Brevet FR2543966A1 — publié le 19841012

ALIMENTA;ION GAZEUSE SOUTERRAINE POUR FOURS FORESTIERS DE GRANDE CAPACITE MORTES EN SERIE, PREVUS POUR CARBONISER ET GAZEIFIER LE BOIS ET LES VEGETAUX. D'une façon générale, l'alimentation gazeuse des fours forestiers destines à carboniser le bois et les végétaux se fait par l'intermédiaire d'évidements péri- pheriques creusés dans le sol pour assurer le passage de l'air. ta disposition du. chargement végétal est prévue pour permettre la mise à feu au centre bas du four, par l'un des évidements. Le tirage se fait d'abord directement par la cheminée située au sommet du four. Cette cheminée est fermée en tout où partie après l'allumage suivant ltévolution de la combustion. L'alimentation en air et ltévacuation se font alors par les évidements périphériques places dans le vent où sous le vent. Une fraction du chargement est bru^lée pour élever la température interne du four, évacuer lthumidité du bois sous forme de vapeur et provoquer la réaction de carbonisation. Cette réaction rebute dans la partie haute du four qui est la plus chaude et évolue progressivement vers le bas. Les entres d'air sont obstruées dès qu'apparaissent les braises incandescentes, au fur et à mesure de la progression de la carbonisation. Cette phase active prend habituellement 24 h.; un temps à peu près équivalent est à prévoir pour obtenir le refroidissement du chargement végétal transformé en charbon de bois -- soit 48 heures. La durée du cycle est beaucoup plus longue lorsque les végétaux - notamment le bois sont denses, épais et de grande dimension. Exploité depuis 50 ans, ce procédé de fabrication présente de nombreux incon vénients: al perte des gaz combustibles soit 8 à 18 % en poids de gaz entrainant une productivité réduite - b/ pollution atmosphérique importante par les imbrûlés chargés de vapeurs de goudron - c/ irrégularité de la combustion et de l'indice de carbone variant suivant les conditions météorologiques, la force et la direction du vent - d/ dépendance d'un personnel spécialise pour les interventions en cours de traitement - e/ longue durée du cycle de carbonisation et de refroi dissemer;;t - fi importants points chauds aux entrées d'air frais qui consomment du charbon et dégradent la partie basse des fours - g/ productivité rapidement décroissante avec l'emploi de fours de grande capacité, du fait des irrégularités de combustion qui réduisent le charbon tout en laissant des imbrûlés. Les installations industrielles qui réalisent la carbonisation en continu exploitent la valeur énergétique des gaz combustibles et obtiennent une meilleure productivité - env. 25 % contre 13 à 18 %. Ces fours marche continue traitent des végétaux de petite dimension bien sèchés. Ils necessitent une infrastructure importante et cntrainent des investissements élevés qui ne peuvent cotre envisagés par une brande majorité d'exploitants forestiers. Les frais de transport sont beaucoup plus élevés pour le végétal à traiter car il est impossible de déplacer ces grandes unités pour suivre les stocks disponibles. Le dispositif d'alimentation gazeuse en série pour fours forestiers de grande capacité objet de la présente demande de brevet évite les inconvénients des modèles forestiers et industriels. I1 permet, avec un investissement très réduit et rapidement amorti d'exploiter la valeur énergétique des gaz combustibles en utilisant des fours forestiers existants où des fours peu onéreux de grande capacité, de réduire sensiblement la durée du traitement et de permettre la carbonisation de bois longs de forte épaisseur qui ne peuvent etre traités valablement dans des fours courants ni dans des fours industriels fonctionnant en continu. Ce dispositif permet également de traiter des végétaux relativement humides qui seraient inutilisables avec les procédés actuels. L'originalité de l'invention consiste en un dispositif qui permet d'alimenter avec des gaz chauds, d'une façon très diffuse et règlable par zones les faces latérales internes de fours reliés entre eux par des canalisations souterraines montées en échangeurs d'énergie, avec une mise à feu périphérique pour chaque four. Les gaz chauds sont pulsés par turbines vers les échangeurs d'énergie et vers les fours suivants où aspirés statiquement