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On sait qu'on peut traiter des substances solides, finement gra- nulées, par des gaz en introduisant ces derniers, par le bas, dans une cou che constituée par des substances finement divisées, sous une pression suf- fisante pour animer les particules solides d'un mouvement turbulent qui don- ne à la couche l'aspect d'un liquide bouillant. Ce procédé peut être appli- que pour réaliser des processus d'échange thermique entre des gaz et des subs- tances solidespour sécher ou pour porter au rouge des substances solides à l'aide de gaz chauds ou encore pour faire réagir des gaz avec et au contact de substances solides.
Ce principe de travail, connu sous le nom de procédé à couche en mouvement turbulent, a, pour la première fois, été mis en oeuvre dans la technique au moyen des générateurs dits générateurs Winkler, dans les- quels on produit des gaz de synthèse pour l'industrie chimique par cokéfac- tion de matières carbonées.
Or, on a trouvé que le procédé à couche en mouvement turbulent convient également très bien pour faire brûler des matières carbonées, en particulier d'une teneur élevée en cendres, au moyen d'air ou d'air enrichi en oxygène, ou encore au moyen d'autres gaz oxygénés, et pour récupérer la chaleur de combustiono Selon l'invention, on introduit les matières carbonées à l'état finement granulé, en régime continu, dans une couche portée à la température de combustion et constituée par des particules solides non combusti- bles, de préférence des particules de cendres provenant des matières carbonées mêmes,ces particules étant, au moyen de l'air de combustion introduit par le bas,maintenues en mouvement turbulent en formant une couche turbulente de grosseur limitée et de densité élevée en volume,
puis on retire les cendres de la couche selon leur degré d'enrichissement sorber la chaleur, disposés dans la couche en mouvement turbulent, on évacue les calories de la couche en mouvement turbulent qui ne sont pas nécessaires au maintien de la température de combustion, pour les amener ensuite aux lieux d'utilisation.
Un foyer à couche en mouvement turbulent de ce genre est essentiellement différent des foyers de chaudières à poussier connus. Dans ces derniers foyers, on insuffle dans des chambres, avec de l'air de combustion, du charbon broyé jusqu'à la finesse de la poussière, puis on le brûle. Il ne se forme pas alors de couche en mouvement turbulent, dans laquelle on pourrait disposer des organes évacuant la chaleur. Dans ces procédés connus, on cherche à produire des températures de combustion très élevées pour provoquer un fort rayonnement de chaleur sur les organes producteurs de vapeur.
Le présent procédé n'a non plus rien de commun avec celui des brûleurs dits à lit de fusion turbulent, dans lesquels le poussier de charbon est insufflé sous forme de tourbillon et les cendres sont amenées en fusion pour pouvoir être évacuées à l'état liquide. Les hautes températures qui règnent alors et l'attaque que les scories fondues à l'état liquide exercent sur le revêtement de la chambre à combustion sont cause d'une usure élevée. En outre, le court sé- jour du combustible dans la chambre de combustion, notamment en cas de traitement de combustibles à teneur élevée en cendres, ne permet ni une utilisation complète des constituants combustibles, ni une utilisation presque complète de l'oxygène de l'air de combustion.
Ces inconvénients ne se manifestent pas avec le foyer à couche en mouvement turbulent selon la présente invention. Avec ce mode de combustion, on réussite malgré la courte durée de contact (1 seconde environ) entre l'air de combustion et les particules de la couche en mouvement turbulent, à utiliser pratiquement complètement la teneur en oxygène de l'air de combustion avec formation d'anhydride carbonique et de vapeur d'eau comme produits de combustion,, Il ne se forme donc pratiquement pas d'oxyde de carbone et on obtient une utilisation presque complète de la partie combustible des matières mises en oeuvre, avec des durées de séjour moyennes d'environ 1 à 2 heures dans la couche en mouvement turbulent.
