Brevet FR2317594A1 — publié le 19770204

L'invention a pour objet un procédé d'amélioration de l'utilisation des combustibles solides dits très cendreux, c'est à-dire un procédé de production de chaleur sous forme d'une flamme maintenue à une haute température, dans la combustion aussi complète que possible d'un ensemble de matières combustibles, dont la teneur pondérale totale en cendre est inférieure à celle qui serait normalement compatible avec le maintien de la haute température désirée, procédé dans lequel on passe d'une teneur ponderale totale en cendre normalenent admissible, comprise entre 0 et 35v, à une teneur accrue, comprise entre 35 et 65%, cette dernière teneur comprenant égale ment l'apport de solides inertes introduits éventuellement dans la flamme pour les transformer. On sait que quand on désire produire de la chaleur, soit pour la transformer en une autre forme d'énergie comme lxénergie électrique, par exemple, soit pour réaliser des transformations chimiques par voie thermique comme la fabrication du ciment, par exemple, il est nécessaire de brûler en présence drair une matière solide, liquide ou gazeuse, dite combustible. On appelle combustion, l'oxydation vive du carbone et de l'hydrogène renfermés dans le combustible; la combinaison exothermique entre ces éléments et l'oxygène dit comburant de l'air, produisant de l'anhydride carbonique et de la vapeur d'eau en dégageant de la chaleur. Ce processus est assez complexe et son déroulement, et partant son rendement, diffère quelque peu d'après la nature du combustible et aussi selon qu'il est réalisé en conti-na ou non. Au premier stade on soumet le combustible à une pyrolyse en présence d'air ce qui produit des constituants gazeux activés (moléculaires, atomiques,ioniques et/ou radicalaires) représentés ici schématique ent par l'hydrogène et le monoxyde de carbone. A un second stade ces constituants gazeux activés réagissent de manière exothermique pour fournir du dioxyde de carbone gazeux et de la vapeur d'eau. Comme l'air renferme 20X9,o d'oxygène et 79,1% de gaz non comburants (de l'azote principalement avec une faible proportion des gaz inertes dits nobles) les fumées chaudes renferment non seulement les deux oxydes produits, mais aussi les gaz non comburants. On notera en passant que pour simplifier les calculs qui seront nécessaires en vue d'exposer l'invention, on supposera que les gaz comburants de l'air sont présents entièrement sous la forme d'azote, cette sinolification étant parfaitement justifiée puisque l'erreur ainsi introduite reste inférieure à la précision des mosu- res expérimentales. On conçoit que puisque l'énergie libérée dans la conversion des éléments C et H des combustibles en leurs oxydes lest sous la forme de chaleur, le niveau de celle-ci est fonction de la proportion et de la chaleur spécifique des constituants des fumées produites, il va de soi par conséquent que la température de la flamme sera d'autant plus élevée que le milieu de combustion contient peu de matières inertes à réchauffer. Ce sera le cas de certains charbons gras, par exemple, qui ont une teneur en matières combustibles volatiles atteignant jusqu'à 25 à 35,. Une technique qui a permis d'améliorer le bilan thermique des fours industriels continus consiste à injecter à débit constat dans le foyer à l'état fortement divisé un combustible de haut pouvoir calorifique inférieur, mélangé à la quantité d'air de combustion nécessaire pour assurer une combustion aussi complète que possible, d'autre part, pour les combustions en cimenteries et en particulier les fours continus à clinker, on est arrivé à diminuer de 15% environ la consommation de ce combustible dit noble grâce à une variante de cette technique, notamment en incorporant à l'air de combustion une certaine quantité oxygène pur. Si le combustible noble est solide, il faut le sécher et, s'il n'est pas déjà disponible à l'état divisé, il faut le broyer. Dans le cas d'un combustible liquide comme une fraction de la distillation du pétrole brut, aucun séchage ou broyage n'est nécessaire, mais on doit véhiculer le liquide dans les installations et l'in- jecter dans les tuyères de combustion après avoir abaissé sa viscosité, ce qu'on fait en le maintenant à une température qui peut aller de 40 OC, pour les fractions légères, jusqu'à 1000C pour le brai de pétrole; à cette température, le combustible peut être in jecté et enflammé. Du point de vue industriel on retiendra principalement les