Brevet FR2471551A1 — publié le 19810619

La présente invention se rapporte à un dispositif de chauffage de fluides gazeux ou liquides par combustion de combustible solide, en particulier de paille en bottes ou de combustibles analogues de faible densité dont la combustion produit une quantité relativement importante de cendres à point de fusion relativement bas. On connaît des appareils de chauffage fonctionnant au bois, du type à foyer à flammes renversées. Ces appareils comprennent une chambre supérieure et une chambre inférieure communiquant entre elles par une ouverture garnie d'une grille sensiblement horizontale. La chambre supérieure comporte à sa partie supérieure une porte de chargement pour le bois et une arrivée d'air de combustion. La chambre inférieure est reliée à une sortie des gaz de fumée produits par la gazéification du combustible au-dessus de cette grille, dans la chambre supérieure, et par la combustion, à flammes renversées, du combustible et des produits volatils dégagés lors de la gazéification, à hauteur de la grille et dans la chambre inférieure. Dans un échangeur de chaleur, les gaz de fumée cèdent leur chaleur au fluide à chauffer. Ces appareils connus à foyer à flammes renversées qui assurent une combustion complète du combustible, grâce à la gazéification préalable et à la combustion à flammes renversées, ne peuvent pas être utilisés pour des combustibles tels que des bottes de paille ou analogue, sauf si l'on accepte une baisse de la puissance nominale de la chaudière de l'ordre des 2/3 (feu très modéré). On pourrait penser qu'il suffirait d'augmenter le volume de la chambre supérieure des appareils connus afin de pouvoir introduire, dans cette chambre, une quantité de paille ayant le même pouvoir calorifique qu'une quantité déterminée de bois (la densité du bois est cinq fois supérieure à la densité de la paille en bottes). Or, la paille en bottes diffère du bois non seulement par la densité, mais également par la quantité de cendres produites et par le point de fusion des cendres. Si la combustion du bois produit 1% de cendres, la combustion de la paille produit 5 de cendres.Si la combustion du bois permet rarement d'atteindre une température supérieure à 13000C qui est le point de fusion des cendres de bois, la température de fusion des cendres de paille, de l'ordre de 8000C, peut être atteinte lors de la combustion accélérée de la paille, entraînant une fusion des cendres dont la proportion, comme indiqué ci-dessus, est cinq fois supérieure à la proportion des cendres formées lors de la combustion du bois. Or, de telles cendres fondues conduisent à la formation de mâchefer qui, compte tenu de la grande quantité de cendres produites lors de la combustion de paille, entraînerait rapidement l'encrassement d'un appareil du type à foyer à flammes renversées qui, conçu pour la combustion du bois, présenterait simplement une chambre supérieure de plus grande taille pour pouvoir recevoir une quantité suffisante de paille. En effet, dans les appareils connus du type défini cidessus, la chambre supérieure qui présente une section horizontale sensiblement plus importante que la section de l'ouverture de communication des deux chambres comporte, autour de cette grille, un fond horizontal ou légèrement incliné par rapport à l'horizontale. Le mâchefer produit lors de la combustion de la paille s'accumulerait donc sur ce fond sous la forme d'une couche qui, en l'espace de peu de temps, serait si épaisse qu'elle entraverait le bon fonctionnement de l'appareil. Par ailleurs, les bottes de paille qui viendraient reposer sur ce fond horizontal ou légèrement incliné-brûleraient mal et gêneraient ainsi la descente régulière des bottes de paille sur la grille. Un appareil connu conçu pour brûler des bottes de paille comporte un foyer à tirage horizontal. Ce foyer ne permet pas une combustion aussi complète que les foyers à flammes-renversées et entrain donc la formation de bistre. De plus, un tel foyer à tirage horizontal ne peut pas être surmonté d'une chambre de réserve de combustible puisque tout le combustible contenu dans cette chambre participerait à la combustion. Un tel foyer