Brevet FR2774454A1 — publié le 19990806

La présente invention concerne le domaine de la combustion et notamment de l'auto-combustion de déchets hétérogènes et/ou graisseux. Une application particulièrement intéressante de l'invention concerne l'utilisation de l'énergie de combustion dans un échangeur de chaleur, tel qu un appareil de production d'eau chaude. On connaît des dispositifs de chauffage d'un liquide tel que de l'eau équipés soit de moyens électriques soit de brûleurs à gaz ; à titre d'exemple la demande de brevet européenne EP-A1-O 184 491 décrit un dispositif de production d'eau chaude équipé des résistances placées dans des logements faisant saillie à l'intérieur de la réserve d'eau. On connaît aussi, par la demande de brevet française FR 2 628 829 un dispositif de chauffage d'eau comprenant un brûleur associé à un tubeéchangeur, placés dans une zone spécifique et montés de façon particulière dans un ballon d'eau chaude. Par ailleurs, un arrangement particulier des tubes-échangeur placés derrière un brûleur est divulgué dans la demande de brevet française FR 2 644 230. Ces systèmes connus nécessitent donc un apport d'énergie spécifique, non modulable. La consommation en énergie implique en outre pour l'utilisateur un coût non négligeable. On connaît aussi des systèmes de combustion, voire d'autocombustion qui peuvent brûler différents types de combustible. Ainsi le brevet français FR 2 733 031 illustre un incinérateur d'ordures ménagères comprenant un générateur de vapeur disposé en aval du dispositif de combustion. Ce type d'installation est d'une part complexe et difficile à mettre en oeuvre. II ne peut être alimenté que par un type de déchets particuliers. Par ailleurs aucune modulation de la combustion n'est possible. La récupération d'énergie est limitée. En outre les produits de combustion sont peu voire pas traités de sorte que des émissions de polluants non négligeables en résultent. Les déchets organiques tels que farines de viandes ou viscères de palmipèdes posent d'énormes problèmes de combustion car une fois séchés, la teneur en matières volatiles de ces produits est trop élevée pour être brûlée directement dans un incinérateur classique (destruction de la grille du fait de températures localement élevées). Dans un foyer standard, les zones chaudes pourraient être éliminées en utilisant des déchets humides (50 % d'eau ou plus), mais la géométrie de ces foyers ne convient pas pour récupérer correctement tout le rayonnement des flammes présentes dans la chambre de combustion, pour échauffer les déchets et pour éliminer efficacement l'eau qu'ils contiennent. L'auto-combustion n'est alors plus assurée et il en résulte un arrêt de la combustion à plus ou moins brève échéance. La présente invention présente en revanche, I'avantage de pouvoir brûler des produits humides tout en maintenant une flamme auto-entretenue. Le problème des points chauds est résolu par la présence d'eau qui compense la forte teneur en matières volatiles du combustible. D'autre part, la vaporisation de l'eau est assurée par une disposition originale des produits à brûler par rapport à la flamme. Cette disposition assure un taux de transfert élevé de l'énergie produite par la combustion vers le combustible. Cette disposition n'interdit toutefois pas de brûler des produits moins difficiles tels que ceux couramment introduits dans les incinérateurs classiques. En outre, I'invention permet une automatisation complète d'un ensemble industriel de combustion de déchets. Par ailleurs, la présente invention vise à remédier à l'ensemble des problèmes évoqués ci-dessus. Comme il ressortira de la description qui va suivre, I'amélioration selon l'invention se situe notamment au niveau de l'automatisme du fonctionnement, des émissions de polluants, de la récupération d'énergie, d'une certaine modulation dans le fonctionnement par une automatisation de la fonction arrêt-démarrage. Ainsi, I'invention a pour objet un dispositif d'auto-combustion de déchets hétérogènes et/ou graisseux comprenant une chambre d'allumage ayant une entrée d'air primaire disposée sous une chambre de combustion délimitée par une grille de révolution d'axe sensiblement vertical, un premier réservoir de stockage des déchets délimité par une enveloppe extérieure et la grille de révolution, une chambre d'admission d'air secondaire, une cheminée de sortie des effluents de combustion. Selon l'invention, ladite chambre d'allumage est équipée d'un moyen destiné à amorcer l'auto-combustion, il comprend en outre un réservoir intermédiaire de stockage des déchets qui se déverse dans le premier réservoir de stockage, la chambre d'admission d'air secondaire débouche en partie supérieure de la flamme principale, annulairement et coaxialement à ladite flamme ; un moyen de préchauffage de l'air secondaire et d'isolation thermique des déchets vis-à-vis de ladite flamme est par ailleurs prévu. De façon avantageuse, la cheminée fait