"Procédé et équipement de chauffe directe" "Procédé et équipement de chauffe directe".
La présente invention est relative à un procédé et un équipement de chauffe directe par combustible, en particulier pour des installations,
telles que générateurs d'eau chaude, de vapeur et
de gaz chauds, fours de cuisson, sécheurs, mettant
en oeuvre un brûleur, une chambre de combustion et un échangeur à haute température.
L'inconvénient principal des procédés classiques de chauffe au charbon pulvérisé du type direct ou indirect, consiste en ce qu'il est nécessaire de sécher le combustible pour ramener l'humidité de celui-ci aux environs de 1% et assurer ainsi la fluidité du produit. De plus, il s'avère également nécessaire dans ces procédés connus de réaliser les opérations
de transport et de stockage intermédiaires du pulvérisé séché sous atmosphère d'azote pour limiter les risques d'explosion. Enfin, les produits de combustion ou buées, dans les procédés et équipements classiques , sont rejetés à l'atmosphère sans aucune épuration , ce qui s'avère extrêmement préjudiciable pour l'environnement.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de procurer un procédé de chauffe directe par combustible, En particulier pour les installations, telles que générateurs d'eau chaude, de vapeur et de gaz chauds, fours de cuisson, sécheurs mettant en oeuvre un brûleur, une chambre de combustion et un échangeur haute température, ainsi qu'un équipement de chauffe pour la mise en oeuvre
de ce procédé, se distinguant des procédés et installations classiques, par la suppression de l'opération de séchage précitée utilisée pour assurer la fluidité du produit ainsi que par la suppression des transport et stockage intermédiaires du pulvérisé séché, tout en permettant également d'épurer les produits de combustion ou buées rejetés à l'atmosphère. L'équipement de l'invention se révèle de plus extrêmement fiable, très sûr, fort simple et peu coûteux
à la construction, en fonctionnement et à l'entretien.
A cet effet, selon l'invention, le procédé de chauffe directe consiste à utiliser un combustible solide humide, tel qu 'un charbon à haute teneur en matières volatiles, par exemple des fines 0-6 mm de charbons cokéfiants, gras ou flambants, dont la teneur en eau est de l'ordre de 4 à 50%, ou encore une biomasse à haut pouvoir calorifique, qui représentent en fait l'énergie classique la plus abondante, la mieux répartie et la moins chère dans le monde, à broyer ce combustible en amont de la chambre de combustion et à introduire directement dans cette dernière, sans réduire sa teneur en eau, le combustible broyé en présence d'un fluide comburant primaire.
Suivant un mode de réalisation de l'invention, on broie le combustible en présence d'un comburant primaire gazeux dont le débit est inférieur au débit limite d'inflammation.
Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, on broie un combustible dont la teneur
en eau est comprise entre 30 et 50% du mélange pour obtenir une pâte fluide pouvant être pompée dans la chambre de combustion.
Suivant .un mode de réalisation avantageux de .l'invention, on récupère, à la sortie de l'échangeur haute température, par condensation, la chaleur des gaz de combustion et on épure les produits de combustion ou buées rejetés à l'atmosphère,ces opérations de. récupération et d'épuration . étant applicables à tout type de combustible, en particulier aux comb-ustibles solides.
Suivant l'invention, on prévoit également
un équipement de chauffe directe pour la mise en
oeuvre du procédé susdit, qui comprend, en amont de
la chambre de combustion de l'installation, des
moyens pour broyer le combustible solide humide, en présence du fluide comburant primaire, et pour injecter directement le combustible broyé dans ladite chambre
de combustion.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, les moyens précités pour broyer le combustible sont constitués par un broyeur à percussion comprenant, alignées suivant un axe vertical, une enceinte supérieure munie d'un conduit d'alimentation
en combustible auquel est associé un doseur, tel que doseur à vis sans fin, et d'un conduit d'amenée du comburant gazeux primaire auquel est associé un régulateur de débit agencé pour que ce débit soit suffisant au maintien en suspension turbulente du combustible pulvérisé et insuffisant pour provoquer l'in-flammation de ce: dernier. , au moins une enceinte
de broyage comprenant une trémie en forme de tronc
de cône dont l'axe est situé sur l'axe vertical susdit et dont la grande base est raccordée à l'enceinte supérieure précitée tandis que sa petite base est située en regard d'un disque de broyage calé sur 1 'arbre d'un moteur supporté dans l'enceinte de broyage, de manière à ce que lesdits moteur et disque soient coaxiaux à la trémie et que le combustible broyé par le disque soit projeté sur les parois internes d'une enveloppe présentée par l'enceinte de broyage et entourant la trémie,et une enceinte inférieure, raccordée sur l'enveloppe de l'enceinte de broyage, pourvue d'un conduit d'évacuation de combustible broyé et du comburant primaire vers la chambre de combustion.
Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, les moyens précités pour broyer le combustible sont constitués par un broyeur à boulets comprenant un tambour cylindrique dont la longueur est supérieure au diamètre, des moyens de support du tambour pour que son axe soit sensiblement horizontal , des moyens d'entraînement agencés pour entraîner le tambour en rotation autour de son axe, un conduit d'amenée du combustible, fixe par rapport au tambour et coaxial à ce dernier , débouchant à l'intérieur du tambour par une ouverture réalisée dans une des bases de ce dernier, un doseur, tel que vis sans fin, agencé dans le dit conduit d'amenée, un conduit d'évacuation du combustible pulvérisé, fixe par rapport au tambour et coaxial à ce dernier ,
débouchant à l'intérieur dudit tambour à travers une ouverture réalisée dans l'autre base de celui-ci et des moyens pour
faire circuler le combustible pulvérisé et le comburant primaire du tambour vers la chambre de combustion.
Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, l'équipement de
chauffe comprend, en aval de l'échangeur de l'installation, un récupérateur de chaleur à condensation
destiné à faciliter la séparation des cendres volantes
et les matières nocives et agencé pour que les produits de combustion ou buées et un fluide de récupération,tel que de l'eau, circulent à contre-courants suivant une direction verticale ou inclinée par rapport à la verticale, ce récupérateur comprenant des moyens de
lavage des surfaces en contact avec les produits de combustion.