à tirage horizontal fonctionne donc sans réserve de combustible et doit être- rechargé très fréquemment, au fur et à mesure de la combustion des bottes de paille se trouvant sur le foyer (grille). On connaît enfin des brûleurs à paille déchiquetée montés dans une chambre de combustion de grande taille. Un tel brû- leur permet de brûler de la paille à des températures supérieures à 80O0C et les cendres en fusion formées par la combustion peuvent, dans ce cas, être récupérées sur le fond de la chambre de combustion. Cependant, il s'agit là d'une solution qui n'est concevable que pour des installations très importantes, compte tenu de la complexité et du prix de revient du brûleur proprement dit ainsi que des dispositifs annexes nécessaires tels que le déchiqueteur de paille. La présente invention a pour objet un dispositif de chauffage fonctionnant par combustion de bottes de paille ou de combustibles analogues, qui soit de structure simple, assure une combustion complète du combustible, et une élimination des cendres en fusion sans altération du fonctionnement par le dépit de mâchefer, et dispose d'une réserve de combustible permettant un fonctionnement prolongé sans intervention. L'invention a également pour objet un appareil tel que défini ci-dessus avec des moyens pour réduire la proportion de cendres fondues, donc la quantité de mâchefer Enfin, l'invention a pour objet un appareil du type défini ci-dessus à alimentation automatique, cBest à-dire à rechargement automatique de la réserve de combustible. Le dispositif de chauffage de fluides gazeux ou liquides par combustion de combustible solide, notamment de bottes de paille ou de combustibles analogues, comprend une chambre supérieure et une chambre inférieure communiquant entre elles par une ouverture garnie d'une grille sensiblement horizontale. La section de ladite ouverture est inférieure aux sections horizontales desdites deux chambres. La chambre supérieure comporte à sa partie supérieure une porte de chargement pour le combustible et une arrivée d'air de combustion. La chambre inférieure est reliée à une sortie des gaz de fumée produits par la çazéification du combustible au-dessus de cette grille, dans la chambre supérieure, et par la combustion complète, à flammes renversées, du combustible et des produits volatils de la gazéification, à hauteur de ladite grille et dans la chambre inférieure.Ce dispositif comprend, en outre, un échangeur de chaleur entre lesdits gaz de fumée et le fluide à chauffer. La section horizontale de la chambre supérieure diminue, dans la partie inférieure de cette dernière, de façon continue jusqu'à atteindre la section horizontale de ladite ouverture, l'inclinaison, par rapport à la verticale, des parois latérales de la partie inférieure de la chambre supérieure étant telle que les cendres en fusion s'écoulent dans la chambre inférieure. Gracie à cette conformation de la chambre supérieure les cendres en fusion susceptibles de se former à des températures de combustion supérieures à 8000C dans le cas de la combustion de la paille s'écoulent sans obstacle de la chambre supérieure, à travers ladite ouverture, dans la chambre inférieure servant à la fois de chambre de combustion et de cendrier. Ces cendres en fusion ne risquent pas de se refroidir pendant qu'elles s'écoulent vers le bas, et de donner lieu à la formation de machefer car, en raison de la combustion à flammes renversées, les températures régnant dans la chambre de combustion augmentent de haut en bas dans la partie inférieure de la chambre supérieure.A partir de leur fusion, les cendres restent donc liquides jusqu a ce qu'elles tombent, en mélange avec des cendres pulvérulentes, sur le fond de la chambre inférieure d'où elles peuvent être retirées facilement. De préférence, l'appareil comprend un bol de combustion dont les parois latérales, convergeant depuis la grille garnissant ladite ouverture vers le bas dans ladite chambre inférieure, constituent sensiblement le prolongement des parois latérales inclinées de la partie inférieure de la chambre supérieure. Ce bol de combustion qui améliore considérablement la combustion dans le cas d'un