Brevet FR2529303A1 — publié le 19831230

La présente invention concerne des incinérateurs et, plus particulièrement, des incinérateurs verti- caux, fixes, comportant un certain nombre de sections à régénération thermique surmontées d'une chambre de combustion commune. Les spécialistes de la technique connaissent déjà des incinérateurs fixes utilisant le principe de la régénération thermique Le brevet des Etats- Unis d'Amérique No 3 895 918 de James H Mueller, accordé le 22 juillet 1975, décrit et revendique un appareil d'incinération dans lequel existe une chambre de combustion à haute température centrale avec, dis- posées autour d'elle, trois ou plus de trois sections d'échange thermique qui communiquent avec la chambre en question Chaque section d'échange thermique comprend un grand nombre d'éléments en forme de selle, par exemple, en matière céramique, qui sont confinés entre deux parois de retenue ajourées, sensiblement verticales, qui, dans le passé, étaient fréquemment réalisées en un métal perforé Des valves d'entrée et de sortie, associées à chaque section étaient ainsi agencées et commandées que lorsque l'effluent pénétrait dans une sectionsensiblement horizontalement à travers son lit d'échange thermique, la valve d'échappement de cette section était fermée Au moins une autre section d'échange thermique avait sa valve d'entrée fermée et sa valve de sortie raccordée à un ventila- teur d'expulsion, ouverte. Bien que de telles constructions se soient révélées être éminemment satisfaisantes et ont eu un succès commercial, certaines de leurs particularités de conception imposaient des conditions rigoureuse quant aux matériaux mis en oeuvre et aux caractéris- tiques structurales Par exemple, dans certains de ces incinérateurs, la paroi de retenue métallique ajourée pour les éléments d'échange thermique faisant face à la chambre de combustion centrale à température élevée, devait manifester une résistance très élevée à la chaleur et présenter une résistance mécanique extrême pour compenser la pression latérale exercée par des miliers d'éléments en matière céramique existant dans le lit qu'elle confinait partiellement. Il était fréquemment nécessaire d'avoir recours à des aciers spéciaux possédant des épaisseurs suffi- santes, pouvant résister à la chaleur, aussi bien qu'à des tirants, des entretoises ou broches de retenue, des ressorts et des jambes pour assurer son intégrité géométrique dans ces conditions d'extrêmes chaleur et pression. Les conduits d'entrée et d'évacuation qui commu- niquaient individuellement avec chacune des sections d'échange thermique dans cette construction de la technique antérieure étaient assujettis aux côtés des sections à des hauteurs relativement importantes Ceci les rendait quelque peu plus difficiles à maintenir que s'ils avaient été plus proches du sol Pour compen- ser l'affaissement avec le temps des éléments céramiques dans chaque lit, dû à la vitesse des gaz, à la dilata- tion et à la contraction, etc, ces incinérateurs du type antérieur exigeaient fréquemment l'emploi d'une trappe de remplissage spéciale pour recharger le lit d'éléments céramiques supplémentaires Ces particula- rités de certaines des constructions de la technique antérieure les rendaient très coûteuses à construire et à entretenir. En alternative à la chambre de combustion centrale avec écoulement à travers elle au départ de sections d'échange thermique situées à l'extérieur de la chambre, des incinérateurs verticaux apparurent Dans une enveloppe ou coquille cylindrique, par exemple, exis- taient trois ou plus de trois sections d'échange thermique présentant des sections transversales res- pectives généralement en forme de secteur o venaient se loger les éléments d'échange thermique Par-dessus toutes les sections d'échange thermique séparées, chacune d'entre elles comportant ses propres valves d'entrée et de sortie, se situait une chambre de combustion commune Les gaz effluents étaient intro- duits au fond d'une première des sections d'échange thermique adjacentes, à une vitesse relativement faible, par exemple de 230 m/s Les gaz subissaient un mouvement ascendant à travers le premier lit d'échange thermique pour parvenir dans la chambre de combustion commune Etant donné qu'au moins une autre des sections d'échange thermique avait sa valve d'entrée fermée et sa valve de sortie (couplée à un ventilateur aspirant) ouverte, aucun