Brevet FR2658589A1 — publié le 19910823

Procédé d'alimentation d'un foyer de chaudière en charbon pulvérisé et en air, séparateur pour la mise en oeuvre de ce procédé, et dispositif d'alimentation en charbon pulvérisé et en air d'un foyer de chaudière selon ce procédé La présente invention concerne un procédé d'alimentation d'un foyer de chaudière en air et en charbon pulvérisé à partir de charbon humide, dans lequel on broie du charbon humide et le sèche par mise en suspension dans de l'air chaud, on sépare par centrifugation le mélange d'air et de charbon pulvérisé issu du broyeur en une fraction d'air chargé de particules de charbon finement pulvérisé, qui forme l'air primaire d'introduction du charbon dans le foyer, et en particules de charbon plus grossières, qui sont ramenées au broyeur. Elle s'étend en outre à un séparateur pour la mise en oeuvre de ce procédé, et à un dispositif d'alimentation d'un foyer de chaudière comportant un tel séparateur. On sait que pour l'alimentation des foyers de chaudières à charbon pulvérisé, on soumet le charbon à un broyage, puis à une mise en suspension dans de l'air chaud qui assure son séchage. Lorsque le charbon est très humide, il nécessite des quantités très importantes d'air de séchage, de sorte la proportion de charbon pulvérisé par rapport à l'air d'entraînement qui constitue l'air primaire de combustion est trop faible. La proportion d'air primaire introduite dans le foyer avec le charbon pulvérisé est trop élevée par rapport à celle correspondant à une combustion satisfaisante. I1 apparaît donc facilement dans le foyer des instabilités de flamme, et l'on ne peut faire fonctionner le foyer au-dessous d'une puissance calorifique minimale trop proche de sa puissance nominale, ce qui oblige à recourir alors à d'autres combustibles plus coûteux. La demanderesse a mis au point un dispositif d'enrichissement en particules de charbon, dit "enrichisseur", disposé dans les tuyauteries d'amenée de charbon pulvérisé en suspension dans l'air primaire de combustion aux brûleurs du foyer à proximité de ces derniers, qui permet de ramener le rapport charbon pulvérisé/air primaire de combustion à des valeurs compatibles avec une bonne combustion dans le foyer et une faible émission d'oxydes d'azote. Un tel dispositif est toutefois soumis à une usure assez rapide par érosion par les particules de charbon, et introduit une perte de charge non négligeable sur l'air primaire de combustion. La présente invention a pour but de procurer un procédé d'enrichissement en charbon pulvérisé de l'air primaire de combustion qui n'entraîne ni usure d'un organe mécanique, ni perte de charge notable. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on sépare en outre au cours de la centrifugation du mélange d'air et de charbon pulvérisé issu du broyeur une fraction d'air sensiblement exempte de particules de charbon, qui n'est pas introduite dans le foyer au même niveau que le mélange d'air primaire de combustion et de charbon. On introduit alors la fraction d'air sensiblement exempte de particules de charbon dans le foyer à un niveau plus élevé que les brûleurs et les orifices d'introduction d'air secondaire, ce qui a pour effet de diminuer les émissions d'oxydes d'azote, ou bien l'on évacue cet air à l'atmosphère après dépoussièrage. Le séparateur selon l'invention, qui effectue de manière connue la centrifugation de l'air chaud chargé de particules de charbon en air primaire de combustion contenant des particules de charbon de finesse suffisante pour leur injection dans un foyer de chaudière à charbon pulvérisé et en particules grossières à soumettre à un broyage complémentaire, constitué par un récipient de forme générale tronconique à introduction tangentielle de l'air chaud à séparer, comportant dans sa partie supérieure au moins un orifice d'évacuation d'air primaire de combustion riche en charbon pulvérisé et dans sa partie inférieure un orifice d'évacuation de particules de charbon grossières à recycler au broyeur, est caractérisé en ce qu'il comporte en outre dans sa partie supérieure un orifice axial d'évacuation d'air sensiblement exempt de particules de charbon. Le dispositif d'alimentation en air d'un foyer de chaudière selon le procédé défini ci-dessus comporte au moins un broyeur, au moins un séparateur comme défini ci-dessus, des tuyauteries d'alimentation des brûleurs du foyer en charbon pulvérisé et air primaire, et au moins une tuyauterie d'évacuation du séparateur d'air sensiblement exempt de charbon pulvérisé vers des busettes situées dans le foyer au-dessus des brûleurs à charbon pulvérisé (ici nommées OFA) ou vers l'atmosphère. De préférence, la tuyauterie d'évacuation du séparateur d'air sensiblement exempt de charbon est munie d'une vanne de réglage du débit relatif d'air qui la parcourt. Le procédé, le séparateur et le dispositif d'alimentation de l'invention permettent de régler la vitesse de l'air chargé de charbon pulvérisé, qui doit être sensiblement constante pour éviter les dépôts de poussières, en fonction du débit de charbon du broyeur, en fermant l'orifice axial de sortie du séparateur aux faibles débits, et en l'ouvrant en grand pour les débits élevés. Ils permettent de remplacer le réseau de tuyauteries de by-pass du broyeur, utilisé actuellement pour assurer cette régulation de vitesse. Ils sont particulièrement avantageux dans le cas de charbon très humides, qui nécessitent de grandes quantités d'air pour leur séchage. