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" Procédé pour brûler des combustibles solides ".
L'invention a pour objet un procédé pour brûler des combustibles solides qui permet d'obtenir des rendements sensiblement plus élevés que les procédés actuels. En outre, ce procédé permet de supprimer complètement la pulvérisation préalable du combustible et d'utiliser complètement les gaz de combustion pour chauffer l'air, utilisation qui rend impossible l'emploi de la combustion sur grille, avec le chauffage préalable de l'eau d'alimentation. Le rendement élevé de la grille et du foyer permet d'utiliser le procédé pour les chaudières des plus forts débits dont les dimensions peuvent être considérablement réduites par l'application du procédé.
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L'invention utilise en partie des connaissances banales et en partie des connaissances nouvelles qui, combi- nées entre elles, ou avec d'autres éléments, ou encore même chacune pour elle, donnent lieu à des effets nouveaux.
C'est ainsi que l'invention utilise le procédé connu d'arrivée du combustible en chute libre sur une grille, en vue d'obtenir le séchage et l'allumage dû charbon. Il fait également usage de l'air soufflé énergiquement sous la grille et connu sous le nom de "tisonnement pneumatique" grâce au- quel les particules de combustible sont animées, sur la gril- le, de secousses continues.
En outre, le procédé utilise la combustion dans l'atmosphère qui surmonte la grille, déjà proposée pour la combustion gazeuse au-dessus de la grille et également dans les générateurs de gaz à combustion au-dessus de la grille.
On fait ici usage d'air surchauffé sous diverses formes, même connues partiellement, dans la mesure désirée, mais donnant ici de nouveaux résultats.
Le nouveau procédé utilise en outre l'arrivée d'air sous la grille dont l'intensité croît d'une extrémité à l'autre du foyer, procédé déjà utilisé pour les grilles mobiles à zones de combustion, mais, ici encore, sous une forme renforcée en vue d'obtenir un résultat particulier.
On utilise la récupération des escarbilles avec retour en arrière, connue en elle-même, mais en vue d'obte- nir un effet nouveau..
Tous ces effets ou résultats nouveaux permettent d'arriver à ce but que l'on obtient des températures d'air, une répartition des températures d'air, et des pressions d'air soufflé sensiblement plus élevées que ce n'était le cas jusqu'ici dans les foyers à grille et à charbon pulvérisé
La combustion d'après le nouveau procédé est une combustion sur grille, combinée avec une combustion dans l'atmosphère qui surmonte la grille. On utilise principale- ment des grilles mobiles ou des grilles d'autres types qui
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font avancer le combustible. Ces grilles n'étaient utilisées jusqu'ici efficacement que pour une faible partie. Le premier tiers de la longueur de la grille est actuellement utilisé surtout en vue du séchage et de l'inflammation progressive de la couche de combustible.
La partie postérieure de la gril- le sert à obtenir une fin de combustion complète et est, en général, également mal utilisée. Dans les grilles fonction- nant suivant le nouveau procédé, ces deux parties extrêmes n'existent plus. Les nouvelles grilles sont utilisées à plein sur toute leur surface, et même beaucoup plus que la partie médiane dans les grilles actuellement connues.
Le principe du nouveau procédé consiste à mélanger le combustible frais amené dans le foyer avec des fragments de charbon qui sont déjà en combustion. Dans ce but, la quan- tité et la pression de l'air soufflé sous la grille mobile ou sous une grille spéciale qui fait avancer le combustible sont élevées, vers la fin, suffisamment pour que des particu- les de combustible en combustion soient entraînées de la gril- le dans le foyer. Elles se mélangent avec le combustible frais répandu sur la grille, à la partie antérieure de celle- ci, sur toute sa largeur, et déjà préalablement desséché par son arrivée en chute libre. La grille est donc alimentée avec un mélange qui renferme des particules incandescentes de sor- te qu'une combustion énergique se produit immédiatement.
Suivant le procédé, la combustion dans l'atmosphère qui surmonte la grille est accélérée du fait qu'elle se pro- duit dans de l'air très surchauffé. Au contraire, l'air souf- flé sous la grille peut être froid. Cette manière d'opérer présente deux avantages : d'une part, la grille reste remar- quablement froide même lorsque le fonctionnement est poussé au maximum, d'autre part, la partie de l'air total de combus- tion utilisée pour la combustion au-dessus de la grille peut être échauffée à une température très supérieure à celle que l'on pourrait obtenir pour le chauffage préalable de la tota- lité de l'air.
