Brevet FR2686587A1 — publié le 19930730

Dans de nombreuses techniques, des particules solides sont acheminées vers un poste d'utilisation dans un flux de gaz vecteur ou de convoyage. Ainsi, de nombreux procédés de combustion mettent en oeuvre une injection de combustible solide sous forme pulvérisée convoyé par un gaz, typiquement de l'air ou de l'azote. Dans le poste d'utilisation, il est fréquemment souhaitable de traiter les particules dans un autre environnement gazeux que le gaz de convoyage. Par exemple, dans les procédés de combustion, les rendements sont grandement améliorés par enrichissement en oxygène du comburant. Ainsi, la combustion de charbon pulvérisé injecté dans un haut fourneau se trouve fortement améliorée en présence d'air enrichi ou d'oxygène pur. Toutefois, dans un procédé continu, il n'est pas possible de brûler le solide pulvérulent sans diluer le comburant par le gaz de convoyage. En particulier, la combustion à l'oxygène pur du charbon est impossible si le dispositif d'alimentation en solide pulvérisé ne fonctionne pas également sous oxygène pur, ce qui est exclu pour des raisons de sécurité. Un autre problème réside dans le temps nécessaire au mélange in situ du flux de particules solides avec le gaz comburant. En pratique, un jet dense de solide pulvérisé se disperse mal et une partie des particules n'est pas mise au contact du gaz comburant dans les conditions requises. La présente invention a précisément pour objet de proposer un procédé permettant la séparation rapide, sans dispositif mécanique et en continu d'un flux de particules solides et d'un flux de gaz de convoyage à l'entrée d'une enceinte de réaction alimentée en gaz à teneur contrôlée ainsi que le mélange quasi-instantané du flux de particules solides et du gaz à teneur contrôlée par substitution du flux de gaz de convoyage. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, un tel procédé de substitution d'un premier flux de gaz accompagnant un flux de particules solides par un second flux de gaz comporte les étapes d'acheminer le premier flux de gaz à une vitesse supersonique et le flux de particules dans une première direction, de les faire intersecter, dans une zone d'interaction, avec le second flux de gaz acheminé suivant une deuxième direction formant un angle avec la première, de dévier le premier flux de gaz dans une direction sensiblement parallèle à la deuxième direction et le deuxième flux de gaz sensiblement dans la première direction pour accompagner le flux de particules dont la trajectoire n'est sensiblement pas modifiée. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé comprenant une première conduite s'étendant dans une première direction, reliée en amont à une première source de gaz sous pression et à des moyens d'injection de particules solides, une deuxième conduite, reliée en amont à une deuxième source de gaz sous pression et intersectant la première conduite suivant un angle en une zone d'interaction, une troisième conduite prolongeant la première conduite au-delà de la zone d'interaction, et une quatrième conduite intersectant la première conduite dans la zone d'interaction en formant avec la troisième conduite un bec séparateur de flux, dirigé vers la deuxième conduite. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue schématique d'une variante de réalisation de l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence. Sur la figure 1, on a représenté une première conduite 1 véhiculant un flux de particules solides S introduit, en amont, par un dispositif d'injection 2 relié à une réserve de particules 3, et un flux d'un gaz de convoyage C en provenance d'une première source de gaz sous pression 4. Les flux S et C sont accélérés dans une tuyère de façon que la vitesse du gaz dans la conduite 1 soit supersonique, la vitesse des particules solides représentant une fraction importante de la vitesse du gaz. La conduite 1 débouche dans une zone d'interaction 5 dans laquelle débouche une deuxième conduite 6 véhiculant un flux d'un deuxième gaz G en provenance d'une deuxième source de gaz sous pression 7 et accéléré dans une tuyère de façon que la vitesse du flux de gaz G dans la deuxième conduite 6 soit également supersonique. La conduite 6 forme avec la conduite 1 un angle n'excédant pas 45 , typiquement entre 20 et 30". Une troisième conduite 8 s'étend à partir de la zone d'interaction 5 dans le prolongement de la première conduite 1. Le dispositif comporte en outre une quatrième conduite 9, avantageusement sensiblement parallèle à la deuxième conduite 6 mais décalée transversalement par rapport à cette dernière du côté de la première conduite 1, de façon à intersecter cette dernière et à former, avec la troisième conduite 8, un bec diviseur 10 sensiblement aligné avec la portion de paroi de la deuxième conduite 6 adjacente à la première conduite 1. Le raccordement entre ces dernières s'effectue par une structure profilée 11 de déviation du premier flux de gaz vers le bec 10 en formant une arête intérieure de fixation d'onde de choc. La rencontre des flux supersoniques C et G crée dans la zone d'interaction 5 une zone d'interface 12 entre la structure de déviation 11 et le bec 10 et une onde de choc oblique 13 dans la partie aval de la première