La présente invention concerne une installation et un procédé de production d’énergie, à partir de combustibles.

La production d’énergie, en particulier d’électricité, peut être réalisée par la combustion d’un matériau, qui délivre de la chaleur servant à produire de la vapeur d’eau qui est ensuite turbinée pour fournir de l’énergie, en particulier de l’électricité.

De nombreux combustibles peuvent être utilisés. On peut mentionner d’abord les produits pétroliers, le gaz naturel, le charbon, le lignite ou le coke. Des déchets ou des résidus solides de récupération peuvent aussi être valorisés énergétiquement, comme les ordures ménagères, les résidus industriels, etc., regroupés sous le sigle CSR pour « Combustibles Solides de Récupération ». Enfin, la biomasse, telle que le bois ou la paille, peut aussi servir de combustible.

Chacun de ces modes de production d’énergie a ses avantages et ses inconvénients propres. En particulier, la combustion des CSR, qui sont des produits contenant souvent beaucoup de chlore, ne peut être opérée qu’en limitant les niveaux de température pour la vapeur produite, pour des raisons liées à la corrosion, à l’encrassement ou aux dépôts de sels fondus sur les équipements d’échange thermique entre les fumées de combustion et l’eau à vaporiser ; pourtant, la valorisation énergétique des CSR est un atout majeur dans le recyclage intelligent de ces déchets. De son côté, la combustion de biomasse, qui est plus propre, peut être opérée de manière à produire de la vapeur d’eau à plus haute température, ce qui permet d’atteindre un cycle thermodynamique optimal. On comprend donc que coupler des unités de combustion qui brûlent respectivement des combustibles différents, tels que des CSR et de la biomasse, s’avère difficile dans le sens où la différence de température entre les deux flux de vapeur d’eau respectivement générés par ces unités de combustion empêche de faire travailler dans des conditions thermodynamiques optimales une turbine à laquelle seraient envoyés directement et séparément les deux flux de vapeur d’eau. US 5 724 807 s’est d’ailleurs intéressé à optimiser ces conditions thermodynamiques.

Le but de la présente est de proposer une nouvelle installation et un nouveau procédé, qui permettent de produire de l’énergie de manière optimisée à partir de deux combustibles différents que sont la biomasse et un combustible autre, dont la combustion génère des fumées plus corrosives ou encrassantes que celles résultant de la combustion de la biomasse.

WO 2015/059653 divulgue une installation et un procédé de production d’électricité, qui associent une chaudière et un surchauffeur externe. La chaudière est associée à un four de combustion de déchets et comporte un échangeur permettant de vaporiser, à la sortie de l’échangeur, de l’eau alimentant l’échangeur. Avant d’être envoyée à une turbine, la vapeur d’eau sortant de l’échangeur transite par le surchauffeur externe pour y être surchauffée. A cet effet, le surchauffeur externe comporte un échangeur placé dans une chambre de combustion où un gaz auxiliaire, pouvant résulter d’une biomasse, est brûlé par un brûleur.

EP 3 130 770 divulgue une installation et un procédé de production d’électricité, qui couplent une chaudière, alimentée en chaleur par la combustion de biomasse, et un système de production de vapeur d’eau, incluant à la fois un vaporiseur, alimenté en chaleur par une unité solaire, et une chaudière alimentée en chaleur par la combustion d’un combustible « auxiliaire » (charbon, gaz ou fuel). La chaudière biomasse comprend un économiseur, un vaporiseur et un surchauffeur. La vapeur d’eau surchauffée, sortant de la chaudière biomasse, est envoyée à une turbine. La vapeur d’eau produite par le vaporiseur solaire et la vapeur d’eau produite par la chaudière auxiliaire sont prévues saturées pour être mélangées dans une conduite commune avant de rejoindre le surchauffeur de la chaudière biomasse, dans lequel elles sont directement admises en entrée, conjointement avec la vapeur d’eau produite par le vaporiseur de la chaudière biomasse. La chaudière auxiliaire permet de produire de la vapeur d’eau qui complète, voire se substitue à la vapeur d’eau produite par le vaporiseur solaire, en fonction des variations de l’énergie solaire reçue par l’unité solaire.

A cet effet, l’invention a pour objet une installation de production d’énergie, telle que définie à la revendication 1.

L’invention a également pour objet un procédé de production d’énergie, tel que défini à la revendication 8.

