Brevet FR2502298A1 — publié le 19820924

I La présente invention concerne un procédé (procédé de combustion) et un dispositif (installation de brûlage) pour l'exploitation de matières combustibles par combustion - principalement des déchets de plantes et résidus agrico- les (matières combustibles) - dont la teneur en eau ne dé- passe pas 45% en poids. La combustion de matières combustibles solides suppose un échauffement de la matière combustible jusqu'à la température d'allumage. En même temps que l'échauffe- ment de la matière combustible, il se produit une évapora- tion d'une quantité d'eau qui est fonction de la teneur en eau du combustible, c'est-à-dire qu'il s'effectue un sé- chage de la matière. Du fait que la quantité de chaleur nécessaire pour la vaporisation de l'eau est supérieure d'un ordre de grandeur à celle qui est nécessaire pour l'échauf- fement de la fraction solide, le séchage constitue la phase critique du processus se déroulant dans l'installation de combustion. Ce problème est revenu nettement au premier plan en ce qui concerne l'exploitation des déchets de plantes et résidus agricoles par combustion car les résidus des plantes agricoles contiennent encore beaucoup d'eau immédia- tement après la récolte. Une caractéristique des résidus de plantes consis- te en outre en ce qu'elles contiennent relativement beaucoup d'eau même à l'état séché à l'air, de sorte que leur ex- ploitation par combustion pose de gros problèmes, mais, simultanément, il se produit au bout d'un temps court un pourrissement des résidus de plantes agricoles par suite de la forte teneur en eau de sorte qu'on ne peut plus les utiliser pour la combustion. Dans les installations de combustion utilisées par le passé pour brler des résidus agricoles, on a utilisé essentiellement les procédés connus dans le domaine du brûlage du charbon. Le produit sortant de la trémie de remplissage et déchargé sur la grille est porté à la tem- pérature d'allumage au début de la grille avec des pro- cédés classiques utilisés pour le brlage du charbon, en faisant intervenir ce qu'on appelle des voûtes d'allumage et également en faisant agir le rétrorayonnement des flammes dans la zone de combustion. Ces procédés ne con- viennent également qu'à un degré limité pour la combustion des résidus agricoles soumis à un séchage par air car ils ne fonctionnent qu'avec des matières combustibles ayant une teneur en eau de 20 à 25% au maximum. Cela s'explique par le fait que, lors de la combustion des résidus agrico- les, la température du foyer est considérablement plus basse que dans le cas du brûlage de charbon et en consé- quence la température de la voûte d'allumage est également bien plus faible. Du fait que le flux de chaleur transmis par rayonnement est proportionnel à la quatrième puissance de la température absolue de la voûte d'allumage, les voû- tes d'allumage conventionnelles ne sont pas en mesure d'assurer le séchage de matières combustibles ayant une grande teneur en eau. Il en résulte qu'on ne peut pas brûler la plus grosse partie des résidus de plantes - comme par exemple les tiges de mais - immédiatement a- près la récolte. L'invention a en conséquence pour but de remédier aux inconvénients des installations connues et de fournir un procédé et une installation de combustion qui convien- nent également pour exploiter par combustion des résidus agricoles ayant une teneur en eau non supérieure à 45%. Le principe du procédé selon l'invention consiste en ce que le processus de combustion s'effectue en deux phases: dans la première phase, la combustion est incom- plète (combustion avec manque d'air), les gaz de fumée pro- duits sont canalisés dans un sens opposé au sens principal de déplacement du produit à brûler qui est introduit de façon continue, en même temps que le courant d'air canali- sé dans une direction transversale au travers du produit à brûler, tandis que dans la seconde phase on assure une combustion complète par insufflation d'air additionnel. Dans la première phase, on assure essentiellement le séchage de la matière combustible alors que la seconde phase sert à exploiter la chaleur. L'installation de combustion est une installation de mise en oeuvre du procédé de combustion précité. L'ins- tallation de combustion selon l'invention consiste essen- tiellement en ce qu'elle est divisée en un volume de pré- combustion et en un volume de post-combustion et en ce que ces volumes sont séparés l'un de l'autre par une paroi dé- flectrice inclinée vers le volume de pré-combustion et pourvue de canaux d'air et qui se compose de tronçons de profil incliné et/ou droit vers le volume de pré-combustion, le volume de pré-combustion étant pourvu d'une ou plusieurs grilles qui sont chacune pourvues d'une zone inclinée for- mée de tronçons incurvés et/ou droits, et d'au moins une zone horizontale, qui se composent éventuellement chacune d'éléments immobiles et d'éléments partiellement mobiles, et qui sont chacune reliées à un canal d'injection d'air pourvu de registres de réglage. L'air insufflé en-dessous de la ou des grilles sert en partie au séchage, en partie à la combustion in- complète. La paroi déflectrice inclinée vers le volume de précombustion. canalise les gaz de fumée dans le sens opposé au sens de déplacement de la