Outre les avantages précités, l'équipement
de l'invention permet également d'épurer les produits
de combustion ou buées rejetés à l'atmosphère, par l'introduction soit à l'endroit de broyage du com-
<EMI ID=1.1>
leur des gaz de combustion, de substances capables
de fixer les matières nocives, telles que le soufre
et les cendres volantes, comme, par exemple, des produits neutralisants, tels que le carbonate de calcium, le carbonate de potassium, le carbonate de sodium ou
la chaux vive .
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description des dessins annexés au présent mémoire, qui représentent, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes particulières de l'objet de l'invention.
La figure 1 est une figure schématique, en élévation et en coupe, montrant une forme de réalisation de broyeur à percussion de l'équipement de chauffe directe de l'invention. La figure 2 est une figure schématique, en élévation et en coupe, montrant une forme de réalisation de broyeur à boulets de l'équipement de chauffe directe de l'invention. La figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2. La figure 4 est une figure schématique , en élévation et en coupe, montrant une forme de réalisation de récupérateur de chaleur à condensation de l'équipement de chauffe directe de l'invention. La figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 4.
Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
Ainsi qu'on l'a déjà précisé précédemment, le procédé de chauffe directe suivant l'invention,
qui convient particulièrement bien pour les installations du type générateurs d'eau chaude, de vapeur et de gaz chauds, fours de cuisson, sécheurs à tambour, mettant en oeuvre un brûleur, une chambre de combustion et un échangeur haute température, consiste à utiliser un combustible solide humide, tel que du charbon à haute teneur en matières volatiles, par exemple des fines 0-6 mm de charbons cokéfiants, gras ou flambants, ou une biomasse à haut pouvoir calorifique, par exemple des particules de bois 0-10 mm, dont les teneurs en eau <EMI ID=2.1>
combustible en amont de la chambre de combustion et
à introduire directement dans cette dernière , sans
réduire sa teneur en eau., le- combustible broyé en... présence d'un fluide comburant primaire.
La figure 1, comme on vient de le préciser, montre une forme de réalisation d'une partie de l'équipement de chauffe directe de l'invention, c'est-à-dire d'un broyeur à percussion utilisé pour des combustibles ,
en particulier des fines 0-6 mm de charbons cokéfiants,
gras ou flambants, dont les teneurs en cendres et en
eau sont de préférence limitées à 10%. Ce broyeur à percussion comprend, alignées suivant un axe vertical,
une enceinte supérieure (1) munie d'un conduit d'alimentation(2)en combustible solide humide,auquel est associé un doseur (3)à vis sans fin,et d'un conduit d'amenée(4)du comburant gazeux primaire,auquel est associé un régulateur
de débit(12)agencé pour que ce débit soit suffisant
pour maintenir en suspension turbulente le combustible pulvérisé et insuffisant pour provoquer l'inflammation
de ce dernier, deux enceintes de broyage intermédiaires
(5)comprenant chacune une trémie(6) en forme de tronc de cône , dont l'axe est situé sur l'axe vertical précité
et dont la grande base (7) est raccordée à l'enceinte supérieure (1), la petite base (8) étant située en
regard d'un disque de broyage mobile(9)calé sur l'arbre(10) d'un moteur (11) supporté dans l'enceinte de broyage
(5), le moteur (11) et le disque (9) de chaque enceinte
de broyage étant coaxiaux à la trémie correspondante (6),
le combustible broyé par chaque disque de broyage (9)
étant projeté sur les parois internes d'une enveloppe (13) représentée par chaque enceinte de broyage
(5), entourant la trémie, le s parois internes étant chacune garnie d'un blindage (23) réalisé
en un matériau présentant une haute résistance à l'usure. Le broyeur à percussion selon l'invention comprend également une enceinte inférieure (14), raccordée sur l'enveloppe (13) de l'enceinte de broyage inférieure (5), pourvue d'un conduit (15) d'évacuation du combustible broyé et du comburant primaire vers la chambre de combustion. Le moteur d'entraînement (11) de chaque disque de broyage (9) est fixé par l'intermédiaire d'un plateau (24) dans un caisson (16) étanche, coaxial à la trémie (6), supporté à l'intérieur de l'enveloppe de broyage
(13) par des bras tubulaires (17) dont au moins un est creux pour permettre l'alimentation du moteur, une garniture d'étanchéité (18) étant prévue sur le caisson (16) à l'endroit de passage de l'arbre (10) sur lequel est calé le disque de broyage (9).
Les disques de broyage (9) comprennent, suivant l'invention, sur leur face tournée vers la petite base (8) de la trémie (6), des broches (19) dont les axes sont parallèles à celui du disque.
Chaque disque de broyage (9) coop ère avec un anneau (20) correspondant , fixé à la périphérie de la petite base (8) de la trémie (6) coaxialement au disque de broyage, la face de chaque anneau fixe (20) tournée vers le disque de broyage correspondant (19) étant garnie de broches
(21) dont les axes sont parallèles aux broches (19) du disque de broyage (9)'. Les longueurs des
broches (19) sont égales,de même que les longueurs
des broches (21), la distance séparant les faces tournées l'une vers l'autre du disque (9) et de l'anneau (20) correspondant étant supérieure à la longueur des broches les plus longues, ces dernières pouvant être constituées soit par les broches (19) soit par les broches (21),et inférieure à la somme de la longueur des broches (19) et de la longueur des broches (21), les broches (19) et (21) étant régulièrement réparties suivant des cercles, dont les centres sont situés sur l'axe commun au disque (9) et à l'anneau correspondant (20), de manière à ce que les broches (21) de chaque anneau (20) répartie sur un cercle soient toujours situées entre les broches mobiles (19) de chaque disque de broyage (9) correspondant,réparties sur deux cercles. Ces broches
(19) et (21) peuvent être constituées de broches élastiques renforcées en acier, à ressort, de très grande dureté, qui sont immobilisées dans des trous
(22) alésés ou simplement percés ou forés dans le disque ou l'anneau, sans réalésage ni autre travail
de retouche. Lors de leur mise en place, les broches élastiques sont comprimées et serrent fortement, par leur force élastique, contre la paroi des trous (22). Il en résulte une haute résistance permanente de l'assemblage, même lors de charges percutantes et variables. De plus, ces broches élastiques sont très économiques et facilement interchangeables . Les broches de broyage (19) et (21) peuvent également être percées de trous de même diamètre que les trous (22), les broches étant dans ce cas fixées sur le disque
ou l'anneau par des goupilles élastiques. Les
broches (19) et (21) peuvent également être fixées
dans les trous alésés (22) par expansion mécanique
ou hydraulique,ou sous l'effet de l'explosion d'une
faible charge intérieure ou encore par brasage ou
soudure. On notera également que les disques de
broyage à broches et les anneaux à broches peuvent
être réalisés chacun en une seule pièce, par exemple
par coulée, forgeage, frittage, usinage ou tout
autre procédé approprié. On pourra également , suivant l'invention, supprimer les broches fixes (21)
sur les anneaux (20), les broches mobiles (19) étant
alors régulièrement réparties sur le disque suivant
des rayons de ce dernier et à faibles distances les unes des autres,.de façon à former des surfaces d'impact rapprochées.
