Brevet FR2468836A1 — publié le 19810508

La présente invention a pour objet des procédés et des appareils pour brûler des combustibles solides à l'état divisé et de faible granulométrie. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des appareils de combustion du type foyers-cyclone ou chambres de combustion à axe horizontal. L'expression combustibles solides divisés désigne toute matière combustible solide broyée ou hachée ayant une granulométrie faible ou moyenne, dont la taille des particules n'est'ni trop importante, ni trop fine, par exemple des déchets végétaux du type paille hachée, balles de céréales, coques de café ou d'arachides, feuilles et copeaux de cannes ou de roseaux, marc et pépins de résin, ordures ménagères broyées, houille ou charbon végétal broyé mais non pulvérisé, eopeaux ou sciure de bois etc..., cette énu mération n'étant pas limitative. On connaît déjà des chambres de combustion cylindriques,àaxe horizontal ou sensiblement horizontal,dans lesquelles les gaz se déplacent hélicoidalement d'un mouvement cyclonique. Ces chambres de combusion sont appelées également foyers-cyclone. La technique des foyers-cyclone à axe horizontal a été largement utilisée dans différentes applications, par exemple comme chambre de combustion sur des chaudières à tubes à eau, à parois en tubes et/ou en matériaux réfractaires, destinées à la combustion du charbon pulvérisé ou de certains combustibles végétaux ou à la combustion mixte de charbon pulvérisé et de combustibles liquides ou gazeux. L'objectif de la présente invention est de procurer divers perfectionnements des appareils de combustion comportant une chambre de combustion cyclonique,à axe horizontal ou sensiblement horizontal, notamment des améliorations des circuits d'air de combustion, de combustible et de cendres afin de rendre cette technique plus compétitive et plus fiable et permettant d'en élargir le domaine d'emploi à de nombreux combustibles divisés et d'élargir également les applications possibles de ce type d'appareils. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un procédé pour brûler des combustibles solides divisés, de faible granulométrie, dans une chambre de combustion cylindrique à axe sensiblement horizontal, lequel procédé comporte les étapes suivantes - on préchauffe de l'air de combustion en le faisant circuler dans un espace annulaire qui entoure ladite chambre de combustion; - on entraîne lesdits combustibles solides par l'air préchauffé; - et on injecte tangentiellement à grande vitesse au voisinage d'une extrémité de ladite chambre de combustion lesdits combustibles solides...... mélangés à l'air de combustion préchauffé. Selon un procédé préférentiel, l'air de combustion préchauffé est injecté dans une tuyère convergente-divergente qui est prolongée par un conduit qui débouche tangentiellement dans ladite chambre de combustion et on introduit lesdits combustibles solides divisés dans le col de ladite tuyère où règne une pression voisine de la pression atmosphérique. Un appareil selon l'invention pour brûler des combustibles solides divisés et de faible granulométrie comporte, en combinaison - une chambre de combustion cylindrique,à axe sensiblement horizontal, comportant deux parois cylindriques coaxiales qui délimitent entre elles un espace annulaire qui communique à ses deux extrémités avant un espace libre intermédiaire entre des flasques d'extrémité; - un ventilateur qui fait circuler de l'air de combustion à travers lesdits espaces, de sorte que cet air est-préchauffé et refroidit les parois de la chambre de combustion; - une tuyère convergente-divergente à travers laquelle circule l'air de combustion préchauffé, laquelle tuyère est prolongée par un conduit qui débouche tangentiellement dans la chambre de combustion; - et un dispositif de chargement du combustible solide situé audessus de ladite tuyère et raccordé au col de celle-ci. Selon un mode de réalisation préférentiel, la paroi interne de la chambre de combustion est en tôle d'acier et comporte une garniture interne composée de plusieurs rangées de plaques de carbure de silicium, chaque rangée étant composée de plusieurs plaques cintrées, en forme de secteurs circulaires, qui sont juxtaposées et assemblées bout à bout. De