BE464310A

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Publication number: BE464310A
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Description

"Procédé et installation pour la génération de gaz de combustion chauds sous pression par combustion ou gazéification de combustibles solides"
L'invention concerne un procédé pour la génération de gaz de combustion chauds sous pression, par la combustion ou la gazéification de combustibles solides, de préférence pour l'actionnement de turbines à gaz, surchauffeurs, réchauffeurs, générateurs de vapeur, eau chaude ou air chaud, fours et autres consonmateurs de chaleur, ainsi qu'une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Dans la construction de foyers, la technique actuelle cherche par tous les moyens à réduire la chambre de combustion et à augmen- ter la puissance thermique spécifique. Le problème devient d'une importance très grande dans la'construction de chambres de combustion sous pression ou de gazogènes sous pression, tels qu'utilisés, entre autres, pour l'actionnement de turbines à combustion à circuit ouvert, chaudières Velox, réchauffeurs de vent Velox ou surchauffeurs de vapeur.

Dans les foyers à grille ou à cuve notamment, qui entrent seuls en ligne de compte pour des combustibles solides granuleux, des limites étreites sont toutefois imposées par la stabilité du

lit de combustible à la charge spécifique pouvant être atteinte.

Pour cette raison, on a déjà effectué les essais les plus divers pour empêcher le soulèvement par tourbillonnement du lit de combustible ou pour intercepter les particules de combustible entraînées et les ramener dans le lit de combustible, même en cas de charge très élevée. Parallèlement, on a essayé les procédés suivant lesquels le combustible pulvérulent ou finement granulé est brûlé ou gazéifié en suspension.

Tandis que les précautions prises pour la stabilisation du lit de combustible n'apportent en général pas une forte réduction de l'installation, puisque les zones ae dépôt ou chambres de séparation montées en aval exigent elles-mêmes beaucoup de place, on renonce, dans le cas de la gazéification ou combustion en suspension, aux grands avantages qui résultent, dans le cas de la combustion en couche et la gazéification en couche, de la grande vitesse relative entre l'air ou gaz et le combustible solide.

Jusqu'à. présent, on n'a pas encore mis à, profit les granas avantages qui résultent de la combustion ou gazéification de combustibles solides granuleux dans la zone instable, tout le lit de combustible étant le siège d'une ondulation continuelle, lesquels avantages doivent être attribués au jeu continu de l'accélération et du freinage des particules de combustible. Il faut naturellement éviter alors, d'une manière efficace, que la cuve à combustible ou la chambre de combustion ne se vide dans la tubulure de sortie du gaz.

Selon la présente invention, cela est réalisé d'une manière parfaite grâce au fait que, par l'insufflation d'un fluide, le lit de combustible est, au moins en partie, mis en mouvement circulaire et en même temps ondulatoire dans la chambre de combustion, en d'autres termes, grâce au déplacement ae la combustion dans un cyclone, dont la partie inférieure est remplie de combustible, les caractéristiques spéciales, au point de vue de la technique des courants, de la circulation dans un cyclone, dont on sait qu'elles rendent la séparation complète des poussières très difficile, étant exploitées avec avantage pour la combustion. On a ainsi cité en même temps l'installation pour la mise en oeuvre du procédé, laquelle consiste essentiellement en la réunion d'une chambre de combustion et d'un cyclone en un corps unique.

L'invention sera décrite plus en détails avec référence au dessin annexé.

Les Figs. 1-3 représentent schématiquement des exemples d'exécution d'un tel ensemble chambre de combustion - cyclone. La Fig.

4 montre un détail de la paroi latérale et Fig. 5 est une vue de détail en coupe transversale à travers l'ensemble, à hauteur des tuyères d'air principal.