effluent-ne pouvait pénétrer dans ce lit, mais les produits de combustion à haute température de la chambre de combustion pouvaient être aspirés vers le bas à travers lui vers l'échappement L'un des problèmes rencontrés avec de tels types d'incinérateurs verticaux résidait dans le fait qu'étant donné que le gaz effluent péné- -trait dans la chambre de combustion à vitesse relati- vement faible, il cherchait le trajet le plus court dans la chambre vers l'échappement, c'est-à-dire vers le lit voisin fonctionnant dans le mode échappement. Par conséquent, l'effluent ne demeurait pas dans la chambre de combustion pendant une durée suffisant à permettre sa combustion sensiblement complète aux températures élevées mises en oeuvre En conséquence, les gaz aspirés à travers le second lit ne s'élevaient pas jusqu'à la température appropriée pour suffisamment les purifier et, ainsi, lorsqu'ils passaient à travers les éléments céramiques dans le second lit, ces élé- ments étaient insuffisamment chauffés pour préchauffer l'effluent lorsqu'il était appliqué à ce lit au cours de son cycle suivant de fonctionnement en tant que section d'échange thermique d'entrée. La présente invention a par conséquent plus particulièrement pour objet: 1 un incinérateur fixe, à écoulement vertical, du type à régénération thermique, dans lequel le gaz effluent à traiter est amené à séjourner dans la chambre de combustion commune pendant une durée qui suffit à le purifier par incinération; 2 un appareil d'incinération dans lequel on confère à un écoulement entrant d'un gaz effluent à vitesse relativement faible, une vitesse relative- ment élevée lorsqu'il pénètre dans la chambre de combustion afin d'engendrer une plus forte tur- bulence gazeuse dans cette chambre, aidant ainsi à procurer la durée de séjour appropriée à l'ef- fluent dans cette chambre, comme aussi à y produire une distribution ou répartition de chaleur plus uniforme; 3 un incinérateur fixe, à écoulement vertical, du type à régénération thermique, de construction simplifiée et relativement moins coûteuse. L'invention concerne donc, de manière encore plus particulière, un appareil d'incinération à récupération thermique, caractérisé en ce -qu'il comprend une multi- plicité de sections de traitement de gaz, voisines, sensiblement verticales, chacune d'entre elles étant pourvue d'un dispositif d'échange thermique possédant une surface de coupe transversale prédéterminée, chaque section étant également pourvue d'un couvercle avec un orifice dont la surface est sensiblement plus faible que la surface prédéterminée précitée. La figure 1 représente une vue en plan, partiel- lement en coupe et partiellement écorchée, d'une forme de réalisation de l'incinérateur suivant la présente invention. La figure 2 représente une vue en coupe de la forme de réalisation de l'incinérateur suivant l'in- oention telle que représentée sur la figure 1, prise le long de la ligne 2-2. La figure 3 représente une vue fragmentaire iso- métrique d'une variante de la forme de réalisation de l'incinérateur suivant l'invention telle que représentée sur les figures 1 et 2. La figure 4 représente une vue en plan d'une autre forme encore de réalisation de l'incinérateur suivant l'invention. La figure 5 représente une vue en élévation latérale, partiellement écorchée et en coupe, corres- pondant à la forme de réalisation de l'incinérateur suivant l'invention, tel que représenté sur la figure 4. En se référant plus particulièrement aux figures 1 et 2, on voit que la notation de référence 10 re- présente, dans son ensemble, une forme de réalisation de l'incinérateur suivant la présente invention, qui comprend une enveloppe métallique externe 12, cylin- drique dans son ensemble, comportant une chemise réfractaire 14 et surmontée d'un couvercle en forme de dôme possédant une gaine externe en acier 18 et une garniture réfractaire 19. La moitié inférieure du volume intérieur de l'en- veloppe 12 est divisée, dans le cas représenté sur les figures, en 5 sections d'échange de chaleur, dans leur ensemble, en forme de secteur Les 5 sections d'échange de chaleur représentées dans leur ensemble par la notation de référence 15 sont divisées par des parois séparatrices réfractaires verticales 19 qui rayonnent vers l'extérieur à partir du montant central 21 L'enveloppe 12 est maintenue en position dressée à l'aide des poutres en I 13 Dans chacune des sections 