Brevet FR2501833A1 — publié le 19820917

Dispositif d'introduction et de combustion d'un combustible solide pulvérisé dans une enceinte sous pression La présente invention concerne un dispositif d'introduction et de combustion d'un combustible solide pulvérisé en suspension dans un gaz dans une enceinte de combustion du combustible dans le gaz sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, comprenant un réservoir de réception du combustible pulvérisé, des moyens d'introduction du combustible pulvérisé dans ce réservoir, des moyens d'introduction du gaz sous pression dans ce réservoir, et au moins une tuyauterie de transfert du combustible pulvérisé et du gaz sous pression vers l'enceinte de combustion. Elle s'applique notamment à un dispositif d'introduction d'un combustible solide pulvérisé dans une enceinte telle que la partie inférieure d'un haut fourneau ou un foyer de combustion en lit fluidisé. De telles enceintes fonctionnent couramment sous des pressions de plusieurs bars. Le combustible peut être tout combustible solide susceptible d'être pulvérisé à une granulométrie permettant le développement rapide de sa combustion en fonction de ses caractéristiques physico-chimiques et des conditions d'utilisation. I1 peut s'agir - de combustibles d'origine fossile directe tels que des charbons . des lignites des tourbes des schistes bitumeux, etc.... - de combustibles de récupération d'origine fossile tels que . semi-coke coke, etc ... - de combustibles divers d'origine végétale - de combustibles de récupération de diverses origines. Un des buts de la présente invention est de permettre de substituer aux hydrocarbures liquides ou gazeux, généralement utilisés actuellement comme combustibles, les combustibles solides mentionnés ci-dessus, notablement moins coûteux, dans des conditions opérationnelles analogues et avec la même sécurité. Un autre but de l'invention est de permettre de distribuer en continu selon des débits égaux ou différents, en fonction des besoins, un combustible solide pulvérisé aux divers injecteurs, brûleurs et tuyères d'une enceinte de combustion pressurisée, en éliminant tout risque d'incendie et d'explosion dans les réservoirs et les tuyauteries de transport. Le dispositif de l'invention est caractérisé en ce que le réservoir de réception est relié par un jeu de vannes d'isolement à un réservoir d'expédition, en liaison avec des moyens de maintien d'une pression de gaz notablement plus élevée, et un peu supérieure à la pression d'introduction dans 11 enceinte, en ce que les moyens d'introduction du combustible pulvérisé dans le réservoir de réception sont au voisinage de la pression atmosphérique, et en ce que le réservoir de réception est relié en outre à des moyens de détente au voisinage de la pression atmosphérique. I1 répond de préférence en outre à au moins l'une des caractéristiques suivantes - Dans le cas d'un combustible susceptible de réagir de façon explosive à certaines concentrations avec le gaz destiné à être introduit avec lui dans l'enceinte de combustion, il comprend en outre un réservoir de gaz neutre, et des moyens pour introduire le gaz neutre dans le réservoir de réception et dans le réservoir d'expédition. - I1 comprend des moyens pour introduire le gaz inerte dans le réservoir de réception , form és par un détecteur et une vanne. - I1 comprend des moyens pour introduire le gaz inerte dans le réservoir d'expédition, formés par un détect'eur et une vanne. - I1 comprend des moyens pour introduire le gaz inerte dans la tuyauterie de transfert du combustible pulvérisé et du gaz sous pression vers l'enceinte de combustion. - I1 comprend des moyens de contrôle du niveau de combustible pulvérisé dans le réservoir de réception et dans le réservoir d'expédition. Il est décrit ci-après, à titre d'exemples et en référence aux figures du dessin annexé, des installations d'introduction de charbon pulvérisé dans une enceinte sous pression. La figure 1 représente une station de réception et de transfert de charbon pulvérisé d'une installation d'alimentation d'un haut fourneau en charbon pulvérisé en suspension dans de l'air de combustion à une station de conditionnement et d'alimentation du haut fourneau. La figure 2 représente une station de conditionnement du charbon pulvérisé et de distribution et d'alimentation de