Brevet FR2425030A1 — publié le 19791130

La présente invention concerne une chaudière à charbon et un procédé d'exploitation de cette chaudière1 celleci comprenant une ou plusieurs buses à charbon principales destinées à diriger le charbon dans un foyer; un réchauffeur d'air au moyen des gaz de combustion; un pulvérisateur principal relié à la buse à charbon principale; un dispositif de soufflage d'un premier courant d'air à travers leréchauffeur et le pulvérisateur et dans la buse à charbon principale; un dispositif de soufflage d'un second courant d'air du réchauffeur jusque dans le foyer et au mois une buse d'inflammation faisant fonctionner un allumoir susceptible d'être placé près de sa sortie. Dans une chaudière à charbon, le charbon qui sera brûlé dans le foyer est normalement séché et pulvérisé par un broyeur à charbon; les produits de la combustion introduisent directement le charbon provenant du broyeur dans les buses à charbon de marche normale; les broyeurs reçoivent de l'air chaud destiné à sécher le charbon et à l'amener aux buses. En outre, un réchauffeur d'air envoie directement de l'air secon daine au foyer, afin de fournir le complément d'air nécessaire à la combustion. La combustion du charbon mélangé d'air ainsi fourni résulte de l'énergie d'inflammation de l'air primaire qui traverse les buses, de l'air secondaire, de la chaleur que contient le charbon, du rayonnement et de la conduction de la flamme dans le foyer et du rayonnement des parois du foyer. On doit noter que presque toutes ces sources d'énergie de combustion supposent que le foyer est déjà en fonctionnement, et, dans le cas des foyers de grandes dimensions utilisés pour la production d'énergie que ce fonctionnement dure déjà depuis longtemps. Pour provoquer et pour maintenir la combustion du charbon, il faut donc utiliser un combustible auxiliaire pour réchauffer les parois du foyer, pour allumer la flamme et pour élever la température du réchauffeur dtair. C'est la fonction habituelle des inflammateurs à pétrole ou à gaz et des injecteurs de réchauffage. L'emploi de 300 000 litres de pétrole dans une chaudière de 500 méga-watts pour une seule mise en route n'est pas exceptionnel. En dehors de ces quantités importantes, l'appareillage d'alimentation en pétrole représente une dépense en capital élevée. Lorsque le foyer a atteint la température voulue, les inflammateurs à pétrole ou à gaz, ou les injecteurs de réchauffage enflamment les buses à charbon. L'emploi d'un combustible auxiliaire n'est pas nécessairement achevé lorsque les buses à charbon ont commencé à éjecter du charbon. Aux charges élevées de la chaudière, c'est-à-dire lorsque les buses fournissent une grande quantité de charbon, le foyer est caractérisé par le maintien d'une combustion stable du charbon pulvérisé. Mais lorsque la charge s'abaisse et que des ce fait l'alimentation en charbon décroît, la stabilité de la flamme de charbon pulvérisé diminue aussi; il est donc de pratique courant d'employer les inflammateurs ou les injecteurs de réchauffage pour maintenir la flamme dans le foyer, et éviter ainsi l'accumulation de poussière de charbon non brûlée dans ce foyer et le risque corrélatif d'explosion. Toutes ces fonctions des brûleurs à pétrole ou à gaz reposent sur la plus grande facilité d'inflammation de ces combustibles; il faut moins de chaleur, quelle qu'en soit la source, pour libérer les matières volatiles et de ce fait amorcer ou maintenir la combustion. L'invention a par conséquent pour objet une chaudière et son procédé d'exploitation, cette chaudière comprenant une ou plusieurs buses à charbon principales destinées à diriger le charbon dans un foyer; un réchauffeur d'air au moyen des gaz de combustion; un pulvérisateur principal relié à la buse à charbon principale; un dispositif de soufflage d'un premier courant d'air à travers le réchauffeur et le pulvérisateur et dans la buse à charbon principale; un dispositif de soufflage d'un second courant d'air du