau pendant la combustion (e.g. en cas de traitement DeNOx). De ce taux d'humidité dans les fumées, il est donc possible de remonter au taux d'humidité de la matière organique. En éliminant ou en réduisant l'humidité dans les fumées prélevées, on fait varier le taux d'oxygène de telle sorte qu'il est possible de déterminer ce taux par calcul. Avec un assèchement imposé, et par la détermination du taux d'oxygène, il est alors possible de calculer le taux d'humidité. Par ailleurs, en analysant le même prélèvement, on évite des fluctuations qu'il pourrait y avoir avec des prélèvements distincts, en minimisant en outre le temps de parcours des gaz et donc le risque de déphasage temporel entre les analyses.
Selon l'étape c), en réalisant une hypothèse sur la nature de la matière organique (e.g. en considérant que c'est du bois), on peut donner une estimation en considérant un pouvoir calorifique de matière sèche, et en diminuant ce pouvoir calorifique par la chaleur latente de vaporisation de l'eau qui correspond à l'estimation de l'humidité de ladite matière organique.
Selon les étapes d) à f), on mesure un débit massique ou volumique des fumées et un taux d'oxygène dans les fumées et on en déduit, en combinaison avec le pouvoir calorifique estimé, un débit massique de matière organique et une puissance fournie par la matière organique. Le débit des fumées est lié au débit d'air comburant et au volume fumigène de la matière organique. Le taux d'oxygène permet d'évaluer un excès d'air admis comme comburant. On en déduit le volume de fumées généré et donc le débit de matière qui est brûlée.
Selon l'étape g), on déduit de la mesure de débit et d'une mesure de la température des fumées, une puissance de perte par les fumées. On estime par ailleurs les pertes thermiques de la chaudière et on en déduit une puissance délivrée par la chaudière en déduisant de la puissance fournie par la matière organique les puissances de perte.
Selon l'étape h), à partir de l'une de ces évaluations de la puissance de la chaudière et de la puissance fournie par la matière organique, on déduit un rendement instantané de la chaudière. Cette information est particulièrement intéressante pour vérifier le bon fonctionnement de la chaudière.
Selon l'invention, le débit de combustible peut être ajusté en temps réel en fonction d'au moins un des paramètres suivants : rendement instantané de la chaudière, puissance de la chaudière, puissance fournie par la matière organique. En fonction de l'objectif de fourniture d'énergie, on peut régler de manière optimale et automatique le fonctionnement de la chaudière, en particulier sur l'aspect qualité des fumées. On peut notamment faire varier, pour une même puissance à fournir, les réglages de la répartition de l'air primaire sous le combustible et la proportion d'air secondaire dans la chambre de combustion en fonction de l'humidité du combustible.
Selon l'invention, la matière organique peut être du bois.
Selon l'invention, il a été en outre essentiel de réaliser des corrections sur plusieurs des mesures réalisées dans le cadre du procédé, comme explicité ci- après.
Les deux sondes sont placées sensiblement dans les mêmes conditions de pression, ainsi que le condenseur. L'oxygène est mesuré avec des sondes zirconium, donnant un signal proportionnel à la densité d'oxygène. Or si on a 10% d'oxygène dans un gaz à 800 mbar on aura une moins grande densité d'oxygène que dans un gaz à 10% mais à 1000 mbar (cf. le problème d'oxygénation en haute montagne). Il faut donc faire une correction pour corriger l'erreur de mesure des sondes quand elles travaillent à une pression différente de la pression atmosphérique. Ceci est essentiel du fait que les deux mesures d'oxygène sont assez proches l'une de l'autre et que les formules de calcul utilisent un rapport de ces valeurs. Aussi la moindre erreur de mesure influence très sensiblement les résultats.
