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"Procédé et installation pour la génération de gaz chauds, de préférence pour l'actionnement de turbines à gaz"
La génération de gaz moteurs pour turbines à gaz à combustion continue (appelées en abrégé "turbines à combustion"')' s'effectue dans une chambre de combustion, par la combustion sous pression de gaz, huile ou poussier de charbon.
Au lieu de pulvériser des combustibles solides et de les brûler dans un foyer à poussier, il a également déjà. été proposé de les gazéifier dans un gazogène et de brûler ce gaz dans la chambre de combustion. Afin d'éviter ces opérations séparées de gazéification et de combustion du gaz engendré, qui exigent l'emploi d'un gazogène et d'une chambre de combustion, on a déjà préconisé de brûler des combustibles solides dans un four à cuve, sous une pression et avec un excès d'air tels que, à. la sortie de ce four, les produits de la combustion possèdent aussi bien la pression nécessaire pour l'entraînement qu'une température élevée, qui est avantageuse au point de vue du rendement de la turbine à gaz, mais qui n'est cependant pas dangereux pour l'ailettage.
Par rapport à la combustion à pression atmosphérique ou à une légère surpression, tel qu'il était d'usage pour les fours à cuve et les chaudières, la combustion à la pression élevée nécessaire pour l'actionnement de la turbine à gaz présente l'avantage que la combustion est beaucoup plus intensive et que les dimensions du four devien-
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nent beaucoup plus faibles. Si la combustion devait s'opérer seule- ment avec l'excès d'air usuel dans les;chaudières, la température finale des gaz deviendrait beaucoup trop élevée pour l'actionnement de la turbine à gaz.
Selon le procédé suivant l'invention pour la génération de gaz chauds, de préférence pour l'actionnement de turbines à gaz, par la combustion de combustibles solides dans un four à cuve, sous une pression et avec un excès d'air tels que les produits de la combus- tion possèdent aussi bien la pression nécessaire pour l'actionnement de la turbine, le fonctionnement du gazogène et analogues, qu'une température élevée qui n'est toutefois pas dangereuse pour l'ailettage de la turbine, pour les tuyaux et autres éléments, une partie de l'air comprimé servant à la combustion du combustible et au refroidissement des gaz de combustion étant introduite directement dans une couche de combustion,
il est recommandable d'utiliser d'autres parties de l'air comprimé comme air réfrigérant et pour la sépara- tion centrifuge de résidus de combustion entraînés et des particules qui sont toujours emportées de la couche de combustible, et pour les ramener ensuite tous deux dans le lit de combustion.
Une partie, au moins, du grand excès d'air frais qui est né- cessaire pour abaisser la température finale des produits de combustion à une valeur appropriée, peut alors être introduite dans la couche de hauteur convenable de combustible en combustion, en une quantité et d'une manière telles que la couche soit ameublie par l'air, que les particules individuelles de combustible soient entourées d'air et partiellement portées par celui-ci. La combustion intensive, qui est déjà due à la grandeur de la pression d'air appliquée, est de ce fait encore renforcée sensiblement, de sorte que les dimensions du four peuvent encore être réduites pour une puissance donnée.
Le fait que, à cette pression d'air élevée et à la chute de pression disponible, la couche de combustible peut avoir une grande hauteur, concourt également à l'obtention de ce résultat. Avec ce mode de fonctionnement, on ne peut toutefois pas empêcher que de petites particules du combustible soient entraînées avec les produits de la combustion, par suite de la grande force d'entraînement de l'air comprimé et la grande quantité de celui-ci. Il faut donc prévoir, en aval de la couche en combustion, une installation qui sépare ces résidus solides afin d'éviter qu'ils n'atteignent la turbine à gaz et ne provoquent l'érosion des aubages, tubes, etc.. dans celle-ci.
Pour cette raison, on emploie utilement une partie de l'air comprimé, qui sert au refroidissement des produits de la combustion, pour produire, dans la partie supérieure du four à cuve, un tourbil-
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lonnement qui est capable de séparer ces résidus solides par oentri- fugation. Dans ce but, la partie de l'air comprimé, qui est utilisée à cet effet, peut être amenée par des tuyères tangentielles dans la chambre de séparation. On peut alors utiliser un ou plusieurs séparateurs de types connus.
En même temps -et,cela est encore plus important- la combustion du gaz combustible montant est très sensiblement favorisée par cet air insufflé tangentiellement, qui constitue en premier lieu l'air secondaire et qui n'agit qu'avec son excès comme air réfrigérant.
Il se produit une réduction extrêmement intensive des gaz de combustion, puisque le lit de charbon est chauffé par le haut par retroradiation de la flamme (dépendance de l'équilibre CO-CO2 de la température dans la zone de réduction).