réchauffeur jusque dans le foyer et au moins une buse d'inflammation faisant fonctionner un allumoir susceptible d'être placé près de sa sortie. Ceci permet l'inflammation, le réchauffage et la stabilisation à faible charge en marche, du charbon pulvérisé avec un minimum de consommation de combustible auxiliaire. Cet objet est réalisé en reliant les buses d'inflammation à un pulvérisateur d'inflammation associé à un sé parateur, et en utilisant un dispositif de réchauffage, à une température supérieure à celles du premier et du second courants d'air, d'un troisième courant d'air dirigé vers les buses d t inflamrnation et vers le foyer. Les buses d'inflammation sont donc alimentées en charbon pulvérisé, qui a été séparé de l'air de transport susceptible d'être chargé d'humidités de sorte que les buses d'inflammation reçoivent un mélange d'air et de charbon rela vivement dense. En outre, l'air destiné aux buses d'inflamma- tison qui entretient la combustion, est seul chauffé. Bien qu'il soit possible d'utiliser du pétrole dans ce but, il s'agit d'une quantité rinime puisqu'il faut chauffer seulement le peu d'air qui entretient la combustion et d'ailleurs la tuyauterie d'huile n'alimente qu'un seul emplacement.En particulier, le charbon pulvérisé est stocké pendant l'exploitation normale puisqu'il faut, pour le produire, de 11air chaud1 dont il sera possible de commander la fourniture aux buses d'inflammation si c'est nécessaire. L'invention sera décrite plus en détail e n regard des dessins annexés a' titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels - la figure 1 est une vu schématique du circuit de combustible des buses de marche normale d'un foyer; - la figure 2 est une vue schematique du circuit de combustible de la buse d'inflammation selon l'invention; - la figure 3 est une élévation, avec coupe par tigelle, d'une buse d'inflammation caracteristique utilisée dans l'appareil selon l'invention. Sur la figure 1, le foyer 10 comporte un conduit 36 qui relie la sortie de ce foyer à l'entrée des gaz de combustion dans le réchauffeur d'air 38. Le conduit 40 relie la sortie des gaz de combustion à une cheminée non représentée, qui évacue dans l'atmosphère les produits de la combustion. Un ventilateur 42 aspire l'air atmosphérique et le souffle à travers l'entrée d'air du réchauffeur 38. Le conduit 34 relie la sortie d'air du réchauffeur 38 à des boîtes à vent 12 et 30 placees de chaque côté du foyer. Le foyer classique aurait en fait quatre boîtes à vent, une à chaque angle, mais, dans un but de simplification, deux seulement sont représentées. Un autre conduit 32 amène l'air du conduit 34 à l'entrée d'air du pulvérisateur 22. Le conduit 21 relie la sortie du pulvérisateur 22 à un ventilateur aspirant 20, dont la sortie communique avec plusieurs conduits. Les conduits 18 et 24 vont de la sortie du ventilateur aspirant aux buses à charbon 19 et 25, disposées de façon à injecter le charbon qu'elies reçoivent à l'intérieur du foyer 10. Un second groupe pulvérisateur ventilateur aspirant, non représenté sur le dessin, alimente les buses 16 et 26, et un troisième groupe identique, également non représenté, alimente les buses 14 et 28. Ici aussi, à chaque paire de buses représentée correspond en fait une autre paire de buses non représentée, alimentée par le même pulvérisateur. Les boîtes à vent 12 et 30 communiquent avec l'intérieur du foyer par des orifices voisins des buses. Des registres, non représentés sur le dessin, règlent la répartition de l'air en provenance de la boîte à vent entre ces orifices. En fonctionnement normal, le charbon et-l'air pénètrent dans le foyer 10 par au moins un niveau de buses. La combustion qui a lieu à l'intérieur du foyer 10 produit des gaz chauds qui sortent par le conduit 36 traversent le réchauffeur d'air 38 et se dirigent vers la cheminée par le conduit 40. Le réchauffeur d'air 38 comporte des surfaces d'échange de chaleur mobiles qui sont successivement au contact des gaz chauds de