conduite 1. Une deuxième onde de choc oblique 14 se forme à l'entrée de la troisième conduite 8, fixée par le bec 10. De cette façon, le flux C de gaz de convoyage est dévié de la première conduite 1 vers la quatrième conduite 9 tandis que le flux de gaz G est dévié de la deuxième conduite 6 vers la troisième conduite 8 où il accompagne le flux de particules S qui, du fait de leur inertie, n'ont pas subi de modification sensible de leur trajectoire directement de la première conduite 1 dans la troisième conduite 8. Les particules S accompagnées par le flux de gaz G peuvent être acheminées, en sortie de la troisième conduite 8, vers un poste d'utilisation ou chambre de réaction, pour être par exemple injectées dans un brûleur 15 d'un dispositif de combustion 16 qui peut être un four ou un haut fourneau. Dans ce cas, les particules S sont des particules de combustible solide, typiquement de charbon, le gaz de convoyage C étant un gaz majoritairement inerte, par exemple de l'air ou de préférence de l'azote, le gaz de substitution G étant un gaz à forte teneur en oxygène, de préférence de l'oxygène pur. Selon les conditions aérodynamiques en aval de la deuxième onde de choc 14, les particules solides S accélèreront ou ralentiront le flux de gaz de substitution G, en fonction du temps de contact à réaliser dans l'enceinte de réaction 16. La variante de la figure 2 se distingue de celle qui vient d'être décrite précédemment uniquement par le fait que le gaz de substitution G introduit par la deuxième conduite 6 n'est pas à une vitesse supersonique. Les paramètres des flux gazeux et de la zone d'interaction 5 sont ici déterminés de façon que le flux de convoyage C devienne, en aval de l'onde de choc 13, dans la première conduite 1 sensiblement parallèle au flux de gaz de substitution G et que leur pression soit égale à l'interface 12. Comme précédemment, le flux de gaz de convoyage C est ainsi dévié vers la quatrième conduite 9 tandis que le flux de gaz de substitution G est dévié vers la troisième conduite 8 pour accompagner le flux de particules S dont la trajectoire n'a pas été modifiée entre la première conduite I et la troisième conduite 8, laquelle présente typiquement une section inférieure à celle de la première conduite 1. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée pour autant mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Procédé de substitution d'un premier flux de gaz (C) accompagnant un flux de particules solides (S) par un second flux de gaz (G), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes d'acheminer le premier flux de gaz (C) à une vitesse supersonique et le flux de particules (S) dans une première direction, de faire intersecter, dans une zone d'interaction (5), ces flux avec le second flux de gaz (G) acheminé suivant une deuxième direction formant un angle avec la première, de dévier le premier flux de gaz (C) dans une direction sensiblement parallèle à la deuxième direction et le deuxième flux de gaz (G) sensiblement dans la première direction, accompagnant le flux de particules (S) dont la trajectoire n'est sensiblement pas modifiée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on crée une première onde de choc oblique (13) dans le premier flux de gaz (C) à son entrée dans la zone d'interaction (5). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le deuxième flux de gaz (G) est acheminé à une vitesse supersonique et en ce qu'on crée une deuxième onde de choc oblique (14) sur le trajet du deuxième flux de gaz, en aval de la zone d'interaction (5). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les particules solides sont en matériau combustible et le deuxième gaz est un gaz à forte teneur en oxygène. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier gaz est un gaz majoritairement inerte. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le deuxième flux de gaz (G) accompagnant le flux de particules (S) est injecté dans une enceinte de réaction (16). 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend - une première conduite (1) s'étendant dans une première direction, reliée à une première source de gaz sous pression (4) et à des moyens (2) d'injection de particules solides (S) - une deuxième conduite (6), reliée à une deuxième source de gaz sous pression (7) et intersectant la première conduite suivant un angle en une zone d'interaction (5) - une troisième conduite (8) prolongeant la première conduite (1) au-delà de la zone d'interaction (5) ; et - une quatrième conduite (9) intersectant la première conduite dans la zone d'interaction (5) en formant avec la troisième conduite (8) un bec séparateur (10) dirigé vers la deuxième conduite (6). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la quatrième conduite (9) est sensiblement parallèle à la deuxième conduite (6) et décalée latéralement de cette dernière dans la direction opposée à la troisième conduite (8). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le bec séparateur (10) est sensiblement aligné avec la portion de paroi de la deuxième conduite (6) adjacente à la première conduite (1). 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une structure de déviation (11) dans la première conduite (1) formant raccordement avec la deuxième conduite (6).