préférence, une ou plusieurs couches d'un produit isolant thermique,résistant à des température élevées,est intercalé entre lesdites garnitures et la paroi interne pour permettre la libre dilatation des pièces de ladite garniture. Un appareil selon l'invention comporte, en outre, un receptacle de cendres disposé au-dessous d'une ouverture qui s'étend sur une partie de la génératrice inférieure de ladite chambre de combustion, lequel réceptacle comporte des moyens d'extraction des cendres et ladite garniture en carbure de silicium comporte des découpes dans la partie située au-dessus de ladite ouverture. L'invention a pour résultat des appareils perfectionnés destinés à brûler des combustibles solides à l'état divisé avec une granulométrie faible, mais supérieure à la granulométrie des matières pulvérisées qui peuvent être fluidisées. Un avantage des appareils selon l'invention est qu'ils permettent d'utiliser comme combustibles toutes sortes de déchets végétaux,minéraux ou industriels après les avoir broyés ou hachés pour les diviser en fragments de taille relativement faible, par exemple de l'ordre de quelques millimètres à quelques centimètres. Le fait que l'air de combustion est préchauffé en le faisant circuler autour de la chambre de combustion présente plusieurs avantages. D'abord on récupère une partie des calories qui seraient perdues vers l'ex- térieur du foyer, ensuite, on refroidit les parois du foyer, ce qui évite des détériorations des garnitures de revêtement intérieur de la chambre de combustion. Enfin l'air de combustion qui se mélange au combustible étant déjà préchauffé,. on obtient dans la flamme uné température plus élevée qui facilite la combustion dans un même appareil de différents combustibles ayant un pouvoir calorifique et une teneur en eau pouvant varier beaucoup d'un combustible à un autre.La combustion cyclonique à haute température qui est réalisée dans un appareil selon l'invention prolonge le temps de séjour des particules dans la chambre de combustion, de telle sorte que la quantité d'imbrûlés contenus dans les cendres et dans les gaz sortant du foyer est faible. Les plaques en carbure de silicium qui garnissent les parois cylindriques de la chambre de combustion résistent bien à l'usure par abrasion due aux particules solides abrasives et enflammées qui sont projetées contre cette paroi par suite du déplacement hélicoïdal des gaz chauds. Du fait que ces garnitures sont composées de plaques cintrées juxtaposées, il est facile de remplacer une ou plusieurs d'entre elles cas de détérioration sans avoir à refaire tout le revêtement. Le passage de l'air préchauffé à travers une tuyère convergentedivergente permet d'assurer l'entraînement du combustible solide par la dépression due au passage de l'air et d'obtenir un mélange d'air et de combustible solide dans des proportions qui restent sensiblement constantes du fait que la quantité de combustible solide entraînée varie dans le même sens que le débit d'air. Bien entendu, une chambre de combustion selon l'invention peut être connecte sur un générateur thermique ou sur un appareil utilisateur quelconque, par exemple sur un four, un séchoir, une étuve, une chaudière, un échangeur etc..., au moyen de pièces de raccordement adaptées à chaque cas particulier, pièces qui peuvent être séparées de la chambre de combustion ou faire partie intégrante de celle-ci. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation d'appareils selon l'invention. La figure i est une coupe axiale d'un appareil. La figure 2 est une demi-coupe transversale de la figure i selon II-II. La figure 3 représente un schéma de fonctionnement d'un appareil selon les figures 1 et 2. La figure 4 représente une variante de fonctionnement d'un appareil selon les figures I et 2. Les figures I et 2 représentent un appareil de combustion destiné à brûler des combustibles solides à l'état divisé. Cet appareil comporte une chambre de combustion cylindrique ayant un axe horizontal x xl. Bien entendu, le mot horizontal doit être compris comme désignant une ligne horizontale ou sensiblement horizontale, car dans certaines applications, il est avantageux d'incliner légèrement l'axe x xl pour faciliter par exemple l'évacuation des cendres. La chambre de