par les cheminées à tirage inversé, suivant l'évolution de la carbonisation, chaque four pouvant hêtre isolé par des vannes étanches. Suivant les utilisations et les produits, le cycle peut être modifié en inversant l'usage des canalisations. Le dispositif comprend, pour chaque four monté en série: ltéchangeur d'énergie 'A' Fig. 1,2,6 avec les canalisations 'C' 'I)' (entrée d'air et évacuation de gaz chauds,la canalisation de liaison 'El fig. 1-4 - la sole surélevée tB' avec ses distributeurs de gaz par zones 'O' fig. 1 s 6 et sa canalisation centrale débouchant à l'intérieur du four 'T', les turbines 'I', les cheminées à tirage inversé 'J', les vannes d'isolement 'F''G " H' les fours de grande capacité IKI 9 les cornières verticales équipant les fours 'L' fig. 5, les cornières de protection horizontales 'V > pour le passage des gaz fig. 8, les cornières horizontales de protection du tablier de la sole 'X' fig. 8, les regards de controle et d'allumage latéraux''fig. 8, la chambre de répartition gazeuse placée sous la sole 'N' fig. 6, les poutrelles servant à la fois de supports pour surélever le tablier de la sole et de séparation de zones pour la distribution gazeuse 'P', les poutrelles supports de tablier 'Q' fig. 6, la cheminée de la sole saillante à l'intérieur du four 'R' fig. 6, l'entrée d'air chaud venant de l'échangeur d'énergie 'S' fig. 6, llévacuation des gaz chauds 'T' figo 6, l'entrée des gaz chauds issus de fours voisins 'U' fig. 6, la plaque d'isolation thermique 'M' fig. 5. Pour l'exploitation de ce dispositif, les fours forestiers existants (où spécialement construits de grande capacité) sont équipés intérieurement d'une cornière horizontale périphérique basse 'V' fig. 8 et de cornières verticales 'L' fig. 5 pour permettre le passage des gaz chauds entre les parois et le chargement. Sur la périphérie basse de chaque four, des ouvertures basses étanches 'X' fig. 8 permettent à la fois la mise à feu a foyers multiples, les vérifications visuelles de la combustion et le passage d'un ringard pour con- troler l'état de la carbonisation et provoquer le tassement du charbon. Une t81e d'isolement thermique 'M' fig. 5 est placée sur le chargement et descend avec celui-ci lors de la réduction volumétrique, guidéepar les cornières verticales 'L'. Les pertes calorifiques sont ainsi réduites car les super structures du four font office de double parois. Suivant la nature et l'humidité du végétal traité, l'alimentation gazeuse des fours est assurée de l'un à l'autre par les turbines soufflantes où par tirage statique inversé 'J', chaque four pouvant être isolé du voisin par les vannes basses 'il'. tors de la mise en service successive des fours, la propagation des foyers allumés à la périphérie interne de chacun d'entre eux se fait d'abord verticalement avec le tirage de la cheminée 'Z' placée au sommet du four. Ces cheminées sont ensuite fermées pour provoquer le déplacement gazeux vers ltéchangeuz d'énergie en passant par l'évacuation centrale basse de la sole. Le tablier de la sole porte une ouverture d'évacuation 'T''R' fig. 6. La partie inférieure de la sole comprend la chambre de distribution 'N' avec ses distributeurs '0', l'introduction des gaz chauds issus du four voisin 'U'. En cours de fonctionnement, la vitesse des gaz distribués d'abord très lente progresse de plus en plus rapidement en allant de la périphérie vers le centre du four. Chaque intervalle séparant le végétal se comporte comme un mini-brûleur, avec le mélange des gaz combustibles et de l'air chaud qui s'infiltre par les zones non encore enflammées. La combustion de ces gaz a l'intérieur m8me du four, de même que la progression de la combustion dans le sens du déplacement gazeux accélèrent le séchage du bois et la carbonisation. Les gaz brOient sélectivement en présence du végétal car celui-ci reste à une température nettement inférieure à celle de l'ambiance par l'évaporation de l'eau qui absorbe une quantité de chaleur importante > 600 Kcal par litre d'eau transformé en vapeur. Llentrée d'air est progressivement bridée et fermée en fin de carbonisation, les gaz imbrGlés par manque d'air sont exploités dans le four voisin mis en service avec un décalage variant suivant la nature et l'humidité du végétal. Ce