Brevet FR2468866A1 — publié le 19810508

La présente invention se rapporte à un procédé pour rendre plus efficace le chauffage de particules solides circulant dans un tube à courant fluide dans lequel s'élève un courant de gaz chaud (courant de gaz porteur), qui entraîne les particules solides introduites à l'extré- mité inférieure du tube à courant fluide, ce courant étant séparé des particules à l'extrémité supérieure du tube à courant fluide. Le traitement thermique des particules solides est fréquemment exécuté dans des appareils à courant fluide. Un appareil à courant fluide est généralement composé d'un tube à courant fluide disposé verticalement et dans lequel les particules solides sont transportées de bas en haut au moyen de gaz chauds, la chaleur des gaz étant transmise aux particules solides pendant le transport. A l'extrémité supérieure de ces tubes, le gaz et les solides sont en général séparés au moyen d'un cyclone. Le gaz chaud, ou gaz caloporteur, qui est nécessaire pour ce processus, est habituellement produit dans une chambre de combustion et mélangé aux gaz, ou vapeurs qui sont séparés à l'extré- mité supérieure du tube, lorsque le gaz caloporteur a la température voulue et est produit avec le débit voulu. Ce gaz chaud est ensuite introduit dans l'extrémité inférieure du tube à courant fluide et entraîne avec lui les particules solides injectées dans le tube en aval de ce point d'introduction du gaz. Ces tubes à courant fluide sont également utilisés, dans des installations à un ou plusieurs étages, pour le séchage et le préchauffage du charbon à-coke, applica- tion dans laquelle on doit tout d'abord éliminer l'humi- dité du charbon, qui est dans le plupart des cas d'envi- ron 10 %, après quoi les particules de charbon sont chauffées à une température de 150 à 2500. Un inconvénient des appareils à courant fluide connus est que le rendement de la transmission de la chaleur du gaz porteur aux particules solides n'atteint sa valeur maximum que dans la zone d'accélération parce que, sous l'effet de cette accélération, il s'établit une grande différence de vitesse entre le gaz caloporteur et les particules solides de sorte que ces dernières subissent un brassage intense avec le gaz caloporteur. Ensuite,- l'efficacité décroît rapidement parce que la différence de vitesse est alors réduite. Il est donc nécessaire de donner aux tubes àacourant fluide une hau- teur relativement grande afin que le temps de séjour des particules solides dans le gaz caloporteur atteint la durée qui est nécessaire pour assurer la transmission 1o de la chaleur. Le but de l'invention est de créer un procédé et une installation de chauffage de particules solides utilisant des appareils à courant fluide, dans lesquels la transmission de la chaleur du gaz caloporteur aux- particules solides soit améliorée et qui permettent de raccourcir les tubes à courant fluide et de réduire le coût des installations. Un autre but de l'invention est de donner à la transmission de la chaleur une valeur élevée et aussi constante que possible sur toute la lon- gueur du tube à courant fluide, tout en évitant que les particules solides particulièrement fines ne soient surchauffées comparativement aux particules plus grosses. Suivant l'invention, ce problème est résolu par le fait que, grâce à des pulsations du courant de gaz chaud, on imprime alternativement aux particules solides un léger freinage et une accélération, l'installation sui- vant l'invention comprenant un dispositif générateur de pulsations agencé dans la.conduite du courant de gaz caloporteur. Les solides en particules qui peuvent subir un traitement thermique dans les tubes à courant fluide peuvent avoir une dimension de particules allant jusqu'à environ 10 mm. En général, la matière à traiter n'est pas entièrement composée de particules de dimensions régulières mais elle présente un spectre granulométrique qui peut s'étendre sur un intervalle dont les limites sont dans le rapport de 1 à 100. Dans les appareils à courant fluide connus, les vitesses d'écoulement des particules solides injectées ne sont pas très diffé- rentes les unes des autres dès que les particules ont parcourues une zone d'accélération relativement courte, de sorte que les temps de séjour des grosses particules et des petites particules-ne sont pas très différents l'un de l'autre. On a constaté avec surprise, que, lorsqu'on imprime une pulsation au gaz caloporteur, on obtient deux effets qui améliorent de façon décisive l'efficacité d'un tel appareillage. Premièrement, le freinage et l'accélération des particules solides entraînent une modification de la vitesse relative entre-le gaz caloporteur et les parti- cules solides. Ceci améliore la transmission de la chaleur de sorte que, dans des circonstances favorables, on atteint la témpérature finale désirée des particules solides au bout d'un parcours égal au tiers de la lon- gueur d'un tube à courant fluide du type utilisé anté- rieurement, de sorte que la longueur du tube à courant fluide peut être beaucoup plus courte qu'il n'était habituel jusqu'à ce jour. A l'inverse, cette amélioration de la transmission de la chaleur, peut encore permettre si l'on conserve la même longueur de tube à courant fluide que dans les procédés antérieurs, de réduire