fractions extra lourdes et le brai dont nous résumons au Tableau I ci-dessous certaines des caractéristiques: TABLEAU I CONBUSTIBLES LIQUIDES Fraction lourde Brai Densité entre 15 et 40C 0,95 - 0,98 1,0 - 1,05 (kg/litre) Point de congélation (3C) -3 à 20 Teneur pondérale en cendres (,-;) 0,01 - 0,05 0,02 - 0,05 Pouvoir calorifique inférieur:: P.C.I. (th/Rg; th=lhermie- 0,97 environ 0,947 environ 10o calories) N.B. - On appelle pouvoir calorifique inférieur d'un combustible solide ou liquide la chaleur dégagée par la combustion d'un kg de ce combustible, les produits étant à l'état gazeux. Dans le cas d'un combustible gazeux le P.C.I. s'exprime en th/Nm où "Nm " désigne un mètre cube de gaz ramené aux conditions normales de température (0 C) et de pression (une atmosphère ou 1 bar).Les combustibles possèdent aussi un pouvoir calorifique supérieur, qui comprend en outre la valeur de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau à l'état d'eau liquide mais cette grandeur nvin- tervient pas dans la présente discussion. Dans la pratique, après les opérations de raffinage du pétrole, il reste un résidu solide appelé "coke de pétrole", qui joue le même rôle que le coke de charbon. C'est un combustible solide qui peut être utilisé après broyage. Ces caractéristiques utiles sont consignées au Tableau II ci-dessous TABLEAU II COKE DE PETROLE Teneur pondérale en cendre (%) 0-1 Teneur pondérale en matières volatiles (%) 6-10 P.C.I. (th/kg) 7,2 environ. Après la découverte de gisements de gaz naturel, les in -dustries tendent à remplacer les combustibles nobles solides et liquides par le gaz naturel car celui-ci n'exige aucune dépense calorifique pour le transport et l'injection. Les caractéristiques principales de ce gaz, constitué en majeure partie par du méthane, de l'éthane et du propane, peuvent être illustrées par celles du gaz naturel de Hollande, comme indiqué au Tableau III ci-après TABLEAU III GAZ NATUREL DE HOLLANDE P.C.I. (th/m3) 7,2 à 7,6 Densité par rapport à l'air 0,641 Volume d'air nécessaire pour 3 3 3 une combustion totale sans excès (m /m ) 8,4 Pour réaliser la combustion industrielle suivant la techni- que d'injection de combustible noble fortement divisé on a longtemps utilisé du coke, du semi coke (provenant des cokeries ou des usines à gaz) broyé à la finesse requise en vue de faciliter l'ignition; on utilise également le charbon industriel de haut pouvoir calori- fique inférieur et de faible granulométrie comme les poussiers @ @ @ mm) et les finer (@ à 10 mm) ainsi que les charbons pulvéri- sés, cest-à-dire les poussiers et fines broyés et séchés en-dessous de 100 microns. TABLEAU IV CHARBON INDUSTRIEL Poussier Fines Teneur pondérale en cendre ('Ó) 15-30 5-15 calculée sur le produit sec Teneur pondérale en eau (') 0-6 5-16 P.C.I. (th/kg), calculé sur le produit sec 6-7,2 7-7,9 Les exploitants des houillères se sont toujours efforcés de valoriser les déchets de l'extraction du charbon, c'est-à-dire de récupérer au mieux par broyage, criblage, lavage et flottage les produits organiques encore renfermés dans les pierres accompagnant le charbon, ces pierres étant considérées à l'origine comme des rebuts et étant mises en terril. I1 est donc devenu habituel en Europe de brûler, non plus simplement des combustibles nobles comme ceux décrits abondamment jusqu'ici, mais bien un combustible mixte constitué dune partie de combustible noble, dit primaire, et d'une partie de combustible pauvre en matières organiques, dit secondaire. Le combustible secondaire comporte une teneur variable en eau et en cendre (matières stériles ou inertes impropres à entretenir la combustion) et il est introduit, avantageusement après un broyage et un séchage, à l'état de particules sèches en vue de faciliter l'inflammation de son contenu organique.Cette définition couvre des matières comme les cendres volantes, des schistes bitumineur, etc. mais plus particulièrement des schistes houillers et des schlamms obtenus par la récupération des produits de lextrac- tion du charbon, dont les caractéristiques principales sont consignées au Tableau V ci-dessous TABLEAU V COMBUSTIBLES TRES CENDREUX SCHLEtS SCHISTES HOUILLERS Teneur pondérale en cendre (%) 20-50 50-90 calculée sur le produit sec Teneur pondérale en eau (%) 20-25 0-50 P.C.I. (th/kg) calculé sur le produit sec. 4,5-6,0 1-4 On a constaté que si le combustible primaire s'enflamme bien et donne une flamme vive, le fait d'injecter le combustible secondaire peut