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La présente invention concerne une chaudière à rayonnement pour installations de force thermique à chauffage par brûleurs, particulière- ment à chauffage au pouseier de charbon avec évacuation de scorie liqui- de dont les tuyères d'injection du combustible et de l'air sont dirigées tangentiellement à un ou plusieurs circuits de combustion imaginaires tournant autour d'un axe vertical.
certaines formes de réalisation connues de ces chaudières compor- tent une chambre de combustion en forme de séparateur de poussière cyclo- ne avec goulot de sortie pour les flammes, à laquelle se raccorde dans le parcours ascendant des gaz de combustion, une chambre de rayonnement où les gaz de combustion sont refroidis à une température inférieure à la température de solidification des particules solides non combustibles accompagnant le combustible, et ce avant qu'ils ne viennent en contact avec des échangeurs de chaleur tubulaires étendus en largeur et étroite- ment divisés dans le parcours des gaz.
Ces chaudières présentent l'avan- tage de réaliser une séparation forcée des poussières des gaz de combus- tion, de sorte que lorsque ces gaz, et particulièrement leurs constituants solides, cendres, etc., quittent la chambre de combustion, ils ont une action moins préjudiciable sur les surfaces de chauffe secondaires et éventuellement aussi sur des turbines à gaz chauds, ou l'équivalent, mon- tées à la suite de la chambre de combustion. Cet avantage est particuliè- rement marquant lorsque les matières séparables des gaz de combustion sont fondues dans la chambre de combustion, étant donné que les particu- les liquides s'agglomèrent en particules plus grosses et donc plus aisé- ment séparables, et que les surfaces humectées de la chambre de combus- tion retiennent facilement les particules qui les rencontrent.
Les chaudières ou foyers cyclone connus n'ont pas donné entière satisfaction parce que d'une part on devait les calculer et les construi- re en vue du maximum de productivité exigé, tandis que d'autre part, pour des charges moindres, les charges spécifiques des chambres de combustion diminuaient de façon correspondante. Les températures dans les chambres de combustion tombaient même davantage que proportionnellement à la di- minution de la quantité de combustible, du fait que les surfaces de re- froidissement des tubes de chaudière restaient les mêmes dans les cham- bres de combustion et que leur effet de refroidissement était plus impor- tant que souhaité lorsque la quantité de combustible était réduite.
Pour cette raison, à charges partielles, il se produit des difficultés dans l' allumage du combustible et des perturbations dans l'évacuation des rési- dus de combustion à l'état liquide, d'autant plus que les foyers cyclone fonctionnaient de manière que le combustible devait parcourir toujours le même trajet dans les chambres de combustion.
On a déjà proposé d'éviter ces onconvénients en prévoyant un foyer à plusieurs chambres de combustion à alimentation individuelle et évacua-
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tion individuelle de let-eorfie,'¯aleF farr qrrlc5rqu-o- ut.3:isvpâ.r exemple deux de ces chambres de combustion dé ID:$fhéé ,-aimèns:i:oDS'::Í1:r'Úr q'Ëtl'on.,dés1ral'ré- duirè la charge de ri'loitié:,,,loiifmet":!.oIls;'service une. éL&aY'chambrè a combus- tion et on peut alors maintenir dans l'autre les conditions de combustion avantageuses de la marche à pleine charge du foyer.
Toutefois, cette uti- lisation de plusieurs cyclones les uns à côté des autres est très onéreuse et encombrante surtout lorsqu'après avoir arrêté une chambre cyclone on doit encore assurer la répartition uniforme des gaz de combustion sur les surfaces secondaires de la chaudière, telles que surchauffeurs de vapeur et préchauffeurs d'eau et d'air de combustion.
La présente invention constitue un notable perfectionnement dans ce domaine, du fait que tout en maintenant une sortie centrale des gaz,de
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combustion dans la chambre de rayonnement, on prévoit à la chambre de com- bustion du foyer cyclone, et séparés des brûleurs habituels du foyer cy- clone tant spacialement qu'au point de vue alimentation de combustible, un ou plusieurs brûleurs supplémentaires ayant leur propre chambre d'al- lumage ou de combustion et déchargeant leurs gaz de combustion et leurs résidus de combustion dans le foyer cyclone, à proximité, d'une part, de la sortie des gaz de combustion et, d'autre part, de l'évacuation de sco- rie du foyer cyclone.
