Brevet FR2684170A1 — publié le 19930528

GRILLE DE COMBUSTION ET DE DECENDRAGE AIRAIN DE BARREAUX ROTATIFS DESCRIPTION A) Techniques de base à laquelle se rapporte l'invention: La présente invention concerne une grille destinée à équiper un foyer de chaudière ou un four d'incinération permettant de brûler tous types de matières combustibles ou semi-combustibles solides, et en particulier des déchets et mélanges divers tels que: bois, textile, papiers, paille, ordures ménagères, déchets de supermarchés, biomasse agricole, déchets industriels, etc... Ces matières à brûler posent en général deux difficultés majeures: non homogénéité du mélange se traduisant par un pouvoir calorifique et un taux d'humidité plus ou moins variables, mais aussi présence intempestive de corps étrangers incombustibles tels que métaux, verre, etc... II existe traditionnellement, en particulier dans la construction ancienne de certains gazogènes, des grilles de combustion constituées par des barreaux rotatifs avec soufflage d'air intégré qui présentent l'intérêt d'assurer simultanément une double fonction: - Alimenter de façon continue le foyer avec dosage et répartition de l'air primaire. - Eliminer régulièrement les résidus de combustion (décendrage). La grille selon l'invention est inspirée par ce type de grille dans sa conception initiale, mais tout en bénéficiant des avantages de base, se caractérise par des aptitudes à de nouvelles fonctions, par une certaine simplicité de conception, et par une fiabilité et une sécurité de fonctionnement accrues. B) Composition du dispositif selon l'invention: La figure 1 représente de façon schématique une vue en plan de la grille constituée par un ensemble de barreaux (1) identiques, à axes horizontaux, juxtaposés parallèlement, et reposant sur deux rails de roulement(2) situes aux extrémités. Les barreaux de section circulaire sont assemblés entre eux à leurs extrémités par de gros maillons de chaînes(3) pour constituer ainsi un train de barreaux. Le pas de la chaîne réalisée selon la figure 1 correspond à l'entraxe des barreaux. Afin d'assurer un déplacement latéral dans les deux sens du train de barreaux, les extrémités des deux chaînes sont raccordées à deux palonniers(4) reliés à deux vérins(5) hydrauliques ou pneumatiques à simple ou double effet couplés entre eux. Ceci permet de pouvoir effectuer un mouvement de va et vient régulier du train de barreaux sur les deux rails supports(2). A titre indicatif les dimensions approximatives d'un barreau (non définitivement fixées) peuvent être de l'ordre de 3 mètres de longueur et 0,3 mètre de diamètre. La figure 2 représente en élévation et en coupe l'extrémité d'un barreau qui pourra être réalisé creux et dans ce cas l'air de combustion sera distribué par un collecteur(6) qui pourra être fixe ou mobile, I'air étant introduit à l'extrémité de chaque barreau par l'intermédiaire d'un double cône sonique (7). Le principe du cône sonique consiste à la manière d'un venturi à augmenter la vitesse de l'air traversant un conduit par une réduction progressive de la section de passage, afin de créer un effet de pression dynamique dans le sens longitudinal du barreau diminuant ainsi la pression statique s'exercant transversalement et par voie de conséquence l'importance des fuites d'air. Ce système emporte ainsi un double avantage; d'une part d'utiliser l'effet de pression dynamique pour répartir l'air plus uniformément sur toute la longueur du barreau notamment dans la partie centrale théoriquement défavorisée; et d'autre part de réaliser une connexion par proximité non étanche entre le barreau mobile et le collecteur fixe. La liaison entre le barreau(1) et les maillons de chaîne(3) est constituée par un moyeu équipé d'une bague d'usure(8) à résistance au frottement a haute température. La figure 3 représente en coupe la section courante d'un barreau dont le profil extérieur est semblable à celui d' une roue à cliquet, qui comporte des dents(9) et dans le cas d'un barreau creux des orifices de soufflage(10) répartis de manière alternative et uniforme sur toute la périphérie du barreau. La figure 4 représente une coupe longitudinale