présenter l'inconvénient de donner une flamme irré gulière et/ou dont la température est trop basse pour le procédé industriel dans lequel la flamme est utilisée. Ce phénomène provient du fait que les cendres mélangées intimement aux gaz de combustion se trouvent quasi instantanément à la neume température que ceux-ci, et donc absorbent des leur libération ùne partie de la chaleur disponible I1 s'ensuit donc une diminution de la température de la flamme. Pour éviter ces inconvénients d'irrégularité et de température trop bassé de la flamme qui se produisent lorsqu'on accroît la teneur pondérale totale en cendre de 35 à 65% et maintenir la combustion aussi complète que possible, suivant le procédé de lin- vention, on retire du milieu de combustion une fraction des gaz non comburants de l'air de combustion, soit un ballast azote et de gaz nobles, tout en conservant la quantité d'oxygène nécessaire pour assurer le même degré de combustion qu'auparavant, la quantité de chaleur, précédemment absorbée dans le réchauffement du ballast, étant ainsi libérée et pouvant maintenant compenser l'effet de refroidissement de la flamme, dû à l'excédent de cendre, en réchauf fant cet excédent à la température désirée. En modifiant ainsi le rapport azote retiré/cendres ajou- tées, on parvient à modifier la température de la flamme. Pour une valeur particulière de ce rapport, on conservera une température de flamme identique à celle obtenue avant d'utiliser cette tecriique. Suivant l'invention on réchauffe l'excédent de cendre en effectuant la combustion dans de l'air enrichi en oxygène, puisqu'il s'agit là d'un moyen pour diminuer le ballast d'azote tout en gardant la même quantité oxygène utile. Le volume d'oxygène pur nécessaire pour constituer l'air enrichi, disponible sous forme d'oxygène dit soit à haute, soit à basse pureté, est introduit dans la zone de combustion soit seul, soit avec de l'air ordinaire, soit avec au moins une fraction de l'ensemble des matières combustibles, une fraction de ces matières au moins pouvant être injectée avec de l'air ordinaire dans la zone de combustion. Conformément au procédé de l'invention on réalise un ensemble de matières combustibles avant une teneur pondérale totale comprise entre 35 et 65 soit en utilisant des matières ayant cette teneur en cendre, soit en mélangeant entre eut d'une nart, des comme bustibles, dits primaires, choisis dans le groupe formé par les charbons, les cokes de charbon et de pétrole, les fractions extra lourdes de la distillation des pétroles, les brais, les gaz naturels et les gaz industriels comme le gaz de coke ayant une teneur pon dérale en cendre inférieure à 35% et un haut pouvoir calorifique inférieur et, d'autre part, des combustibles, dits secondaires, choisis dans le groupe formé par les sehistes houillers et bitumi- neux, les schlamms et les cendres volantes, ayant une teneur pondérale en cendre comprise entre 50 et 90p et un bas pouvoir calorifique inférieur. Puisqu'il est de pratique courante de rechercher pour des raisons économiques une teneur pondérale en cendre la plus élevée possible, on peut considérer que normalement, on se trouve au mini- mum de température de flamme compatible avec un processus industriel. A partir de cette limite toute augmentation de la teneur en cendre se traduirait par un refroidissement exagéré de la flamme. I1 faut donc que le ballast d'azote, retiré grâce à la technique d'enrichissement de l'air en oxygène, soit tel que la chaleur sensible d'échauffement des cendres supplémentaires soit égale à la chaleur sensible d'échauffement de l'azote retiré. Cette chaleur sensible de la cendre exprimée en thermies ést égale au poids de l'excédent de cendre exprimé en kg, multiplié par la chaleur spécifique moyenne de la cendre exprimée en thermies par OC et par kg, multiplié par la température de la flamme en OC; la chaleur sensible de l'azote retiré est égale au volume d'azote retiré, en m3 normaux, multiplié par la chaleur spécifique moyenne à pression constante de l'azote exprimé en thermies par Nm3 et par OC, multiplié par la température de la flamme. Une analyse plus fine du problème doit tenir compte du fait qu'un combustible sans cendre, n'a pas nécessairement la même température de flamme que le combustible primaire utilisé. I1 est donc nécessaire de calculer les températures théoriques de flamme. La température théorique de flamme est celle qui est calculée en supposant -que la chaleur libérée par la combustion (pouvoir calorifique inférieur) est utilisée uniquement pour échauffer les produits de la combustion (vu leur état pulvérulent les cendres sont considérées comme un produit de la combustion). Il y a lieu aussi de tenir compte des variations possibles de l'excès d'air (ou d'oxygène) nécessaire pour obtenir une conabustion complète, car on sait qu;en diluant des fumées, excès d'air diminue la température de flamme. En fait, l'excès d'air nécessaire est une donnée qui est spécifique à chaque four et qui est déterminée par l'expérience; il est donc impossible de prédire dune façon générale comnent-v-a évoluer cet excès d'air lorsqu'on ajoute un combustible de bas pouvoir calorifique inférieur et de l'oxygène. On est cependant en aroit de penser que l'excès d'air ne- cessaire pourra être diminué à cause de l'apport d'oxygène. En effet, la raison même de l'excès d'oxygène (apporté par l'air) est de permettre que la probabilité que chaque molécule de gaz de combustible (principalement CO et H2) s'unisse à de l'oxygène, approche la certitude. Moins ces gaz combustibles sont dilués dans les autres gaz -N2, C02, H2O- moins on aura besoin d'oxygène ou d'air en excès. Dans les calculs qui suivront, on n'essaiera pas de prédire l'évolution de la quantité d'excès d'oxygène nécessaire, mais on montrera l'incidence d'une variation de l'excès d'oxygène pur à ajouter lorsqu'on remplace une fraction du combustible primaire (pauvre en cendre) par du combustible secondaire à haute teneur en cendre tel qu'un schlamm ou un schiste houiller. On peut calculer la quantité d'oxygène à ajouter en fonction du taux de remplacement en partant de l'hypothèse de la conservation de la température théorique de la flamme. On considèrera d'abord le cas de la combustion stoechiomé- trique avec excès d'air mais sans addition d'oxygène d'un combustible mixte dont la teneur pondérale totale est compatible avec l'obten- Lion d'une température théorique de flamme T0 utilisable dans une application industrielle donnée. I1 va de soi que la chaleur dégagée dans la combustion doit se retrouver dans les divers constituants des deux combustibles. Si, dès lors, on suppose que le combustible mixte fournit une quantité de chaleur égale à une thermie (th=l06 calories) et que les apports des combustibles primaire A (pauvre en cendre) et se con- aaire B (plus riche en cendre) à cette quantité de chaleur sont res pectivement (l-yO) et yo, on peut écrire 1 = (1-yo) (QF,A + e0 Qair, A)+ y0(QF,B + e0 Qair,B + To .... (équation a) - avec Vi,A = volume des divers constituants gazeux des fumées (F) CO2, H2O, N2, résultat de la combustion du combus tible primaire A (chaleur dégagée = 1 th);; Vi,A étant exprimé en mètres cubes normaux par ther mie, soit iNm th - et Cpi = la chaleur spécifique moyenne à pression constante de th ces divers constituants, exprimée en Nm x C Nm th Qair,A = Vair,A.CPair,A ( x ) th Nm x C - avec Vair,A= volume stoechiométrique d'air nécessaire pour la combustion du combustible primaire A - et CPair,A = la chaleur spécifique moyenne è pression constante th de l'air ( ) Nm x C QF,B et Qair,B représentent les grandeurs correspondantes pour les constituants du combustible secondaire e0 = proportion d'air en exces exprimée par rapport à la quantité d'air nécessaire pour une combustion stoe chiométrique st,o - poids de cendre (stérile) du combustible secondaire B contenu dans 1 thermie de chaleur dégagée, multiplié par la chaleur spécifique moyenne de la th cendre (kg x C); le suffixe "o" dénote une teneur en cendre compatible avec l'obtention de la tempera- ture 20. Si l'on remplace maintenant l'air de combustion par de l'air enrichi en oxygène, les proportions des combustibles deviendront respectivement (1-y1) et y1. De plus, pour rester tout à fait général, on supposera que le combustible secondaire B reste le même sauf que sa teneur en matière stérile a pu varier; on dira donc que la chaleur spécifique moyenne reste la meme mais on utilisera le facteur Qst,l Dans ces nouvelles conditions on supposera que l'excès d'air devient el. La quantité d'oxygène pur ajoutée, exprimée en Nm désignée par qO2, va intervenir dans les calculs par le biais th de la chaleur d'échauffement de l'azote que l'injection d'oxygène pur aura permis d'éviter. En calculant comme précédemment sur une thermie de chaleur dégagée en tenant compte de ce que l'air se compose de 79,l;;J d'azote et de 20,9,J d'oxygène, la chaleur d'échauf- fement de l'azote sera, 79,1 (x qO2)* x CpN2 x T1 = kT1 qO2 où T1 est la nouvelle tempéra 20,9 ture théorique de flamme, k = x CpN2 et le facteur désigné par 20,9 l'astérisque représente la quantité d'azote retiré, exprimée en Nm . Substituant dans l'équation générale, on obtient une expression pour la nouvelle température de flamme : 1 = (1-y1) (QF,A + e1 Qair,A) + y1 (QF,B + e1 Qair,B + Qst,1)-kq T1 (équation b) Puisque l'objet du procédé est de maintenir la température, on doit poser T0 = l1 c'est-à-dire égaler les seconds membres des équations a et b, ce qui permet de trouver la valeur de qO Nm O2 en = 1/k[(1-y1)(QF,A + e1Qair,A)-(1-y0)(QF,A + e0Qair,A) th totale k +y1 (QF,B+ e1Qair,B+Qst,1)-y0(QF,B+ e1Qair,B+Qst,o)] =1/k[(y1-y0)(QF,B-QF,A)+(e1-e0)Qair,A+(e1y1-e0y0)(Qair,B-Qair,A) + (y1Qst,1-y0Qst,0)] Après réarrangement des facteurs, on peut écrire :: qO2 ={1/k (y1-y0) [QF,B+e0Qair,B)-(QF,A+e0Qair,A)+Qst,0] -(e0-e1)[Qair,A+y1(Qair,B-Qair,A)] -y1(Qst,0-Qst,1)} (équation c) Cette façon d'écrire les résultats est intéressante car elle met en évidence l'influence d'une modification de l'excès d'air et l'influence d'une modification de la teneur en cendre du com- bustible secondaire 3. En effet, si "a" est la proportion ae cendres dans le combustible 3 et "di" le pouvoir calorifique du combustible sans cendre, le combustible peut être représenté par a kg de cendres + (1-a) kg de combustible sans cendre: par définition, la chaleur dégagée par la combustion de ce dernier est (l-a)Hi th. Comme Qsy a été défini comme étant le poids de cendre dans 1 thermie de chaleur dégagée, on a Qst = Cpst x ####### ##### (équation d) Si la nature des cendres ne change pas mais uniquement sa teneur, Cpst est invariable; par conséquent le dernier terme de l'équation est parfaitement défini et l'on trouvera la valeur de qO2. 2 on démontrera aisément l'efficacité de l'équation c, en l'appliquant à des problèmes concrets de combustion tirés de l'in- dustrie. On prendra comme données, les chaleurs spécifiques noyen nes à 1600 C du schiste et des gaz (à pression constante); soit Cp schiste =0,272 x 10-3th/kgx C) Cp gaz carbonique =0,568 x 10-3th/Nm x C) Cp azote = 0,349 Cp eau = 0,445 Cp air = 0,352" On a déduit le facteur k = 79,1 x Cp azote 1,32086x10-1th/(Nm x C). 20,9 En supposant que le pouvoir calorifique du charbon sans cendre Hi = 8,35 th/kg, et en appliquant l'équation d, on peut déterminer Qst pour des teneurs en cendre croissantes. a Cp a 0,272 Qst = . = x 10-3 C-1 1-a Hi 1-a 8,35 Pour un charbon à 10% de cendre Qst = 0,00362.10-3 C-1. Pour un schiste houiller à 50% de cendre: Qst = 0,03257.10-3 C-1 Pour un schiste houiller à 70% de cendre: Qst = 0,0760.10-3 C-1 Pour le charbon, on prendra: 1,13 Nm fumée/thermie (17,5% de CO2; 5,9% H2O; 76,6% N2) et 1,09 Nm air/thermie. Par conséquent : QF,B = 0,4441 10-3 C-1 Qair = 0,3837 10-3 C-1 Pour une fraction extra lourde de pétrole, on prendra: 9,68 th/kg, 1,103 Nm3 air/th et 1,166 Nm de fumée/thermie (14,4% CO2; 10,8% H2O; 74,8% N2). Par conséquent Qair = 0,3883 10-3 C-1 QF,A = 0,4558 10-3 C-1 Pour le gaz naturel de hollande, on prendra: Hi = 7,6 1,1066 Nm air/th, et 1,2408 Nm fumée/th (9,55% Co2; 18,45% H2O; 72% N2).Par conséquent: QF,A = 0,48095 10-3 C-1 Qair = 0,38952 10-3 C-1 EXEMPLE 1. 80% de la chaleur provient de la combustion d'une fraction extra lourde de pétrole. 20% de la combustion d'un schiste houiller à 70% de cendre. La combustion se fait avec 10% d'excès d'air. On désire augmenter la proportion du mee schiste houiller. On supposera que l'excès d'air reste inchangé, soit e0 = el = 0,1 1 q0 Nm /th = (y1-0,20) (0,4441+0,03837-0,4558-0,03883+0,7601) 1,32086 0,06385 = (y1-0,20) 1,32086 = 0,04834 (y1-0,20) Don, par exemple, pour que la proportion calorifique des schistes houillers passe de 20 à 40, il faudra injecter 0,04834 (0,4 - 0,2) = 0,009668 Nm3 02 par thermie dégagée dans la combustion. Pour chaque kg de fraction lourde qu'on remplace par son équivalent calorifique de schiste houiller, il faut ajouter: 0,04834 x 9,68 = 0,468 Nm3 d'oxygène pour conserver la température. EXELYPLE 2.- 100% de la chaleur est fournie par un charbon pulvérisé à 10% de cendres. On désire le remplacer totalement par un schiste houiller à 50% de cendre. L'équation générale donne la solution, à condition de faire : QF,A et Qair,A = 0 Yo = Y1 = 1 Qst,0 = 0,00362. 10-3 C-1 Qst,1 = 0,0357. 10-3 C-1 QF,B = 0,441 10-3 C-1 Qair,B = 0,3837. 