Brevet FR2372384A1 — publié le 19780623

La présente invention est relative à un procédé de production de calories à partir de particules combustibles solides, ainsi qu'à un avant-foyer mettant en oeuvre ce procédé. Elle concerne 7'utilisation de toutes particules inflammables, déchets industriels, agricoles ou autres, pour produire une flamme en vue d'alimenter un appareil récupérateur de calories, tel qu'un échangeur, un générateur d'air chaud, une chaudière, etc.... On utilise actuellement à cet effet des dispositifs statiques, brûlant les déchets en masse et notamment destinés à traiter des produits humides à déshydrater avant de les brûleur, ou des dispositifs cycloniques brûlant des déchets secs et généralement de fable granulométrie alors qu'un dispositif statique fonctionne avec des particules de dimensions très variables. Dans le dispositif statique, les particules à brûler sont accumules dans une colonne verticale à paroi étanche et reposent vers le bas sur une grille inclinée placée à une certaine distance de la partie inférieure de la colonne, à l'intérieur d'une enceinte fermée ; on injecte à travers la grille un air de combustion des particules et, à travers les parois de la colonne et vers l'intérieur de celle-ci, un air de pyrolyse permettant de cokéfier les particules pendant leur descente ; le monoxyde de carbone CO produit par la combustion lente et incomplète des particules est brûlé et oxydé par l'apport d'air injecté le long des parois de la colonne, à l'extérieur de celle-ci et à l'intérieur de l'enceinte ; à proxi- mité immédiate de la partie supérieure de l'enceinte est disposée une sortie radiale pour les gaz en combustion, qui viennent chauffer l'appareil récupérateur des calories disposé à l'extérieur de cette sortie. Un tel dispositif statique présente le double inconvénient de la formation de cratères dans la masse de particules à brûler du fait du mode d'injection de l'air de pyrolyse, qui ne se répartit pas dans toute la masse et provoque une cokéfaction privilégiée par endroits, et du fait que l'air d'oxydation injecté dans l'enceinte au-dessus des particules en combustion tend à emmener vers la sortie des particules imbrûlées, c'est-à-dire à provoquer la sortie de carbone piluant et de pouvoir calorifique inférieur à celui du CO. Un dispositif dynamique comporte quant à lui, de révolution autour d'un axe généralement vertical ou horizontal, une enceinte cylindrique dans laquelle on injecte tangentiellement les particules mues par l'air de combustion. L'air d'oxydation du CO produit est quant à lui introduit dans l'enceinte par un dispositif fumivore additionnel placé axialement ou radialement. On constate là encore une mauvaise séparatiea des gaz à évacuer et des cendres et imbrûlés polluants. De plus, dans de tels dispositifs tant statique cyclô- niques actuellement connus, une bonne part de l'oxydation du CO en C02 s'effectue à l'intérieur de l'enceinte, avec une production de calories qui n'est pas intégralement répercutée au niveau de l'appareil récupérateur extérieur. Un objet de la présente invention est par conséquent de proposer un nouveau profil de dispositif gazogène permettant non seulement une compacité de construction intéressante, mais aussi une sépration optimale des cendres et imbrûlés polluants des gaz brûlés évacués dans l'atmosphère. Un autre objet consiste à proposer un moyen d'évacuer au masse mum le CO vers l'appareil récupérateur de calories à alimenter d'oxyder les molécules de carbone imbrûlées et de f ovaliser la flamme à la sortie du dispositif pour obtenir une énergie rayonnée concentrée. Ces différents buts sont atteints selon l'invention en injectant l'air d'oxydation du CO au niveau de la sortie de l1enceinte, de préférence à l'extérieur de celle-ci et dans une zone où l'on provoque la détente des gaz issus de l'enceinte, pour éviter au maximum d'entralner les particules contenues dans celle-ci, protéger incomplete la combustion / en vue de produire du CO, et appelercelui-cs au maximum et dans des conditions optimales vers l'appareil recu pérateur de calories alimenté. L'invention s caloon applique aussi bien à des dispositifs statiques qu'à des dispositifs cycloniques, qui constituent dans le cas de l'invention des avant-foyers et non des foyers puisque l'oxydation du CO s'effectue quasi-intégralement à l'extérieur Dans le cas d'un dispositif statique, le but de l'invention est d'autre part de proposer un moyen d'injection de l'air de pyrolyse évitant la formation de cratères dans la masse des particules à brûler.A cet effet, il est prévu selon l'invention de donner a la colonne centrale une forme évasée vers le bas, de