WO2018211192A1 - Method and device for determining a moisture content of an organic material used as a fuel - Google Patents
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- WO2018211192A1 WO2018211192A1 PCT/FR2018/051008 FR2018051008W WO2018211192A1 WO 2018211192 A1 WO2018211192 A1 WO 2018211192A1 FR 2018051008 W FR2018051008 W FR 2018051008W WO 2018211192 A1 WO2018211192 A1 WO 2018211192A1
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Definitions
- the present invention relates to a method for determining a moisture content of an organic material used as a fuel in a boiler for organic matter, the device implementing said method of the invention, and a method for determining the performance of said boiler.
- 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).
- the humidity of the biomass is the most impacting parameter on its PCI.
- the ash rate is also important but its value generally fluctuates in a small range (0.5 to 3%) so that one can get rid of its measurement.
- the measure of the PCI is thus done by the measurement of the humidity.
- a device was developed and marketed by the company Bestwood (Sweden) which consists of a laser spectrometer connected to an optical fiber which can be mounted on a prick probe at the end of an automatic arm; which then makes it possible to measure the moisture content of the delivery trucks before unloading, or mounted above a conveyor belt to thus assess the moisture of the biomass during conveying, for example at the boiler inlet.
- 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 develop a specific material for measuring the humidity of the fumes from the measurement of the flow of condensed water in the device drying fumes by cooling and condensation of their moisture .
- the subject of the present invention is therefore a process for determining a moisture content of an organic material used as a fuel in a boiler comprising a flue gas duct for evacuating combustion fumes from the organic material in the boiler, characterized in that if a flue gas sampling is carried out in the flue gas duct, the moisture content in the flue gases taken by measuring the flow rate of the condensates generated during the drying by cooling said flue gases in a condenser is determined, and the firing rate is determined. humidity of the organic material as a function of the moisture content of the fumes and the oxygen content in the fumes taken at the same place and after drying of said fumes in a condenser.
- said method for determining humidity content comprises: a) measuring the flow rate of the condensates generated in the condenser of the collected fumes arriving directly in the condenser, by cooling and condensation of their moisture;
- step d) measuring the actual humidity of the fumes from the measurement of step c), to which is added the value of residual moisture remaining in the flue gas leaving the condenser and evaluated from the temperature and the pressure in the condenser.
- the fumes are taken by a heated sampling line (1) in the chimney. This line maintains them at 160 ° C to avoid any risk of condensation upstream of the condenser.
- the connection with the condenser must be perfectly thermally insulated.
- the fumes then pass into the condenser or cold unit (2), which includes a refrigerating machine that will lower the flue gas temperature to about 5 ° C.
- the condensates are extracted from the condenser by a peristaltic pump (3) before arriving in the device for measuring their flow (4).
- the flow rate of the condensates of step a) of said moisture content determination method is measured after extraction of the condensates from the condenser, for example by a peristaltic pump, by a microswitch. flow meter, or by a dynamic mass measurement of a container that collects these condensates and self-draining when full.
- This measuring device can be of different natures. It must measure a flow rate of 0.3 to 60 ml of water / h, so very low. The measurement must be done automatically.
- the imagined measurement solutions are detailed below, they represent an essential innovation.
- a pressure sensor is connected to the flue gas circuit at the outlet of the condenser (6). It allows to appreciate continuously the pressure of the condenser for perform the correction of the residual moisture content of the flue gases at the condenser outlet.
- the pressure of the condenser of said moisture content determination method is continuously measured by a pressure probe located at the outlet of the condenser.
- the fumes then pass into a suction pump (7).
- the dry fumes of said humidity determination method are sucked by a pump placed downstream of the pressure probe.
- a flow control device which can be of different types (for example venturi) and its function is to maintain a constant flow rate in the device. They then arrive in a device for measuring their flow rate (9) which must be able to measure flow rates of between 30 and 120 l / h.
- This body must make an automatic measurement. It may consist of any sufficiently precise device (for example: mass flow meter, rotameter with automatic reading, etc.).
- a constant flow rate of the fumes of said moisture content determination method is maintained by a flow control member (8) located downstream of the suction pump.
- the flue gas flow rate of said moisture content determination method is measured by a measuring member located downstream of the flow control member and the suction pump.
- a calculator (1 1) provides the water content of the flue gases from the condensate flow rate, the dry flue gas flow rate. It corrects this value of the residual water content of the flue gases at the condenser outlet, itself calculated with the pressure of the condenser and its average "resultant" temperature, evaluated during the calibration phase of the device (description of the method below). below 5.2.3).
- the computer also provides, using in addition data on the temperature and humidity of the combustion air (10), the oxygen content of the dried fumes (5), the fuel moisture.
- the water content of the fumes of said humidity determination method is measured by a computer, from the condensate flow rate and the dry flue gas flow rate.
- 2- a device with a container on a mini scale and therefore dynamic measurement of the weight of condensates.
- a device can also be tilting, or equipped with an electromechanical device that empties it once full.
- the mass measuring device must recognize the moment when the mass decreases (emptying) to reset the measurement.
- the container (1) is mounted on a tilting axis and is equipped with a counterweight (5) and a siphon (4).
- the assembly is mounted on a scale (2) connected to a computer (3).
- the container (6) is equipped with a high level contact (9) and a drain solenoid valve (10).
- the computer (7) triggers the opening of the solenoid valve when the high level is reached.
