Brevet FR2869093A1 — publié le 20051021

222982.FRD.doc Grille tournante pour la combustion de combustibles formant des scories L'invention concerne une grille tournante pour la combustion de combustibles formant des scories, avec une forme de construction à symétrie de révolution, dont l'axe de révolution est incliné par rapport à l'horizontale de plus de 34 et qui entoure une chambre de combustion fermée à l'extrémité inférieure du corps de révolution, ouverte à l'extrémité supérieure et limitée par des bras porteurs de configuration creuse qui s'étendent dans la direction méridienne, sont raccordés à une source d'air comprimé et sont munis d'ouvertures de soufflage dirigées dans la chambre de combustion. L'invention concerne également un procédé d'exploitation de la grille tournante. Une telle grille tournante et un procédé destiné à son exploitation sont connus par EP 0 952 396 B1. Presque tous les combustibles solides comportent des fractions ininflammables qui restent sous forme de cendres après la combustion et ont la plupart du temps des températures de fusion très élevées. Si ces fractions demeurent relativement longtemps sous l'effet de la température de flamme, peu ou non déplacées sur une grille de combustion, des réactions eutectiques peuvent se produire entre les fractions dans les scories, le point de fusion du mélange de ces fractions baissant alors fortement. Il se produit un ramollissement ou une fusion complète du mélange, par conséquent la formation de scories collantes ou visqueuses, souvent avec des inclusions d'imbrûlés. Si par ailleurs le mouvement de la charge combustible est faible sur la grille, il se forme de gros blocs de scories qui compromet- tent le fonctionnement de la grille tournante. Les conditions de mouvement sont essentielles pour empêcher de tels états. Si l'on maintient la charge combustible en mouvement constant et suffisant, le temps, pendant lequel deux fractions de cendres sont en contact mutuel, ne suffit pas pour les réactions eutectiques relativement longues, et la formation de scories et de conglomérats est alors impossible. L'arrivée d'air de combustion et les températures locales contrôlées de ce fait ont pareillement une influence importante. Des grilles tournantes, telles que décrites par exemple dans DE 2 046 337 A, DE 1 526 077 C et DE 1 751 457 A, ont jusqu'à présent échoué par manque d'arrivée d'air comburant adéquate, car l'air de combustion y est soufflé à partir du bas en direction d'une grille sphérique. Il est impossible dans de telles grilles tournantes d'envoyer dans la charge combustible une fraction relativement importante de l'air d'alimentation. Les barreaux de grille et le combustible sus-jacent obstruent le trajet de l'air soufflé à partir du bas en direction de la grille tournante. Il ne se produit ainsi qu'une combustion partielle dans la couche inférieure de la charge combustible située sur la grille tournante, avec des températures locales excessives en conséquence et un flux de scories. Il a été rapporté que, dans des constructions réalisées dans la pratique, par exemple comme représenté dans DE 2 046 337 A, le flux de scories en coopération avec les flammes de l'air brûlant au-dessous de la grille tournante attaquait la structure porteuse de cette dernière et la détruisait en quelques semaines de durée de fonctionnement. C'est la raison pour laquelle des foyers à grille du type représenté n'ont pas pu s'imposer. Un pas en avant a été fait avec des grilles de combustion coniques ou cônes de combustion, tels que décrits dans EP 0 952 396 B1, dans lesquels les bras porteurs s'étendant dans la direction méridienne ont une configuration creuse pour l'arrivée d'air comburant directement dans la chambre de combustion et sont alimentés en air comprimé. Les bras porteurs y dépassent toutefois de la surface de la grille sur le côté de la chambre de combustion, car ils devaient coopérer au brassage de la charge combustible. On comptait par ailleurs sur l'effet de séparation qui s'établit dans des corps coniques creux de ce type et de cet agencement (inclinaison de l'axe de 35 par rapport à l'horizontale) et fait que les fines de la charge combustible se séparent de la masse principale brassée de cette dernière et migrent en direction du diamètre le plus petit du cône. Cela devait intensifier la