L’idée à la base de l’invention est de coupler un premier système de production de vapeur d’eau, reposant sur la combustion de la biomasse, et au moins un second système de production de vapeur d’eau et/ou d’eau surchauffée, reposant sur la combustion d’un autre combustible, « moins propre » que la biomasse, en prévoyant que le couplage entre ces systèmes se fait en envoyant la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée, produites par le ou les seconds systèmes, à la chaudière du premier système. L’énergie produite par le ou chaque second système est sous forme de vapeur d’eau, éventuellement légèrement surchauffée, et/ou d’eau surchauffée, qui ne sont pas envoyées directement à une unité de turbinage, mais qui sont envoyées, conjointement avec la vapeur d’eau produite par le premier système, au surchauffeur de la chaudière du premier système, la sortie de ce surchauffeur étant envoyée à une unité de turbinage. L’unité de turbinage précitée est donc commune aux systèmes de production et peut opérer dans les conditions thermodynamiques optimales, notamment à des hauts niveaux de température et de pression pour la vapeur surchauffée qui est produite par le surchauffeur du premier système à partir de la combinaison de la vapeur d’eau, produite par le premier système, et de la vapeur d’eau et/ou de l’eau surchauffée produites par le ou les seconds systèmes. Autrement dit, l’invention permet de coupler un ou plusieurs systèmes secondaires, qui utilisent des combustibles moins propres que la biomasse et qui opèrent à des températures moindres pour éviter leur encrassement ou leur corrosion par les fumées de combustion, avec un système principal qui utilise la biomasse comme combustible et dont le cycle thermodynamique est optimisé pour le turbinage de la vapeur surchauffée qu’il produit. Bien entendu, l’invention ne peut être mise en oeuvre que si la production de vapeur d’eau du premier système, comparativement à la production du second système, reste à un niveau minimal suffisant, en deçà duquel l’énergie produite par la combustion de la biomasse ne sera pas suffisante pour assurer la surchauffe du mélange des vapeurs d’eau provenant respectivement des premier et second systèmes. Les polluants contenus dans les fumées de combustion résultant des combustibles moins propres que la biomasse peuvent ainsi être concentrés dans le ou les seconds systèmes, ce qui permet avantageusement d’optimiser le traitement des de ces fumées. La production du ou d’au moins un des seconds systèmes transite par un ballon du premier système, ce ballon permettant de collecter ensemble la vapeur d’eau, produite par le vaporiseur de la chaudière du premier système, et la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée, produites par la chaudière du second système. Le cas échéant, la production d’au moins un autre des seconds systèmes peut être directement admise à l’entrée du surchauffeur de la chaudière du premier système lorsque ce second système produit de la vapeur d’eau. Dans tous les cas, la production d’énergie par le ou les seconds systèmes peut être une production continue ou une production d’appoint, en étant, dans les deux cas, valorisée de façon maximale. Par ailleurs, le couplage selon l’invention peut permettre d’intervenir sur le ou les seconds systèmes, dont les conditions d’exploitation sont à l’origine de davantage de difficultés opérationnelles, sans que la production d’énergie ne soit interrompue grâce au maintien en service du premier système de production.

Des caractéristiques additionnelles avantageuses de l’installation et du procédé conformes à l’invention sont spécifiées aux revendications dépendantes.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant à la figure unique qui est un schéma d’une installation conforme à l’invention, mettant en oeuvre un procédé conforme à l’invention. Sur la figure 1 est représentée une installation de production d’énergie, comportant un premier système de production de vapeur d’eau 100 et un second système de production de vapeur d’eau et/ou d’eau surchauffée 200, ainsi qu’une unité de turbinage 300.

Le système 100 comporte une unité de combustion 101 conçue pour brûler de la biomasse. A titre d’exemples non limitatifs, la biomasse brûlée dans l’unité de combustion 101 est constituée de bois, notamment sous forme de copeaux, de granulés ou de fragments, de paille, de fourrage et/ou de bagasse de canne à sucre. Plus généralement, la biomasse envisagée ici est constituée de produits, déchets et résidus, composés d’une matière végétale agricole ou forestière susceptible d’être employée comme combustible en vue d’utiliser son contenu énergétique : par essence, la biomasse est une source d’énergie renouvelable et les produits, déchets et résidus qui la composent contiennent peu de chlore et font une combustion assez propre dans le sens où les fumées issues de leur combustion ne sont que peu corrosives et peu encrassantes pour les équipements traversés par ces fumées, ces fumées ne requérant ainsi qu’un traitement relativement simple. Les fumées résultant de la combustion par l’unité de combustion 101 sont référencées 1 sur la figure.