partie d'un échangeur de chaleur tel qu'une cuve de stockage et/ou de production d'eau chaude. Le dispositif selon l'invention peut en outre comprendre un moyen de réglage du débit d'air primaire. De même un moyen de réglage du débit d'air secondaire peut être prévu. Additionnellement, le dispositif selon l'invention, peut comprendre un système de déclenchement automatique du moyen d'amorçage de l'autocombustion, destiné à contrôler son temps de fonctionnement. Plus particulièrement, ledit réservoir intermédiaire est de forme cylindro-conique. Une trémie de stockage extérieure qui communique avec le moyen de stockage intermédiaire peut avantageusement être prévue. Ainsi, le dispositif selon l'invention comprend un moyen de liaison entre la trémie de stockage extérieure et le réservoir intermédiaire, ledit moyen de liaison comprenant un conduit incliné. Selon l'invention le moyen de liaison est équipé d'un premier moyen de vannage destiné à injecter un fluide sous pression dans ladite conduite, dans certaines conditions. Conformément à l'invention, le moyen de liaison est équipé d'un deuxième moyen de vannage destiné à contrôler l'écoulement des déchets venant de la trémie de stockage extérieur, dans certaines conditions de fonctionnement. Le deuxième moyen de vannage est préférentiellement situé en amont du premier moyen de vannage relativement au sens d'écoulement des déchets dans la conduite. Avantageusement, ledit moyen de liaison présente un axe principal incliné entre environ 30 et environ 450 vis-à-vis de l'horizontale. De façon particulière, le moyen d'amorçage de l'auto-combustion comprend une buse transversale ayant des orifices ouverts vers le fond de la chambre d'allumage. Sans sortir du cadre de l'invention, le dispositif peut comprendre un moyen de nettoyage automatique de ladite grille. L'invention vise en outre un appareil de production d'eau chaude qui comprend un dispositif d'auto-combustion tel que décrit ci-dessus. L'appareil de production d'eau chaude peut comprendre un moyen de combustion additionnel tel qu'un brûleur à gaz destiné à remplacer le dispositif d'auto-combustion lorsque la combustion issue du dispositif d'autocombustion est insuffisante ou inexistante. Sans sortir du cadre de la présente invention, tout autre moyen d'échange de chaleur et/ou de vapeur peut coopérer avec le dispositif d'auto-combustion. La chaleur produite selon l'invention peut être utilisée pour chauffer de l'eau de la vapeur, un fluide quelconque. Tout type d'échangeur (tubulaire, à plaques ou autre) peut être utilisé. D'autres caractéristiques, détails et avantages de la présente invention apparaîtront en outre à la lecture de la description faite ci-après à titre illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - La figure 1 est une coupe longitudinale d'un mode de réalisation de l'invention; - La figure 2 est une coupe transversale, selon AA de la figure 1; et - La figure 3 est un schéma d'ensemble d'une application de l'invention. Sur la figure 1 apparaissent, de façon schématisée, les principaux éléments de l'invention. Ainsi, on voit que le dispositif d'auto-combustion comprend une chambre d'allumage 1 ayant une entrée 2 d'air primaire. Un ventilateur 12 ou autre moyen de régulation du débit d'air est préférentiellement associé à l'entrée 2, afin de contrôler à la fois les débits et les vitesses d'injection. Un moyen 9 d'amorçage, tel qu'un brûleur gaz par exemple, est prévu dans la chambre 1. De façon préférée, ce moyen est celui illustré sur la figure 2 et comprend une buse transversale 18 percée d'orifices 19. Ceux-ci sont plutôt orientés vers le fond de la chambre 1. Ainsi la flamme développée par le brûleur vient automatiquement lécher la buse 18 tout en s'élevant vers le sommet de la chambre 1 c'est-à-dire vars une chambre de combustion 3 située au-dessus de la chambre 1. Le moyen 9 est indispensable pour l'automatisation des séquences d'arrêt et de redémarrage. A titre d'exemple le moyen 9 peut être un brûleur à gaz de petite puissance, inférieure à 60 kW. La chambre de combustion 3 est délimitée par une grille 4 ou autre élément ajouré, de révolution autour de l'axe longitudinal du dispositif d'autocombustion. La taille de la maille de la grille 4 est fonction de la pression régnant au niveau de la grille et de la viscosité du produit ou/et sa granulométrie. Celle-ci doit être choisie pour interdire au produit à brûler de pénétrer dans la zone de combustion 3. Autrement dit, le maillage de la grille 4 doit être adapté à la nature du produit à brûler. D'autre part, la surface totale de la grille 4 est directement liée à la puissance thermique de l'équipement. Sans sortir du cadre de l'invention, un élément ajouré tel qu'un cylindre muni de multiples ouvertures peut être substitué à la grille 4 qui vient d'illustrer un mode de réalisation de l'invention. A titre d'exemple la grille 4 peut être formée de barres sensiblement verticales espacées