PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION D'UN TAUX D'HUMIDITE D'UNE MATIERE ORGANIQUE UTILISEE COMME COMBUSTIBLE

DESCRIPTION

Domaine technique

La présente invention concerne un procédé de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière pour matière organique, le dispositif mettant en œuvre ledit procédé de l'invention, ainsi qu'un procédé de détermination des performances de ladite chaudière.

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 cabibrage, 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 cm ² 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 élevée 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.

II 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 sensible 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 condensais 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 taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière ainsi que le rendement de ladite chaudière, 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 développer un matériel spécifique pour la mesure de l'humidité des fumées à partir de la mesure du débit d'eau condensée dans le dispositif séchage des fumées par refroidissement et condensation de leur humidité.

Pour ce faire, les inventeurs ont mis au point un dispositif de mesure de l'humidité des fumées par l'appréciation du débit de condensais généré lors du séchage par refroidissement des fumées. Il repose sur le principe de la figure 1 décrit ci-après :

1 ) les fumées arrivent directement dans un groupe froid ou condenseur sans passer par une sonde de mesure d'oxygène humide Û2h ;

2) le débit de condensais est mesuré à l'aide d'un micro-débitmètre (quelques ml/h) ;

3) le débit de fumées qui passent dans le condenseur est mesuré ;

4) l'humidité brute des fumées est calculée (débit micro-débitmètre / débit des fumées) ;

5) connaissant la température du condenseur, l'humidité résiduelle est ajoutée à l'humidité brute pour obtenir l'humidité réelle des fumées.

La présente invention a donc pour objet un procédé de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière comportant un conduit de fumées pour évacuer les fumées de combustion de la matière organique dans la chaudière, caractérisé en ce qu'on réalise un prélèvement de fumées dans le conduit de fumées, on détermine le taux d'humidité dans les fumées prélevées par mesure du débit des condensais généré lors du séchage par refroidissement desdites fumées dans un condenseur, et on détermine le taux d'humidité de la matière organique en fonction du taux d'humidité des fumées et du taux d'oxygène dans les fumées prélevées au même endroit et après assèchement desdites fumées dans un condenseur.

Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, ledit procédé de détermination de taux d'humidité comprend : a) la mesure du débit des condensais générés dans le condenseur des fumées prélevées arrivant directement dans le condenseur, par refroidissement et condensation de leur humidité ;

b) la mesure du débit des fumées sèches en aval du condenseur ;

c) la mesure du taux d'humidité brute des fumées à partir des mesures des étapes a) et b) ;

d) la mesure de l'humidité réelle des fumées à partir de la mesure de l'étape c) à laquelle on ajoute la valeur de l'humidité résiduelle subsistant dans les fumées en sortie de condenseur et évaluée à partir de la température et de la pression dans le condenseur.

Comme le montre la figure 2, les fumées sont prélevées par une ligne de prélèvement chauffée (1 ) dans la cheminée. Cette ligne les maintient à 160°C pour éviter tout risque de condensation en amont du condenseur. La liaison avec le condenseur doit être parfaitement isolée thermiquement.

Les fumées passent ensuite dans le condenseur ou groupe froid (2), qui comprend une machine frigorifique qui va abaisser la température des fumées à environ 5°C.

Les condensais sont extraits du condenseur par une pompe péristaltique (3) avant d'arriver dans le dispositif de mesure de leur débit (4).

Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, le débit des condensais de l'étape a) dudit procédé de détermination de taux d'humidité est mesuré après extraction des condensais du condenseur, par exemple par une pompe péristaltique, par un micro-débitmètre, ou par une mesure dynamique de masse d'un récipient qui recueille ces condensais et qui s'autovidange lorsqu'il est plein.

Ce dispositif de mesure peut être de différentes natures. Il doit permettre de mesurer un débit de 0,3 à 60 ml d'eau/h, donc très faible. La mesure doit être faite en automatique. Les solutions de mesure imaginées sont détaillées ci-après, elles en représentent une innovation essentielle.