15, existe un amas 15 b d'éléments 17 dans leur ensemble en forme de selle, tels que ceux fabri- qués par la société Norton Chemical Company et vendus sous la marque de fabrique "'Interlox'', supporté par des plaques métalliques (ou en touteautre matière rigide appropriée) respectives 15 a, perforées ou expansées, qui sont, à leur tour, fixées au montant central 21 et aux surfaces internes de la paroi ré- fractaire 14 Un brûleur 22 fait saillie dans la chambre de combustion 20 à travers les parois laté- rales 12, 14 et est alimenté en gaz naturel ou en tout autre combustible, sa fonction étant d'engendrer une température très élevée dans la chambre de combustion, de l'ordre d'à peu près 815 C Des espaces 15 c sont prévus en-dessous des lits, espaces dans lesquels l'effluent d'un procédé industriel est introduit par l'intermédiaire du conduit d'admission 11 lorsque la valve d'admission associée est ouverte. Le conduit d'admission 11 communique avec le conduit de distribution de l'admission en forme de tore 24, qui est lui-même raccordé à chacune des sections d'échange de chaleur 15 par des condutis d'alimenta- tion radiaux 25 par l'intermédiaire de valves res- pectives 27 Sont également raccordés à chacune des sections 15, des conduits d'évacuation radiaux 31 qui communiquent par l'intermédiaire des valves 29 avec le conduit d'échappement en forme de tore 26 qui est raccordé par l'intermédiaire du conduit de sortie 28 à une soufflante à centrifuge 30, entrainée par un moteur 32 Les conduits d'alimentation d'entrée et les conduits d'échappement ou évacuation 31 sont associés avec des valves d'admission et d'évacuation respectives 27 et 29 La sortie du ventilateur centrifuge 30 est raccordée à une cheminée ou à l'atmosphère ambiante. Conformément à la présente invention, dans chaque section, les surfaces supérieures des amas d'éléments céramiques 17 sont séparées d'une distance substantielle des couvercles 23 Les couvercles 23 eux-mêmes possèdent des orifices respectifs 23 a qui y sont formés et dont la surface est considérablement plus faible que les surfaces des coupes transversales respectives des lits 15 b Si les couvercles 23 n'étaient pas utilisés, mais, qu'au contraire, les surfaces supérieures entières des lits étaient ex- posées à la chambre de combustion 20, l'effluent à l'admission 11 s'écoulerait dans la chambre à travers un lit à la vitesse d'environ 230 m/mn Ensuite, après s'être élevé jusqu'au sommet du lit, l'effluent cher- cherait le trajet le plus court (et le plus bas) vers la section 15 la plus proche qui fonctionne sur le mode échappement, c'est-à-dire avec sa valve d'entrée 27 fermée et sa valve de sortie 29 ouverte Par conséquent, l'effluent surmonterait tout juste les parois séparatrices entre les sections et ne résiderait pas suffisamment longtemps-dans la chambre 20 pour être amené à la température la plus élevée qui y est engen- drée et ne serait pas suffisamment oxydé pour produire un produit d'échappement suffisamment purifié. Conformément à la présente invention, la réali- sation des couvercles 23 avec leurs orifices resserrés 23 a transforme l'effluent admis se déplaçant à vitesse relativement lente en un courant de gaz ascendant se déplaçant à vitesse bien plus élevée, par exemple de 6 È O à 900 m/mn, à travers l'orifice 23 a Ceci a deux effets importants: ( 1) le fin courant montant tend à provoquer une turbulence dans les gaz se trouvant à l'intérieur de la chambre de combustion 20, aidant en cela à obtenir un bon mélange des gaz et une ré- partition ou distribution de chaleur plus uniforme et ( 2) cela emp Oche un court-circuitage et un bas dé- bordement en arc de l'effluent depuis le sommet de l'amas 15 b d'une section d'échange de chaleur fonction- nant dans le mode addition>vers le sommet de l'amas 15 b d'une section d'échange de chaleur voisine fonction- nant dans le mode échappement. Dans la forme de réalisation de l'incinérateur suivant la présente invention, telle que représentée sur les figures 1 et 2, les parois verticales sépa- ratrices 19 des sections en forme de secteur sont réalisées en un matériau réfractaire En raison du choc thermique et éventuellement de l'effet destruc- teur des effluents qui traversent les lits et pour d'autres raisons encore, ces parois de séparation réfractaires peuvent avoir une tendance à se fendiller. Ceci permettrait à l'effluent de court-circuiter la chambre de