Alors qu'avec les foyers de chaudiè- res connus, on a besoin d'un excédent d'air de combustion, à savoir d'environ
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1,3 fois la quantité théoriquement nécessaire, pour éviter une combustion incomplète avec formation d'oxyde de carbone, le présent procédé ne demande qu'une quantité d'air qui n'excède que peu la quantité théoriquement nécessaire. On peut, dans la partie supérieure de la couche en mouvement turbulent et/ou dans l'espace situé au-dessus de cette couche, introduire une partie . de l'air de combustion nécessaire.
Les excellentes conditions de transmission de chaleur dans la couche en mouvement turbulent permettant d'opérer à des températures de combustion relativement basses, par exemple comprises entre 800 et 1100 , lesquelles températures ne sont pas usuelles dans les foyers de chaudières. Ces basses températures favorisent, selon les lois thermodynamiques connues régissant le rapport C02:CO , la formation d'anhydride carbonique dans les gaz ae combustion contenant de la vapeur d'eau, Par suite des basses températures, on évite en outre un ramollissement des cendres dans la couche en mouvement turbulent et l'apparition de poussières folles entraînées avec les gaz de combustion hors de la couche.
Il ne se produit pas, sur les organes destinés à évacuer la chaleur, de collage de particules sodides ramollies et ainsi pas d'arrêt dans la transmission de la chaleur. Il est même possible de traiter des charbons ayant tendance à se conglomérer dans une couche en mouvement turbulent qui est principalement constituée par des particules de cendres ou par d'autres particules solides ne se ramollissant pas et ne brûlant pas.
Ce procédé peut être appliqué à des combustibles carbonés quelconques, notamment à de la houille riche en cendres, au lignite, à la tourbe, aux schistes bitumineux ou aux produits de cokéfaction de ces combustibles.
La grosseur des grains des combustibles introduits dans la couche, peut varier dans de larges limites. En général, elle sera inférieure à 20 mm, de préférence, inférieure à 10 mm.
Pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, on applique, pour le reste, les mesures usuelles dans la technique des procédés à couche en mouvement turbulent. On peut, pour maintenir la hauteur voulue de la couche en mouvement turbulent, qu'on choisira, en pratique, entre 200 et 1000 mm calculé sur la couche au repos, par exemple utiliser de façon connue, des tubes de trop-plein, par lesquels on évacue,. en permanence ou par intermittance, les cendres enrichies dans la couche. Comme support de la couche en mouvement turbulent, on peut utiliser une grille ou une couche constituée par des matériaux en vrac non combustibles. Par suite de la faible hauteur de la couche et du faible poids spécifique des cendres, on n'a besoin que d'une faible pression initiale pour l'insufflation de l'air de combustion.
Lorsqu'on utilise des combustibles pauvres en cendres ou donnant des résidus très finement pulvérulents, il est indiqué de maintenir la cou- che en mouvement turbulent à une hauteur suffisamment élevée par introduction continue ou périodique de substances solides finement broyées, non combustibles et ne se ramolissant pas à la température de combustion, telles que des grains d'argile réfractaire, des résidus de grillage de pyrites et autres substances analogues. On donne, dans ce cas, la préférence à des produits qui, de même que les cendres des combustibles, contiennnent des oxydes ferriques, étant donné que les substances de ce genre favorisent le processus de combustion en agissant comme catalyseurs.
Pour l'évacuation de la chaleur de combustion hors de la couche en mouvement turbulent, on peut, par exemple, utiliser des grilles constituées par des tubes ou des tubes Field disposés parallèlement, dans lesquels circule de l'eau bouillante, de préférence sous pression, des dispositifs destinés à séparer la vapeur étant placés dans le cicuit du véhicule de chaleur. Les surfaces d'échange de chaleur de ces dispositifs doivent être adaptées aux valeurs de transmission de chaleur très élevées, en pratique d'environ 200 K. cal./m2/h/ C et plus atteintes dans la couche en mouvement turbulent dans les conditions de travail conformes à la présente invention.
On obtient des valeurs
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extrêmement favorables pour le flux de chaleur, de 1200000 à 160a000 Ko cal./
2/h, bien que la chute de température d'environ 600 à 800 , comparée aux au- tres conditions de la pratique des chaudières à vapeur, soit relativement faible. Ceci se traduit par une sensible réduction des surfaces d'échange par rapport à celles nécessaires avec les procédés connus. Au lieu d'eau bouillante,sous une pression jusqu'à environ 150 atm.effecto, on peut éga- lement utiliser d'autres liquides vaporisables, par exemple le mercure.