façon à provoquer un brassage des particules, et d'injecter l'air de pyrolyse à partir d'un tube central dans cette zone où la colonne s1 évase et où les particules jouent les unes par rapport aux (autres Le procédé selon l'invention, pour la production de calories à partir de particules combustibles solides, consistant à provoquer une combustion incomplète des particules en dégageantde gaz cob stibles / et a oxyder les dits g az, est caractérisé en ce que l'on pratique la production et la combustiondes g;;az respectivement à l'intérieur et à la sortie d'une enceinte, en injectant respectivement un air de combustion des particules dans l'enceinte et un air d'oxy dationdesgaz à proximité immédiate de la sortie de celle-ci. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la description ci-dessous, relative à deux modes de mise en oeuvre, ainsi qu'aux dessins annexés qui font partie intégrante de cette description. La figure 1 montre une vue d'un avant-foyer cyclônique en coupe v e r t i c a 1 e s u i v an t la ligne I-I de la figure 2. L a figure 2 montre une vue de cet avant-foyer en coupe transversale suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 montre une vue en coupe transversale, suivant la ligne III-III,du conduit de sortie et des moyens d'i njection de 1'air d'oxydation des gaz combustibles. La figure 4 montre une vue d'un avant-foyer statique, en coupe par un plan vertical axial. La figure 5 montre une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 4. Les figures 1 à 3 illustrent un avant-foyer cyclônique essentiellement délimité par une enceinte 1 cylindrique de révolution autour d'un axe 2 par exemple horizontal, et fermée à ses deux extrémités transversales par des parois perpendiculaires à l'axe 2, respectivement 3 et 4. A proximité de la paroi d'extrémité 4 débouche , dans la paroi cylindrique de l'enceinte, un conduit d'entrée pneumatique 5 pour les particules à traiter et l'air destiné à leur combustion. Les particulex gnt introduites par le conduit d'entrée 5 à une vitesse suffisante pour obtenir leur centrifugation totale. Dès leur entrée dans la chambre de combustion 6 délimitée intérieurement par l'enceinte 1, les particules sont directement mises en combustion par un dispositif électrique ou au mazout, ou au gaz, ou autre, ne se mettant en fonctionnement que pour l'alluma- ge du foyer. On a par exemple représenté ici, à cet effet, un brûleur 7 émettant une flamme témoin orientée suivant l'axe 2 zone ce brûleur 7 est par exemple fixé sur un appendice 8, tronconique de révolution autour de l'axe 2, que la paroi 3 de l'enceinte 1 présente en saillie vers l'extérieur. En position centrale dans la paroi d'extrémité 4, face au brûleur 7, est aménagée la sortie 9 des gaz produits par le dispositif, laquelle est délimitée par un conduit cylindrique de révolution autour de llaxe 2. Ce conduit forme saillie vers ltextérieur de l'enceinte 1, en 10, vers l'appareil 11 récupérateur de calories alimenté par l'avant-foyer selon l'invention. I1 se prolonge d'autre part vers l'intérieur de la chambre de combustion 6, en 12, jus Naturellement, la partie 12 du conduit interne à la chambre de combustion 6 présente un diamètre inférieur au diamètre intérieur de celle-ci. La centrifugation des cendres est entretenue par le mouvement cyclônique. Le décendrage du foyer s'effectue par l'ouverture d'une trappe 13 articulée, positionnée sur la périphérie cylindrique de la chambre de combustion 6, à la partie inférieure de celle-ci et de préférence entre la zone où débouche le conduit 5 et la paroi d'extrémité 3. Le mouvement de la trappe 13 dans le sens de l'ouverture en vue du décendrage puis du retour à la position fermée est obtenu par une rotation commandée par un élément moteur quelconque 14 par exemple pneumatique ou électrique. Cette opération est programmée postérieurement à l'arrêt de l'alimentation de l'avant-foyer en particules combustibles. Les cendres sont évacuées dans un-cendrier inférieur étanche 15. Les gaz, essentiellement du monoxyde de carbone CO, produits par la combustion incomplète des particules combustibles dans la chambre de combustion 6 sont évacués par la sortie 9 et rencontrent dans leur trajectoire, en pratique au niveau de la partie extérieure 10 du conduit de sortie, un dispositif 16 ayant ici pour roule à la fois injecter un air d'oxydation du CO isu de la chambre de combustion 6, de faciliter cette sortie du CO, de f o c a 1 i s e r la flamme 17 résultant, à l'intérieur de l'appareil 11, de la combustion du CO, et de créer dans cette flamme des turbulences propres à favoriser l'échange thermique dans l'appareil 11. On se réfèrera plus