Le piège à froid ou condenseur ne permet pas de sécher complètement les fumées lors d'un fonctionnement à une température inférieur ou égale à 5°C. Elles sortent du condenseur à la température du condenseur et en étant saturées en eau. L'humidité résiduelle dans les fumées à leur sortie peut générer dans les calculs ultérieurs des écarts de 1 ,5 à 2 points sur l'humidité de la matière organique. Si cette humidité résiduelle ne peut pas être supprimée en utilisation continue de la baie, en revanche, il est facile de la calculer en faisant le rapport de la pression de saturation de l'eau à la température du condenseur (une formule empirique a été déduite des tables thermodynamiques) sur la pression dans le condenseur. Ainsi des formules de correction ont été intégrées dans les calculs pour en tenir compte.
L'air ambiant comprend entre 0,8 et 2% d'humidité, qu'il faut déduire de l'humidité des fumées pour obtenir l'eau provenant du bois. Il faut donc mesurer cette humidité. Les matériels usuels utilisés (génie climatique) réalisent des mesures de l'humidité relative en % (humidité/humidité à la saturation en eau à la température donnée), qu'il faut associer à une mesure de température sèche (température de l'air) pour obtenir l'humidité absolue en % (volume d'eau/volume total d'air).
Pour réduire les oxydes d'azote des fumées, on peut réaliser un traitement
DeNOx en introduisant dans le foyer de la chaudière un réactif constitué d'urée et d'eau. Or après réaction, l'urée produit aussi de l'eau. Il faut donc déduire ces quantités d'eau de celles contenues initialement dans les fumées car elles ne proviennent pas de l'eau de la matière organique. Pour cela, il faut mesurer les débits d'urée et d'eau introduites dans la chaudière et les traduire en concentration en eau dans les fumées.
Les sondes O2 doivent être correctement étalonnées et toutes les entrées d'air parasites entre les deux sondes doivent être supprimées. Aussi une attention très particulière a été portée au montage du piège à froid ou condenseur qui est en dépression (la pompe d'aspiration des fumées étant en aval), et comprend 3 raccords (entrée et sortie des fumées et sortie des condensais) au niveau desquels des entrées d'air parasites peuvent apparaître. En effet une petite entrée d'air à 20% d'oxygène (même de moins de 1 %) va avoir une grande influence sur l'oxygène sec mesuré en aval et qui pourra être augmenté. Il faut donc évaluer l'éventuel débit de fuite par une méthode de calibration avec un gaz étalon exempt d'oxygène (si on mesure de l'oxygène sur la sonde O2s, c'est qu'on a eu une entrée d'air ambiant par une fuite). Il faut ensuite corriger les mesures d'O2s de cet apport d'oxygène externe.
En outre, il a fallu porter attention à la sensibilité des composants à la chaleur. En effet, la baie comprend plusieurs sources de chaleur : les deux sondes O2 dont la cellule sensible fonctionne à environ 550°C et qui sont confinées dans une boite chaude à 250°C, le dispositif d'évacuation de la chaleur des pièges froids ou condenseurs, la pompe. Afin d'éviter des pannes cartes électroniques à l'intérieur de la baie, qui pourraient résulter de conditions opératoires trop extrêmes (T>50°C), un système de régulation de la température a été mis en place pour maintenir la température dans la baie à moins de 40°C qui consiste en un refroidissement par renouvellement de l'air, par exemple par le déclenchement d'un ventilateur d'extraction au-dessus de 40 à 50°C. Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, ledit procédé comprend en outre une calibration des deux sondes à oxygène. En effet les teneurs en oxygène sont utilisés pour calculer l'humidité des fumées par la formule :
Humidité des fumées = 1 - O2h O2s
Or un écart de 1 % en relatif sur la mesure d'une des deux sondes O2 va générer un écart de l'ordre d'un point sur l'humidité des fumées. Dans la mesure où mêmes les sondes les plus précises ont une légère dérive, il est donc important de calibrer fréquemment le dispositif pour en garantir la précision.