- the residual humidity of the flue gases at the cabinet outlet is measured, which makes it possible to go back to the "resulting" condensing temperature of the cold unit or condenser; i.e. the average effective temperature at which the fumes are subjected in the cold or condenser unit.
- This temperature is the temperature that must be entered into the calculator.
- An example of the solution for determining the resulting temperature of the condenser is shown in the table below:
- the volume of flue gas at the outlet of the condenser cold trap can also be measured using a volumetric gas meter rather than with a rotameter and stopwatch.
- Hidesidueiie fumes Residual humidity of the fumes at the outlet of the cold group (in%)
- Residual HMA Residual smoke humidity measured during the calibration phase of the cold unit (in g of water / kg of dry smoke)
- T ⁇ nd resultant condensing temperature measured during the condenser calibration phase
- the method for determining humidity content further comprises the following correction measures:
- the ambient air comprises between 0.8 and 2% of moisture, which must be deduced from the humidity of the fumes to obtain the water coming from the organic matter, by example of wood. It is therefore necessary to measure this humidity.
- the usual equipment used (climatic engineering) perform measurements of the relative humidity in% (humidity / humidity at saturation in water at the given temperature), which must be associated with a measurement of dry temperature (air temperature). ) to obtain the absolute humidity in% (volume of water / total volume of air).
- DeNOx treatment can be carried out by introducing into the furnace of the boiler a reagent consisting of urea or ammonia and water. But after reaction, urea or ammonia also produce water. It is therefore necessary to deduce these quantities of water from those initially contained in the fumes because they do not come from the water of the organic matter. For this, it is necessary to measure the flow rates of urea or ammonia and water introduced into the boiler and translate them into water concentration in the fumes.
- the present invention also relates to a device for determining a moisture content of an organic material used as a fuel in a boiler comprising a flue gas duct to evacuate the flue gases from the organic material in the boiler, said device characterized in that it comprises smoke sampling means in the flue gas duct, and measuring means able to determine a moisture content of the organic material as a function of the smoke moisture content measured in the flue gases. sampled and the oxygen content of the fumes measured in the fumes taken at the same place and after drying said fumes in a condenser, said measuring means implementing a method according to one of the preceding claims.
- the measuring means of said humidity determination device comprise:
- a condensate extraction system of the condenser for example a peristaltic pump
- the present invention also relates to a process for determining the performance of a boiler for an organic material comprising a flue gas duct for evacuating combustion flue gases from the organic material in the boiler, said method comprising:
- step b) determining the moisture content of the organic material used as fuel from the measurements of step a);
- the sampling of fumes, the determination of the moisture content in the fumes by a condensate flow measurement extracted from smoke in a condenser, and the determination of the moisture content of the organic material can be carried out continuously.
- 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 optimally and automatically adjusted, particularly with regard to the quality of the fumes.
- the organic material may be wood. According to the invention, it has also been useful to make corrections on several of the measurements carried out within the framework of the method, as explained hereinafter.
- said method for determining the performance of a boiler for organic matter also comprises the following correction measures:
- the ambient air comprises between 0.8 and 2% of moisture, which must be deduced from the humidity of the fumes to obtain the water coming from the organic material, for example wood. It is therefore necessary to measure this humidity.
- the usual equipment used (climatic engineering) perform measurements of the relative humidity in% (humidity / humidity at saturation in water at the given temperature), which must be associated with a measurement of dry temperature (air temperature). ) to obtain the absolute humidity in% (volume of water / total volume of air).
- DeNOx treatment can be carried out by introducing into the furnace of the boiler a reagent consisting of urea or ammonia and water. Or after reaction, urea or ammonia also produce water. It is therefore necessary to deduce these quantities of water from those initially contained in the fumes because they do not come from the water of the organic matter. For this, it is necessary to measure the flows of urea or ammonia and water introduced into the boiler and translate them into water concentration in the fumes.
- FIG. 1 shows the principle of measuring the humidity of the fumes via the condensate flow.
- FIG. 2 represents the general fluid diagram of the device for measuring the humidity of the fumes via the condensate flow.
- FIG. 4 represents the diagram of a boiler comprising a device according to the invention.
- FIG. 5 represents the diagram of the method according to the invention. Detailed description of 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 4).
- 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 smoke sampling means (5) are arranged at a point in the duct, preferably close to the boiler.
- the condenser brings the fumes to a temperature between 0 ° C and 5 ° C, to condense them.
- 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) 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 5 presented below chronologically:
- the oxygen content of the dry fumes (A) is directly the oxygen value measured by the dry oxygen probe, or that this rate is calculated by correcting the oxygen value measured by the dry probe. depending on the cooling temperature of the dryer, considering a gas saturated with moisture at this temperature and 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.
- the humidity of the flue gases Hf is determined from the measurement of the flow of water condensed in the flue gas drying device by cooling and condensation of their moisture, as described above in the description part of the invention and the correction of this value of the residual humidity of the fumes at the outlet of the drying device.
- the humidity of the wood Hb is determined during the step 14 of FIG. 5. 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 the 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.
- 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 As a result of the power supplied by the fuel, an instantaneous efficiency of the boiler in step 19 of FIG. 4 ® is deduced.
- 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 present invention provides a system for determining a moisture content of an organic material used as fuel in a boiler that is reliable, accurate and responsive.