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures schématiques du dessin annexé, un séparateur par centrifugation selon l'invention, et les principales connexions d'une batterie de tels séparateurs avec un foyer de chaudière. La figure l représente un séparateur par centrifugation en coupe par un plan diamétral. La figure 2 représente une batterie de tels séparateurs et leurs conduits de connexion avec les brûleurs d'un foyer de chaudière et vers les busettes OFA. Dans la figure 1, le séparateur est relié au conduit 1 d'évacuation du broyeur d'air chargé de charbon broyé. Sa virole externe 2 de forme tronconique se termine par une zone supérieure cylindrique 3 fermée par une plaque horizontale 4. A l'intérieur de la virole 2 est disposée une virole interne 5 également tronconique séparée de la cloison 4 par un passage circulaire 6. Des aubes obliques 7 servent à imprimer à l'air chargé de poussière de charbon un mouvement tourbillonnaire. La plaque de fermeture 4 est percée d'un orifice axial 8 et d'orifices latéraux, par exemple quatre orifices latéraux dont seuls deux 9, 10 sont visibles, répartis sur une circonférence. L'accès au tube axial 11 débouchant dans l'ouverture axiale est limité par un déflecteur conique 12. De courtes tubulures 13, 14 débouchent dans les orifices latéraux 9, 10. Le fond de la virole interne comporte un orifice 15 d'évacuation des grains de charbon relativement gros pour leur retour au séparateur. Un déflecteur 16 limite également l'accès à cet orifice. Enfin un déflecteur 17 divise le courant de particules de charbon retombant vers le broyeur. Le fonctionnement du séparateur est le suivant. Le courant d'air chaud chargé de particules de charbon s'élève dans le conduit 1, puis dans l'intervalle entre les viroles externe 2 et interne 5, comme représenté par les flèches. Les aubes obliques 7 impriment à l'air chargé de particules un mouvement tourbillonnaire, qui entraîne un enrichissement en grains de charbon relativement gros sur le pourtour, les grains de charbon plus fins se concentrant dans une zone intermédiaire et la zone axiale étant pratiquement exempte de charbon pulvérisé. Les grains de charbon les plus grossiers s'écoulent vers le bas le long de la paroi interne de la virole interne, sortent par l'orifice 15, et, déviés par le déflecteur 17, retombent dans un chemin périphérique 18 d'où ils retournement au broyeur. Il s'évacue par ailleurs dans le haut du séparateur, par l'intervalle entre le bord inférieur du conduit 11 et le déflecteur 12, puis par l'ouverture 8 et ce conduit 11, une fraction axiale d'air dont la teneur en particules de charbon est négligeable. Des fractions d'air primaire chargé de particules de charbon s'évacuent par ailleurs par les tubulures telles que 13 et 14. Ces fractions d'air riches en charbon pulvérisé sont envoyées à des brûleurs différents du foyer de la chaudière, comme on va le voir par la figure 2, l'air chargé de particules fines de charbon se rendant aux brûleurs du foyer, et l'air de teneur négligeable en particules de charbon à des busettes différentes, situés à un niveau plus élevé que les autres. On a ainsi obtenu au cours d'essais préliminaires de tels séparateurs un débit de charbon dans la tuyauterie d'évacuation axiale 8 fois plus faible que celui des autres tuyauteries. De la sorte, le rapport débit d'air/débit de charbon, initialement de 4,8 kg d'air par Kg de charbon, passait à 3,9 Kg d'air par Kg de charbon dans les tuyauteries d'évacuation latérales et à 32 kg d'air/Kg de charbon dans la tuyauterie d'évacuation axiale lorsque celle-ci était mise en opération. Les fractions d'air primaire évacuées par les tuyauteries latérales étaient donc notablement enrichies en charbon et l'air évacué par l'ouverture axiale très appauvri en particules de charbon (présence d'environ 30g de charbon par mètre cube d'air). La figure 2 représente schématiquement un foyer de chaudière de section droite carrée, muni dans ses angles de 4 rangées de brûleurs étagés, et au-dessus de ceux-ci de busettes alimentées en air sensiblement exempt de charbon, et ses liaisons avec les séparateurs d'une batterie de 4 broyeurs 21, 22, 23, 24, munis chacun de deux séparateurs repérés A et B. Les niveaux des brûleurs étagés ont été repérés 1, 2, 3 et 4. Seules quelques-unes des multiples tuyauteries de liaison entre les séparateurs et les brûleurs