combustion et de l'air introduit dans le réchauffeur par le ventilateur 42. Les surfaces d'echange absorbent ainsi la chaleur des gaz de combustion et la transfèrent à l'air qui vient du ventilateur 42. Une partie de l'air chaud qui sort du réchauffeur 38 passe par le conduit 32 dans le pulvérisateur 22.Le pulvérisateur 22 est un appareil de séchage et de broyage du charbon et l'air chaud amené par le conduit 32 sert à sécher le charbon. Le courant d'air qui s'écoule dans le conduit 32 et le pulvérisateur 22 passe aussi par le conduit 21, le ventilateur aspirant 20, et les conduits 18 et 24 vers les buses correspondantes. En traversant le pulvérisateur 22, le courant d'air entraîne le charbon qui a été suffisamment pulvérisés et l'amène aux buses 19 et 25. Comme l'ensemble du ventilateur 42 et du ventilateur 20 procure la force motrice nécessaire, on voit que cet ensemble constitue un dispositif de soufflage d'un premier courant d'air de la sortie du réchauffeur 38, par le pulvérisateur 22, vers l'une ou l'autre des buses 19 et 25. L'air soufflé par le ventilateur 42 et le ventilateur 20 aspirant à travers le pulvérisateur 22 constitue l'air primaire injecté avec le charbon dans les buses à charbon prin cipales 19 et 25. Mais habituellement, il n'y a pas assez d'air prima-ire, pour assurer la combustion de la totalité du charbon et une partie de l'air en provenance du réchauffeur d'air 38 se dirige par le conduit 34 vers les boîtes à vent 12 et 30t qui fournissent l'air secondaire, ctest-à-dire le reste de l'air nécessaire à la combustion totale du charbon. La discussion ci-dessus implique évidemment que des gaz de combustion chauds s'écoulent par le conduit 36. Bien entendu, à la mise en route du foyer, les gaz qui s'écoulent dans le conduit 36 sont relativement froids. Un équipement classique au charbon comporte des brûleurs supplémentaires au pétrole ou au gaz naturel, dont le rôle est de-fonctionner lorsque les gaz acheminés par le conduit 36 sont relativement frais. La raison en est que l'inflammation du charbon pulvérisé est relativement difficile, et qu'une combustion stable ne peut être garantie que si la zone de combustion contient des quantités importantes d'énergie calorifique.Cette énergie calorifique utilisée pour amorcer ou maintenir la combustion provient de nombreuses sources : rayonnement d'une flamme qui se trouve déjà dans la foyer, rayonnement des parois du foyer, conduction des gaz généralement chauds dans le foyer, conduction de l'air primaire et de l'air secondaire qui s'écoulent dans le foyer. En fait, toutes ces sources participent à l'énergie dlinflammations et, dans des charges élevées, leur addition constitue une quantité suffisante d'énergie d'inflammation pour réaliser la combustion stable du charbon. Mais dans de nombreux cas, la combinaison de ces sources d'énergie ne suffit pas pour garantir une combustion stable.Un de ces cas est celui d'un foyer froid, avec peu de rayonnement des parois et peu de transfert d'énergie du réchauffeur d'air à l'air primaire et à l'air secondaire. I1 faut alors employer les brûleurs supplémentaires. Un autre cas est le fonctionnement du foyer à relativement faible charge, lorsque la quantité de produits en combustion est assez petite pour réduire la quantité d'énergie provenant des diverses sources. Les brûleurs supplémentaires servent aussi dans ce cas à maintenir une combustion stable. Dans le passés tous ces brûleurs supplémentaires fonctionnaient au pétrole ou au gaz naturel. Ce choix est normal car le pétrole et le gaz naturel s'enflamment beaucoup plus facilement que le charbon pulvérisé. La figure 2 représente un dispositif qui permet le fonctionnement des brûleurs supplémentaires au charbon pulvérisé. Un pulvérisateur inflammateur. 