combustion en permettant à l'effluent de passer directement d'une chambre fonctionnant dans le mode admission à une chambre fonctionnant dans le mode évacuation et, par conséquent, d'échapper à l'oxydation Selon une autre forme de réalisation de l'incinérateur suivant l'invention, telle que représentée sur la figure 3, les sections d'échange de chaleur se composent d'une multiplicité de réci- pients métalliques 33 en forme de secteur montés par l'intermédiaire du rebord 33 d sur le plancher Chacun de ces récipients comporte un couvercle 33 a avec une ouverture centrale 33 c et est espacé du récipient voisin de 20 à 30 cm environ Par conséquent, les parois latérales de chacun des récipients sont sépa- rées et sont maintenues plus froides que les parois réfractaires 19 de la forme de réalisation de l'inci- nérateur représenté sur les figures 1 et 2 Des pièces formant rebord en forme de L 33 b sont fixées aux parties supérieures des parois droites des sections en forme de secteur 33 et ces cornières sont de dimen- sions telles que les arêtes des ailes supérieures soient mutuellement légèrement séparées Des plaques rectangulaires 35 sont assujetties aux ailes supé- rieures de ces cornières par n'importe quel procédé de fixation de métaux appropriés, comme par soudure, boulonnage, etc Si on le souhaite, l'espace entre les sections en forme de secteur voisines peut être balayé par de l'air ou le produit d'échappement purifié Ceci a pour avantage de préchauffer les parois dressées verticales de façon à faciliter la conservation de la chaleur Etant donné que ces parois se trouvent à une température intérieure et qu'elles sont réalisées en métal, la possibilité de fuites dues à des ruptures des parois verticales voisines telles que représentées sur les figures 1 et 2 est considérablement réduite. Les figures 4 et 5 représentent une autre forme de réalisation de l'incinérateur suivant la présente invention, conformément à laquelle l'appareil tel que vu en plan, adopte une configuration en forme de L dans son ensemble L'appareil indiqué dans son ensemble par la notation de référence 40 comprend 3 structures verticales contiguës 40 a, 40 b et 40 c, possédant res- pectivement une coupe transversale sensiblement carrée, comme les dessins le représentent Dans chacune des sections 40 a-40 c, il existe un amas d'éléments ou ''pierres'' 41 en matière céramique, servant à l'échange de chaleur, qui sont supportés à partir du bas par un plateau ou support 42 en métal perforé ou expansé, qui repose lui-même sur un épau- lement 43 formé dans la paroi latérale interne 44. Un espace 45 est prévu entre la surface supérieure de chaque amas 41 et le couvercle réfractaire 46 de chaque section, lequel couvercle comporte un orifice central 46 a destiné à assurer l'existence de l'effet de jet décrit plus haut. L'effluent provenant d'un procédé industriel est appliqué à l'admission 47 et traverse le conduit de distribution d'admission 48 en forme de L dans son ensemble, qui est raccordé par des conduits d'ali- mentation 50 aux espaces 49 situés en-dessous de la structure de support ajourée 42 Si l'effluent doit être appliqué au lit de la section 40 a, sa valve d'admission 52 sera ouverte et sa valve d'échappement ou d'évacuation sera fermée L'effluent tel qu'ap- pliqué aux conduits d'alimentation 50 circule à une vitesse relativement faible et, lorsqu'il passe vers le haut à travers le lit particulier 41 de la section a, il est accéléré jusqu'à une vitesse bien supé- rieure sous l'effet de jet provoqué par le passage à travers l'orifice 46 de façon à assurer ainsi une meilleure distribution ou répartition de la chaleur et un meilleur mélange des gaz dans la chambre de combus- tion 51 L'effluent est simultanément préchauffé au cours de son ascension. Après avoir été oxydé sous l'effet de la tempéra- ture élevée qui règne dans la chambre de combustion 51, l'effluent est ensuite aspiré hors de l'appareil 40 vers le bas à travers l'orifice existant dans le couvercle de l'une des sections voisines 40 a-40 c. Dans cette section voisine, la valve d'évacuation associée 53 est ouverte et sa vanne d'admission est fermée, de façon à raccorder le conduit d'échappement en forme de L à l'espace 49 situé en-dessous de ce lit Le conduit 55 est lui-même raccordé à la soufflante d'échappement 60 entra née par le moteur La production d'un courant à pression élevée empêche le court-circuitage