Brevet FR2910113A1 — publié le 20080620

FOUR D'INCINERATION A REC:UPERATION D'ENERGIE OPTIMISEE. L'invention concerne, de façon générale, la valorisation de combustibles, par exemple le traitement 5 de déchets combustibles. Plus précisément, l'invention concerne un four d'incinération notamment adapté à la récupération d'énergie thermique de gaz de combustion et comprenant au moins un foyer alimenté en combustibles et un carneau, le 10 foyer incluant des injecteurs de gaz oxydant primaire, et le carneau étant équipé d'entrées de gaz oxydant secondaire et s'étendant autour d'un axe central, depuis une base coiffant le foyer et percée au moins d'une première et d'une deuxième entrées de gaz oxydant 15 secondaire angulairement décalées l'une de l'autre autour de l'axe central. Les fours d'incinération de ce type sont bien connus de l'homme du métier et utilisés à la fois pour brûler des combustibles tels que bois, cellulose, 20 végétaux ou déchets organiques, et pour exploiter l'énergie thermique issue de la combustion de ces combustibles. En général, les gaz de combustion circulant dans le carneau sont acheminés vers un surchauffeur et / ou une 25 chaudière dans laquelle ils transmettent leur énergie thermique à un fluide caloporteur, par exemple de l'eau qui est ainsi transformée en vapeur. Dans la mesure où les échanges thermiques entre les gaz de combustion et le fluide caloporteur ne sont pas 30 instantanés, il est très souhaitable que les gaz parvenant au surchauffeur et / ou à la chaudière circulent à une vitesse aussi faible que le permet le 2910113 débit des combustibles brûlés, ce qui implique que ces gaz occupent de façon aussi homogène que possible tout le volume interne du carneau. Pour ce faire, la demande de brevet WO 01/31119 décrit un four d'incinération dans lequel les débits de gaz oxydant admis à travers les différentes entrées de gaz oxydant secondaire présentent une distribution spatiale hétérogène. Bien que cette mesure améliore effectivement la combustion, le gain réalisé dépend de nombreux facteurs et notamment des dimensions du four, ainsi que de l'importance du risque d'apparition de régimes stationnaires. L'invention, qui repose sur la mise en évidence de ces limitations, a pour but de proposer un four d'incinération qui en soit essentiellement exempt. A cette fin, le four d'incinération de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est principalement caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de régulation d'injection conçus pour faire varier au cours du temps, de manière cyclique, les débits de gaz oxydant secondaire respectivement admis à travers les première et deuxième entrées de gaz oxydant. De préférence, les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire sont disposées de part et d'autre de l'axe central du carneau. Les moyens de régulation d'injection sont avantageusement conçus pour commander simultanément à une valeur maximale le débit de gaz oxydant secondaire admis à travers l'une des première et deuxième entrées et à une valeur minimale le débit de gaz oxydant admis à travers 2910113 3 l'autre des première et deuxième entrées, et pour choisir en alternance, à une fréquence déterminée, celle des première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire dont le débit est porté à une valeur maximale. 5 Cette fréquence déterminée peut être comprise entre 0,25 et 4 Hz, plus généralement comprise entre 0,5 et 2 Hz, et de préférence comprise entre 0,6 et 1,4 Hz. Chacune des première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire peut être formée par une pluralité de 10 buses par exemple disposées côte à côte sur une ou plusieurs rangées, comme c'est généralement le cas sur les fours existants. Dans le cas où le carneau présente à sa base une section transversale sensiblement rectangulaire ou 15 carrée, les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire sont avantageusement disposées sur deux côtés opposés de cette section. L'invention est particulièrement avantageuse pour les fours d'incinération de taille importante, dans 20 lesquels les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire sont typiquement espacées l'une de l'autre d'une distance au moins égale à 3 mètres et pouvant atteindre, voire dépasser, 8 mètres. D'autres caractéristiques et avantages de 25 l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe verticale 30 schématique d'un four d'incinération à grille conforme à un mode de réalisation possible de l'invention; 2910113 4 - la figure 2 est un schéma, obtenu par simulation, des courants de circulation des gaz de combustion dans un modèle classique de four connu; - la figure 3 est un ensemble de schémas, obtenus 5 par simulation, des courants de circulation des gaz de combustion dans un four correspondant au modèle connu mais équipé, conformément à l'invention, de moyens de régulation d'injection