Brevet FR2481783A1 — publié le 19811106

" Dispositif de combustion pour déchei à l'état solide La présente invention concerne un dispositif ou cellule de combustion pour des déchets combustibles à l'état solide et elle porte plus particulièrement sur un dispositif de combustion destiné à réaliser une combustion à rendement élevé de déchets combustibles solides, en particulier de la bagasse et plus particulièrement de la bagasse contenant des proportions élevées de moelle. La technique consistant à brûler des déchets combustibles solides est relativement ancienne et on connalt de nombreux dispositifs destinés a accomplir cette opération, les meilleurs d'entre eux étant les dispositifs de combustion dans lesquels on fait brûler une pile de déchets combustibles en présence de courants d'air soufflés par des tuyères appropriées. Cependan.t, dans tous les dispositifs de l'art antérieur, on se trouve en présence du problème grave qui consiste en ce que la combustion des particules fines est absolument incomplète et en ce que les particules fines partiellement brûlées-tendent à adhérer aux parois des chaudières associées et aux tubes d'eau de ces chaudières, ainsi qu'aux parois des dispositifs de combustion, ce qui diminue considérablement le rendement de ces derniers. Les courants d'air tangentiels qui ont été introduits dans les dispositifs dits de Dennis n9ont pas résolu le problème mais ont eu au contraire tendance à l'aggraver, du fait que lorsqu'on communique aux gaz un mouvement de rotation, les particules tendent à être entraînées vers la. périphérie par la force centrifuge et elles adhèrent avec davantage de force sur les parois de la chambre, qui sont ainsi considérablement affectées et doivent être nettoyées très fréquemment. Ceci a constitué un problème permanent qui n'a pas encore été résolu à l'heure actuelle dans les dispositifs de l'art antérieur, destinés à brûler des déchets combustibles solides, L'invention offre un dispositif de combustion destiné à des déchets combustibles solides qui présente une structure très simple mais offre néanmoins un rendement très élevé pour réaliser la. combustion complète du 248 1783 combustible et en particulier des particules fines de celui-ci. Le dispositif de l'invention-évite en outre toute adhérence des particules fines extraites de la pile de combustion de tels déchets combustibles solides, par des moyens très simples et économiques qui contribuent également à l'obtention d'une combustion complète. L'invention permet d'obtenir un rendement de combustion considérablement accru et évite complètement que les particules fines partiellement brûlées adhèrent sur les parois du dispositif. Conformément à un mode de réalisation particu- lièrement préféré de l'invention, un dispositif de combustion comprend, en combinaison, une chambre de combustion cylindrique verticale inférieure pour les déchets combustibles, une chambre de combustion cylindrique verticale supérieure pour les particules fines, une cloison horizontale qui sépare ces chambres, une ouverture de diamètre réduit disposée en position centrale dans cette cloison entre les deux chambres, un toit horizontal sur la chambresupérieurea, une ouverture de sortie de diamètre réduit disposée en position centrale dans ce toit, un fond horizontal dans la chambre inférieure, des moyens d'alimentation en déchets combustibles solides disposés de façon à introduire les déchets combustibles dans la chambre inférieure afin d'accumuler une pile de déchets combustibles sur le fond de cette chambre, plusieurs ensembles circonférenciels de tuyères dirigées radialement vers l'intérieur et disposées dans la paroi latérale de la chambre inférieure,près du fond de celle- ci, des premiers moyens d'alimentation en air destinés à souffler de l'air dans la chambre inférieure, à travers les tuyères dirigées radialement et vers la pile de déchets combustibles, au moins un groupe hélicoïdal de tuyères inclinées vers le bas, vers l'intérieur et de côté, disposées dans la paroi cylindrique de la chambre supérieure, des seconds moyens d'alimentation en air destinés à souffler de3 l'air dans la chambre supérieure à travers ces tuyères, afin de produire un tourbillon 248 1783 d'air extérieur descendant dont le sens s'inverse au niveau de la cloison pour former un tourbillon d'air central ascendant entre l'ouverture de diamètre réduit disposée en position centrale qui se trouve dans la cloison et l'ouverture de diamètre réduit disposée en position centrale qui se trouve dans le toit, grâce a quoi les grosses particules de combustible brûlent totalement dans la pile, dans la chambre inférieure, tandis que les particules fines partiellement brûlées sont entraînées par l'air provenant des tuyères de la chambre inférieure et sont transportées vers le haut, dans le tourbillon central ascendant, en traversant la chambre supérieure, de façon à faire brûler davantage ces particules fines sans aucun contact entre les particules fines et les parois de la chambre supérieure. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation en coupe et en élévation d'un dispositif de combustion pour des déchets combustibles solides construit conformément à l'invention; La figure 2 est une représentation en coupe et en élévation destinée à montrer la disposition des tuyères de la chambre supérieure du dispositif de combustion représenté sur la figure 1; La figure 3 est une représentation en coupe et en élévation d'une configuration de chaudière contenant plusieurs dispositifs de combustion construits confor- mément à l'invention La figure 4 est une représentation en coupe et en élévation de la chaudière représentée sur la figure 3, sous un angle de 900 par rapport à la représentation de la figure 3; et La figure 5 est une représentation en coupe, vue par le dessus, destinée à montrer la disposition de plusieurs dispositifs de combustion construits conformé- ment à l'invention, sur leplancher d'une chaudière. 4 2481783 On va maintenant considérer plus particulièrement les dessins et en particulier les figures 1 et 2 qui représentent un dispositif de combustion construit confor- mément à l'invention, convenant à la combustion de bagasse et de matières similaires. On décrira ce dispositif en considérant la combustion de bagasse avec une teneur élevée en humidité et en moelle, à titre de mode de réalisation particulier préféré de l'invention, ceci ne signifiant cependant en aucune manière que le cadre de l'invention doit 9tre limité exclusivement à ce mode de réalisation. En effet, on peut utiliser le dispositif de l'invention pour brûler n'importe quel type de déchets combustibles solides, comme de la sciure, des copeaux de bois, des déchets de fraisage du bois, des déchets de café, de la bagasse de canne à sucre, ainsi que de nombreux autres déchets. Le dispositif de combustion de bagasse correspon- dant au mode de réalisation qui est plus particulièrement représenté sur les dessins comprend une chambre inférieure 18 formée par une paroi: cylindrique 11, une paroi tronconique 12 à l'extrémité supérieure ouverte de la paroi cylindrique 11, un toit ou une cloison 13 qui comporte une ouverture de diamètre réduit 14, et un fond 24 destiné 'à fermer la chambre 18 et sur lequel la pile 30 de bagasse est disposée pour êt.re brûléeo Sur le toit 13 de la chambre 18 et en prolongement du sommet de la partie tronconique 12 de la chambre infé- rieure, se trouve une seconde chambre 19, ou chambre supé- rieure, qui est formée par une paroi cylindrique 15 d'un diamètre inférieur à celui de la paroi cylindrique 11, un toit 16 ayant à son centre une ouverture circulaire 17 et un fond 13 qui est identique au toit de la chambre inférieure 18, de façon à constituer ainsi une cloison qui sépare le dispositif de l'invention pour donner les deux chambres mentionnées. Tous les élements et toutes les parois du dispositif sont construitsen une matière réfractaire afin cie conserver la chaleur et d'augmenter le rendement de combustion, ainsi que pour éviter d'exposer la matière 30 qui brûle à des surfaces noires ou absorbant la chaleur, ce qui diminuerait sa tempéra- tureo La chambre supérieure 19 comporte un collecteur de tranquillisation 20 dans lequel de l'air est introduit par un conduit d'air 23, ainsi qu'un certain nombre de tuyères 21, dirigées vers l'intérieur, vers le bas et vers le côté, comme le montrent clairement les figures 1 et 2, en formant de préférence un angle d'environ 100 à environ 750 par rapport à l'horizontale, cet angle étant encore plus préférablement d'environ 30 , afin de diriger des courants d'air vers l'intérieur et vers le bas, sous cet angle, dans la chambre 19, Comme la figure 2 le montre le plus clairement, les tuyères 21 sont disposées de façon approximativement tangentielle par rapport à la paroi 15, en formant ainsi un angle d'environ ' à environ 750, et de préférence d'environ 30 , par rapport aux rayons de la chambre 19, afin de souffler des jets d'air tangentiels ce qui, du fait de l'inclinaison verticale vers l'intérieur des tuyères, forme un tourbillon qui balaie complètement en sens descendant l'ensemble de la surface intérieure de la chambre 19, dans un but qu'on expliquera plus clairement ci-après. Un brûleur destiné à un combustible liquide ou gazeUx et représenté schématiquement en 32 peut être disposé dans la