combustion comporte un cylindre 1, en tôle,qui comporte à sa partie inférieure, une ouverture 2a qui communique avec un réceptacle 2 de forme quelconque qui est situé au-dessous de l'ouverture 2a et qui est destiné à recueillir les cendres et autres déchets solides de la combustion. Les deux extrémités axiales du cylindre 1 sont fermées par des parois latérales ou flasques IA et IB perpendiculaires à l'axe x xl. La chambre de combustion comporte un deuxième cylindre en tôle 3, coaxial au cylindre 1 et situé à l'intérieur de celui-ci avec lequel il délimite un espace annulaire 15 et les deux extrémités axiales du cylindre 3 sont obturées par des parois latérales 3A et 3B qui délimitent respectivement avec les parois latérales IA et lB des espaces intermédiaires 16A et 16B. La paroi latérale 3a est percée d'un orifice 17, de préférence axial, qui communique avec un conduit cylindrique 18, par lequel les gaz chauds quittent la chambre de combustion. Le cylindre 18 traverse la paroi 1A et est raccordé sur un appareil utilisateur--de calories, par exemple un séchoir, un four, un générateur de fluide caloporteur, un échangeur etc.... L'intérieur du cylindre 3 et des parois latérales 3A et 3B sont revêtus de matériaux réfractaires et/ou isolants thermiques. La paroi cylindrique 3 est revêtue intérieurement de n rangées, par exemple quatre rangées dans le cas de la figure, de garnitures 4 en carbure de silicium. Chaque rangée est formée de plusieurs tronçons ayant la forme de plaques cintrées suivant des secteurs circulaires, dont le nombre dépend du diamètre, qui sont juxtaposées pour recouvrir toute la périphérie et qui sont assemblées entre elles lors du montage, par exemple par des assemblages à tenons et mortaises ou tout autre moyen d'assemblage équivalent. Entre la garniture 4 et la paroi en tôle 3, on intercale une ou plusieurs couches d'une matière 5 souple et isolante de très haute qualité destinéeà permettre la libre dilatation des plaques cintrées 4 et à réduire les pertes de calories vers l'extérieur du foyer. La matiere 5 peut être par exemple, du carton isolant thermique ou tout autre matière équivalente, de haute qualité, résistant à des températures élevées. Les parois verticales 3A et 3B ainsi que les parois du conduit cylindrique 18 et les parois du réceptacle 2 sont revêtues intérieurement d'une garniture réfractaire 19, par exemple de pièces de forme, cuites ou non, en béton réfractaire ou en céramique ou en matière souple isolante, en une ou plusieurs couches. Les garnitures 4 situées au-dessus de l'ouverture 2a comportent des ouvertures 4a. Ces ouvertures sont découpées par exemple à la jonction entre deux rangées de garnitures et symétriquement de part et d'autre de cette jonction, chaque ouverture est composée par exemple de deux demi carrés, de deux demi losanges ou de deux demi cercles qui s'assemblent bout à bout pour former une ouverture carrée, losangique ou circulaire. Le revêtement 19 du conduit cylindrique 18 comporte, de préférence, des découpes inclinées 20 en forme de fente. La paroi d' extrémité Al est fixée sur des brides 6 qui rendent l'appareil démontable. Des trous d'homme 7 et 8 permettent d'accéder à l'intérieur de la chambre de combustion et du réceptacle 2. Un orifice 9 est découpé à travers les deux parois cylindriques I et 3 et à travers la garniture 4 pour le passage d'un conduit 9a, ayant une section de forme quelconque, par exemple rectangulaire, qui est raccordé sur une tuyère convergente-divergente 10 visible sur la figure 2. La tuyère 10 comporte une ouverture 10a, sur laquelle est connectée une arrivée d'air préchauffé, comme on l'expliquera ci-après. Au-dessus de la tuyère 10 est disposé un dispositif de chargement du combustible solide divisé. Le dispositif de chargement peut comporter par exemple une trémie 14 et un sas rotatif 14a dont la sortie est connectée sur la tuyère.Le dispositif de chargement peut reconstitué selon d'autres variantes équivalentes par exemple d'une vis sans fin, d'une sole distributrice, ou d'une simple goulotte dans laquelle tombe le combustible divisé. La tuyère 10 comporte une partie convergente en amont de l'arrivee du combustible solide et une partie divergente en aval, de telle sorte que le produit combustible