foyer à flammes renversées ne crée pas non plus d'obstacle à l'écoulement des cendres fondues vers le bas dans la chambre inférieure. Suivant un mode de réalisation de l'échangeur de chaleur entre les gaz de fumée et le fluide à chauffer, les parois latérales de la chambre supérieure sont entourées, sensiblement sur toute la hauteur de ladite chambre, à distance par une enveloppe présentant au moins une entre pour le fluide à chauffer à sa partie inférieure et au moins une sortie pour le fluide chauffé à sa partie supérieure. Des tubes de fumée sensiblement verticaux, répartis sur la périphérie de ladite chambre supérieure, s'étendent depuis la chambre inférieure à travers l'espace annulaire compris entre ladite enveloppe et lesdites parois latérales de la chambre supérieure jusqu'à un collecteur supérieur relié à la sortie des fumées. Notamment dans le cas Qt le fluide à chauffer est de l'air, ladite enveloppe peut être avantageusement prolongée vers le bas de manière à entourer également les parois la térales de la chambre inférieure et comporter à son extrémité inférieure, sur tout ou partie de sa périphérie, une entrée d'air supplémentaire. Cela permet à l'air à chauffer de soutirer également de la chaleur directement à la paroi latérale de la chambre inférieure. Pour réduire la quantité de cendres en fusion, donc la quantité de mâchefer produite, il est avantageux que la chambre supérieure con porte, à hauteur desdites parois latérales inclinées, au-dessus de la grille, une rampe reliée à la sortie des gaz de fumée et communiquant avec l'intérieur de la chambre supérieure, sur tout le pourtour de cette dernière, en vue de la réinjection d'une partie des gaz de fumée dans ladite chambre.En effet, les gaz de fumée contiennent une quantité non négligeable d'anhydride carbonique qui, sous l'effet de la température de combustion, subit la réaction endothermique suivante CO2 + C 2CO - 41,2 kcal. I1 en résulte une diminution de la température de combustion, donc une diminution de la température des cendres dont une proportion plus importante se présente sous forme pulvérulente. En se référant au dessin annexé, on va décrire ci-après plus en détail un mode de réalisation illustratif et non limitatif de l'objet de l'invention; sur ce dessin la fig. 1 est une coupe axiale verticale d'un dispositif de chauffage conforme à l'invention; la fig. 2 est une coupe horizontale suivant II-II de la fig. 1. L'appareil de chauffage tel qu'illustré par les fig. 1 et 2 comprend deux chambres 1, 2 superposées. La chambre supérieure 1 est délimitée latéralement par une paroi latérale supérieure 3 cylindrique prolongée vers le bas par une paroi latérale 4 en forme de tronc de conte renversé. La chambre inférieure 2 est délimitée latéralement par une paroi cylindrique 5 dont le diamètre est supérieur au diamètre de la paroi 3. A son extrémité supérieure, la chambre supérieure 1 est fermée par un fond 6 horizontal présentant une ouverture centrale de section carrée ou rectangulaire. A cette ouverture est raccordé vers le haut un conduit vertical 7 de section correspondante, surmonté d'une trémie 8. Dans le conduit 7 est montée une porte à double battant 9. Les deux battants 9 dont chacun occupe sensiblement la moitié de la section du conduit 7 sont articulés par des axes horizontaux 10 sur deux côtés opposés du conduit 7. Chaque battant 9 est maintenu en position de fermeture du conduit 7 par un contrepoids extérieur 11 de telle manière que sous le poids d'une charge de combustible introduite dans la trémie 8, les deux battants 9 s'ouvrent vers l'intérieur de la chambre supérieure 1, c'est-à-dire vers le bas, et, après passage de la charge de combustible dans la chambre 1, reviennent en position de fermeture sous l'effet de leurs contrepoids 11. La paroi cylindrique 3 de la chambre supérieure 1 présente, par ailleurs, dans sa partie supérieure, une ouverture latérale d'admission d'air de combustion 12, de préférence réglable. La chambre inférieure 2 dont le fond inférieur est recouvert d'une couche de briques réfractaires 13 présente un fond supérieur 14 annulaire avec une ouverture centrale circulaire 15. La paroi