fonctionnant à la fréquence de 0,5 Hz, ces schémas représentant l'état de ces courants 10 toutes les 0,5 secondes; - la figure 4 est un ensemble de schémas, obtenus par simulation, des courants de circulation des gaz de combustion dans un four correspondant au modèle connu mais équipé, conformément à l'invention, de moyens de 15 régulation d'injection fonctionnant à la fréquence de 1 Hz, ces schémas représentant l'état de ces courants toutes les 0,25 secondes; - la figure 5 est un ensemble de schémas, obtenus par simulation, des courants de circulation des gaz de 20 combustion dans un four correspondant au modèle connu mais équipé, conformément à l'invention, de moyens de régulation d'injection fonctionnant à la fréquence de 2 Hz, ces schémas représentant l'état de ces courants toutes les 0,125 secondes; et 25 - la figure 6 est un diagramme représentant en ordonnée, pour différents cas et en fonction d'un temps de séjour exprimé en unités de temps arbitraires et en abscisse, le pourcentage de la fraction massique des gaz de combustion qui sortent du carneau au bout de ce temps 30 de séjour, le premier cas correspondant à l'art antérieur, c'est-à-dire à une fréquence nulle d'alternance des entrées de gaz oxydant secondaire (F=0), 2910113 5 le deuxième cas correspondant à une fréquence d'alternance de 2 Hz (F = 2 Hz), le troisième cas correspondant à une fréquence d'alternance de 1 Hz (F = 1 Hz), et le quatrième cas correspondant à une fréquence 5 d'alternance de 0,5 Hz (F = 0,5 Hz). Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un four d'incinération de combustibles, par exemple de déchets organiques, adapté à la récupération de l'énergie thermique des gaz de combustion G, et comprenant au moins 10 un foyer 1 et un carneau 2. Le foyer 1 peut inclure, de façon traditionnelle bien que non nécessaire ni limitative, une grille 10, cette grille étant associée à des injecteurs de gaz oxydant primaire, tels que 11 à 15, qui dans le cas d'un 15 four à grille débouchent en général sous la grille 10. Les combustibles ou déchets D destinés à être brûlés dans le four sont déversés dans une trémie T et sont chargés sur la grille 10 au moyen de poussoirs P. Dans un tel four, la grille 10 est généralement 20 animée d'un mouvement de va-et-vient et disposée en pente, de sorte que les combustibles qu'elle reçoit s'étalent sous forme d'un lit et progressent, à la fois par la gravité et par les mouvements de la grille, dans une direction Xl au fur et à mesure de leur combustion. 25 Les combustibles transformés en cendres sont ensuite récupérés, au delà du point le plus bas de la grille 10, sur une sortie de décharge S. Le carneau 2, dont la fonction consiste essentiellement à canaliser vers une chaudière et / ou 30 vers un surchauffeur (non illustrés) les gaz de combustion G, présente une base 20 coiffant le foyer 1 et 2910113 6 s'étend, par exemple vers le haut depuis sa base 20, autour d'un axe central Z éventuellement coudé. Pour assurer une combustion aussi efficace que possible des combustibles D, la base 20 du carneau est au 5 moins percée de deux entrées de gaz oxydant secondaire 3 et 4, angulairement décalées l'une de l'autre autour de l'axe central Z. En général, chacune de ces entrées de gaz oxydant 3 et 4 est formée par une pluralité de buses telles que 31 10 à 35 pour l'entrée 3 et 41 à 45 pour l'entrée 4, ces buses étant par exemple disposées côte à côte sur une ou plusieurs rangées, et le nombre de buses par entrée de gaz oxydant étant typiquement compris entre 5 et 20. Le four d'incinération qui fait l'objet de 15 l'invention comprend en outre des moyens de régulation d'injection 5 conçus pour faire varier au cours du temps, de manière cyclique, les débits de gaz oxydant secondaire respectivement admis à travers les entrées de gaz oxydant 3 et 4. 20 Ces moyens de régulation d'injection 5 peuvent par exemple prendre la forme de ventilateurs éventuellement associés à des vannes, ces moyens d'injection étant pilotés par une unité de commande (non représentée), ou dotés de moyens propres de cadencement. 25 Cette variation temporelle de débits est avantageusement appliquée au moins sur des entrées de gaz oxydant secondaire 3 et 4 qui sont disposées de part et d'autre de l'axe central Z et en pratique symétriques l'une à l'autre par rapport à cet axe central Z. 30 Comme en général le carneau 2 présente à sa base 20 une section transversale sensiblement rectangulaire ou carrée, les entrées de gaz oxydant 3 et 4 sont alors 2910113 7 disposées sur deux côtés opposés 201 et 202 de cette section, distants l'un de l'autre. Les entrées de gaz oxydant secondaire 3 et 4 peuvent ainsi, dans le cas non limitatif d'un four à 5 grille, se succéder dans la direction d'avancement X1 des combustibles, ou perpendiculairement à cette direction. Dans l'application privilégiée de l'invention, où le four présente des dimensions importantes, les entrées de gaz oxydant 3 et 4 sont alors typiquement espacées 10 l'une de l'autre d'une distance au moins égale à 3 mètres et pouvant atteindre ou même dépasser 8 mètres. Les moyens de régulation d'injection 5 sont conçus pour commander simultanément à une valeur maximale et à une valeur minimale les débits de gaz oxydant 15 respectivement admis à travers l'une et l'autre des entrées de gaz oxydant 3 et 4, et pour choisir en alternance, à une fréquence F déterminée, celle de ces entrées de gaz oxydant dont le débit est porté à une valeur maximale. 