Brevet FR2660215A1 — publié le 19911004

Lance de dispersion de pulpe La présente invention concerne un dispositif destiné à projeter et à disperser une pulpe au moyen d'un gaz moteur Ce dispositif est appelé ici "lance" parce qu'il présente typiquement, quoique non nécessai- rement, une forme allongée. On définit par pulpe un produit liquide ou pâteux obtenu par le mélange de produits solides et liquides, plus éventuellement d'additifs destinés à diminuer la viscosité, et tel que sa mise en mouvement est possible à l'aide de pompes Ce peut être notamment une poudre de charbon additionnée d'eau et projetée par la lance dans une chaudière afin d'y être brûlée. La caractéristique d'une pulpe est qu'il s'agit d'un produit souvent très visqueux ou pâteux et le plus souvent très abrasif, qui se manipule avec difficultés à l'aide de pompes généralement du genre pompes à béton, et qui ne peut être pulvérisé, de ce fait, avec les mêmes méthodes que celles utilisées pour des fluides moins visqueux tels que l'eau ou le fioul par exemple En particulier, la vitesse avec laquelle la pulpe est véhiculée est généralement comprise entre 0,1 et 2 m/sec. Une première lance de projection de pulpe connue comporte les éléments suivants qui lui sont communs avec une lance selon la présente invention: un tube central pour transporter une pulpe, un manchon entourant ce tube en formant un conduit annulaire qui est alimenté en un gaz moteur sous pression, et des orifices de dispersion traversant la paroi de ce tube pour y introduire le gaz moteur. Les jets gazeux ainsi formés dispersent et accélèrent la pulpe afin que celle-ci forme un jet en sortie de ce tube Dans cette première lance connue ils sont radiaux Ils désagrègent la colonne de pulpe et lui impriment une forte vitesse axiale Ils créent ainsi un jet long et concentré Les résultats obtenus avec de telles lances se dégradent très vite dès que l'on diminue la teneur en eau et que la pulpe devient très visqueuse. On connaît également d'autres lances à pulpe injectant à leur 2- extrémité de l'air par un conduit annulaire Cet air est destiné à pénétrer dans le jet de pulpe et à le disperser Ces lances ne sont pas adaptées aux fortes viscosités, l'air ne pénétrant pas suffisamment dans la pulpe et on obtient un jet de pulpe mal dispersé. La présente invention a notamment pour but de permettre une dispersion plus efficace de la pulpe même dans le cas o la teneur de la pulpe en liquide est relativement faible. Et, dans ce but elle a notamment pour objet une lance qui comporte les éléments communs précédemment mentionnés et qui, par rapport à la première lance connue précédemment mentionnée, est caractérisée par le fait que certains des orifices de dispersion sont des orifices de mise en rotation présentant des axes obliques pour entraîner la pulpe en rotation rapide. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après comment la présente invention peut être mise en oeuvre, étant entendu que les éléments et dispositions mentionnés et représentés ne le sont qu'à titre d'exemples non limitatifs Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue d'ensemble en élévation d'une lance selon la présente invention. La figure 2 représente une vue en coupe axiale du nez constitué par un tronçon extrême amont de cette lance. La figure 3 représente une vue en bout de cette lance. Les figures 4, 5 et 6 représentent des vues en coupe transversale de cette lance selon des plans IV-IV, V-V et VI-VI de la figure 2. On va tout d'abord décrire de manière générale, en se référant à ces figures, diverses dispositions qui sont adoptées dans la lance donnée en exemple mais qui pourraient être réalisées de manières différentes. Certaines de ces dispositions sont connues Selon ces dispositions connues la lance comporte les éléments suivants: Un tube central 1 Un axe de ce tube constitue un axe de lance lc Il définit une direction longitudinale Des directions transversales, radiales et circonférentielles peuvent être définies en tout point par -3- rapport à cet axe La fonction de ce tube est de transporter une pulpe d'une entrée de pulpe l A formée d'un côté amont de ce tube