Brevet FR2615930A1 — publié le 19881202

La présente invention concerne la production de cha- leur et d'électricité et a notamment pour objet un foyer de chaudière. L'invention peut être utilisée dans les chaudières à combustible laissant des résidus sous forme de mâchefers. L'invention trouvera son application la plus efficace dans les chaudières de centrales thermiques d'un rendement relativement élevé à scories liquéfiées. Les centrales modernes de production de chaleur et d'électricité utilisent des combustibles solides dont la teneur en cendres rapportée à la masse travaillante (AP) peut atteindre 35 à 50%. Une partie de cette masse, et notamment de 15 à 20%, se dépose dans la chambre à scories, sur les parois du foyer de chaudière (appelé "foyer" tout court dans le texte qui suit) situées au-dessous des fenêtres de brûleurs, et sur la sole du foyer. S'écoulant sur les parois et les'surfaces de la sole du foyer, la masse de scories en fusion descend vers un trou de scories, puis vers un bain de granulation. Les scories granulées et refroidies sont transportées sous forme de pulpe vers le parc à cendres et à scories de la centrale électrothermique (CET). Une technologie normale des foyers énergétiques exige que la durée de séjour de la masse de scories en fusion dans la chambre à scories soit réduite. Une accumulation des scories, surtout autour du trou de scories, risque de conduire à une situation dangereuse, o il peut se produire une destruction du revêtement réfractaire de la sole du foyer, une percée par brûlage des tubes d'écran du foyer, l'irruption des scories dans la salle de chauf- ferie, une explosion d'hydrogène. De l'examen des causes des accidents survenus, il ressort qu'une partie du revêtement réfractaire et des soudures entre les blocs a été métallisée par des composés à base de fer. Des analyses subséquentes ont confirmé que dans une atmosphère réductrice caractéristique pour les chambres à scories des foyers, et à des températures élevées, il se produit, dans les scories, une réaction de réduction des oxydes de fer et de silicium qui forment du ferrosilicium. Si, pour quelque raison, les scories ne sont pas évacuées à temps par le trou de scories, elles s'accumulent en une couche sur la sole, o il se produit une séparation des composants des scories en fusion, et le ferrosilicium (FeSi) ayant une densité plus élevée précipite sur le fond. La couche de FeSi interagit avec le matériau du revêtement et des soudures des sections de sole du foyer, en provoque la destruction et pénètre vers les tubes d'écran. Du fait de sa conductivité thermique élevée, il perce les tubes par brûlage ou se déverse der- rière l'écran. Les percées se localisent le plus souvent autour des trous de scories. Il est donc nécessaire de créer, dans la chambre à scories du foyer, des conditions permettant d'évacuer les scories le plus vite possible, sans les laisser s'accumu- ler sur le sole du foyer. D'autre part, le processus natu- rel de récupération du ferrosilicium des composants incom- bustibles des combustibles organiques solides devra être transformé en un procédé organisé de production associée du ferrosilicium à une teneur en silicium de 12 à 35%. De tels alliages FeSi à faible teneur en silicium sont utilisés dans les procédés de fonderie et dans la désoxy- dation des coulées, c'est-à-dire que ce sont des produits du commerce. Il s'agit par conséquent de créer un dispositif associé au foyer d'une CET en vue d'améliorer le processus d'évacuation des résidus en scories après la combustion du combustible et d'organiser ensuite la réduction du ferrosilicium comme produit d'une technologie de récupération de résidus. On connait un foyer à combustible solide (DE, C, 894298) comprenant une chambre de combustion comportant dans sa partie inférieure une chambre à scories dotée d'un trou de scories communiquant avec un canal d'évacuation des scories fluides, et un injecteur. L'injecteur est disposé sous le trou de scories de manière à pouvoir tourner autour de son axe horizontal. L'injecteur est destiné à éviter la solidification des scories en fusion dans la zone du trou de scories et c'est pour cette raison que, en position de fonctionnement, sont jet de flamme est dirigé sur ce trou. Au cours de la production de chaleur et d'électricité, il est impossible dans un tel foyer, d'organiser le processus de réduction du ferrosilicium à partir des scories chauffées pendant la combustion du combustible jusqu'à l'état de fusion fluide. On connaît un autre foyer à combustible solide (SU,A,840567). Il comprend une chambre-de combustion à combustible solide dans la partie inférieure de laquelle est prévue une chambre à scories dotée d'un trou de scories communiquant avec un canal d'évacuation des scories fluides, et un injecteur destiné à introduire un agent réducteur