particulièrement aux figures 1 et 3. Comme le montrent ces figures, la partie 10 du conduit de sortie extérieur à l'enceinte 1 présente intérieurement une forme évasée vers l'extérieur de façon à créer une détente dans les gaz sortant de la chambre de combustion 6 ; dans cette partie 10 du conduit, la paroi de celui-ci est percée sous la forme de tubulures 18, dirigés à la fois vers l'extérieur de la chambre de combustion 6 et sensiblement tangentiellement par rapport à la face interne de la partie 10 du conduit de façon d'une part à coopérer avec la forme évasée de cette partie du conduit pour créer un appel des gaz de la chambre de combustion 6 vers l'extérieur, et d'autre part pour imprimer à la flamme 17 un mouvement giratoire autorisant sa concentration. L'air oxydant sous pression est amené aux tubulures 18 par un ventilateur extérieur, qui distribue cet air oxydant aux différentes tubulures 18 par l'intermédiaire d'un caisson étanche 19, en forme de volute , entourant extérieurement la partie 10 du conduit de sortie des gaz. Une telle disposition des tubulures 18 amenant l'air d'oxydation du CO par rapport au conduit 5 d'entrée des particules et de l'air de combustion de celleFci permet de rendre pratiquement indépendantes les combustions des particules et du CO respectivement à l'intérieur de la chambre de combustion 6 et sous forme d'une flamme extérieure 17, en réglant les débits d'air correspondants indépendamment l'un de l'autre de façon propre à assurer une eombus- tion optimale d'une part des particules pour obtenir un maximum de gaz combustible CO à la sortie 9 de la chambre de combustion 6, et d'autre part du gaz combustible CO au niveau de l'appareil récupérateur de calories 11 à alimenter. Les figures 4 et 5 illustrent un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention dans le cas d'un avant-foyer à combustion statique des particules. La figure 4 montre en 20 une enceinte présentant par exemple une forme cylindrique de révolution autour d'un axe vertical 21 fermée transversalement, respectivement à son extrémite inférieure et à son extrémité supérieure, par des parois 22 et 23 orientées perpendiculairement à l'axe 21. L'enceinte 20 délimite intérIeure- ment une chambre de combustion 24 pour les particules combustibles. Celle sci sont introduites en continu, par tout dispositif approprié tel qu'une vis sans fin 25 mue par un ensemble moto-réducteur 26 et alimentée par une trémie 27, via une-colonne centrale 28 également cylindrique de révolution autour de l'axe 21 et qui traverse la paroi superieure 23 de l'enceinte 20' ; entrée 29 dans laquelle la vis sans fin 25 introduit les particules combustibles dans la colonne 28 est disposée au-dessus de la paroi 23, à proximité immédiate de l'extrémité supérieure 30 de la colonne 28. La colonne centrale 28 s'ouvre à l'intérieur de la chambre de combustion 24 par son extrémité inférieure 31, qui est située par exemple approximativement à mi-hauteur de la chambre 24. Sous cette extrémité 31 de la colonne centrale 28 et en position centrale, la paroi inférieure 22 de l'enceinte 20 présente un orifice -34 par lequel débouche dans la chambre 24 une gaine 32 issue d'un ventilateur 33 pour introduire à volonté dans la chambre 24, et dans les particules qui s'accumulent dans celle-ci, un air de combustion de ces particules. Pour éviter que ces particules sortent de la chambre 24 via l'orifice 34, cet orifice est partiellement obturé vers le haut par une grille 35 de type connu, qui présente la forme d'un cône de révolution autour de l'axe 21, en saillie vers le haut par rapport à la paroi 22. Lorsque l'appareil est en régime de fonctionnement continu, la colonne centrale 28 est remplie de particules sensiblement jusqu'au niveau de l'entrée 29, comme le schématise un trait mixte 36, un dispositif palpeur tel qu'une trappe 37 articulée au-dessus de l'entrée 29 et basculant librement sous l'action des particules entassées dans la colonne 28 permettant de détecter ce niveau et, lorsqu'il baisse, de provoquer la mise en route du sato-réducteur 26 pour alimenter à nouveau l'appareil. A l'intérieur de la chambre de combustion 24 tt autour de la colonne centrale 28, le niveau 38 des particules correspond sensiblement à celui de l'extrémité inférieure 31 de la colonne, en pente descendante de celle-ci vers la paroi cylindrique de la chambre 24. Les particules brûlent au niveau de cette surface schématisée en 38. Toutefois, elles subissent au préalable une pyrolyse au fur et à mesure de leur descente dans la colonne 28. A cet effet, on a prévu selon lfinvention, a l'intérieur de cette colonne 28, un tube 39 cylindrique de révolution