tombe dans la partie intermédiaire entre le convergent et le divergent, là où règne une pression plus faible, voisine de la pression atmosphérique. Cette pression peut être légèrement supérieure à la pression atmosphérique dans certains cas. Elle est inférieure à la pression atsmophérique dans tous les cas où la nature ou la granulométrie du combustible solide ne permet pas d'utiliser un sas d'isolement 14a, tel qu'un sas tournant ou une vis sans fin. Le conduit 9a débouche tangentiellement dans la chambre de combustion au voisinage de l'extrémité opposée au conduit de sortie 18, de telle sorte que les gaz et fumées progressent à l'intérieur de la chambre de combustion suivant un trajet hélicoidal. Un deuxième passage est découpé à travers les parois cylindriques I et 3 et à travers les garnitures 4 à proximité de l'orifice 9 pour le passage d'un brûleur auxiliaire il. Le brûleur 11 est alimenté en combustible liquide ou gazeux et sert à préchauffer la chambre de combustion au moment de l'allumage. L'espace libre 16A situé entre les fonds 1A et 3A communique avec un conduit d'entrée d'air 12. De même, l'espace libre 16B intermédiaire entre les fonds 1B et 3B communique avec un conduit de sortie d'air 13. Ces conduits 12 et 13 peuvent être situés en n importe quel point des volumes 16A et 16B. Les volumes 16A et 16B communiquent respectivement avec les deux extrémités axiales de l'espace annulaire 15. La figure 3 représente un premier exemple de réalisation des raccordements du circuit de préchauffage de l'air de combustion. Le refoulement d'un ventilateur 21, qui aspire à l'extérieur de l'air de combustion, est connecté sur le conduit 12. L'air de combustion se répartit dans le volume 16A, circule dans l'espace annulaire 15 où il est préchauffé, tout en refroidissant les parois de la chambre de combustion. il est ensuite collecté dans l'espace 16B et sort par le conduit 13 qui est connecté à l'entrée 10a de la tuyère 10. Un branchement en dérivation éventuel, représenté en pointillés sur la figure 3, alimente en air de combustion préchauffé le brûleur auxiliaire 11. La figure 4 représente une variante de réalisation dans laquelle le ventilateur 21 est placé entre le conduit 13 et l'entrée 10a de la tuyère 10. Dans cette variante, l'aspiration du ventilateur est connectée sur le conduit 13 et aspire de l'air de combustion à travers l'orifice 12 et les volumes 16A, 15 et 16B. Les figures 3 et 4 sont des schémas simplifiés sur lesquels on n'a pas représenté tous les accessoires connus tels que registres ou volets de réglage du débit d'air, appareils de mesure des débits, températures et pressions, vannes et autres organes de sectionnement etc..., qui peuvent être disposés de façon quelconque et bien connue sur les deux variantes de circuits représentées sur les figures 3 et 4, variantes qui se différencient l'une de l'autre uniquement par l'emplacement du ventilateur 21. L'appareil représenté sur les figures 1 et 2 peut être posé sur des pieds ou sur un bâti ou être suspendu. Le fonctionnement est le suivant. A l'allumage, on met en route le brûleur auxiliaire 11 pour prE- chauffer la chambre de combustion. L'air de combustion qui circule dans l'espace annulaire 15 est préchauffé. il traverse la tuyère 10 et provoque l'entraînement du combustible solide qui pénètre à grande vitesse et tangentiellement dans la chambre de combustion en étant mélangé à de l'air préchauffé. La combustion du combustible solide démarre et s'effectue de fa çon cyclonique à très haute température. L'effet cyclonique prolonge le temps de séjour des particules solides dans la chambre de combustion et permet d'obtenir une combustion complète de celles-ci. Les garnitures 4 en carbure de silicium sont isolées de la paroi chaude 3 par la couche isolante 5. Ces garnitures peuvent être portées à une température élevée qui dépend du pouvoir calorifique et de la teneur en humidité du combustible solide et peut,dans certains cas, atteindre et dépasser 15000C. Les garnitures 4 résistent bien à de telles températures ainsi qu a l'abrasion et aux cendres. Selon le réglage de l'appareil et en particulier l'excès d'air de combustion, on peut régler la température interne de fonctionnement. En fonction du type de combustible employé