Par exemple, la calibration des deux sondes à oxygène est réalisée avec un gaz étalon introduit dans le circuit de mesure. Il est à noter que la concentration en gaz étalon doit être corrigée lorsque les deux sondes à oxygène sont calibrées à une pression différente de la pression atmosphérique. Le gaz étalon doit être introduit au niveau de la cheminée dans la sonde de prélèvement des fumées, et non par piquage en tête du coffret regroupant les différents organes de la baie d'analyse O2 ; ce qui risquerait de générer un point froid (du fait que la ligne est complètement en zone chaude) sur lequel pourrait venir se condenser de l'eau qui pourrait ensuite être entraînée et perturber les mesures de la sonde Û2h. Cette calibration est la plus rodée mais peut être lourde à mettre en œuvre sur une baie ou la ligne gaz et le condenseur doivent être parfaitement secs avant calibrage pour que le gaz étalon ne soit pas dilué de manière aléatoire par de l'eau condensée dans le condenseur ou dans la ligne de prélèvement alors que cette eau se re-vaporiserait ensuite. Elle demande donc une préparation d'au moins une heure durant laquelle le coffret est balayer avec de l'air ambiant qui assèche le circuit. Aussi cette opération n'est réalisable que quelques fois par an et par du personnel méticuleux. Afin de rendre cette étape de calibrage plus simple et pour en augmenter la fréquence, il est possible de mettre en œuvre une variante de la baie qui consiste en un circuit complété par l'ajout d'une vanne 4 voies, d'une vanne 3 voies, d'un rotamètre « soupape » et d'une alimentation pour le gaz étalon (figure 2), pour rendre possible sa circulation à contre-courant dans le circuit fluide. Cette variante a le très gros avantage d'alimenter le gaz étalon directement dans le coffret regroupant les différents organes de la baie d'analyse O2 et non en tête de sonde de prélèvement. Il y a donc beaucoup moins de risques de dilution du gaz étalon et la pression dans le coffret est quasiment égale à la pression atmosphérique, ce qui limite l'impact de la correction de pression.
Par exemple, la calibration des sondes à oxygène est réalisée par la pesée des condensais produits par le condenseur de fumées, et par la mesure en parallèle du débit de fumées sèches une fois passées dans le piège à froid ou condenseur. Cette mesure peut être effectuée à l'aide d'un débitmètre, par exemple un rotamètre, ou à l'aide d'un compteur volumétrique de gaz. Dans les deux cas les valeurs mesures doivent être corrigées en température et pression. Cette méthode originale repose sur le fait que le débit de condensais est directement proportionnel à l'humidité extraite des fumées. Cette variante est fiable, mais nécessite aussi un temps de calibrage de plusieurs heures pour pondérer le débit aléatoire des gouttes d'eau qui tombent du condenseur, mais durant sa mise en œuvre les mesures continuent d'être réalisées, et sa mise en œuvre est beaucoup plus simple pour les opérateurs.
La présente invention a également pour objet un dispositif pour la détermination des performances d'une chaudière pour matière organique comportant un conduit de fumées pour évacuer les fumées de combustion de la matière organique dans la chaudière, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, assemblés en série dans cet ordre :
- une sonde de mesure d'oxygène Û2h sur les fumées humides prélevées dans le conduit de fumées ;
un condenseur de fumées ;
une sonde de mesure d'oxygène O2s sur les fumées prélevées au même endroit et après assèchement desdites fumées dans le condenseur ; - une pompe d'aspiration des fumées ;
une sonde de pression placée au niveau de la sonde O2s ; une sonde de mesure de la température et de l'humidité relative de l'air comburant ;
un système pour mesurer les débits de réactif injecté en cas de traitement pour réduire les oxydes d'azote des fumées ;
un système d'extraction des condensais du condenseur, par exemple par une pompe péristaltique. Le prélèvement des fumées effectué en un seul point du conduit de fumées limite les contraintes d'implantation du dispositif de l'invention.
La pompe d'aspiration des fumées a été placée en aval de la seconde sonde de mesure d'oxygène. Du fait de cet emplacement en fin de ligne, les deux sondes ont ainsi une pression de travail plus proche de l'identique.
Les deux sondes de mesure d'oxygène encadrent le piège à froid ou condenseur, et les 3 organes fonctionnent ainsi à la même pression. Le fonctionnement des sondes O2 en série est précis et a permis une simplification des circuits gaz et du groupe froid (ou condenseur). Cela a permis d'aboutir à un circuit fluide très simple, donc peu sujet à des problèmes de type entrée d'air parasite, points froid dans les zones devant rester chaudes, etc ..