latérale inférieure tronconique 4 de la chambre supérieure 1 s'appuie sur le bord de l'ouverture 15 qui établit la communication entre les deux chambres 1 et 2. La paroi tronconique 4 comporte à son extrémité inférieure un rebord intérieur 16 de faible largeur sur lequel s'appuie un rebord extérieur 17 correspondant d'une grille 18 recouvrant l'ouverture 15. Un bol de combustion 19 se présentant sous la forme d'un tronc de cône inversé s'étend depuis la grille 18 vers le bas, à travers l'ouverture 15, dans la chambre inférieure 2. On reconnaît que la paroi latérale 4 et la paroi du bol de combustion 1 se trouvent sensiblement dans le prolongement l'un de l'autre et présentent une conicité relativement faible1 c'est-à-dire une faible inclinaison. par rapport à la verticale. Les parois latérales 3, 4 sont entourées à distance depuis le fond 14 jusqu'au voisinage de l'extrémité supérieure de la chambre 1, par une enveloppe cylindrique 20 présentant le mêmediamtre que la paroi latérale 5 de la chambre inférieure 2. La paroi 5 est, de son côté1 entourée à distance d'une jupe cylindrique 21, sauf à l'endroit d'une porte 22 (fig. 2) donnant accès à la chambre 2 en vue de l'extraction des cendres. La jupe 21 se raccorde à l'enveloppe 20 par une partie tronconique qui n'est pas visible sur le dessin.L'ex trémité inférieure de la jupe 21 se trouve à faible distance au-dessus du plan du fond inférieur de la chambre 2, par lequel l'appareil s'appuie sur le sol, et une grille est disposée entre l'extrémité inférieure de la jupe 21 et la paroi latérale 5 de la chambre 2. A ltextrémité supérieure de l'enveloppe 20, l'espace annulaire défini entre l'enveloppe 20 et la paroi latérale 3 de la chambre supérieure 1 est délimité par un fond annulaire 23, de préférence amovible. Un autre fond annulaire 24 fixe, est disposé en dessous du fond 23 entre l'enveloppe 20 et la paroi 3. L'enveloppe 20 délimite ainsi avec les parois latérales 3, 4 un espace annulaire supérieur 25 entre les deux fonds 23, 24 et un espace annulaire 26 entre les fond 24 et 14, l'espace 26 étant prolongé vers le bas par un espace annulaire 27 délimité entre la jupe 21 et la paroi latérale 5. L'enveloppe 20 comporte, au-dessud du fond 14, quatre tubulures de raccordement 28 réparties a 900 les unes des autres sur le pourtour et, en dessous du fond 24, une tubulure 29 de plus grande section que les tubulures 28. L'espace annulaire 26 est traversé par un grand nombre de tubes 30 sensiblement verticaux, répartis sur tout le pourtour de la chambre 1. Les tubes 30 sont fixés dans les deux fonds 14 et 24 et établissent ainsi une communication entre la chambre inférieure 2 et l'espace annulaire 25. Ce dernier sert de collecteur pour les gaz de fumée qui, en provenance de la chambre inférieure 2, traversent les tubes 30. A la sortie 31 est relié un extracteur 32 refoulant les gaz de fumee par exémple dans une cheminée ou un dispositif d'évacuation semblable. La paroi latérale inférieure 4 de la chambre supérieure 1 est entourée, à distance au-dessus de l'ouverture 15, d'une rampe 33 communiquant par une couronne de trous 34 de la paroi 4, avec l'espace intérieur de la chambre 1. Cette rampe 33 est reliée par un conduit 35 renfermant une vanne de réglage 36 à un raccord latéral 37 du conduit d'évacuation des gaz de fumée 38, en aval de l'extracteur 32. Le dispositif de chauffage tel que décrit ci-dessus et représenté sur le dessin annexé, destiné à la combustion de bottes de paille ou de combustibles analogues, fonctionne de la manière suivante les bottes de paille sont introduites dans la chambre 1 par la trémie 8, de préférence au moyen d'un convoyeur débouchant au-dessus de la trémie. Chaque botte tombant dans la trémie 8 ouvre la porte à double battant 9, sous l'effet de son poids, la porte se refermant automatiquement après passage de la botte, sous l'effet des contrepoids 11. En fonctionnement normal, la chambre supérieure 1 est remplie de bottes à peu près jusqu'à la hauteur de l'ouverture d'admission d'air de combustion 12 se trouvant dans la partie supérieure de la paroi latérale 3. Sous l'effet de l'admission d'air de combustion à la partie supérieure