Brevet FR2385981A1 — publié le 19781027

L'invention concerne un dispositif de récupération de chaleur, la chaleur étant soit de la chaleur dégradée à faible température des gaz de combustion, soit de la chaleur produite par des déchets de combustibles ou de gaz pauvres, soit de la chaleur produite par incinération de produits polluants, ledit dispositif de récupération de chaleur comportant un dispositif de combustion et une chaudière de production de la vapeur. le brevet français NO 2.504.771 décrit un procédé de récupération de chaleur à bas niveau par l'utilisation d'un fluide intermédiaire et prévoit un appareillage comportant un certain nombre d'éléments nécessaires pour l'application du procédé. l'ordre de passage du fluide dans les éléments est déterminé mais l'appareillage préconisé ne présente pas une réalisation permettant à la fois un rendement optimum et une construction compacte. On décrit brièvement dans ce brevet l'introduction d'air dans des gaz de combustion dans le but de parfaire la combustion des particules de carbone libres pouvant s'y trouver, Aucun renseignement n'est donné concernant; la combustion elle-meme des déchets combustibles ou de gaz à faible pouvoir calorifique. On connatt en outre des chaudières de production de vapeur comportant un dispositif de combustion dans lequel steffec- tue la combustion du produit combustible. Généralement, le dispositif de combustion est spécifique du produit utilisé et fait partie intégrante de la chaudière. Ceci sous-entend donc qu'une chaudière est prévue pour un produit déterminé et qu'il est nécessaire de procéder à des transformations importantes lorsque le combustible change. L'invention vise à fournir un dispositif de récupération de chaleur comportant une chaudière compacte à laquelle peuvent être adaptés des dispositifs de-combustion interchangeables, lesdits dispositifs permettant d'assurer la combustion complète de tous produits solides, liquides ou gazeux et ainsi de récupérer la chaleur dans les meilleures conditions possibles. le dispositif de récupération de chaleur, selon l'invention, comportant un dispositif de combustion et une chaudière est remarquable en ce que ledit dispositif de combustion est constitué d'un ensemble rapidement interchangeable disposé dans 11 axe de la chaudière. Les explications et figures, données ci-après à titre d'exemple, permettront de bien comprendre comment l'invention peut gtre réalisée. La figure 1 représente en coupe un dispositif de combustion adapté à un combustible liquide. La figure 2 représente en coupe un dispositif de combustion adapté à un combustible pulvérulent. la figure 3 représente en coupe un dispositif de combustion adapté à un gaz à faible pouvoir calorifique. La figure 4 représente en coupe un dispositif de combustion pour produits polluants. La figure 5 est une vue en coupe d'une chaudière équipée d'un dispositif de combustion. La figure 6 est une vue en coupe selon VI-VI de la figure 5 à plus grande échell-e La figure 1 représente un dispositif modulaire de combustion adaptable à une chaudière telle que celle représentée à la figure 5. Ce dispositif est susceptible, ainsi que les dif férents autres dispositifs présentes aux figures 2 à 4, de se monter à Il extrémité d'une chaudière unique comportant les différents éléments de récupération de chaleur. Ce dispositif de combustion plus particulièrement adapté à un combustible liquide est constitué par un foyer cylindrique 1 en matière réfractaire prolongé à sa partie supérieure par un convergent divergent formant un col 2. Sur ce foyer est placée une chambre de combustion annulaire 3, constituée de deux viroles coniques coaxiales. Le cane extérieur 4 est muni à sa base d'une série d'orifices 5 et le cône intérieur 6 est muni à la partie inférieure d'une série d'ailettes hélieoSdales 7. La chambre annulaire 3 présente à sa partie supérieure des ouvertures 8 par lesquelles les inåecteurs 9 pulvérisent le combustible dans la chambre. Par les ouvertures 8 pénètre l'air primaire de combustion et par les orifices 5 la chambre annulaire reçoit l'air secondôire qui achève la combustion. L'air, qui se répartit à