CH624464A5

CH624464A5 -

Info

Publication number: CH624464A5
Application number: CH881878A
Authority: CH
Inventors: Arnold Porteous Pearce
Original assignee: Flameless Furnaces Ltd
Priority date: 1977-08-19
Filing date: 1978-08-18
Publication date: 1981-07-31
Also published as: IE47243B1; PT68438A; SE7808761L; CA1100818A; US4279222A; FR2406159A1; NZ188188A; AU521732B2; IE781680L; DK366278A; ES472676A1; AU3908878A; FI67619B; FR2406159B1; JPS5455826A; LU80130A1; NL7808587A; IL55392A; NO148086B; FI67619C

Description

La présente invention concerne les foyers de combustion à lit fluidisé comprenant une enceinte de combustion. Ce foyer sert à incinérer des déchets ou à brûler des combustibles médiocres en fournissant de la chaleur utile.

On connaît des foyers de combustion à lit fluidisé dans lesquels un lit fluidisé de matériaux granulaires est entretenu sur un diffuseur d'air dans une enceinte ou une chambre de combustion. Les matières combustibles ou les déchets à incinérer doivent être introduits d'une manière ou d'une autre dans le lit fluidisé. L'oxygène nécessaire à la combustion est fourni au moins en partie, et généralement en totalité, par l'air du diffuseur qui sert à fluidiser le lit. Le lit est constitué de matériaux granulaires, tels que du sable ou d'autres matières réfractaires, et peut contenir une certaine proportion de résidus solides des combustions successives.

Dans certains cas, le support du lit fluidisé est disposé obliquement et l'alimentation en air du diffuseur est réglée par zones de façon à créer une circulation des matériaux du lit autour d'un axe sensiblement horizontal et perpendiculaire à la ligne de plus grande pente du diffuseur.

Quand des détritus sont à brûler et sont introduits dans le lit fluidisé, les matières plus légères comme le papier ont tendance à s'échapper du lit avant d'être complètement consumées.

La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients en alimentant ce qui est à brûler à la base du lit sous le sable de la zone calme, afin que son séjour dans le lit soit le plus long possible.

Le foyer de combustion selon l'invention est défini par la revendication 1.

En pratique, il est préférable que le foyer comporte deux déflecteurs disposés près des bords latéraux opposés du support de façon à délimiter deux zones calmes où les matières combustibles sont introduites.

Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation de l'objet de l'invention.

La fig. 1 est une coupe verticale schématique d'un foyer de combustion selon l'invention.

La fig. 2 est une vue schématique en coupe dans le sens des flèches II-II de la fig. 1.

La fig. 3 est une coupe verticale schématique dans le plan IIIIII de la fig. 1.

La fig. 4 est une vue en plan schématique dans le sens des flèches IV-IV de la fig. 1.

La fig. 5 est une coupe schématique en élévation d'un autre foyer de combustion qui utilise un double lit fluidisé.

La fig. 6 est une vue en plan dans le sens des flèches VI-VI de la fig. 5.

La fig. 7 est une coupe verticale dans le plan VII-VII de la fig. 5.

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La fig. 8 est une vue en plan dans le sens des flèches Vili-VIII de la fig. 5.

La fig. 9 est une coupe en élévation d'une autre forme du foyer de l'invention.

La fig. 10 est une coupe verticale dans le plan X-X de la fig. 9.

La fig. 11 est une vue en plan dans le sens des flèches XI-XI de la fig. 9.

La fig. 12 est un schéma de circulation de l'eau dans un circuit qui est alimenté par la chaudière de la fig. 9.

Le premier mode de réalisation du foyer de combustion de la présente invention est illustré sur la fig. 1. Une enceinte 20 délimite une chambre de combustion 21 dont la partie inférieure contient une structure de support 22 servant de diffuseur d'air. Le diffuseur 22 comporte une surface poreuse ou perforée 23 qui est alimentée en air par plusieurs chambres d'insufflation 24 reliées à une soufflerie 25. Des dispositifs de commande (non représentés) permettent de régler la quantité d'air fournie à chaque chambre 24 pour modifier le débit d'air qui sort de la surface du diffuseur 22. Un lit de matériaux granulaires est fluidisé par le diffuseur 22 jusqu'à un niveau horizontal 26. En haut de la chambre de combustion 21, les gaz brûlés s'échappent par un conduit d'évacuation des fumées 27.