chambre supérieure 19 pour aider à la combustion des particules fines entraînées par lairq comme on l'expliquera ci-aprèso La chambre inférieure 18 est munie d'une goulotte 25 destinée à l'introduction de la bagasse, cette dernière tombant dans la direction de la flèche portée sur la figure 1, afin de maintenir une pile de déchets combustibles 30 sur le fond 24o La chambre inférieure 18 comporte également uncollecteur de tranquil- lisation 22 qui est alimenté au moyen d'un conduit 23 duquel part un conduit de dérivation 29 qui est dirigé de facon à alimenter en air le collecteur de tranquillisation de la chambre supérieure 19, et un certain nombre de. groupes de tuyères radiales 31 sont répartis uniformément dans le tiers inférieur de la paroi.cylindrique 11 de la chambre 18, afin de souffler de l'air sur la pile de bagasse 30, ces courants d'air assurant la combustion de cette pile tout en entrainant vers le haut et à travers l'ouverture 14 de la chambre 18 toutes les particules fines ou la moelle de la bagasse, jusqu'à une certaine taille prédéterminée. Pour enlever de temps en temps les cendres accumulées, une ouverture 26 est établie dans la partie inférieure et près du fond 24 de la paroi 11 de la chambre 18, cette ouverture 26 étant fermée ou ouverte au moyen d'un clapet 27 qui peut être actionné par n'importe quel mécanisme de levée ou d'ouverture approprié, comme il est représenté schématiquement- en 28 sur la figure 1, afin d'ouvrir ce clapet lorsqu'il est nécessaire d'enlever les cendres accumulées. Pour cette opération, l'alimentation en air des tuyères 31 est coupée'et on laisse brûler complètement la pile 30, afin qutil soit possible d'enlever correctement les cendres et de nettoyer correcte- ment le fond du dispositif, dans le but de faire redémarrer la combustion autogène par le fait que les matières réfractaires des parois conservent une chaleur suffisante pour rétablir cette combustion. En considérant maintenant les figures 3, 4 et 5, on voit une application particulièrement préférée des dispositifs décrits ci-dessus et représentés sur les figures 1 et 2, qui comprend un générateur de vapeur ou une chaudière, désigné globalement par la référence 1 et qui comprend une zone inférieure 2, ou foyers et une zone supérieure 3 qui constitue une chambre de combustion secondaire, un dôme supérieur 4, des tubes d'eau 5, un dôme inférieur 6 qui communique avec le dôme 4 par l'intermédiaire des tubes d'eau 5, une paroi de chambre à eau 7 et une paroi de chambre à eau 8 ayant des fonctions parfaitement connues dans le domaine de la production de vapeur, ainsi qu'un conduit d'évacuation ou cheminée 9, à tirage forcé, induit par aspiration ou naturel. Comme le montre clairement la figure 5, un certain nombre de dispositifs 10 construits conformément à l'invention peuvent être disposésypar exemple au nombre de quatre, dans le foyer ou chambre de combustion inférieure 2, avec les entrées d'air 23 situées sur les côtés du foyer et avec les goulottes d'alimentation 25 pour la bagasse situées sur les deux autres côtés de ce foyer. Ainsi, lorsqu'il devient nécessaire d'arrêter l'un des dispositifs pour enlever les cendres, conformément à ce qui a été indiqué ci-dessus, on peut effectuer l'opération d'une manière alternée, afin qu'un seul des dispositifs soit arrêté, tandis que les autres demeurent en fonctionnement, dans le but de fournir une chaleur de combustion suffisante pour la production de-vapeur, sans qu'il soit nécessaire d'arrêter le fonctionnement de la chaudière elle-même. On peut voir plus particulièrement sur les figures 2 et 4i que le mélange de moelle partiellement brûlée et d'air qui est évacué sous la forme d'un tourbillon fortement turbulent par les ouvertures 17 des chambres supérieures 19 des dispositifs de combustion est soumis à une expansion considérable dans la chambre 3 de la chaudière, grâce à quoi les très petites particules de moelle ou de bagasse en combustion sont complètement brûlées dans la chambre 3, et les particules qui sortent par les ouvertures 17 * des chambres supérieures 19 sont si petites qu'elle ne peuvent pas former des couches adhérentes susceptibles de former des dépôts ou des croates sur les parois de la chaudière ou des tubes d'eau 5 de celle-ci. Comme il a été indiqué précédemment, les goulottes 25 destinées à l'introduction de bagasse avec une teneur en moelle élevée sont disposées en position inclinée dans les parties tronconiques 12 de la chambre inférieure 18, de façon que l'air qui entre par les tuyères 31 entraîne la moelle et extraie celle-ci avant la formation de la pile de combustible 30, comme le montrent les. flèches sur la figure 1, en