autour de l'axe 21, fermé vers le haut et communiquant vers le basé au niveau de la paroi inférieure 22 de l'enceinte 20, avec une gaine 4D reliée à un groupe de ventilation 41 alimentant ce tube 39 en air. A l'intérieur de la colonne 28, à un niveau intermédiaire entre celui de l'extrémité 31 de celle-ci et celui de l'entrée 29 des particules, le tube 29 présente des orifices tels que 42, orientés vers le bas, pour introduire l'air issu du groupe de ventilation 41 dans la masse de particules et faciliter ainsi leur pyrolyse. Selon l'invention, la bonne répartition de l'air de pyrolyse issu des orifices 42 dans la masse des particules est facilitée par une forme de la colonne 28 s'évasant vers le bas, ici à partir de la zone de traversée de la paroi 23 ; les orifices 42 sont disposés dans la zone ainsi évasée de la colonne 28, où la colonne formée par la masse des particules s'étend latéralement en provoquant un brassage des particules. On obtient ainsi une mise en contact homogène des particules avec l'air de pyrolyse, et par conséquent une pyrolyse homogène de la masse de particules, qui parvint à l'état optimal au niveau 38 de combustion des particules. Les gaz combustibles produits par cette combustion sont évacués vers l'extérieur, c'est-à-dire vers l'appareil 43 récupérateur de calories alimenté par le dispositif selon l'invention, via une sortie 44 aménagée radaiement dans la paroi latérale cylindrique de l'enceinte 20, au-dessus du niveau de l'extrémité inférieure 31 de la colonne centrale 28 et en pratique à proximité immédiate de la paroi supérieure 23 de l'enceinte. La sortie 44 est définie par un orifice se prolongeant vers l'extérieur de la chambre 24 par un conduit 45 de révolution autour d'un axe radial, et dont la face interne s'évase progressivement vers l'extérieur comme dans l'exemple illustré aux figures 1 à 3. Extérieurement, le conduit 45 est entouré d'un caisson étanche en forme de volute 46, alimenté en air par un ventilateur extérieur 49 et communiquant avec l'intérieur du conduit 45, dans la partie évasée de celui-ci, par des tubulures 47 orientées vers 1 térieur et tangentiellement à la face interne du conduit 45, pour provoquer à la fois l'app-el vers l'extérieur des gaz combustibles créés dans la chambre 24 par la combustion incomplète des particules et un mouvement giratoire de la flamme 48 créeeextérieurement dans l'appareil 43, pour f ocaliser cette flamme et améliorer la qualité de échange thermique dans l'appareil 43. Dans l'exemple illustré aux figures 4 et 5, deux anneaux de quatre tubulures 47 d'injection de l'air d'oxydation des gaz combustibles créés dans la chambre 24, et notamment du CO, se succèdent suivant l'axe du conduit 45, alors que le conduit 10 illustré aux figures 1 et 3 ne comporte qu'un seul anneau de quatre tubulures 18 ; ces chiffres ne sont donnés toutefois qu'à titre purement indicatif, le nombre d'anneaux et le nombre de tubulures dans chaque anneau pouvant varier en fonction des besoins. I1 est à noter qu'il est possible de régler séparément les débits des trois ventilateurs 33, 41, 49, et par conséquent de régler séparément les débits d'air de combustion des particules dans la chambre 24, de pyrolyse des particules le long de la colonne 28 et d'oxydation des gaz combustibles produits dans la chambre de combustion 24. On peut ainsi adapter à chaque instant le fonctionnement du dispositif aux caractéristiques propres des particules introduites en 29, l'ensemble pouvant être régulé automatiquement par contrôle des températures dans les différentes zones de l'appa- reil. Le ventilateur 49 alimentant la sortie 44 en air d'oxydation du CO est de préférence prévu à deux vitesses, -une grande vitesse par exemple de 3.000 tours/minute pour le régie de fonctionnement de l'appareil et une vitesse lente par exemple de 1.500 tours/minute pour assurer un balayage des gaz vers l'extérieur lors des arrêts thermostatiques. Naturellement, les appareils sont construits en des matériaux résistant aux températures atteintes ; les conduits de sortie 1012 et 45, les faces internes des parois des enceintes 1 et 20 sont réalisés en matériaux réfractaires, acier ou béton, dont les propriétés radiantes favorisent la pyrolyse des particules ; dans le cas des modes de réalisation statiques illustrés aux figures 4 et 5, la colonne centrale 28 est par- exemple réalisée en acier inoxydable au moins dans sa partie inférieure s'évasant à l'intérieur de l'enceinte 20, par exemple sous la forme d'un tronc de cône de révolution autour de l'axe 21 ; extérieurement, les parois des deux enceintes 1 et 20 sont de préférence doublées d'une paroi par exemple métallique