20 En particulier, la valeur maximale du débit de gaz oxydant de chaque entrée peut être choisie pour correspondre à la valeur maximale possible de ce débit, la valeur minimale du débit de gaz oxydant de chaque entrée pouvant en revanche ne pas être égale à zéro. 25 La fréquence F déterminée d'alternance, qui peut être comprise entre 0,25 et 4 Hz, est avantageusement comprise entre 0,5 et 2 Hz, et préférentiellement comprise entre 0,6 et 1,4 Hz. Comme le montre la figure 2, les gaz de combustion 30 G dans un four de l'art antérieur forment dans le carneau des courants de recirculation qui se manifestent par des 2910113 8 spirales et des boucles fermées, et qui occupent la plus grande partie du volume du carneau. Dans ces conditions, une fraction substantielle de ces gaz se dirige vers la sortie du carneau 2 en formant 5 des courants de section limitée, et donc de vitesse élevée, se manifestant par des lignes de courant rapprochées visibles sur la partie droite de la figure 2. Les figures 3 à 5, qui illustrent les courants formés par ces gaz de combustion dans un four conforme à 10 l'invention, permettent de constater visuellement l'amélioration de la distribution statistique de ces gaz qui résulte de la modulation temporelle des débits de gaz oxydant secondaire. La figure 6 montre de son côté que, dans un cas 15 extrême de l'art antérieur (F=O), la fraction la plus importante des gaz de combustion G ne séjourne dans le carneau 2 que pendant un temps très court. En revanche, ce temps de séjour est considérablement allongé par modulation des débits de gaz 20 oxydant secondaire à 0,5 Hz, 2 Hz et 1 Hz, cette dernière fréquence donnant en l'occurrence les meilleurs résultats. REVENDICATIONS . 1. Four d'incinération notamment adapté à la récupération d'énergie thermique de gaz de combustion (G) et comprenant au moins un foyer (1) alimenté en combustibles (D) et un carneau (2), le foyer (1) incluant des injecteurs de gaz oxydant primaire (11 - 15), et le carneau (2) étant équipé d'entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) et s'étendant autour d'un axe central (Z), depuis une base (20) coiffant le foyer (1) et percée au moins d'une première et d'une deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) angulairement décalées l'une de l'autre autour de l'axe central (Z), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de régulation d'injection (5) conçus pour faire varier au cours du temps, de manière cyclique, les débits de gaz oxydant secondaire respectivement admis à travers les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4). 2. Four d'incinération suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) sont disposées de part et d'autre de l'axe central (Z). 3. Four d'incinération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) sont espacées l'une de l'autre d'une distance au moins égale à 3 mètres. 4. Four d'incinération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de régulation d'injection (5) sont conçus pour commander simultanément à une valeur maximale le débit de 2910113 10 gaz oxydant admis à travers l'une des première et deuxième entrées (3, 4) et à une valeur minimale le débit de gaz oxydant admis à travers l'autre des première et deuxième entrées (3, 4), et pour choisir en alternance, à 5 une fréquence (F) déterminée, celle des première et deuxième entrées de gaz oxydant dont le débit est porté à une valeur maximale. 5. Four d'incinération suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence déterminée est 10 comprise entre 0,25 et 4 Hz. 6. Four d'incinération suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence déterminée est comprise entre 0,5 et 2 Hz. 7. Four d'incinération suivant la revendication 6, 15 caractérisé en ce que la fréquence déterminée est comprise entre 0,6 et 1,4 Hz. 8. Four d'incinération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des première et deuxième entrées de gaz oxydant 20 secondaire (3, 4) est formée par une pluralité de buses (31-35, 41-45). 9. Four d'incinération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carneau (2) présente à sa base (20) une section 25 transversale sensiblement rectangulaire ou carrée, et en ce que les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) sont disposées sur deux côtés opposés (201, 202) de cette section.