procédé permet d'exploiter des fours forestiers de grande capacité qui présentent une perte calorifique moindre en cours de traitement et des frais de tôlerie proportionnellement moins élevés. Un four courant de 6 m3 présente une surface métallique de 2,5 mètres carrés par mètre cube de végétal traité - alors qu'un four de plus grande capacité par exemple 27 m3 ( 3 mètres au cube ) ne présente plus que 1,6 mètres carrés par mètre cube de végétal, un four de 64 m3 ( 4 mètres au cube ) 1,25 m2 et un four de 125 m3 ( 5 mètres au cube ) 1 mètre carré - soit deux fois et demie moins qu'un four courant. Le procédé d'alimentation par zones règlables de l'extérieur permet de remédier aux irrégularités de la combustion et d'exploiter des grandes capacités Ces fours permettent de traiter des bois longs qui ne peuvent tbre coupés aisément - soit par les manipulations à envisager, le manque de matériel, le personnel - soit par leur nature, notamment les bois de récupération qui portent des éléments métalliques. Le chargement des fours de grande capacité est beaucoup rapide et se fait directement a la grue, en croisant le contenu de chaque botte - alors qu'un rangement manuel précis est recommandé avec les fours usuels. La distribution périphérique très diffuse de gaz échauffés circulant à faible vitesse favorise la carbonisation à basse température et évite les points chauds qui se forment dès que l'oxygènation dépasse un certain seuil. Ces points chauds entrainent en effet une consommation inutile de carbone donc de charbon, à la fois par l'oxygène de l'air qui se lie au carbone pour former du gaz carbonique - ensuite par ce gaz qui se transforme en oxyde de carbone en consommant du charbon C02 + C = 2CO et par la réaction endothermique produite par la vapeur d'eau H20 réduite en1'2 et 02 formant du gaz à l'eau. L'ait admis dans chaque four passe par les échangeurs de température La dilatation de ce gaz diminue l'oxygènation et entraine une grande avidité pour l'eau favorable au sèchage du végétal et a la carbonisation. Le tirage inversé du dispositif d'alimentation évite la formation néfaste de cheminées dans le végétal qui proviennent de la vélocité des gaz à température élevée de faible densité. Ces gaz restent dans la partie haute du chargement et cèdent leur chaleur sensible au végétal d'une façon régulière avant de passer dans l'échangeur d'énergie et dans le four voisin. Lorsqu'une température élevée est recherchée au centre du chargement, l'air pulsé est distribué par le centre de la sole avec une évacuation périphérique des gaz, en inversant l'utilisation des canalisations de l'échangeur d'énergie. Au début du cycle de refroidissement, une introduction d'eau pulvérisée par le sommet du four réduit les points les plus chauds - à la fois par la réaction endothermique, par le changement d'état et par l'évacuation des gaz surchauffés Le gaz a l'eau issu de la dissociation de la vapeur d'eau est exploité dans le four voisin. La gazéification s'obtint par la réduction du charbon formé. Une injection de vapeur d'eau dans un milieu saturé de carbone à température élevée provoque la dissociation de la vapeur d'eau: B20 en H2 et 02 donnant le gaz à l'eau. Cette réaction absorbe une quantité importante de chaleur qui doit être compensée par une introduction d'air. L'o Ces gaz peuvent servir pour le sèchage, pour alimenter des brûleurs Où pour la force motrice Le dispositif d'alimentation pour fours forestiers de grande capacité intéresse les carbonisateurs forestiers et les industriels désireux de rentabiliser les déchets végétaux pour obtenir du charbon de végétaux, la consommation Française se situant autour de 1CO.OOO tonnes par an, pour le chauffage d'agrément, les barbecues, - pour les industries métallurgiques et électrométallurgi ques, pour la conservation, l'assainissement et sous forme de charbons activés pour la filtration et contre la pollution. REVENDICATIONS -1 Alimentation gazeuse souterraine pour fours forestiers de grande capacité montés en série, destinés à carboniser où à gazéifier le bois et les végétaux - dispose tif visant notamment à bénéficier d'une'effet de masse ' pour favoriser les différentes réactions.Cette alimentation comprend, pour chaque four,: -1 Une sole surélevée 'B' fig. 