On peut, dans le procédé selon la présente invention, également utiliser des véhicules de chaleur non bouillants, tels que, par exemple,des des masses fondues de métaux ou de sels, de l'eau sous pression plus élevée ou circulant à une vitesse tellement élevée que la température d'ébullition ne soit pas atteinte. Les véhicules peuvent céder leur chaleur sensible à des lieux d'utilisation quelconques et être utilisés, par exemple, pour chauf- fer un générateur de vapeur se trouvant en dehors du système à couche en mou- vement turbulent.
Les véhicules de chaleur gazeux sont, de préférence, également utilisés sous pression, par exemple sous 4 à 20 atm. effect. On peut, de fa- çon connue en soi, également les rendre utiles pour la production de travail dans des turbines à gaz chaud. La chaleur sensible du véhicule de chaleur ga- zeux détendu dans la turbine à gaz peut être utilisée pour le chauffage préa- lable de l'air de combustion et/ou pour le séchage des combustibles humides devant être traités.
Les gaz de combustion quittent le four à couche en mouvement turbulent aux températures indiquées, c'est-à-dire à des températures comprises entre 800 et 1100 . La chaleur contenue dans ces gaz peut-être utilisée dans des échangeurs de chaleur, par exemple pour la production ou le surëhauf fage de vapeur et ensuite pour le chauffage préalable d'eau d'alimentation et d'air de combustion, les gaz étant, de préférence, refroidis à des températures d'environ 200 et en dessous. Ces gaz encore chauds peuvent également servir au séchage préalable des combustibles devant être traités.
Ce préséchage peut aussi être effectué selon le procédé à couche en mouvement turbulent, en amenant les gaz 9 des températures inférieures au point d'alumage, par le bas, à travers une couche turbulente constituée par des particules de combustible, couche à laquelle on amène, en continu ou périodiquement, de la matière humide, et dont on évacue de la matière séchée.
Le séchage préalable des combustibles n'est aucunement nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, mais il permet toutefois d'augmenter le rendement en vapeur sous tension.
Dans le cas de charbons riches en cendres notamment, la chaleur sensible des cendres et des poussières volantes peut également être utilisée pour le chauffage préalable de l'air de combustion.
EXEMPLE
Dans une couche constituée par des cendres pratiquement exemptes de carbone et d'une grosseur de grains comprise entre 0 et 10 mm, portée à une température comprise entre 850 et 900 et dans laquelle les particules solides sont maintenues en un mouvement turbulent par un courant d'air entrant par le bas, à travers une grille, on introduit, en continu, de la houille d'une teneur en cendres d'environ 40% et d'une grosseur de grains comprise entre 0 et 10 mm. Par m2 de surface de grille, on introduit, à l'heure, 800 kg de charbon et 5000 m3 d'air.
Au moyen d'organes de réfrigération placés dans la couche en mouvement turbulent, parcourus par de l'eau bouillante sous prèssion, on refroidit ladite couche de façon telle que sa température soit maintenue entre 850 et 900 o La hauteur de la couche en mouvement turbulent est au repos de 700 à 800 mm; elle est maintenue constante en évacuant continuellement des cendres en une quantité correspondant à la quantité de charbon in- troduiteo
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Les gaz de combustion s'échappant de la couche à une température comprise entre 850 et 900 , ont une teneur en anhydride carbonique de 18 % et une teneur en oxygène de 0,6 %; ils ne contiennent pas d'oxyde de carbone.
Pour rendre utiles leurs calories, on amène ces gaz à une chaudière à vapeur comportant des organes pour la production de vapeur, le sur chauffage de la vapeur et le chauffage préalable d'eau d'alimentation et d'air de combustion. Les particules de cendres que les gaz entraînent, se déposent dans la chaudière sous forme d'une poudre semouleuse et pouvant couler. Les poussières folles sont granuleuses et peuvent être facilement séparées des gaz.