matière combustible. L'air sortant des canaux de la paroi déflectrice sert à la combustion complète. Le procédé et l'installation selon l'invention sont basés sur le principe que les flammes ainsi que les gaz de fumée à haute température, qui sont canalisés en sens opposé au sens principal de déplacement de la matière à brûler introduite de façon continue, exercent une action de séchage très intensive. Le procédé selon l'invention est basé sur la con- naissance de ce que, dans la phase de séchage, les vapeurs libérées entravent la vaporisation ultérieure, et, dans le micro-environnement des résidus à sécher, l'air peut notamment absorber toujours de moins en moins d'humidité et ainsi le séchage intensif est entravé par la vapeur libérée. Une autre caractéristique essentielle du procédé selon l'invention consiste en ce que l'air saturé en vapeur est remplacé de façon progressive par de l'air frais, c'est- à-dire par de l'air non saturé (ayant une humidité relative inférieure à 1) ou bien par un mélange de gaz de fumée et d'air de sorte que ce paramètre d'entrave du séchage est ré- duit dans une forte mesure et qu'ainsi l'intensité de vapo- risation est augmentée. Simultanément, les besoins en chaleur pour le séchage sont couverts par la chaleur propre de la matière à brûler. Ces propriétés permettent d'éliminer facilement l'excès de teneur en eau entravant la combustion, c'est-à- dire que des matières combustibles ayant une teneur en eau assez grande (d'environ 45% en poids) peuvent également être brûlées. L'installation de combustion selon l'invention met en oeuvre le procédé de-combustion par le fait qu'elle est divisée en un volume de précombustion et en un volume de post-combustion, qui sont séparés l'un de l'autre par une paroi déflectrice inclinée vers le volume de pré-com- M -- bustion et pourvue de canaux d'air, le volume de pré-combus- tion étant pourvu d'une grille mobile ou immobile, qui se composé d'au moins une zone inclinée et d'au moins une zone horizontale ou approximativement horizontale et qui est reliée au canal d'injection d'air pourvu de registres de réglage. La matière humide à brûler qui se déplace vers le bas sur la zone inclinée de la grille est traversée à partir du bas par de l'air frais. En conséquence l'in- tensité de séchage est augmentée et simultanément la pa- roi déflectrice, inclinée vers le volume de pré-combustion, canalise les gaz de fumée dans un sens opposé au sens de déplacement de la matière humide à brûler, qui se déplace vers le bas sur la grille, de sorte qu'on est assuré d'ob- tenir la quantité de chaleur nécessaire pour la vaporisa- tion. Simultanément, l'air insufflé en dessous de la grille, essentiellement en dessous de la zone horizontale de cette grille, assure également la combustion incomplè- te (avec un manque d'air ou d'oxygène). L'air sortant des canaux de la paroi déflectrice assure la combustion complète de sorte que la chaleur de combustion de la matière à brûler est libérée et exploi- tée intégralement. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la descrip- tion, relative à un exemple non limitatif illustré sur le dessin annexé. Sur la figure 1, on a représenté en coupe longitu- dinale schématique l'installation selon l'invention dans laquelle l'introduction de la matière brute et humide à brûler s'effectue dans le sens d'une flèche en trait fort interrompu tandis que le trajet de la matière séchée est défini par une flèche en trait fort continu, que le trajet des gaz de fumée produits après combustion incomplète est indiqué par des flèches en trait mince interrompu et que le trajet de l'air de combustion est indiqué par des flèches en traits minces continus. Comme le montre le dessin, le volume de combustion est divisé en deux parties, à savoir un volume de pré-com- bustion 9 et un volume de post-combustion 10. Dans le volume de précombustion 9, les gaz de fumée chauds, qui sont produits par combustion de la matière déjà séchée, sont canalisés dans la zone de séchage pour transmettre la quantité de chaleur nécessaire à la matière combusti- ble encore humide. Du fait que dans cette zone du foyer la combustion est incomplète, il est nécessaire d'intro- duire de l'air secondaire pour assurer une combustion complète dans le volume de post-combustion 10. L'installation de combustion conforme à l'in- vention comporte une grille de transit inclinée 1 et une grille horizontale plane de combustion complète 2. A la suite de la grille horizontale 2, il est prévu une pa- roi déflectrice 3 qui divise le volume de foyer en deux parties. L'air secondaire est introduit d'un côté par l'intermédiaire d'orifices 5 ménagés dans la zone supé- rieure du foyer, le réglage étant effectué à l'aide de registres 14. La grille considérée dans son ensemble est di- visée en zones par des canaux d'air 6, 7, 8. L'air par- vient dans le foyer par lesdits canaux - le réglage étant effectué à l'aide d'un registre 14 par canal. Les avantages de la solution conforme à l'inven- tion sont les suivants: On introduit dans la matière de texture lâche ac- cumulée sur la partie inférieure de la grille inclinée 1, séchée et par conséquent pouvant particulièrement bien brler (par exemple des feuilles ou des tiges de mais), la quantité d'air nécessaire - réglée pyrométriquement ou