Biomasse en lit fluidisé

3E Partner a développé une formation "lit fluidisé" qui met l'accent sur les grands principes théoriques mis en oeuvre dans cette technique de combustion, les contraintes d'un point de vue pratique. Pour plus d'informations sur le programme, rendez-vous sur la page dédiée.

Ce post pose quelques rudiments de la technique du lit fluidisé.

La technique du lit fluidisé permet de répondre aux nombreux challenges posés par des combustibles moins classiques. Ce procédé existe depuis longtemps (les années 20) et a été développé partout dans le monde en s’appliquant à la combustion de charbons de basse qualité ou difficiles à brûler (années 1960) voire même aux résidus encore valorisables des terrils (moindre teneur en carbone, forte quantité de minéraux et/ou grande humidité). C’est donc une voie idéale pour l’appliquer à d’autres combustibles, renouvelables ou encore mieux pour valoriser des résidus d’autres industries.

En voici le principe et ses points forts.

Principe En règle générale, pour brûler de la façon la plus complète possible un combustible solide, il faut des brûleurs qui promeuvent un mélange intime (et dans les proportions adéquates) entre le combustible et le comburant (avec une étincelle d’allumage). Cela engendre des températures très élevées (vers 1200 voire 1500 °C) : primordial pour casser des liaisons chimiques de forte énergie dans lesquelles le carbone est impliqué. On peut également brûler les solides en couche, disposés sur une grille mouvante perméable à l’air (foyers à grille). Dans tous les cas, si le temps de contact air/solide est mal ajusté aux caractéristiques du combustible, l’efficacité de combustion est moindre : on se retrouve avec des imbrûlés solides (du carbone dans les cendres) ou gazeux (du CO au lieu de CO2, ce qui dégage 4 fois moins d’énergie).

Bref, la technique de fluidisation consiste à disposer le combustible (+ un matériau inerte, généralement le sable) sous forme de grains dans le foyer d’une chaudière : ils forment une couche d’une hauteur connue qui constitue « un lit ». Une certaine quantité d’air est alors insufflée sous le lit par le biais d’une grille (il s’agit généralement d’une multitude de buses) : à partir d’une certaine vitesse d’injection d’air, les particules vont se soulever via les forces de traînée qui équilibrent la gravité ; on parle alors de "lit fluidisé". Toutes les particules s’écartent pour laisser passer l’air et lorsque la température d’allumage est dépassée (après une étape de préchauffage), la combustion démarre : chaque particule en combustion se comporte comme un minuscule foyer indépendant conduisant à une combustion très poussée.

Le lit est fixe : les forces de gravité ne sont pas contrées

La vitesse d’air est suffisante pour soulever les grains : le lit se détend et est fluidisé

Lorsque la vitesse d’air atteint une certaine valeur, des bulles se forment au sein du lit : il s’agit du lit fluidisé bouillonnant. La turbulence au sein du lit est alors très forte ce qui favorise les réactions liées à la combustion et les transferts de chaleur entre particules, et entre le lit et les parois de la chaudière (là où se situent les échangeurs). Sur certaines unités, on distribue également l’air dans le foyer à différents niveaux ce qui joue sur l’efficacité de combustion et les émissions polluantes.

Lit fluidisé bouillonnant

Mais on peut encore aller plus loin : avec une vitesse de fluidisation encore plus élevée, on pousse l’intensité de la combustion mais une certaine fraction des solides du lit s’échappe du lit vers la partie haute du foyer. Elle contient des grains de granulométrie plus fine que celle du lit (donc plus facilement transportables) mais n’ayant pas pour autant terminé la combustion. Qu’à cela ne tienne, un cyclone est placé en aval : il permet de trier les solides les plus grossiers (qui nécessitent un temps de séjour plus long pour poursuivre la combustion) des particules plus fines qui s’échappent par la partie supérieure avec les fumées.

Lit fluidisé circulant (les échangeurs ne sont pas représentés)

Les particules issues d’un combustible plus difficile à brûler circulent donc autour du foyer et bénéficient d’un temps de séjour suffisamment long pour atteindre une combustion très complète. Lorsque la combustion est menée jusqu’à son terme, la particule a une taille réduite et est alors évacuée avec les fumées (on la retrouvera dans les cendres « volantes », et sera filtrée en aval pour limiter les émissions de poussières). C’est le lit fluidisé circulant.

Les points forts Le procédé qui permet un ajustement du temps de séjour selon les besoins, permet une grande flexibilité dans les possibilités de combustibles entrants. La turbulence favorisant un bon contact solides/air et la circulation assurant un temps de séjour suffisant permet d’avoir une bonne efficacité de combustion mais surtout, en maintenant la température du lit autour de 850 °C (loin des 1200 °C sur les techniques classiques). Cette « faible » température a surtout comme effet de diminuer les émissions polluantes que sont les oxydes d’azote (NOx) et oxydes de soufre (SO2). A ce niveau de température, les NOx se forment beaucoup moins facilement (notamment ceux issus de la coupure de la triple liaison N≡N de l’azote de l’air). L’étagement d’air de combustion permet aussi de réduire l’oxydation de l’azote présent dans le combustible.

En ce qui concerne le SO2 la technique de désulfuration à sec est particulièrement efficace en lit fluidisé : l’injection de calcaire dans le foyer permet de fournir CaO (la décarbonatation du calcaire est optimale à 850 °C) qui réagit avec SO2 et le piège sous forme de sulfate de calcium.

Les points de réflexion. Bien sûr, ce procédé est à à étudier, à comprendre pour qu’il fonctionne de façon optimale. Comment choisir la vitesse de l’air de fluidisation ? Comment se passe la combustion dans les détails et quels sont les facteurs les plus influents ? Quelles sont les dérives et les risques liés à ce type de combustion (selon les caractéristiques du combustible à disposition) ? Quels paramètres surveiller ? Quelles sont les zones les plus fragiles de l’installation ? Comment réguler la température ? Comment gérer les cendres, les valoriser ? Comment injecter le combustible pour éviter les problèmes ? Comment protéger les tubes échangeurs de l’érosion liée à la présence de solides et à la turbulence ? Quels sont les risques de corrosion liés à la présence de chlore dans certains combustibles ? Y a t-il des dépôts sur les tubes ? Comment se passe une co-combustion ? Comment séparer les gaz du solide ? Comment réduire encore les émissions à la cheminée ? Comment suivre la performance de l’installation ? Comment optimiser le traitement de l’eau ?

Bref, un procédé bien pensé qui présente de nombreux atouts notamment dans la valorisation de sous-produits mais pose tout un tas de question qu’un exploitant ou futur exploitant doit anticiper avant de se lancer afin d’éviter des surcoûts et une baisse de performance