Brevet FR2510720A1 — publié le 19830204

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de combustion de solides dans le lit incandescent au rouge d'une chaudière ou réchauffeur par charges et dans lesquels les gaz de combustion dégagés sont envoyés vers un conduit de fumée. La combustion est une réaction d'équilibre dans laquelle les concentration, température et durée sont les facteurs les plus importants qui en déterminent le produit final De plus, la combustion nécessite une très haute mobilité des molécules, c'est-à-dire que le combustible solide doit en premier lieu être transformé en une phase gazeuse En partant de l'opération par charges de la majeure partie du combustible solide dans les chaudières ou réchauffeurs, la combustion complète est pratiquement impossible, ce qui est évidemment un grand inconvénient en ce qui concerne les rendement, ambiance et sécurité en matière d'incendie C'est en particulier la charge de combustible dans l'appareil qui perturbe le réglage des concentrations dans la chambre de combustion, à l'exception de la quantité d'air admise. Cependant, en règle générale, cette quantité d'air amenée dans la chambre (o se produit principalement une combustion réduite) est insuffisante par rapport à la quantité de gaz de combustion dégagés. De plus, la température interne de la chambre est abaissée par la charge, la discontinuité du remplissage et le pourcentage d'humidité du combustible en sont les causes prédominantes. L'insuffisance d'air et/ou la température trop basse empêchent l'inflammation et la combustion des gaz incomplètement brûlés en quantités considérables de produits combustibles, prinei- palement des hydrocarbures et oxyde de carbone échappant de la chambre. Ces produits forment des dépôts sur les surfaces relativement froides ou échappent à l'atmosphère par le conduit de fumée Les dépôts formés de suies et goudrons sur les parois de ladite chambre et les gaz plus froids diminuent le rendement, de sorte que la puissance de la chaudière est abaissée Une couche de 1 mm de suie sur la surface d'échange de la chaudière est créatrice d'un rendement réduit de 5 % Ces dépôts augmentent les risques de feux de cheminée, prin- cipalement avec des combustibles de pouvoir calorifique élevé en plein débit Par ailleurs, il est possible que des gaz de combustion d'échappement s'enflamment dans le conduit de fumée, de sorte qu'il constitue un brfleur complémentaire La majeure partie des conduits 10720 de fumée résistent à la combustion des dépôts, alors que très peu peuvent supporter l'élévation de température d'un brûlage retardé. On a essayé d'achever la combustion des gaz dégagés par alimentation d'air secondaire dans le haut de la chambre de combustion afin de contrôler l'émission de chaleur La quantité d'air secondaire assure l'excès nécessaire indépendamment de ce contrôle Il en résulte une combustion améliorée et m me complète, en certains cas, lorsque la température des gaz est assez élevée, alors que, à température trop faible, les gaz sont évacués sans Etre brûlés et en proportion accrue sous le balayage par l'air secondaire. Un autre essai a été de retenir les gaz de combustion dans la chambre plus longtemps On pourrait croire que cette chambre de capacité agrandie ou une chambre secondaire et des chambres pré- sentant une résistance plus grande à l'écoulement seraient avanta- geuses, mais le résultat n'a pas donné satisfaction, bien que la combustion plus lente soit plus complète; les pertes de chaleur, à travers la surface additionnelle de réchauffement, retardent la combustion. En plus de ces contrôles directs de combustion, on a effectué des essais de traitement des gaz à l'échappement de la chambre Ce procédé indirect comprend entre autres le brûlage à chaud, l'oxydation sur un catalyseur et la filtration Il est possible de réduire sensiblement ainsi la perte de produits combustibles, mais les prix de revient sont très élevés L'attention a été apportée en particulier sur l'emploi d'un catalyseur, la technique connue dans ce domaine est actuellement sujette à des changements considé- rables Un catalyseur oxydant réduit l'énergie nécessitée pour la combustion avec en conséquence que celle-ci apparait à température plus faible Cependant, on a constaté que l'emploi d'un lit massif en métal commun sur support céramique en tant que catalyseur, immé- diatement en dessous, n'aboutit pas à l'effet recherché Bien qu'une amélioration soit constatée, la température des gaz se révèle encore trop faible On peut cependant espérer que des catalyseurs plus efficaces apparaîtront dans le futur. L'invention élimine les inconvénients énumérés par un - procédé selon lequel la combustion complète est obtenue de manière simple et fiable. Ce résultat est obtenu du fait que les gaz de la combustion sont passés à travers le lit incandescent au rouge, à contre-courant de l'écoulement de chaleur, afin de les porter à leur température d'inflammation. Avec cette caractéristique d'inflammation spontanée des éléments combustibles des gaz de combustion, la capacité et le rende- ment sont accrus dans la chaudière ou réchauffeur, sensiblement indé- pendamment des conditions d'allumage, avec en même temps la combustion complète du combustible solide Par ce processus, les combustibles solides peuvent etre brûlés dans la plus large