La sonde de mesure de la température et de l'humidité de l'air a été intégrée au dispositif pour le calcul de l'humidité des fumées et de l'humidité du bois.
La sonde de pression mesure en continu la pression au niveau des sondes oxygène pour réaliser une éventuelle correction. En effet le principe des sondes à oxyde zirconium utilisées fait qu'elles mesurent une densité d'oxygène qu'elles traduisent en concentration volumique. Mais pour une même concentration volumique d'oxygène, on n'aura pas la même densité à 2 pressions différentes. La mesure en continu de la pression, qui évolue dans la ligne de prélèvement au gré de son encrassement, permet de s'affranchir de cette imprécision. Cette correction est notamment essentielle au moment de la calibration des sondes.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, ledit dispositif comprend en outre un système de calibrage des sondes à oxygène. Par exemple, ledit système de calibrage des sondes à oxygène comprend un circuit de mesure complété par une vanne 4 voies, une vanne 3 voies, un rotamètre soupape et une alimentation pour le gaz étalon.
Brève Description des figures
- La figure 1 représente un schéma de moyens de prélèvement et de
sur les fumées d'une chaudière.
- La figure 2 représente une variante de la baie d'analyse O2. - La figure 3 représente le schéma d'une chaudière comportant un dispositif selon l'invention.
- La figure 4 représente le schéma du procédé selon l'invention.
- La figure 5 représente une version du dispositif de baie d'analyse selon l'invention.
Description détaillée de l'invention
Une chaudière pour matière organique, dite également à biomasse, comporte de manière classique une chambre de combustion (1 ), des moyens de convoyage (2) pour amener la matière organique dans la chambre de combustion (1 ), des moyens de soufflage (3) pour injecter de l'air comburant dans la chambre de combustion (1 ) et un conduit de fumées (4) pour évacuer les fumées de combustion (figure 3).
La matière organique est amenée progressivement ou par lots par les moyens de convoyage (2) dans la chambre de combustion (1 ). La combustion de cette matière est réalisée à l'aide d'air comburant amené par les moyens de soufflage (3). Les fumées générées sont extraites par le conduit de fumées (4) en passant par un éventuel système de traitement (non représenté), afin de diminuer le taux de polluants.
Un système de détermination de l'humidité dans la matière organique selon l'invention comporte des moyens de prélèvement (5) de fumées dans le conduit de cheminée (4), et des moyens de calcul (6) aptes à déterminer un taux d'humidité de la matière organique en fonction du taux d'humidité des fumées déduit de mesures dans les fumées prélevées. Les moyens de prélèvement (5) des fumées sont disposés en un seul point du conduit, de préférence proche de la chaudière.
Comme le montre la figure 1 , les fumées prélevées passent par une première sonde à oxygène (Û2h) pour réaliser une première mesure de taux d'oxygène (B), par un assécheur (groupe froid ou condenseur), par une deuxième sonde à oxygène (O2s) pour réaliser une deuxième mesure de taux d'oxygène (A2), puis par une pompe placée en aval de la deuxième sonde à oxygène (O2s).
L'assécheur est par exemple un condenseur amenant les fumées à une température comprise entre 0 et 5°C. L'eau condensée est séparée et évacuée. Les mesures sont représentées par l'étape (1 1 ) de la figure 4. Le dispositif de l'invention comporte également des moyens de mesures (non représentés) de l'humidité de l'air comburant, par exemple disposé à proximité des moyens de soufflage (3).
Les moyens de calcul (6) reçoivent les première et deuxième mesures de taux d'oxygène (B, A2). Ils reçoivent en outre une mesure de la température des fumées et une mesure de débit desdites fumées. Ils reçoivent aussi la mesure de l'humidité de l'air comburant provenant des moyens de mesure de l'humidité de l'air comburant. Cette mesure permet de tenir compte de l'eau apportée par l'air comburant et donc de réaliser un calcul plus précis de l'humidité du combustible. La mesure de débit des fumées est réalisée par exemple par une sonde à ultrasons placée dans le conduit de fumées (4) (non représentée).