Le combustible solide, par exemple du charbon, est amené, par

un sas 1 et un dispositif de chargement 2, dans le cyclone 3 établi sous forme de chambre de combustion. L'air comburant pénètre dans la partie supérieure par des fentes ou tuyères tangentielles 4, en un endroit approprié du cyclone. Il imprime un mouvement rotatif au lit de combustible et en même temps il retourne continuellement celui-ci sous l'effet des courants secondaires connus 16 de tout cyclone, de sorte que la couche supérieure de charbon arrive en bas, tandis que du charbon incandescent monte depuis le bas. De cette manière, l'oxygène de l'air et le bioxyde de carbone arrivent bien en contact avec le charbon et pénètrent en profondeur dans la masse de combustible.

Le retournement du lit de charbon est favorisé par des tuyères de soles spéciales 5, qui peuvent égale- ment être agencées tangentiellement, mais aussi en partie radiale- ment, et qui n'insufflent qu'une partie de l'air de combustion, au maximum tout l'air de gazéification.

Les produits gazeux de combustion ou de gazéification qui s'élèvent du lit de combustible et au moins des parties de l'air comburant ou de refroidissement, qui est éventuellement encore mélangé ultérieurement à ce courant de gaz, participent au mouve- ment rotatif. La couchede combustible est maintenue tellement faible que le mouvement décrit de tout le lit est possible sans consommation d'énergie et usure exagérées, et que les corps solides soulevés par le tourbillon et entraînés dans l'espace rempli de gaz au-dessus de la couche de combustible, sont de nouveau séparés par centrifugation contre les parois.

Le coke volant entraîné 6 est séparé par centrifugation, dans la partie supérieure libre du cyclone. Dans cette partie s'opère également la combustion des gaz montants, avec l'air additionné par les tuyères 4, et les gaz sont éventuellement refroidis jusqu'à. la température de travail désirée. Les particules de coke volant sont projetées sur la paroi 7 de la chambre de combustion, qui est tapissée d'un film de scories liquides, elles y sont retenues par les scories et sont rapidement brûlées par l'a,ir comburant passant à grande vitesse. Par le balayage intensif, au moyen de tuyères d'air spéciales 10 ou 11, du couvercle 8 de la chambre de combustion et du tuyau central d'évacuation de gaz 9, pénétrant avantageusement à l'intérieur de la chambre, ces organes peuvent être efficacement refroidis et tenus à l'abri de dépôts de scories.

De plus, l'insufflation d'air propre de balayage, auquel est im- .primé un mouvement hélicoïdal, empêche l'entraînement connu de poussière ou de coke volant, avec la couche limite, le long des parois du séparateur. Par suite de leur poids spécifique plus élevé, les gouttelettes de scories liquides sont séparées par projection

contre la paroi et s'écoulent le long de celle-ci dans l'entonnoir à scories 12. A la sortie de celui-ci, le flux de scories liquides 13 est granulé et est évacué avec le courant d'eau qui s'écoule.

La pression dans la chambre de granulation est réglée, à l'aide au clapet 14, de telle façon que le flux d'évacuation de scories soit chauffé continuellement par un faible courant de gaz et soit maintenu bien fluide. La paroi de la chambre de combustion est constituée par une enveloppe double refroidie par air, vapeur ou eau, qui est garnie d'une maçonnerie réfractaire ou seulement d'une couche de scories 21 qui s'accrocne fermement à des saillies ou broches 15 (Fig. 4). La quantité de combustible qui est chargée, est réglée de telle façon que la couche de combustible ne monte pas trop haut dans la chambre de combustion et ne freine pas trop le mouvement.

Le tuyau de chargement 2, placé dans le centre du conduit d'évacuation de gaz 9, peut soit descendre jusqu'au-dessous de la surface du lit de combustible, tel que montré au dessin, soit se terminer dans l'espace rempli de gaz de foyer, au-dessus du lit de combus- tible. Par ailleurs, le tuyau 2 peut être déplaçable axialement et, comme montré en Fig. l, il peut être pourvu d'un cône de répartition disposé à la sortie du dit tuyau, à fente annulaire.