Le brûleur supplémentaire peut être assez petit pour ne recevoir que la quantité de combustible suffisante pour réchauf- fer ou conserver "la chaleur du foyer cyclone ou de la chaudière, ou bien ses dimensions et ses possibilités de réglage seront telles qu'à lui il puisse assurer 25 à 30% de la charge maximum du foyer, ce qui permet dans ces conditions, de mettre ou maintenir hors service les autres brûleurs du foyer cyclone.
Dans une forme de réalisation simple de l'invention on prévoit juste au-dessus du fond de la chambre cyclone un brûleur à tourbillonne- ment qui est orienté radialement à cette chambre et dont la sortie diri- ge la flamme entre la sortie des gaz de combustion et l'évacuation de scorie de la chambre cyclone. Toutefois le brûleur supplémentaire et sa chambre d'allumage ou de combustion peuvent aussi être disposés parallè- lement à l'axe médian du cyclone et communiquer avec la chambre de combus- tion par le bas pour ce qui concerne les gaz de combustion.
Le ou les brûleurs supplémentaires peuvent aussi appartenir à un foyer cyclone supplémentaire qui, suivant l'invention, est monté coaxia- lement à l'autre foyer cyclone.
Différentes formes d'exécution de l'invention seront décrites en détails ci-après, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La fig. 1 est une coupe verticale partielle de la partie infé- rieure d'une chaudière à rayonnement; la fig. 2 est une coupe schématique comme celle de la fig, l, mais d'une autre forme de réalisation ; la fig. 3 est une coupe horizontale par la ligne a-b de la fig.2;
les figs. 4 à 6 sont des coupes schématiques comme celle de la fig. 1, mais montrant d'autres formes de réalisation de chaudières, les traits pleins ne représentant que les différentes chambres des foyers, dé- limitées par des tubes de chaudère
La chaudière à rayonnement possède une chambre de fusion ou de combustion 1, alimentée de combustible, par exemple du poussier de char- bon, et partiellement d'air de combustion, par les brûleurs 2 dirigés tan- gentiellement à un circuit de combustion imaginaire tournant autour de l' axe médian de la chambre de combustion. De l'air de combustion supplémen- taire est insufflé par les ajutages 3 autour des jets de combustible. Dans la zone de l'entrée du combustible, la chambre de combustion présente une section transversale circulaire et seresserre vers le bas sensiblement en forme de cône.
Un goulot de sortie des gaz de combustion 4 concentrique à l'axe central de la chambre de combustion fait en partie saillie dans cette dernière. Cette forme de la éhambre de combustion, l'entrée tangen- tielle du combustible et la sortie centrale des gaz de combustion, pro- duisent dans la chambre annulaire 18 une flamme tourbillonnente qui. descend d'abord jusque peu au-dessus de l'ouverture 5, où elle change de direc- tion , remonte et sort par le goulot 4 sous l'effet de sa force ascension- nelle, ou du tirage d'une cheminée ou d'une installation d'aspiration.
Les constituants incombustibles du combustible, tels que les cendres, etc,
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sont projetés par la force centrifuge hors de la flamme tourbillonnante, contre la paroi et le fond de la chambre de combustion. Si la température dans la chambre de combustion est maintenue suffisamment élevée,ces rési- dus fondent et s'écoulent par l'ouverture d'évacuation 5 de la chambre, dans la cuve à eau d'un dispositif 7 d'évacuation de la scorie par voie humide.
La chambre de combustion ou de fusion est revêtue de toutes parts de tubes de chaudière 8 qui débouchent dans un ou plusieurs collecteurs 9 et se prolongent dans la chambre de rayonnement 16. Les tubes de chau- dière assurent une longue durée de vie à la chambre de fusion, du fait qu'ils absorbent une grande partie de la chaleur des flammes rayonnée vers ses parois. Sur leur face dirigée vers les flammes, les tubes sont, de fa- çon connue, pourvus de chevilles et revêtus d'une couche calorifuge 10.