Les moyens de calcul (6) effectuent les calculs ci-dessous pour remonter au rendement instantané d'une chaudière, en considérant par exemple que la matière organique est du bois. Les calculs sont effectués en suivant les étapes de la figure 4 présentées ci-dessous de manière chronologique :
© Equation générale de la combustion du bois
Volumes (pouvoirs) comburivore sec et fumigène
■=! © Taux d'oxygène sur fumées sèches + Volume comburivore sec VAS + Volume fumigène sec VFS
Excès d'air
■=! © Excès d'air + Taux d'oxygène sur fumées sèches + Taux d'oxygène sur fumées humides + Composition du bois (1ère voie présentée ci-dessus)
Ou
Excès d'air + Humidité des fumées + Composition du bois (2ème voie présentée ci- dessus)
Humidité du bois > [> PCI du bois humide sans cendres
■=! © Débit volumique des fumées
&
Débit massique de bois humide sans cendres ■=! © Débit massique de bois humide sans cendres dbm + PCI du bois humide sans cendres
Puissance apportée par le combustible
■=! © Débit d'eau chaudière + Température entrée chaudière + Température sortie chaudière
Puissance délivrée par la chaudière
■=! ® Puissance apportée par le combustible + Puissance délivrée par la chaudière
Rendement instantané de la chaudière
A partir d'une composition moléculaire théorique du bois, on détermine la masse de bois sec Mbs en kg/mol, et les volumes comburivore sec VAS et fumigène sec VFS ©, c'est-à-dire le volume d'air nécessaire à une combustion stoechiométrique et le volume de fumées générée par une telle combustion, en l'absence d'eau. Ces valeurs sont exprimées par exemple en Nm3/mol de bois sec.
Les calculs suivants sont effectués par cycle.
On peut utiliser la deuxième mesure de taux d'oxygène (A2) directement comme étant le taux d'humidité des fumées sèches (A), ou le corriger en fonction de la température de refroidissement de l'assécheur, en considérant un gaz saturé en humidité à cette température et à la pression de l'assécheur, la pression étant mesurée ou prise forfaitairement.
A partir du taux d'oxygène sur fumées sèches, du volume comburivore sec VAS et du volume fumigène sec VFS, on détermine un excès d'air (e) ©, exprimé en pourcentage par la formule :
A . VFS
e =
1 A
VAS . ( ^ - YÔQ )
La valeur 4,77 correspond au nombre de moles d'air pour une mole d'oxygène, c'est-à-dire en ajoutant 3,77 moles de diazote. Par ailleurs, comme indiqué à l'étape 13 de la figure 4, à partir de la première mesure de taux d'oxygène (B) et du taux d'oxygène des fumées sèches (A), on détermine un taux d'humidité des fumées Hf par la relation suivante :
B
Hf = l - -
A partir de l'excès d'air (e), de l'humidité des fumées et de la masse molaire de bois sec, on détermine l'humidité du bois Hb lors de l'étape 14 de la figure 4. En effet, on considère que la quantité d'eau dans les fumées provient en partie de l'humidité contenue à l'origine dans le bois humide. L'humidité du bois est définie par la formule :
ΓΠΗ20
Figure imgf000021_0001
Avec nriH2o la quantité d'eau en kg/mol de bois.
Si on connaît l'humidité des fumées Hf, on peut calculer l'humidité du bois Hb par les formules :
V"H20 : i ,ΤΤΤΓ^ΤΤ- ■ (VFS + - 10-0. VAS) - VAS. PHI. (l + Vm
LlOO - Hf ΙΟΟ^
100
avec MH2O la masse molaire de l'eau en g/mol ;
PHI la teneur en eau de l'air comburant, en mole d'eau par mole d'air sec ;
Y la teneur en hydrogène du bois, en fraction massique ;
Vm le volume molaire dans les conditions normales de température et de pression, et vaut 0,0224 Nm3/mol .