combustion. Cet effet de séparation s'établissait effectivement dans le cône de combustion connu, et les résultats de combustion étaient très bons grâce au nouveau type d'arrivée d'air. Mais les fines des cendres, séparées, se déplaçaient mal-heureusement à peine sur le petit diamètre du cône de combustion en rotation, et des scories se formaient là encore. Les sections des bras porteurs dépassant vers l'intérieur dans la chambre de combustion entravaient en outre un mouvement giratoire de la charge combustible sur son support. L'invention a donc pour objectif de configurer une grille tournante du type précité de telle sorte qu'elle évite en cours de service une formation gênante de scories, et d'indiquer un procédé adapté au fonctionnement d'une telle grille tournante. La grille tournante conforme à l'invention se caractérise en ce que a) la chambre de combustion a une configuration en forme de sphère ou sphérique, cylindrique dans le cas limite, avec un côté frontal inférieur s'étendant radialement, b) l'angle d'inclinaison de l'axe de révolution par rapport à l'horizontale se situe entre 36 et 46 , c) les bras porteurs affleurent dans la chambre de combus- tion avec le reste de la surface de la grille, et d) le contour intérieur de la chambre de combustion forme avec l'axe de révolution un angle dans la région de 90 dans la zone de l'extrémité fermée. Dans la grille tournante conforme à l'invention, il est avantageux que l'angle d'inclinaison soit d'environ 42 . Les ouvertures de soufflage sont judicieusement réparties et dimensionnées le long des bras porteurs suivant l'épaisseur de couche, s'établissant à chaque endroit, de la charge combustible située sur la grille tournante. Il est utile que la grille tournante présente un dispositif de décharge pour l'élimination des résidus de combustion de la chambre de combustion. Le dispositif de décharge peut alors être constitué d'un couvercle sur le petit diamètre de la grille tournante, monté avec une possibilité de déplacement vers l'intérieur de la chambre de combustion. Il est avantageux que le dispositif de décharge soit constitué de barreaux de grille montés sur un support commun pivotant, qui peuvent être déplacés au moyen du support vers l'intérieur de la chambre de combustion. Les barreaux de grille peuvent être alors déplacés vers l'extérieur au moyen du support à partir de leur position de fermeture des espaces intermédiaires entre des bras porteurs voisins. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, la grille tournante présente, pour obtenir une puissance de chauffe de 20 MW pour la combustion de briquettes de lignite, les dimensions suivantes: plus grand diamètre intérieur D = 3.200 mm rayon de courbure intérieur r = 1. 145 mm petit diamètre intérieur d = 1.350 mm distance entre le plus grand diamètre intérieur D et l'ouverture de la chambre de combustion: h = 621 mm. Pour des puissances de chauffe Q différentes de 20 MW, les dimensions de la grille tournante sont calculées suivant la formule Q = k x D2'5 k étant une constante dépendant du combustible. Selon une caractéristique essentielle du procédé conforme à l'invention, les bras porteurs qui sont couverts en cours de service par la charge combustible sont alimentés en tant qu'air de soufflage sous grille par 20% à 40%, de préférence 28% à 30%, de l'air comburant total requis pour la combustion. Selon une autre caractéristique du procédé conforme à l'invention, une partie de l'air de soufflage sur grille est envoyée au travers des bras porteurs non couverts par la charge combustible. Le procédé prévoit également que des gaz de combustion refroidis sont mélangés à l'air de soufflage sur grille. Dans la recherche d'un palliatif des problèmes décrits ci- dessus, des modèles de grilles tournantes de différentes formes ont été construits par l'inventeur, tels que par exemple sphères, ellipsoïdes de révolution, cylindres, cônes etc. Un effet remarquable a alors été découvert: a) pour des formes analogues à des sphères (également pour des ellipsoïdes de révolution), et b) lorsque la zone cylindrique sur le grand diamètre D (voir plus loin la figure 1) se raccorde au petit diamètre d par le rayon le plus grand possible, et c) lorsque la surface sur le petit diamètre est la plus perpendiculaire possible à l'axe de révolution, et d) lorsque