Brevet FR2567624A1 — publié le 19860117

La présente invention a pour objet un générateur d'air chaud ayant une température comprise entre 400 et 850 destiné par exemple au séchage de produits crus de cimenterie ou de briquetterie, ce générateur d'air chaud pouvant notamment être alimenté en combustible pulvérulent. Il est connu de chauffer ou de réchauffer un flux d'air en le faisant passer à travers une enceinte à l'intérieur de laquelle brûle une flamme de façon à obtenir un flux d'air de séchage que l'on peut employer pour sécher des produits crus, par exemple, dans un broyeur. Lorsque cet air est destiné à sécher des produits humides venant d'une carrière et arrivant dans un broyeur afin de rendre possible un tel broyage, il faut que la température de l'air ne soit pas trop élevée afin de ne pas détériorer les constituants mécaniques du broyeur. Dans la pratique, les broyeurs les mieux protégés peuvent supporter des températures allant jusqu'à 850 pour certains, ce qui donne une limite maximum, tandis que d'autres restent en-dessous de 4000. Si le séchage est suffisant, on peut aller en dessous de 400 . Lorsqu'on emploie comme combustibles des hydrocar- bures liquides ou gazeux, la régulation de la température ne pose aucun problème. Par contre, lorsque l'on emploie des combustibles solides pulvérisés comme du charbon, la maîtrise des problèmes de la régulation de la température devient très délicate: ces produits sont parfois difficile- ment inflammables tout en présentant de grands risques d'explosion résultant d'une extinction momentanée avec accumulation de produits non enflammés qui peuvent s'en- flammer brutalement. L'inflammation des particules solides de charbon se fait en général par inflammation des gaz produits par leurs propres matières volatiles dégagées par pyrolise lorsqu'on les chauffe, le processus étant ensuite auto- entretenu par la chaleur dégagée par la combustion desdits produits volatils. Mais les charbons peuvent être maigres au point de ne contenir qu'une quantité négligeable de matières volatiles: c'est le cas du coke du pétrole et des charbons anthraciteux ou graphiteux. Il se peut aussi - et c'est le cas de nombreux schistes maigres, que les matières volatiles soient constituées en majeure partie par du CO2 et H20, qui sont des gaz non inflammables. De plus, si l'on emploie de tels schistes maigres, leur combustion produit des cendres à base d'argile qu'il ne faut pas éle- ver à des températures telles que l'argile se mette en fusion car on risque alors un encrassement du four de chauffage. Il en résulte que ces charbons maigres bien qu'abon- dants et bon marché ne sont pas utilisés. La présente invention a pour objet une installation permettant d'obtenir un flux d'air de séchage à des tempé- ratures variables à volonté jusqu'à la limite du broyeur (850 ou 400 selon letype), tout en utilisant comme combus- tible du charbon maigre en poudre tels que des charbons de schistes argileux atteignant 50 % de cendre et au- delà. Le générateur selon la présente invention comporte une enceinte cylindrique verticale, dont les parois sont recouvertes intérieurement de briques réfractaires, le brûleur de chauffage étant placé au sommet de l'enceinte et l'orifice d'évacuation de l'air chaud étant situé à sa partie inférieure et dans lequel la source d'air par la- quelle il est alimenté est divisée en trois écoulements distincts: un premier écoulement constituant l'air de combustion du brûleur; un deuxième écoulement constituant un premier courant d'air de dilution entourant cylindrique- ment la flamme: un troisième écoulement constituant un deuxième courant d'air de dilution insufflé à la base de l'enceinte, de telle sorte que ladite enceinte comporte trois zones de température: une première zone de tempéra- ture qui est celle de la flamme et qui est de l'ordre de 1.800 , une deuxième zone de température en aval de la flamme