On considère donc que la part d'humidité des fumées provenant de la combustion de l'hydrogène constitutif de la matière organique doit être prise en compte dans le calcul de l'humidité de celle-ci. Les calculs prennent également en compte l'humidité de l'air comburant, soit par des mesures directes d'humidité et de température à l'entrée des moyens de soufflage (3), soit par des données météorologiques. A partir de l'humidité du bois, on en déduit à l'étape 15 de la figure 4, le pouvoir calorifique inférieur du bois humide (PCI) ®. Cette donnée est essentielle pour apprécier la qualité d'un approvisionnement.
En utilisant la mesure du débit volumique des fumées, telle que figurée à l'étape 16 de la figure 4, rapportée au pouvoir fumigène humide et à l'excès d'air (e), on en déduit un débit massique de bois humide à l'étape 17 de la figure 4 ©. En le multipliant par le PCI déterminé à l'étape 15, on en déduit la puissance calorifique apportée par le combustible à l'étape 18 de la figure 4 ©.
La puissance fournie par la chaudière peut être évaluée par exemple par la mesure d'un débit de fluide caloporteur, d'une température du fluide à l'entrée de la chaudière et une température à la sortie ©. En divisant cette puissance par la puissance apportée par le combustible, on en déduit un rendement instantané de la chaudière à l'étape 19 de la figure 4 ®.
Il est important de noter que tous ces calculs sont effectués sur du bois sans cendres. Pour remonter aux valeurs correspondantes sur du bois brut (bois humide avec cendres), et pouvoir comparer les résultats avec des mesures effectuées sur des échantillons de combustible (exemple : humidité du bois mesurée à l'étuve), il faudra estimer le taux de cendres. Le taux de cendres peut être mesuré par une méthode destructive : combustion à 550°C et mesure du résidu minéral qui subsiste.
Le tableau 1 ci-dessous liste les données principales qui sont utilisées dans le procédé de l'invention et doivent obligatoirement être mesurées en continu.
Grandeur Commentaires
H20fumées Il faut acquérir obligatoirement 2 des 3 paramètres. Si on mesure
02fumées humides 02humide et 02sec ΟΠ déduit H2O fumées, SI ΟΠ meSUre H2Ofumées
O2 fumées sèches les formules de calcul ont quand même besoin de r02sec ou de
IO2humide
Tfumées Mesurée le plus près possible du dernier étage de chaudière, si ce n'est pas le cas il faut évaluer la baisse de température entre la sortie de chaudière et le point de mesure et introduire une correction (cf tableau 2)
Tair comburant Si la température des airs primaire, secondaire voire tertiaire est différente, il faut mesurer chacune d'elles et estimer la part de chacun de ces débits (cf tableau 2)
Débit de fumées Mesure du débit brut avec si possible en plus valeur de la
température et de la pression au point de mesure (plutôt que débit corrigé)
Puissance chaudière Si l'info n'est pas disponible, il est possible par une méthode
indirecte (évaluation de toutes les pertes) d'obtenir cette information par le calcul, mais cette voie introduit beaucoup
d'incertitude.
Débit massique de Il faut aussi préciser la composition du réactif (urée ou
réactif et d'eau ammoniaque)
associé au réactif en
cas de présence de
DeNOx
Le tableau 2 donne la liste exhaustive des informations secondaires et de leur mode de prise en compte. Ces données peuvent :
- soit être fixes ou déduites d'abaques en fonction d'autres informations (ex : humidité de l'air ambiant extraite d'un tableau des humidités locales moyennes journalières ou mensuelles),
- soit être mesurées,
- soit être calculées à partir d'informations mesurées.
Mode d'acquisition
Grandeur
Valeur fixe mesure calcul
PCI anhydre du bois
X
sec et sans cendres
Composition du bois
X
sec et sans cendres
Cp air comburant f(Tair)
Cp fumées f(Tfumées, composition fumées)
Humidité air X
comburant Extraction de tables
X
de données météo
moyennes du site
Correction fuite baie
X
02humide/02sec
Correction humidité
résiduelle fumées X
baie 02humide/02sec
Correction Tfumées (si
la sonde de mesure
de Tfumées n'est pas
X
placée en sortie
immédiate de la
chaudière)
Proportion air
primaire,
secondaire, tertiaire
X
(SI Tair comburant
différentes pour
chaque air)
Patmosphérique X X
Phygromètre à point de rosée
(si on utilise un tel X
hygromètre)
Perte par les parois X Charge chaudière X
Si on ne réalise pas
de mesure de débit
de fumées ou de X
puissance
instantanée
chaudière
Taux de cendres du
X
bois
Teneur en imbrûlés
X
des cendres du bois
Ce tableau n'intègre pas les corrections des mesures essentielles dans le procédé de l'invention, qui sont réalisées directement dans la baie d'analyse O2 (pression par exemple), et qui ont été précédemment détaillées dans la partie description de l'invention.