l'inclinaison de l'axe de révolution par rapport à l'horizontale se situe entre 36 et 46 , de façon optimale à 42 , il se forme dans la zone du petit diamètre une vitesse périphérique remarquablement élevée d'un mélange de solides chargé sur la surface de la grille, qui est même encore nettement plus élevée que la vitesse périphérique de la grille tournante. La différence entre ladite vitesse périphérique du mélange de solides et la vitesse de rotation de la grille tournante a une valeur maximale marquée pour un angle d'inclinaison de l'axe de révolution par rapport à l'horizontale de 42 , et décline fortement pour des angles d'inclinaisons inférieurs et supérieurs. Elle disparaît presque totalement au- dessous de 36 et au-dessus de 46 . Il est essentiel pour l'obtention de ce mouvement de circulation que la surface de la grille supportant le combustible ne présente aucune perturbation par des saillies, comme cela était encore le cas dans le cône de combustion représenté dans EP 0 952 396 B1, où les bras porteurs creux s'étendant dans la direction méridienne formaient avec des corps intercalaires (barreaux de grille) une surface relativement ondulée, car les bras porteurs devaient y favori- ser le brassage et les ouvertures de soufflage, réalisées sur ces derniers, souffler également latéralement dans le combustible. Contrairement à cela, les bras porteurs affleurent dans l'invention avec la surface de la grille, de telle sorte qu'aucun obstacle n'apparaît pour la circula- tion du combustible sur la grille. Si la grille tournante se rétrécit à partir de son diamètre maximal en direction de son extrémité ouverte de moins d'environ 20%, il s'ensuit avec l'angle d'inclinaison considéré de l'axe de révolution un bon pouvoir de retenue de la grille tournante pour le combustible en mouvement sur cette dernière. Les ouvertures de soufflage sont réparties et dimensionnées sur les bras porteurs creux de préférence suivant l'épaisseur de couche, à prévoir en chaque endroit, de la charge combustible située sur la grille tournante. Une arrivée d'air, dont la quantité est adaptée à la quantité de combustible présentement alimentée en air, est obtenue de cette manière. On obtient de ce fait des valeurs de fumées favorables et on évite des surchauffes locales. Des mesures sont de préférence également prises par lesquelles les bras de la grille tournante s'étendant dans la direc- tion méridienne sont alimentés en tant qu'air de soufflage sous grille par 20% à 40%, de préférence 28% à 30%, de l'air comburant total. Une partie de l'air de soufflage sur grille est envoyée au travers des bras porteurs, non cou-verts par la charge combustible en vue de leur refroidisse- ment. Des gaz de combustion refroidis peuvent être mélangés à l'air de soufflage sur grille en vue de régler la température. L'invention est décrite en détail ci-dessous à l'aide 15 d'exemples de réalisation représentés sur les dessins. La figure 1 est une coupe axiale schématique d'une première forme de réalisation de l'invention. La figure 2 est une vue analogue d'une seconde forme de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une grille tournante suivant l'invention, qui est montée tournante, de façon comparable au cône de combustion suivant EP 0 952 396 B1, dans un bâti, qui n'est pas représenté ici pour des raisons de clarté, car il n'est pas indispensable pour expliquer les caractéristiques différenciant l'invention de EP 0 952 396 B1. La grille tournante, désignée dans son ensemble par 1, est maintenue dans le bâti non représenté de telle sorte que l'axe de révolution 0 forme par rapport à l'horizontale un angle a de 42 dans l'exemple représenté. La grille tournante 1 entoure une chambre de combustion 2, qui a dans l'exemple représenté à peu près la forme d'une ellipsoïde de révolution. La chambre de combustion 2 a un grand diamètre intérieur D et est limitée par des bras creux 3 s'étendant dans la direction méridienne, qui sont maintenus sur une plaque de base 4 et maintiennent entre eux des barreaux de grille à élément multiples, voir à cet égard EP 0 952 396 B1 déjà mentionné. La plaque de base 4 présente des ouvertures 5 qui sont reliées à l'espace intérieur des bras 3 et raccordées à une source d'air comprimé non représentée ici. Dans les bras 3 sont réalisés des trous 6 dirigés vers la chambre