la température du gaz caloporteur à son entrée dans le tube à courant fluide. De cette façon, on peut éviter une surchauffe indé- sirable d'une fraction des particules solides (en parti- culier des petites particules) de sorte que, au total, le traitement thermique est moins brutal que celui connu antérieurement. Deuxièmement, le freinage et l'accélération des particules solides qui résultent de la pulsation du cou- rant de gaz porteur ont des valeurs qui différent avec la taille des particules. En raison de leur plus faible inertie, les petites particules accompagnent plus rapi- dement que les grosses particules les variations de la vitesse du courant de gaz porteur. De ce fait, la varia- tion de la vitesse relative entre le gaz caloporteur et les particules solides et l'amélioration consécutive de la transmission de la chaleur sont plus faibles pour les petites particules que pour les grosses. Cet effet permet d'éviter la surchauffe des fractions granulomé- triques fines de particules solides et d'obtenir un chauffage extrêmement uniforme des particules de toute grosseur. Pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention un dispositif générateur de pulsations est incorporé dans la conduite du courant de gaz porteur; Ce dispositif peut être monté en différents points de l'ensemble de l'instal- lation. L'important est que la majeure partie du courant de gaz porteur soit influencée par le dispositif géné- rateur de pulsations et que ce dispositif soit agencé en dehors de la région de la conduite dans laquelle les particules solides sont chauffées et transportées. Ce dispositif peut donc être agencé, par exemple, à l'extré- mité inférieure du tube à courant fluide, en amont du point d'injection des particules solides. Toutefois, il est également possible de le disposer dans la conduite de gaz dans laquelle les gaz combustibles sont acheminés à la chambre de combustion, ou encore de l'agencer dans la conduite par laquelle les vapeurs (Brnden) utilisées pour être mélangées au gaz caloporteur sont acheminées à la chambre de mélange correspondante. Ces deux dernières possibilités présentent comme avantage que le dispositif n'est sollicité par la chaleur que dans une mesure rela-- tivement réduite. Toutefois, il est en général nécessaire de choisir la conduite de gaz qui transporte le plus gros débit de gaz, afin que les pulsations se fassent sentir suffisamment fort sur l'ensemble du courant de gaz por- teur. Il est particulièrement avantageux d'agencer le dispositif générateur dans la région de la conduite du courant de gaz porteur par laquelle sont évacuées les vapeurs séparées des particules solides à l'extrémité supérieure du tube à-courant fluide. De cette façon, le courant de gaz porteur est influencé en totalité par le dispositif générateur de pulsations sans que la température du gaz soit trop éle- vée. Le dispositif générateur de pulsationspeut être réalisé sous différentes formes, par exemple sous la forme d'un diaphragmme mobile qui modifie la section de la con- duite de gaz porteur à un certain rythme. Une autre solution consiste à utiliser un registre qui est monté dans une section de la conduite et qui peut tourner autour d'un axe de manière que, suivant sa position, il libère une section plus ou moins large de la conduite. Un tel registre peut être actionné d'une façon particulièrement simple lorsqu'il tourne autour d'un axe monté perpendiculairement à la direction longi- tudinale de la conduite. Indépendamment de la configuration du dispositif générateur de pulsations, il est possible de faire varier la section libre de la conduite avec différents rythmes, par exemple suivant une courbe sinusoïdale, en dents de scie ou à gradins. Ces formes de pulsations, dont la fréquence peut également être choisie librement, doivent être réalisées par un dispositif d'entraînement approprié qui agit sur le générateur de pulsations. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est également possible d'utiliser un registre qui tourne autour d'un axe monté transversalement à la direction longitudinale de la conduite et qui est constitué par un rotor de forme aérodynamique et entraîné par le cou- rant de gaz porteur. De tels générateurs de pulsations n'exigent aucun dispositif d'entraînement extérieur. Ils ont une fréquence propre déterminée par leur forme, leur montage et la vitesse du courant de gaz porteur et, en général, ils impriment des pulsations d'allure sinusoïdales au courant gazeux. Il s'est révélé particulièrement avantageux d'uti- liser un registre tournant ou entraîné en rotation du genre décrit plus haut, qui est disposé concentriquement à la section transversale de la conduite de gaz porteur, en laissant une fente libre entre sa périphérie et la paroi-de la conduite de gaz porteur. La largeur de la fente libre détermine le débit du courant de gaz porteur qui peut franchir le générateur de pulsationslorsque le registre oppose sa plus forte-surface de section au cou- rant gazeux. La présence d'une telle fente libre réduit la résistance et réduit en conséquence la puissance d'en- traînement qui est nécessaire pour faire circuler le cou- rant de gaz porteur. En même temps, lorsque la fente libre est plus large, l'effet pulsatoire exercé sur les petites particules solides est plus faible que celui exercé sur les grosses particules. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Le dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, représente une forme particulière et non limitative de réalisation de l'invention. Suivant cet exemple d'exécution, un gaz caloporteur est produit par la combustion de gaz combustibles et il est mélangé à des vapeurs recyclées provenant d'une con- duite 11 puis introduites au pied du tube à courant fluide 2. En aval de ce point, les particules solides 3 sont injectées dans le tube à courant fluide dans lequel elles sont entraînées, accélérées, et transportées par le cou- rant de gaz caloporteur. La séparation entre les particules solides et le gaz porteur s'effectue dans le cyclone 6. Les particules franchissent le distributeur 7 et sont prises en charge par l'organe transporteur 8. Le gaz d'échappement, ou vapeurs (Briden) qui sortent du cyclone de séparation 6 traversent le dispositif générateur de pulsations 4 et, ensuite, le ventilateur 9. Ensuite, ces gaz se divisent en un courant de vapeurs 10 qui est rejeté dans l'atmos- phère et un courant de vapeurs recyclées qui est renvoyé à la chambre de combustion par la conduite 11. Dans cet exemple de réalisation, le dispositif générateur de pulsations est constitué par un disque obturateur ou registre qui est mis en rotation autour d'un axe monté transversalement à la direction longi- tudinale de la conduite à l'aide d'un mécanisme d'entraî- nement 5. Le registre 4 est disposé concentriquement à la section de la conduite de gaz porteur, en laissant une fente libre 12 entre sa périphérie et la paroi de la con- duite de gaz porteur. Au moyen du mécanisme d'entraînement, on peut faire tourner le registre de manière que sa section d'occultation de la section de la conduite varie suivant une fonction sinusoïdale, entre un maximum et un minimum de sorte que, par exemple avec une vitesse de rotation du registre de 300 tr/mn, la fréquence des pulsations est de 10 Hz. Sous l'effet des pulsations du gaz caloporteur, lors- que la vitesse du gaz est à son minimum, les particules solides perdent, par gravité, une partie de leur vitesse tandis que, lorsque la vitesse des gaz est à son maximum, il se produit une nouvelle accélération des particules. Les avantages de l'invention sont exposés ci-après à propos de l'exemple du séchage et du préchauffage du charbon à coke. Un tube à courant fluide pour le séchage et le préchauffage du charbon à coke broyé, ayant une longueur de 30 m est équipé d'un registre tournant suivant l'in- vention placé en aval du cyclone de séparation. La vitesse du gaz porteur varie entre 10 et 30 m/s, avec une fréquence de 10 Hz. Le tube à courant fluide a un diamètre de 0,45 m, le débit du courant de gaz porteur est de 3,2 m 3/s, le registre a un diamètre de 0,366 m, la fente libre est de 0, 042 m, le débit de particules de charbon, dont le diamètre est compris entre 0 et 10 mm, est de 2,8 kg/s. Les chiffres suivants ont été obtenus, les uns avec un tube à courant fluide équipé du dispositif suivant l'invention et les autres avec un tube à courant fluide dépourvu de ce dispositif et avec une vitesse de gaz porteur constante de 30 m/s. Tube à courant Tube à courant- fluide suivant fluide équipé du la technique dispositif sui- antérieure vant l'invention Temps de séjour moyen d'une particule de charbon 2,03 s 6,68 s Produit de la vitesse relative par le temps de séjour 30,9 m 106,7 m Dans le procédé et l'installation suivant l'inven- tion, le temps de contact et la longueur du trajet de contact entre une particule de charbon et le gaz porteur représentent plusieurs fois les valeurs obtenues dans la technique antérieure. Il est facile de comprendre qu'avec une longueur raccourcie de façon correspondante, un tube à courant fluide équipé suivant l'invention permet d'obte- nir le même effet qu'un tube à courant fluide classique. REVENDICATIONS 1. Procédé pour rendre plus efficace le chauffage en particules solides dans un tube à courant fluide dans lequel un courant de gaz chaud (courant de gaz porteur) entraîne les particules solides injectées à l'extrémité inférieure du tube puis s'élève dans le tube et est séparé de ces particules à l'extrémité supérieure de ce tube à courant fluide, caractérisé en ce que par des pulsations du courant gaz chaud, on imprime alternati- vement aux particules solides un léger freinage puis une accélération. 2. Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'un dispositif générateur de pulsations (4) est incorporé dans la conduite (11) de gaz porteur. 3. Installation suivant la revendication 2, carac- térisée en ce que le dispositif générateur de pulsations est constitué par un registre (4) qui tourne autour d'un axe monté transversalement à la direction longitudinale de la conduite (11). 4. Installation suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le registre (4) est un rotor de forme aérodynamique qui est entraîné par le courant de gaz porteur. 5. Installation suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le registre tournant (4) est disposé concentriquement à la section de la conduite de gaz porteur (11), en laissant libre une fente de passage des gaz entre sa périphérie et la paroi de la conduite de gaz porteur (11).