traversant l'ouverture 14 pour atteindre la chambre 19. Dans cette chambre 19, un tourbillon d'air périphérique descendant a déjà été créé par l'air introduit par les tuyères tangentielles inclinées 21, ce qui balaie effectivement l'intérieur de la chambre 19 et la direction de ce tourbillon s'inverse lorsqu'il atteint le plancher 13 de la chambre 19, ce qui forme un tourbillon ascendant d'un diamètre approximativement égal à celui des ouvertures 14 et 17 de la chambre 19, afin d'entraSner dans ce tourbillon intérieur les particules de moelle en combustion qui sont ainsi maintenues complète- ment espacées de la paroi 15. La turbulence créée par ce tourbillon est telle que les particules sont retenues pendant une durée suffisante pour parvenir à une combustion presque complète, grâce à quoi les particules de moelle entraînées dans le tourbillon d'air traversant l'ouverture 17 sont évacuées vers la chaudière avec une taille appropriée pour être brûlées d'une manière presque instantanée dans la chambre 3 de la chaudière, sans faire apparàCtre les problèmes habituels de formation de dépôts ou d'écailles qui se manifestaient lorsqu'on utilisait les dispositifs de combustion de l'art antérieur. D'autre part, du fait que les particules de mOelle en combustion ne touchent aucune des parois-de la chambre 19, et conservent néanmoins un poids suffisant lorsqu'elles sont dans la chambre 18, ces particules ne peuvent pas adhérer aux parois 11, 12 ou 15 du dispositif de combustion, grâce à quoi ce dernier demeure propre et il n'est pas nécessaire d'effectuer des arrêts de fonctionnement pour nettoyer les parois, comme c'était le cas avec les dispositifs de l'art antérieur. En d'autres termes, dans la chambre inférieure 18 les courant d'air ascendants qui entraînent la moelle entrante non brûlée déclenchent la combustion de cette moelle mais entraînent celle-ci vers le haut en direction de la chambre 19, grâce à quoi les particules de moelle n'ont pas le temps d'adhérer aux parois 11 et 12. Les particules de moelle qui br lent rapidement dans la chambre 19 tendent à adhérer à la paroi 15, au toit 16 et à l'ouverture 17 de ce-tte chambre, mais ellesn'adhèrent pas effectivement 2 4 81 78 3 sur ces parties, du fait qu'elles sont entraînées dans. un tourbillon central ascendant qui maintient ces parti- cules totalement espacées de la surface intérieure de la chambre 19, à cause du tourbillon périphérique descendant qui est produit par les courants d'air soufflés par le groupe hélicoïdal de tuyères tangentielles 21, comme il a été décrit précédemment O On peut voir à la lecture de ce qui précède qu'on a réalisé pour la première fois un dispositif de combustion pour des déchets combustibles solides qui présente un rendement fortement accru en comparaison de tous les dispositifs de l'art antérieur, de façon à réaliser une combustion complète du combustible et en particulier des particules fines. Simultanément, le contact entre les particules fines en combustion et les parois du dispositif est complètement évité, ce qui produit des particules en combustion qui sont si fines lorsqu'elles quittent le dispositif qu'elles brûlent d'une manière pratiquement instantanée dans la chambre d'expansion de la chaudière associée au dispositif de combustion, grâce à quoi le combustible est brûlé d'une manière complète et sa chaleur est entièrement utilisée pour la production de vapeur ou pour l'accomplissement de n'importe quelles autres opérations désirées. Une caractéristique avantageuse supplémentaire consiste en ce qu'on peut utiliser facultativement le brûleur 32 pour brûler des combustibles gazeux ou liquides, les produits de combustion de ce brûleur étant évacués directement dans le tourbillon intérieur ascendant qui transporte les particules fines, grâce à quoi ce brûleur contribue à la combustion complète des particules fines et on tire parti de sa chaleur de combistion qui est utilisée intégralement dans l'appareil auquel le dispositif de combustion est associé. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention0. 