- Said system being characterized by a principle of measuring the humidity of the fumes (in%) by a measurement of condensate flow extracted from the fumes in a condenser; which is based essentially on a specific assembly of the elements of the device of the invention for the continuous measurement of a very small condensate flow and in a pipe which is not in charge (0.5 to 30 ml / h), as well as the use of correction formulas to correct this measure (eg bucket flowmeter used on rain gauges).
- the present invention also 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 the above determination system, to arrive at the boiler performance, and the implementation of necessary corrections to obtain reliable and accurate measurements.
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Abstract
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION D'UN TAUX D'HUMIDITE D'UNE MATIERE ORGANIQUE UTILISEE COMME COMBUSTIBLE METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING A MOISTURE RATE OF AN ORGANIC MATERIAL USED AS A FUEL
DESCRIPTION DESCRIPTION
Domaine technique Technical area
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. The present invention relates to a method for determining a moisture content of an organic material used as a fuel in a boiler for organic matter, the device implementing said method of the invention, and a method for determining the performance of said boiler.
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. 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.
Dans la description ci-dessous, les références entre crochets ([ ]) renvoient à la liste des références présentée à la fin du texte. In the description below, references in brackets ([]) refer to the list of references at the end of the text.
Etat de la technique State of the art
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. Currently, it is not easy to know instantaneously the performance of a boiler burning organic matter such as wood in fragmented form.
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. Indeed, biomass fuels have very variable qualities in terms of nature, origin, particle size, density, moisture content and / or composition, and ultimately calorific value.
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. Currently, it is not possible to measure continuously, at a cost and at a cost that is compatible with their market value, the composition of these fuels (in particular their moisture content) and their flow rate at the boiler inlet. Now these two information make it possible to calculate the instantaneous power provided by the fuel.
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). Continuous knowledge of the fuel moisture would automatically adjust the settings of the boiler (recipes) so gain in precision and energy efficiency. It would also make it possible to continuously calculate the fuel cost of the fuel and to make reliable the delivery payment transactions that are currently based on the delivered tonnage weighted by the humidity measured on a sample on each load. Lastly, it would make it possible to greatly improve operating performance calculations (particularly on cogeneration plants that must contractually obtain minimum returns).
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. The knowledge of the instantaneous yield must for its part allow the operator to better pilot a boiler to favor over the season the generators that have the best performance, and to alert of an abnormal degradation of their 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). Over time, it has become apparent that the simple value of smoke moisture, which is an intermediate value generated by the calculation process, is a parameter that is increasingly used. For example, 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. To make the correction, it is therefore necessary to have a measurement of the moisture content of the fumes. For example, 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).
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 .). To date, in commercialization, there is no complete solution meeting the market need described above. On the other hand, some companies propose elements of response, but which are either partial or at prices that are incompatible with the financial means of the companies, or which are not adapted to certain contexts (eg fuel too variable for direct measurements, smokes too aggressive , 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. The humidity of the biomass is the most impacting parameter on its PCI. The ash rate is also important but its value generally fluctuates in a small range (0.5 to 3%) so that one can get rid of its measurement. On the boiler rooms the measure of the PCI is thus done by the measurement of the humidity. To do this, a device was developed and marketed by the company Bestwood (Sweden) which consists of a laser spectrometer connected to an optical fiber which can be mounted on a prick probe at the end of an automatic arm; which then makes it possible to measure the moisture content of the delivery trucks before unloading, or mounted above a conveyor belt to thus assess the moisture of the biomass during conveying, for example at the boiler inlet. Although this is the only non-destructive method of accurately measuring biomass moisture, its purchase and maintenance price over several years is far too high. Several companies market optical devices using the near infrared for measuring biomass moisture at the boiler inlet, such as the NTIR device marketed by Berthold or Edit. 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. Although 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. However, 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.
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 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 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. Many other materials are marketed for the continuous measurement of smoke moisture but none is adapted to our technical and economic context: that is to say that the sites on which this measure is necessary, are not ready to devote budgets above € 10k for such a solution (otherwise its profitability is too uncertain) and that the materials must be robust and not require frequent intervention for the cleaning, etc. .... One can note for example the capacitive sensors (for example of the Vaisala brand). These are micro-electronic probes of small size (approximately 0.1 cm 2 ), developed to perform measurements in ambient air and which can also be used on fumes. The measurements are in situ (in the flue pipes). But 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). There may also be noted 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. We can still note the OFCEAS technology. This is another extractive method marketed by the company AP2E since 2012 (equipment of the PROCEAS range) which provides reliable and accurate values but for a much higher budget than the previous one. Although this method is accurate and well adapted to biomass fumes, the equipment is too expensive to be integrated in a chain of measurement of biomass moisture and boiler performance. Lastly, we can note LASER technology in situ (for example from ABB). This in situ laser technology (chimney) measures moisture through a laser beam that passes through the flue gas stream. Although the measurement is very precise and representative and very well adapted to biomass fumes, this material is also much too expensive to be integrated into a chain of measurement of biomass moisture and boiler performance.