En fonctionnement, le lit de matériaux granulaires est fluidisé par l'air qui s'échappe du diffuseur 22 et les matières combustibles sont introduites dans le lit fluidisé où elles brûlent. Les produits de combustion s'échappent par le conduit 27. La distribution de l'air émis par la surface poreuse 23 est étudiée de façon que les matériaux du lit circulent autour d'un axe sensiblement horizontal et perpendiculaire au plan de la fig. 1. Dans l'exemple illustré,

cette circulation se fait en sens inverse des aiguilles d'une montre car au contact de la surface oblique 23, les matériaux s'écoulent par gravité de gauche à droite (sur la fig. 1).

Une auge collectrice 28 appelée «cendrier» est disposée le long du bord inférieur du diffuseur 22 pour recueillir les cendres et autres résidus incombustibles. Il est évident que la circulation du lit favorise l'accumulation de ces résidus dans le cendrier 28.

Une structure déflectrice 29 s'étend obliquement au-dessus du cendrier 28 et de l'extrémité de droite (sur la fig. 1) du lit pour favoriser la circulation. Cette structure est de préférence un écran de tubes échangeurs de chaleur parcourus de l'eau de refroidissement qui circule entre un collecteur supérieur 30 et un collecteur inférieur 31. Le reste de la chambre 21, particulièrement au-dessus du niveau 26 du lit, est également garni de tubes échangeurs de chaleur alimentés par un second collecteur inférieur 32 et faisant partie du circuit d'eau. Ainsi, les tubes d'eau sont en contact direct avec les matériaux du lit et avec les gaz de combustion qui s'en échappent de façon à récupérer au maximum la chaleur dégagée par la combustion pour produire de l'eau chaude ou de la vapeur, ou pour toute autre utilisation.

Au centre du cendrier 28 se trouve un orifice d'évacuation 34 muni d'un clapet 35 qui s'ouvre sur un conduit d'évacuation des cendres 36. Les cendres et les matériaux du lit éventuellement entraînés sont transportés pneumatiquement dans le conduit 36 par un jet d'air 37, comme décrit dans la demande de brevet britannique N° 18354/77.

On voit sur les fig. 2, 3 et 4 que des déflecteurs plans 40 sont disposés verticalement au-dessus des bords obliques du diffuseur 22. Ainsi, il existe un passage libre 41 entre le bord inférieur du déflecteur 40 et la surface 23. De plus, le bord supérieur du déflecteur 40 est légèrement en dessous du niveau 26 que le lit fluidisé atteint en fonctionnement normal. Des chambres fermées 42 sont disposées à l'extérieur des déflecteurs 40, ces chambres ayant des fonds obliques 43 qui se raccordent à la surface 23 du diffuseur, comme illustré sur la fig. 3.

La disposition de l'ensemble est telle que les déflecteurs 40 délimitent des zones calmes (non fluidisées) de part et d'autre du lit fluidisé. En fonctionnement, le niveau 26 du lit fluidisé s'élève un peu au-dessus des déflecteurs 40, de sorte qu'une certaine quantité des matériaux déborde latéralement dans les zones calmes 42, comme indiqué par les flèches 44 sur la fig. 3. Dans les zones calmes 42, ces apports de matériaux provoquent une descente progressive des matériaux qui sont recyclés dans le lit fluidisé principal par les passages intérieurs 41. L'inclinaison des fonds 43 facilite ce mécanisme.