Dans chacune des enceintes de broyage (5),
le combustible solide humide en suspension turbulente
dans le comburant primaire gazeux pénètre par la trémie
(6) en forme de tronc de cône et passe par l'ouverture constituée par sa petite base (8) dans l'espace compris entre l'anneau fixe (20) et le disque mobile (9), où
il est projeté par la force centrifuge. La pulvérisation des grains de combustible est assurée par percussion et tourbillonnement entre, d'une part, les
broches tournantes (19) et fixes (21) et, d'autre
part, entre la rangée extérieure de broches tournantes
(19) et le blindage intérieur (23) de l'enveloppe (13). L'entraînement par le comburant, l'absence de sélecteuis fixes, tels que grilles ou ventelles , l'absence
de sélecteurs mobiles, tels que bras tournants ou roues à aubes, éliminent toute augmentation de la concentration locale en solides et, par conséquent, évitent le colmatage par agglomération ou collage
des particules humides. D'autre part, toutes autres conditions restant égales, la réduction du diamètre
moyen des grains de combustible augmente avec le
nombre d'enceintes de broyage (5) successives et avec
la vitesse de rotation des disques de broyage (9).
Le mélange de combustible humide finement pulvérisé
et de comburant primaire, après être passé de la
première enceinte de broyage vers la seconde enceinte
de broyage suivant les flèches (25), est entraîné
dans la trémie (26) en forme de tronc de cône de l'enceinte infériaire (14), et est évacué par le
conduit (15), fixé à cette dernière, vers le brûleur.
Les figures 2 et 3 représentent une autre
forme de réalisation d'appareil de broyage de l'invention, que l'on peut utiliser à la place du broyeur à percussion dans l'équipement de chauffe
directe de l'invention, à savoir un brûleur à boulets pour combustibles solides dont la teneur en eau est de l'ordre de 4 à 50% du mélange . Le broyeur à boulets comprend un tambour cylindrique (30) dont la longueur est sensiblement supérieure au diamètre, ainsi qu'un caisson de support (31) du tambour agencé pour que l'axe du tam bour soit disposé horizontalement, ce caisson (31)
formant un berceau cylindrique (32) qui entoure la
face latérale (33) du tambour sur sensiblement la
moitié de son pourtour,des flasques circulaires (34,
34a) étant prévus sur les bases (35,35a) du tambour
et leur rayon étant supérieur au rayon du berceau (32), les faces du caisson (31) en regard de la face latérale (33) du tambour (30) et en regard des flasques circulaires (34, 34a) étant pourvues de perforations
(36) constituant des tuyères, pour livrer passage
à de l'air sous pression formant un coussin (37), ce coussin d'air (37) servant, d'une part, à supporter le tambour (30) et, d'autre part, à maintenir ce dernier, entre le caisson (31)et les flasques circulaires
(34, 34a) suivant une direction parallèle à son axe, des moyens (non représentés) étant prévus pour mettre et maintenir le caisson (31) sous pression. L'air, par exemple de l'air propre sous une pression de l'ordre de 1000 mm d'eau, est introduit dans le
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multiples perforations (36) à fortes pertes de charge, de manière à supporter et à guider le tambour cylindrique (30) et les flasques circulaires (34,34a), avec la même pression en tous points. Cette particularité de l'invention permet de réaliser les parois du tambour
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ses bases(35, 35a), en un matériau présentant
un faible coefficient de friction à l'état sec et à l'état humide, ainsi qu'une grande résistance à l'usure par abrasion et frottement, matériau qui peut être constitué, par exemple, d'une polyoléfine de haut poids moléculaire, de préférence en polyéthylène ou polybutylène, de polyuréthanne, d'acier ou de fonte coulés par centrifugation et trempés,de porcelaine,
de silice fondue, de verre ou de toute autre matière répondant aux propriétés susmentionnées. Le tambour cylindrique (30) est entraîné en rotation autour de son axe par un moteur d'entraînement (38) d'axe parallèle à l'axe du tambour, par une roue dentée (39)
calée sur l'arbre (40) du moteur et par une chaîne
(41) attaquant la denture (41) réalisée à la périphérie du flasque (34) associé à la base du tambour .