110 reçoit à l'entrée 112 de -l'air en provenance- du réchauffeur 38 de la figure 1. Le conduit 100 transporte le mélange d'air et de charbon qui sort du- pul- vérisateur 110 vers le ventilateur aspirant 102 et le conduit 98 relie la sortie de ce ventilateur 102 à d'autres conduits 96 qui mènent à des séparateurs à cyclone tels que le séparateur 65, en nombre variable; un seul est nécessaire, mais il est possible d'en utiliser plusieurs. Un conduit d'air 62 relie la sortie du séparateur 65 à un point situé à l'intérieur du foyer, à distance des buses à combustible. Une trémie 66 dont une soupape 67 commande la sortie, reçoit le charbon provenant du réparateur 65.Le charbon en provenance de la trémie 66 s'écoule par un tube à charbon 70 vers des tubes à charbon 74, 78 et 82, équipés de soupapes convenables, qui se terminent chacun dans des buses à charbon non représentées sur la figure 2. Des tubes à charbon analogues, 86, 90 et 94 reçoivent aussi du charbon provenant soit de la trémie 66, soit d'une autre trémie à charbon non représentée et alimentent des buses placées à leurs extrémités. Les spécialistes comprendront qu'il n'est pas indispensable que le pulvérisateur 110 soit indépendant. Les fonctions du pulvérisateur 110 et du pulvérisateur 22 pourraient être combinées dans le même appareil, dont l'écoulement alimenterait à'une part directement le foyer, d'autre part un sépara-teur 65. Le pulvérisateur principal et le pulvérisateur inflammateur peuvent donc être incorporés dans le même appareillage. Le ventilateur 118 aspire de l'air en provenance du réchauffeur d'air représenté sur la figure 1 et ce courant d'air se répartit entre les conduits 119, 120 et 122. Le conduit 119 alimente un réchauffeur d'air 116, susceptible de fonctionner à l'electri- cité, qui débouche sur le conduit 114; celui-ci achemine l'air chaud, de préférence entre 150"C et 5400C, vers les buses d'inflammation situees aux extrémités des tubes à charbon 82 et 94. Le conduit 120 et les buses d'extrémité des tubes à charbon 78 et 90 d'une part, le conduit 122 et les buses d'extrémité des tubes à charbon 74 et 86 d'autre part, comportent un réchauffeur d'air et des raccorcements analogues. La figure 3 représente une buse d'inflammation du type qui serait alimenteepar le tube à charbon 82. La buse d'inflaation comprend en fait trois buses concentriques 128 130 et 134. Le conduit 80, fixé à la buse 128 par le raccord flexible 126, alimente les deux buses 128 et 134. Un joint à rotule 138 relie le tube à charbon 82 à une rallonge 144. L'al lumoir 142 est concentrique et intérieur au tube à charbon 82 et à sa rallonge 144. Cet allumoir 142 peut être inflammateur à charbon ou à gaz de type classique, mais de petite taille, ou bien un inflammateur à arc à haute énergie. Dans les deux cas, l'inflammateur est flexible, au moins dans la zone du joint à rotule, afin qu'il puisse se déplacer avec la rallonge 144.Le conduit d'air 124 communique avec la boîte à vent 12 de la figure 1, et la buse 130 est fixée à sa sortie, la buse 130 est donc en communication avec la boîte à vent 12. Un appareil classique comporterait un détecteur de flamme 132 d'un type convenable quelconque, afin de déterminer s'il existe ou non une flamme à l'extrémité de la buse d'inflammation. Pour mettre en route l'appareil lorsqu'il est froid, on fait démarrer le pulvérisateur 1102 qui reçoit du charbon et le broie. L'entrée d'air du pulvérisateur 110 reçoit de l'air soufflé à travers le réchauffeur d'air 38 par le ventilateur 42. Dans une mise en route à froid, cet air est encore relativement frais. Cet air frais est soufflé à travers le pulvérisateur 110 > le conduit 100 le ventilateur aspirant 102 et les conduits 98 et 96 jusqu'au separateur 65. Celui-ci fait tomber dans la trémie 66 le charbon entraîné par le courant d'air à travers le pulvérisateur 110. Simultanément, l'air séparé du charbon s'échappe vers le foyer par le conduit 62. En variante, la tre- mie 66 pourrait être une trémie de stockage suffisamment grande pour contenir la quantité de charbon nécessaire à un démarrage. En pareil cas, le charbon pulvérisé en provenance du fonctionnement précdent,qui reste dans la trémie 66, constituerait le