l'une des tuyères du haut fourneau de la même installation. La figure 3 représente en coupe axiale une tuyère d'inJection de charbon pulvérisé dans de lair sous pression, dans laquelle l'injecteur de charbon débouche dans le conduit d'air primaire. La figure 4 représente en coupe axiale une tuyère d'injection de charbon pulvérisé dans de l'air sous pression dans laquelle 1' in- vecteur de charbon débouche dans l'embouchure de la tuyère. La figure 5 représente la tuyère de la figure 5 en coupe selon l'axe V-V de la figure 4. La figure 6 représente les organes d'alimentation d'un foyer de combustion en lit fluidisé sous pression. Dans la figure 1, la trémie de réception de charbon pulvérisé 1 est alimentée, soit par une station de préparation de charbon pulvérisé (séchage et pulvérisation à une granulométrie convenable) propre à l'usine, soit par une station centralisée devant satisfaire aux besoins de plusieurs usines, le combustible pulvérisé étant transporté à partir de celle-ci par des moyens connus. Cette station nlest pas représentée. La trémie de réception est munie à son extrémité inférieure d'une trappe 2 permettant de la mettre en communication avec le circuit de transport, comprenant une pompe 3, un surpresseur 4 et une tuyauterie de transport 5 reliée à une trémie formant tampon 6, dont seule la partie supérieure est représentée dans cette figure. Des détecteur d'incendie dans la trémie de réception (40), dans la tuyauterie de transport (40A) et dans la trémie tampon (40B), permettent le cas échéant de distribuer par la tuyauterie 39 et les vannes 39B-39C-39D, un gaz neutre stocké dans le réservoir 38 muni d'une vanne d'isolement 39A. Un organe de dépoussièrage 7 fixé à la partie supérieure de la trémie tampon 6 permet d'évacuer l'air de transport ou l'excès de gaz inerte sans perte de combustible solide pulvérisé ni pollution dans l'atmosphère ambiante Dans la figure 2, on voit la liaison de la partie inférieure de la trémie tampon 6 avec un réservoir de transfert 11. Celle-ci se fait à l'aide de plusieurs distributeurs-doseurs, par exemple trois distributeurs-doseurs- 8, précédés de trappes d'isolement 9 et suivis de vannes d'isolement 10. Le réservoir de transfert 11 est muni de sondes de contrôle du niveau de combustible solide pulvérisé 12. I1 comporte en outre un circuit de mise à 1air libre par une tuyauterie 28, munie d'une vanne d'isolement 29 et d'un filtre 30. Il est, par ailleurs, relié également par une vanne 39E à la tuyauterie de distribution de gaz inerte 39 et au réservoir de gaz inerte 38. I1 est équipé d'un détecteur d'incendie 40C commandant 1' ouverture de la vanne 39E. Les tubulures de jonction du réservoir de transfert 1 1 aux vannes d'isolement 10 sont munies de raccords 1ùA reliés à une tuyauterie d'alimentation en air sous pression 25 munie d'une vanne 26. Cette tuyauterie est reliée au surpresseur d'air 18. Le réservoir de transfert 11 est relié-au réservoir d'expédition 14 par trois vannes d'isolement 13. Ce dernier réservoir 14 comporte également des sondes de contrôle du niveau du combustible solide pulvérisé 15 et se trouve aussi relié à la tuyauterie de distribution de gaz inerte 39 par une vanne 39F. I1 est équipé d'un détecteur d' incendie 40D commandant ltouverture de la vanne 39F. Les tubulures de jonction du réservoir 14 aux vannes d'isolement 13 sont munies de raccords 10B reliés à la tuyauterie d'alimentation en air sous pression 25 par la vanne 27. Le réservoir d'expédition 14 est relié aux injecteurs 33 d'introduction du combustible solide pulvérisé sous pression, disposés dans les tuyères 31 d'alimentation en combustible et air comburant de l'enceinte du haut-fourneau 32, par des tuyauteries 20, 21, par l'intermédiaire de trappes d'isolement 16 et de distributeurs-doseurs 17. Le débit de combustible solide est mesuré à la sortie de chacun des distributeurs-doseurs par des débitmètres 41. Les tuyauteries 20, 21 sont par ailleurs alimentées en air sous pression provenant du surpresseur 18 par le collecteur de distribution 19, les trappes d'isolement 24, les vannes de réglage de débit 23 et les contrôleurs de débit 22. Elles sont aussi en communication avec la tuyauterie 39 de distribution de gaz inerte, par l'intermédiaire de vannes 39G , 39H. Elles sont munies de détecteurs d'incendie (llOE, 40F) Les