10-3 C-1 (e1-e0) x 0,3837 + (0,03257 - 0,00362) qO2 Nm /th = 1,32086 = 0,02192 + 0,29049 (e1 - e0) Si l'excès d'air ne change pas, on a donc besoin de 0,02192 Nm d'oxygène par thermie dégagée. Si l'excès d'air est et reste de 10%, ceci signifie que sur les 0,209 x 1,1 x 1,09 = 0,25059 nécessaire pour dégager une thermie, 0,02192 m3 proviennent de l'oxygène pur. On calcule que ceci correspond à un air contenant 22,454% d'oxygène au lieu des 20,9% normaux. Cette teneur en O2 est calculée comme suit Dans les 0,25059 Nm3 O2, il y a 0, 02191 Nm3 02 pur. La part de oxygène provenant de l'air est donc ae 0,25059 Nm O2 - 0,02192 Nm O2 = 0,22867 Nm O2 Ces 0,22867 Nm O2 sont accompagnés de 79,1 0,22867 x 0,86543 Nm N2. 20,9 Le total de ces deux gaz est alors de (0,25059 + 0, 86543) Nm3 = 1,11602 Nm3 d'air enrichi contenant 0,25059 x 100 = 22,454% Nm O 1,11602 Vu la plus grande probabilité de l'oxygène de rencontrer des imbrûlés, (puisque l'oxygène est moins dilué dans l'azote inerte), on peut escompter une combustion satisfaisante avec un excès d'air moindre. Pour une diminution de 2% de excès d'air (par exemple de 10 à 8,), on voit que l'oxygène nécessaire passe de 0,02192 0,01611 soit une diminution de 26,5% de la consommation oxygène. EXEMPLE 3. Un four de cimenterie est chauffé uniquement au gaz naturel de Hollande. On désire remplacer une partie du gaz naturel par du schiste houiller à 70% de cendre. L'excès d'air est et reste égal à 10%. Dans l'équation générale il faut faire y0 = 0 Qst,0 = 0 1,32086 q02 = y1 (0,4441 + 0,03837 - 0,48095 - 0,038952) + Y1 x 0,07601) -(e0-e1) [0,38952 + (0,3837 - 0,3895) y1] qO2 = 0,02921 y1 -(e0-e1) (0,2949 - 0,044 y1) Si l'excès d'air reste identique, on voit donc que par thermie remplacée on a besoin de 0,0292 Nm O2, soit 0,222 Nm O2/Nm de gaz naturel remplacé. EXEMPLE 4. Un four de cimenterie est chauffé par 75% de gaz naturel et 25% de schiste houiller à 80% de cendre : les pourcentages des deux combustibles étant exprimés en thermies d'un combustible par rapport aux thermies totales. on veut augmenter la quantité de schiste houiller de 25% à 50%. Supposons que l'excès d'air reste inchangé. On a donc e0 = el = 0,1. La quantité d'oxygène sera donnée par : 1 qO2 (Nm O2/th dégagée) = (0,50-0,25) (0,44441 + 0,03837 1,32086 -0,48095 - 0,038952 + 0,1303) 0,09287 = (0,50-0,25) 1,32086 = 0,07031 x 0,25 = 0,01758 La quantité d'oxygène qu'on doit utiliser par Nm3 de gaz naturel remplacé sera de: 0,07031 x 7,6 = 0,53436 Nm O2/Nm de gaz naturel. EXEMPLE 5. Soient les conditions de l'exemple 4 sauf que le schiste est à 70% de cendre. On détermine la quantité d'oxygène : q02 = 1,32086 (0,50-0,25) (0,44441 + 0,03837 - 0,48095 - 0,038952 + 0,08701) = 0,0292 x 0,25 = 0,0073 Nm302/thermie dégagée. -Pour chaque Nm3 de gaz naturel que l'on remplace par son équivalent calorifique de schiste à 70% de cendre, il faut ajouter : 0,0292 x 7,6 = 0,222 Nm302 par Nm3 de gaz naturel. On retrouve la valeur prévue dans l'exemple 3. EXEMPLE 6. On reprend les conditions des exemples 4 et 5 mais on remplace le schistè houiller à 80% par du schiste houiller à 85/3 de cendre. On obtient Qst = ##### x ### = 0,18458 C-1 La quantité d'oxygène sera donnée par 1 qO2 = (y1 - y0) (0,4441 + 0,03837 - 0,48095 - 0,03895 1,32086 + 0,18459) = 0,11141 (y1 - y0) La quantité d'oxygène qu'on doit utiliser par zm3 de gaz naturel remplacé sera de 0,11141 x 7,6 = 0,8467 Nm O2/Nm de gaz naturel. EXEMPLE 7. Dans l'exemple précédent on remplace le combustible à 85% de cendre par un schiste houiller à 60/o de cendre. On obtient Qst = ##### x #### = 0,04885 C-1. La quantité oxygène sera donnée par (y1 - y0) (0,4441 + 0,03837 - 0,48095 - 0,03895 + 0,04885) qO2 = 1,3209 = 0,00865 (y1 - y0) La quantité d'oxygène qu'on doit utiliser par Nm3 de gaz naturel remplacé lorsque l'excès d'air reste inchangé sera donc : 0,00865 x 7,6 = 0,0657 Nm O2/Nm de gaz naturel. Des ces exemples 3, 4, 5, 6 et 7, on voit que pour le gaz naturel de Hollande, la quantité d'oxygène qu'on doit introduire quand on remplace 1 Nm3 de gaz par son équivalent calorifique en schiste houiller ou schlamm varie de 0,53436 Nm302 (exemple 4) à 0,0657 Nm O2 suivant la teneur en cendre du produit remplaçant le gaz naturel. Des exemples similaires peuvent etre obtenus avec soit le charbon, soit le coke, soit les produits lourds de la distillation du pétrole brut. Dans ces exemples l'excès d'air nécessaire à la combustion a été supposé identique avant et après l'introduction d'oxygène. On pourrait concevoir que cet escès d'air diminue après