à une sortie de lance 1 B formée d'un côté aval de ce tube. Un moyen d'alimentation en pulpe 12 pour alimenter cette entrée de pulpe. Un manchon 2 A entourant le tube central 1 et formant un conduit annulaire autour de ce tube. Un moyen d'alimentation en gaz 14 pour introduire un gaz moteur sous pression dans une partie amont de ce conduit annulaire. Des orifices de dispersion 3, 4 sont répartis circonférentiellement et traversent la paroi du tube central 1 Ils introduisent le gaz moteur dans ce tube à partir du conduit annulaire de manière à disperser et à accélérer la pulpe afin que celle-ci forme un jet en sortie de ce tube. D'autres dispositions sont nouvelles Certaines de ces dispositions nouvelles visent surtout à améliorer la dispersion de la pulpe en sortie de la lance Ce sont les suivantes: Certains au moins des orifices de dispersion sont des orifices de mise en rotation 4 Ils sont répartis circonférentiellement et présentent, respectivement, des longueurs suffisantes pour former, à partir du gaz moteur, des jets de mise en rotation dirigés et centrés sur des axes de ces orifices Ces axes sont obliques Plus précisément ils présentent, par rapport aux directions radiales de la lance, et dans des plans transversaux de la lance, des composantes d'inclinaison suffisantes pour qu'une composante circonférentielle de la vitesse des jets de mise en rotation entraîne la pulpe en rotation rapide dans le tube central Ces orifices sont suffisamment proches de la sortie de lance pour que cette rotation rapide subsiste à cette sortie et épanouisse le jet de pulpe en lui donnant une forme conique. La lance comporte deux séries d'orifices de dispersion L'une est une série de désagrégation constituée d'orifices de désagrégation 3 percés à distance de la sortie de lance 1 B pour que le gaz moteur forme des jets de désagrégation vers l'axe de lance 1 C L'autre est une série de mise en rotation formée en aval de la série de désagrégation et constituée par les orifices de mise en rotation 4. Les axes 4 A des orifices 4 passent au moins deux fois plus loin de 4- l'axe de lance 1 C que des axes 3 A des orifices de désagrégation 3. Ils sont tangents à un cylindre 4 B qui est coaxial au tube central 1 et qui présente un rayon compris entre 16 % et 75 % d'un rayon interne de ce tube. La série de désagrégation 3 est séparée de la série de mise en rotation 4 par une distance axiale comprise entre 20 % et 400 % du rayon interne du tube central 1. La série de mise en rotation 4 est séparée de la sortie de lance 1 B par une distance axiale comprise entre 40 % et 200 % du rayon interne du tube central 1. Le rapport des débits massiques du gaz moteur et de la pulpe à disperser est compris entre 0,005 (cinq millièmes) et 0,4 (quatre dizièmes). D'autres dispositions nouvelles visent surtout à limiter la perte de charge dans le tube central Ce sont les suivantes: La lance comporte une série d'orifices de décollement 5 traversant la paroi du tube central 1 en amont des orifices de dispersion 3, 4 Ces orifices de décollement permettent à un débit limité de gaz moteur de pénétrer dans ce tube à partir du conduit annulaire 2 et d'y former une gaine gazeuse contre la surface interne de ce tube Cette gaine gazeuse entoure la pulpe jusqu'aux orifices de dispersion ou, plus particulièrement, jusqu'aux orifices de désagrégation 3 Elle facilite l'écoulement du flux de pulpe dans ce tronçon de la lance. Pour cela la distance axiale des orifices de décollement ( 5) aux orifices de dispersion ( 3) est comprise entre 20 % et 400 % du rayon interne du tube central ( 1). La section de passage globale présentée au gaz moteur par les orifices de décollement 5 est inférieure à 40 % et de préférence à 10 % de celle présentée par les orifices de dispersion 3 et 4. Les orifices de décollement 5 présentent, respectivement, des longueurs suffisantes pour former, à partir du gaz moteur, des jets de décollement dirigés et centrés selon des axes 5 A de ces orifices Ces axes sont obliques et présentent, par rapport aux directions radiales de la lance, des inclinaisons suffisantes pour que les jets de décollement ne pénètrent que modérément