ces deux niveaux, provient du collecteur général 14 commandé par un registre de réglage 15. Le combustible d'alimentation des injecteurs 9 aide à la combustion des déchets de combustibles liquides dans lesquels on cherche à récupérer l'énergie thermique et qui sont introduits par l'injecteur principal 10 placé au centre de la chambre conique centrale 13. L'air nécessaire à la combustion de ces combustibles est admis dans le foyer par l'ouverture annulaire Il dans laquelle sont placées les ailettes hélicoida- les 7, l'air primaire provenant du collecteur 14 est admis par une série d'orifice 12 pratiqués dans la chambre conique 13. Pour obtenir une puissance thermique et une température constante dans le foyer, malgré une variation possible du débit ou du pouvoir calorifique du combustible à récupérer, la chambre de combustion annulaire fonctionne en régime variable. Par ailleurs, la flamme de la chambre annulaire sert de flamme pilote pour stabiliser le front de flamme de l'injecteur principal 10. Le dispositif de combustion interchangeable est placé sur le foyer central de ltéchangeur de la chaudière dans un logement axial, le foyer étant délimité, comme il sera décrit par la suite, par la nappe des tubes du surchauffeur. Ce dispositif est donc utilisé soit pour récupérer la chaleur de combustion de déchets de combustibles liquides ou des mélanges hétérogènes de combustion, soit pour la destruction par incinération de divers liquides polluants tout en récupérant leur chaleur de combustion. Dans le cas où le combustible à récupérer est un liquide visqueux chargé en particules solides tels que du carbone ou autres matières, ou s'il est à l'état solide pulverulent, on utilise comme dispositif de combustion la réalisation représentée figure 2. Cette chambre est identique à la précédente, sauf en ce qui concerne la chambre conique 13 qui est fermée à la partie superieure par une paroi conique 16 comportant dans son axe une buse d'air comprimé ou de vapeur 17. A la partie inférieure, la chambre 13 se termine par un diffuseur 18. A la partie supérieure, sur la paroi conique 16 se trouve une tubulure dtalimentation 19 par laquelle le combustible est introduit dans l'enceinte 20. De l'air comprimé ou de la vapeur, éjecté à grande vitesse de la buse 17, entraîne le combustible à travers le diffuseur 18. Dans le foyer et par les ailettes 7 ce combustible reçoit l'air secondaire. Ce mélange carburé reçoit ensuite les gaz de combustion portés à haute température produits par la chambre annulaire 3 et la combustion totale sera effectuée dans le foyer 1. J Comme dans le cas précédent, l'air de combustion sera réglé par les volets 15. Dans le cas où le combustible est du gaz pauvre, c' est-à-dire A faible pouvoir calorifique, on utilise comme dispositif de combustion la réalisation représentée par la figure 3. il est également constitué par un foyer cylindrique en réfractaire I prolongé par un convergent divergent formant un col 2. Dans la paroi du cylindre du foyer, à la sortie du divergent, se trouve une ouverture circulaire 21 qui est reliée à un collecteur 22 où les gaz, dont on veut récupérer le pouvoir calorifique, arrivent par la tuyauterie 23. Sur la partie supérieure du convergent est placée une chambre de combustion 24 qui présente sur la périphérie extérieure de la paroi une série d'ailettes 25. Â la partie supérieure de la chambre se trouve une ouverture 26 par où un injecteur 27 pulvérise du combustible liquide. Un collecteur 28 reçoit de l'air par un volet de réglage 29, cet air alimente la chambre de combustion par l'ouverture 26 en air primaire et par les ailettes 25 en air secondaire. Une électrode à haute tension 30 produit 1' allumage du mélange carburé dans la chambre. Le front de flamme se stabilise au col du foyer et les gaz de combustion à haute température se mélangent avec les gaz pauvres arrivant par l'ouverture circulaire 21. La combustion de ces gaz pauvres s'achève dans le foyer réfractaire 1.La flamme produite par la chambre de combustion sera donc utilisée comme flamme pilote pour faciliter la combustion des gaz pauvres et en même temps pour assurer une puissance thermique