et qui est de l'ordre de 900 , une troisième zone de température qui est celle ou le deuxième courant de dilution se mélange avec le flux d'air chaud, qui est comprise entre 850 et 300 . A titre d'exemple non limitatif et pour faciliter la compréhension de l'invention, on a représenté aux dessins annexés: Figure 1, une vue schématique en élévation latérale d'un générateur selon la présente invention; Figure 2, une vue de détail à échelle agrandie illustrant le sommet du générateur selon la figure 1; Figure 3, une vue d'un détail de la figure 2 illus- trant le mouvement de l'ensemble de la tuyère dans la chambre d'entrée du générateur; Figure 4, une vue de détail de la figure 1 illustrant le mouvement de la canne porte-ailettes dans la tuyère; Figure 5, une vue de dessus du générateur Figure 6, une vue développée du répartiteur de pression du premier courant de dilution En se reportant à la figure 1, on voit que le générateur comporte une enveloppe cylindrique 1, à axe vertical, dont la paroi supérieure 2 comporte un brûleur 3 produisant une flamme 4 et dont l'extrémité inférieure 5 est conique et débouche par une cheminée verticale 6 dans un bac à eau 7, tournant associé à un transporteur 8 éva- cuant les cendres 9. Au centre de la partie supérieure 2 se trouve une chambre cylindrique 10, dont les parois sont recouvertes de briques réfractaires, dans laquelle débouche le brûleur 3. Cette chambre 10 est entourée par un caisson circulaire 11 qui, par une pluralité d'ouvertures 12 débouche à l'in- térieur de l'enceinte 1. Une canalisation 13 amine l'air qui doit être chauffé dans l'enceinte 1. Cet air peut être de l'air froid ou bien peut être de l'air de récupération provenant par exemple d'un four de cuisson ou encore d'un refroidissement de clinker ou analogue. Une première partie de cet air est prélevée par une canalisation 14 et envoyée dans la tuyère du brûleur 3, afin de servir d'air de combustion. En aval de la canalisa- tion 14, la canalisation 13 se divise en deux canalisations et 16, la canalisation 15 débouchant dans le caisson 11 et la canalisation 16 débouchant dans l'extrémité inférieure 4 2567624 de l'enveloppe 1. La canalisation 15 comporte une électro- vanne 17 et la canalisation-16 comporte une électrovanne 18, ces deux électrovannes permettant de réguler les débits d'air dans les canalisations 15 et 16. Les figures 2 à-4 représentent de façon plus détaillée le brûleur 3 et sa chambre 10 dans laquelle il débouche. Le brûleur 3 est constitué par une tuyère 20 terminée à son extrémité par un convergent-divergent 21, la pente du convergent étant plus faible que celle du divergent. A l'intérieur de la tuyère 20 est disposée, de façon coaxiale, une canne creuse 22. A son extrémité, cette canne creuse 22 est munie à sa paroi extérieure d'une part d'un divergent 23 ayant une pente faible, opposée à celle du convergent 21 et d'autre part d'un ensemble d'ailettes représentées sché- matiquement en 24. La pente du divergent 21b est de l'ordre de 30 , tandis que celle du divergent 23 est de l'ordre de 7 à 8 . Par des moyens mécaniques de type connu et donc non représentés ni décrits, il est possible soit de déplacer en- semble la tuyère 20 et la canne 22, soit de déplacer unique- ment la canne 22 par rapport à la tuyère. Les ailettes 24 ont une longueur inférieure à la distance séparant les points culminants du divergent 23 et du convergent 21 de façon à ménager un espace annulaire libre 25. Par la canne 22 arrive un combustible d'allumage ou d'appoint qui est un combustible soit gazeux, soit fluide tel que fuel oil, certains alcools ou autres produits de récupération. Dans l'espace entourant la canne 22, à l'intérieur de la tuyère 20 arrive un mélange de combustible pulvérulent (par exemple du charbon maigre, schisteux, broyé) et un flux d'air de combustion provenant de la canalisation 14. L'écoulement de ce mélange air + combustible solide