bien d'une autre manière - par le canal d'air inférieur 6 à travers la grille horizontale plane de combustion complè- te 2. Les gaz chauds produits - canalisés le long de la paroi déflectrice - assurent un apport de chaleur intense dirigée sur la zone de séchage de sorte que les produits résiduels se trouvant sur la grille inclinée et ayant une forte teneur en eau sont séchés de manière à devenir bien combustibles. La quantité d'air nécessaire pour éliminer la va- peur d'eau produite est seule introduite par le canal d'air 8 de la zone de séchage. On introduit par le canal d'air 7 associé à la zone de pré-combustion seulement la quantité d'air nécessaire pour effectuer une combustion avec un manque d'air. Les gaz produits dans cette zone et encore en partie combusti- bles se mélangent, dans le volume étroit existant entre la paroi déflectrice 3 et le plafond 12 du foyer, avec l'air secondaire introduit par l'intermédiaire des canaux 4 et 5. On est ainsi assuré d'une combustion complète dans le volume de post-combustion. Dans le cas de matières combustibles ayant une for- te teneur en eau, on mélange des gaz de fumée chauds as- pirés à partir du volume de post-combustion 10 par un ori- fice de soutirage 15 avec l'air qui pénètre par le canal 8 relié à la zone de séchage, ce qui augmente le degré de séchage. Un autre avantage de l'installation consiste en ce que, dans le foyer primaire, c'est-à-dire dans le volu- me de précombustion 9, on peut effectuer un brûlage avec un manque d'air, qui permet certes un bon fonctionnement de la zone de séchage mais ne provoque cependant pas une fusion des scories. On est ainsi assuré que les fumées entrainent avec elles les cendres volantes et empêchent leur dépôt dans le foyer. L'invention peut être utilisée d'une manière par- ticulièrement avantageuse dans le domaine agricole o les résidus et les déchets se présentant sous forme de matiè- res ayant une structure non hpmogène - essentiellement des matières fibreuses - sont répartis sur la grille et ne sont pas traversés de façon uniforme par l'air de combus- tion de sorte que lé brlage s'effectue de façon non uni- forme et qu'il existe sur la grille des parties localement non recouvertes par lesquelles de grandes quantités d'air en excès parviennent dans le foyer, en provoquant son re- froidissement. Ainsi le séchage de la matière combustible humide introduite dans l'installation n'est pas suffisant et le feu s'éteint graduellement. Cependant lorsqu'on est assuré d'introduire dans le foyer, par séchage, un combus- tible ayant uniformément une faible teneur en eau et lors- qu'il se produit une sortie de gaz dans la zone inférieure de la grille inclinée en majeure partie par suite de la régulation de l'air par zones, le phénomène précité ne se manifeste pas. La chaleur contenue dans les gaz chauds sortant du volume de post-combustion 10 par l'intermédiaire des tubulu- res 11 de raccordement de cette chambre peut être exploitée de différentes manières. Lorsque l'installation de combus- tion est reliée à un ou plusieurs échangeurs de chaleur, il est alors possible - en fonction du type du ou des échan- geurs de chaleur - de produire de l'air chaud, de l'eau chaude ou surchauffée, de la vapeur ou bien des combinai- sons desdits fluides. Le procédé et l'installation selon l'invention peuvent être appliqués très avantageusement dans les dif- férents domaines agricoles car ils permettent de produire l'énergie.thermique nécessaire à partir de déchets ré- sultant de l'exploitation agricole. REVENDICATIONS 1) Procédé pour exploiter des matières combustibles, par combustion de déchets de plantes et résidus principale- ment agricoles (matières combustibles) qui ne contiennent pas plus de 45% en poids d'humidité, principalement de l'eau, caractérisé en ce que le combustible est brûlé dans la première phase avec un manque d'air, en ce que les gaz de fumée produits sont canalisés, en même temps que le courant d'air passant transversalement au travers du pro- duit à brûler, dans un sens opposé au sens principal d'é- coulement du produit à brûler introduit de façon continue et en ce qu'ensuite, dans la seconde phase, le combustible est complètement brûlé par injection d'air additionnel. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie des gaz de fumée produits dans la premiè- re phase de combustion est recyclée à partir du volume de combustion complète. 3) Dispositif pour l'exploitation des matières combus- tibles, par combustion de déchets de plantes et résidus principalement agricoles (matières combustibles) qui ne contiennent pas plus de 45% en poids d'humidité, principa- lement de l'eau, caractérisé en ce qu'il est divisé en un volume de pré-combustion (9) et un volume de post-com- bustion (10), en ce que les volumes sont séparés l'un de l'autre par une paroi déflectrice (3), qui se compose de tronçons de profil incurvé et/ou droit et qui est inclinée vers le volume de pré-combustion, le volume de pré-ccmbus- tion (9) étant pourvu d'au moins une grille mobile ou im- mobile (1, 2) se composant d'une partie inclinée formée de tronçons incurvés et/ou droits et d'au moins une partie ho- rizontale ou approximativement horizontale, la grille é- tant reliée à des canaux d'air (6,. 7, 8) pourvus de regis- tres de réglage (14).