Brevet FR2001738A1 — publié le 19691003

\ La présente invention concerne un appareil pour brûler des produits gazeux combustibles et elle a trait plus particulièrement à un incinérateur de fumées extrêmement efficace qui permet d'incinérer complètement des fumées ou des vapeurs, en provenance de 5 sources différentes, contenant des matières organiques, volatiles ou autres, déchargées par l'intermédiaire d'une cheminée dans l'atmosphère, avant que les gaz non combustibles se trouvant dans les fumées soient évacués dans l'atmosphère. Bien qu'on sache effectuer une incinération de fumées conte-10 nant des produits combustibles nocifs en vue d'en éliminer les effets perturbateurs, le rendement d'une telle opération n'a pas atteint jusqu'à maintenant une valeur optimale et une grande quantité de fumées ou gaz déchargés dans l'atmosphère contiennent une fraction importante des produits initiaux à action contaminante 15 ou irritante» Ainsi, on a décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n° 1.061j..1|77 et 1.886»760 des procédés et installations pour réduire la quantité de gaz combustibles perturbateurs qui restent à l'état imbrûlé dans les fumées et qui sont produits par combustion incomplète du combustible, mais les résultats obtenus 20 en pratique n'ont pas été satisfaisants. On a également décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n° 2.965.051 et n° 2.936.72l|- différents perfectionnements permettant d'obtenir une combustion plus complète des gaz nocifs contenus dans des fumées tandis qu'on a décrit dans le bre-25 vet des Etats-Unis d'Amérique n° 3*2i|.8.178 un dispositif perfectionné permettant d'assurer une combustion plus complète des fumées et d'éliminer leurs constituants nocifs. Cependant, dans certains cas et dans différentes conditions qui nécessitent une combustion complète des fumées ou déchets gazeux se traduisant par 50 une température finale élevée et par tin contrôle étroit de la période d'incinération finale, les dispositifs connus présentent de mauvais rendements et ils n'ont par conséquent pas été utilisés à grande échelle. Une pollution de l'air peut résulter de différentes causes ou 35 bien elle peut être provoquée par différentes sources, comme par exemple des fumées nocives qui sont produites dans des installations industrielles telles que de3 établissements de nettoyage à sec, des ateliers de peinture et d'une façon générale des installations produisant des fumées organiques. Une autre cause de la 6903147 2 2001738 pollution de l'air est imputable à des vapeurs telles que des fumées produites par des cheminées par suite d'une combustion incomplète. Fréquemment, les nuages de fumées émises par une cheminée 5 sont le résultat d'une combustion incomplète ou mauvaise de déchets dans des incinérateurs. Les déchets peuvent aussi bien contenir des matières à base de cellulose comme du papier, que des matières humides comme des ordures ménagères ou des matières fortement carbonées telles que des pneumatiques en caoutchouc ou des 10 résines, et l'invention a, en conséquence, pour objet principal un appareil utilisable dans de multiples applications en vue d'éliminer presque complètement des matières organiques combustibles de gaz déchargés dans l'air. Suivant l'invention, un appareil pour brûler des produits ga-15 zeux combustibles déchargés par un foyer de combustion ou une autre source de gaz combustibles comportant une cheminée se déchargeant dans l'atmosphère comprend un dispositif pourvu d*un conduit de fourniture d'air débouchant dans la cheminée de manière à assurer la combustion des produits gazeux se trouvant dans la cheminée 20 et à former une première chambre de post-combustion ; une seconde chambre de post-combustion située en aval de la première chambre et comprenant une enceinte entotirant la cheminée en étant espacée de celle-ci de façon à former une chambre annulaire d'échange de chaleur entourant la seconde chambre de post-combustion ; un dis-25 positif de fourniture d'air prévu dans la dite enceinte ainsi qu'une sortie d'air