Le système 100 comprend également une chaudière 102 qui permet de transférer la chaleur des fumées 1 à de l’eau 2 alimentant cette chaudière. La chaudière 102 permet ainsi de récupérer une partie de l’énergie thermique résultant de la combustion de la biomasse. En sortie de la chaudière 102, les fumées, référencées 3 sur la figure, présentent une température moindre que les fumées 1 et sont envoyées à une unité de traitement de fumées 103 avant d’être rejetées. L’unité de traitement de fumées 103 relève d’une technologie connue et ne sera pas détaillée ici plus avant.

La chaudière 102 produit, à partir de l’eau 2 l’alimentant, de la vapeur d’eau 4 qui, en sortie de la chaudière, est envoyée à l’unité de turbinage 300 pour y être turbinée et produire ainsi de l’énergie, en particulier de l’énergie électrique. Pour produire la vapeur d’eau 4 à partir de l’eau 2, la chaudière 102 inclut :

- un économiseur 102.1 permettant d’élever la température de l’eau 2 alimentant la chaudière 102,

- un vaporiseur 102.2 permettant de vaporiser l’eau chauffée par l’économiseur 102.1 , et

- un surchauffeur 102.3 permettant de surchauffer la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 102.2, la vapeur d’eau surchauffée issue du surchauffeur 102.3 formant la vapeur d’eau 4. Chacun des éléments 102.1 , 102.2 et 102.3 correspond à un échangeur de chaleur, qui relève d’une technologie connue en soi et qui permet de récupérer l’énergie thermique des fumées 1.

La chaudière 102 inclut également un ballon 102.4 permettant de collecter la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 102.2 et d’alimenter avec cette vapeur d’eau le surchauffeur 102.3. Autrement dit, le ballon 102.4 sert à la fois de stockage de vapeur d’eau pour le vaporisateur 102.2 et de nourrice en vapeur d’eau pour le surchauffeur 102.3. En pratique, la vapeur d’eau contenue dans le ballon 102.4 est de la vapeur sèche ou humide : on entend par vapeur humide de la vapeur d’eau qui est à une température égale à la température de rosée pour la pression considérée, ou bien qui contient un peu d’eau sous forme liquide ; on entend par vapeur sèche de la vapeur d’eau qui est entièrement sous forme gazeuse et dont la température est supérieure à la température de rosée pour la pression considérée.

Suivant un mode opératoire préférentiel du système 100, la vapeur d’eau 4 produite par le surchauffeur 102.3 présente une température comprise entre 450 et 550°C et une pression comprise entre 80 et 130 bars relatifs, le système 100, en particulier son surchauffeur 102.3, étant adapté pour porter la vapeur d’eau 4 à ces niveaux de température et de pression.

On notera que, d’un point de vue fonctionnel, l’économiseur 102.1 , le vaporiseur 102.2, le surchauffeur 102.3 et le ballon 102.4 forment, au sein de la chaudière 102, un bloc intégré, à même de fournir la vapeur d’eau surchauffée 4 à partir de l’eau 2 alimentant ce bloc.

A l’extérieur de la chaudière 102, la vapeur d’eau 4 est turbinée par l’unité de turbinage 300, en y voyant changer sa condition thermodynamique, jusqu’à former, en sortie de l’unité de turbinage 300, un flux 5 admis dans une unité de refroidissement 400, telle qu’un aérocondenseur. L’unité de turbinage 300 comprend par exemple une turbine ou un turbo-alternateur. L’eau liquide 6 sortant de l’unité de refroidissement 400 est envoyée à un ballon de condensais 500. Un flux d’eau liquide, issu du ballon condensât 500, retourne à la chaudière 102, en constituant l’eau 2 alimentant cette chaudière, ce qui boucle ainsi le cycle thermodynamique de l’eau.

Le système 200 comporte, quant à lui, une unité de combustion 201 conçue pour brûler un combustible autre que de la biomasse. L’unité de combustion 201 diffère principalement de l’unité de combustion 101 en ce que les fumées 7 issues de l’unité de combustion 201 sont plus corrosives et encrassantes que celles issues de l’unité 101 , ce qui ne rend pas viable d’envoyer les fumées 7 à des échangeurs de chaleur qui opéreraient à un niveau de température aussi élevé que les éléments 102.1 , 102.2 et 102.3 de la chaudière 102. Suivant une forme de réalisation, le combustible apporté à l’unité de combustion 201 est constitué de déchets chlorés et/ou de CSR (Combustibles Solides de Récupération), l’unité de combustion 201 étant adaptée en conséquence.