La Fig. 2 montre spécialement la disposition suivant laquelle du combustible ou du coke volant, séparé en un point quelconque du système, est extrait à la partie supérieure ae la chambre de combustion et est de nouveau insufflé dans la chambre de combustion par au moins une partie des tuyères prévues, ensemble avec de l'air, de la vapeur ou du gaz. En particulier, les points d'extraction du coke volant séparé, ainsi quo les points d'insufflation peuvent être choisis de telle façon que la chute de pression Naturelle, engendrée par le tourbillon dans la chambre de combustion, assure le transport du coke volant.

En vue de renforcer l'action d'extraction par aspiration, une soufflerie, un appareil à jet 18 ou analogue peut être monté dans la conduite de circulation 17, ou bien la pression au point d'insufflation, par exemple dans la canalisation d'air, est réduite localement par l'augmentation de/la vitesse d'écoulement et est ensuite récupérée par un diffuseur.

En vue de l'extraction du coke volant et la poussière séparés à sec, les points d'enlèvement sont avantageusement pourvus de fentes tangentielles, dirigées contre le courant.

Selon Fig. 3, la chambre de gazéification pour le combustible solide est séparée de la chambre de combustion des gaz combustibles ou éventuellement de la chambre de mélange pour l'air réfrigérant, par un fond horizontal 19 à ouverture centrale de passage pour le

gaz, qui est pourvu d'ouvertures appropriées 20 pour l'écoulement des poussières volantes entraînées dans la chambre supérieure et séparées dans celle-ci. Une combustion partielle des gaz combustibles peut également déjà se produire dans la chambre inférieure.

Le dispositif de séparation du coke volant peut être monté entre les deux chambres.

Comme montré en Fig. 5, l'installation peut aussi être construite de telle façon que les tuyères tangentielles d'air principal 4 sont disposées, au moins en partie, sous le couvercle 8 de la chambre et autour du tuyau d'évacuation de gaz 9, de sorte que l'air balaye et refroidisse d'abord la couvercle de la chambre et le tuyau d'évacuation de gaz, avant d'être mélangé complètement aux gaz chauds.

La quantité d'air, vapeur ou gaz, insufflée au-dessus ou dans la couche de combustible, doit être mesurée de telle façon qu'elle suffise approximativement pour la gazéification complète de la quantité de combustible chargée. De cette manière, on obtient la plus haute concentration de poussière dans le gaz; en même temps la température du gaz est basse, de sorte que la séparation des poussières s'opère avec la consommation minimum de puissance.

La quantité d'air insufflée au-dessus du lit de combustible peut aussi être mesurée avantageusement de telle manière qu'elle suffise approximativement pour la combustion complète des gaz engendrés et du coke volant entraîné. De cette manière, on obtient de très hautes températures dans la chambre de combustion, ce qui est important pour la séparation de la cendre à l'état liquide.

La totalité ou une partie de l'air de.refroidissement nécessaire pour réduire la température des gaz à la température de service du consommateur de chaleur monté en aval, peut être insufflée dans la chambre de combustion, soit ensemble avec l'air comburant, soit par des tuyères spéciales. Dans ce cas, les tuyères spéciales d'air de refroidissement peuvent être agencées en un point limite des parois de la chambre de combustion, entre la séparation liquide et la séparation solide des cendres, de sorte que toutes les parois "sèches" de la chambre de combustion sont balayées et refroidies par une nappe d'air suffisante.

Si les tuyères pour l'air comburant ou pour l'air de refroidissement sont disposées de telle façon que le couvercle de la chambre de combustion et le tuyau d'évacuation de gaz sont balayés par de l'air frais au lieu de l'être par des gaz chauds, on évite en même temps un dépôt de scories indésirable sur ces organes, et on empêche que la couche limite, dont la rotation est freinée,

ne transporte des gaz contenant des poussières, dans le tuyau de sortie des gaz.