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. Finally methods use the measurement of instantaneous efficiency by combustion fumes. These solutions conventionally used to calculate the instantaneous yields of gas or fuel combustions. They give results all the more precise as the characteristics of the fuel are well defined (Siegert method). For these fossil fuels, if we know the temperature of the combustion air, and that of the fumes as well as the excess air of the the boiler efficiency can be estimated with good accuracy. Since it is easy in this case to measure the fuel flow (gas or oil meter), the instantaneous power of the boiler can be calculated. The case of biomass is more complicated. In addition to the temperatures and the oxygen content of the fumes, their moisture must be measured in order to calculate a yield and to estimate the fuel flow rate their flow must be measured. Although it is a very reactive method and that allows almost instantaneous to have the characteristics of the combustion and thus lends itself well to a use in regulation of conduct, the computational method based on the equations of the combustion is very long. It also requires very high accuracy instrumentation because a very small error on the input data (smoke humidity in particular) generates a very large error on the estimation of the fuel moisture; This method is not implemented by hardware manufacturers.
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. It follows from the following that none of the potentially usable solutions for continuously measuring the characteristics of biomass is currently applicable in a generic manner. Existing solutions only give accurate results over a narrow range of fuels. Moreover, they are not robust to changes in fuel quality or environmental conditions. For example, humidity measurements by NTIR are affected by the surface condition, particle size, color, etc. of the samples. Only Bestwood's solution currently meets some of the specifications but its cost makes it totally unusable on all sites. As for the method of measurement by fumes, no boiler manufacturer is able to implement the necessary measurement chain at an acceptable cost. More affordable methods would be potentially usable, eg dew point hygrometer, or even capacitive probe, but the latter two technologies have not proven themselves on biomass combustion fumes.
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. When using a conventional method to calculate boiler performance (and not a SIEGERT type method), you also need access to a fuel flow value. This measurement can be made in the conveying devices but it will then be very sensitive to the characteristics of the fuel: density, grain size, humidity, etc. supply of fuel to sites of very variable and unpredictable quality in advance, it is necessary to have solutions whose response quality is completely independent of the measured product. Other methods evaluate the mass flow rate by the number of strokes, or similar devices. Thus the volume of fuel introduced by each movement of the supply system in the boiler is estimated by a prior calibration, then the number of cycles is counted. Although this method only requires the equipment of the boiler with a simple counting device, the calculation of the mass flow from the indexed survey is highly estimated and unreliable because the fuel has a variable density and the device diet is never filled in the same way. A last way to calculate the fuel flow is to go through the measurement of the flue gas flow (knowing their excess air and fuel moisture can then be calculated by going back to the fuel flow). But the precise measurements of the flue gas flow are also difficult to achieve. The classic pitot tube method, if it is robust, only gives good results over a fairly restricted flow range. On the other hand, it must be carefully maintained to prevent the clogging of the tube by dust or condensation of fumes. Ultrasonic methods, which operate over a much wider measuring range and are less susceptible to maintenance failure, have not yet been proven.
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. There is therefore still a need for a generic method for reliably and accurately calculating the moisture content of an organic material used as fuel in a boiler and the efficiency of said boiler, which does not have the disadvantages and disadvantages. art.
Description de l'invention Description of the 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. It is possible, in a biomass boiler, from smoke measurements, if accurate, to calculate the fuel moisture. These parameters combined with an equally accurate measurement of flue gas flow and conventional temperature measurements on the boiler make it possible to calculate the efficiency of an installation. However, this method is not currently implemented because it faces a major problem: the boilers are not, for economic reasons, equipped with the necessary instrumentation.
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. The solution provided by the inventors of the present invention has made it possible to develop a specific material for measuring the humidity of the fumes from the measurement of the flow of condensed water in the device drying fumes by cooling and condensation of their moisture .
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 : To do this, the inventors have developed a device for measuring the humidity of the fumes by the appreciation of the condensate flow generated during the drying by cooling of the fumes. It is based on the principle of Figure 1 described below:
1 ) les fumées arrivent directement dans un groupe froid ou condenseur sans passer par une sonde de mesure d'oxygène humide Û2h ; 1) the fumes arrive directly in a cold unit or condenser without going through a wet oxygen measuring probe Û2h;
2) le débit de condensais est mesuré à l'aide d'un micro-débitmètre (quelques ml/h) ; 2) the condensate flow rate is measured using a micro-flow meter (a few ml / h);
3) le débit de fumées qui passent dans le condenseur est mesuré ; 3) the flow rate of fumes passing through the condenser is measured;
4) l'humidité brute des fumées est calculée (débit micro-débitmètre / débit des fumées) ; 4) the gross moisture of the fumes is calculated (micro-flow meter flow / flue gas flow);
5) connaissant la température du condenseur, l'humidité résiduelle est ajoutée à l'humidité brute pour obtenir l'humidité réelle des fumées. 5) knowing the temperature of the condenser, the residual moisture is added to the raw moisture to obtain the actual humidity of the fumes.
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. The subject of the present invention is therefore a process for determining a moisture content of an organic material used as a fuel in a boiler comprising a flue gas duct for evacuating combustion fumes from the organic material in the boiler, characterized in that if a flue gas sampling is carried out in the flue gas duct, the moisture content in the flue gases taken by measuring the flow rate of the condensates generated during the drying by cooling said flue gases in a condenser is determined, and the firing rate is determined. humidity of the organic material as a function of the moisture content of the fumes and the oxygen content in the fumes taken at the same place and after drying of said fumes in a condenser.
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 ; According to a particular embodiment of the present invention, said method for determining humidity content comprises: a) measuring the flow rate of the condensates generated in the condenser of the collected fumes arriving directly in the condenser, by cooling and condensation of their moisture;
b) la mesure du débit des fumées sèches en aval du condenseur ; b) the measurement of the flow of dry smoke downstream of the condenser;
c) la mesure du taux d'humidité brute des fumées à partir des mesures des étapes a) et b) ; c) measuring the gross moisture content of the fumes from the measurements of steps a) and 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. d) measuring the actual humidity of the fumes from the measurement of step c), to which is added the value of residual moisture remaining in the flue gas leaving the condenser and evaluated from the temperature and the pressure in the condenser.