du barreau avec un profil de denture régulier mais non rectiligne de façon à limiter les risques de coincement par d'éventuels corps étrangers. C) Différentes variantes de conception La présente invention basée sur le principe décrit précédemment comprend toutes les variantes de conception suivantes dont l'adoption dépendra de la taille globale de l'équipement, du type de matière à bruler, de la technique de fabrication, de la qualité des matériaux mis en oeuvre, et de l'automatisation ou non du dispositif: - L'assemblage des barreaux(1) constituant le train de barreau pourra être réalisé de toute autre manière en lieu et place du système à maillons de chaîne défini dans la figure 1, à condition que les barreaux puissent toujours tourner sur eux-mêmes selon leur axe principal. Peut être utilisé tel que défini par exemple dans la figure 9 un système de peigne mobile(1 4) qui pourrait se situé en dessous du niveau des rails(2) ou au dessus tel que précisé sur la figure.Plus simplement, suivant les exemples définis dans la figure 10 peut être utilisé tout dispositif(15) jouant le rôle d'entretoise entre les barreaux avec différentes possibilités en utilisant des pièces de frottement ou galets, simples ou multiples, montés libres assemblés entre eux pour constituer des ensembles flottants situés à l'extérieur ou éventuellement à l'intérieur des extrémités de barreaux. Selon la configuration choisie le déplacement du train de barreaux devra s'effectuer uniquement par traction ou compression de l'ensemble monté. - Les rails supports de roulement(2) pourront être augmentés en nombre, supporter la totalité des barreaux ou même des groupes de barreaux en définissant au préalable des bandes de roulement(1 1) affectées à chaque barreau ou chaque groupe de barreaux selon l'exemple du croquis défini dans la figure 6. - Les rails supports de roulement(2) pourront être positionnés horizontaux ou dans un plan incliné selon l'exemple du croquis défini dans la figure 7, tout en maintenant les axes des barreaux horizontaux, et dans ce cas le mouvement de va et vient du train de barreaux pourra être réalisé par l'intermédiaire d'un ensemble unique composé d'un palonnier(4) et d'un vérin (5), I'ensemble étant situé du coté le plus haut du train de barreaux. Le mouvement de rappel du train de barreau pouvant s'effectuer naturellement par gravité sous l'effet du poids du train de barreaux. En cas par exemple d'inclinaison insuffisante des rails supports(2) le mouvement de rappel pourra être accompagné par un système à un ou plusieurs ressorts(12) ou tout autre moyen mécanique hydraulique ou pneumatique produisant le même effet. - Les rails supports de roulement(2) au lieu d'être fixes pourront être mobiles selon croquis défini dans la figure 8, montés sur des patins de glissement ou des galets(13) montés fous autour de leur axe, les rails pouvant être déplacés selon leur axe longitudinal de la même manière que les chaînes(3) en utilisant les mêmes dispositifs que ceux décrits précédemment. Dans ce cas les extrémités des deux chaînes composant le train de barreaux seront raccordées sur un chassis fixe et le déplacement des rails fera tourner les barreaux sur eux-mêmes sans déplacement du train de barreaux. - Le ou les palonniers(4) pourront être supprimés et dans ce cas les vérins(5) seront raccordés directement aux extrémités des deux chaînes(2), I'action des vérins nécessitant d'être couplée et coordonnée de maniere à obtenir le mouvement désiré du train de barreaux. - Le ou les vérins(5) utilisés pourront être à simple ou double effet combiné ou non, suivant que l'on désir maintenir une tension ou une compression permanente ou intempestive sur les deux chaînes(3). - Les vérins pourront être hydrauliques ou pneumatiques et remplacés par tout dispositif mécanique pneumatique ou électrique produisant un mouvement de translation linéaire alternatif similaire du train de barreaux. - Les barreaux pourront être indifféremment pleins ou creux, selon que l'on désir alimenter en air de combustion au dessus ou en dessous de la grille par l'intermédiaire d'un réseau de distribution d'air indépendant, ou par