En sortie de condenseur les fumées passent sur une sonde de mesure de l'oxygène sur fumées sèches (5).

Une sonde de pression est raccordée sur le circuit des fumées en sortie de condenseur (6). Elle permet d'apprécier en continu la pression du condenseur pour réaliser la correction de teneur en humidité résiduelle des fumées en sortie condenseur.

Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, la pression du condenseur dudit procédé de détermination de taux d'humidité est mesurée en continu par une sonde de pression située en sortie du condenseur.

Les fumées passent ensuite dans une pompe d'aspiration (7).

Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, les fumées sèches dudit procédé de détermination de taux d'humidité sont aspirées par une pompe placée en aval de la sonde de pression.

En aval de la pompe les fumées sèches passent dans un organe de régulation du débit (8) qui peut être de différents types (par exemple venturi) il a pour fonction de maintenir un débit constant dans le dispositif. Elles arrivent ensuite dans un organe de mesure de leur débit (9) qui doit être capable de mesurer des débits compris entre 30 et 120 l/h. Cet organe doit faire une mesure automatique. Il pourra être constitué de tout dispositif suffisamment précis (par exemple : débitmètre massique, rotamètre à lecture automatique,...).

Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, un débit constant des fumées dudit procédé de détermination de taux d'humidité est maintenu par un organe de régulation du débit (8) situé en aval de la pompe d'aspiration.

Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, le débit des fumées dudit procédé de détermination de taux d'humidité est mesuré par un organe de mesure situé en aval de l'organe de régulation du débit et de la pompe d'aspiration.

Un calculateur (1 1 ) fournit la teneur en eau des fumées à partir du débit de condensais, du débit de fumées sèches. Il corrige cette valeur de la teneur en eau résiduelle des fumées en sortie de condenseur, elle-même calculée avec la pression du condenseur et sa température « résultante » moyenne, évaluée lors de la phase de calibrage du dispositif (description de la méthode ci-dessous 5.2.3). Le calculateur fournit aussi, en utilisant en plus des données sur la température et l'humidité de l'air de combustion (10), sur la teneur en oxygène des fumées séchées (5), l'humidité du combustible. Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, la teneur en eau des fumées dudit procédé de détermination de taux d'humidité est mesurée par un calculateur, à partir du débit des condensais et du débit des fumées sèches.

La mesure du débit des condensais est le point le plus délicat du dispositif. Ce débit est très faible et il doit être mesuré sur un fluide qui n'est pas en charge (goutte à goutte en sortie de pompe péristaltique). Deux solutions sont retenues à ce stade qui sont représentées dans la figure 3 :

1 - une mesure avec un dispositif à augets basculant (type pluviomètre), dans ce cas un index est incrémenté à chaque basculement,

2- un dispositif avec un récipient sur une mini balance et donc mesure dynamique du poids de condensais. Un tel dispositif peut lui aussi être basculant, ou équipé d'un dispositif électromécanique qui le vide une fois plein. Le dispositif de mesure de la masse doit reconnaître le moment ou la masse décroit (vidange) pour réinitialiser la mesure.

Dans le dispositif mécanique le récipient (1 ) est monté sur un axe de basculement et est équipé d'un contrepoids (5) et d'un syphon (4). L'ensemble est monté sur une balance (2) reliée à un calculateur (3).

Dans le dispositif électromécanique le récipient (6) est équipé d'un contact de niveau haut (9) et d'une électrovanne de vidange (10). Le calculateur (7) déclenche l'ouverture de l'électrovanne quand le niveau haut est atteint.

Toute autre solution permettant de mesurer de très faibles débits de liquide dans ces conditions est également utilisable dans le procédé de l'invention.

L'humidité résiduelle des fumées en sortie de coffret est mesurée, qui permet de remonter à la température de condensation « résultante » du groupe froid ou condenseur ; c'est-à-dire la température effective moyenne à laquelle les fumées sont soumises dans le groupe froid ou condenseur. Cette température est celle qui doit être rentrée dans le calculateur. Un exemple de la solution de détermination de la température résultante du condenseur est présenté dans le tableau ci-dessous :



Le volume de fumées en sortie du piège à froid condenseur peut aussi être mesuré à l'aide d'un compteur volumétrique de gaz, plutôt qu'avec un rotamètre et un chronomètre.