Les avantages d'une telle combinaison du cyclone dépoussiéreur et ae la chambre de combustion sont multiples :
1. Des particules de combustible sont constamment entraînées et de nouveau séparées, et cette alternance continuelle de l'accé- la'ration et du freinage de particules de combustible dans le courant de gaz donne lieu à une augmentation extraordinaire de la vitesse de combustion.

2. Le danger d'entraînement des plus petites particules de combustible solide dans la conduite de sortie des gaz étant complètement supprimé, la vitesse d'air ou de gaz et donc aussi la puissance de chauffage peuvent être portées à des valeurs très élevées.

3. Etant la composante de plus grand poids spécifique, la scorie liquide est projetée contre les parois du cyclone et ruis- selle en mince couche vers le bas le long de ces parois, sans influencer défavorablement la combustion par l'enrobage de particules de combustible solide, et la scorie peut être extraite à l'état liquide à la fin du cyclone et être granulée de la manière connue en soi.

4. La séparation du résidu de cendres dans la suspension de particules de coke volant en combustion, et de combustion de particules de coke volant entraînées dans la partie supérieure du cyclone, donnent lieu à la production d'un film de scorie liquide sur toute l'étendue des parois du cyclone. Il en résulte que toutes les particules qui arrivent en contact avec cette paroi restent adhérer à celle-ci et ne peuvent plus être entraînées par le tourbillon. Cela explique le grand degré de séparation atteint par un tel séparateur de cendres volantes liquides. Par contre, l'expérience a montré que des particules de coke volant fixées par le film de scorie flottent à la surface de celui-ci et brûlent complètement en un temps très court, puisqu'elles sont soudainement exposées à la pleine vitesse de gaz.

5. Par l'exécution adéquate des tuyères d'air frais, on obtient que le couvercle de la chambre de combustion et le tuyau de sortie des gaz sont refroidis et balayés par de l'air pur. On évite ainsi l'échappement connu de très petites pa.rticules de poussière avec la couche limite freinée, qui constitue un défaut fréquent de nom- bre de séparateurs de poussière ; ce fait, on obtient aes gaz utiles de très haute pureté.

6. Le mouvement intense et permanent du lit de charbon empêche très efficacement l'agglutination du charbon. De cette manière, on réalise une indépendance pratiquement complète de la sorte de combustible. Même les sortes de charbon agglutinant qui sont redoutées par tout gazogène ou four à cuve, peuvent être brûlées sans difficulté.

7. Le séchage et le chauffage préalables du charbon ne se font pas à,la surface, comme dans les gazogènes normaux, mais dans la profondeur de la couche, étant donné que le charbon fraîchement chargé est immédiatement saisi et entraîné par le tourbillon. De ce fait, les brouillards de goudron qui sont formés arrivent de suite dans des zones chaudes, où ils subissent un cracking et sont gazéifiés. Cela contribue également à assurer une forte indépendance de la sorte de combustible.

8 - Par suite de la circulation décrite, une température uniforme, fortement supérieure à la température de fusion des scories, règne dans toute la cuve. Dans toute la chambre de combustion, la cendre se trouve par conséquent à l'état liquida, ce qui évite une zone de transition de la scorie liquide à solide, en passant par l'état pâteux. C'est cependant cette zone de transition qui provoque les plus grandes difficultés dans les gazogènes connus à coulée de scories.

9 - La même énergie d'écoulement de l'air est utilisée en même temps pour le mélange, l'accélération de la combustion et la séparation des poussières, de sorte que la dépense totale de puissance d'une telle installation est plus faible que dans le cas où le foyer est séparé du séparateur de poussières.

10. Le contenu total de combustible du foyer est très faible. Il suit donc très élastiquement les variations de charge.

Les pertes de combustible occasionnées par l'arrêt et le démarrage sont très faibles.

11. Toute la cendre du combustible se présente sous la forme de scorie liquide et peut être granulée. Le difficile problème des poussières volantes est ainsi totalement éliminé.