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. As shown in Figure 2, the fumes are taken by a heated sampling line (1) in the chimney. This line maintains them at 160 ° C to avoid any risk of condensation upstream of the condenser. The connection with the condenser must be perfectly thermally insulated.
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. The fumes then pass into the condenser or cold unit (2), which includes a refrigerating machine that will lower the flue gas temperature to about 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). The condensates are extracted from the condenser by a peristaltic pump (3) before arriving in the device for measuring their flow (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. According to a particular embodiment of the present invention, the flow rate of the condensates of step a) of said moisture content determination method is measured after extraction of the condensates from the condenser, for example by a peristaltic pump, by a microswitch. flow meter, or by a dynamic mass measurement of a container that collects these condensates and self-draining when full.
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. This measuring device can be of different natures. It must measure a flow rate of 0.3 to 60 ml of water / h, so very low. The measurement must be done automatically. The imagined measurement solutions are detailed below, they represent an essential innovation.
En sortie de condenseur les fumées passent sur une sonde de mesure de l'oxygène sur fumées sèches (5). At the outlet of the condenser the fumes pass on a probe for measuring the oxygen on dry smoke (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. A pressure sensor is connected to the flue gas circuit at the outlet of the condenser (6). It allows to appreciate continuously the pressure of the condenser for perform the correction of the residual moisture content of the flue gases at the condenser outlet.
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. According to a particular embodiment of the present invention, the pressure of the condenser of said moisture content determination method is continuously measured by a pressure probe located at the outlet of the condenser.
Les fumées passent ensuite dans une pompe d'aspiration (7). The fumes then pass into a suction pump (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. According to a particular embodiment of the present invention, the dry fumes of said humidity determination method are sucked by a pump placed downstream of the pressure probe.
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,...). Downstream of the pump, the dry fumes pass into a flow control device (8) which can be of different types (for example venturi) and its function is to maintain a constant flow rate in the device. They then arrive in a device for measuring their flow rate (9) which must be able to measure flow rates of between 30 and 120 l / h. This body must make an automatic measurement. It may consist of any sufficiently precise device (for example: mass flow meter, rotameter with automatic reading, etc.).
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. According to a particular embodiment of the present invention, a constant flow rate of the fumes of said moisture content determination method is maintained by a flow control member (8) located downstream of the suction pump.
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. According to a particular embodiment of the present invention, the flue gas flow rate of said moisture content determination method is measured by a measuring member located downstream of the flow control member and the suction pump.
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. A calculator (1 1) provides the water content of the flue gases from the condensate flow rate, the dry flue gas flow rate. It corrects this value of the residual water content of the flue gases at the condenser outlet, itself calculated with the pressure of the condenser and its average "resultant" temperature, evaluated during the calibration phase of the device (description of the method below). below 5.2.3). The computer also provides, using in addition data on the temperature and humidity of the combustion air (10), the oxygen content of the dried fumes (5), the fuel moisture. According to a particular embodiment of the present invention, the water content of the fumes of said humidity determination method is measured by a computer, from the condensate flow rate and the dry flue gas flow rate.
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 : Condensate flow measurement is the most delicate point of the device. This flow rate is very low and it must be measured on a fluid that is not in charge (drip at the output of peristaltic pump). Two solutions are retained at this stage, which are shown in Figure 3:
1 - une mesure avec un dispositif à augets basculant (type pluviomètre), dans ce cas un index est incrémenté à chaque basculement, 1 - a measurement with a tilting bucket device (rain gauge type), in this case an index is incremented at each changeover,
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. 2- a device with a container on a mini scale and therefore dynamic measurement of the weight of condensates. Such a device can also be tilting, or equipped with an electromechanical device that empties it once full. The mass measuring device must recognize the moment when the mass decreases (emptying) to reset the measurement.
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). In the mechanical device the container (1) is mounted on a tilting axis and is equipped with a counterweight (5) and a siphon (4). The assembly is mounted on a scale (2) connected to a computer (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. In the electromechanical device the container (6) is equipped with a high level contact (9) and a drain solenoid valve (10). The computer (7) triggers the opening of the solenoid valve when the high level is reached.
Toute autre solution permettant de mesurer de très faibles débits de liquide dans ces conditions est également utilisable dans le procédé de l'invention. Any other solution for measuring very low liquid flow rates under these conditions can also be used in the process of the 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 : The residual humidity of the flue gases at the cabinet outlet is measured, which makes it possible to go back to the "resulting" condensing temperature of the cold unit or condenser; i.e. the average effective temperature at which the fumes are subjected in the cold or condenser unit. This temperature is the temperature that must be entered into the calculator. An example of the solution for determining the resulting temperature of the condenser is shown in the table below:
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. The volume of flue gas at the outlet of the condenser cold trap can also be measured using a volumetric gas meter rather than with a rotameter and stopwatch.