dans la colonne de pulpe qui s'écoule dans _ 5 _ le tube central 1. Ils sont tangents à un cylindre 5 B qui est coaxial au tube central 1 et qui présente un rayon au moins égal à 70 % d'un rayon interne de ce tube. L'efficacité de ces dispositions tient au fait que les jets de désagrégation tendent à gêner plus particulièrement l'écoulement de la pulpe dans le tronçon du tube central situé en amont La présence d'une gaine gazeuse dans ce tronçon empêche cette gêne. On va maintenant décrire plus particulièrement la lance donnée en exemple. Elle est constituée d'un tube central cylindrique 1 ayant un rayon interne de 32,5 mm et une épaisseur de 5 mm, et d'un conduit annulaire concentrique 2 qui est fermé sur l'extrémité du tube 1, complètement ou avec un faible jeu, et qui forme par un manchon 2 A fixé sur le tube 1. La pulpe circule dans le tube central 1 sous une pression de 5000 pascals fournie par une pompe 12 qui constitue ledit moyen d'alimentation en pulpe Le gaz moteur circule dans le conduit annulaire 2 Il est constitué par de l'air qui est comprimé par un compresseur 14 qui fournit une pression de 30 000 pascals et qui constitue ledit moyen d'alimentation en gaz Il est injecté dans la pulpe à l'extrémité de la lance par trois séries d'orifices calibrés, 3, 4 et 5 débouchant dans le tube central Chacune de ces séries est formée d'orifices répartis circonférentiellement dans un plan transversal. Une série d'orifices 3 constitue les orifices de désagrégation. Elle est destinée à injecter le gaz moteur à l'intérieur de la colonne de pulpe de façon à la désagréger Les axes de ces orifices sont de préférence radiaux tout au moins ou orientés de façon à pénétrer à l'intérieur d'un cylindre fictif concentrique au conduit de pulpe, et de rayon inférieur ou égal au 1/3 de celui du tube central Ces orifices ont par exemple un diamètre de 6,5 mm et sont au nombre de 5. Une autre série d'orifices 4 constitue les orifices de mise en rotation Elle est destinée à injecter le gaz moteur tangentiellement au flux de pulpe Le gaz imprime alors à la pulpe une vitesse de rotation élevée et crée un film de pulpe sur la surface intérieure du tube central 1 Ce film de pulpe va éclater et s'épanouir en forme de cône en -6- quittant l'orifice de sortie 1 B de la lance Les axes 4 A de ces orifices sont tangents à un cercle fictif 4 B de rayon compris entre 3/4 et 1/6 du rayon du tube central 1 Ces orifices ont par exemple un diamètre de 6,5 mm et sont au nombre de 10 Une série d'orifices de décollement 5 est rajoutée afin de créer une gaine mince de gaz autour de la pulpe pour faciliter son écoulement. Ces orifices sont disposés en amont des séries de désagrégation et de mise en rotation Ils ont par exemple un diamètre de 3 mm et sont au nombre de 6. Leurs axes sont tangents à un cercle fictif dont le rayon est égal ou supérieur à 0,7 fois le rayon interne du tube central. De façon à éviter que des particules de pulpe ne s'accrochent ou ne gouttent au nez de la lance, un jeu 6 est maintenu entre l'extrémité du manchon 2 A et le tube central 1 Ce jeu est compris entre 0,01 fois et 0,1 fois le rayon intérieur du tube central. Le jet de gaz passant par ce jeu est destiné à projeter au loin les éventuelles gouttes de pulpe Ce jeu n'est maintenu qu'en partie basse de la lance lorsque celle-ci est en position horizontale ou proche de l'horizontale et s'étend alors sur un arc dont l'angle au centre est d'au moins 60 degrés. La présente invention est particulièrement adaptée à l'injection de pulpe de charbon ou de matière carbonéee dans des foyers de chaudière à lit fluidisé car, grâce à la vitesse de rotation imprimée à la pulpe par le gaz moteur, elle développe un jet avec une dispersion importante et permet une bonne répartition de la pulpe dans le foyer de la chaudière. L'extrémité de cette lance est alors exécutée soit en acier réfractaire, soit en céramique pour limiter les usures dues à la température et à l'abrasion par les particules solides de la pulpe. Bien que la lance donnée en exemple ait été destinée à une injection de pulpe dans une chaudière à lit fluidisé sous pression atmosphérique, l'invention