de combustion 2, qui sont esquissés schématiquement sur la figure 1 en traits mixtes et par lesquels peut être insufflé de l'air comburant, en tant qu'air primaire, dans la charge combustible (non représentée) située sur la grille. Un nombre restreint d'ouvertures de soufflage 7 est en outre réalisé sur le côté des bras 3 opposé à la chambre de combustion 2, au travers desquelles de l'air peut être soufflé dans un cendrier (non représenté) se trouvant au-dessous de la grille tournante 1. À leur extrémité libre située dans la zone de l'ouverture de la chambre de combustion 2, les bras 3 sont munis d'une ouverture 8 au travers de laquelle de l'air de refroidisse- ment peut être soufflé en direction d'un anneau porteur 9 sur lequel s'achèvent les bras 3. Sur son côté opposé à la chambre de combustion 2, l'anneau porteur 9 est recouvert par un cône de protection 10 qui protège l'anneau porteur 9 de l'effet de la chaleur d'une chambre de post- combustion non représentée ici, qui est disposée dans la pratique au- dessus de la grille tournante 1 et qui n'a pas à être décrite davantage ici. Une isolation thermique 11 est montée sur la plaque de base 30 4 pour protéger la plaque de porteuse 4 de la chaleur émise par la grille tournante 1. Le fond central de la grille tournante 1, situé dans l'axe O, est formé par un couvercle mobile 12 de petit diamètre d. Le couvercle mobile 12 est maintenu par une tige 13, à l'aide de laquelle le couvercle 12 peut être déplacé dans la direction axiale. Il est également possible en variante de monter le couvercle sur un côté de la grille tournante 1 au moyen d'une charnière (non représentée), de manière à pouvoir l'ouvrir par un mouvement de pivotement. En position ouverte du couvercle 12, par un mouvement de la grille tournante 1, des cendres situées sur celle-ci peuvent être soutirées au travers de l'ouverture dégagée par le couvercle 12. Par des mesures appropriées, non représentées ici, l'arrivée d'air dans les bras porteurs 3 est réglée er cours de service de la grille tournante 1 de telle sorte que l'air primaire n'est envoyé que dans les bras 3 dont les trous 6 sont couverts par la charge combustible. Pour par exemple 18 bras 3 au total, ce sont cinq bras seulement qui sont alimentés chacun en air comburant, en tant qu'air primaire, envoyé dans la charge combustible située sur la grille tournante. Cet air de soufflage sous grille représente environ 20 - 40%, de préférence 28 - 30%, de la quantité d'air totale requise pour la combustion. Pour des détails sur la manière dont peut être réalisée l'alimentation sélective, variable dans le temps, des bras porteurs 3 en air comburant, il est fait référence à EP 0 952 396 B1 déjà citée. Les 60 - 80% restants de l'air comburant total sont envoyés dans la flamme qui se trouve dans et sur la charge combus- tible. Une partie de ces 60% à 80% peut être envoyée au travers des bras porteurs 3 non couverts par le combustible, ce qui refroidit en même temps de manière avantageuse les bras porteurs. La quantité restante d'air comburant, conformément à l'invention 20% à 40%, de préférence 25% à 35% de la quantité d'air totale, est envoyée à la combustion de manière habituelle en tant qu'air de soufflage sur grille. Pour régler la température des bras porteurs 3, une quanti- té à peu près égale de gaz de retour, c'est-à-dire de fumées recyclées refroidies, est ajoutée à l'air de soufflage sur grille. Cette proportion peut également être de 20 à 40% de la quantité totale d'air comburant. La figure 2 représente une autre forme de réalisation, selon laquelle quelques segments 14 de barreaux de grille voisins sont montés sur un bras pivotant commun 15, qui peut pivoter d'un angle (3 autour d'un axe 16 monté sur la grille tournante 1, à l'aide d'une bielle 17, de telle sorte que les segments 14 s'ouvrent à l'intérieur de la chambre de combustion 2. Sur la figure 2, la position fermée des segments 14 est représentée en trait large, tandis que la position ouverte est dessinée en trait fin. Pour une puissance de chauffe de 22 MW, une grille tournante du type décrit pour la combustion de déchets de bois en morceaux allant jusqu'à 155 mm de longueur d'arête présente par exemple les dimensions suivantes: grand diamètre D: 3.760 mm diamètre d'ouverture sur l'extrémité des bras 3: 3.500 mm petit diamètre d: 