Les matières combustibles à brûler sont contenues dans une trémie 50 qui est montée sur la structure de la chaudière 20. Le dosage des matières combustibles est assuré par un tapis roulant 51 qui les transporte jusqu'à un conduit vertical 52 qui est monté dans la chambre de combustion 21 au-dessus de la partie centrale du cendrier 28. Le conduit 52 se divise en deux branches alimentant des goulottes 53 qui communiquent avec chacune des zones calmes 42 situées de part et d'autre du lit fluidisé. Ainsi, les matières combustibles sont entraînées de haut en bas dans les zones calmes pour être introduites transversalement dans le fond du lit fluidisé. Ceci assure une combustion presque parfaite car les particules combustibles n'ont pratiquement aucune chance de remonter à la surface du lit fluidisé avant d'avoir brûlé. Pour obtenir un effet d'entraînement maximal, il est préférable que les goulottes 53 soient dirigées vers le bas, comme illustré sur la fig. 1.

L'enceinte 20 de la chambre de combustion comprend de préférence une chemise d'air 60 qui fait partie du circuit d'air entre la soufflerie 25 et le diffuseur 22. Plus précisément, l'air de la soufflerie 25 est introduit par un orifice 61 situé en bas et à gauche sur la fig. 3, remonte dans la chemise 60 pour passer au-dessus de la chambre de combustion 21 et redescend sur le côté droit de la chaudière avant d'arriver à une chambre inférieure 62 située sous les chambres d'insufflation 24. Comme indiqué précédemment, le passage de la chambre 62 aux chambres d'insufflation 24 est commandé par des vannes de réglage appropriées. En résumé, cette circulation d'air dans la chemise 60 permet de refroidir l'enveloppe de la chambre de combustion et de réchauffer l'air avant son admission dans le lit fluidisé.

On voit sur les fig. 1 et 3 qu'une branche 70 de la structure déflectrice 29 s'étend au-dessus de la surface du lit fluidisé. Les gaz de combustion qui s'échappent de la surface du lit commencent par lécher le dessous de l'écran de tubes 70, puis le contournent par des passages latéraux 71 (fig. 3) et sont rabattus sur le dessus de l'écran par des déflecteurs 72 avant de s'échapper dans la partie supérieure de la chambre 21, vers le conduit d'évacuation 27. Ce chemin tortueux parcouru par les gaz de combustion favorise non seulement les échanges de chaleur, mais aussi la combustion complète des particules combustibles les plus fines qui sont entraînées hors du lit fluidisé.

Les tubes de l'écran déflecteur 70 font de préférence partie du système de circulation de l'eau pour assurer une extraction optimale de la chaleur. Dans le même but, les déflecteurs 40 peuvent être parcourus par de l'air ou de l'eau servant à leur refroidissement et à l'extraction de la chaleur de combustion.

D'autres tubes d'eau peuvent être «immergés» dans le lit fluidisé, comme indiqué en 73 sur la flg. 1. Ces tubes font également partie du système d'échange de la chaleur.

La partie de la chambre de combustion 21 peut être munie de buses d'air 74 destinées à balayer les cendres volantes et les autres produits de combustion qui risquent de s'accumuler sur l'écran déflecteur 70.

Les fig. 5 à 8 illustrent une variante du foyer de combustion de l'invention qui diffère de celui de la fig. 1 par la présence d'un second lit fluidisé entre le système d'alimentation 18 (fig. 1) et les goulottes de distribution 53 qui introduisent la matière combustible dans les zones calmes des chambres 42.

Ce lit fluidisé supérieur sera appelé «lit primaire», alors que le lit fluidisé qui correspond à celui de la fig. 1 sera appelé «lit secondaire». Le lit primaire comporte un support diffuseur d'air 22A et un cendrier 28A qui sont pratiquement identiques à ceux du lit secondaire. Une partie de l'air de la soufflerie 25 est

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dérivée vers le diffuseur 22A pour fluidiser le lit primaire jusqu'à un niveau 26A.

On voit sur la fig. 6 que le cendrier 28A du lit primaire est une auge cylindrique équipée à chaque extrémité d'obturateurs coniques 80 servant à régler le déversement de la matière dans des chambres latérales 81 qui alimentent les chambres 42 contenant les «zones calmes» du lit secondaire. Le lit primaire est contenu dans une chambre délimitée par des parois 82 dont les bords supérieurs 83 permettent le passage des gaz de combustion du lit primaire vers la chambre de combustion principale 21 sous les déflecteurs 72 pour favoriser leur mélange avec les gaz de combustion du lit secondaire.