Le combustible peut être introduit par le bas dans la zone de combustion, à la manière d'un foyer à alimentation inférieure. Il est toutefois préférable de l'introduire par le haut, afin que les plus gros morceaux, non encore brûlés, se trouvent à la surface de la couche en combustion, puisque ces gros morceaux sont moins entraînés que les morceaux qui ont déjà diminué de volume ou sont devenus tout petits par suite de la combustion. Le combustible se déplace alors de haut en base.
Une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est par exemple constituée par un four à cuve comportant une ouverture d'alimentation pour le combustible solide et une conduite d'évacuation des gaz engendrés, agencés dans sa partie supérieure, un cône pour étaler le combustible tombant sur lui, ainsi que des tuyères agencées au-dessus et au-dessous du cône, dont les premières sont dirigées tangentiellement et servent à produire, au moyen de l'air réfrigérant introduit par ces tuyères, un tourbillonnement des gaz d'échappement pour en séparer, par centrifugation, lea particules de scorie et de combustible, tandis que les tuyères inférieures sont destinées en partie à l'introduction d'air comprimé dans le lit de combustion pour ameublir et assurer la combustion intensive de la couche de combustible,
et en partie à la réintroduction des particules de scorie et de combustible séparées par centrifugation, qui sont amenées, avec l'air de trans port, de la partie supérieure du four à cuve vers la partie inférieure du lit de combustion, en passant par des conduites de déri- vat io n.
Il s'est avéré utile que les scories soient liquéfiées et maintenues liquides par une conduite appropriée de la combustion, ce qui permet de les évacuer beaucoup plus facilement, par éclusage, hors de la chambre à pression que lorsqu'il s'agit de scories solides,, La température de fusion des scories peut,alors être réglée par l'addition de substances déterminées au combustible.
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Le dessin annexé montre un exemple de réalisation de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
Le combustible (montré en hachuré), introduit par éclusage à l'aide d'un dispositif non illustré, pénètre dans le four à cuve à travers un tuyau a. et s'étale sur le cône pour s'écouler à la périphérie du four, suivant son talus naturel, sur le lit de combustible c. De l'air comprimé est introduit par des tuyères dans le lit de combustion, en quantité appropriée pour produire l'ameublissement désiré de la couche de combustible et assurer en conséquence une combustion intensive. Les gaz de combustion s'écoulent à travers la couche de combustible à la périphérie du cône b. ainsi que par les trous prévus dans celui-ci, en traversant partout du combustible frais qui arrive vers le lit de combustion.
Par des tuyères e disposées tangentiellement, on introduit également de l'air qui agit comme air secondaire pour la combustion du gaz combustible et dont l'excès agit comme air réfrigérant et produit également un tourbillonnement des gaz d'échappement, dont l'action centrifuge provoque la séparation des résidus solides de la combustion et des particules de la couche de combustible qui sont toujours entraînées.
Etant donné que les résidus solides peuvent encore contenir beaucoup de particules non brûlées, en raison du mode de combustion spécial, il est utile de ramener ces résidus dans le lit de combustion du four à cuve, au moyen d'air transporteur qui les enlève, par éclusage, du séparateuro Pour assurer leur réintroduction, il est nécessaire d'augmenter quelque peu la pression de l'air transporteur, puisque celui-ci se trouve à une pression plus faible que celle règnant dans la chambre de combustion, par suite des pertes dans le séparateur. On peut produire cette augmentation par des ventilateurs spéciaux g et par des appareils à jet h qui sont actionnés par l'air comprimé frais qui arrive et qui sert ensuite à la combustion.
Les résidus sont donc aspirés en f avec les gaz en tout cas engendrés, et sont ramenés dans le lit de combustion par les ventilateurs g ou les appareils à jet h et les tuyères i, et les résidus combustibles sont ainsi brûlés. Cette aspiration des poussières peut être répétée. Les-gaz ainsi épurés passent par le tuyau k concentrique à l'amenée de combustible a. entrent dans la chambre 1 et sont conduits de là, par le tuyau m, vers leur point d'utilisation proprement dit, dans une turbine à gaz, un surchauffeur, ou un générateur de vapeur, eau chaude ou air chaud.
Pour aider le séparateur de poussières, le oombustible arrivant par le haut peut aussi être conduit de telle façon que les produits de la combustion doivent traverser une couche de combustible, doivent chauffer celui-ci et se refroidir eux-mêmes, tandis qu'une grande partie des résidus solides entraînés par les produits de la
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combustion est retenue dans la couche de combustible.