Le goulot de sortie des flammes 4 est formé par des tubes 11 ali- mentés d'eau par des tubes transversaux 12 et leurs tubes 13 de raccor- dement au collecteur inférieur 9 de la chaudière. Les tubes transversaux
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12 sont réunis en un faisceau montant verticalemtaucnre2delloUV ture d'évacuation 5. Les parties verticales de ces tubes sont pourvues de chevilles et revêtues d'une couche calorifuge 14. Les tubes transver- saux sont raccordés aux tubes 11 du goulot de sortie des gaz de combus- tion 4, par des tubes fourchus 15. La branche horizontale des tubes de raccordement 13 plonge dans la cuve à eau 6 du dispositif d'évacuation de scorie 7.
Plus haut, les tubes 11 du goulot de sortie des gaz de combus- tion se 'prolongent sur les parois de la chambre de rayonnement 16 où, avec les tubes de refroidissement 8 de la chambre de fusion ou de combustion, ils forment le revêtement de tubes de refroidissement de la chambre de rayonnement. Le collecteur 9 est alimenté d'eau de chaidière par les tubes descendants 17.
Dans la forme de réalisation montrée sur la fig. 1, le foyer sup- plémentaire est constitué par la chambre de combustion 19, et le brûleur à tourbillonnement 20 l'alimente de poussier de charbon en 21 et d'air de combustion en 22. la flamme de ce foyer supplémentaire est dirigée radia- lement dans la chambre de combustion 1, vers l'ouverture 5 d'évacuation de la scorie, et le fond du foyer supplémentaire se raccorde en substan- ce d'une venue à celui de la chambre de combustion 1.
Dans les formes de réalisation montrées sur les figs. 2 et 3, le foyer supplémentaire est placé sur le côté de la chambre de combustion 1.
La chambre de combustion 19 de ce foyer est délimitée d'une part, par la face postérieure des tubes 8 et d'autre part, par des tubes de chaudière 8, qui, en bas, sont également raccordés au collecteur 9, tandis qu'en haut leurs prolongements peuvent être utilisés pour revêtir le carneau annulaire 18 ou la chambre de rayonnement 16. La chambre de combustion 19 est alimentée de poussier de charbon par le brûleur 21 et d'air secondai- re par la conduite 22, tandis que ses flammes sortent par l'ouverture 23 de façon à quitter radialement la chambre. la foud de la chambre de com- bustion 19 se raccorde également en substance d'une venue à celui de la chambre de combustion 1, de manière que les résidus du combustible puissent s'écouler de la chambre 19 pour ainsi dire parallèlement à la flam- me, vers l'ouverture 5.
Dans les formes de réalisation montrées sur les figs. 4 à 6, les foyers supplémentaires sont eux-mêmes exécutés, tout comme le foyer prin- cipal, sous forme de foyers cyclones situés autour du même axe de tour- billonnement ou au-dessus de la même ouverture d'évacuation de la scorie que le foyer principal. La capacité de chauffe du foyer principal peut alors être différente de celle des foyers supplémentaires, ou être iden-
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tique de sorte que chaque foyer cyclone peut à lui seul assurer 50% de la productivité exigée de la chaudière.
A cet effet, dans la chaudière montrée sur la fig. 4, le carneau annulaire 18 ou le goulot de sortie des gaz de combustion 4, est prolongé plus que d'habitude, de sorte que dans une cer- taine mesure la partie supérieure du carneau ou chambre annulaire 18 cons- titue la chambre de combustion du foyer 2, 3,tandis que la chambre annu- laire 18',ou cuve de la chambre de combustion, forme la chambre de com- bustion du foyer 2', 3', et cela aussi lorsque les gaz de combustion du foyer supérieur passent par la chambre de combustion du foyer inférieur, c'est-à-dire quand deux foyers cyclone s6nt en série dans le'trajet des
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gaz" de 'Óombustion.