Les chambres d'insufflation du lit primaire sont alimentées par de l'air prélevé sur la chemise 60 avec un débit réglable au moyen d'une vanne 85 (fig. 8). Cet air est admis dans une chambre de répartition 86 qui communique avec les chambres d'insufflation du diffuseur 22A par l'intermédiaire de vannes de réglage (non représentées). Le lit fluidisé primaire peut être animé d'un mouvement de circulation autour d'un axe horizontal perpendiculaire au plan de la fig. 5, comme le lit de la fig. 1. En variante, le lit primaire peut être simplement fluidisé sans circulation.

On comprend que le lit primaire brûle partiellement la matière combustible introduite par le système d'alimentation 18, la combustion étant comlétée au sein du lit secondaire. Une certaine quantité de combustible ou de déchets à incinérer peut être introduite directement dans les zones calmes du lit secondaire par des conduits 84 aboutissant aux chambres 42.

La matière combustible est ainsi pyrolisée dans le lit primaire où ses composants volatiles brûlent en phase gazeuse, puis la combustion est complétée dans le lit secondaire. Cette disposition est intéressante dans le cas de déchets contenant des substances organiques avec une forte teneur en composés gras, ou dans le cas de matière ayant une forte teneur en composés volatiles.

Les fig. 9, 10 et 11 illustrent une autre configuration du foyer de combustion convenant pour une chaudière cylindrique verticale. Dans ce cas, l'enveloppe 90 de la chaudière comporte une chemise d'eau à double paroi entourant la chambre de combustion 21. Les gaz de combustion s'échappent sur le côté de la chambre par un conduit 91 qui est séparé de la surface du lit fluidisé par un déflecteur vertical 92. La matière combustible peut être introduite par un conduit oblique 93 débouchant soit à l'intérieur du lit fluidisé proprement dit entre les déflecteurs 40, soit dans les chambres 42 qui délimitent les zones calmes de part et d'autre du lit fluidisé, comme décrit dans les deux premières variantes.

Dans cette configuration, les déflecteurs 40 sont des écrans de tubes d'eau disposés transversalement entre les faces opposées de 5 la chemise 90, comme décrit pour la structure déflectrice 29/70. Pour augmenter les échanges de chaleur entre les gaz de combustion et la chemise d'eau 90, la surface intérieure de cette dernière peut être ondulée de façon à former des protubérances 94 et d'autres tubes d'eau peuvent être disposés en grille 95 dans la partie 10 supérieure de la chambre de combustion. On peut également utiliser des tubes d'eau 96 qui traversent la partie fluidisée du lit.

Pour le reste et pour son fonctionnement, le mode de réalisation des fig. 9 à 11 est identique à celui des fig. 1 à 4.

La fig. 12 représente schématiquement le circuit de circulation 15 de l'eau dans la chaudière des fig. 9 à 11.

La partie supérieure de la chemise d'eau est reliée par une tuyauterie 100 à la partie supérieure d'un ballon de stockage 101. Le ballon 101 est un réservoir cylindrique vertical dont le sommet est équipé d'une tuyauterie 102 de prise d'eau chaude ou de 20 vapeur. L'eau de condensation est réinjectée dans le bas du ballon 101 par une tuyauterie de retour 103 avec un appoint éventuel d'eau par une tuyauterie 104.

La variation de densité de l'eau aux différentes températures produit une stratification des couches d'eau en fonction de leur 25 température sur la hauteur du ballon 101. Plusieurs prises d'eau 105 à 108 sont réparties sur la hauteur du ballon 101 et sont reliées à un sélecteur 109. La sortie du sélecteur 109 est reliée à une pompe 110 qui injecte l'eau au bas de la chemise de la chaudière 90. Un by-pass équipé de vannes est prévu entre le haut 30 et le bas de la chemise pour faire circuler l'eau en circuit court sans passer par le ballon 101, par exemple pendant la montée en température de la chaudière.