Etant donné que, dans cette disposition, des particules légères de combustible, produites par l'écrasement du combustible, peuvent être emportées par les gaz et que, d'autre part, une certaine dégazéification du combustible frais qui arrive peut être provoquée par les produits chauds de la combustion, il est utile de monter encore des sépara- teurs centrifuges ou analogues en.aval d'un tel genre de dépoussié- reur, pour ramener. alors les poussières combustibles séparées et les gaz qui sont de toute façon produits par le combustible, à l'aide d'air transporteur dans le lit de combustion.
REVENDICATIONS.
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1 - Procédé pour la génération de gaz chauds, de préférence pour l'actionnement de turbines à gaz, par la combustion de combus- tibles solides dans un four à cuve, sous une pression et avec un excès d'air frais tels que les produits de la combustion possèdent aussi bien la pression nécessaire pour l'aotionnement de la turbine, qu'une température élevée, qui n'est toutefois pas dangereuse pour l'ailettage de la turbine, les tubes et autres éléments, tandis qu'une partie de l'air comprimé servant à la combustion du combus- tible et au refroidissement des gaz de combustion est introduite directement dans une couche de combustible,
caractérisé en ce que d'autres parties de l'air comprimé sont utilisées comme air réfrigérant et pour la séparation centrifuge des résidus de combustion entraînés et des particules qui sont toujours emportées de la couche de combustible, et pour les ramener ensuite dans le lit de combustion.
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"Method and installation for the generation of hot gases, preferably for the operation of gas turbines"
The generation of gas engines for continuous combustion gas turbines (called abbreviated "combustion turbines") 'takes place in a combustion chamber, by the combustion under pressure of gas, oil or coal dust.
Instead of pulverizing solid fuels and burning them in a dust fireplace, he also already has. It has been proposed to gasify them in a gasifier and to burn this gas in the combustion chamber. In order to avoid these separate operations of gasification and combustion of the gas generated, which require the use of a gasifier and a combustion chamber, it has already been recommended to burn solid fuels in a shaft furnace, under a pressure and with excess air such as, to. On leaving this furnace, the combustion products have both the pressure necessary for driving and the high temperature, which is advantageous from the point of view of the efficiency of the gas turbine, but which is however not dangerous for finning.
Compared to combustion at atmospheric pressure or at a slight overpressure, as was customary for shaft furnaces and boilers, combustion at the high pressure necessary for actuation of the gas turbine presents the advantage that the combustion is much more intensive and that the dimensions of the furnace become
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are much weaker. If combustion were to take place only with the excess air customary in the boilers, the final gas temperature would become much too high for the operation of the gas turbine.
According to the process according to the invention for the generation of hot gases, preferably for the actuation of gas turbines, by the combustion of solid fuels in a shaft furnace, under a pressure and with an excess of air such as Combustion products have both the pressure necessary for the operation of the turbine, the operation of the gasifier and the like, as well as an elevated temperature which is not, however, dangerous for the fin of the turbine, for the pipes and other elements, part of the compressed air used for the combustion of the fuel and for the cooling of the combustion gases being introduced directly into a combustion layer,
it is advisable to use other parts of the compressed air as refrigerant air and for the centrifugal separation of entrained combustion residues and particles which are still carried away from the fuel layer, and to then bring them both back in the combustion bed.
At least some of the large excess of fresh air which is necessary to lower the final temperature of the combustion products to a suitable value can then be introduced into the suitable height layer of burning fuel in an amount. and in such a manner that the layer is air-loosened, that the individual fuel particles are surrounded by air and partially carried by it. The intensive combustion, which is already due to the magnitude of the air pressure applied, is thereby further enhanced significantly, so that the dimensions of the furnace can be further reduced for a given power.
The fact that, at this high air pressure and at the available pressure drop, the fuel layer can have a great height, also contributes to obtaining this result. With this mode of operation, however, it is not possible to prevent small particles of the fuel being entrained with the combustion products, due to the large driving force of the compressed air and the large quantity thereof. It is therefore necessary to provide, downstream of the burning layer, an installation which separates these solid residues in order to prevent them from reaching the gas turbine and causing erosion of the blades, tubes, etc. in that -this.
For this reason, part of the compressed air, which serves to cool the combustion products, is usefully used to produce, in the upper part of the shaft furnace, a vortex.
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lonement which is capable of separating these solid residues by entrifugation. For this purpose, the part of the compressed air, which is used for this purpose, can be brought by tangential nozzles into the separation chamber. One or more separators of known types can then be used.
At the same time - and this is even more important - the combustion of the rising fuel gas is very appreciably favored by this tangentially blown air, which constitutes in the first place the secondary air and which only acts with its excess as cooling air. .