Les boulets (43) du broyeur disposés à l'intérieur
du tambour (30), sont de forme sensiblement sphérique,
de faible diamètre, de l'ordre de 5 à 10 mm, et sont réalisés en une matière de poids spécifique élevé et
de haute résistance à l'usure par abrasion et frottement. Il s'agit, par exemple, de billes ou boulets en acier ou chrome , en fonte, au nickel-chrome, en
matière céramique ou en toute autre matière répondant aux conditions ci-dessus. Un conduit (42) d'amenée
du combustible solide humide, fixe par rapport au tambour et coaxial à ce dernier, débouche à l'intérieur du tambour par une ouverture (44) réalisée
dans la base (35) de ce dernier, l'alimentation en combustible se faisant au moyen d'un doseur (45),
tel que vis sans fin, agencé dans le conduit d'amenée
(42), l'évacuation du combustible pulvérisé se faisant au moyen d'un conduit (46) fixe par rapport au tambour
(30) et coaxial à ce dernier, débouchant à l'intérieur du tambour (30) à travers une ouverture (47) et réalisée dans la base (35a) de celui-ci. L'ouverture
(44) à travers laquelle le conduit d'amenée du combustible (42) débouche dans le tambour est telle qu'il subsiste, entre les bords de l'ouverture et la face externe du conduit, un espace (48) suffisant pour le passage d'un comburant primaire gazeux. Le combustible pulvérisé et le comburant primaire du tambour cylindrique (30) sont amenés à la chambre de combustion par un ventilateur (49) associé au conduit d'évacuation (46), ce ventilateur (49) permettant d'aspirer le comburant primaire gazeux à travers l'espace annulaire (48) prévu à l'entrée, et à travers l'espace annulaire (50), prévu à la sortie. Le broyeur à boulets pourrait également être alimenté en combustible solide à forte teneur en eau, par exemple 30 à 50% du mélange,
de manière à constituer une pâte fluide et pompable. Dans ce cas, la circulation du combustible pulvérisé du tambour (30) vers la chambre de combustion se ferait par une pompe associée au conduit d'évacuation (46). La
phase continue eau remplacerait alors le comburant gazeux primaire dans l'opération de broyage .
Suivant l'invention, le moteur d'entraînement (38) et les roues dentées (39,41) sont tels qu'ils permettent d'assurer au tambour
(30) une vitesse supercritique, c'est-à-dire supérieure à la vitesse limite pour laquelle la force centrifuge exercée sur un corps broyant, tel que boulet ou bille, dans sa position la plus haute, est égale et opposée à la force de gravité, de telle sorte qu'au lieu de retomber, ce corps suive une trajectoire circulaire
de centrifugation. Dans tous les broyeurs à boulets classiques équipés de revêtements intérieurs crénélés ou ondulés, le coefficient de friction entre le revêtement et la charge est égal à 1, et le broyage n'est possible qu'en vitesses subcritiques, où les billes retombent en cascade les unes sur les autres avec effets de choc. Au contraire, dans le broyeur à boulets de la présente invention, la surface intérieure du tambour cylindrique (30) est parfaitement lisse, le coefficient de friction entre le tambour et la charge étant nettement inférieur à 1, la charge étant elle-même modérée. Le broyage devient alors possible en vitesses supercritiques, où les billes roulent intensément les unes sur les autres avec des effets d'attrition et de compression.
Il en résulte un effet de broyage beaucoup plus intense et une production spécifique nettement plus élevée que dans les systèmes classiques.
Un autre avantage du broyeur à boulets de l'invention est de permettre la réalisation d'un broyeur représentant un rapport longueur-diamètre beaucoup plus élevé que les systèmes classiques, avec un grand rapport de réduction de dimension du grain moyen. Le broyeur à boulets de l'invention permet donc de réaliser un broyage fin ou ultra-fin en un seul passage, sans aucun tamis ni sélecteur extérieur ni recyclage de produit trop gros, et avec une consommation minimale d'énergie. Toutes autres conditions égales, des essais réalisés sur le broyeur à boulets de l'invention ont montré que la production de matière pulvérisée était donnée par la relation suivante :
<EMI ID=5.1>
avec P = production de charbon pulvérisé en
kg/hre
K = constante, fonction des matières en
présence
D = diamètre intérieur du tambour lisse en m
L = longueur intérieure du tambour lisse en m
N = vitesse de rotation du tambour. lisse en
tours/minute.
Les figures 4 et 5 sont des figures schématiques représentant une forme de réalisation d'une autre partie de l'équipement de chauffe
directe de l'invention, c'est-à-dire d'un récupérateur de chaleur à condensation. Ce récupérateur de chaleur à condensation, destiné à
faciliter la séparation des cendres volantes
et des matières nocives, disposé en aval de l'échangeur haute température de l'installation,
est agencé pour que les produits de combustion ou buées et un fluide de récupération, tel que de
l'eau, circulent à contre-courants suivant une direction verticale ou inclinée par rapport à la verticale, ce récupérateur de chaleur à condensation se révélant particulièrement avantageux lors de l'utilisation indépendante, alternative ou simultanée de combustibles gazeux, liquides et solides.Si la température du fluide de récupération est inférieure au point de rosée des produits de combustion. ou buées une partie de l'eau contenue dans ceux-ci peut être condensée. Le récupérateur représenté aux figures 4 et 5 comprend une enceinte -(60) à axe vertical,
ou éventuellement inclinée par rapport à la verticale, un conduit d'entrée (61) des produits de combustion chauds agencé au sommet de l'enceinte
(60), un conduit de sortie (62) des produits de combustion refroidis agencé à proximité de la base inférieure (63) de l'enceinte, un conduit de sortie
(64) d'eau de condensation agencé à la base inférieure (63) à un niveau inférieur à celui du conduit de sortie (62) et des tubes (65) à ailettes (66) disposés dans l'enceinte parallèlement à son axe, entre les conduits d'entrée (61) et de sortie (62) des produits de combustion, dans lesquels circule le fluide de récupération. Comme on peut le voir sur la figure 5 des dessins annexés, ces ailettes (66) sont disposées radialement et longitudinalement par rapport.à l'axe des tubes (65), dont quatre d'entre eux ont été représentés, le nombre de tubes étant bien entendu non limitatif, ces ailettes (66)
<EMI ID=6.1>
tubes à ailettes (65) sont de préférence disposés en rangées, les tubes de chaque rangée étant reliés à la partie inférieure à des collecteurs correspondants (67) et reliés à la partie supérieure à des collecteurs correspondants (68) . Les collecteurs (67) sont reliés à un collecteur général de fluide froid (69) et les collecteurs (68) sont reliés à un collecteur général de fluide chaud (70). Un joint d'expansion (71) est prévu dans l'enceinte
(60) pour permettre la dilatation différentielle entre cette enceinte et les tubes (65) fixés auxcollecteurs (67) et (68).