en poudre est pincé entre le convergent 21a et le divergent 23 puis expansé entre les deux divergents 21b et 23. La partie de cet écoulement qui passe par les ailettes 24 est mise en mouvement tourbillonnaire comme cela est représenté de façon schématique en 26; tandis que la partie qui passe dans l'espace 25 et qui n'est pas brassée par les ailettes s'évase comme cela est représenté en 27. Les filets fluides qui sont au voisinage de la zone 26 sont moins déviés que ceux qui lèchent le divergent 2lb. Il en résulte qu'il y a une variation continue de la vitesse des filets fluides en provenance de la zone annu- laire 25, la vitesse décroissant de l'intérieur vers l'ex- térieur, ou en d'autres termes, la vitesse des filets flui- des étant d'autant plus faible que ces filets sont le plus évasés. L'expérience montrent que les filets d'air les plus rapides (intérieurs) exercent un effet d'aspiration sur les filets d'air les moins rapides (extérieurs) et qu'il en résulte des tourbillons centripètes qui sont représentés en 28 sur la figure 2. De plus, la différence de pente entre le divergent 21b et le divergent 23 provoque la forma- tion d'une zone conique centrale qui influence la zone tourbillonnaire. L'allumage se fait en injectant (comme cela est connu en soi) un produit combustible liquide ou gazeux, un hydrocarbure par exemple, par la canne 22 et en l'allu- mant. Les effets conjugés du cône central, des tourbillons 26 et des tourbillons 28 permettent d'obtenir un brassage complet de toute la masse d'air chargée de combustible et donc une inflammation complète de la totalité des particules de combustible solide, même avec charbons schisteux très maigres et très chargés en impuretés. Des moyens sont prévus pour moduler à volonté d'une part l'importance respective des zones 26 et 27 et d'autre part la position de la flamme dans la chambre 10, ou "ouvreau" afin que la flamme s'évase pour chauffer l'ensemble de l'in- térieur de l'enceinte 1 sans venir lécher les bords de la chambre 10. Dans ce but, la canne 22 peut être déplacée par rapport à la tuyère 20 et il est également possible de déplacer ensemble la tuyère 20 et la canne 22. Lorsque l'on déplace la canne 22 de façon à faire pénétrer les ailettes 24 en amont du col 21c convergent-divergent 21, on augmente la quantité du flux d'air + combustible qui n'est pas mis en rotation par les ailettes 24: en consé- quence, on augmente l'importance du flux correspondant a la zone 27 par rapport à celle du flux tourbillonnaire central 26. A partir de la position représentée figure 2, o la partie avant des ailettes 24 arrive à hauteur du col 21c la proportion entre ces deux -flux est pratiquement constante. D'autre part la position de l'extrémité du con- vergent 23 par rapport au col 21c agit sur la forme de la flamme. Lorsque cette extrémité est en amont du col 21c, l'évasement des filets du flux air + combustible est contrarié, tandis que cet évasement est de plus en plus important lorsque le divergent 23 dépasse le col 21c et va au-delà. On peut ainsi régler les proportions relatives des zones 26 et 27 et donc les conditions nécessaires pour avoir une bonne inflammation des particules solides et régler la forme de la flamme. Mais il pourrait arriver que pour obtenir une bonne inflammation des particules solides on soit amené à avoir une flamme trop évasée qui viendrait lécher les parois de la chambre 10. Pour éviter cela, on déplace alors l'ensemble tuyère 20, canne 22 en lui faisant faire plus ou moins saillie, comme cela est représenté à la figure 3. Le réglage de la flamme comporte en plus le réglage de la proportion d'air par rapport à la proportion de com- bustible ce qui se fait au moyen de l'électrovanne 19 située sur la canalisation 14. Grâce à tous ces moyens de réglage, on arrive à obtenir une flamme stable dont la température est réglable de 1.300 à 2.000 ; et en même temps à contrôler la