A partir des mesures effectuées, la formule de calcul de l'humidité des fumées(en %) est déterminée : From the measurements made, the formula for calculating the humidity of the fumes (in%) is determined:
(^condensât A _I_ LJ n (^ condensate A _I_ LJ n
-j^g ■ J T n résiduelle fumées■ u fumées -j ^ g ■ n JT residual smoke fumes ■ u
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) With Dondensat: Condensate flow measured at the outlet of the refrigeration unit (g / h) Dumes: Flue gas flow at the outlet of the refrigeration unit (in Nl / h)
Hrésidueiie fumées : Humidité résiduelle des fumées en sortie du groupe froid (en %) Hidesidueiie fumes: Residual humidity of the fumes at the outlet of the cold group (in%)
Hmasrésiduelle Residual Hmas
18 18
boit . nr si(iueiie fumées îooo Hmas drinks. n rs i (i ue ii e fumes î ooo HMAS
_l_ résiduelle * 22 4 _l_ residual * 22 4
1,29 18 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) With: Residual HMA: Residual smoke humidity measured during the calibration phase of the cold unit (in g of water / kg of dry smoke)
_ PsatH2o _ Psat H2 o
Soit : ^résiduelle fumées p Let: ^ residual fumes p
^ coffret ^ box
Avec : PsatH2o : pression de vapeur saturante à la température résultante du condenseur With: PsatH2o: saturation vapor pressure at the resulting condenser temperature
PsatH20 = 0,0366. Tcond 2 + 0,1106. Tcond + 6,7975 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 With: T∞nd: resultant condensing temperature measured during the condenser calibration phase
Pcoffret : pression dans le coffret Ecrin mesurée en aval du condenseur Pcoffret: pressure in the box Measuring box measured downstream of the condenser
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 : According to a particular embodiment of the present invention, the method for determining humidity content further comprises the following correction measures:
- de l'humidité absolue de l'air comburant, calculée à partir de la température et de l'humidité relative de l'air comburant ; - the absolute humidity of the combustion air, calculated from the temperature and the relative humidity of the combustion air;
- 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. the amount of water supplied by the reagent and the reaction products in the case of treatment to reduce the nitrogen oxides of the fumes with solutions using urea or ammonia.
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). The ambient air comprises between 0.8 and 2% of moisture, which must be deduced from the humidity of the fumes to obtain the water coming from the organic matter, by example of wood. It is therefore necessary to measure this humidity. The usual equipment used (climatic engineering) perform measurements of the relative humidity in% (humidity / humidity at saturation in water at the given temperature), which must be associated with a measurement of dry temperature (air temperature). ) to obtain the absolute humidity in% (volume of water / total volume of 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. To reduce the nitrogen oxides of the fumes, DeNOx treatment can be carried out by introducing into the furnace of the boiler a reagent consisting of urea or ammonia and water. But after reaction, urea or ammonia also produce water. It is therefore necessary to deduce these quantities of water from those initially contained in the fumes because they do not come from the water of the organic matter. For this, it is necessary to measure the flow rates of urea or ammonia and water introduced into the boiler and translate them into water concentration in the fumes.
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. The present invention also relates to a device for determining a moisture content of an organic material used as a fuel in a boiler comprising a flue gas duct to evacuate the flue gases from the organic material in the boiler, said device characterized in that it comprises smoke sampling means in the flue gas duct, and measuring means able to determine a moisture content of the organic material as a function of the smoke moisture content measured in the flue gases. sampled and the oxygen content of the fumes measured in the fumes taken at the same place and after drying said fumes in a condenser, said measuring means implementing a method according to one of the preceding claims.
Selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, les moyens de mesure dudit dispositif de détermination de taux d'humidité comprennent : According to a particular embodiment of the present invention, the measuring means of said humidity determination device comprise:
- une sonde de mesure d'oxygène ; an oxygen measurement probe;
- un condenseur de fumées ; - a smoke condenser;
- un système d'extraction des condensais du condenseur, par exemple une pompe péristaltique ; a condensate extraction system of the condenser, for example a peristaltic pump;
- un micro-débitmètre, ou un système de pesée dynamique pour mesurer le débit des condensais; - a micro-flowmeter, or a dynamic weighing system to measure the flow of condensates;
- une sonde de pression ; a pressure probe;
- une pompe d'aspiration ; - un organe de régulation du débit des fumées ; - a suction pump; a regulator of the flue gas flow rate;
- un organe de mesure du débit des fumées ; - a device for measuring the flow of fumes;
- une sonde de mesure de l'humidité relative et de la température de l'air comburant ; a probe for measuring the relative humidity and the temperature of the combustion air;
- un dispositif pour mesurer les débits de réactif injectés en cas de traitement deNOx des fumées ; et a device for measuring injected reagent flow rates in the case of NOx treatment of the fumes; and
- un calculateur de la teneur en eau des fumées et de l'humidité de la matière organique utilisée comme combustible. a calculator of the water content of the fumes and of the moisture of the organic material used as fuel.