combustible de l'opération jusqu a ce que le foyer soit chaud. Le conduit 64 est destiné à maintenir, dans la trémie 66, pendant le stockage, une atmosphère qui empêche la combustion spontanée. Lorsque le foyer s'est réchauffé, le pulvérisateur d'inflammation 110 commence à travailler et reconstitue le stock de charbon dans la trémie 66. Quel le que soit la méthode utilisée, la trémie 66 fournit le charbon. La soupape 67 règle le débit de charbon qui tombe de la trémie 66 et ce charbon est injecté, par des procédés convenables, dans les conduits 70 et 82 et hors de la buse d'inflammation. D'une façon Flogue, le charbon est également injecté dans le tube à charbon 94 à travers la buse fixée à sa sortie. Du fait que le charbon circule presque sans air dans les conduits 82 et 94, ceux-ci peuvent être relativement étroits, de sorte qu'ils ne contribuent pas à engorger les coins du foyer. En même temps que le charbon approvisionne les buses d'inflammations le ventilateur 118 aspire de l'air provenant du réchauffeur 38, envoyé par le conduit 119 au réchauffeur 116. Celui-ci chauffe l'air à une température suffisante pour assurer une combustion stable. Sans le réchauffeur 116, la seule chaleur contenue dans l'air-serait celle que lui a transmise le réchauffeur d'air 38, c'est-à-dire peu de chose en cas de démarrage à froid. Le conduit 114 achemine l'air chaud qui sort du réchauffeur 116 vers- les conduits 80 et 92. Une partie de l'air qui stécoule par le conduit 80 traverse la buse 134 de la figure 3. Dans l'état actuel de l'art, la buse 134 peut comporter des ailettes 136 qui donnent au courantd'air la direction convenable. Ce courant d'air donne au charbon qui sort des orifices de la rallonge 144 le diagramme d'écoulement approprié. On notera que ce dispositif permet de tenir au minimum la quantité de chaleur fournie par le réchauffeur 116. Comme l'air réchauffé sert uniquement à accroître l'énergie d'inflammation à la buse d'inflammation, on évite de fournir de Ia chaleur à tout le volume d'air qui traverse le réchauffeur d'air 38. En outre, comme la vapeur d'eau inerte produite par le séchage du charbon a été séparée de celui-ci avant qu'il atteigne les buses d'inflammation dans l'énergie fournie par le réchauffeur 116 rien n'est utilisé à chauffer des produits inertes. Le reste de l'air qui s'écoule par le conduit 80 traverse la buse 128 et va au-delà des ailettes 140, qui lui donnent aussi un diagramme d'écoulement correspondant à une combustion stable.Bien que la quantité d'air chauffée par le réchauffeur 116 soit normalement maintenue aussi faible que possible, la conception du dispositif assure une capacité suffisante pour- chauffer de l'air 100 % stoechiométrique si c'est nécessaire. Ainsi, la quantité d'air fournie par les buses 128 et 134 peut être stoechiométriquement suffisante pour la combustion du charbon. Si elle ne l'est pas, les boîtes à vent fourniront de l'air à la buse 130.Même si la quantité d'air réchauffé introduite par les buses 128 et 134 suffit à assurer la combustion de tout le charbon, il peut toutefois être sou haitablc, en fonction des caractéristiques des buses 128 et 134 et des ailettes 136 et 140, d'introduire de l'air des boîtes à vent afin de provoquer l'établissement d'un diagramme d'écoulement convenant au refoulement, vers la zone de combustion, des produits chauds brûlés ce qui contribue à l'énergie d'inflammation et à Ia stabilité de la somme. L'allumoir 142 devrait normalement libérer les ma tières volatiles du charbon qui sort de la rallonge 144 du tube à charbon, et une partie du charbon devrait commencer à brûler en présence de l'air qui traverse l'inflammateur 134. La buse 128 fournirait le complément d'air nécessaire à la combustion, qui s'achèverait après la rencontre du mélange de charbon et d'air qui sort de la buse 134 avec l'air de la buse 128. Comme on lfa vu plus haut, l'air qui arrive par le conduit 80 est suffisamment chaud pour que sa contribution à l'énergie d'inflammation