De plus, pour faciliter la fixation des tubes (65) aux collecteurs (67)et (68), telle que ,par exemple;
par soudure, les ailettes (66) sont coupées aux deux extrémités de chaque tube suivant des plans
(7 2) perpendiculaires ou inclinés par rapport à l'axe du tube, ou encore suivant un tronc de cône (72), dont l'axe coïncide avec l'axe du tube. Le nombre, la disposition et la section transversale des tubes
(65) à ailettes sont choisis de façon à ménager
entre les ailettes (66) des canaux, dont la largeur est sensiblement constante, de l'ordre du cm et de façon à éviter les espaces libres où les produits de combustion pourraient s'écouler sans aucun refroidissement. Suivant l'invention, les sections transversales entre ailettes (66) présentent la forme de triangles (73), dont la hauteur est de préférence de l'ordre du cm.
Les produits de combustion ou buées circulent à l'extérieur des tubes (65) en courant descendant , vertical ou incliné suivant l'agencement de l'enceinte (60), l'eau condensée et -
les cendres se séparant par réduction de la vitesse et gravité étant, par conséquent,entraînés vers le bas. Le fluide de récupération circule à l'intérieur des tubes (65) en courant ascendant, vertical ou incliné suivant l'agencement de l'enceinte, dans le sens des flèches (74). L'écoulement des deux fluides à grande vitesse et sous forte turbulence, en ligne droite, dans des canaux de dimensions moyennes, procure des coefficients globaux de transmission calorifique élevés avec des pertes de charge modérées. Dans le conduit d'entrée (61) des produits de combustion chauds, sont disposés des gicleurs (75 ) , dont un seul d'entre eux est représenté sur la figure 4, alimentés par le conduit (76) en eau ou solution, de manière à permettre le lavage périodique de
la surface extérieure des tubes, à limiter le
dépôt de cendres ou poussières sur les surfaces
de chauffe et à assurer le maintien de bons coefficients de transmission calorifique.
L'eau de lavage est évacuée par le conduit de sortie (64).
Ainsi qu'on l'a déjà précisé précédemment, l'équipement de chauffe dé l'invention permet également d'épurer les produits de combustion ou buées rejetés à l'atmosphère. Cet objectif est atteint par la simple addition aux combustibles solides à l'entrée du broyeur ou aux produits de combustion de combustibles solides, liquides ou gazeux ou encore de buées à l'entrée du récupérateur de chaleur à condensation, de substances capables de fixer les matières nocives, telles que le soufre et les cendres volantes, par exemple des produits neutralisants, tels que le carbonate de calcium, le carbonate de potassium, le carbonate
de sodium ou de la chaux vive. Plus de 90% des sulfites et sulfates formés par la réation passeront ainsi en solution ou suspension dans l'eau condensée et seront évacués à l'égout.
Il doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de chauffe directe par combustible, en particulier pour des installations, telles que générateurs d'eau chaude, de vapeur et
de gaz chauds, fours de cuisson, sécheurs, mettant en oeuvre un brûleur, une chambre de combustion et un échangeur haute température, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un combustible solide humide,
tel qu'un charbon à haute teneur en matières volatiles, une biomasse, à broyer ce combustible en amont de la chambre de combustion et à introduire directement dans cette dernière, sans réduire sa teneur en eau, le combustible broyé en présence d'un fluide comburant primaire.
"Direct heating process and equipment" "Direct heating process and equipment".
The present invention relates to a method and equipment for direct heating by fuel, in particular for installations,
such as hot water, steam and
hot gas, baking ovens, dryers, putting
uses a burner, a combustion chamber and a high temperature exchanger.
The main drawback of conventional methods of heating with pulverized coal of the direct or indirect type, is that it is necessary to dry the fuel in order to reduce the humidity thereof to around 1% and thus ensure the fluidity of the product. In addition, it is also necessary in these known methods to carry out the operations
transport and intermediate storage of the dried spray under nitrogen atmosphere to limit the risk of explosion. Finally, combustion products or fumes, in conventional processes and equipment, are released to the atmosphere without any purification, which proves to be extremely harmful for the environment.
The object of the invention is to remedy these drawbacks and to provide a method of direct heating by fuel, in particular for installations, such as generators of hot water, steam and hot gases, cooking ovens, dryers using operates a burner, a combustion chamber and a high temperature exchanger, as well as heating equipment for the implementation
of this process, which differs from conventional processes and installations, by eliminating the above-mentioned drying operation used to ensure the fluidity of the product as well as by eliminating the intermediate transport and storage of the dried spray, while also making it possible to purify combustion or fume products released to the atmosphere. The equipment of the invention turns out to be extremely reliable, very safe, very simple and inexpensive.
to construction, operation and maintenance.
To this end, according to the invention, the direct heating process consists in using a wet solid fuel, such as a coal with a high volatile matter content, for example fines 0-6 mm of coking, fatty or flaming coals, with a water content of the order of 4 to 50%, or else a high calorific biomass, which in fact represents the most abundant, best distributed and cheapest conventional energy in the world, to be ground this fuel upstream of the combustion chamber and to introduce directly into the latter, without reducing its water content, the ground fuel in the presence of a primary oxidizing fluid.
According to one embodiment of the invention, the fuel is ground in the presence of a gaseous primary oxidizer whose flow rate is lower than the ignition limit flow rate.
According to another embodiment of the invention, a fuel is crushed whose content
in water is between 30 and 50% of the mixture to obtain a fluid paste which can be pumped into the combustion chamber.
According to an advantageous embodiment of the invention, the heat of the combustion gases is recovered at the outlet of the high temperature exchanger, and the combustion products or fumes discharged into the atmosphere are purified, these operations. recovery and purification. being applicable to any type of fuel, in particular to solid comb-ustibles.
According to the invention, provision is also made
direct heating equipment for setting
work of the above process, which comprises, upstream of
the combustion chamber of the installation,
means for grinding the wet solid fuel, in the presence of the primary oxidizing fluid, and for directly injecting the ground fuel into said chamber
combustion.