dans les scories. La chambre à scories a une sole circulaire dont la surface a une pente constante du côté du trou des scories. Ce foyer fonctionne comme suit: les scories se formant au cours de la combustion du combustible solide s'écoulent dans la chambre à scories dotée de la sole circulaire à travers laquelle passent des injecteurs pour l'introduction des produits de combustion incomplète (carbone et oxyde de carbo a) formés dans la chambre de combustion à un coefficient de comburant de 0,8 à 0,95, lesdits injecteurs étant reliés entre eux par une rampe circulaire. L'agent réducteur barbote à travers la couche de scories en fusion, assurant ainsi le déroulement des réactions de réduction des oxydes de fer et de silicium. Le ferro-alliage s'écoule dans un réservoir, les scories s'écoulent dans un bain de granulation, alors que les produits gazeux sont canalisés vers une chaudière de récupération. Dans ce foyer, la combustion du combustible est in- complète par suite de manquede comburant. L'intensité de combustion dans la chaudière de récupération s'en trouve affectée, ce qui conduit à une diminution de la puissance calorifique du foyer. En outre, les dimensions de la sole, limitées par l'encombrement du foyer, ne permettent pas d'obtenir une durée suffisante des réactions de réduction de FeSi, alors qu'une pente constante de la surface de la sole ne laisse pas assez de temps pour la séparation des scories et du ferrosilicium. Le volume et la qualité des produits de réduction sont instables à cause de l'instabi- lité de l'agent réducteur lui-même. Sa quantité et sa composition dépendent du déroulement du processus de pré- paration du combustible solide et de sa combustion. Le but de l'invention est de créer un foyer de chau- dière à combustible solide, dans lequel le fait de réunir le processus de production de chaleur et d'électricité et le processus de réduction permet d'élever le degré de réduction de ferrosilicium des scories. Le but visé est atteint par la création d'un foyer à combustible solide comprenant une chambre de combustion comportant, dans sa partie inférieure, une chambre à scories dotée d'un trou de scories communiquant avec un canal d'évacuation de scories fluides et un injecteur pour l'introduction d'un agent réducteur dans les scories, qui, selon l'invention, ccrprend'également un bain de réduction de scories communiquant avec le canal d'évacuation de scories fluideset dont le fond est réalisé de manière à avoir un angle d'inclinaison par rapport à l'horizontale, qui varie à partir de l'entrée vers la sortie; un décanteur est disposé dans la partie la plus basse du fond et l'injecteur pour l'introduction d'un agent réducteur dans les scories est placé dans la voûte du bain, contre la partie du fond ayant l'angle d'inclinaison maximum par rapport à l'horizontale. Le fait de prévoir un bain de réduction de scories à part, communiquant avec le foyer par l'intermédiaire du canal d'évacuation de scories fluides permet de créer des conditions favorables pour réunir le processus de production d'énergie (chaleur et électricité) au processus réducteur de production de ferrosilioium. Ces conditions sont réalisées grâce à l'utilisation de la haute tempéra- ture du combustible dans le foyer, en vue de mettre les scories en état de fusion et de les y maintenir au cours de la réduction et de la séparation de l'alliage métallique FeSi. Le fait de réaliser le fond du bain à un angle d'in- clinaison variable par rapport à l'horizontale permet d'assurer que la vitesse d'écoulement des scories corres- pondra au temps de réduction des oxydes de fer et de silicium. On crée également de meilleures conditions pour la séparation et le grossissement des gouttes du ferrosilicium qui se forme et pour la séparation subsé- quente des produits de réaction en couches. Le fait de prévoir le décanteur dans la partie la plus basse de la surface du fond permet de concentrer l'alliage FeSi dans un seul endroit. Le fait de disposer l'injecteur contre la partie du fond à l'angle d'inclinais-n maximum par rapport à l'horizontale permet d'assirer une pénétration efficace des particules solides de l'agent réducteur dans les scories en fusion. La vitesse élevée d'écoulement des scories permet d'assurer leur étalement en couche mince sur la surface de cette partie du fond et une introduction uniforme de l'agent réducteur solide dans les scories fondues. Il est préférable de réaliser le fond du bain de réduction de scories de manière qu'il comprenne des parties inclinées convergeant sur le décanteur. Il est avantageux que l'angle d'inclinaison, par rapport à l'horizontale, de ces parties en pentes conver- gentes,soit essentiellement de 2 à 5 degrés. Il est désirable de prévoir une troisième partie inclinée essentiellement de 20 à 30 degrés par rapport à l'horizontale avant