séparée de la paroi réfractaire interne par un espace empli d'un isolant thermique tel que de la laine de verre. Naturellement, ces matériaux sont cités à titre purement indicatif et pourraient varier sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Procédé de production de calories à partir de particules combustibles solides, consistant à provoquer une combustion incomplète des particules en dégageant des gaz comhustibles et à oxyder les gaz combustibles produits, caractérisé en ce que 1 'on pratique la production et l'oxydation des gaz combustibles respectivement à l'intérieur et à la sortie d'une enceinte, en injectant respectivement un air de combustion des particules dans l'enceinte et un air d'oxydation des gaz combustibles à proximité immédiate de la sortie de celle-ci. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on crée une détente des gaz combustibles vers la sortie de l'en- ceinte, et en ce que l'on injecte l'air d'oxydation des gaz combustibles dans la zone de détente, vers l'extérieur de l'enceinte, en cyclone autour de la sortie pour focaliser la flamme d'oxydation des gaz combustibles à l'extérieur de l'enceinte. 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on pratique la production des gaz combustibles par combustion cyclônique des particules dans l'enceinte autour de la sortie, en injectant dans l'enceinte les particules sous pression au moyen de l'air de combustion. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendication s 1 et 2 caractérisé en ce que l'on pratique la production des gaz combustibles par combustion statique des-particules à l'intérieur de l'enceinte, en injectant l'air de combustion dans les particules déposées dans l'enceinte. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'on règle séparément les débits d'air de combustion des particules et d'air d'oxydation des gaz combustibles produits. 6) Avant-foyer pour la mise en oeuvre du procédé, comportant - une enceinte fermée présentant une entrée pour les particules et une sortie en communication, vers l'extérieur de l'enceinte, avec la zone d'utilisation des calories, - des moyens pour injecter un air de combustion des particules dans l'enceinte, dans la zone de cette dernière occupée par les particules, - des moyens pour insuffler un air d'oxydation des gaz combustibles, caractérisé en ce que la sortie comporte un conduit orienté de 1'intérieur de l'enceinte vers l'extérieur et en cette les moyens pour insuffler un air d'oxydation des gaz combustibles comportent une soufflerie et des tubulures d'injection d'air débauchant dans le dit cnnduit. 7) Avant-foyer selon la revendication 6, caractérisé en ce que le conduit de sortie est évasé vers l'extérieur de ltenceintess en ce que les tubulures débouchent dans le conduit de sortie au niveau de la zone évasée de celui-ci, vers l'extérieur de l'enceinte, tangentiellement par rapport au conduit de façon à provoquer ---un mouvement giratoire de la flamme d'oxydation des gaz combustibles. 8) Avant-foyer selon l'une quelconque des revendications 6 et 7,- l'enceinte étant munie d'une grille disposée à sa partie inférieure et sous laquelle débouchent les moyens pour injecter l'air de combustion des particules, d'une colonne interne débouchant vers le bas au-dessus de la grille, à distance de celle-ci, et comportant vers le haut I'entrée pour les particules, caractérisé en ce que le conduit de sortie de l'enceinte est dispose latéralement, au-dessus du niveau de la partie inférieure de la colonne centrale et à proximité de la partie supérieure de l'enceinte. 9) Avant-foyer selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte, dans la dite colonne, un tube central d'injection d'air de pyrolyse, relié à une soufflerie et présentant, à un niveau intermédiaire entre celui de la partie inférieure de la colonne et celui de l'entrée des particules, des orifices dirigés vers le bas, et en ce que la colonne est évasée vers le bas, au moins en-dessous du niveau des orifices d'injection de l'air de pyrolyse. 10) Avant-foyer selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, l'enceinte étant cylindrique de révolution autour d'un axe et comportant une entrée tangentielle des particules et de l'air de combustion de celleFci, pour introduire les particules sous forme cyclônique, caractérisé en ce que la dite sortie est disposée axialement, en ce que le conduit de sortie et l'entrée tangentielle des particules sont disposés à proximité immédiate d'une sAme extrémité tranversale de l'enceinte, et en ce que le conduit se prolonge axialement vers l'intérieur de 1 ' enceinte, au-delà de l'aplomb de l'entrée tangentielle des particules.