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 : The present invention also relates to a process for determining the performance of a boiler for an organic material comprising a flue gas duct for evacuating combustion flue gases from the organic material in the boiler, said method comprising:
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 ; a) the determination of the moisture content in the flue gases taken from the flue gas and the oxygen content of the fumes taken at the same location and after drying of said fumes in a condenser, implementing a method of determining a moisture content of an organic material according to the invention;
b) la détermination du taux d'humidité de la matière organique utilisée comme combustible à partir des mesures de l'étape a) ; b) determining the moisture content of the organic material used as fuel from the measurements of step 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) ; c) determining the lower heating value (LHV) of the organic material used as fuel from the measurement of step b);
d) la détermination du débit volumique des fumées de combustion prélevées dans le conduit de fumées ; et d) the determination of the volumetric flow rate of the flue gases taken from the flue gas duct; and
e) la détermination du débit massique de matière organique utilisée comme combustible à partir de la mesure de l'étape d) ; e) determining the mass flow rate of organic material used as fuel from the measurement of step d);
f) la détermination de la puissance apportée par la matière organique utilisée comme combustible à partir des mesures des étapes c) et e) ; f) determining the power provided by the organic material used as fuel from the measurements of steps c) and e);
g) la détermination de la puissance délivrée par la chaudière ; (g) the determination of the power delivered by the boiler;
h) la détermination du rendement instantané de la chaudière à partir des mesures des étapes f) et g). h) determining the instantaneous efficiency of the boiler from the measurements of steps f) and 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. According to steps a) and b), the sampling of fumes, the determination of the moisture content in the fumes by a condensate flow measurement extracted from smoke in a condenser, and the determination of the moisture content of the organic material can be carried out continuously.
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. According to 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.
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. According to steps d) to f), 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.
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. According to 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.
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. According to 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.
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. According to the invention, 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. Depending on the purpose of the energy supply, the boiler operation can be optimally and automatically adjusted, particularly with regard to the quality of the fumes. In particular, it is possible to vary, for the same power to be supplied, the settings of the distribution of the primary air under the fuel and the proportion of secondary air in the combustion chamber as a function of the fuel moisture.
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. According to the invention, the organic material may be wood. According to the invention, it has also been useful to make corrections on several of the measurements carried out within the framework of the method, as explained hereinafter.
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 : According to a particular embodiment of the present invention, said method for determining the performance of a boiler for organic matter also comprises the following correction measures:
- de l'humidité absolue de l'air comburant, calculée à partir de la température et de l'humidité relative de l'air comburant ; - the absolute humidity of the combustion air, calculated from the temperature and the relative humidity of the combustion air;
- 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. the amount of water supplied by the reagent and the reaction products in the case of treatment to reduce the nitrogen oxides of the fumes with solutions using urea or ammonia.
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). The ambient air comprises between 0.8 and 2% of moisture, which must be deduced from the humidity of the fumes to obtain the water coming from the organic material, for example wood. It is therefore necessary to measure this humidity. The usual equipment used (climatic engineering) perform measurements of the relative humidity in% (humidity / humidity at saturation in water at the given temperature), which must be associated with a measurement of dry temperature (air temperature). ) to obtain the absolute humidity in% (volume of water / total volume of 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. To reduce the nitrogen oxides of the fumes, DeNOx treatment can be carried out by introducing into the furnace of the boiler a reagent consisting of urea or ammonia and water. Or after reaction, urea or ammonia also produce water. It is therefore necessary to deduce these quantities of water from those initially contained in the fumes because they do not come from the water of the organic matter. For this, it is necessary to measure the flows of urea or ammonia and water introduced into the boiler and translate them into water concentration in the fumes.
Brève Description des figures Brief Description of Figures
- La figure 1 représente le principe de mesure de l'humidité des fumées par l'intermédiaire du débit de condensât. - Figure 1 shows the principle of measuring the humidity of the fumes via the condensate flow.
- 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. FIG. 2 represents the general fluid diagram of the device for measuring the humidity of the fumes via the condensate flow.
- 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. - Figure 3 shows the two solutions for measuring the flow of condensate. FIG. 4 represents the diagram of a boiler comprising a device according to the invention.
La figure 5 représente le schéma du procédé selon l'invention. Description détaillée de l'invention FIG. 5 represents the diagram of the method according to the invention. Detailed description of the 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). 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 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. 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.
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). A system for determining the humidity in the organic material according to the invention 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 smoke sampling means (5) are arranged at a point in the duct, preferably close to the boiler. As shown in Figure 1, the fumes taken directly arrive in a cold group or condenser without going through a wet oxygen sensor Û2h; the condensate flow rate is measured using a micro-flow meter (a few ml / h); the flow rate of fumes passing through the condenser is measured; the gross humidity of the fumes is calculated (micro flow rate / flue gas flow rate); and knowing the temperature of the condenser, the residual moisture is added to the raw moisture to obtain the actual humidity of the fumes. The condenser brings the fumes to a temperature between 0 ° C and 5 ° C, to condense them. 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).
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 : 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 5 presented below chronologically:
^> © Equation générale de la combustion du bois ^> © General equation of wood combustion
Volumes (pouvoirs) comburivore sec et fumigène sec Volumes (powers) dry comburivore and dry fumigene
■=! © Taux d'oxygène sur fumées sèches + Volume comburivore sec VAS + Volume fumigène sec VFS ■ =! © Oxygen ratio on dry fumes + Dry comburivore volume VAS + Dry smoke volume VFS
Excès d'air Excess air
■=! © Excès d'air + Humidité des fumées + Taux d'oxygène sur fumées sèches + Composition du bois ■ =! © Excess air + Humidity of fumes + Oxygen ratio on dry fumes + Composition of wood
Humidité du bois > j> PCI du bois humide sans cendres Moisture of the wood> j> PCI ashless wet wood
■=! © Débit volumique des fumées ■ =! © Volume flow rate of fumes
XL XL
Débit massique de bois humide sans cendres Mass flow of ashless wet wood
■=! © Débit massique de bois humide sans cendres dbm + PCI du bois humide sans cendres Puissance apportée par le combustible ■ =! © Mass flow of ash-free wet wood dbm + PCI ashless wet wood Power supplied by the fuel
■=! © Débit d'eau chaudière + Température entrée chaudière + Température sortie chaudière Puissance délivrée par la chaudière ■ =! © boiler water flow + boiler inlet temperature + boiler outlet temperature Power delivered by the boiler
■=! © 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. ■ =! © Power supplied by the fuel + Power delivered by the boiler Instantaneous efficiency of the boiler From a theoretical molecular composition of wood, we determine the mass of dry wood Mb S in kg / mol, and the volumes comburivore dry VAS and dry fumigene VFS ©, that is to say the volume of air necessary stoichiometric combustion and the volume of fumes generated by such combustion, in the absence of water. These values are expressed for example in Nm 3 / mol of dry wood.