1.020 mm longueur axiale de la chambre de combustion du couvercle 12 jusqu'au bord du cône 10: 1.900 mm diamètre d'ouverture du cône: 2.970 mm Pour d'autres puissances de chauffe, la géométrie de la grille tournante 1 est recalculée de façon analogue suivant 25 la relation: N = k x D2'5 k étant une constante dépendant du combustible. Avec la configuration représentée de la chambre de combus- tion 2, des mouvements de brassage de la charge combustible sur la grille tournante 1 se produisent pour un angle d'inclinaison a de l'axe de révolution de la grille 1 de 42 , qui sont d'une intensité élevée. Lors de ces mouve- ments de brassage, non seulement le combustible se retourne sur la grille tournante, pour tourner le côté inférieur vers le haut, mais il exécute aussi un mouvement giratoire autour d'un axe imaginaire qui s'étend à peu près perpendi- culairement à la surface décrite par le combustible. La vitesse de ce mouvement giratoire a un maximum marqué pour un angle d'inclinaison de 42 . Dans l'état de la technique, le contour intérieur de la grille tournante 1 se composait de pièces rectilignes, en particulier pour simplifier la fabrication. Mais les coudes en résultant entre les sections superficielles individuel-les perturbaient visiblement le mouvement de brassage. Conformément à l'invention, la surface intérieure de la chambre de combustion 2 est de préférence continûment lisse, sans coudes et poches, comme représenté sur le dessin. L'angle d'inclinaison a peut également différer de 42 , mais de préférence au plus de 6 vers le bas et 4 vers le haut, car l'effet recherché du mouvement giratoire de la charge combustible sur la grille tournante en souffre dans le cas contraire. Par rapport aux grilles tournantes coniques construites jusqu'à présent, par exemple suivant EP 0 952 396 B1, la forme sphérique conforme à l'invention a non seulement l'avantage que des scories ne se forment plus avec un mode de fonctionnement correct, mais aussi l'autre avantage que la capacité d'accumulation de la forme de construction sphérique est environ 2,0 à 2,2 fois plus élevée que dans la forme conique. Cela signifie que la durée de séjour de la charge combustible sur la grille tournante 1 est supérieure en conséquence, donc que des morceaux (déchets de bois etc.) plus grossiers que jusqu'à présent peuvent être brûlés, ou que la puissance de chauffe est environ 1,5 à 1,7 fois plus élevée, pour la même taille de morceaux, que pour la forme conique. On peut bien démontrer avec des modèles de même diamètre, 35 mais de forme de construction différente (sphérique ou conique) la différence de capacité d'accumulation. La forme de réalisation suivant la figure 2 est destinée à la combustion de briquettes de lignite de 50 mm de longueur d'arête, pour une puissance de chauffe de 20 MW. Elle présente les dimensions suivantes: grand diamètre D: 3.200 mm rayon de courbure r des bras porteurs 3 à l'intérieur (dans la chambre de combustion 2), avec un centre de courbure M1 situé sur le plus grand diamètre: rayon de courbure R des bras porteurs 3 à 10 l'extérieur, avec un centre de courbure M2 décalé de v = 172 mm en direction du fond de la chambre de combustion 2: distance a des deux centres de courbure Ml et M2 par rapport à l'axe O de la grille tournante: 456 mm distance h de l'ouverture de la grille tournante par rapport à l'emplacement du plus grand diamè- tre D: 621 mm nombre des barreaux de grilles entre des bras porteurs 3 voisins: 6 Ces dimensions sont recalculées proportionnellement pour d'autres tailles de grilles tournantes. En est exclus le nombre de barreaux de grille entre les bras porteurs 3. Ce dernier doit être choisi de telle sorte qu'il s'ensuit des barreaux de grille de 300 mm à 400 mm de longueur. Des longueurs inférieures ne sont pas gênantes, mais elles élèvent les dépenses de construction. Des longueurs supérieures rendent la grille plus sensible aux contraintes thermiques. Si l'on veut par exemple dimensionner la grille tournante pour une puissance de 8 MW pour la combustion du même combustible, on calcule comme suit: N1/N2 = (D1/D2) 2,5 Avec N1 = 20 MW et N2 = 8 MW ainsi que D1 = 3.200 mm, il vient alors: D2 = 2.218 mm. 1.145 mm 1.380 mm Le nombre des bras porteurs 3 doit être de préférence choisi de telle sorte que l'écartement des bras 3 se situe entre 300 mm et 