prévue dans la cheminée en amont du dispositif de fourniture d'air de manière à introduire de l'air chaud dans la seconde chambre de post-combustion, de sorte que les gaz imbrûlés sortant de la première chambre de post-combustion soient mélangés 30 â l'air préchauffé par les gaz de combustion chauds se trouvant dans la seconde chambre en vue d'assurer une auto-inflammation du mélange de gaz et d'air avant qu'il soit déchargé dans l'atmosphère . L'appareil peut également être appliqué à la fabrication de 55 produits tels que du charbon de bois dans un procédé suivant lequel du bois est carbonisé par distillation à sec, lente et contrôlée, et entraîne l'émission de fumées organiques légères et de goudrons qui sont brûlés dans le dispositif de post-Gombustion. 6903147 3 2001738 D'une façon similaire, l'appareil peut être utilisé pour le séchage et l'amélioration de combustibles organiques de qualité inférieure tels que de la tourbe en vue d'évacuer et de brûler l'humidité et les produits organiques plus légers contenus dans ces com-5 bustibles- Enfin, l'appareil selon l'invention peut être utilisé dans les industries pétrolières et pétrochimiques de façon à éliminer plus efficacement les déchets gazeux qui ne sont à l'heure actuelle que partiellement éliminés par des flammes à l'air libre. 10 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip tion détaillée qui s uit et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention ï La Fig. 1 est une vue en élévation latérale, en partie arra-15 ohée, de l'incinérateur et du post-brûleur selon l'invention. La Fig. 2 est une vue de face de l'appareil de la Fig. 1. La Fig. 3 est une vue de face du post-brûleur utilisé dans un incinérateur de forme sensiblement cylindrique. Sur les dessins, la référence 10 désigne un récipient de 20 combustion présentant une forme sensiblement ellipsoïdale et comportant un fond fixe 12 à une extrémité et une porte d'accès il}, montée sur charnières 15 à l'autre extrémité. Une autre porte d'accès lé de dimensions plus limitées est prévue sur la porte llj. de façon à permettre un accès limité à la chambre située à l'inté-25 rieur de la chaudière 10 lorsque celle-ci est en service. A la partie supérieure de la chaudière et à proximité de son fond fixe, il est prévu un orifice 19 de sortie des produits gazeux de combustion* Les parois intérieures de la chaudière 10 sont isolées par une 30 couche de briques réfractaires 20, elles-mêmes recouvertes par un revêtement de matière réfractaire coulable 22 capable de résister à des températures pouvant atteindre 1.570°0« La partie inférieure de la chaudière 10 est agencée pour recevoir une série de tubes 2I4. et 2ljA comportant des fentes ou trous 26 35 de dimensions appropriées pour introduire de l'air dans la chaudière 10 en vue de la combustion d'une charge située dans celle-ci. Ainsi, l'appareil selon l'invention permet la fourniture de 80 à 120 % de la quantité théorique d'air nécessaire pour la combustion 6903147 k 2001738 complète de la matière. En conséquence, lorsque la teneur en carbone augmente en fonction du type de matières brûlées, la quantité d'air requise croît en correspondance mais elle est toujours maintenue à l'aide d'un thermo-couple 30 à une valeur comprise entre 5 80 et 120 % de la quantité stoechlométrique nécessaire pour la combustion. Les trous 26 prévus dans les tubes 2L|_ et 2l|A qui fournissent l'oxygène de combustion au foyer sont positionnés de manière à établir une circulation d'air optimale à l'intérieur du foyer. 