Dans une variante du procédé de l'invention, qui considère que la donnée la plus fiable est la puissance de la chaudière sur laquelle s'appuie le calcul de la puissance entrante, à partir de l'étape de mesure du débit des fumées ©, on évalue la puissance fournie par la matière organique en additionnant la puissance mesurée de la chaudière, celle perdue par les fumées, celle par pertes thermiques de la chaudière et en déduisant celle apportée par l'air comburant :
Pcombustible — Pchaudière Pfumées + Pertes rayonnement - air comburant-
Ainsi la puissance perdue dans les fumées est évaluée à partir du débit mesuré des fumées, de leur température et d'une capacité calorifique des fumées estimée à partir des capacités théoriques de chacun des composants des fumées et de la composition des fumées. La composition des fumées est calculée à partir de leur excès d'air et de la composition du bois. Elle pourrait aussi être mesurée par un analyseur de gaz pour le dioxyde de carbone, en complément de la mesure d'humidité, et éventuellement pour l'azote. Les apports par l'air comburant sont également évalués à partir de la capacité calorifique de l'air et de la température de celui-ci et de son débit calculé à partir du débit des fumées. Les pertes par rayonnements de la chaudière ne sont pas mesurées mais prises à une valeur fixe.
Dans une autre variante, lorsque la puissance de la chaudière n'est pas, disponible, celle-ci est estimée à partir de l'étape ©, par l'addition de la puissance fournie par la matière organique et de celle apportée par l'air comburant, et en retirant celle perdue par les fumées et celle par pertes thermiques de la chaudière :
Pchaudière — Pcombustible Pair comburant— Pfumées— Pertes rayonnement
La puissance apportée par l'air comburant, celle perdue par les fumées et les pertes thermiques sont évaluées de la même manière que précédemment. La puissance fournie par la matière organique est estimée à partir de la mesure du débit des fumées et de l'évaluation du pouvoir calorifique à partir de l'humidité, telle qu'exposée précédemment.
La présente invention permet de mettre en œuvre un procédé de régulation du fonctionnement d'une chaudière pour matière organique par la détermination de ses performances, qui repose essentiellement sur un assemblage spécifique des éléments du dispositif de l'invention, le choix des instruments de mesure afin de ne pas amplifier les erreurs de calculs qui partent des caractéristiques des fumées pour arriver aux performances de la chaudière, et surtout la mise en place de corrections indispensables pour obtenir des mesures fiables et précises ainsi qu'un protocole de calibration des sondes de mesure d'oxygène soit directe (injection de gaz étalon) soit indirecte (calcul du débit de condensât).
EXEMPLES
Exemple 1 : Exemple d'un dispositif de baie d'analyse d'02 selon l'invention
La figure 5 représente une version du dispositif de baie d'analyse O2 selon l'invention dans lequel on peut voir : l'enceinte régulée à haute température dans laquelle se trouvent les deux sondes O2 (1 ), les boîtiers électronique de commande des sondes O2 (2), le sécheur des fumées (3) ainsi que son flacon de condensation (4), la pompe péristaltique d'évacuation des condensais (5), raccordée sous le flacon de condensation, le capteur de pression et sa carte électronique (6) qui mesure la pression des fumées au niveau du condenseur, la pompe d'aspiration des fumées (7), le rotamètre (face arrière) (8) en sortie de pompe d'aspiration des fumées, une sonde humidité relative et température de l'air ambiant (9), la carte électronique (10) qui gère le coffret et fait les calculs d'humidité des fumées et du combustible biomasse. Les sondes d'oxygène sur fumées humides et sèches sont par exemple du type OXYBOX AIR de la société SETNAG.