s'applique également à une injection dans des enceintes sous pression et en particulier, dans des lits fluidisés ou des gazéifieurs sous pression. Le débit total de pulpe est par exemple de 20 m 3/h et le débit d'air de 700 m 3/h. La pulpe présente par exemple une viscosité telle que, dans un tuyau de diamètre 100 mm, la perte de charge à un débit de 10 m 3/h, soit comprise entre 100 à 20 000 pascals. -8 - REVENDICATIONS 1/ Lance de dispersion de pulpe caractérisée par le fait qu'un tube central ( 1) conduisant la pulpe est percé d'orifices de mise en rotation ( 5) y introduisant des jets gazeux obliques pour entraîner la pulpe en rotation. 2/ Lance selon la revendication 1, comportant un tube central ( 1) s'étendant longitudinalement selon un axe de lance (IC) pour transporter une pulpe d'une entrée de pulpe (l A) formée d'un côté amont de ce tube à une sortie de lance ( 1 B) formée d'un c 8 té aval de ce tube, un moyen d'alimentation en pulpe ( 12) pour alimenter cette entrée de pulpe, un conduit de gaz ( 2), un moyen d'alimentation en gaz ( 14) pour introduire un gaz moteur sous pression dans une partie amont de ce conduit de gaz, et des orifices de dispersion ( 3, 4) traversant la paroi du tube central pour introduire le gaz moteur dans ce tube à partir du conduit de gaz de manière à disperser et à accélérer la pulpe afin que celle-ci forme un jet en sortie de ce tube, cette lance étant caractérisée par le fait que certains au moins des orifices de dispersion sont des orifices de mise en rotation ( 4) répartis circonférentiellement et présentant, respectivement, des longueurs suffisantes pour former, à partir du gaz moteur, des jets de mise en rotation dirigés et centrés sur des axes ( 4 A) de ces orifices, ces axes étant obliques et présentant, par rapport aux directions radiales de la lance, et dans des plans transversaux de la lance, des composantes d'inclinaison suffisantes pour qu'une composante circonférentielle de la vitesse des jets de mise en rotation entraîne la pulpe en rotation rapide dans le tube central ( 1) jusqu'à la sortie de lance ( 1 B). 3/ Lance selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux séries d'orifices de dispersion qui sont une série de désagrégation constituée d'orifices de désagrégation ( 3) percés à distance de la sortie de lance ( 1 B) pour que le gaz moteur forme des jets de désagrégation vers l'axe de lance ( 1 C), et une série de mise en _ 9- rotation formée en aval de la série de désagrégation et constituée par les orifices de mise en rotation ( 4). 4/ Lance selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les axes ( 4 A) des orifices de mise en rotation ( 4) passent au moins deux fois plus loin de l'axe de lance (-C) que des axes ( 3 A) des orifices de désagrégation ( 3). / Lance selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les axes ( 4 A) des orifices de mise en rotation ( 4) sont tangents à un cylindre ( 4 B) qui est coaxial au tube central ( 1) et qui présente un rayon compris entre 16 % et 75 % d'un rayon interne de ce tube. 6/ Lance selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la série de désagrégation ( 3) est séparée de la série de mise en rotation ( 4) par une distance axiale comprise entre 20 % et 400 % du rayon interne du tube central ( 1). 7/ Lance selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la série de mise en rotation ( 4) est séparée de la sortie de lance ( 1 B) par une distance axiale comprise entre 40 % et 200 % du rayon interne du tube central ( 1). 8/ Lance selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le rapport des débits massiques du gaz moteur et de la pulpe à disperser est compris entre 0,005 (cinq millièmes) et 0,4 (quatre dizièmes). 9/ Lance selon la revendication 2, présentant un axe ( 1 C) s'écartant de la verticale, et caractérisée par le fait qu'un intervalle de sortie axiale de gaz moteur ( 6) est formé extérieurement à l'extrémité du tube central ( 1) sur une partie inférieure seulement de la circonférence de ce tube. / Lance selon la revendication 9, caractérisée par le fait que l'intervalle de sortie ( 6) s'étend sur un arc d'au moins 60 degrés.