10 Ainsi, les tubes extérieurs 2i^A sont positionnés de manière que leurs trous 26 fassent un angle d'environ 60° par rapport au rayon correspondant représenté sur la Fig. 2 de façon à faire déplacer l'air le long de la périphérie de la chambre en vue d'assurer un refroidissement optimal des parois et d'établir une circulation 15 suffisante d'air pour évacuer rapidement les produits volatiles et produire ainsi une certaine décomposition de la charge du foyer sans flamme. Une autre raison du positionnement des orifices 26 de fourniture d'air suivant un angle préféré par rapport au rayon est 20 qu'une telle disposition permet d'obtenir un brûlage efficace de la charge se trouvant dans la chambre sans avoir à l'agiter et à augmenter ainsi la turbulence qui produirait un entraînement des cendres volantes en direction de la cheminée. Les trous 26 des tubes 2k situés plus au centre se déchargent approximativement sui-25 vant une ligne orientée parallèlement au rayon correspondant de la chambre de l'incinérateur. Les mêmes tubes 2k peuvent être utilisés comme conduits d'injection d'un gaz inerte en vue d'arrêter à un moment donné une oxydation à l'intérieur de l'incinérateur par injection d'un gaz 30 incapable d'entretenir une combustion. De cette manière, il est possible, en arrêtant l'oxydation, de réduire les pertes de matières à l'intérieur du foyer, qui peuvent atteindre un tiers de la charge, ce qui est particulièrement intéressant par exemple dans la fabrication de charbon de bois. Du fait qu'une ou même les 35 deux extrémités du foyer peuvent être complètement ouvertes, on diminue ainsi le risque d'écrasement du eharbon de bois sous forme d'un produit ayant la consistance de poussière et d'une valeur commerciale considérablement diminuée. 6903147 5 2001738 Un thermo-couple 30 placé à la partie supérieure de 1'enceinte 10 de 1'incinérateur commande une vanne 32 qui règle la quantité d'air introduite pour l'oxydation dans l'incinérateur par l'intermédiaire des tubes 2ij. et 2ljA. En conséquence, l'inci-5 nération d'une charge située dans la chambre de combustion peut être limitée en contrôlant l'écoulement d'air fourni au brûleur ou même en arrêtant l'écoulement d'air et en introduisant à la place une charge de gaz inerte. La forme ellipsoïdale du foyer ou de la chaudière est due 10 principalement au fait qu'on désire obtenir une zone réfléchissante de chaleur (par rayonnement à partir des parois) plus grande que- dans un foyer présentant le profil cylindrique normal de la Fig, 3* En outre, la forme ellipsoïdale du foyer permet d'obtenir une chaudière présentant'un profil optimal pour l'évacuation des 15 produits gazeux de combustion avec le minimum de résistance à l'écoulement tout en établissant une turbulence suffisante pour assurer tut mélange optimal des gaz et des conditions de combustion pratiquement constantes. A la partie supérieure du foyer, ou à proximité de celle-ci 20 et de préférence à son extrémité éloignée de la porte d'accès llj., il est prévu un orifice de décharge 19 sur lequel est fixée la cheminée 32. La cheminée 32 peut avoir toute construction appropriée capa- * ble de résister à des températures de l'ordre de 1.370°c* Cl&s-25 siquement, la cheminée a un profil cylindrique uniforme et elle est revêtue de briques réfr&ctaires ou d'une autre matière isolante, cette cheminée recevant de l'air en 3b en provenance d'une source 5^- ®n vue de brûler le combustible arrivant dans le brûleur 3é en même temps que les gaz imbrûlés déchargés de l'inciné-30 rateur primaire 10, l'inflammation du mélange combustible étant assurée par une bougie d'allumage 38 située dans une première chambre de post-combustion i+0 intérieure à la cheminée. On peut utiliser dans le cadre de l'invention une bougie de réchauffage, une flamme pilote ou tous autres moyens appropriés pour enflammer 35 le mélange se trouvant dans la première chambre de post-combustion Une enceinte ou chemise i|.é située au-delà de la première ehambre de post-combustion ij-0 dans une position espacée de la cheminée 32 entoure une chambre annulaire 50 d'échange de chaleur 6903147 6 2001738 qui reçoit de la chaleur cédée par les gaz chauds déchargés axia-lement dans la cheminée 52. La chambre d'échange de chaleur 50 comporte une entrée d'air 52 située à l'extrémité supérieure de l'enceinte i+é ainsi que des orifices de décharge 60 ménagés dans 5 la paroi de la cheminée 52 à l'extrémité opposée de la chambre 50 en vue de diriger l'air à chauffer à contre-courant par rapport & l'écoulement des gaz chauds passant dans la cheminée. Cette