du gaz effluent selon un bas trajet qui le ferait passer du sommet d'un lit 41 vers le sommet d'un lit voisin se trouvant dans le mode échappement et traverser ce lit en descendant. Bien que la forme de réalisation de l'incinérateur suivant l'invention représentée ne comporte qu'un seul orifice rond ( 23 a,46 a) pour chaque section d'échange de chaleur, cet orifice pourrait bien évidemment être de n'importe quelle forme ou, même, se présenter sous la forme de multiples orifices de dimensions plus faibles mutuellement rassemblés De manière générale, que ces orifices soient uniques ou rassemblés en ensembles, leur surface globale pour chaque section doit représenter environ le quart de la surface globale de la coupe transversale de la section à la- quelle ils sont associés, bien que cette proportion puisse dépendre d'un certain nombre d'autres facteurs, par exemple de la hauteur et de la géométrie de la chambre de combustion commune, de la vitesse de l'écoulement du gaz telle que déterminée par la soufflante, etc. 2 29303 REVENDICATIONS 1 Appareil d'incinération à récupération thermique comprenant: (a) une multiplicité de sections de traitement de gaz voisines, sensiblement verticales, chacune d'entre elles comprenant: ( 1) un dispositif d'échange de chaleur possédant une surface de coupe transversale prédéter- minée et ( 2) un couvercle pour ladite section avec un ori- fice qui le traverse dont la surface est sensiblement plus faible que ladite surface prédéterminée et (b) une chambre de combustion à température élevée disposée par-dessus lesdites sections et en com- munication d'écoulement de gaz avec ces sections à travers ledit orifice. 2 Appareil d'incinération suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins 3 des sections de traitement de gaz précitées. 3 Appareil d'incinération suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que chaque section de traitement comprend un espace formé au-dessus du dispositif d'échange de chaleur et en-dessous des- dits couvercles à travers lesquels les gaz s'écoulant vers le haut passent depuis le dispositif d'échange de chaleur précité à travers ledit orifice dans la- dite chambre de combustion. 4 Appareil d'incinération suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les couvercles sont généralement en forme de dôme et en ce que l'orifice est généralement constitué d'ouvertures centralement situées dans ces couvercles. 13 2 _ 529303 Appareil d'incinération suivant la revendi- cation 2, caractérisé en ce que lesdites sections ont des coupes transversales respectives qui se pré- sentent sous la forme de secteurs de cercle, lesdits secteurs étant agencés radialement autour de l'axe vertical de l'appareil. 6 Appareil d'incinération suivant la revendi- cation 5, caractérisé en ce que les sections précitées possèdent des parois séparatrices verticales communes réalisées en un matériau réfractaire. 7 Appareil d'insinération suivant la-revendica- tion 5, caractérisé en ce que chacune des sections précitées possède des parois latérales verticales respectives séparées par des espaces respectifs des parois latérales verticales des sections voisines, lesdites parois latérales verticales étant réalisées en une matière conductrice de la chaleur. 8 Appareil d'incinération suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que des conduits circu- laires concentriques d'admission et d'échappement sont prévus et entourent lesdites sections de traite- ment de gaz. 9 Système d'incinération suivant la revendica- tion 8, caractérisé en ce qu'une multiplicité de conduits d'alimentation horizontaux dans leur ensemble sont respectivement raccordés auxdits conduits cir- culaires à chaque section de traitement et son égale- ment respectivement raccordés à cette dernière en- dessous du dispositif d'échange de chaleur, lesdits conduits d'alimentation étant-pourvus de valves respectives par l'intermédiaire desquels ils sont raccordés auxdits conduits circulaires. Système d'incinération suivant la revendi- cation 2, caractérisé en ce que des conduits de distribution en forme de L dans leur ensemble sont disposés parallèlement l'un à l'autre et à deux cotés voisins des sections de traitement précitées et en ce que chaque section est pourvue de conduits raccordant un point en elle en dessous de son dispositif d'échange thermique aux deux conduits en forme de L par l'intermédiaire de valves respectives.