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La combustion dans l'atmosphère qui surmonte la grille a pour conséquence un accroissement appréciable de la quantité d'escarbilles et de cendres volantes entraînées par les gaz. Le dépôt de ces fragments solides s'effectue hors des conduits de la chaudière, sur un filtre de fumées disposé à cet effet. Dans le procédé, les escarbilles et les cendres entrainées sont ranimées, en utilisant de l'air chaud comme moyen de transport, au-dessus de la grille dans la direction de l'extrémité antérieure de celle-ci. L'utili- sation, à cet effet, d'air très chaud a déjà pour conséquen- ce un commencement de distillation des particules combusti- bles le long du trajet qu'elles suivent.
Il en résulte pour ces particules une aptitude à la combustion très différente et sensiblement plus élevée que dans les dispositifs déjà connus de récupération et de retour des escarbilles, dans lesquels une grande partie des escarbilles ainsi ramenées tombe sur la grille sans être enflammée, tandis qu'une par- tie encore plus considérable est entraînée à nouveau par les gaz de fumée. Avec le nouveau procédé, les fragments les plus gros des escarbilles sont seuls entrainés jusque dans la masse du combustible frais tombant sur la grille, d'où ré- sulte qu'ils accroissent la partie incandescente. D'autre part, le retour en arrière qui peut également être obtenu, à la manière connue, avec des gaz de fumée comme moyen de transport, donne lieu déjà à un premier tourbillonnement des gaz du foyer, ce qui détermine une combustion complète.
D'autres modifications du procédé permettent, mal- gré un accroissement appréciable des parties du combustible qui brûlent dans l'atmosphère située au-dessus de la grille, une diminution considérable des particules flottantes entrai- nées dans les carneaux avec les gaz de fumées. Dans ce but, on envoie de l'air soufflé supérieur, à partir de divers ori- fices sur un point situé au-dessus du milieu de la grille ou tangentiellement à un cercle de rayon plus ou moins grand ayant ce point pour centre. Les éjecteurs d'air sont, de
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préférence, orientables de façon à donner aux jets la direc- tion la plus favorable.
L'air est soufflé avec une vitesse relativement grande et à température élevée. Pour obtenir une bonne répar- tition, cette insufflation peut s'effectuer dans divers plans superposés. Si l'insufflation est tangentielle, on obtient un certain tourbillonnement des gaz connu dans le chauffage au charbon pulvérisé, qui a pour conséquence un allongement sensible du trajet que parcourent les particules en suspen- sion pendant leur combustion. Etant donné que l'on dirige les jets superposés d'air soufflé provoquant ce tourbillonne- ment en sens inverse les uns des autres, l'action de tourbil- lonnement est encore plus intense et la combustion obtenue encore plus complète.
Dans le procédé, on produit, de préférence, une insufflation d'air supérieur, vers l'avant, en sens inverse du mouvement de la grille, dans la zone de retour des parti- cules incandescentes qui se trouve au-dessous de l'arrivée du combustible. En outre, on produit une insufflation supplé- mentaire d'air supérieur centrale ou tangentielle destinée à provoquer le tourbillonnement comme on l'a indiqué plus haut, ce qui produit une zone de fin de combustion relative- ment courte et ce qui rend possible une construction de chau- dière de faible hauteur, tout en conservant un rendement élevé.
Le combustible arrive, à la manière connue en elle- même, sur toute la largeur du foyer sous l'action d'une bande sans fin, d'une chaîne râcleuse, etc... et de préférence à peu près à mi-hauteur du foyer. L'endroit où arrive le com- bustible est protégé par une paroi de tubes refroidis. Pour soustraire le transporteur à l'action du rayonnement du foyer et pour éviter un allumage prématuré du combustible, on in- suffle au-dessus de l'extrémité du transporteur, une quantité supplémentaire d'air secondaire dont la température est ré- glée par mélange avec de l'air froid, suivant la nature du @
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combustible.
Cet air secondaire chaud a pour effet également de sécher le combustible, et aussi d'enflammer et de faire brûler les gaz combustibles qui se dégagent en grande quan- tité dans la zone antérieure du foyer.