disposition permet d'introduire l'air chaud ayant traversé la chambre d'échange de chaleur 50 à une température beaucoup plus élevée 10 dans une chambre de post-combustion 58 située à l'intérieur de la cheminée 52 concentriquement et à l'intérieur de la chambre annulaire 50. L'air de combustion nécessaire au foyer 10, à la première chambre de post-combustion i}.0 ou à la seconde chambre de poat-15. combustion 58 peut être fourni par une seule source 5^ mais l'écoulement d'air est commandé individuellement par les vannes 52» 55 et 57* D© cette manière, de l'air en provenance d'une seule s euros peut être dirigé sur les différents points d'utilisation et son débit peut être réglé manuellement ou automatiquement en réponse 20 à des conditions variables. Ainsi, par exemple, la vanne 52 prévue dans le tuyau d'alimentation 29 qui assure l'introduction d'air de combustion dans l'incinérateur 10 peut être commandée par le thermo-couple 50 prévu à la partie supérieure de l'incinérateur. De façon similaire, 25 l'air de combustion fourni par 1'intermédiaire du tuyau 55 à la première chambre de post-combustion I4-O ou à la seconde chambre de post-combustion 58 peut être réglé à l'aide des vannes 55 et 57 de façon à obtenir un rapport d'alimentation compris entre 1:1 et 2:1. En outre, il rentre dans le cadre de l'invention de prévoir 50 des moyens automatiques (non représentés) pour commander les vannes 55 et 57 en fonction d'un rapport d'alimentation qui peut être déterminé en fonction de la combustion dans la cheminée 52, en vue d'obtenir à tous moments une fourniture d'air suffisante pour assurer une combustion complète des gaz combustibles se trouvant dans 55 la cheminée. Lorsque l'incinérateur est en service, la matière à brûler est placée dans la chambre d'incinération 10 et elle est enflammée d'une manière classique. Après que la combustion a commencé, les 6903147 7 2001738 déchets de combustion montent dans l'incinérateur et sont déchargés par la cheminée de sortie 32. La combustion dans la chambre 10 de l'incinérateur est étroitement contrôlée par réglage de l'air de combustion qui pénètre par l'intermédiaire de la vanne 32 et qui 5 est fourni par une source 5b> d® sorte qu'il ne se produit dans cette chambre 10 qu'une combustion partielle et que la matière com-bustible restante est évacuée sous forme de gaz. Lorsque les produits chauds de combustion se déplacent dans la cheminée 52# du combustible est introduit par l'intermédiaire 10 d'un tuyau- approprié dans un brûleur 3^ et il est mélangé à de l'air introduit par un conduit 3b et par la vanne d'alimentation 35 vue d'obtenir un mélange qui est commodément enflammé par l'élément 38 de la première chambre de post-combustion I4.O. Les produits chauds de combustion sortant de la chambre I4.0 15 pénètrent dans la seconde chambre de post-combustion 58 située à l'intérieur de l'enceinte lf.6. Lorsque les produits combustibles chauds passent dans la chambre 58 de la cheminée 32 entourée par l'enceinte 14.6, de l'air de combustion est introduit par l'intermédiaire de l'orifice d'entrée 52 dans la chambre 5° en s'écoulant 20 à contre-courant de manière à échanger de la chaleur avec les gaz chauds se trouvant dans la chambre 58 et à être échauffé en correspondance. L'air ainsi échauffé est introduit par l'intermédiaire des orifices 60 dans la seconde chambre de post-combustion 58 où il 25 se mélange aux produits combustibles chauds sortant de la première chambre de post-combustion lj.0, le mélange résultant étant soumis à une auto-inflammation et brûlant ensuite dans la partie intérieure de la cheminée de manière à consumer les produits de combustion subsistant dans les fumées jusqu'à ce que des gaz résiduels 30 non nocifs et ne contenant pas de produits organiques contaminants soient déchargés dans l'atmosphère. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation représenté, elle est susceptible de nombreuses autres variantes accessibles à l'homme de l'art suivant les applications 35 envisagées, sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. Il va de soi qu'on peut pré-voir d'autres post-brûleurs du type décrit plus haut en des points supplémentaires de la cheminée 32 en vue d'assurer une combustion complète des fumées évacuées. 