de la chambre 1 et de l'extraction des gaz de fumée du collecteur 25 par l'extracteur 32, il se produit, après allumage de la rangée de bottes de paille inférieure, reposant sur la grille 18, une combustion à flamme, renversées ce ces bottes de paille. La chaleur de cette combustion à flammes renversées se propage vers le haut et entraîne une gazeification des bottes de paille de la rangée suivante. Toutes les matières volatiles dégagées par la gazéification et la combustion traversent de haut en bas la paille incandescente à hauteur de la grille 18 et brûlent ainsi complètement. Le bol de combustion 19 du fait de sa forme convergente, favorise la combustion. La forme particulière de la paroi inférieure 4 de la chambre supérieure 1 (faible inclinaison par rapport à la verticale, rebord pratiquement inexistant à la hauteur de l'ouverture 15) et du bol de combustion 19 (pratiquement dans le proloncement de la paroi latérale 4) assure que les cendres aussi bien pulvérulentes que fondues s'écoulent pratiquement sans obstacle dans la chambre inférieure 2 et ne peuvent donc pas s'agglomérer sur la paroi 4 ou sur le bol de combustion 19. De même, la grille 13 est constituée uniquement par quelques barreaux très espacés ne fournissant pratiquement pas de point d'accrochage pour les cendres. Les gaz de fumée traversent ensuite les tubes 30 avant de s'échapper du collecteur 25 par la sortie 31. Le fluide à chauffer qui, dans l'exemple représenté, est de l'air, arrive par les quatre tubulures 28, le cas échéant sous l'effet d'une ou de plusieurs soufflantes, dans l'espace 26 traversé par les tubes 30. Cet air s'échauffe au contact de la paroi 4 et également de la paroi 3 de la chambre 1, ainsi qu'au contact des tubes 30 traversés par les gaz de fumée chauds, et quitte l'espace 26 par la tubulure supérieure 29. En même temps, de l'air est aspire à travers la grille délimitant vers le bas l'espace 27 et s'échauffe au contact de la paroi latérale 5 de la chambre 2 avant de se mélanger à l'air arrivant par les tubulures 28. Pour réduire la formation de cendres fondues, donc de mâchefer, une partie des gaz de fumée retirés par l'extracteur 32 est renvoyée par le conduit 35 dans la rampe 33. Ces gaz de fumée contiennent une quantité notable d'anhydride carbonique qui, lors de la réinjection de ces gaz de fumée dans la partie inférieure de. la chambre 1, se combine par réaction endothermique en oxyde de carbone avec le carbone de la paille, cette réaction endothermique entraÎnant une diminution de la température de combustion. Il en résulte une réduction de la proportion de cendres fondues, donc de mâchefer, par rapport aux cendres pulvérulentes. De préférence, l'élévateur servant au chargement des bottes de paille dans la trémie 8 peut être mis en route périodiquement, à des intervalles prédéterminés, réglables, pour introduire automatiquement les bottes de paille successives dans la partie supérieure de la chambre 1, servant de réserve, au fur et à mesure de la combustion des bottes de paille dans la partie inférieure de la chambre 1. Bien entendu, le dispositif conforme à l'invention peut également être utilisé pour le chauffage de fluides liquides. Il suffit dans ce cas de supprimer la jupe inférieure 21 ou de fermer l'espace 27 dans le bas par un-fond et de prévoir une ou plusieurs tubulures d'arrivée de liquide à la partie inférieure de la jupe 21. i; Par ailleurs, au lieu d'être de forme générale circulaire en coupe horizontale, le dispositif conforme à l'invention pourrait avoir des formes différentes, par exemple polygonales, bien que la forme circulaire permette non seulement une combustion plus uniforme, mais également une circulation plus uniforme du fluide à chauffer, donc un chauffage plus uniforme du fluide. Une application particulièrement intéressante du dispositif conforme à l'invention consiste dans le chauffage d'air utilisé pour le séchage de mais ou de céréales. Selon la température finale que doit posséder cet air de séchage (environ 600C pour le blé et les autres céréales, environ 1200C pour le mais) le dispositif conforme à l'invention peut être utilisé seul ou en complément (préchauffage) d'un dispositif de chauffage usuel, par exemple à mazout. Il convient également dé noter que si dans la description qui précède, le combustible utilisé a été défini comme étant de la paille en bottes, le dispositif conforme à l'invention peut également brûler avantageusement tout autre combustible de faible densité, donnant une proportion importante de cendres, par exemple des pannes de mais, des tiges de mais déchiquetées, des branchages déchiquetés et tous autres déchets végétaux, en bottes ou ballots. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage de fluides gazeux ou liquides par combustion de combustibles solides notamment de paille en bottes, comprenant : une chambre supérieure et une chambre inférieure communiquant entre elles par une ouverture garnie d'une grille sensiblement horizontale, la section de ladite ouverture étantinférieure aux sections horizontales desdites deux chambres, la chambre supérieure comportant à sa partie supérieure une porte de chargement pour le combustible et une arrivée d'air de combustion et la chambre inférieure étant reliée à une sortie des gaz de fumée produits par la gazéification du combustible au-dessus de cette grille, dans la chambre supérieure, et par la combustion complète, à flammes renversées, du combustible et des produits volatils de la gazéification, à hauteur de ladite grille et dans la chambre inférieure; et un échangeur de chaleur entre lesdits gaz de fumée et le fluide à chauffer, caractérisé par le fait que la section horizontale de la chambre supérieure (1) diminue, dans la partie inférieure de cette dernière, de façon continue jusqu'à atteindre la section horizontale de ladite ouverture (15), l'inclinaison, par rapport à la verticale, des parois latérales (4) de la partie inférieure de la chambre supérieure (1) étant telle que les cendres en fusion s'écoulent dans la chambre inférieure (2). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend, dans ladite ouverture, un bol de combustion (19) dont les parois latérales convergent depuis ladite grille (18) vers le bas dans ladite chambre inférieure (2) et constituent sensiblement le prolongement des parois latérales inclinées (4) de la partie inférieure de la chambre supérieure (1). 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les parois latérales (3, 4) de la chambre supérieure (1) sont entourées, sensiblement sur toute la hauteur de ladite chambre, à distance par une enveloppe (20) présentant au moins une entrée (28) pour le fluide à chauffer à sa partie inférieure et au moins une sortie (29) pour le fluide chauffé à sa partie supérieure, et que des tubes de fumée (30) sensiblement verticaux, répartis sur la périphérie de ladite chambre supérieure (1), s'étendent depuis la chambre inférieure (2) à travers l'espace annulaire (26) compris entre ladite enveloppe (20) et lesdites parois latérales (3, 4), jusqu'à un collecteur supérieur (25) comportant une sortie (31) pour les gaz de fumée. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite enveloPpe (20) est prolongée vers le bas par une jupe (21) entourant à distance les parois latérales (5) de la chambre inférieure (2). 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend, à hauteur desdites parois latérales inclinées (4) de la chambre supérieure (1), au-dessus de ladite grille (18), une rampe (33) reliée à la sortie (31) des gaz de fumée et communiquant avec l'intérieur de la chambre supérieure (1), sur tout le pourtour de cette dernière, pour la réinjection d'une partie des gaz de fumée dans ladite chambre. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite porte de chargement est une porte à double battant (9) s'ouvrant vers l'intérieur de la chambre supérieure (1) sous le poids d'une charge de combustible et se refermant, après passage de la charge, sous l'action de contrepoids (11). 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un élévateur débouchant au-dessus de ladite porte (9) surmontée d'une trémie (8), et mis en route périodiquement à des intervalles prédéterminés, réglables, pour introduire les charges de combustible successivement au fur et à mesure de la combustion du combustible.