incorporation de l'oxygène dans la combustion. Dans ce cas, les quantités en Nm O2 à utiliser par unité de poids ou volume de combustible primaire remplacé peuvent diminuer comme cela est démontré dans l'exemple 2. EXEMPLE 8. Dans un four Lepol de 4 mètres de diamètre et de 53 m de long on a incorporé de l'oxygène à la tuyère à schiste. Le schiste utilisé avait une teneur de 70 de cendres. Avant incorporation de l'oxygène, le bilan thermique du four était constitué par 17% en provenance du combustible très cendreux et 83 en provenance de combustible liquide dit fuel oil. L'incorporation de 280 Nm d'oxygène par heure a permis d'économiser 450 kg de fuel oil par heure et de modifier la répartition du bilan thermique en utilisant 35/ des calories provenant du schiste et 65;3 des calories provenant du fuel oil. Pour chaque kg de fuel oil remplacé, on a utilise 280 = 0, 615 Nm d'oxygène. Ce chiffre est à comparer à celui de - 0,015 Nm d'oxygène. Ce chiffre est a comparer a celui de 450 l'exemple 1, où l'on avait déterminé 0,468 Nm d'oxygène. Or, dans ce cas pratique, la température de flamme est légèrement plus éle vée, ce qui explique la différence entre les deux valeurs pour le volume oxygène. EXEMPLE 9.- Dans le meme four on a incorporé 180 Nm d'oxygène par heure et on a déterminé le gain en fuel oil qui a été de 359 kg de fuel par heure, ce qui donne par kg de fuel 359 = 0,501 Nm d'oxy- gène/kg de fuel économisé. Ce chiffre est très proche de celui de l'exemple 1. On peut signaler en outre qu'on a observé un gain de production de l'ordre de 10%, une économie de calorie de 5% et une diminution à la formation d'anneaux dans le four. EXEMPLE 10. Dans le même four, on a obtenu les résultats suivants: Avant l'introduction d'oxygène, il était utilisé comme combustible par heure: 2640 kg de fuel extra-lourd en mélange avec 2.250 kg de schiste houiller à 70 de cendre. Ce mélange de combustible contenait donc : 2.250 x 0,70 x 100 = 1575 x 100 = 32,3% de cendre 2.250 + 2.640 4890 Après incorporation d'oxygène à raison de 330 Nm par heure, il a été possible de maintenir un même apport de calories de chauffage par un mélange horaire constitué de 1500 kg de fuel et de 6300 kg de schiste houiller à 70% de cendres. Ce mélange de combustible contenait donc 6300 x 0,7 x 100 = 4410 x 100 = 56,5% de cendres. 1500 + 6300 7800 L'économie de fuel a été de 750 kg par heure. Cette réduc- tion conduit à une consumation d'oxygène par kg de fuel économisé 330 de = 0,44 Nm O2. 750 Ce qui précède a été établi en partant d'oxygène mais il est bien évident que le raisonnement reste parfaitement valable même si la source d'oxygène ne fournit pas de l'oxygène pur. En effet, quel que soit le mode d'injection utilisé, on se retrouve toujours avec de l'air enrichi en oxygène. Par exemple, sl l'on dispose dlun mélange contenant en volumes 40% d'oxygène et 60% d'azote, on a en fait 60 = 75,85% d'air et 24,15% d'oxygène pur. 0,791 D'autre part on a signalé précédemment que lxincorpora- tion d'oxygène à l'air de combustion dans un four industriel continu alimenté en combustible noble permet dréconomiser une fraction de ce dernier; par conséquent on peut améliorer le rendement du four. L'explication du phénomène est évidente si l'on se rappelle que le débit de combustible est généralement limité par le débit de fumées provenant de la combustion; comme l'oxygène pur ajouté permet de diminuer le ballast d'azote on pourra brûler davantage de combustible. Par ailleurs, comme les pertes par rayonnement d'un four sont généralement constantes, la production supplémentaire n'entraîne pas de perte additionnelle; en d'autres termes, cette production supplémentaire est obtenue avec une consommation spécifique de chaleur nettement moindre que la production normale. Travaillant sur l'équation du bilan thermique du four en régime normal et en régime poussé avec oxygène, on peut établir - une équation linéaire (mpyennant certaines hypothèses) reliant la consommation d'oxygène à la production supplementaire - une valeur de la quantité de chaleur nécessaire pour produire une tonne supplémentaire de produit grâce à l'emploi d'oxygène. Résolvant ces deux nouvelles équations avec l'équation (c) précédemment établie, il est donc possible de calculer pour une augmentation de production désirée, la nouvelle consommation spécifique de chaleur, la quantité d'oxygène pur nécessaire et, partant, le taux de remplacement du combustible principal par un combustible très