et de sa courbe de fusion de cendres, on s'efforcera de régler la température pour éviter les risques de dépôt de cendres, préjudiciables à la marche de l'appareil. En général, l'appareil fonctionnera pour que les cendres soient à l'état de laitier fondu et qu'elles coulent le long des garnitures 4. Dans certains cas où les cendres ne fondent qu'à très haute température, l'appareil pourra être réglé de façon que les cendres pulvérulentes restent sous forme solide et soient évacuées avec les fumées. La fente inclinée 20 qui est prévue dans le revêtement réfractaire 19 du conduit 18 permet l'écoulement du laitier liquide qui pourrait se déposer dans le fond du conduit 18. Des cendres volantes incandescentes subsistent dans les gaz chauds qui sortent par le conduit 18. La température de ces cendres est comprise, selon les combustibles et les réglages, entre 12000C et 17000C. On notera que le divergent de la tuyère 10 se situe dans un plan horizontal où il est réalisé par élargissement de la largeur de la tuyère. Cet élargissement n'apparaît pas sur la figure 2. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention , les divers éléments constitutifs de l'appareil qui vient d'être décrit à titre d'exemple, pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions. REVENDICATIONS I - Procédé pour brûler des combustibles solides divisés, de faible granu lométrie, dans une chambre de combustion cylindrique à axe sensiblement horizontal, caractérisé en ce que - on préchauffe de l'air de combustion en le faisant circuler dans un espace annulaire qui entoure ladite chambre de combustion - on entraîne lesdits combustibles solides par l'air préchauffé; - et on injecte tangentiellement,à grande vitesse, au voisinage d'une extrémité de ladite chambre de combustion,lesdits combustibles soli des mélangés à l'air de combustion préchauffé. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air de com bustion préchauffé est injecté dans une tuyère convergente-divergente qui est prolongée par un conduit qui débouche tangentiellement dans la dite chambre de combustion et on introduit lesdits combustibles solides divisés dans le col de ladite tuyère où règne une pression voisine de la pression atmosphérique. 3 - Appareil pour brûler des combustibles solides divisés, de faible granulo métrie, caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison - une chambre de combustion cylindrique à axe sensiblement horizontal comportant deux parois cylindriques coaxiales (1, 3) qui délimitent entre elles un espace annulaire (15) qui communique à ses deux extré mités avant un espace libre (16A, 16B) intermédiaire entre des flasques d'extrémité (1A, 3A et 1B, 3B); - un ventilateur (21) qui fait circuler de l'air de combustion à travers lesdits espaces (16A, 15 et 16B), de sorte que cet air est préchauffé et refroidit les parois de la chambre de combustion;; - une tuyère convergente-divergente (10) à travers laquelle circule l'air de combustion préchauffé, laquelle tuyère est prolongée par un conduit (9a) qui débouche tangentiellement dans la chambre de combustion; - et un dispositif (14) de chargement de combustible solide situé au dessus de ladite tuyère et raccordé au col de celle-ci. 4 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi in terne (3) de la chambre de combustion est en tôle d'acier et comporte une garniture interne 4 composée de plusieurs rangées de plaques de carbure de silicium, chaque rangée étant composée de plusieurs plaques cintrées, en forme de secteurs circulaires, qui sont juxtaposées et assemblées bout à bout. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs couches (5) d'un produit isolant thermique résistant à des températures élevées est intercalé entre lesdites garnitures (4) et la paroi interne (3) pour permettre la libre dilatation des pièces de ladite garniture. 6 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte un réceptacle de cendres (2) disposé au-dessous d'une ouverture (2a) qui s'étend sur une partie de la génératrice infé rieure de ladite chambre de combustion, lequel réceptacle comporte des moyens (8) d'extraction des cendres-et ladite garniture (4) en carbure de silicium comporte des découpes (4a) dans la partie située au-dessus de ladite ouverture (2a).