tuyères 31 sont alimentées en air chaud provenant d'un collecteur 34 par des tuyauteries telles que 35, munies de débitmètres 36 et de joints d'isolement 37. L'air chargé de charbon pulvérisé est introduit par les injecteurs tels que 33 dans les tuyères telles que 31. Le fonctionnement de l'installation représentée par les figures 1 et 2 est le suivant La trémie de réception 1 est alimentée à intervalles réguliers en combustible solide pulvérisé par la station de préparation, non représentée. Une atmosphère de gaz inerte est maintenue au-dessus du charbon par la canalisation 39 et la vanne 39B. Le combustible solide pulvérisé soutiré en continu par la trappe 2, est entrainé dans la pompe 3 par l'air provenant du surpresseur 4, qui ne maintient toutefois qu'une faible surpression par rapport à la pression atmosphérique. Le combustible solide pulvérisé est entralné par l'air dans la canalisation 5, un appoint de gaz inerte pouvant être effectué par la vanne 39C si la concentration du charbon dans l'air approchait de la limite d'explosibilité. Le combustible solide pulvérisé parvient dans la trémis tampon 6, l'air s'échappant à l'atmosphère par l'organe de dépoussiérage 7. Périodiquement, le réservoir de transfert 11, après avoir été mis à la pression atmosphérique, est alimenté en combustible solide pulvérisé provenant de la trémie tampon 6 par les distributeurs-doseurs 8, les trappes d'isolement 9, les vannes 10 et la vanne de mise à l'air libre 29 étant ouvertes, tandis que les vannes 26 et 13 sont fermées. Le réservoir de transfert 11 se remplit jusqu'à ce que les sondes du contrôle de niveau 12 indiquent que le degré requis est atteint. Les distributeurs-doseurs 8 sont alors arrêtés, les trappes d'isolement 9, les vannes 10 et la vanne de mise à l'air libre 29 sont fermées. Le réservoir de transfert 11 est mis sous pression par l'ouverture de la vanne 26. Les vannes d'évacuation 13 sont ouvertes, le combustible solide pulvérisé passe dans le réservoir d'expédition 14 maintenu constamment à une pression supérieure à celle règnant dans l'enceinte 32. Lorsque les sondes de contrôle de niveau 15 indiquent que le niveau convenable est atteint, les vannes 13 sont fermées. Le réservoir de transfert 11 est alors ramené à la pression atmosphérique par la fermeture de la vanne d'arrivée d'air sous pression 26 et l'ouverture de la vanne de mise à l'air libre 29, l'air évacué étant épuré par le filtre 30. Les tuyères d'introduction du combustible solide pulvérisé peuvent présenter les structures représentées dans les figures 3 à 5 et décrites ci-dessous. Dans le cas de la figure 3, la tuyauterie 33 d'introduction de combustible solide pulvérisé est reliée à la tuyauterie d'introduction d'air chaud 35 en amont de l'embouchure de la tuyère. Son axe fait un angle de 450 avec celui de la tuyauterie d'air chaud. On voit en 42 la chemise de circulation d'eau de refroidissement. Dans le cas'des figures 4 et 5, la tuyauterie d'introduction de combustible solide pulvérisé débouche dans la zone frontale 43 de la tuyère entourée par la chemise d'eau de refroidissement. Elle est insérée dans un logement 44 ménagé dans la paroi intérieure de ~a chemise de circulation d'eau, et son bec 45 fait un angle de 450 avec l'axe de la tuyère. Selon une variante non représentée, l'extrémité de la tuyauterie pourrait traverser la chemise de circulation d'eau à l'intérieur d'un fourreau. On comprendra qutil y a en réalité un grand nombre de tuyères d'alimentation en combustible telles que 31 sur le pourtour de la zone inférieure du haut-fourneau, de façon à assurer un apport de chaleur uniforme sur toute la section droite de celui-ci. Dans la figure 6, on voit un foyer de combustion de charbon pulvérisé en lit fluidisé sous pression, relié à des tuyauteries 21 analogues aux tuyauteries 20, 21 de la figure 2. Le reste de l'installation, notamment les réservoirs de réception et d'expédition, est analogue à celui des figures 1 et 2, et n'a pas été représenté à nouveau. Les tuyauteries 21 munies de trappes d'isolement 24, débouchent dans les tuyauteries d'injection 52 de la chambre de combustion 56. Par ailleurs, de l'air secondaire refoulé par le ventilateur 53 et la tuyauterie 54, en débit réglable par les ventelles de réglage 55, est admis dans la chambre de combustion autour des tuyauteries