A partir des mesures effectuées, la formule de calcul de l'humidité des fumées(en %) est déterminée :

(^condensât A _I_ LJ n

-j _^ g ^■ J T n résiduelle fumées ^{■ u} fumées

Avec Dœndensat : débit des condensais qui est mesuré en sortie du groupe froid (g/h) Dfumées : Débit des fumées en sortie du groupe froid (en Nl/h)

Hrésidueiie fumées : Humidité résiduelle des fumées en sortie du groupe froid (en %)

^Hmas résiduelle

18

boit . n _{r s} i(i _ue ii _e fumées _î ooo Hmas

_l_ résiduelle * 22 4

1,29 18

Avec : Hmas résiduelle : humidité résiduelle des fumées mesurée lors de la phase de calibrage du groupe froid (en g d'eau/kg de fumées sèches)

_ Psat _H2 o

Soit : ^résiduelle fumées _p

^ coffret

Avec : PsatH2o : pression de vapeur saturante à la température résultante du condenseur

Psat _H20 = 0,0366. T _cond ² + 0,1106. T _cond + 6,7975

Avec : T∞nd : température de condensation résultante mesurée lors de la phase de calibrage du condenseur

Pcoffret : pression dans le coffret Ecrin mesurée en aval du condenseur

Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, le procédé de détermination de taux d'humidité comprend en outre les corrections de mesures suivantes :

- 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.

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 de la matière organique, par exemple 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 ou d'ammoniaque et d'eau. Or après réaction, l'urée ou l'ammoniaque produisent 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 ou d'ammoniaque et d'eau introduites dans la chaudière et les traduire en concentration en eau dans les fumées.

La présente invention a également pour objet un dispositif de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière 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 comporte des moyens de prélèvements des fumées dans le conduit des fumées, et des moyens de mesure aptes à déterminer un taux d'humidité de la matière organique en fonction du taux d'humidité des fumées mesuré dans les fumées prélevées et du taux d'oxygène des fumées mesuré dans les fumées prélevées au même endroit et après assèchement desdites fumées dans un condenseur, lesdits moyens de mesure mettant en œuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes.

Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, les moyens de mesure dudit dispositif de détermination de taux d'humidité comprennent :

- une sonde de mesure d'oxygène ;

- un condenseur de fumées ;

- un système d'extraction des condensais du condenseur, par exemple une pompe péristaltique ;

- un micro-débitmètre, ou un système de pesée dynamique pour mesurer le débit des condensais;

- une sonde de pression ;

- une pompe d'aspiration ; - un organe de régulation du débit des fumées ;

- un organe de mesure du débit des fumées ;

- une sonde de mesure de l'humidité relative et de la température de l'air comburant ;

- un dispositif pour mesurer les débits de réactif injectés en cas de traitement deNOx des fumées ; et

- un calculateur de la teneur en eau des fumées et de l'humidité de la matière organique utilisée comme combustible.

La présente invention a également 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 :

a) la détermination du taux d'humidité dans les fumées de combustion prélevées dans le conduit de fumées et du taux d'oxygène des fumées prélevées au même endroit et après assèchement desdites fumées dans un condenseur, mettant en œuvre un procédé de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique selon l'invention ;

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) ;

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 g).

Selon les étapes a) et b), le prélèvement de fumées, la détermination du taux d'humidité dans les fumées par une mesure de débit de condensât extrait des fumées dans un condenseur, et la détermination du taux d'humidité de la matière organique peuvent être réalisés en continu.

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 utile d'apporter des corrections sur plusieurs des mesures réalisées dans le cadre du procédé, comme explicité ci- après.

Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, ledit procédé de détermination des performances d'une chaudière pour matière organique comprend en outre les corrections de mesures suivantes :

- 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.