assure une flamme stable. On doit comprendre que la buse représentée sur la figure 3 nla qu'un but explicatif; elle montre seulement les fonctions que doit remplir une buse selon l'invention. La flamme stable à la sortie de la buse d'inflammationcommence par chauffer les parois du foyer et les tubes de vapeur, et le réchauffement de ces organes élève la température des gaz de combustion. Le réchauffeur d'air devient finalement assez chaud pour le fonctionnement des buses principales de charbon, dont les pulvérisateurs sont mis en route. La flamme des buses d'inflammation allume le charbon qui sort des buses principales et le fonctionnement normal commence. Lorsque le foyer fonctionne à faible charge, les buses d'inflammation restent en action et assurent la stabilisation à faible charge. On peut constater que les frais de maintien en fonctionnement des inflammateurs sont faibles, de sorte que ceux-ci peuvent rester en action même en cas de charge élevée. REVENDlCATIONS 1. Four composé d'au moins une buse à charbon prin ciF)ale destinee à diriger le charbon dans un foyer; d'un appareil de réchauffage d'air par les gaz de combustion; d'un pulverisateur principal relié à la buse à charbon principale; d'un dispositif de soufflage d'un premier ccurant d'air à travers le réchauffeur et le pulvérisateur et dans la buse à charbon principale; d'un dispositif de soufflage d'un second courant d'air du réchauffeur jusque dans le foyer; et d'au-moins une buse dtinflammation faisant fonctionner un allumoir susceptible d'être placé près de la sortie de ladite buse d'inflammationw four caractérisé en ce que les buses d'inflammation sont re liees à un pulvérisateur d'inflammation > destiné à pulvériser le charbon et associé à un séparateur interposé qui sépare le charbon de l'air, et en ce qu'il comporte un dispositif de réchauffage, à une température supérieure à celles du premier et du second courants d'air d'un troisième courant d'air diri-gé vers les buses d'inflammation et vers le foyer. 2. Four selon la revendication 1 > caractérisé en ce qu'il comporte, pour stocker le charbon séparé de l'air dans le séparateur, une trémie qui reçoit le charbon en provenance du séparateur et qui fournit -ce charbon à la buse d'inflammation. 3. Four selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'aîlumoir est un inflammateur à arc. 4. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de chauffage permettant de chauffer le troisième courant d'air à une température de 1500C à 540"C. 5. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caracterisésen ce que le troisième courant d'air est chauffé par une source autre que les produits de la combustion. 6. Procédé d'exploitation d'un foyer chauffé au charbon, dans lequel les produits de la combustion dans le foyer chauffent un courant d'air destiné à entraîner, jusque dans le foyer, le charbon-broyé dans un pulvérisateur principal, caractérisé en ce que du charbon pulvérise est séparé d'un mélange de charbon pulvérisé et d'air en vue d'alimenter une buse d'inflammation disposée de façon à enflammer le charbon entraîné dans le courant d'air à son. entrée dans le foyer et un courant d'air supplémentaire, chauffé à une température supérieure à celle du premier courant d'air, est entraîné dans le foyer par la buse d'inflammation, afin que le charbon sortant dc la buse d'inflammation prenne feu. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une étincelle électrique d'inflammation éclate près de la sortie de la buse d'inflammation. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le charbon séparé est stocké avant d'être fourni à la buse d'Inflammation. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 81 caractérisé en ce que le courant d'air supplémentaire est porté par chauffage à une température de 1500C à 540 C. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérise en ce que le courant d'air supplémen- taire est chauffé par une source autre que les produits de la combustion.