forme de cette flamme. L'air circulant dans la canalisation 15 et dont le débit est réglé par l'électrovanne 17 arrive dans l'enceinte 1 par une pluralité d'orifices 12 répartis de façon cir- culaire autour de la chambre 10. Il en résulte que la flamme 4 est en quelque sorte enfermée à l'intérieur d'un tube d'air provenant des orifices 12. Cette disposition a pour objet d'empêcher les flammes de venir lécher les parois internes, briquetées de l'enceinte 1. En effet, le dispositif selon la présente invention est destiné essentiellement à permettre l'emploi de charbons très maigres, tels par exemple que des charbons schisteux. De tels charbons contiennent une teneur en impuretés très grande pouvant aller jusqu'à 50% et même au-delà. Dans le cas de charbons schisteux, l'argile contenue dans le charbon risque de fondre dans la flamme si elle est à température trop élevée et alors de venir se coller contre les parois qui s'encrassent très vites, de sorte que le générateur peut assez rapidement devenir inutilisable. Normalement, les moyens de réglage décrits plus haut permettent de régler la température de la flamme de façon qu'elle soit suffisamment élevée pour que toutes les particules combustibles soient brûlées, mais si possible pas trop élevée de façon que les impuretés ou cendre ne soient mises en fusion. Il est cependant parfois nécessaire d'employer des températures telles que certaines impuretés sont mises en fusion. Le tube d'air généré par les orifices 12 empêche cesmatières en fusion d'atteindre les parois et les refroidit de façon qu'elles redeviennent solides, mais le refroidisse- ment ne doit pas Atre trop important de façon que la tempé- rature régnant dans le voisinage de la flamme ne soit pas trop abaissée. Ce flux d'air à également pour objet d'empêcher la flamme 4 de venir en contact avec le briquetage interne de l'enceinte 1 et donc d'assurer une plus grande longé- vité à ce briquetage. A la base 5 de l'enceinte 1 est disposé un caisson circulaire 30 qui reçoit l'air en provenance de la canalisa- tion d'air 16, dont le débit est modulé par l'électrovanne 18. On a ainsi, à partir d'une source unique d'air, trois débits: un débit d'air de combustion acheminé par la canalisation 14 vers le brûleur; un premier débit d'air de dilution qui arrive par les orifices 12 placés au sommet de l'enceinte 1; un deuxième débit d'air de dilution, arrivant en sens inverse du premier. Ces trois débits d'air définissent dans l'enceinte trois zones de températures: une première zone A qui est celle dans laquelle se trouve la flamme 4: dans cette zone, la température est de l'ordre de 1,300 à 2000 ; une deuxième zone B, ou zone intermédiaire dans laquelle la température est de l'ordre de 800 à 900 ; une troisième zone C dans laquelle règne une tempé- rature de 300 à 800 compatible avec les caractéristiques du dispositif de séchage qui est alimenté en air chaud par la canalisation de sortie 31. Si cet air chaud est destiné à être employé pour un broyeur à boulets, il peut être de 500 à 800 , si le broyeur est un broyeur vertical du type usuel dont les organes mécaniques ne sont pas aussi bien protégés , la température devra être de l'ordre de 300 à 450 maximum. La température dans la zone A est régulée: par la quantité d'air en provenance de la canalisation 14 qui est supérieure à la quantité minimum nécessaire à la.combus- tion (mélange stoechiométrique) de 10% à 100% et plus: elle est également régulée par la position du brûleur 3 et par les positions relatives de la canne 22 et de la tuyère 20. La température dans la zone B est régulée: par la tempéra- ture et la forme de la flamme et par l'intensité du débit arrivant par les orifices 12. La température dans la zone C est fonction de la température dans la zone B et du débit d'air arrivant dans le caisson 30. De préférence, la canalisation 15 débouche dans un caisson semicirculaire 32 dont la paroi