Les calculs suivants sont effectués par cycle. The following calculations are performed per 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. It can be considered that the oxygen content of the dry fumes (A) is directly the oxygen value measured by the dry oxygen probe, or that this rate is calculated by correcting the oxygen value measured by the dry probe. depending on the cooling temperature of the dryer, considering a gas saturated with moisture at this temperature and the pressure of the dryer, the pressure being measured or taken at a flat rate.
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 : From the oxygen content on dry fumes, the dry comburivore volume VAS and the dry smoke volume VFS, an excess of air (e),, expressed as a percentage by the formula:
A. VFS 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. 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.
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.. Moreover, as indicated in step 13 of FIG. 5, the humidity of the flue gases Hf is determined from the measurement of the flow of water condensed in the flue gas drying device by cooling and condensation of their moisture, as described above in the description part of the invention and the correction of this value of the residual humidity of the fumes at the outlet of the drying device.
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 : From the excess air (e), the humidity of the fumes and the molar mass of dry wood, the humidity of the wood Hb is determined during the step 14 of FIG. 5. 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:
T T mH20 TT m H20
¾ VT~ ¾ VT ~
mH2o + Mbs Avec ΠΠΗ20 la quantité d'eau en kg/mol de bois. m H 2o + M bs With ΠΠΗ20 the amount of water in kg / mol of wood.
Si on connaît l'humidité des fumées Hf, on peut calculer l'humidité du bois Hb par les formules : If the humidity of the fumes Hf is known, the humidity of the wood Hb can be calculated by the formulas:
v v
[en Nm3/mol de bois] [in Nm 3 / mol of wood]
et and
avec MH2O la masse molaire de l'eau en g/mol ; with MH2O the molar mass of water in 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 ; PHI the water content of the combustion air, in moles of water per mole of dry air; y the hydrogen content of the wood, in mass fraction;
Vm le volume molaire dans les conditions normales de température et de pression, et vaut 0,0224 Nm3/mol. V m is the molar volume under normal conditions of temperature and pressure, and is 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. It is therefore considered that the moisture content of the fumes coming from the combustion of the 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.
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. From the moisture content of the wood, it is deduced in step 15 of Figure 5, the lower calorific value of wet wood (PCI) ®. This data is essential to appreciate the quality of a supply.
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. Using the measurement of the volume flow rate of fumes, as shown in step 16 of FIG. 5, 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 5 ©. By multiplying it by the PCI determined in step 15, the heating power contributed by the fuel in step 18 of FIG. 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 ®. 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 As a result of the power supplied by the fuel, an instantaneous efficiency of the boiler in step 19 of FIG. 4 ® is deduced.
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. It is important to note that all these calculations are done on ashless wood. To return to the corresponding values on raw wood (wet wood with ash), and to be able to compare the results with measurements made on fuel samples (example: humidity of the raw wood measured in the oven), it will be necessary to estimate the rate of ashes. The ash content can be measured by a destructive method: combustion at 550 ° C and measurement of the remaining mineral residue.
On peut intégrer à ces calculs les corrections de mesure qui ont été précédemment détaillées dans la partie description de l'invention. It is possible to integrate in these calculations the measurement corrections that were previously detailed in the description part of the 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 : In a variant of the method of the invention, which considers that the most reliable data is the power of the boiler on which the calculation of the incoming power is based, from the step of measuring the flue gas flow ©, 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:
Pcombustible — Pchaudière Pfumées + Pertes rayonnement - air comburant-Combustible - Pumice Pfumées + Losses radiation - combustion air-
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. Thus 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.
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 : In another variant, when the power of the boiler is not available, it is estimated from step,, by the addition of the power provided by the organic material and that provided by the combustion air, and removing that lost by the fumes and that by heat losses of the boiler:
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. Pchaudière - Pcombustible Pair oxidant - Pfumées - Losses radiation 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.
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. The present invention provides a system for determining a moisture content of an organic material used as fuel in a boiler that is reliable, accurate and responsive. Said system being characterized by a principle of measuring the humidity of the fumes (in%) by a measurement of condensate flow extracted from the fumes in a condenser; which is based essentially on a specific assembly of the elements of the device of the invention for the continuous measurement of a very small condensate flow and in a pipe which is not in charge (0.5 to 30 ml / h), as well as the use of correction formulas to correct this measure (eg bucket flowmeter used on rain gauges). The present invention also 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 the above determination system, to arrive at the boiler performance, and the implementation of necessary corrections to obtain reliable and accurate measurements.
Liste de référencesList of references
1. Brevet FR 3020139 1. Patent FR 3020139
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Claims
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