Cette arrivée d'air chaud secondaire, qui agit, surtout, comme on vient de le dire, comme protecteur, est rendue dépendante, d'après le procédé, de la vitesse de fonc- tionnement du transporteur d'alimentation en combustible.
Si cette vitesse est réduite, c'est-à-dire pendant que l'on charge faiblement la chaudière, on accroît la quantité d'air froid ; si le transporteur s'arrête, on coupe l'arrivée d'air chaud et on réduit l'arrivée d'air froid à la quantité néces- saire pour protéger le mécanisme d'amenée du combustible.
Grâce à ce procédé, tous les résidus de la combus- tion sont entrainés dans le courant de gaz du filtre, jusqu'à la plus faible particule. Si la température s'élève fortement dans le foyer, en raison du fait que la combustion a lieu avec un faible excès d'air, les cendres sont en grande par- tie liquéfiées et tombent, plus ou moins granulées, sur la partie inférieure de la grille, sous forme de parties lour- des, tandis que les particules cokéfiées non complètement brûlées sont soulevées par le courant d'air et entrainées dans le foyer. Il se produit donc ainsi le triage automatique connu séparant le combustible de l'incombustible. Pour assu- rer, dans tous les cas, une combustion absolument complète, on peut faire arriver les résidus de la grille, sous l'action d'un râcleur, dans une manche de combustion complète située derrière la grille.
Avec certains combustibles, il pourra être avanta- geux de donner à la grille une pente s'élevant vers l'arrière; à la manière connue en elle-même.
Sur les dessins annexés, on a représenté schémati- quement, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'in- vention.
Sur ces dessins, la grille est une grille mobile
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à zones distinctes.
La figure 1 est une coupe verticale dans toute la longueur de la chaudière.
La figure 2 est une coupe par A-B figure 1, à travers la partie du foyer qui se trouve au-dessus du dispo- sitif de retour des escarbilles entrainées et de l'arrivée d'air secondaire.
Les figures 3 et 4 sont des coupes respectivement par C-D et E-F, figure 1, dans la zone d'achèvement de com- bustion de la région où se produit la combustion au-dessus de la grille.
La grille a nécessite, pour la mise en oeuvre du procédé, trois sections seulement : une section antérieure b pour mettre en route la combustion intense sur la grille, une moyenne ± qui constitue la zone principale de combustion, et une troisième d relativement courte qui constitue la zone de séparation, et sur laquelle les particules non encore brûlées sont séparées des mâchefers et envoyées dans le foyer. Ces diverses sections peuvent être séparées, mais cela n'est pas absolument indispensable. La suppression des zones, jusqu'ici utilisées : zone antérieure de séchage et d'allumage et zone postérieure de finition de la combustion, rend la grille beaucoup plus courte, de sorte que l'on peut se dispenser de guider le brin de retour e de la grille, ce libre parcours dudit brin rendant inutile un dispositif de tension de la grille.
Le fonctionnement de la grille gagne ainsi en sécu- rité. A l'extrémité de la grille on place, de préférence, un râcleur f qui facilite la fermeture de la grille. On peut également adjoindre une manche de combustion des résidus qui est particulièrement avantageuse lorsqu'on brûle des combustibles très riches en cendres, parce qu'il peut arriver dans ce cas que des fragments de coke restent adhérents aux mâchefers et soient évacués avec ces derniers sans être com- plètement brûlés.
La grille est alimentée par un transporteur h,
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disposé, de préférence, à mi-hauteur du foyer. Ce transpor- teur est protégé du rayonnement du foyer, ainsi que tout le mécanisme d'alimentation en combustible, par une paroi i en tubes refroidis. Le foyer est revêtu, sur toutes ses faces, par l'ensemble des tubes froids de la chaudière.
Les coudes que forment en m les carneaux des gaz de fumées et les filtres à gaz de fumées n provoquent le dépôt en m et en ± d'escarbilles. Celles-ci, ainsi que les cendres entrainées, sont extraites de la canalisation d'air chaud, par un courant d'air soufflé provenant d'ajutages éjec- teurs p. Ces corpuscules sont entrainés à travers la tuyau- terie aux injecteurs 1, lesquels se trouvent à la partie inférieure de la paroi postérieure k du foyer et projettent les escarbilles et les cendres volantes vers l'extrémité d'entrée de la grille.