l'intérieur des barreaux eux-mêmes. D) Avantages procurés par la grille selon l'invention La grille selon l'invention, outre des avantages certains et notoirement connus liés à la technique des barreaux rotatifs; tel en particulier l'amélioration de la tenue des matériaux grâce au refroidissement assuré par la circulation d'air à l'interieur des barreau, ainsi qu'une répartition très uniforme de l'air de combustion; présente de nombreuses caractéristiques nouvelles qui lui sont propres. Pour satisfaire aux multiples conditions permettant d'assurer une combustion la plus complète possible en réduisant le taux d'imbrûlés au niveau des cendres, il est souhaitable de créer tout d'abord un circuit de séchage préalable des matières à brûler au niveau du four, et ensuite d'alimenter régulièrement et uniformément le foyer en air de combustion primaire, d'assurer une bonne répartition et un brassage permanent des déchets à brûler en couche pas trop épaisse et uniforme, et enfin d'évacuer régulièrement et si possible automatiquement les résidus de combustion. La mise en rotation des barreaux par roulement sur des rails se distingue nettement par rapport au systeme sui consiste à les faire tourner sur des paliers supports situes aux extrémités. Cette mise en rotation des barreaux s'accompagnant d'un déplacement par rapport à une simple rotation sur eux-même selon un axe longitudinal fixe permet de réunir simultanément les meilleures conditions pour satisfaire à la combustion décrite précédemment. La création d'un effet dynamique permet en même temps que l'évacuation des cendres un brassage facilitant l'homogénéisation et l'aération de la couche en combustion, ce qui a pour effet d'améliorer l'activation du foyer et d'augmenter ainsi nettement la capacité thermique du four. Le profil extérieur asymétrique de la denture tel que présenté dans la figure 3, permet grâce à un mouvement de va et vient saccadé du train de barreaux, d'une part par un effet de hachoir de broyer les mâchefers qui ont habituellement tendance à former une couche dure difficile à évacuer en même temps que les cendres à travers les barreaux, et d'autre part par un effet de tapis roulant d'assurer le déplacement progressif à la partie supérieure du train de barreaux des éventuels corps étrangers incombustibles, jusqu'à leur évacuation en bout de grille. En cas de blocage d'un corps étranger quelconque entre deux barreaux, la sécurité est automatiquement assurée par le glissement des barreaux concernés sur les rails lors du déplacement du train de barreaux, ce qui permet de bénéficier d'un rôle de limiteur de couple du système. Grâce au profil asymétrique de la denture, le déplacement en sens inverse du train de barreaux va assurer automatiquement le déblocage. La mise en rotation des barreaux par roulement sur deux rails permet également d'éviter la mise en oeuvre de paliers supports de barreaux, qui constituent habituellement une difficulté de mise en oeuvre dans une ambiance difficile et corrosive à haute température. La section droite uniforme des barreaux permet d'éviter tout positionnement angulaire l'un par rapport à l'autre, et d'admettre par sécurité des écarts de rotation notamment par le jeu du glissement des barreaux sur les rails, et d'éviter ainsi d'avoir constamment la même surface de barreau exposée au feu et à l'abrasion. Ceci va contribuer à augmenter nettement la longévité et la durée de vie des barreaux. Un autre avantage du train de barreaux réside dans la facilité d'extraire pour réparation ou maintenance l'ensemble de la grille par simple roulement sur les deux rails supports sans adjonction d'un dispositif supplémentaire. Dans le cas de l'utilisation de barreaux creux, I'introduction de l'air à l'intérieur des barreaux s'effectue a vitesse élevée grâce à un cône sonique placé a chaque extrémité de barreau. Par effet dynamique on assure ainsi une répartition uniforme des débits sur toute la longueur du barreau et un meilleur équilibre aéraulique. L'utilisation d'un cône sonique permet d'éviter une liaison mécanique directe posant des difficultés à température élevée tout en minimisant les fuites