248 1 783 REVENDICATIONS Dispositif de combustion pour des déchets combustibles solides, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, une chambre de combustion cylindrique verticale inférieure (18) pour les déchets combustibles, une chambre de combustion cylindrique verticale supérieure (19) pour les particules fines, une cloison horizontale (13) séparant ces chambres, une ouverture de diamètre réduit (14) disposée en position centrale dans cette cloison entre les deux chambres, un toit horizontal (16) sur la chambre supérieure, une ouverture de sortie (17) de diamètre réduit disposée en position centrale dans ce toit, un fond horizontal (24) dans la chambre inférieure (18), des moyens d'alimentation (25) pour les déchets combustibles solides, disposés de manière à introduire ces déchets combustibles dans la chambre inférieure (18) pour établir une pile (30) de déchets combustibles sur le fond de cette chambre, plusieurs groupes circonférenciels de tuyères (31) dirigées radialement vers l'intérieur et disposées dans la paroi latérale (11) de la chambre inférieure, près du fond (24) de celle-ci, des premiers moyens d'alimentation en air (22, 23) destinés à souffler de l'air dans la chambre inférieure (18) à travers les tuyères dirigées radialement et vers la pile (30) de déchets combustibles, au moinsun groupe hélicoïdal de tuyères (21) inclinées vers le bas, vers l'intérieur et vers le côté et disposées dans la paroi cylindrique (15) de la chambre supérieure (19), des seconds moyens d'alimentation en air (20, 23) destinés à souffler de l'air dans la chambre supérieure (19) à travers les tuvères (21), afin de produire un tourbillon d'air descendant extérieur dont la direction s'inverse au niveau de la cloison (13) pour former un tourbillon d'air central ascendant entre l'ouverture de diamètre réduit (14) disposée en position centrale dans la cloison (13) et l'ouverture de diamètre réduit (17) disposée en position centrale dans le toit (16), grave à quoi les grosses particules de combustible sont totalement 248 1783 br1lées dans la pile (30) dans la chambre inférieure (18), tandis que les particules fines partiellement br lées sont entraînées par l'air provenant des tuyères (31) de la chambre inférieure (18) et sont transportées vers le haut dans le tourbillon central ascendant en traversant la chambre supérieure (19), de façon a br ler plus complètement ces particules fines, sans aucun contact entre les particules fines et les parois de la chambre supérieure (19). 2. Dispositif de combustion selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les angles d'inclinaison des tuyères (21) de la chambre supérieure (19), l'angle de pas du groupe hélicoïdal des tuyères et l'angle tangentiel des tuyères par rapport aux rayons de la paroi latérale cylindrique (15) de la chambre supérieure sont d'environ 10 à environ 750, et de préférence d'environ 30 . 3. Dispositif de combustion selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les chambres supérieure et inférieure (18, 19) sont cylindriques et la chambre inférieure comporte une paroi tronconique (12) convergeant vers le haut située entre la paroi cylindrique (11) et la cloison horizontale (13)o. 4. Dispositif de combustion selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce qu'il est construit en une matière réfractaire afin de conserver la chaleur dans - ce dispositif. o Dispositif de combustion selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la chambre supérieure (19) comporte un br leur auxiliaire de combustible fluide (32) qui est dirigé vers l'intérieur et vers le bas et dont l'orifice d'évacuation débouche directement dans le tourbillon d'air central ascendant, afin de parvenir à une combustion plus complète des particules fines qui sont entratnées par ce tourbillon. 6. Dispositif de combustion selon la revendica- tion 5,caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison du br leur auxiliaire (32) est compris entre environ 100 2 48 1783 et environ 750 et est de -préférence 300 environ. 7. Dispositif de combustion selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il est associé à un générateur de vapeur (l) ayant une chaudière conçue de façon à recevoir le mélange de gaz et des particules qui brûlent afin que la combustion de ces particules soit pratiquement complète avant que toute particule partiellement brûlée puisse atteindre une surface active quelconque du générateur de vapeur. 8. Dispositif de combustion selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que plusieurs de ces dispositifs de combustion sont disposés sur le plancher du générateur de vapeur (1) afin de produire une quantité de chaleur suffisante pour la production de vapeur. 9. Dispositif de combustion selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les premiers et seconds moyens d'alimentation en air (20, 22, 23) comprennent des collecteurs de tranquillisation (22, 23) qui entourent une partie au moins de chacune des chambres supérieure et inférieure (19, i8)o 10. Dispositif de combustion selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la chambre inférieure (18) comporte une ouverture latérale (26) fermée par un clapet (27), afin de permettre l'enlèvement périodique des cendres et des escarbilles.