la partie du fond la plus proche de l'entrée du bain de réduction de scories. La réalisation des parties du fond en pentes conver- gentes à faible inclinaison par rapport l'horizontale (2 à 5 degrés) permet d'obtenir une durée maximale de séjour des scories et des vitesses minimales d'écoulement des scories au-dessus de la partie du fond, o se trouve le décanteur. Une inclinaison nettement plus grande de la troisième partie du fond (20 à 30 degrés par rapport à l'horizontale) contribue à une agitation plus intense du courant de scories à la limite de joint de raccord avec la partie à faible angle d'inclinaison par rapport à l'horizontale (2 à 5 degrés). Grâce aux solutions ci-dessus exposées, il est devenu possible d'élever le degré de réduction du ferrosi- liciJm des scories par rapport aux foyers connus. Dans le foyer selon l'invention, la chaleur accumulée par les scories en fusion est utilisée au cours des processus de réduction et de séparation des produits de récupération. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation d'un foyer à combus- tible solide en se référant au dessin annexé représentant schématiquement le foyer réalisé selon l'invention, en coupe longitudinale. Le foyer selon l'invention comprend une chambre de combustion 1 et une chambre à scories 2 dotée d'un trou de scories 3. La chambre à scories 2 communique avec un canal 4 d'évacuation des scories fluides. Le canal 4 communique avec un bain 5 de réduction des scories. Le bain 5 de réduction des scories est un récipient isotherme dont la voûte 6 et le fond 7 sont dotés d'un revêtement réfractaire. Le bain 5 de réduction des scories est doté d'un orifice d'entrée 8 communiquant avec le canal 4 et d'un orifice de sortie 9 pour l'évacuation des scories traitées. Le fond 7 du bain de réduction de scories comprend des parties 10 et 11 à pentes convergentes. Les angles d'inclinaison P et_ des parties 10 et 11 à pentes convergentes du fond 7 sont essentiellement de 3,5 par rapport à l'horizontale. Selon d'autres modes de réalisation de la présente invention, ces angles de 2 à 5 . Si ces angles sont inférieures à 2 , l'écoulement des scories fondues est plus difficile du fait de la faible charge potentielle de la pente du fond 7. Lorsque ces angles sont supérieurs à 5 , l'écoulement entraîne les gouttelettes sphériques de ferro-alliage réduit vers l'orifice de sortie 9. La masse de ferrosilicium récupérée s'en trouve diminuée, alors que les pertes en ce produit augmentent. Lorsque les angles d'inclinaison des parties et 11-sont de 3,5 degrés, la vitesse d'écoulement des scories en fusion est suffisante pour une réduction com- plète des oxydes, surtout des oxydes de fer. Une troisième partie 12 du fond 7 est prévue avant la partie 10 du fond 3 la plus proche de l'orifice d'entrée 8 du bain 5 de réduction des scories. Cette partie 12 a un angle d'inclinaison 9 par rapport à l'hori- zontale essentiellement égal à 25 . Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, cet angle X peut être essentiellement de 20 à 30 . L'angle d'inclinaison a été choisi de manière à obtenir la vitesse voulue d'écoulement du film de scories sur la partie 12 du fond 7. Lorsque l'angle d'inclinaison est supérieur à 300, l'épaisseur du film de scories est trop faible et l'écou- lement risque de devenir discontinu. Cela peut conduire à l'encrassement de la partie 12 et à des irrégularités d'introduction de l'agent réducteur par suite de la formation de dépôts de scories saturées en carbures à haute température de fusion. Lorsque l'angle d'inclinaison i est inférieur à degrés, l'épaisseur de la couche de scories s'écoulant sur ladite partie du fond 7 augmente, alors que la vitesse d'écoulement diminue. La surface des scories se couvre d'une couche de l'agent réducteur, la température des scories s'abaisse, alors que la viscosité de la masse en fusion augmente.Cela conduit à la formation de dépôts de scories solidifiées et à l'obstruction de l'orifice de sortie 8 du bain 5 de réduction de scories. Lorsque l'angle d'inclinaison 9 de la troisième partie 12 du fond 7 est essentiellement de 25 par rappqrt à l'horizontale, la vitesse d'écoulement de scories fondues et l'épaisseur du film de scories fondues deviennent conformes à la vitesse d'introduction de l'agent réducteur. Selon d'autres modes de réalisation de la présente invention, le fond 7 du bain de réduction de scories peut être réalisé de manière à avoir n'importe quels angles d'inclinaison par rapport à l'horizontale, variables à partir de l'entrée vers la sortie. Ces angles d.,J, sont choisis en fonction de la viscosité des scories à une température donnée. Dans la partie la plus basse d.u fond 7 du bain 5 de réduction des scories, on a prévu un décanteur-13 doté d'un orifice 14 d'évacuation de l'alliage FeSi. La pro- fondeur croissante du bain 