Toutes ces propriétés et qualités se manifestent dans une plus forte mesure dans les foyers sous pression. Tout spécialement lorsqu'il s'agit de l'actionnement de turbines à combustion à circuit ouvert, en faisant usage de combustibles solides à forte teneur en cendres, l'utilisation d'un séparateur de poussières, de haute qualité et en même temps à faible consommation d'énergie, est une nécessité primordiale.

Claims

REVENDICATIONS.

1 - Procédé pour la génération de gaz de combustion chauds sous pression, par la combustion ou la gazéification de combustibles solides, de préférence pour l'actionnement de turbines à gaz, surchauffeurs, réchauffeurs, générateurs de vapeur, eau chaude ou air chaud, fours et autres consommateurs de chaleur, caractérisé en ce que, par linsufflation d'un fluide, le lit de combustible est, au moins en partie, mis en mouvement circulaire et en même temps ondulatoire dans la chambre de combustion.

2.- Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant revendication 1, caractérisée par la réunion d'une chambre de combustion et d'un cyclone en un corps unique.

3 - Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est insufflé au-dessus du lit de combustible.

4 - Procédé suivant revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le fluide est également insufflé dans la partie inférieure de la chambre de combustion, pour ameublir et renforcer le mouvement ondulatoire de la couche de combustibleo 5 - Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de fluide à insuffler est mesurée de telle façon qu'elle suffise approximativement pour la gazéification complète de la quantité de combustible chargée.

6 - Procédé suivant revendications 1 et 3, caractérisé en ce que de l'air est insufflé, au-dessus du lit de combustible, en une quantité qui suffit approximativement pour la combustion complète des gaz engendrés et du coke volant entraîné, afin de faire monter autant que possible la température dans la chambre de combustion et d'assurer ainsi la séparation des cendres à l'état liquide.

7 - Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que de l'air de refroidissement est insufflé dans la chambre de combustion pour réduire la température des gaz à la température de service du consommateurs de chaleur monté en aval.

8 - Procédé suivant revendications 1 et 7, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'air réfrigérant est insufflé dans la chambre de combustion, ensemble avec l'air comburant.

9 - Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'air de refroidissement est insufflé séparément dans la chambre dombustion.

10 - Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que <Desc/Clms Page number 9> la combustion/complète et le refroidissement des gaz de combustion engendrés sont opérés séparément de la gazéification du combustible solide, dans une chambre spéciale.

11- Procédé suivant revendication-1, caractérisé en ce que la température de la scorie qui s'écoule est maintenue à la hauteur désirée par le réglage de la quantité de gaz chauds sortant de l'ouverture d'évacuation de la scorie.

12 - Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que les parois de la chambre de combustion sont refroidies spécialement.

13 - Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que du combustible est extrait et est réintroduit en un point approprié dans la chambre de combustion.

14 - Procédé suivant revendications 1 et 13, caràctérisé en ce que du coke volant et des poussières volantes, séparés à sec, sont extraits et insufflés de nouveau en un point approprié dans la chambre de combustion.

15- Installation suivant revendication 2, caractérisée par une chambre de combustion (3) en forme de cuve, autant que possible de section transversale circulaire, à tuyau de chargement central (2) pour le combustible solide, de préférence du charbon, par un conduit d'évacuation des gaz (9), qui entoure concentriquement le dit tuyau et pénètre dans la chambre de combustion, par au moins une ouverture (12) pour l'évacuation de scorie liquide, et par des ouvertures d'entrée, prévues dans les parties supérieure et inférieure de l'enveloppe et munies, au moins en partie, de tuyères ou dispositifs de guidage (4 et 5) agencés tangentiellement, pour un fluide devant être insufflé, afin de produire le mouvement voulu du combustible.

16 - Installation suivant revendications 2 et 15, caractérisée en ce que le tuyau de chargement de combustible (2) se termine audessus du lit de combustible, dans l'espace rempli de gaz de combustion.

17 - Installation suivant revendications 2 et 15, caractérisée en ce que le tuyau de chargement de combustible(2) est conduit jusqu'au-dessous de la surface du lit de combustible.