d'air. Les fuites d'air occasionnées par le système lors du déplacement du train de barreaux ne présentent pas de difficultés attendu qu'elles ont l'avantage de permettre le refroidissement et le dépoussiérage des éléments mécaniques situés aux extrémités des barreaux. Le décendrage est assuré par un mouvement de va et vient assez rapide et plus ou moins fréquent suivant l'évolution de la combustion, la nature et les caractéristiques des déchets brûlés. La surface de grille peut être facilement modifiée par adjonction ou suppression d'un ou plusieurs barreaux par exemple à l'aide des maillons de chaîne. La facon qui consiste à assembler les barreaux par l'intermédiaire d'un système composé de maillons de chaîne est au départ avantageuse compte-tenu des températures élevées rencontrées ou tout élément rigide de grande longueur est à éviter à cause du risque de deformation. Le jeu de fonctionnement entre deux barreaux, qui pourra éventuellement être défini et ajusté en fonction de la nature du combustible brûlé, peut être réglé de façon permanente par modification de la longueur des maillons de chaîne utilises. Mais en cas de nécessité et si la nature et les caractéristiques des produits à brûler le justifient, un jeu entre les barreaux pourra aussi être réalisé utilement de manière intempestive, de manière à assurer un déblocage régulier du train de barreaux par simple variation de l'espace disponible entre les barreaux. Dans ce cas une modification technique simple consiste à réaliser des maillons de chaînes avec des trous non circulaires mais oblongs en forme de lumière horizontale formant moyeu dans lesquels sont introduits les axes circulaires des barreaux selon croquis défini dans la figure 5. Cette modification permet grâce à une action simultanée de traction/compression aux extrémités des chaînes du train de barreaux de moduler l'espace disponible entre les barreaux, facilitant ainsi le passage de corps étrangers à travers la grille. Ceci nécessite évidemment en fonctionnement automatique une coordination de l'action des vérins. Les déplacements peuvent être assurés avec une grande fiabilité par l'intermédiaire de vérins reliés aux deux palonniers et commandés par un groupe hydraulique ou pneumatique, en autorisant ainsi la mise en place d'un automatisme complet par l'intermédiaire d'un asservissement et/ou d'une programmation quelconque. La grille de combustion selon l'invention présente outre un coût de fabrication très modéré un nombre important d'avantages, tout en utilisant un système mécanique et hydraulique d'une grande simplicité adapté aux conditions d'ambiance difficiles de haute température et d'abrasion imposées par la combustion de déchets divers. Suivant le type de matière brûlée et la taille choisie pour les barreaux le soufflage d'air pourra s'effectuer de manière indépendante sous un train de barreaux pleins. De même la forme de la denture notamment le nombre de dents pourra être modifié. La présente invention est réputée couvrir ces diverses variantes ainsi qu'il est stipulé dans les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1) Grille de combustion et de décendrage constituée d'au moins deux barreaux horizontaux juxtaposés parallelement caractérisée en ce que les barreaux(1 ) libres de rotation autour de leur axe longitudinal reposent sur au moins deux rails(2) parallèles formant chemin de roulement et perpendiculaires aux axes des barreaux, lesdits barreaux étant reliés entre eux en totalité ou par groupe de manière à constituer un train de barreaux dont le mouvement relatif entre rails et train de barreaux dans une direction parallèle aux rails est susceptible de provoquer la rotation des barreaux. 2) Grille de combustion et de décendrage selon la revendication 1 caractérisée en ce que les rails de supportage et de roulement(2) seront disposés dans un plan incliné en permettant ainsi de bénéficier de l'exercice d'un mouvement relatif entre rails et train de barreaux dans un sens et par effet gravitaire selon une direction parallèle aux rails. 