Dans la paroi postérieure du foyer sont disposés, au-dessus des injecteurs d'entrainement des cendres volantes, des éjecteurs r d'air secondaire qui sont dirigée également vers l'extrémité d'entrée de la grille et qui sont alimentés en air excessivement chaud.
Très au-dessus de ces éjecteurs d'air secondaire sont disposés un ou plusieurs groupes superposés d'éjecteurs d'air tertiaire si, s2, s3, s4 (figure 3), tl, t2, t3, t4 (figure 4) et ul, u2, u3, u4 qui permettent de projeter, de- puis divers points, (de préférence depuis les angles du foyer. sur un point central (en particulier le point d'intersection de l'axe vertical du foyer avec le plan d'insufflation) cet air tertiaire. Ces ajutages qui sont également alimentés en air excessivement chaud, sont, de préférence, orientables dans les plans d'insufflation. De cette façon, on peut, si on le désire, diriger les jets d'air tertiaire tangentielle- ment à un cercle de plus ou moins grand rayon, autour de l'axe de la chaudière et provoquer ainsi le tourbillonnement connu des gaz chauds.
On peut disposer ces éjecteurs de façon que les directions tangentielles des jets dans les plans
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successifs soient alternativement opposées.
Pour éliminer l'action du rayonnement du foyer, depuis le bas, sur l'ouverture d'alimentation de la grille et sur l'appareillage d'alimentation, et pour éviter égale- ment que l'inflammation ne se propage à travers le combus- tible jusqu'au réservoir de combustible, on fait passer, à partir d'ajutages v , un courant d'air dirigé de haut en bas, derrière la paroi tubulaire i. Cet air doit être réchauffé, cependant il n'est pas nécessaire qu'il soit porté à tempé- rature très élevée. La température doit être d'autant plus élevée que le combustible est plus pauvre en gaz. La tempé- rature de ce courant d'air se règle en mélangeant de l'air froid à l'air très chaud venant du réchauffeur d'air.
Tant que le transporteur ou le dispositif d'alimen- tation fonctionne, on peut maintenir, sans inconvénient, la température maximum permise par le combustible. Ce n'est que lors du ralentissement appréciable de l'alimentation en com- bustible, que, suivant le procédé, la température du courant d'air protecteur peut être abaissée en fonction de la vitesse du transporteur d'alimentation. Le moyen le plus simple con- siste à faire agir un thermostat sur des volets ou registres du conduit d'air chaud et du conduit d'air froid.
Si l'arrivée de combustible est complètement arrê- tée, l'arrivée d'air chaud est automatiquement coupée, et en même temps l'arrivée totale d'air est réduite à un minimum
Ci-après on va décrire comment on conduit la chau- dière et le foyer et comment ils fonctionnent.
La grille est chargée, à la mise en route, d'une matière d'allumage ou bien on dispose, dans ce but, des brû- leurs d'allumage à gaz ou à mazout qui enflamment le combus- tible amené par le dispositif d'alimentation sur l'extrémité antérieure de la grille.
Par suite, après la mise en route de la grille, ses deux sections antérieures se recouvrent d'une couche de char- bon enflammé. A ce moment, on accroit l'intensité du souffla-
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ge d'air sous la section moyenne de manière à obtenir le tisonnement pneumatique. Dès que la dernière section de gril- le est également recouverte, on accroit, sous cette dernière, la pression d'air peu à peu au-delà de la valeur nécessaire pour ce tisonnement, en même temps que l'on met en route le dispositif de retour en arrière des cendres entrainées et l'injection d'air secondaire ; peu après, on met en rou- te l'air tertiaire et l'air quaternaire.
L'accroissement de la quantité et de la pression d'air sur les trois sections de grille, de l'avant à l'arriè- re, produit l'action d'évacuation par soufflage et de retour en arrière des grains et particules incandescents, action déjà connue en elle-même, mais considérablement accrue grâce à ces dispositions nouvelles. Cette action est encore augmen- tée d'une façon importante par le retour en arrière des pous- siers flottants et l'insufflation dans le même sens d'air secondaire. Par suite, à partir de ce moment, la partie anté- rieure de la grille reçoit, en même temps que le combustible frais, cette pluie de particules incandescentes de sorte que la grille se charge d'un mélange de charbon frais et de frag- ments incandescents.