inférieure 33, horizontale, comporte autant d'orifices 34 qu'il y a d'ori- fices 12 et dont la paroi supérieure 35 est oblique de telle sorte que la section du caisson 32 décroît de façon constante, ce qui assure une égalisation des pressions et des débits d'air arrivant dans la zone A par les divers orifices 12. Un tel générateur d'air chaud est essentiellement destiné à fonctionner avec du combustible solide pulvérisé mais il peut aussi fonctionner avec des combustibles liquides ou gazeux qui sont alors alimentés par la canne 22. Dans ce cas, l'air de combustion est toujours fourni par la canalisation 14 et par déplacement relatif de la canne 22 et de la tuyère 20 ou par déplacement de tout l'ensemble, on peut adapter la forme et la longueur de la flamme pour obtenir les températures désirées dans les zones A, B et C. On utilise ce mode de fonctionnement soit pour l'allu- mage, soit comme mesure de sécurité pour éviter un décro- chage de la flamme, soit encore lorsque l'on n'a pas de combustible solide disponible. La sécurité consiste à placer dans l'enceinte 1 des cellules photo-électriques qui, en cas de décrochage dela flamme actionnent immédiatement l'alimentation par la canne 22. On a alimenté un générateur d'air tel que décrit ci-dessus avec de l'air préalablement réchauffé par passage à travers un dispositif de récupération de chaleur. Dans un premier essai, l'air arrivant par la canalisation 13 était à une température de 150 et dans un deuxième essai à une température de 450 C. On a obtenu les résultats qui sont donnés dans le Tableau ci-dessous: Temps-air Température Air de Air de dilu- Air de dilu- Total récupér,é flamme i combustion tion façade tion finale 1300 2309 1477 1757, 5543 C 1750 1553 2032 1757 5342 1300 2872 2673 4452 9997 4000 C I 1750 1789 3758 4452 9999 Dans ce tableau,les chiffres indiqués dans les trois dernières colonnes sont des Normaux mètres dubes (Nm3) par 1.000 calories brûilées. Pour ces deux essais, on a réglé la flamme 4 de façon à avoir soit comme température la plus basse 1.300 , soit comme température la plus haute 1.750 . On voit donc que pour un débit total sensiblement équivalent 5.500 Nm3 dans un cas et 10.000 Nm3 dans l'autre, on dispose d'une plage de 450 pour régler la flamme, ce qui permet de l'adapter à pratiquement tout type de combus- tible. Selon une variante de réalisation, représentée à la figure 2, on peut disposer autour de la canne 22 un guide d'air 20a (représenté en pointillé) dont le diamètre est égal à celui de la couronne d'ailettes 24. Le flux d'air circulant dans cette deuxième tuyère peut être soit de l'air de dilution pur- soit de l'air chargé de particules solides. L'intérêt de cette disposition est que l'on peut faire varier la vitesse de cet écoulement destiné à créer les tourbillons 26 relativement à la vitesse de l'écoule- ment destiné à créer les tourbillons 28, ce qui permet de moduler à volonté le brassage par ces deux écoulements tourbillonnaires. Dans l'exemple décrit ci-dessus, le dispositif est un générateur d'air chaud destiné au séchage préalable des crus de dimenterie avant leur passage dans un broyeur; cependant l'invention n'est pas limitée à cet emploi par- ticulier. Ce générateur d'air chaud peut être employé dans toute application o une source d'air chaud est néces- saire par exemple pour le chauffage de groupe d'immeubles, de locaux publics, d'entrepôts ou même de serres agricoles. REVENDICATIONS 1-. Générateur d'air chaud comportant une enGeinte cylindrique, à axe vertical, dont les parois sont recouvertes intérieurement de briques réfractaires, traversée par un flux d'air à réchauffer, au sommet de laquelle est placé un brûleur pouvant fonctionner avec un combustible liquide, gazeux ou solide pulvérisé, caractérisé par le fait que le flux d'air à chauffer arrive à ladite enceinte (1) par trois canalisations distinctes (14, 15, 16); la première (14) alimentant