chacune d'environ 20 mm. Autour de la grille 4 est disposé un premier réservoir 5 de stockage des déchets ; ce réservoir est annulaire puisque délimité par la grille 4 et une enveloppe extérieure 6 de préférence cylindrique et coaxiale à la grille 4. Le réservoir 5 sert donc d'alimentation et de stockage séquentiel des déchets destinés à l'auto-combustion. Une fois le système amorcé, la flamme se développe dans l'espace central de combustion 3 ce qui provoque la consommation des déchets stockés dans le premier réservoir 5 ainsi que l'admission simultané d'une nouvelle charge en combustible. Sur l'enveloppe extérieure 6 peuvent être placés des trappes 16 d'accès à l'espace de combustion et en particulier à la grille 4, pour la maintenance et/ou le nettoyage complet du foyer. Selon un autre mode de réalisation, I'enveloppe extérieure 6 peut comprendre deux demi-cylindres (non référencés) susceptibles de s'ouvrir pour accéder au foyer 3. Les deux demi-cylindres sont reliés par exemple par des charnières sur une génératrice de raccordement et par des crochets ou clips sur la seconde génératrice de raccordement. II est en effet important de pouvoir régulièrement accéder à la grille 4 pour décolmater les mailles de la grille 4 qui accumulent les imbrûlés. L'accès à l'élément 4 peut aussi être nécessaire si l'on souhaite changer cet élément. Au-dessus du premier réservoir de stockage 5 est prévu un réservoir 10 de stockage intermédiaire, de préférence de forme cylindro-conique. Cette forme est choisie car elle permet de bien maîtriser l'écoulement gravitaire des déchets en répartissant de façon uniforme la charge extérieure. Un ou plusieurs hublots peuvent être prévus sur le réservoir 10 afin de surveiller le bon écoulement du combustible et sa bonne répartition. Selon un mode de réalisation de l'invention, le combustible est déversé dans le réservoir 10 par un conduit 15 d'axe incliné vis-à-vis de l'horizontale pour l'application envisagée. Une inclinaison favorable est comprise entre 30C et 45C et permet un bon écoulement. Un premier moyen de vannage 13 peut avantageusement être prévu sur le conduit 15 afin d'injecter un fluide sous pression tel que de l'air comprimé au cas où ladite conduite 15 est bouchée. Un deuxième moyen de vannage 130 peut en outre être disposé sur le conduit 15. Il permet de couper l'alimentation en déchets lorsque nécessaire. Le deuxième moyen de vannage 130 est préférentiellement disposé en amont du premier moyen 13. Une trémie de stockage extérieure 20 est par ailleurs disposées en amont du conduit 15, afin de stocker les déchets dès leur arrivée sur le site. Une chambre d'admission d'air secondaire 7 est en outre prévue en partie supérieure du réservoir 10. Elle permet une injection supplémentaire d'air au niveau supérieur de la flamme qui est ainsi entretenue et stabilisée. A noter que la grille 4 s'étend depuis le bas de la chambre de combustion 3 jusqu'en-dessous de l'arrivée d'air secondaire. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, un ensemble de chicanes concentriques 14 est placé sur l'arrivée d'air secondaire. Ces chicanes 14 ont une double fonction : d'une part elles réalisent un écran thermique entre la flamme et le combustible stocké dans le réservoir intermédiaire 10. D'autre part, les chicanes 14 permettent un préchauffage de l'air secondaire qui les traverse. Ce préchauffage permet une amélioration du rendement énergétique et une diminution des émissions d'oxydes de carbone. La fonction "écran thermique" est notamment utile pour les combustibles à bas point de fusion, qui autrement se liquéfieraient sans brûler. Toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, d'autres types de boucliers thermiques peuvent être utilisés. Par ailleurs, un ou plusieurs ventilateurs 1 1 peuvent équiper l'arrivée d'air secondaire. De préférence les ventilateurs 1 1 ont un débit d'air réglable. Une telle ventilation forcée présente plusieurs avantages : elles permet notamment d'obtenir des vitesses d'injection supérieures à la vitesse de circulation naturelle, ce qui favorise le mélange de l'air et du combustible. On réduit ainsi notablement les émissions de polluants et en particulier d'oxydes de carbone. Une commande est en outre prévue afin d'arrêter les ventilateurs 1 1 et/ou 12 lorsqu'il s'agit d'arrêter la combustion et/ou l'amorçage de la combustion. Les effluents de combustion sortent par une cheminée 8, axialement. Comme illustré sur la figure 3, la cheminée 8 peut coopérer avec une cuve calorifugée de stockage et de production d'eau chaude 30 traversée centralement par la cheminée 8. Un transfert de chaleur est ainsi réalisé, des fumées de combustion vers l'eau contenue dans la cuve. Un tube totalement immergé dans la cuve 30 peut être utilisé à cet effet. Lorsque le dispositif d'auto-combustion selon l'invention est ainsi couplé avec un ensemble de production d'eau chaude, des capteurs de température (non référencés) sont