3) Grille de combustion et de décendrage selon la revendication 1 et la revendication 2 caractérisée par l'utilisation de rails de supportage et de roulement(2) multiples et parallèles permettant de définir des bandes de roulement(11 ) differentes suivant les barreaux et d'affecter un barreau ou un groupe de barreaux à un ou plusieurs rails déterminés. 4) Grille de combustion et de décendrage selon les revendication 2 ou 3 précédentes caractérisée par l'utilisation d'un système composé d'un système de rappel réalisé par un ou plusieurs ressorts(12) ou tout autre moyen produisant les mêmes effets, permettant d'assurer un mouvement de retour automatique du train de barreau. 5) Grille de combustion et de décendrage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les rails de supportage et de roulement(2) seront mobiles et le train de barreaux fixe, la mise en rotation des barreaux s'effectuant par une traction ou compression des rails supports(2) selon leur axe longitudinal reposants sur plusieurs patins de glissement ou galets de roulement(13). 6) Grille de combustion et de décendrage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par des barreaux(1 ) reliés entre eux aux diverses extrémités au moyen de deux chaînes constituées de maillons(3) dont le pas de ces chaînes serait égal à la distance entre les axes de deux barreaux adjacents ou égale à une fraction entière de cette distance. 7) Grille de combustion et de décendrage selon la revendication 6 dont les trous d'axe des maillons(3) seront realisés oblongs en forme de lumière horizontale et constituant moyeu pour les axes circulaires des barreaux, cette disposition permettant de moduler l'entraxe des barreaux(1 ) lors d'un mouvement relatif de va et vient entre rails et train de barreaux dans une direction parallèle aux rails. 8) Grille de combustion et de décendrage selon les revendications 1 à 5 caractérisée par des barreaux reliés entre eux par l'intermédiaire de divers dispositifs(15) constitués par l'assemblage d'un ou plusieurs patins de frottement ou galets de roulement libres, lesquels dispositifs pouvant s'intercaler aux extrémités des barreaux à l'extérieur ou à l'intérieur de ceux-ci. 9) Grille de combustion et de décendrage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les maillons de chaîne(3) ou tous autres éléments reliant les barreaux entre eux sont réunis a l'une ou l'autre ou aux deux extrémités du train de barreaux au moyen d'un palonnier(4). 10) Grille de combustion et de décendrage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par l'utilisation d'un ou plusieurs vérins(5) à simple ou double effet et à commande couplée ou non selon la configuration choisie, lesdits vérins étant actionnés par un groupe hydraulique ou pneumatique assurant le déplacement relatif du train de barreau par rapport aux rails dans une direction parallèle aux rails selon un mouvement alternatif de va et vient. 11) Grille de combustion et de décendrage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par des barreaux(1 ) dont la section droite comporte en périphérie une succession régulière en nombre quelconque de dents asymétriques(9) permettant d'obtenir un profil exterieur de barreau similaire à une roue à cliquet(figures 3 et 4). 12) Grille de combustion et de décendrage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par des barreaux(1 ) creux dont l'alimentation en air à l'intérieur des barreaux s'effectue par l'intermédiaire d'un double cône sonique(7) placé a l'une ou aux deux extrémités de chaque barreau ainsi qu'à chaque sorties d'un collecteur distributeur d'air(6). 13) Grille de combustion et de décendrage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par des barreaux(1) creux et comportant sur toute leur périphérie et de manière uniforme une succession alternative de trous de soufflage(1 0) et de dents(9) au profil longitudinal non rectiligne mais de forme régulière, sur toute la longueur du barreau(figure 4). 14) Grille de combustion et de décendrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 précédentes caracterisée par des barreaux pleins et un réseau de distribution d'air fixe indépendant assurant une distribution uniforme d'air comburant en sous face ou au dessus du train de barreaux.