According to one embodiment of the invention, the aforementioned means for grinding the fuel consist of an impact mill comprising, aligned along a vertical axis, an upper enclosure provided with a supply duct
in fuel with which a metering device is associated, such as a worm dosing device, and with a supply duct for the primary gaseous oxidizer with which is associated a flow regulator arranged so that this flow rate is sufficient to maintain the pulverized fuel in turbulent suspension and insufficient to cause the ignition of the latter. , at least one enclosure
mill comprising a trunk-shaped hopper
cone whose axis is located on the above vertical axis and whose large base is connected to the above-mentioned upper enclosure while its small base is located opposite a grinding disc wedged on one shaft motor supported in the grinding chamber, so that said motor and disc are coaxial with the hopper and the fuel crushed by the disc is projected onto the internal walls of an envelope presented by the grinding chamber and surrounding the hopper, and a lower enclosure, connected to the envelope of the grinding enclosure, provided with a conduit for evacuating ground fuel and the primary oxidant towards the combustion chamber.
According to another embodiment of the invention, the aforementioned means for grinding the fuel are constituted by a ball mill comprising a cylindrical drum whose length is greater than the diameter, means for supporting the drum so that its axis is substantially horizontal , drive means arranged to drive the drum in rotation about its axis, a fuel supply duct, fixed relative to the drum and coaxial with the latter, opening out inside the drum through an opening made in a bases of the latter, a metering device, such as a worm screw, arranged in said supply duct, a duct for discharging the pulverized fuel, fixed relative to the drum and coaxial with the latter,
opening into the interior of said drum through an opening made in the other base thereof and means for
circulate the pulverized fuel and the primary oxidant from the drum to the combustion chamber.
According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the equipment for
heater includes, downstream of the system exchanger, a condensing heat recovery unit
intended to facilitate the separation of fly ash
and the noxious materials and arranged so that the combustion or fogging products and a recovery fluid, such as water, circulate in countercurrents in a vertical direction or inclined with respect to the vertical, this recuperator comprising means for
washing of surfaces in contact with combustion products.
In addition to the aforementioned advantages, the equipment
of the invention also makes it possible to purify the products
combustion or fumes released to the atmosphere, by the introduction either at the place of grinding of the com-
<EMI ID = 1.1>
their combustion gases, capable substances
to fix harmful materials, such as sulfur
and fly ash, such as, for example, neutralizing products, such as calcium carbonate, potassium carbonate, sodium carbonate or
quicklime.
Other details and particularities of the invention will emerge from the description of the drawings appended to this specification, which represent, by way of nonlimiting examples, various particular forms of the subject of the invention.
Figure 1 is a schematic figure, in elevation and in section, showing an embodiment of an impact crusher of the direct heating equipment of the invention. Figure 2 is a schematic figure, in elevation and in section, showing an embodiment of a ball mill of the direct heating equipment of the invention. Figure 3 is a sectional view along line III-III of Figure 2. Figure 4 is a schematic figure, in elevation and in section, showing an embodiment of condensing heat recovery unit of the heating equipment direct from the invention. FIG. 5 is a sectional view along the line V-V of FIG. 4.
In the different figures, the same reference notations designate identical or analogous elements.
As already specified above, the direct heating method according to the invention,
which is particularly suitable for installations of the hot water, steam and hot gas generators, cooking ovens, drum dryers, using a burner, a combustion chamber and a high temperature exchanger, consists in using a wet solid fuel, such as coal with a high volatile matter content, for example fines 0-6 mm of coking, fatty or flaming coals, or a biomass with high calorific value, for example wood particles 0-10 mm, whose water contents <EMI ID = 2.1>
fuel upstream of the combustion chamber and
to enter directly into the latter, without
reduce its water content., the crushed fuel in the presence of a primary oxidizing fluid.
FIG. 1, as has just been specified, shows an embodiment of part of the direct heating equipment of the invention, that is to say of an impact mill used for fuels,
in particular fines 0-6 mm of coking coals,
greasy or flaming, including ash and
water are preferably limited to 10%. This impact crusher comprises, aligned along a vertical axis,
an upper enclosure (1) provided with a supply pipe (2) for wet solid fuel, with which is associated a metering device (3) with worm screw, and with a supply pipe (4) for the primary gaseous oxidizer , with which a regulator is associated
flow (12) arranged so that this flow is sufficient
to keep the atomized fuel in turbulent suspension and insufficient to cause ignition
of the latter, two intermediate grinding chambers
(5) each comprising a hopper (6) in the form of a truncated cone, the axis of which is situated on the above-mentioned vertical axis
and whose large base (7) is connected to the upper enclosure (1), the small base (8) being located in
sight of a mobile grinding disc (9) wedged on the shaft (10) of a motor (11) supported in the grinding chamber
(5), the motor (11) and the disc (9) of each enclosure
of grinding being coaxial with the corresponding hopper (6),
the fuel crushed by each grinding disc (9)
being projected onto the internal walls of an envelope (13) represented by each grinding chamber
(5), surrounding the hopper, the internal walls each being provided with a shield (23) made
made of a material with high wear resistance. The impact crusher according to the invention also comprises a lower enclosure (14), connected to the casing (13) of the lower grinding enclosure (5), provided with a conduit (15) for discharging the ground fuel. and primary oxidizer to the combustion chamber. The drive motor (11) of each grinding disc (9) is fixed by means of a plate (24) in a sealed box (16), coaxial with the hopper (6), supported inside of the grinding shell
(13) by tubular arms (17) of which at least one is hollow to allow the power to be supplied to the motor, a seal (18) being provided on the box (16) at the point of passage of the shaft (10) on which the grinding disc (9) is fixed.
The grinding discs (9) comprise, according to the invention, on their face facing the small base (8) of the hopper (6), spindles (19) whose axes are parallel to that of the disc.