d'injection. I1 se fOrme un lit fluidisé de particules de charbon en combustion 57, représenté par des points. Au niveau de ce lit fluidisé est disposé un faisceau tubulaire 58 de vaporisation d'eau provenant de la pompe à eau 59 et préchauffée dans le réchauffeur 60. L'eau vaporisée en majeure partie dans le faisceau 58 se rend par la tuyauterie 61 au ballon séparateur 62, où elle se sépare en eau qui est recyclée et vapeur. La vapeur est surchauffée dans le faisceau tubulaire surchauffeur 63, disposé dans la chambre de combustion au-dessus du faisceau 58. Puis elle est envoyée à l'utilisation par une tuyauterie 64. Bien que les dispositifs d'introduction de combustible pulvérisé qui viennent d'être décrits ci-dessus en référence aux figures paraissent les formes de réalisation préférables de 1 'inven- tion, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir. du cadre de l'invention, certains de leurs organes pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient un rôle technique analogue. En particulier, on peut prévoir deux réservoirs de réception successifs si la pression finale désirée pour l'intro duction du matériau pulvérisé est très élevée par rapport à la pression atmosphérique. On peut supprimer le système de distribution de gaz inerte, si le matériau pulvérisé ne risque pas de provoquer d'explosion par réaction avec le gaz à introduire avec lui dans l'enceinte réactionnelle. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'introduction et de combustion d'un matériau combustible pulvérisé en suspension dans un gaz dans une enceinte de combustion (32) du combustible dans un gaz sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, comprenant un réservoir (11) de transfert du combustible pulvérisé, des moyens (8) d'introduction du combustible pulvérisé dans ledit réservoir, des moyens (26) d'introduction du gaz sous pression dans ledit réservoir, et au moins une tuyauterie (20, 21) de transfert du combustible pulvérisé et du gaz sous pression vers l'enceinte de combustion, caractérisé en ce que le réservoir de transfert (11) est relié par un Jeu de vannes d'isolement (13) à un réservoir d'expédition (14) en liaison avec des moyens de maintien d'une pression de gaz notablement plus élevée, et un peu supérieure à la pression d'introduction dans l'enceinte, en ce que les moyens d'introduction du combustible pulvérisé dans le réservoir de réception sont au voisinage de la pression atmosphérique, et en ce que le réservoir de transfert est relié en outre à des moyens de détente au voisinage de la pression atmosphérique (29). 2/ Dispositif selon la revendication 1, pour combustible pulvérisé susceptible de réagir de façon explosive à certaines concentrations avec le gaz destiné à être introduit avec lui dans l'enceinte de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réservoir de gaz inerte (38) et des moyens (39) pour introduire le gaz inerte dans le réservoir de transfert et dans le réservoir d'expédition. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (40c, 39E) formés par une détecteur et une vanne pour introduire le gaz inerte dans le réservoir de transfert. 4/ Dispositif selon les revendications 2 ou 3 , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (40D, 39F) formés par un détecteur et une vanne pour introduire le gaz inerte dans le réservoir d'expédition. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (40E, 40F, 39H) pour introduire le gaz inerte dans la tuyauterie de transfert du combustible pulvérisé et du gaz sous pression vers l'enceinte réactionnelle. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (12, 15) de controle du niveau de matériau pulvérisé dans le réservoir de réception et dans le réservoir d'expédition. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une tuyère (31) de combustion du combustible solide pulvérisé dans le gaz sous pression munie d'un injecteur du combustible solide (33, 45) formant un angle d'environ 450 avec l'axe de la tuyère. 8/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le bec (45) de l'injecteur de combustible solide pulvérisé débouche dans l'embouchure de la tuyère, au niveau d'une circulation d'eau de refroidissement. 9/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'injecteur de combustible solide pulvérisé (33) débouche dans le conduit d'air primaire.