5 de réduction de scories près du décanteur 13 a pour effet de réduire la vitesse moyenne d'écoulement des scories dans cette zone. Cela permet à l'alliage fer-silicium de se déposer et de former une couche de ferrosilicium au fond du bain 5. La voûte 6 du bain 5 de réduction des scories est percée d'une ouverture 15 disposée contre la troisième partie 12 du fond 7. Dans cette ouverture 15 est placé un injecteur 16 servant à diriger un agent réducteur solide pulvérisé vers la surface du film de scories recouvrant cette partie 12 du fond 7. Cet agent réducteur pénètre dans la surface des scories et se mélange bien avec celles-ci grâce à la turbulence de l'écoulement des scories. Le fait de disposer l'injecteur 16 contre la partie 12 à l'angle d'inclinaison i maximum par rapport à l'horizontale permet de bénéficier de la force du mouvement dynamique des particules de l'agent réducteur pour les faire pénétrer dans la couche de scories. Les produits de combustion sont alors évacués vers le foyer par le trou de scories 3, en communiquant une chaleur supplémentaire aux scories descendant de la chambre à scories 2. La chambre de combustion 1 est dotée de brûleurs 17 pour l'amenée d'un combustible solide pulvérisé mélangé de comburant. Le fonctionnement du foyer à combustible solide est le suivant. La chambre de combustion 1 reçoit un mélange combus- tible solide-comburant par les brûleurs 17. Au cours de la combustion du combustible solide pul- vérisé dans la chambre de combustion 1, il se forme des scories en fusion. Celles-ci s'écoulent sur les parois de la chambre à scories 2, s'accumulent dans sa partie infé- rieure et descendent par le trou de scories 3 vers le canal 4 d'évacuation des scories. Descendant ensuite vers le fond incliné 12 du bain 5 de réduction des scories, les scories s'étalent en un film mince à la surface de bcette troisième partie 12 du fond 7. Un agent réducteur pulvérisé, par exemple du carbone, du graphite, du coke granulé, est dirigé vers le film de scories par l'injecteur 16. A la surface de l'agent réducteur entouré de scories se produit une réaction de réduction du fer et du silicium qui forment un alliage fer-silicium (FeSi). Le fait de réaliser le fond 7 en trois parties 12, 10 et ll donne assez de temps pour obtenir des produits finis de la,réaction de réduction. Le processus se déroule à une température élevée, de l'ordre de 1500 à 1600 C. Les gouttes de ferrosilicium dont la densité est supérieure à celle des scories, descendent par gravité au fond 7 et s'accumulent dans le décanteur 13. Au fur et à mesure de l'accumulation du ferrosilicium dans le décanteur 13, on l'évacue par l'orifice 14 d'évacuation de l'alliage (FeSi). Les scories recouvrant la couche de ferrosilicium continuent leur mouvement, pour être évacuées du bain 5 de réduction de scories par l'orifice de sortie 9. La présente invention permet donc, grâce au fait que le processus de production de chaleur et d'électricité est réuni au processus de réduction, d'élever le degré de réduction du ferrosilicium de scories et d'approvisionner ainsi la sidérurgie en ce produit de nécessité. En outre, la suppression de fer dans les scories donne de plus larges possibilités d'utilisation de celles-ci dans l'industrie du bâtiment. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Foyer de chaudière à combustible solide du type comprenant une chambre de combustion comportant dans sa partie inférieure, une chambre à scories dotée d'un trou de scories communiquant avec un canal d'évacuation des scories fluides, et un injecteur pour l'introduction d'un agent réducteur dans les scories, caractérisé en ce qu'il comprend également un bain (5) de réduction des scories communiquant avec le canal (4) d'évacuation des scories fluides et dont le fond (7) est réalisé de manière à avoir un angle d'inclinaison par rapport à l'horizontale variable à partir de l'entrée vers la sortie et un décanteur (13) est prévu dans la partie la plus basse-du fond (7), l'injecteur (16) pour l'introduction d'un agent réducteur dans les scories étant placé dans la voûte (6) du bain (5) contre la partie (12) du fond (7) ayant l'angle d'inclinaison maximum par rapport à l'hori- zontale. 2. Foyer de chaudière selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond (7) du-bain (5) est réalisé de manière à avoir des parties (10, 11) aux pentes convergentes vers le décanteur (13). 3. Foyer de chaudière selon la revendication 2, carac- térisé en ce que l'angle d'inclinaison des parties (10,11) aux pentes convergentes est de 2 à 5 degrés. 4. Foyer de chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une troisième partie (12) à un angle d'inclinaison de 20 à 30 degrés par rapport 'à l'horizontale est prévue avant la partie (10) du fond (7) la plus proche de l'entrée du bain (5) de réduction des scories.