Dans la forme de réalisation représentée sur la fig. 5, les cham- bres de combustion des deux foyers cyclone sont séparées, les foyers étant en quelque sorte superposés et les gaz de combustion du foyer inférieur sortant par le goulot 4 en même temps que ceux du foyer supérieur, tandis que les résidus de combustion du foyer supérieur s'écoulent par le goulot 4' du foyer inférieur. A cet effet, la section transversale du goulot 4 est.plus grande que celle du goulot 4'.
Dans cette forme de réalisation, les tubes de refroidissement 11' du goulot 4 peuvent être réunis par pai- res en faisceaux de tubes, au moyen de tubes fourchus, et être dirigés vers le haut dans la paroi extérieure de la chambre annulaire 18, tandis que les tubes de refroidissement 8 de la chambre annulaire 18' peuvent aussi être réunis en faisceau par paires au moyen de tubes fourchus, et leurs prolongements peuvent aussi, servir de tubes de refroidissement pour la paroi de la chambre 18, de sorte que la paroi extérieure de la cham- bre 18 et celle de la chambre 18' ont ainsi un même nombre de tubes de refroidissement.
Dans la forme d'exécution montrée sur la fig. 6, les foyers cy- clone sont montés concentriquement l'un à l'autre ou l'un dans l'autre, et chacun d'eux possède sa propre chambre de combustion, ou chambre an- nulaire 18 ou 18', cependant que les gaz de combustion des deux chambres quittent celles-ci par un goulot de sortie commun 4. Par contre, dans 1' exemple montré sur la figo 7, les foyers cyclone sont également montés concentriquement l'un dans l'autre et ont chacun une chambre de combustion propre 18 ou 18' et les gaz de combustion du foyer 2', 3' partent par le, goulot 4', mais les gaz de combustion du foyer 2, 3 passent par un conduit annulaire 4, prévu entre les chambres annulaires 18 et 18' directement dans la chambre de rayonnement 16.
Le foyer cyclone intérieur est de pré- férence également pourvu de sa' propre cuve collectrice de scorie dont 1' ouverture d'évacuation 5', d'un diamètre plus petit, est située centrale- ment au-dessus de l'ouverture 5, plus grande, afin que la scorie du foyer supérieur puisse tomber librement par l'ouverture 5.
Tant dans la forme de réalisation de la fig. 6 que dans celle de la fig. 7,on peut faire monter en ligne droite sur la paroi de la cham- bre de rayonnement 16, une partie des tubes de chaudière 8" de la paroi de la chambre de combustion 18 du foyer inférieur, afin qu'ils servent à suspendre à la charpente de la chaudière le poids de la chambre de com- bustion inférieure.
Les dimensions des foyers d'uneseule et même chaudière doivent être calculées au moment de la construction en tenant compte de leur ca- pacité de combustion, tandis que leurs chambres de combustion doivent être calculées suivant les propriétés du combustible à utiliser et/ou sui- vant les phases de charge prévues principalement pour la chaudière. Les foyers doivent aussi être conduits en conséquence, et on peut éventuel- lement brûler dans un foyer un combustible différent de celui brûlé dans l'autre foyer, quoique tous deux chauffent la même chaudière.
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Bien que dans ce qui précède l'invention ait été décrite en re- lation avec une chaudière à rayonnement à circulation naturelle pour la combustion de poussier de charbon, elle n'est pas pour autant limitée à cette utilisation. L'invention peut être appliquée avec le même succès aux chaudières à rayonnement à circulation forcée ou passage forcé. On peut éventuellement aussi chauffer dans tous les tubes, ou une partie de ceux- ci, un autre agent de travail par exemple de l'air comprimé ou l'équiva- lent, et comme combustible utiliser aussi des lessives cellulosiques ou d'autres combustibles susceptibles d'être introduits à l'état finement di- vise.
Enfin, les combustibles peuvent aussi être brûlés à une pression supérieure à celle de 1 atmosphère et l'invention peut avantageusement être utilisée dans les foyers où l'évacuation des matières séparables se fait sous forme solide ou liquide.