Les cendres évacuées de la couche en mouvement turbulent contiennent 0,05 % de carbone, les poussières folles 2,9 % de carbone.
Avec un pouvoir calorifique inférieur du charbon de 4.500 K.cal./ kg, en traitant 800 kg par heure, une quantité de chaleur égale à 3.600.000 K.cal. par heure est libérée. Cette quantité suffit pour produire par heure 4.000 kg de vapeur sous une pression de 45 atm. effect. et à une température de sur chauffage de 4000.
Cette quantité de vapeur correspond à une quantité de chaleur utile de 3.075.000 K.cal. par heure et à un degré d'utilisation de 85,5 %, la chaleur utile se répartissant comme suit sur les différents éléments du système de production de vapeur: couche en mouvement turbulent 67,6 % surchauffeur de la chaudière à vapeur 14,1 % évaporateur de la chaudière à vapeur 12,7 % réchauffeur d'eau d'alimentation 5,6 %
100,0 % de 85,5% au total, 5,7 % de la chaleur utile étant recyclés par le réchauffeur pour le chauffage de l'air de combustion.
REVENDICATIONS 1. Procédé pour la combustion de matières carbonées, en particulier de celles présentant une teneur élevée en cendres, ainsi que pour la récupération de la chaleur de combustion, caractérisé en ce qu'on effectue la combustion selon le procédé à couche en mouvement turbulent, en introduisant les matières carbonées à l'état finement divisé, en régime continu, dans une couche portée à la température de combustion, constituée par des particules solides non combustibles, notamment par les particules de cendres provenant des matières carbonées mêmes, ces particules étant maintenues en mouvement turbulent au moyen d'air de combustion introduit par le bas, puis en évacuant les cendres de la couche, selon leur degré d'enrichissement, et au moyen d'organes destinés à absorber la chaleur, disposés dans ladite couche, en extrayant,
pour les rendre utiles, les calories de la couche en mouvement turbulent, qui ne sont pas nécessaires pour le maintien de la température de combustion.
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It is known that solid substances, finely grained, can be treated with gases by introducing the latter, from below, into a layer made up of finely divided substances, under a pressure sufficient to animate the solid particles. of a turbulent movement which gives the layer the appearance of a boiling liquid. This process can be applied to carry out heat exchange processes between gases and solid substances to dry or to make solid substances red with hot gases or to react gases with and with the gas. contact with solid substances.
This working principle, known as the turbulent moving layer process, has for the first time been implemented in the art by means of the so-called Winkler generators, in which synthesis gases are produced for the chemical industry by coking carbonaceous materials.
However, it has been found that the turbulent moving layer process is also very suitable for burning carbonaceous materials, in particular with a high ash content, by means of air or air enriched with oxygen, or alternatively with by means of other oxygenated gases, and to recover the heat of combustion According to the invention, the carbonaceous materials are introduced in the finely granulated state, in continuous mode, in a layer brought to the combustion temperature and formed by solid particles non-combustible, preferably ash particles from the carbonaceous material itself, these particles being, by means of combustion air introduced from below, kept in turbulent motion, forming a turbulent layer of limited size and high density in volume,
then the ashes are removed from the layer according to their degree of enrichment, sorbing the heat, placed in the layer in turbulent movement, the calories are removed from the layer in turbulent movement which are not necessary to maintain the combustion temperature, to then bring them to the places of use.
Such a turbulent moving layer hearth is essentially different from known dust boiler hearths. In these latter hearths, one blows into chambers, with combustion air, coal crushed to the fineness of dust, then one burns it. It does not then form a layer in turbulent motion, in which it is possible to dispose of the elements which evacuate the heat. In these known processes, it is sought to produce very high combustion temperatures in order to cause a strong radiation of heat on the steam-producing organs.
The present process also has nothing in common with that of so-called turbulent melting bed burners, in which the coal dust is blown in the form of a vortex and the ash is brought into fusion so that it can be discharged in the liquid state. . The high temperatures which then prevail and the attack which the molten slag in the liquid state exerts on the lining of the combustion chamber are the cause of high wear. In addition, the short stay of the fuel in the combustion chamber, especially in the case of the treatment of fuels with a high ash content, does not allow either a complete use of the fuel constituents, or an almost complete use of the oxygen in the combustion chamber. combustion air.