signification du terme. Le lit au rouge est maintenu par la combustion, les petites particules carbonisées qui tombent poursuivent leur combustion au-dessous du lit. Le dégagement de chaleur de la chaudière ou réchauffeur peut etre contrôlé par les variables dépendantes suivantes: envoi d'air dans la chambre de combustion, dimension de surface du lit incandescent et intensité de tirage du conduit de fumée. Il est avantageux qu'un espace soit réservé entre le lit et le conduit de fumée avec des dimensions telles que la durée de séjour des gaz y soit suffisante pour achever la combustion complète> cette durée étant au mieux de 2 secondes. En fonction du genre de combustible solide, de l'air secondaire est avantageusement amené dans l'intervalle du lit et du conduit de fumée, ce lit étant réchauffé préalablement ou non Un lit catalyseur peut être utilisé dans l'intervalle du lit au rouge et de la cheminée, ce lit catalyseur étant fixe ou agité. De plus, le lit incandescent repose avantageusement, au moins en partie, sur une structure perforée qui, par impulsions ou non, est réchauffée ou refroidie. Par ailleurs, cette structure est mobile de préférence. Dans une réalisation préférée, ledit air primaire est amené au-dessus du lit incandescent, étant m Q par impulsions ou non, et/ou préalablement réchauffé. L'orientation des gaz de combustion vers le conduit de fumée est obtenue préférablement par pression subatmosphérique résultant du tirage dudit conduit, ce tirage étant naturel ou i Son. 10720 Par ailleurs, le trajet des gaz de combustion vers ce conduit est avantageusement utilisé pour y disposer des surfaces supplémentaires d'échange. L'invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention, ce dispositif comprenant une chaudière ou réchauffeur ayant une grille pour supporter un lit incan- descent de combustion et un conduit ou cheminée d'évacuation des gaz de combustion dégagés, cet appareil étant caractérisé en ce que l'espace surmontant la grille est en communication avec ledit conduit par l'intermédiaire d'un espace qui est surmonté par la grille. Cet espace compris entre la surface inférieure de la grille et le conduit de fumée peut avoir des dimensions tellesque la durée de séjour des gaz de combustion y soit suffisante pour achever leur combustion complète. Cet espace, surface inférieure-conduit, est équipé de moyens d'amenée d'air secondaire, lesquels sont associés & des moyens de réchauffage préalable de cet air secondaire. La grille peut &tre au moins partiellement munie d'ouver- tures, cette région partielle ayant des moyens de refroidissement et/ou de réchauffage par impulsionset des moyens de mise en mouvement. L'espace surmontant la grille peut être équipé de moyens d'amenée d'air primaire, lesquels sont associés auxdits moyens de réchauffage préalable. Les objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre d'un exemple préféré de réalisation et-des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique horizontale de la chambre de combustion d'une chaudière ou réchauffeur, à combustible solide; la figure 2 est une partie d'une coupe horizontale, analogue à la figure-1, dans laquelle un catalyseur a été incorporé; la figure 3 est une coupe selon la ligne III-III de la figure 1; la figure 4 est une coupe analogue à la figure 1, selon la ligne IV-IV; et la figure 5 est une coupe horizontale selon la ligne V-V de la figure 2. 10720 L'appareil représenté qui est chauffé par combustible solide comprend une chambre 10 de combustion entourée d'une chemise d'eau 11 et d'un isolement 12 L'admission d'air est contrôlée par des vannes 14 et 15 agencées dans la porte 13, et les gaz de fumée sont évacués par un carneau 16 de cheminée dans laquelle est incorporée une vanne 17 de tirage Comme représenté, le trajet direct de la chambre vers le carneau 16 est coupé par une plaque 22 L'intervalle de cette plaque et de la paroi arrière de chnudière ou réchauffeur peut être utilisé comme surface supplémentaire d'échange de chaleur sur laquelle sont agencées des nervures 23 Ssr le fond de la chau- dière ou réchauffeur, est placée une grille constituée d'une partie ouverte 18 et de parties obturées 19 et 20 La partie 20 de droite est reliée à la plaque 22, de sorte que les vapeurs et gaz dégagés échappent de la chambre par la grille ouverte vers la cheminée La longueur de partie obturée est telle que les imbrôlés ont un temps suffisant de combustion, sans refroidissement sensible L'amenée d'air secondaire sous la grille est assurée à travers des trous de la plaque 21, laquelle délimite l'espace sous-jacent de la grille du côté gauche. Le démarrage du fonctionnement est assuré à l'aide de la masse au rouge d'une quantité réduite de combustible, qui couve sur la grille ouverte 18 en lit incandescent, Il est de grande importance pour obtenir le fonctionnement convenable du dispositif que la grille soit recouverte totalement par ce lit incandescent. On peut alors poursuivre le chargement complet de combustible, lequel au contact dudit lit est gazéifié par la chaleur intense Une partie seulement des gaz et vapeurs dégagés est immédiatement brûlée,, le reste n'ayant pas encore atteint la température d'inflammation. Le tirage de la cheminée aspire toutes les substances gazeuses contenues dans la chambre de combustion à travers le lit incandescent