alors prévus et ils coopèrent avec une commande automatique des ventilateurs 1 1 et 12 qui peuvent arrêter ou redémarrer la combustion en fonction de la température de l'eau dans la cuve. De plus, lesdits capteurs de température peuvent être couplés avec la vanne 130 d'alimentation en déchets, ce qui permet de couper cette alimentation lorsque la température de l'eau du dispositif de production d'eau chaude atteint un certain seuil. L'automatisation d'un ensemble de production d'eau chaude peut aussi comprendre un élément tel qu'un brûleur à gaz de type brûleur industriel à prémélange, disposé au bas de la cuve 30. Cet élément peut jouer le rôle d'une sécurité en cas de mauvais fonctionnement du dispositif d'auto-combustion lui-même, lorsque par exemple la capacité calorifique des déchets est inférieure à la puissance énergétique demandée. C'est alors un apport calorifique supplémentaire. L'automatisation du système impose en outre une commande instantanée du moyen 9 d'amorçage de l'auto-combustion qui doit pouvoir être mis en route et arrêté selon les besoins. A titre d'exemple, le dispositif selon l'invention permet de brûler des déchets jusqu'à une capacité de deux tonnes par jour, ce qui correspond à une valeur de 500 kW. La valorisation de ces résidus représente donc une économie non négligeable. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'auto-combustion de déchets hétérogènes et/ou graisseux comprenant une chambre d'allumage (1) ayant une entrée d'air primaire (2) disposée sous une chambre de combustion (3) délimitée par un élément de révolution (4) d'axe sensiblement vertical, un premier réservoir de stockage des déchets (5), délimité par une enveloppe extérieure (6) et ledit élément de révolution (4), une chambre d'admission d'air secondaire (7), une cheminée (8) de sortie des effluents de combustion, caractérisé en ce que ladite chambre d'allumage (1) est équipée d'un moyen (9) destiné à amorcer l'auto-combustion, en ce que la chambre d'admission d'air secondaire (7) débouche en partie supérieure de la flamme principale, annulairement et coaxialement à ladite flamme, et en ce qu'il comprend en outre un réservoir (10) de stockage intermédiaire des déchets qui se déverse dans ledit premier réservoir de stockage (5), et un moyen (14) de préchauffage de l'air secondaire et d'isolation thermique des déchets vis-àvis de ladite flamme. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cheminée fait partie d'un échangeur de chaleur tel qu'une cuve de stockage et/ou de production d'eau chaude (30). 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (12) de réglage du débit d'air primaire. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (11) de réglage du débit d'air secondaire. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système de déclenchement automatique du moyen d'amorçage de l'auto-combustion, destiné à contrôler son temps de fonctionnement. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réservoir intermédiaire (10) est de forme cylindroconique. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une trémie de stockage extérieure (20) qui communique avec le moyen (10) de stockage intermédiaire. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de liaison (15) entre la trémie de stockage extérieure (20) et le réservoir intermédiaire (10), ledit moyen de liaison (15) comprenant un conduit incliné. 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de liaison (15) est équipé d'un premier moyen de vannage (13) destiné à injecter un fluide sous pression dans ladite conduite (15), dans certaines conditions. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le moyen de liaison (15) est muni d'un deuxième moyen de vannage (130) destiné à contrôler l'alimentation en déchets, dans certaines conditions de fonctionnement. 11) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que en ce que le deuxième moyen de vannage (130) est disposé en amont du premier moyen de vannage (13) relativement au sens d'écoulement des déchets dans la conduite (15). 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que ledit moyen de liaison (15) présente un axe principal incliné entre environ 30C et environ 45C vis-à-vis de l'horizontale. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen (9) d'amorçage de l'auto-combustion comprend une buse transversale (18) ayant des orifices (19) ouverts vers le fond de la chambre d'allumage (1). 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (16, 17) de nettoyage automatique de ladite grille. 15) Appareil de production d'eau chaude (30), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'auto-combustion (1-15) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 16) Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de combustion additionnel tel qu'un brûleur à gaz destiné à remplacer le dispositif d'auto-combustion lorsque la combustion issue du dispositif d'auto-combustion est insuffisante ou inexistante.