There is an extremely intensive reduction of the combustion gases, since the coal bed is heated from above by flame retroradiation (dependence of the CO-CO2 balance on the temperature in the reduction zone).
Fuel can be introduced from below into the combustion zone, much like a bottom feed fireplace. However, it is preferable to introduce it from above, so that the larger pieces, not yet burned, are on the surface of the burning layer, since these large pieces are less entrained than the pieces which have already decreased in volume. or have become very small as a result of combustion. The fuel then moves up and down.
An installation for implementing the method according to the invention is for example constituted by a shaft furnace comprising a feed opening for the solid fuel and a discharge pipe for the gases generated, arranged in its upper part, a cone to spread the fuel falling on it, as well as nozzles arranged above and below the cone, the former of which are directed tangentially and serve to produce, by means of the cooling air introduced by these nozzles, a vortex of the gases exhaust to separate, by centrifugation, the slag and fuel particles, while the lower nozzles are intended in part for the introduction of compressed air into the combustion bed to loosen and ensure intensive combustion of the layer fuel,
and partly to the reintroduction of the slag and fuel particles separated by centrifugation, which are brought, with the transport air, from the upper part of the shaft furnace to the lower part of the combustion bed, passing through bypass lines.
It has proved useful for the slag to be liquefied and kept liquid by a suitable combustion pipe, which allows it to be discharged much more easily, by slag, out of the pressure chamber than in the case of slag. solids, The melting temperature of the slag can then be regulated by adding specific substances to the fuel.
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The appended drawing shows an exemplary embodiment of the installation for implementing the method according to the invention.
The fuel (shown in hatched lines), introduced by sluicing using a device not shown, enters the shaft furnace through a pipe a. and spreads over the cone to flow around the periphery of the furnace, following its natural slope, on the fuel bed c. Compressed air is introduced through nozzles into the combustion bed, in an amount appropriate to produce the desired loosening of the fuel layer and consequently ensure intensive combustion. The combustion gases flow through the fuel layer at the periphery of the cone b. as well as through the holes provided therein, passing through fresh fuel everywhere which arrives towards the combustion bed.
By means of nozzles e arranged tangentially, air is also introduced which acts as secondary air for the combustion of the fuel gas and the excess of which acts as cooling air and also produces a vortex of the exhaust gases, the centrifugal action of which is causes the separation of the solid residues of the combustion and the particles of the fuel layer which are still entrained.
Since the solid residues can still contain a lot of unburned particles, due to the special combustion mode, it is useful to bring these residues back to the combustion bed of the shaft furnace, by means of conveyor air which removes them, by locking the separator o To ensure their reintroduction, it is necessary to increase the pressure of the conveying air somewhat, since this is at a lower pressure than that prevailing in the combustion chamber, as a result of the losses in the separator. This increase can be produced by special fans g and by jet devices h which are driven by the fresh compressed air which arrives and which is then used for combustion.
The residues are therefore sucked up at f with the gases in any case generated, and are returned to the combustion bed by the fans g or the jet devices h and the nozzles i, and the combustible residues are thus burned. This dust suction can be repeated. The gases thus purified pass through the pipe k concentric with the fuel supply a. enter chamber 1 and are conducted from there, by pipe m, to their point of use proper, in a gas turbine, a superheater, or a steam generator, hot water or hot air.
To help the dust separator, the fuel coming in from above can also be conducted in such a way that the combustion products must pass through a layer of fuel, must heat the latter and cool itself, while a large part of the solid residues entrained by the products of
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combustion is retained in the fuel layer.
Since, in this arrangement, light particles of fuel, produced by the crushing of the fuel, can be carried away by the gases and, on the other hand, some degassification of the fresh fuel which arrives can be caused by the products hot from combustion, it is useful to mount further centrifugal separators or the like downstream of such a type of dust collector, for return. then separated combustible dusts and gases which are anyway produced by the fuel, with the aid of carrier air in the combustion bed.
CLAIMS.
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1 - Process for the generation of hot gases, preferably for the actuation of gas turbines, by the combustion of solid fuels in a shaft furnace, under pressure and with an excess of fresh air such as the products of the combustion have both the pressure necessary for aoteration of the turbine, and a high temperature, which is however not dangerous for the fin of the turbine, the tubes and other elements, while a part of the compressed air used for the combustion of the fuel and for the cooling of the combustion gases is introduced directly into a layer of fuel,
characterized in that other parts of the compressed air are used as cooling air and for the centrifugal separation of entrained combustion residues and particles which are still carried away from the fuel layer, and then to return them to the bed of combustion.