Le sécheur de fumées est par exemple du type ECP1000 de la société
M&C.
Liste de références
1. Brevet FR 3020139

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Procédé de détermination des performances d'une chaudière pour matière organique comportant un conduit de fumées pour évacuer les fumées de combustion de la matière organique dans la chaudière, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
a) la détermination du taux d'humidité dans les fumées de combustion prélevées dans le conduit de fumées à partir d'une première mesure par une première sonde à oxygène Û2h d'un taux d'oxygène dans les fumées prélevées puis d'une deuxième mesure par une deuxième sonde à oxygène O2s d'un taux d'oxygène dans les fumées prélevées au même endroit et après assèchement desdites fumées dans un condenseur ;
b) la détermination du taux d'humidité de la matière organique utilisée comme combustible à partir des mesures de l'étape a) ;
c) la détermination du pouvoir calorifique inférieur (PCI) de la matière organique utilisée comme combustible à partir de la mesure de l'étape b) ;
d) la détermination du débit volumique des fumées de combustion prélevées dans le conduit de fumées ; et
e) la détermination du débit massique de matière organique utilisée comme combustible à partir de la mesure de l'étape d), de l'étape a), et du taux en oxygène sur fumées sèches ;
f) la détermination de la puissance apportée par la matière organique utilisée comme combustible à partir des mesures des étapes c) et e) ; g) la détermination de la puissance délivrée par la chaudière ;
h) la détermination du rendement instantané de la chaudière à partir des mesures des étapes f) et/ou g) ;
ledit procédé comprenant en outre les corrections de mesure suivantes :
- de la pression au niveau des deux sondes à oxygène et du condenseur qui est la même, lorsque lesdites sondes fonctionnent à une pression différente de la pression atmosphérique ;
- de la température du condenseur ; - de l'humidité absolue de l'air comburant, calculée à partir de la température et de l'humidité relative de l'air comburant ;
- de la quantité d'eau apportée par le réactif et par les produits de réactions en cas de traitement pour réduire les oxydes d'azote des fumées avec des solutions utilisant de l'urée ou de l'ammoniaque.
- des entrées d'air parasite dans le circuit de mesure entre les deux sondes à oxygène ;
- du taux de cendres de la matière organique.
2) Procédé selon la revendication 1 , comprenant en outre une calibration des deux sondes à oxygène.
3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel la calibration des deux sondes à oxygène est réalisée à partir d'un contre-courant de gaz étalon dans le circuit de mesure.
4) Procédé selon la revendication 3, dans lequel la concentration en gaz étalon est corrigée lorsque les deux sondes à oxygène sont calibrées à une pression différente de la pression atmosphérique.
5) Procédé selon la revendication 2, dans lequel la calibration des sondes à oxygène est réalisée par la pesée des condensais produits par le condenseur de fumées.
6) Dispositif pour la détermination des performances d'une chaudière pour matière organique comportant un conduit de fumées pour évacuer les fumées de combustion de la matière organique dans la chaudière, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, assemblés en série dans cet ordre :
une sonde de mesure d'oxygène Û2h sur les fumées humides prélevées dans le conduit de fumées ;
un condenseur de fumées ; une sonde de mesure d'oxygène O2s sur les fumées prélevées au même endroit et après assèchement desdites fumées dans le condenseur ; une pompe d'aspiration des fumées ;
une sonde de pression placée au niveau de la sonde O2s ; une sonde de mesure des température et humidité relative de l'air comburant ;
un système pour mesurer les débits de réactif injecté en cas de traitement pour réduire les oxydes d'azote des fumées ;
un système d'extraction des condensais du condenseur, par exemple par une pompe péristaltique.
7) Dispositif selon la revendication 6, comprenant en outre un système de calibrage des sondes à oxygène.
8) Dispositif selon la revendication 7, où ledit système de calibrage des sondes à oxygène comprend un circuit de mesure complété par une vanne 4 voies, une vanne 3 voies, un rotamètre soupape et une alimentation pour le gaz étalon.
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