et une température constante dans le foyer de la chaudière. Dans le cas où lton a à récupérer la chaleur latente des gaz de combustion produits par divers appareils thermiques, on utilise un dispositif selon la figure 4. Les gaz de combustion à haute température dans lesquels on cherche à récupérer la chaleur latente sont admis par la tubulure 31 dans le collecteur 32. Ces gaz circulent ensuite dans l'espace annulaire 33 formé entre la paroi du foyer et une chemise cylindrique concentrique et sont admis par un déflecteur 34 à l'intérieur du foyer 1. Ces gaz sont mélangés dans le foyer avec les gaz de combustion produits par la chambre de combustion 24 afin d'élever leur potentiel thermique si nécessaire. Pour maintenir une puissance thermique constante dans le foyer de façon à produire de la vapeur avec des caracté ristiques constantes, il est necessaire que les gaz de combustion admis dans 1' échangeur aient une température et un débit constants. De ce fait, la chambre de combustion fonctionne en régime variable, suivant le débit et la température de gaz reçus de l'extérieur. Si les gaz de combustion reçus de l'extérieur ont une température trop élevée, une quantité d'air en excès est admise dans le foyer par un volet de réglage 29. Comme dans le cas précédent représenté figure 3, la chambre de combustion 24 est alimenté en combustible par 1lin- jecteur 27 et deux électrodes 30 allument ce mélange carburé au démarrage. Une cellule photo-électrique 35 contrôle en permanence la puissance de la flamme dans le foyer. Dans ce système de combustion, il est possible d'éliminer par incinération des produits gazeux polluants. Ceux-ci sont admis par la conduite 31 dans le collecteur 32 et par l1es- pace annulaire 33 ils pénètrent dans le foyer 1 où ils sont détruits par les gaz de combustion à haute température produits par la chambre de combustion La chaleur de ces gaz de combustion sera par la suite récupérée dans l'échangeur de la chaudière. Tous ces dispositifs modulaires de combustion sont placés à la partie supérieure d'un échangeur thermique qui constitue la chaudière de production de vapeur (figure 5). Cette chaudière de récupération de chaleur comporte un espace cylindrique constituant le foyer central 36 à l'extrémité supérieure duquel viennent se placer les dispositifs de combustion interchangeables par l'intermédiaire de leurs colle- rette circulaire 37. A la partie supérieure se trouve un collecteur de vapeur de forme annulaire 38 et à la partie inférieure un collecteur sceau 39 semblable au collecteur de vapeur. Dans le collecteur de vapeur sont placés des dispositifs de séparation de vapeur 40 qui sont reliés aux faisceaux du surchauffeur 41. Ce surchauffeur est constitué, dans l'exemple de réalisation représenté, par une série de 12 faisceaux à tubes en U (figure 6). les faisceaux sont formés de tubes en U se présentant sous l'aspect de deux nappes sensiblement parallèles. Les faisceaux sont disposés de façon qu'une des nappes soit sensiblement tangente à un cercle de petit diamètre, tandis que autre nappe est disposée selon un cercle de plus grand diamètre. Les tubes de la nappe de petit diamètre portent au moins une ailette longitudinale, l'ailette dtun tube formant avec l'ailette d'un autre tube voisin un écran sensiblement circulaire. Selon la forme de réalisation représentée, chaque tube porte deux ailettes longitudinales sensiblement diamétrales qui constituent un écran sensiblement circulaire obligeant les gaz du foyer à allonger leur parcours. Le surchauffeur 41 est relié au collecteur 42 qui comporte une tubulure de sortie 43 de la vapeur surchauffée. Concentriquement au surchauffeur est placé une nappe tubulaire 44. Chacun des tubes constituant cette nappe porte deux ailettes qui constituent avec l'ailette du tube voisin un écran circulaire canalisant la circulation des gaz. les tubes sont reliés à leurs extrémités aux collecteurs 38 et 39. Autour de cette nappe tubulaire sont placés coaxialement deux autres nappes 45 et 46 constituées de tubes à ailettes reliées également par leurs extrémités aux collecteurs 38 et 39. Autour de la nappe extérieure se trouve une