pour en assurer une combustion sensiblement complète. Pour permettre cette combustion aussi complète sous des conditions les plus dures d'inflammation ou avec des produits de combustion difficile (traverses de chemin de fer, caoutchouc, etc), un catalyseur 25 peut, comme déjà mentionné, etre disposé à l'qntrée 10720 de la partie obturée 20 de droite L'agencement de lit stationnaire est choisi pour réduire la perte de charge de manière que le tirage naturel de la cheminée soit suffisant L'excès d'air requis est maintenu par une alimentation d'air (tertiaire) d'un conduit 26. R EVE N D I CA T IO N S 1 Procédé de combustion d'un combustible solide sur le lit incandescent au rouge ( 18) d'une chaudière ou réchauffeur à combus- tion fonctionnant par charges, dans lequel les gaz dégagés dans la combustion sont dirigés vers un conduit ( 16) de fumée, ce procédé étant caractérisé en ce que ces gaz sont patauds à travers le lit incandescent au rouge à contre-courant de l'écoulement de chaleur, afin de les réchauffer à leur température d&Lnflammation. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un espace ( 20) est agencé entre lesdits lit incandescent ( 18) et conduit ( 16) de fumée et a des dimensions telles que le temps de séjour desdits gaz de combustion y soit suffisant pour assurer leur combustion complète. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit temps de séjour est au maximum de 2 secondes. 4 Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que de l'air secondaire ( 15) est envoyé dans ledit espace entre lit-cheminée. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit air secondaire est réchauffé préalablement. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'un lit catalyseur ( 25) est agencé dans ledit espace lit-cheminée. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le lit catalyseur est agité. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications -précédentes, dans lequel ledit lit incandescent est constitué sur une structure perforée ( 18) 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisd en ce que ladite structure est refroidie. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite structure est réchauffée énergiquement. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que ladite structure est mobile. 10720 12 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel de l'air primaire ( 14) est envoyé dans l'espace surmontant ledit lit incandescent. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'air primaire est alimenté sous pression. 14 Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que l'air primaire est réchauffé préalablement. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'envoi des gaz de combustion vers le conduit de fumée est obtenu par une dépression résultant du tirage de la cheminée ( 16). 16 Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le tirage de la cheminée est forcé. 17 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 16 > caractérisé en ce que le trajet des gaz de combustion vers la cheminée est utilisé pour y constituer une surface supplémentaire ( 23) de réchauffage. 18 Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes> caractérisé en ce que la dimension de la surface du lit incan- descent est modifiable pour régler le rendement calorifique de la chaudière ou réchauffeur. 19 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, comprenant une chaudière ou réchauffeur ayant une grille ( 18) de support dudit lit incandescent et un conduit de fumée ( 16) servant au dégagement des gaz de combustion engendrés, cet appareil étant caractérisé en ce que l'espace surmontant cette grille communique avec ledit conduit à travers un espace ( 20) surmonté par la grille. * 20 Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit espace ( 20) a des dimensions telles que le temps de séjour des gaz de combustion y est suffisant pour assurer leur combustion complète. 21 Dispositif selon la revendication 19 ou 20, caractérisé en ce que ledit espace surmonté par la grille est muni de moyens d'amende d'air secondaire ( 15). 10720 22 Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amenée d'air secondaire sont associés à des moyens de réchauffage préalable de cet air. 23 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisé en ce que ladite grille ( 18) est tout au moins par- tiellement munie d'ouvertures. 24 Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que la partie de grille munie d'ouvertures comprorte des moyens pour son refroidissement forcé. 25 Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que la partie de grille munie d'ouvertures est équipée de moyens pour son réchauffage. 26 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 23 à 25, caractérisé en ce que la partie de grille munie d'ouvertures est équipée de moyens la rendant mobile. 27 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 19 à 26, caractérisé en ce que l'espace surmontant la grille est muni de moyens d'amenée d'air primaire ( 14). 28 Dispositif selon la revendication 27, caractérisé en ce que les moyens d'amenée d'air primaire sont associés de moyens pour assurer son réchauffage préalable. 29 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 19 à 28, caractérisé par des moyens permettant de modifier la dimension de la surface dudit lit incandescent.