These drawbacks are not manifested with the turbulent moving layer hearth according to the present invention. With this combustion mode, despite the short contact time (approximately 1 second) between the combustion air and the turbulently moving particles of the layer, it is possible to use almost completely the oxygen content of the combustion air with formation of carbon dioxide and water vapor as combustion products, therefore practically no carbon monoxide is formed and an almost complete use of the combustible part of the materials used is obtained, with times of average stay of about 1 to 2 hours in the turbulent moving layer.
Whereas with known boiler stoves a surplus of combustion air is required, namely about
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1.3 times the theoretically necessary quantity, in order to avoid incomplete combustion with formation of carbon monoxide, the present process requires only a quantity of air which only slightly exceeds the theoretically necessary quantity. It is possible, in the upper part of the layer in turbulent motion and / or in the space located above this layer, to introduce a part. combustion air required.
The excellent heat transmission conditions in the turbulently moving layer make it possible to operate at relatively low combustion temperatures, for example between 800 and 1100, which temperatures are not usual in boiler hearths. These low temperatures promote, according to the known thermodynamic laws governing the C02: CO ratio, the formation of carbon dioxide in the combustion gases containing water vapor. As a result of the low temperatures, a softening of the ash is also avoided. in the layer in turbulent motion and the appearance of crazy dust entrained with the combustion gases out of the layer.
There is no sticking of softened sodid particles on the components intended to remove heat, and thus no stopping in the transmission of heat. It is even possible to process coals having a tendency to conglomerate in a turbulent moving layer which is mainly constituted by ash particles or other solid particles which do not soften and do not burn.
This process can be applied to any carbonaceous fuels, in particular to coal rich in ash, to lignite, to peat, to oil shale or to the products of coking of these fuels.
The grain size of the fuels introduced into the layer can vary within wide limits. In general, it will be less than 20 mm, preferably less than 10 mm.
For the implementation of the method according to the present invention, for the remainder, the usual measures in the technique of turbulent motion layer methods are applied. In order to maintain the desired height of the layer in turbulent motion, it is possible to choose, in practice, between 200 and 1000 mm calculated on the layer at rest, for example use in known manner, overflow tubes, for example which we evacuate ,. permanently or intermittently, the ash enriched in the layer. As a support for the turbulent moving layer, a grid or a layer made of non-combustible bulk materials can be used. Due to the low layer height and the low specific gravity of the ash, only a low initial pressure is needed for the blowing of the combustion air.
When using fuels low in ash or giving very finely pulverulent residues, it is advisable to keep the layer in turbulent motion at a sufficiently high height by continuous or periodic introduction of finely ground solid substances, which are not combustible and do not settle. not softening at combustion temperature, such as refractory clay grains, pyrite roasting residue and the like. In this case, preference is given to products which, like the ashes of fuels, contain ferric oxides, since substances of this kind promote the combustion process by acting as catalysts.
For the evacuation of the heat of combustion out of the turbulent moving layer, it is possible, for example, to use grids consisting of tubes or Field tubes arranged in parallel, in which boiling water circulates, preferably under pressure. , with devices for separating the vapor being placed in the heat carrier circuit. The heat exchange surfaces of these devices must be adapted to the very high heat transfer values, in practice of about 200 K. cal./m2/h/ C and more achieved in the layer in turbulent motion under the conditions. working according to the present invention.
We get values
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extremely favorable for heat flow, from 1200000 to 160a000 Kb cal./
2 / h, although the temperature drop of about 600 to 800, compared to other conditions in steam boiler practice, is relatively small. This results in a significant reduction in the exchange surfaces compared to those required with the known methods. Instead of boiling water, at a pressure of up to about 150 atm.effecto, it is also possible to use other vaporizable liquids, for example mercury.
In the process according to the present invention, it is also possible to use non-boiling heat vehicles, such as, for example, melts of metals or salts, water under higher pressure or flowing at such a speed. high that the boiling temperature is not reached. The vehicles can transfer their sensible heat to any place of use and be used, for example, to heat a steam generator outside the turbulent moving layer system.