500 mm dans la zone du plus grand diamètre D. Pour des écartements plus grands l'arrivée d'air dans la charge combustible se détériore, car il s'ensuit des dis-tances trop élevées entre les ouvertures de soufflage 6 et le combustible. Les dépenses de construction augmentent inutilement pour des écartements plus petits. Revendications 1. Grille tournante pour la combustion de combustibles formant des scories, avec une forme de construction à symétrie de révolution, dont l'axe de révolution est incliné par rapport à l'horizontale de plus de 34 et qui entoure une chambre de combustion fermée à l'extrémité inférieure du corps de révolution, ouverte à l'extrémité supérieure et limitée par des bras por- teurs de configuration creuse qui s'étendent dans la direction méridienne, sont raccordés à une source d'air comprimé et sont munis d'ouvertures de soufflage dirigées dans la chambre de combustion, caractérisée en ce que a) la chambre de combustion (2) a une configuration en forme de sphère ou sphérique, cylindrique dans le cas limite, avec un côté frontal inférieur (12) s'étendant radialement, b) l'angle d'inclinaison (a) de l'axe de révolution (0) par rapport à l'horizontale se situe entre 36 et 46 , c) les bras porteurs (3) affleurent dans la chambre de combustion (2) avec le reste de la surface de la grille, et d) le contour intérieur de la chambre de combustion (2) forme avec l'axe de révolution (0) un angle dans la région de 90 dans la zone de l'extrémité fermée. 2. Grille tournante suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison (a) est d'environ 42 . 3. Grille tournante suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les ouvertures de soufflage (6) sont réparties et dimensionnées le long des bras porteurs (3) suivant l'épaisseur de couche, s'établissant à chaque endroit, de la charge combustible située sur la grille tournante (1). 4. Grille tournante suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle présente un dispositif de décharge (12, 13; 14, 15) pour l'élimination des résidus de combustion de la chambre de combustion (2). 5. Grille tournante suivant la revendication 4, caractéri- sée en ce que le dispositif de décharge est constitué d'un couvercle (12) sur le petit diamètre (d) de la grille tournante (1), monté avec une possibilité de dé-placement vers l'intérieur de la chambre de combustion (2). 6. Grille tournante suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le dispositif de décharge est constitué de barreaux de grille montés sur un support commun pi-votant (15), qui peuvent être déplacés au moyen du support (15) vers l'intérieur de la chambre de combustion (2). 7. Grille tournante suivant la revendication 4, caractérisée en ce que le dispositif de décharge est constitué de barreaux de grille montés sur un support commun pi-votant (15), qui peuvent être déplacés vers l'extérieur au moyen du support (15) à partir de leur position de fermeture des espaces intermédiaires entre des bras porteurs voisins (3). 8. Grille tournante suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente, pour obtenir une puissance de chauffe de 20 MW pour la combustion de briquettes de lignite, les dimensions suivantes. plus grand diamètre intérieur D = 3.200 mm rayon de courbure intérieur r = 1.145 mm petit diamètre intérieur d = 1.350 mm distance entre le plus grand diamètre intérieur D et l'ouverture de la chambre de combustion (2) : h = 621 mm. 9. Grille tournante suivant la revendication 8, caractérisée en ce que, pour des puissances de chauffe différentes de 20 MW, les dimensions sont calculées suivant la formule Q = k x D2'5, k étant une constante dépendant du combustible. 10. Procédé d'exploitation d'une grille tournante suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bras porteurs qui sont couverts en cours de service par la charge combustible sont alimentés en tant qu'air de soufflage sous grille par 20% à 40%, de préférence 28% à 30%, de l'air comburant total requis pour la combustion. 11. Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'une partie de l'air de soufflage sur grille est envoyée au travers des bras porteurs non couverts par la charge combustible. 12. Procédé suivant l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que des gaz de combustion refroidis sont mélangés à l'air de soufflage sur grille.