le brûleur en air de combustion; la deuxième (15) fournissant un premier courant de dilution insufflé au sormmet de l'enceinte (1), entourant la flamme (4) et cir- culant de haut en bas; le troisième (16) fournissant un deLuxième courant de dilution insufflé à la base de l'enceinte et cir- culant de bas en haut; de telle sorte que ladite enceinte (1) comporte trois zones de température: une première zone A entourant la flamme dont la température est comprise entre 1.300 et 2.000 ; une deuxième zone B, intermédiaire, dans laquelle la température est comprise entre 800 et 900 ; une troisième zone C dans laquelle la température est comprise entre 300 et 8000. 2. Générateur selon la-revendication 1, dans lequel le brûleur (3) est situé à l'intérieur d'une chambre cylin- drique (10) coaxiale à l'enceinte (1) et est-muni de moyens permettant die le déplacer le long de son axe longitudinal de façon Za déterminer a volonté la longueur dont il fait saillie dans la chambre (10). 3. Générateur selon la revendication 2, dans lequel le brûleur comporte une tuyère cylindrique (20) à l'in- térieur de laquelle est disposée coaxialement une canne creuse (22); ladite tuyère (20) comportant à son extrémité un con- vergent-divergent (21) et la canne (22) comportant à son extrémité un divergent (23) et des ailettes (24) dont la longueur est telle qu'elle laisse un espace annulaire (25) libre entre le sommet (21c) du convergentdivergent et l'extréimité des ailettes (24); ladite canne creuse pouvant se déplacer axialement par rapport à la tuyère (20). 4. Générateur selon la revendication 3, dans lequel la canne creuse (22) alimente le brûleur (3) en combustible liquide ou gazeux; tandis que la tuyère (20) l'alimente en air de combustion. 5. Générateur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, dans lequel la canne creuse (22) alimente le brûleur en combustible liquide ou gazeux soit pour l'allu- mage soit pour la sécurité de décrochage de flamme, soit lorsqu'il n'y a pas de combustible solide; tandis que la tuyère (20) l'alimente en mélange d'air de combustion et de combustible solide pulvérisé. 6. Générateur selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la canne (22) est entourée d'une deuxième tuyère (20a), intérieure à la tuyère (20) dont le diamètre est égal à celui de la couronne d'ailettes (24) de façon à moduler l'une par rapport à l'autre les vitesses d'écou- lement du flux traversant lesdites ailettes (24) et de celui passant dans l'espace annulaire (25). 7. Générateur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, dans lequel la position, la forme et la température de la flamme sont réglées: par le débit d'air de combustion en excès de 10% à 100 %; par la position relative divergent (23) de la canne creuse (22) par rapport au convergent-divergent (21) de l1 tuyère (20); et par la position de l'ensemble tuyère (20) canne (22), c'est-à-dire du brûleur (3) dans la chambre (10). 8. Générateur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, dans lequel la partie supérieure de l'enceinte comporte une pluralité d'orifices (12) répartis circulairement autour du brûleur et reliés à la canalisa- tion (15) d'alimentation en premier circuit de dilution de façon à créer autour de la flamme un flux d'air cylindri- que qui protège la paroi interne de l'enceinte (1) en contenant la flamme (4). 9. Générateur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, dans lequel l'enceinte est munie à sa base d'un caisson (31) de répartition d'air, relié à la canalisation (16). 10. Générateur selon la revendication 9, dans lequel l'extrémité inférieure (5) de l'enceinte (1) est conique, le caisson (31) étant circulaire et disposé tout autour. 11. Générateur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, dans lequel chaque canalisation d'arrivée d'air est munie d'une électrovanne de façon à réguler les quantités d'air et les températures.