Each grinding disc (9) cooperates with a corresponding ring (20) fixed to the periphery of the small base (8) of the hopper (6) coaxially with the grinding disc, the face of each fixed ring (20) turned towards the corresponding grinding disc (19) being provided with pins
(21) whose axes are parallel to the pins (19) of the grinding disc (9) '. The lengths of
pins (19) are equal, as are the lengths
pins (21), the distance separating the facing faces of the disc (9) and the corresponding ring (20) being greater than the length of the longest pins, the latter being able to be formed either by the pins (19) or by the pins (21), and less than the sum of the length of the pins (19) and the length of the pins (21), the pins (19) and (21) being regularly distributed according to circles, the centers of which are located on the axis common to the disc (9) and the corresponding ring (20), so that the pins (21) of each ring (20) distributed on a circle are always located between the movable spindles (19) of each corresponding grinding disc (9), distributed over two circles. These pins
(19) and (21) may consist of elastic pins reinforced with steel, with spring, of very high hardness, which are immobilized in holes
(22) bored or simply drilled or drilled in the disc or ring, without reaming or other work
touch up. When in place, the elastic pins are compressed and tighten strongly, by their elastic force, against the wall of the holes (22). This results in a high permanent resistance of the assembly, even during impactful and variable loads. In addition, these elastic pins are very economical and easily interchangeable. The grinding pins (19) and (21) can also be drilled with holes of the same diameter as the holes (22), the pins being in this case fixed on the disc.
or the ring by elastic pins. The
pins (19) and (21) can also be attached
in the reamed holes (22) by mechanical expansion
or hydraulic, or under the effect of the explosion of a
low internal load or by brazing or
welding. Note also that the discs of
pin grinding and pin rings can
each be made in one piece, for example
by casting, forging, sintering, machining or all
other suitable method. It is also possible, according to the invention, to remove the fixed pins (21)
on the rings (20), the movable pins (19) being
then regularly distributed on the next disc
radii of the latter and at short distances from each other, so as to form close impact surfaces.
In each of the grinding chambers (5),
wet solid fuel in turbulent suspension
in the primary oxidant gas enters through the hopper
(6) in the shape of a truncated cone and passes through the opening formed by its small base (8) in the space between the fixed ring (20) and the movable disc (9), where
it is projected by centrifugal force. The fuel grains are sprayed by percussion and swirling between, on the one hand, the
rotating (19) and fixed (21) spindles and, on the other
hand, between the outer row of rotating pins
(19) and the inner shield (23) of the casing (13). Oxidant training, the absence of fixed selectors, such as grids or louvers, the absence
mobile selectors, such as rotating arms or paddle wheels, eliminate any increase in the local concentration of solids and, consequently, avoid clogging by agglomeration or bonding
wet particles. On the other hand, all other conditions remaining equal, the reduction in diameter
fuel grains increases with the
number of successive grinding chambers (5) and with
the speed of rotation of the grinding discs (9).
The finely pulverized wet fuel mixture
and primary oxidizer, after going from the
first grinding chamber to the second chamber
grinding according to the arrows (25), is driven
in the hopper (26) in the form of a truncated cone of the lower enclosure (14), and is evacuated by the
conduit (15), fixed to the latter, to the burner.
Figures 2 and 3 show another
embodiment of the grinding apparatus of the invention, which can be used in place of the impact crusher in the heating equipment
direct of the invention, namely a ball burner for solid fuels whose water content is of the order of 4 to 50% of the mixture. The ball mill comprises a cylindrical drum (30) whose length is substantially greater than the diameter, as well as a support box (31) of the drum arranged so that the axis of the tam bour is disposed horizontally, this box (31)
forming a cylindrical cradle (32) which surrounds the
lateral face (33) of the drum on substantially the
half of its circumference, circular flanges (34,
34a) being provided on the bases (35,35a) of the drum
and their radius being greater than the radius of the cradle (32), the faces of the box (31) facing the lateral face (33) of the drum (30) and facing the circular flanges (34, 34a) being provided with perforations
(36) constituting nozzles, to deliver passage
to pressurized air forming a cushion (37), this air cushion (37) serving, on the one hand, to support the drum (30) and, on the other hand, to maintain the latter, between the box (31) and the circular flanges
(34, 34a) in a direction parallel to its axis, means (not shown) being provided for putting and maintaining the box (31) under pressure. Air, for example clean air under a pressure of the order of 1000 mm of water, is introduced into the
<EMI ID = 3.1>
multiple perforations (36) with high pressure drops, so as to support and guide the cylindrical drum (30) and the circular flanges (34, 34a), with the same pressure at all points. This feature of the invention allows the walls of the drum to be produced.
<EMI ID = 4.1>
its bases (35, 35a), in a material having
a low coefficient of friction in the dry state and in the wet state, as well as a high resistance to wear by abrasion and friction, material which can be made, for example, of a polyolefin of high molecular weight, preferably made of polyethylene or polybutylene, of polyurethane, of steel or of cast iron cast by centrifugation and hardened, of porcelain,
fused silica, glass or any other material meeting the above-mentioned properties. The cylindrical drum (30) is rotated about its axis by a drive motor (38) with an axis parallel to the axis of the drum, by a toothed wheel (39)
wedged on the motor shaft (40) and by a chain
(41) etching the toothing (41) produced at the periphery of the flange (34) associated with the base of the drum.
The balls (43) of the crusher arranged inside
of the drum (30), are of substantially spherical shape,
of small diameter, of the order of 5 to 10 mm, and are made of a material of high specific weight and
high resistance to wear by abrasion and friction. These are, for example, balls or balls of steel or chromium, cast iron, nickel-chromium,
ceramic material or any other material meeting the above conditions. A supply duct (42)
solid solid fuel, fixed relative to the drum and coaxial with the latter, opens into the interior of the drum through an opening (44) made
in the base (35) of the latter, the fuel supply being made by means of a metering device (45),
such as a worm screw, arranged in the supply duct
(42), the evacuation of the pulverized fuel taking place by means of a conduit (46) fixed relative to the drum
(30) and coaxial with the latter, opening inside the drum (30) through an opening (47) and formed in the base (35a) thereof. The opening
(44) through which the fuel supply duct (42) opens into the drum is such that there remains, between the edges of the opening and the external face of the duct, a space (48) sufficient for passage of a gaseous primary oxidizer. The pulverized fuel and the primary oxidizer of the cylindrical drum (30) are brought to the combustion chamber by a fan (49) associated with the exhaust duct (46), this fan (49) making it possible to suck the primary oxidant gas to through the annular space (48) provided at the inlet, and through the annular space (50) provided at the outlet. The ball mill could also be supplied with solid fuel with a high water content, for example 30 to 50% of the mixture,
so as to constitute a fluid and pumpable paste. In this case, the circulation of the pulverized fuel from the drum (30) to the combustion chamber would be done by a pump associated with the evacuation duct (46). The
continuous water phase would then replace the primary gaseous oxidizer in the grinding operation.