Le système 200 comporte également une chaudière 202 qui permet de transférer la chaleur des fumées 7 issues de l’unité de combustion 201 à de l’eau 8 alimentant cette chaudière. En sortie de la chaudière 202, les fumées, référencées 9, présentent une température plus basse que les fumées 7 et sont envoyées à une unité de traitement de fumées 203 avant d’être rejetées. Dans la mesure où, comme expliqué plus haut, les fumées issues de l’unité de combustion 201 sont plus sales que les fumées issues de l’unité de combustion 101 , le traitement mis en œuvre par l’unité de traitement de fumées 203 est usuellement plus complexe que celui mis en œuvre par l’unité de traitement de fumées 103. En pratique, l’unité de traitement de fumées 203 relève d’une technologie connue en soi et ne sera pas détaillée ici plus avant.

L’eau 8 alimentant la chaudière 202 provient du ballon de condensais 500 et forme, en sortie de la chaudière 202, un flux 10 constitué de vapeur d’eau et/ou d’eau surchauffée. A cet effet, la chaudière 202 inclut un économiseur 202.1 , permettant d’élever la température de l’eau 8 alimentant la chaudière 202, et un vaporiseur 202.2 permettant de vaporiser et/ou de surchauffer l’eau chauffée par l’économiseur 202.1 , de manière à produire la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée 10 sortant de la chaudière 202.

La vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée 10 sont envoyées au ballon 102.4 du système 100, et ce totalement et directement, dans le sens où tout ou partie de cette vapeur d’eau et/ou de cette eau surchauffée 10 n’est pas introduite à l’unité de turbinage 300 sans transiter par la chaudière 102 du système 100. Ainsi, la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée 10 produites par la chaudière 202 se retrouvent, dans le ballon 102.4, mélangées avec la vapeur d’eau produite par le vaporisateur 102.2 de la chaudière 102, pour former la vapeur d’eau alimentant le surchauffeur 102.3 de la chaudière 102. Le ballon 102.4 est ainsi conçu pour, dans un même volume interne à ce ballon, contenir ensemble la vapeur d’eau produite par le vaporisateur 102.4 et la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée 10 produites par la chaudière 202. En pratique, pour permettre la circulation et la régulation du flux de vapeur d’eau et/ou d’eau surchauffée 10 entre les chaudières 102 et 202, la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée 10 sont produites par la chaudière 202 à une pression supérieure, en particulier légèrement supérieure, à la pression du volume interne du ballon 102.4. Par ailleurs, suivant une disposition optionnelle avantageuse, le ballon 102.4 est équipé, à son entrée, d’un mélangeur, permettant de recevoir de manière distincte puis de mélanger la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 102.2 et la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée 10 produites par la chaudière 202, avant d’envoyer le mélange résultant dans le volume interne du ballon 102.4.

Notamment pour faciliter le transport du flux de vapeur d’eau et/ou d’eau surchauffée 10 depuis la chaudière 202 jusqu’au ballon 102.4, ce flux 10 est majoritairement, voire exclusivement constitué de vapeur d’eau, de préférence de vapeur d’eau sèche. A cet égard, il est particulièrement avantageux que, à titre optionnel, la chaudière 202 inclut un surchauffeur 202.3, qui est indiqué en pointillés sur la figure 1 et qui permet de surchauffer la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 202.2 avant que cette vapeur d’eau ne sorte de la chaudière 202 pour constituer le flux 10 envoyé au ballon 102.4 : en surchauffant ainsi la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 202.2, on peut s’assurer que cette vapeur d’eau est sèche, évitant ainsi sa condensation entre sa sortie de la chaudière 202 et son entrée dans le ballon 102.4 ; à cet effet, le surchauffeur 202.3 est avantageusement adapté pour porter la vapeur d’eau surchauffée, constituant alors le flux 10 envoyé au ballon 102.4, à une température d’au moins 10°C au-dessus de sa température de rosée à la pression concernée.