The gaseous heat vehicles are preferably also used under pressure, for example at 4 to 20 atm. effect. They can, in a manner known per se, also be made useful for the production of work in hot gas turbines. The sensible heat of the gaseous heat vehicle expanded in the gas turbine can be used for the preheating of the combustion air and / or for the drying of the wet fuels to be treated.
The flue gases leave the layer furnace in turbulent motion at the temperatures indicated, i.e. at temperatures between 800 and 1100. The heat contained in these gases can be used in heat exchangers, for example for the production or the superheating of steam and then for the preliminary heating of feed water and combustion air, the gases being, preferably cooled to temperatures of about 200 and below. These still hot gases can also be used for the preliminary drying of the fuels to be treated.
This predrying can also be carried out according to the method with a layer in turbulent motion, by bringing the gases 9 to temperatures below the ignition point, from below, through a turbulent layer formed by fuel particles, to which layer is brought , continuously or periodically, wet material, and from which dried material is discharged.
The preliminary drying of the fuels is in no way necessary for the implementation of the process according to the present invention, but it nevertheless makes it possible to increase the yield of steam under tension.
In the case of coals rich in ash in particular, the sensible heat of the ash and fly dust can also be used for the preliminary heating of the combustion air.
EXAMPLE
In a layer consisting of ash practically free of carbon and with a grain size between 0 and 10 mm, brought to a temperature between 850 and 900 and in which the solid particles are kept in a turbulent movement by a current of 'air entering from the bottom, through a grid, is continuously introduced coal with an ash content of about 40% and a grain size between 0 and 10 mm. Per m2 of grid area, 800 kg of coal and 5000 m3 of air are introduced per hour.
By means of refrigeration members placed in the layer in turbulent motion, traversed by boiling water under pressure, said layer is cooled so that its temperature is maintained between 850 and 900 o The height of the layer in turbulent motion is at rest 700 to 800 mm; it is kept constant by continuously removing ash in an amount corresponding to the amount of coal introduced.
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The combustion gases escaping from the layer at a temperature between 850 and 900, have a carbon dioxide content of 18% and an oxygen content of 0.6%; they do not contain carbon monoxide.
To make their calories useful, these gases are fed to a steam boiler comprising members for the production of steam, the superheating of the steam and the preliminary heating of feed water and combustion air. The ash particles entrained by the gases are deposited in the boiler in the form of a semolina powder which can flow. Loose dust is grainy and can be easily separated from gases.
The ash evacuated from the turbulently moving layer contains 0.05% carbon, the insane dust 2.9% carbon.
With a lower calorific value of coal of 4,500 K.cal./ kg, treating 800 kg per hour, a quantity of heat equal to 3,600,000 K.cal. per hour is released. This quantity is sufficient to produce 4,000 kg of steam per hour at a pressure of 45 atm. effect. and at an overheating temperature of 4000.
This quantity of steam corresponds to a quantity of useful heat of 3,075,000 K.cal. per hour and at a degree of use of 85.5%, the useful heat being distributed as follows over the various elements of the steam production system: layer in turbulent movement 67.6% superheater of the steam boiler 14.1 % steam boiler evaporator 12.7% feed water heater 5.6%
100.0% of 85.5% in total, 5.7% of the useful heat being recycled by the heater to heat the combustion air.
CLAIMS 1. Method for the combustion of carbonaceous materials, in particular those having a high ash content, as well as for the recovery of the heat of combustion, characterized in that the combustion is carried out according to the turbulent moving layer method , by introducing the carbonaceous materials in the finely divided state, in continuous mode, into a layer brought to the combustion temperature, constituted by non-combustible solid particles, in particular by the ash particles originating from the carbonaceous materials themselves, these particles being maintained in turbulent movement by means of combustion air introduced from below, then by removing the ashes from the layer, according to their degree of enrichment, and by means of members intended to absorb the heat, arranged in said layer, in extracting,
to make them useful, the calories of the turbulent moving layer, which are not necessary for maintaining the combustion temperature.