Ce mélange est soufflé par en-dessous, de sorte qu'une combustion intense s'installe immédiatement; cette combustion se produisant ainsi déjà à l'extrémité anté- rieure de la grille où la couche de charbon qui repose sur la première section de grille brûle.
Sous l'action de l'air très chaud (350 à 450), on obtient, dans la zone inférieure de combustion de l'atmos- phère située au-dessus de la grille, une combustion particu- lièrement intense aussi bien à la surface de la grille que dans la hauteur de cette atmosphère. Les particules combusti- bles les plus légères, qui sont entrainées dans la zone d'achèvement de combustion de cette couche gazeuse, sont com- plètement brûlées par l'air tertiaire le long du très long trajet de combustion que détermine le dispositif d'injection d'air. Le fait que la grille reçoit de l'air froid et que la
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pression d'air soufflé par en-dessous est bien plus élevée que jusqu'ici évite pratiquement toute altération de la grille. La chute à travers la grille est, elle aussi prati- quement supprimée.
Déjà dans la région de chute libre, à l'extrémité d'arrivée, le combustible frais est séché sous l'action de la température très élevée du rayonnement du foyer, et il est partiellement dégazé. Les gaz combustibles qui se déga- gent sont brûlés par le courant d'air quaternaire qui est insufflé de haut en bas, pour protéger le mécanisme d'alimen- tation. Cet air quaternaire a, en outre, une autre action : il empêche que les particules pulvérulentes du combustible ne soient, dès leur entrée dans le foyer, projetées en l'air par le dégagement violent des gaz et n'arrivent dans la régi- on supérieure du foyer, où elles ne pourraient concourir à la combustion sur la grille.
Sous l'action de l'air quater- naire, cette combustion des poussières s'effectue directement au-dessus de l'extrémité antérieure de la grille et au voisi- nage de la couche du mélange de combustible et de particules incandescentes qui repose sur la grille. Elle contribue donc en ce point, également, à accroître le rendement de la grille
Les rendements de la chaudière et du foyer con- struits suivant l'invention et conduits suivant le nouveau procédé sont sensiblement plus élevés que dans les chaudières connues à combustion sur grille et à combustion de charbon pulvérisé. Les espaces occupés par les foyers peuvent être beaucoup plus bas, ce qui permet d'abaisser également la chaudière et de diminuer considérablement les frais d'éta- blissement des installations de chaudières qui, en définitive, dépendent de la hauteur du bâti de la chaudière.
Ceci est matérialisé par la ligne (figure 1) en traits mixtes qui indique en profondeur l'espace minimum nécessaire pour une chaudière de même débit et de construction banale, tandis qu'une chaudière suivant l'invention n'occupe que la moitié de la hauteur des chaudières connues. Malgré l'emploi d'une,
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pression d'air sensiblement plus élevée et de vitesses plus élevées des gaz de fumées, qui occasionnent une perte de charge plus élevée pour l'air, le fonctionnement est, dans son ensemble, beaucoup plus économique. La grande consomma- tion d'énergie nécessitée par le broyage, dans les foyers à charbon pulvérisé, ainsi que l'usure des broyeurs sont suppri mes.
Seuls les très gros morceaux de charbon doivent être concassés ; le restant du combustible peut être utilisé comme il est, qu'il soit sec ou humide. Il n'est plus nécessaire de mouiller le charbon trop sec, comme cela se pratique actuellement, en général, pour la combustion sur grille. La perte de chaleur inévitable pour vaporiser l'eau ainsi intro- duite disparait. Le foyer, revêtu de tubes d'eau, et la gril- le, qui fonctionne dans des conditions extrêmement favorables. ne s'usent que très peu. Les gaz sont entièrement brûlés avec un très faible excès d'air et une très faible perte par cen- dres, ce qui donne un rendement très élevé.
La combustion complète, à température très élevée, modifie de façon favo- rable les cendres entrainées, de sorte que, grâce à la com- binaison avec la récupération des cendres volantes et en rai- son de la grande vitesse des gaz, le salissement extérieur des surfaces de réchauffage qui serait à craindre ne peut se produire et la chaudière peut fonctionner pendant un temps très considérable.