According to the invention, the drive motor (38) and the toothed wheels (39,41) are such that they ensure the drum
(30) a supercritical speed, that is to say greater than the speed limit for which the centrifugal force exerted on a grinding body, such as ball or ball, in its highest position, is equal and opposite to the force of gravity, so that instead of falling, this body follows a circular trajectory
centrifugation. In all conventional ball mills equipped with crenellated or corrugated internal coatings, the coefficient of friction between the coating and the load is equal to 1, and grinding is only possible at subcritical speeds, where the balls cascade down the on top of each other with shock effects. In contrast, in the ball mill of the present invention, the interior surface of the cylindrical drum (30) is perfectly smooth, the coefficient of friction between the drum and the load being significantly less than 1, the load itself being moderate. Grinding then becomes possible at supercritical speeds, where the balls roll intensely on each other with effects of attrition and compression.
This results in a much more intense grinding effect and a significantly higher specific production than in conventional systems.
Another advantage of the ball mill of the invention is that it makes it possible to produce a mill representing a length-diameter ratio much higher than conventional systems, with a large reduction ratio in size of the average grain. The ball mill of the invention therefore makes it possible to carry out fine or ultra-fine grinding in a single pass, without any sieve or external selector or recycling of excessively large product, and with minimum energy consumption. All other conditions being equal, tests carried out on the ball mill of the invention have shown that the production of pulverized material was given by the following relationship:
<EMI ID = 5.1>
with P = production of pulverized coal in
kg / hr
K = constant, function of the materials in
presence
D = inside diameter of the smooth drum in m
L = internal length of the smooth drum in m
N = drum rotation speed. smooth in
revolutions / minute.
Figures 4 and 5 are schematic figures showing an embodiment of another part of the heating equipment
direct of the invention, that is to say of a condenser heat recovery. This condensing heat recovery unit, intended for
facilitate the separation of fly ash
and harmful materials, placed downstream of the installation's high temperature exchanger,
is arranged so that the combustion or fogging products and a recovery fluid, such as
water, circulating against the current in a vertical direction or inclined with respect to the vertical, this condensing heat recovery unit proving to be particularly advantageous during the independent, alternative or simultaneous use of gaseous, liquid and solid fuels. the temperature of the recovery fluid is below the dew point of the combustion products. or steam some of the water in them can be condensed. The recuperator shown in FIGS. 4 and 5 comprises an enclosure - (60) with a vertical axis,
or possibly inclined relative to the vertical, an inlet duct (61) for the hot combustion products arranged at the top of the enclosure
(60), an outlet pipe (62) of the cooled combustion products arranged near the lower base (63) of the enclosure, an outlet pipe
(64) of condensed water arranged at the lower base (63) at a level lower than that of the outlet duct (62) and the tubes (65) with fins (66) arranged in the enclosure parallel to its axis, between the inlet (61) and outlet (62) conduits of the combustion products, in which the recovery fluid circulates. As can be seen in Figure 5 of the accompanying drawings, these fins (66) are arranged radially and longitudinally with respect to the axis of the tubes (65), of which four of them have been shown, the number of tubes being of course nonlimiting, these fins (66)
<EMI ID = 6.1>
Finned tubes (65) are preferably arranged in rows, the tubes of each row being connected at the bottom to corresponding collectors (67) and connected at the top to corresponding collectors (68). The collectors (67) are connected to a general cold fluid collector (69) and the collectors (68) are connected to a general hot fluid collector (70). An expansion joint (71) is provided in the enclosure
(60) to allow differential expansion between this enclosure and the tubes (65) fixed to the collectors (67) and (68).
In addition, to facilitate the attachment of the tubes (65) to the collectors (67) and (68), such as, for example;
by welding, the fins (66) are cut at the two ends of each tube according to plans
(7 2) perpendicular or inclined with respect to the axis of the tube, or even along a truncated cone (72), the axis of which coincides with the axis of the tube. The number, arrangement and cross section of the tubes
(65) fins are chosen so as to spare
between the fins (66) of the channels, the width of which is substantially constant, of the order of cm and so as to avoid free spaces where the products of combustion could flow without any cooling. According to the invention, the cross sections between fins (66) have the shape of triangles (73), the height of which is preferably of the order of cm.
The products of combustion or steam circulate outside the tubes (65) in downward, vertical or inclined current depending on the arrangement of the enclosure (60), the condensed water and -
the ash separating by reduction of speed and gravity being, therefore, driven downwards. The recovery fluid circulates inside the tubes (65) in ascending, vertical or inclined current depending on the arrangement of the enclosure, in the direction of the arrows (74). The flow of the two fluids at high speed and under strong turbulence, in a straight line, in medium-sized channels, provides high overall heat transfer coefficients with moderate pressure drops. In the inlet duct (61) for hot combustion products, there are arranged nozzles (75), only one of which is shown in FIG. 4, supplied by the duct (76) with water or solution, so as to allow periodic washing of
the outer surface of the tubes, to limit the
deposit of ash or dust on surfaces
and to maintain good heat transfer coefficients.
The washing water is discharged through the outlet conduit (64).
As already stated above, the heating equipment of the invention also makes it possible to purify the combustion products or fumes discharged into the atmosphere. This objective is achieved by the simple addition to solid fuels at the inlet of the mill or to the combustion products of solid, liquid or gaseous fuels or even of fumes at the entry of the condensing heat recovery unit, of substances capable of fixing the harmful substances, such as sulfur and fly ash, for example neutralizing products, such as calcium carbonate, potassium carbonate, carbonate
sodium or quicklime. More than 90% of the sulfites and sulfates formed by the reaction will thus go into solution or suspension in condensed water and will be evacuated to the sewer.
It should be understood that the invention is in no way limited to the embodiments described and that many modifications can be made without departing from the scope of this patent.
CLAIMS.
1. Method of direct heating by fuel, in particular for installations, such as generators of hot water, steam and
hot gases, cooking ovens, dryers, using a burner, a combustion chamber and a high temperature exchanger, characterized in that it consists in using a wet solid fuel,
such as coal with a high volatile matter content, a biomass, to grind this fuel upstream of the combustion chamber and to introduce directly into the latter, without reducing its water content, the ground fuel in the presence of a fluid primary oxidizer.