7 & 6 placée à l'intérieur du four, équipée avec les distributeurs périphériques de gaz '0' fig. 6 a commande manuelle, les sépara tions de zonés 'P', les supports de tablier 'Q',une canalisation centrale basse donnant directement dans le four 'R' 'T' -20 Un échangeur d'énergie 'A' fig. 1 entre les gaz évacués et admis 'C-D-T-S' ~3 La canalisation de liaison pour véhiculer les gaz d'un four à l'autre 'EU' -4 Les vannes d'isolement 'F-G-H' fig. 1 -5 La turbine 'I' (où le raccordement sur débit d'air pulsé) -60 La cheminée à tirage inversé 'J' fig. 1 pour la marche statique -70 Les fours de grande capacité 'K' fig. 1 -8 Les cornières verticales 'L' fig. 5 montées sur chaque four et la cornière horizontale basse 'V' fig. 8 -9P Les regard latéraux étanches de fours 'X' fig. 8 pour la mise à feu, les contrôles et le tassement -100La plaque d'isolation thermique 'M' fig. 5 posée sur le chargement -11 Les perforations étanches sur le sommet du four pour le passage de sondes -120 Le pulvérisateur à eau sous pression placé sur le toit du four. 2 Alimentation gazeuse selon revendication 1 Caractérisé par la sole surélevée 'B' fig. 1-6 comprenant, sur le dessus du tablier une canalisation centrale 'rut' fig. 6 et, sous le tablier une chambre à gaz 'N' équipée de distributeurs '0' eommandés manuellement de l'ex- térieur du four pour répartir les gaz par zones fig. 7. Les poutrelles séparant chaque zone 'P'servent également pour surélever le tablier de la sole, conjoin tement avec les supports Ql -Entrée des gaz issus du four voisin 'U' Entrée d'air chaud ?S' -Cornière circulaire du tablier 'W' fig. 8 pour dégager le passage des gaz et faciliter la récupération du charbon 3 Alimentation gazeuse selon revendication 1.2. Caractérisé par l'échangeur d'énergie 'A' de chaque four utilisant la chaleur sensible des gaz évacués pour échauffer l'air introduit 'C-D' fig. 1 Ce dispositif comprend l'ensemble 'A-C-D' fig. 1, la transmission de tem pérature s'effectuant par une tôlerie de séparation de grande surface métallique (W où cornières) et une canalisation 'E' pour transmettre les gaz dans le four voisin. 4 Alimentation gazeuse selon revendication 1.2.3. Caractérisé par la turbine 'I' de chaque four (où le raccordement avec une canalisation d'air sous pression) -en liaison avec une cheminée à tirage inversé - dispositif visant à assurer=le fnctíonnement des fours par gaz pulsé où par aspiration, suivant les végétaux et 11 évolution de la carbonisation 5 Alimentation gazeuse selon revendicatipn 1.2.3.4 Caractérisé par la vanne basse 'H' fig. 1,2 qui permet d'isoler chaque four et les vannes hautes 'F' 'G' pour l'entrée d'air et l'évacuation par la cheminée 6 Alimentation gazeuse selon la revendication 1.2.3.4.5. Caractérisé par l'adjonction, sur les fours forestiers, de cornières verticales internes saillantes pour permettre la circulation des gaz entre le chargement et les parois latérales du four 'L' fig. 5. 7 ;1imentation gazeuse selon la revendication 1.23.4.5.6 Caractérisé par l'adjonction, sur les fours forestiers, d'une pièce coudée horizontale périphérique basse 'V' fig. 8 inclinée vers le bas pour éviter l'obstruction de l'aération périphérique. Cette pièce est équipée de cornières verticales pour faciliter le passage des gaz. 3 Alimentation gazeuse selon revendication 1 Caractérisé par la mise a feu périphérique basse des fours et les lumières latérales necessaires 'X' fig. 8 qui serviront également pour les contres visuels de carbonisation et les contrôles mécaniques de consistance du charbon à l'aide d'un ringard. Contrôles de température par déformation de bilames 9 Alimentation gazeuse selon revendication 1. Caractérisé par l'adjonction, sur les fours forestiers, d'une plaque de protection thermique 'M' fig. 5 posée sur le chargement, guidée par les cornières verticales internes du four 'L'. Cette plaque suit la réduction volumétrique du chargement - position contrôlée de l'extérieur par 4 sondes verticales traversant la parois supérieure du four 10 Alimentation gazeuse selon revendication 1. Caractérisé par l'adjonction, sur la parois supérieure des fours forestiers d'un pulvérisateur d'eau sous pression pour accélérer le cycle de refroidissement où pour améliorer le pouvoir calorifique des gaz.