18 - Installation suivant revendications 2 et 15, caractérisée en ce que le tuyau central de chargement de combustible (2) peut être déplacé axialement.

19 - Installation suivant revendications 2 et 15, caractérisée en ce que le tuyau central de chargement de combustible (2) est pourvu d'un cône de répartition agencé à sa sortie, à fente annulaire. <Desc/Clms Page number 10>

20 - Installation suivant revendications 2 et 15, caractérisée par des tuyères spéciales (10,11) pour le balayage intensif, avec de l'air frais de refroidissement, du couvercle (8) de la chambre de combustion et du conduit d'évacuation des gaz (9).

21 - Installation suivant revendications et 15, caractérisée en ce que les tuyères (5) agencées à la partie inférieure sont, au moins en partie, dirigées radialement.

22 - Installation suivant revendication 2, caractérisée par des points d'extraction du combustible, du coke volant et de la poussière volante qui ont été séparés, ces points dextraction étant. agencés à la partie supérieure, et par des points de réintroduction dans la partie inférieure de la chambre de combustion.

23 - Installation suivant revendications 2 et 22, caractérisée en ce que les points d'extraction et de réintroduction sont choisis de telle façon que la chute de pression naturelle, engendrée par le mouvement tourbillonnaire dans la chambre de combustion, assure le transport du combustible, du coke volant et de la poussière volante.

24 - Installation suivant revendications 2 et 22, caractérisée par le montage d'un dispositif de refoulement (18) dans au moins une conduite de circulation (17) qui relie un point d'extraction . à un point de réintroa.uction.

25 - Installation suivant revendication 2 et 22, caractérisée en ce que des fentes tangentielles, dirigées contre le courant, sont agencées aux points d'extraction pour l'évacuation des matières à enlever.

26 - Installation suivant revendications 2 et 22, caractérisée en ce'qu'elle est établie de telle façon que la pression au point d'introduction est réduite localement par l'augmentation de la vitesse d'écoulement et est ensuite récupérée par un diffuseur.

27 -Installation suivant revendication 2, caractérisée en ce que des tuyères spéciales d'air de refroidissement sont agencées en un point limite de la paroi de la chambre de combustion, entre la séparation de cendres à l'état liquide et la séparation de cendres à l'état solide, de sorte que toutes les parois "sèches" de la chambre de combustion sont balayées et refroidies par une nappe d'air suffisante.

28 - Installation suivant revendication 2, caractérisée par la prévision d'une chambre spéciale (Fig. 3) pour la combustion complète et le refroidissement éventuellement nécessaire des gaz de combustion engendrés, séparément de la gazéification du combusti- ble solide. <Desc/Clms Page number 11>

29 - Installation suivant revendications 2 et 28, caractérisée en ce que le dispositif pour la séparation du coke volant est monté entre les deux chambres.

30 - Installation suivant revendication 2, caractérisée en ce que les parois de la chambre de combustion sont pourvues de saillies (15) auxquelles se fixe, en service, une couche isolante formée par la cendre du combustible même, qui a été fondue et resolidifiée (Fig. 4).

31- Installation suivant revendications 2 et 15, caractérisée en ce que les ouvertures (4) pour l'entrée de l'air comburant sont disposées, au moins en partie, sous le couvercle (8) de la chambre de combustion et tout autour du conduit d'évacuation des gaz (9), de telle façon que l'air, avant son mélange complet avec les gaz chauds, balaye et refroidit d'abord le couvercle de la chambre et le conduit d'évacuation des gaz (Fig. 5).

32 - Installation suivant revendications 2 et 15, caractérisée en ce que la chambre de gazéification pour le combustible solide est séparée de la chambre de combustion des gaz de combustion ou de la chambre de mélange pour l'air de refroidissement, par un fond (19) à ouverture centrale pour le passage des gaz, ce fond étant pourvu d'ouvertures appropriées (20) pour l'écoulement de la poussière volante entraînée dans la chambre supérieure et séparée dans celle-ci (Fig. 3).