6903147 8 2001738 En outre, les dimensions relatives des différentes parties de l'appareil selon l'invention peuvent être modifiées ou bien on peut apporter d'autres modifications sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 6903147 9 2001738 REVENDICATIONS L'invention a pour objet : 1) Un appareil pour brûler des produits gazeux combustibles déchargés par un foyer de combustion ou une autre source de gaz 5 combustibles comportant une cheminée se déchargeant dans l'atmosphère, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pourvu d'un conduit de fourniture d'air débouchant dans la cheminée de manière à assurer la combustion des produits gazeux se trouvant dans la cheminée et à former une première chambre de post-combustion ; une 10 second* chambre de post-combustion située en aval de la première chambre et comprenant une enceinte entourant la cheminée espacée de celle-ci de façon à former une chambre annulaire d'échange de chaleur entourant la seconde chambre de post-combustion j un dispositif de fourniture d'air prévu dans la dite enceinte ainsi 15 qu'une sortie d'air prévue dans la cheminée en amont du dispositif de fourniture d'air de manière à introduire de l'air chaud dans la seconde chambre de post-combustion, de sorte que les gaz Imbrûlés sortant de la première chambre de post-combustion soient mélangés à l'air préchauffé par les gaz de combustion chauds se 20 trouvant dans la seconde chambre, en vue d'assurer une auto- inflamnation du mélange de gaz et d'air avant qu'il soit déchargé dans l'atmosphère. 2) Un appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première chambre de post-combustion comprend un dispositif 25 de fourniture de combustibles permettant d'introduire du combustible dans la cheminée ainsi qu'un dispositif pour enflammer le gaz, l'air et le combustible se trouvant dans la chambre de postcombustion. 3) Un appareil suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé 30 en ce que un dispositif de commande pour régler les écoulements d'air arrivant dans ces chambres est placé dans les conduits de fourniture d'air des première et seconde chambres de post-combustion. ij.) Un dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3» carac-35 térisé en ce que la cheminée contenant la première et la seconde chambres de post-combustion comprend un seul conduit. 5) Appareil suivant l'une des revendications 1 à !(. précédentes, caractérisé en ce que le dispositif alimentant en air ladite 6903147 10 2001738 enceinte comprend des moyens pour faire écouler lfair dans la chambre annulaire à contre-courant par rapport à 1'écoulement do gaz passant dans la cheminée. 6) Appareil suivant l'une des revendications 1 à 5 précéden-5 tes, caractérisé en ce que la seconde chambre de post-combustion comprend un prolongement de la première chambre de ccmbustion qui présente sensiblement la même section droite. 7) Appareil suivant l'une des revendications 1 à 6 précédentes, caractérisé en ce que la source de gaz combustible est enfer- 10 mée dans une enceinte présentant une section droite de forme allongée en vue d'obtenir une circulation optimale des gaz produits dans celle-ci. 8) Appareil suivant la revendication 7> caractérisé en ce que l'enceinte délimitant la chambre de profil allongé a une con- 15 figuration ellipsoïdale. 9) Appareil suivant les revendications 7 8, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif de fourniture d'air ou d'oxygène s'étendant longitudinale ment le long du fond de l'enceinte. 10) Appareil suivant la revendication 9» caractérisé en ce 20 que le dispositif de fourniture d'air ou d'oxygène prévu à la partie inférieure de l'enceinte comprend un tuyau pourvu d'orifices de décharge positionnés latéralement de manière à diriger de l'air le long de la périphérie de l'enceinte. 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