cendreux, tel que du schiste houiller. De même, on aurait pu partir d'un taux de remplacement désiré et arriver e' l'augmentation de production possible, grâce à l'oxygène injecté. Bien entendu, ce raisonnement ne signifie pas que l'utilisation dnoxs-gène an vue de permettre l'emploi de schiste houiller implique obligatoirement une augmentation de production. Il permet seulement de calculer l'augmentation de production maximum possible. On a mentionné le fait que le volume des fumées était le facteur principal limitant la production d'un four. A ce sujet, si l'on compare le volume des fumées résultant d'une combustion stoechiométrique, exprimée en Nm /thermie, on a - charbon-: Vz = 1,13 - fuel-oil : VF = 1,166 - gaz naturel de Hollande : VF = 1,2408. On voit donc que l'emploi de charbon diminue le volume des fumées et, partant, permet d'augmenter la production. Il est à remarquer que l'emploi de combustible très cendreux ne constitue généralement pas un problème dans un foyer à grille. En effet, il est connu que nombre de foyers prévus initialement pour brûler uniauement du charbon cnt été convertis pour une marche mixte fuel-oil-charbon. On peut donc se permettre une production de cendre au moins.égale à celle qu'aurait donné l'utilisation exclusive d'un charbon avec un taux de cendre normal. Dans un four de cimenterie, les cendres ne sont générale ment pas un handicap puisqu'elles sont un des éléments constitutifs du clinker. I1 suffit donc de modifier la composition des matières enfournées pour tenir compte de l'apport de matière par la flamme. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes d'exécution qui ont été décrites à titre exemples et on ne sortirait pas de son cadre- en y apportant des modifications. REV ENDICÂT I 0N 1. - Procédé d'amélioration de l'utilisation des combustibles dits très cendreux, c'est-à-dire un procédé de production de chaleur sous forme d'une flamme maintenue à une haute température dans la combustion aussi complète que possible d'un ensemble de matières combustibles, dont la teneur pondérale totale en cendre est supérieure à celle qui serait normalement compatible avec le maintien de la haute température désirée, procédé dans lequel on passe d'une teneur pondérale totale en cendre normalement admissible, comprise entre 0 et 35 à une teneur accrue, comprise entre 35 et 65%, cette dernière teneur comprenant également l'apport de solides inertes introduits éventuellement dans la flamme pour les transformer, caractérisé en ce qu'on retire du milieu de combustion une fraction des gaz non comburants de l'air de combustion, soit un ballast d'azote et de gaz nobles, tout en conservant la quantité d'oxygène nécessaire pour assurer le méme degré de combustion qu'auparavant, la quantité de chaleur, précédemment absorbée dans le réchauffement du ballast, étant ainsi libérée et pouvant maintenant compenser l'effet de refroidissement de la flamme, du à l'excédent de cendre, en réchauffant cet excédent à la température désiree. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce quron réchauffe l'excédent de cendre en effectuant la combustion dans de l'air enrichi en oxygène. 3. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le volume d'oxygène pur nécessaire pour constituer l'air enrichi, disponible sous forme d'oxygène dit soit à haute,soit à basse pureté, est introduit dans la zone de combustion soit seul, soit avec de l'air ordinaire, soit avec au moins une fraction de l'ensemble des matières combustibles, une fraction de ces matières au moins pouvant entre injectée avec de l'air ordinaire dans la zone de combustion. 4.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise un ensemble de matières combustibles ayant une teneur pondérale totale comprise entre 35 et 65fo soit en utilisant des matières ayant cette teneur en cendre, soit en mélangeant entre eux d'une part, des combustibles, dits primaires, choisis dans le groupe forme par les charbons, les cokes de charbon et de pétrole, les fractions extra lourdes de la distillation des pétroles, les brais, les gaz naturels et les gaz industriels comme le gaz de coke, ayant une teneur pondérale en cendre inférieure à 35io et un haut pouvoir calorifique inférieur et, d'autre part, des combustibles, dits secondaires, choisis dans le groupe formé par les schistes houillers et bitumineux, les schlamms et les cendres volantes ayant une teneur pondérale en cendre comprise entre 50 et 90, et un bas pouvoir calorifique inférieur