enveloppe cylindrique métallique 47 et une jacquette 48 entre lesquelles est placé un calorifugeage 49. Dans une partie de ce calorifugeage (figure 6) sont placés deux faisceaux tubulaires 50 et 5 de plus grand diamètre mais qui ne sont pas soumis å la chaleur des gaz de combustion. Ces faisceaux sont reliés également par leurs extrémités aux collecteurs 38 et 39.Ces deux faisceaux servent pour la circulation de l'eau du collecteur supérieur au collecteur inférieur, afin d'établir un recyclage dans la circulation interne de l'eau dans la chaudière. A la périphérie de la chaudière et selon la réalisa tiontangentiellement à celle-ci est placé un faisceau économiseur 52 constitué par des tubes à ailettes transversales 53. Cet économiseur est traversé par les gaz de combustion avant qu'ils soient évacués dans l'atmosphère. A la partie supérieure de l'économiseur se trouve une rampe d'injecteurs 54 permettant, selon une méthode en soi connue, le ramonage du faisceau par air comprimé ou vapeur. De même, une rampe de ramonage 55 est placée à la partie supérieure du faisceau de la chaudière. A la partie inférieure du foyer de la chaudière est placé un cendrier 56 en matière réfractaire muni au centre d'une ouverture 57 pour la décharge. La vapeur surchauffée sortie de la chaudière est admise dans un désurchauffeur 58 qui a comme fonction de maintenir une température constante de la vapeur surchauffée. Lorsque cette chaudière est utilisée selon un procédé de récupération de chaleur à bas niveau, comme par exemple celui décrit dans le brevet français NO 2.504.761, la sortie 43 de vapeur surchauffée est raccordée à un désurchauffeur 58 qui a pour fonction de maintenir une température constante de la vapeur surchauffée. Selon une réalisation en soi connue, le désurchauffleur est constitué d'un corps cylindrique 59 fermé aux extrémités par deux fonds. A l'intérieur de ce cylindre et à la partie inférieure, est placée une tuyère 60 convergente divergente et à la partie supérieure une série de- cones superposés 61 en tôle perforée. Un injecteur 62 fixé sur le fond du corps cylindrique débouche au niveau du col de la tuyère 60. Cet injecteur pulvé- rise une certaine quantité d'eau dans la vapeur surchauffée qui traverse la tuyère en provenance de la tubulure 63. le débit d'eau de l'injecteur est commandé par le thermostat 64. Le mélange vapeur-eau pulvérisé traverse ensuite les cônes perforés 61 pour homogénéiser la température de la vapeur. La vapeur sort finalement du désurchauffeur par l'ouverture latérale supérieure 65 pour alimenter le turbo-alternateur. La vapeur détendue sortant du turbo-alternateur est ramenée à la chaudière par une pompe d'alimentation. REYEND IONS 1. Dispositif de récupération de chaleur adapté à la récupération de la chaleur produite par la combustion de produits différents comportant un dispositif de combustion et une chaudière de production de vapeur, caractérisé en ce que ladite chaudière forme un ensemble vertical sensiblement cylindrique, portant à son extrémité supérieure un logement susceptible de recevoir des dispositifs de combustion interchangeables adaptés à chaque type de produit. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chaudière de production de vapeur comporte un collecteur de vapeur annulaire à la partie supérieure, un collecteur d'eau annulaire à la partie inférieure, et à partir de l'axe de l'ensemble cylindrique en faisceau annulaire de tubes pliés en U constituant le surchauffeur, ledit faisceau présentant deux nappes de tubes formées par chacune des branches en U, la sortie des tubes dudit surchauffeur étant reliée au collecteur de vapeur, au moins une nappe de tubes à ailettes dont les extrémités des tubes relient le collecteur d'eau au collecteur de vapeur, un calorifugeage disposé entre les tubes à ailettes et la paroi extérieure de la chaudière, au moins un faisceau de tubes traversant le calorifugeage et établissant une communication entre le collecteur d'eau et le collecteur de vapeur, un faisceau économiseur disposé tangentiellement à une partie de la paroi extérieure cylindrique de la chaudière formé par des tubes à ailettes et recevant les gaz du foyer, ledit faisceau étant connecté au collecteur d'eau, un logement prévu dans l'axe du foyer central et coaxialement au collecteur de vapeur coopère avec un dispositif de combustion interchangeable pour obturer 1' extrémité supérieure du foyer central, un cendrier obture la partie inférieure dudit foyer central. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la nappe de tubes du surchauffeur définissant le foyer central est constituée de tubes munis d'au moins une ailette longitudinale, 11 ailette d'un tube formant avec l'ailette d'un autre tube voisin un écran sensiblement circulaire. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la nappe de tubes à ailettes dont les extrémités des tubes relient le collecteur d'eau au collecteur de vapeur est constituée de tubes munis d'au moins une ailette longitudinale, l'ailette d'un tube formant avec l'ailette d'un autre tube voisin un écran sensiblement circulaire, 5.Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de combustion comporte un foyer cylindrique en matière réfractaire prolongé d1un coté par un convergent divergent formant un col, une chambre de combustion annulaire constituée de deux parties coniques coaxiales, la partie extérieure portant des orifices à la base et la partie conique intérieure des ailettes à la partie inférieure, des ouvertures munies d'injecteurs de combustible situés à la partie supérieure de la chambre annulaire, un injecteur principal de produit débouchant dans une chambre conique centrale coaxiale à la chambre de combustion, des orifices prévus dans la paroi de la chambre conique, un collecteur d'air pour alimenter en air de combustion les différentes chambres. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de combustion comporte un foyer cylindrique en matière réfractaire prolongé d'un côté par un convergent divergent formant un col, une chambre de combustion annulaire constituée de deux parties coniques coaxiales, la partie conique extérieure portant des orifices à la base et la partie conique intérieure des ailettes à la partie inférieure, des ouvertures munies d'injecteurs de combustible situés à la partie supérieure de la chambre annulaire, une buse centrale débouchant dans une chambre conique centrale se terminant par un diffuseur, une tubulure d'alimentation débouchant à la partie supérieure de la chambre pour l'introduction du produit. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de combustion comporte un foyer cylindrique en matière réfractaire prolongé d'un caté par un convergent divergent formant un col, une ouverture circulaire ménagée à la sortie du divergent, une chambre de combustion disposée à la partie supérieure du convergent portant à sa périphérie des ailettes et à sa partie supérieure une ouverture, un injecteur de combustible disposé devant l'ouverture de la chambre et selon son axe, un collecteur d'air pour alimenter en air de combustion ladite chambre et un collecteur de gaz pour alimenter l'ouverture circulaire de la sortie du divergent. 8. Dispositif selon lune des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de combustion com porte un foyer cylindrique en matière réfractaire prolongé d'un c8té par un convergent divergent formant un col, une chemise cylindrique entourant la paroi extérieure du foyer et portant près de l1 extrémité ouverte du foyer un déflecteur dirigé vers l'intérieur pour l'alimentation en produit, une chambre de combustion disposée à la partie supérieure du convergent portant à sa périphérie des ailettes et à sa partie supérieure une ouverture, un injecteur de combustible disposé devant l'ouverture de la chambre et selon son axes un collecteur dtair pour alimenter en air de combustion ladite chambre. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, carac térisé en ce que le dispositif de combustion comporte au moins une électrode à haute tension disposée près de l1injecteur de combustible. 10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9 caractérisé en ce que le dispositif de combustion comporte à sa partie supérieure une collerette disposée à la périphérie du foyer et formant une paroi de collecteur,