On notera que, d’un point de vue fonctionnel, l’économiseur 202.1 et le vaporiseur

202.2, ainsi que, le cas échéant, le surchauffeur 202.3, forment, au sein de la chaudière 202, un bloc intégré, à même de fournir la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée 10 envoyées au ballon 102.4, à partir de l’eau 8 alimentant ce bloc. De plus, dans tous les cas, dans la mesure où les éléments 202.1 et 202.2, ainsi que, le cas échéant, l’élément

202.3, de la chaudière 202 sont des échangeurs de chaleur qui opèrent à un niveau de température moindre que les éléments 102.1 , 102.2 et 102.3 de la chaudière 102 du fait que les fumées 7 sont plus corrosives et encrassantes que les fumées 1 , la température du flux de vapeur d’eau et/ou d’eau surchauffée 10 est nécessairement inférieure à celle de la vapeur d’eau 4 sortant de la chaudière 102 et alimentant l’unité de turbinage 300. Suivant un mode opératoire préférentiel, la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée 10 sont ainsi produites par la chaudière 202 à une température qui est à la fois comprise entre 250 et 400°C, de préférence entre 250 et 380°C, et inférieure d’au moins 100°C à la température de la vapeur d’eau 4 : de cette façon, les éléments 202.1 et 202.2, ainsi que, le cas échéant, l’élément 202.3, de la chaudière 202 opèrent à des températures où le risque de leur corrosion et/ou encrassement par dépôts et sels fondus est limité.

Ainsi, le système 200 est couplé au système 100 dans le sens où, d’une part, la vapeur d’eau et/ou l’eau surchauffée 10 produites par la chaudière 202 sont envoyées totalement et directement au ballon 102.4 du système 100 et, d’autre part, l’eau 8 alimentant la chaudière 202 est issue du ballon de condensais 500 collectant l’eau condensée résultant du turbinage de la vapeur d’eau 4 issue de la chaudière 102. Dans l’installation couplant ainsi les systèmes 100 et 200, une unique unité de turbinage, à savoir l’unité de turbinage 300, est prévue, en étant alimentée exclusivement par la chaudière 102 sous forme du flux de vapeur d’eau 4 résultant du surchauffage de la combinaison de tous les flux de vapeur d’eau et d’eau surchauffée collectés par le ballon 102.4.

A titre de variante, plusieurs systèmes secondaires, qui sont chacun fonctionnellement similaires au système 200 de la figure 1 , peuvent être couplés au système 100. Dès lors, tous les flux de vapeur d’eau et/ou d’eau surchauffée produits par les différents systèmes secondaires peuvent transiter par le ballon 102.4 ou bien au moins un de ces flux peut, lorsque ce flux est constitué de vapeur d’eau, de préférence de vapeur d’eau sèche, être directement admis à l’entrée du surchauffeur 102.3 pour alimenter ce dernier conjointement à la vapeur d’eau produite par le vaporiseur 102.2. Dans ces variantes, peuvent avantageusement s’appliquer des considérations similaires à celles développées plus haut, concernant les différentiels de température et de pression entre les chaudières 102 et 202.

L’installation décrite jusqu’ici et le procédé mis en oeuvre par cette installation présentent des avantages multiples.

En particulier, le couplage des systèmes 100 et 200 permet une valorisation énergétique de combustibles moins nobles que la biomasse, telle que des déchets chlorés et des CSR, tout en conservant un cycle thermodynamique optimisé pour l’unité de turbinage 300, et tout en limitant les risques de corrosion et d’encrassement de la chaudière 202.

Par ailleurs, l’unité de combustion 101 peut être opérée de manière à réguler la production totale d’énergie par l’installation couplant les systèmes 100 et 200. Cette régulation peut par exemple être prévue pour atteindre une valeur cible, demandée par un distributeur d’électricité auquel est délivrée l’électricité produite par l’unité de turbinage 300. Pour ce faire, l’alimentation de l’unité de turbinage 300 avec la vapeur d’eau surchauffée 4 produite par la chaudière 102 est maintenue à une valeur prédéterminée, liée à la valeur cible précitée de la production d’énergie, en régulant le système 100 en fonction de variations du flux de vapeur d’eau et/ou d’eau surchauffée 10 envoyé par la chaudière 202 à la chaudière 102 : en pratique, les variations précitées résultent du niveau effectif de production de vapeur d’eau et/ou d’eau surchauffée par le système 200, notamment en lien avec la nature des combustibles alimentant l’unité de combustion 201 , et résultent aussi du possible arrêt du système 200, notamment lorsque ce dernier ne fonctionne pas en continu mais pour une production d’appoint, ou bien lorsque le système 200 doit être arrêté pour intervenir sur tout ou partie de ce système 200. Plus globalement, quel que soit l’état de fonctionnement du système 200, l’installation assure une production d’énergie, notamment d’électricité, grâce au système 100 et à l’unité de turbinage 300.

Enfin, divers aménagements et variantes à l’installation et au procédé décrits jusqu’ici sont envisageables.