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 de la matière organique, par exemple 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 ou d'ammoniaque et d'eau. Or après réaction, l'urée ou d'ammoniaque produisent 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 ou d'ammoniaque et d'eau introduites dans la chaudière et les traduire en concentration en eau dans les fumées.

Brève Description des figures

- La figure 1 représente le principe de mesure de l'humidité des fumées par l'intermédiaire du débit de condensât.

- La figure 2 représente le schéma fluidique général du dispositif de de mesure de l'humidité des fumées par l'intermédiaire du débit de condensât.

- La figure 3 représente les deux solutions de mesure du débit de condensais. La figure 4 représente le schéma d'une chaudière comportant un dispositif selon l'invention.

La figure 5 représente le schéma du procédé 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 4).

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 point du conduit, de préférence proche de la chaudière. Comme le montre la figure 1 , les fumées prélevées arrivent directement dans un groupe froid ou condenseur sans passer par une sonde de mesure d'oxygène humide Û2h ; le débit de condensât est mesuré à l'aide d'un micro-débitmètre (quelques ml/h) ; le débit de fumées qui passent dans le condenseur est mesuré ; l'humidité brute des fumées est calculé (débit micro-débitmètre / débit des fumées) ; et connaissant la température du condenseur, l'humidité résiduelle est ajoutée à l'humidité brute pour obtenir l'humidité réelle des fumées. Le condenseur amène les fumées à une température comprise entre 0°C et 5°C, pour les condenser. 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) 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 5 présentées ci-dessous de manière chronologique :

^> © Equation générale de la combustion du bois

Volumes (pouvoirs) comburivore sec et fumigène sec

^■ =! © Taux d'oxygène sur fumées sèches + Volume comburivore sec VAS + Volume fumigène sec VFS

Excès d'air

^■ =! © Excès d'air + Humidité des fumées + Taux d'oxygène sur fumées sèches + Composition du bois

Humidité du bois > j> PCI du bois humide sans cendres

^■ =! © Débit volumique des fumées

XL

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 Mb _S 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 Nm ³ /mol de bois sec.

Les calculs suivants sont effectués par cycle.

On peut considérer que le taux d'oxygène des fumées sèches (A) est directement la valeur d'oxygène mesurée par la sonde d'oxygène sec, ou que ce taux est calculé en corrigeant la valeur d'oxygène mesurée par le sonde sec 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

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 5, on détermine l'humidité des fumées Hf, à partir de la mesure du débit d'eau condensée dans le dispositif de séchage des fumées par refroidissement et condensation de leur humidité, comme décrit précédemment dans la partie description de l'invention et de la correction de cette valeur de l'humidité résiduelle des fumées en sortie du dispositif de séchage..

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 5. 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 :

_{T T} ^m H20

¾ VT ^~

m _H 2o + M _bs Avec ΠΠΗ20 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

[en Nm ³ /mol de bois]

et

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 ;

V _m le volume molaire dans les conditions normales de température et de pression, et vaut 0,0224 Nm ³ /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 l'humiditéde 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 5, 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 5, 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 5 ©. 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 5 ⁽ D.

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 brut 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.

On peut intégrer à ces calculs les corrections de mesure 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 fournir un système de détermination d'un taux d'humidité d'une matière organique utilisée comme combustible dans une chaudière qui soit fiable, précis et réactif. Ledit système étant caractérisé par un principe de mesure de l'humidité des fumées (en %) par une mesure de débit de condensât extrait des fumées dans un condenseur; qui repose essentiellement sur un assemblage spécifique des éléments du dispositif de l'invention pour la mesure en continu d'un très petit débit de condensais et dans une conduite qui n'est pas en charge (0,5 à 30 ml/h), ainsi que sur l'utilisation de formules de correction qui permettent de corriger cette mesure (e.g. débitmètre à auget utilisé sur les pluviomètres). La présente invention permet également 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 le système de détermination ci-dessus, pour arriver aux performances de la chaudière, et la mise en place de corrections indispensables pour obtenir des mesures fiables et précises.

Liste de références

1. Brevet FR 3020139

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