ont été représentées pour plus de clarté. Par exemple, le séparateur 21A associé au broyeur 21 est muni d'une tuyauterie 21D d'évacuation axiale d'air sensiblement exempt de particules de charbon. Cette tuyauterie comporte une trappe d'isolement 21D et une vanne de réglage 21E, destinée à ajuster le débit relatif passant à travers cette tuyauterie par rapport à ceux passant dans les tuyauteries d'évacuation d'air primaire chargé de charbon pulvérisé, telles que 21F, munie d'une trappe d'isolement 21G. La tuyauterie 21C alimente conjointement avec la tuyauterie 22C à vanne de réglage 22E, provenant du séparateur 22A, une busette disposée dans l'angle I du foyer, au-dessus des brûleurs alimentés en particules de charbon, et repérée par le carré 1A, 2A. Des tuyauteries analogues reliées aux séparateurs 21B, 22B, 23A, 24A et 23B, 24A, alimentent de manière analogue en air des busettes disposées dans les autres angles II, III, IV du foyer au-dessus des brûleurs alimentés en air primaire chargé de charbon pulvérisé. Le séparateur 21A est relié en outre à quatre tuyauteries d'évacuation d'air primaire chargé de poussière de charbon, reliées à quatre orifices disposés en cercle autour de l'orifice central (ces tuyauteries ont été représentées échelonnées sur la figure pour montrer leur nombre, mais elles sont équidistantes de la tuyauterie axiale au voisinage des ouvertures d'évacuation du séparateur). Leur nombre peut bien entendu être modifié. Une tuyauterie telle que 21F est reliée, conjointement avec une tuyauterie 21H issue du séparateur 21B, à deux brûleurs repérés par le rectangle lA-lB, disposés au premier niveau à partir du bas des brûleurs à charbon pulvérisé étagés dans l'angle I du foyer. Trois groupes de tuyauteries analogues alimentent des brûleurs au même étage. De la même manière, d'autres tuyauteries issues des séparateurs alimentent en air primaire chargé de charbon pulvérisé des brûleurs étagés représentés par les carrés 2A-2B, 3A-3B et 4A-4B, aux niveaux successifs supérieurs des angles du foyer. Bien entendu, l'on peut aussi décider d'évacuer à l'atmosphère tout ou partie de l'air issu des tuyauteries axiales, éventuellement après filtration de la quantité résiduaire de particules de charbon. REVENDICATIONS 1/ Procédé d'alimentation d'un foyer de chaudière en air et en charbon pulvérisé à partir de charbon humide, dans lequel on broie du charbon humide et le sèche par mise en suspension dans de l'air chaud, on sépare par centrifugation le mélange d'air et de charbon pulvérisé issu du broyeur en une fraction d'air chargé de particules de charbon finement pulvérisé, qui forme l'air primaire d'introduction du charbon dans le foyer, et en particules de charbon plus grossières, qui sont ramenées au broyeur, caractérisé en ce que l'on sépare en outre au cours de la centrifugation une fraction d'air sensiblement exempt de particules de charbon, qui n'est pas introduite dans le foyer au même niveau que le mélange d'air primaire de combustion et de combustible. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit la fraction d'air sensiblement exempt de particules de charbon dans le foyer à un niveau plus élevé que les brûleurs et les orifices d'introduction d'air secondaire. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on n'introduit pas la fraction d'air sensiblement exempt de particules de charbon dans le foyer. 4/ Séparateur par centrifugation d'air chaud chargé de particules de charbon en air primaire de combustion, chargé de particules de charbon de finesse suffisante pour leur injection dans un foyer de chaudière à charbon pulvérisé, et en particules de charbon grossières à soumettre à un broyage complémentaire, constitué par un récipient de forme générale tronconique (2) à introduction tangentielle (7) de l'air chaud chargé de particules de charbon, comportant dans sa partie supérieure au moins un orifice (9, 10) d'évacuation d'air primaire de combustion riche en charbon pulvérisé et dans sa partie inférieure un orifice (15) d'évacuation de particules de charbon grossières, caractérisé en ce qu'il comporte en outre dans sa partie supérieure un orifice axial (8) d'évacuation d'air sensiblement exempt de particules de charbon. 5/ Dispositif d'alimentation en air et en charbon pulvérisé d'un foyer de chaudière selon le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un broyeur, au moins un séparateur selon la revendication 4, des tuyauteries d'alimentation en air primaire et charbon des brûleurs à charbon pulvérisé du foyer, et au moins une tuyauterie d'évacuation du séparateur d'air sensiblement exempt de charbon pulvérisé vers des busettes du foyer au-dessus des brûleurs à charbon pulvérisé ou vers l'atmosphère. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la tuyauterie d'évacuation du séparateur d'air sensiblement exempt de charbon pulvérisé est munie d'une vanne de réglage du débit relatif d'air qui la parcourt.