En service, la température de l'eau qui est recyclée au bas de la chaudière est déterminée par la position du sélecteur 109 de façon 35 à optimiser en toutes circonstances le rendement thermique de l'installation. On peut ainsi régler avec précision la température du lit fluidisé.

Dans l'exemple des fig. 9 à 12, le lit fluidisé est contenu dans une enveloppe de métal relativement résistante qui permet de tra-40 vailler à des pressions très supérieures à la pression atmosphérique. On peut donc utiliser les gaz qui sortent par l'orifice 91 ou par une autre prise pour surmonter la contre-pression de l'équipement externe associé à la chaudière ou pour entraîner une turbine à gaz ou un moteur similaire faisant partie de l'installation.

5 feuilles dessins

Claims

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1. Foyer de combustion à lit fluidisé comprenant une enceinte de combustion dans laquelle est monté un support diffuseur d'air qui porte un lit fluidisé de matériaux granulaires, caractérisé en ce qu'au moins un déflecteur est monté dans un plan sensiblement vertical à une certaine distance au-dessus du support pour délimiter sur un côté au moins du lit une zone calme de matériaux qui ne sont pas fluidisés en fonctionnement normal, le bord supérieur du déflecteur étant plus bas que le niveau normal du lit fluidisé de façon que des matériaux de la surface du lit se déversent au-dessus du déflecteur dans la zone calme et en ce qu'il comporte un dispositif d'alimentation introduisant des matières combustibles dans la zone calme pour qu'elles soient entraînées dans la zone fluidisée en passant sous le déflecteur.

2. Foyer de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux déflecteurs disposés symétriquement de part et d'autre du support diffuseur pour délimiter deux zones calmes recevant chacune des matières combustibles à brûler.

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REVENDICATIONS

3. Foyer de combustion selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'alimentation en air du diffuseur n'est pas uniforme pour produire des zones fluidisées à des degrés différents de manière à créer une circulation des matériaux du lit autour d'un axe horizontal.

4. Foyer de combustion selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support diffuseur est une surface plane généralement rectangulaire, inclinée dans le sens de ses grands côtés et munie d'une auge collectrice le long de son côté le plus bas.

5. Foyer de combustion selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'auge collectrice comporte des moyens d'évacuation des cendres.

6. Foyer de combustion selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation des cendres comprennent un clapet commandé à la demande pour laisser échapper les cendres recueillies par l'auge et un convoyeur pneumatique entraînant les cendres en aval du clapet.

7. Foyer de combustion selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comprennent une trémie et des convoyeurs transportant les matières combustibles de la trémie à un conduit qui se divise en deux branches aboutissant respectivement aux deux zones calmes.

8. Foyer de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une structure déflectrice s'étend au-dessus d'une partie de la surface du lit fluidisé de matériaux granulaires que porte le support diffuseur d'air.

9. Foyer de combustion selon la revendication 8, caractérisé en ce que la structure déflectrice se prolonge au-dessus du reste du lit fluidisé pour former un labyrinthe que doivent parcourir les gaz de combustion sortant du lit fluidisé.

10. Foyer de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte de combustion est à double paroi et forme une chemise d'air dans laquelle circule l'air qui est dirigé vers le diffuseur du lit fluidisé, l'air étant ainsi préchauffé.

11. Foyer de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments d'échange de chaleur disposés de manière à être en contact avec les gaz de combustion sortant du lit fluidisé pour en extraire de la chaleur.

12. Foyer de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments d'échange de chaleur immergés dans le lit fluidisé pour en extraire de la chaleur.

13. Foyer de combustion selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'enceinte de combustion est à double paroi et forme une chemise d'eau de refroidissement et d'extraction de la chaleur.

14. Foyer de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un second support diffuseur d'air monté dans une chambre auxiliaire associée à l'enceinte de combustion, un second lit fluidisé étant entretenu par le second diffuseur et les matières combustibles étant acheminées à la chambre auxiliaire pour subir une combustion préliminaire partielle dans son lit fluidisé avant d'être transférées dans les zones calmes du lit fluidisé principal.

15. Foyer de combustion selon la revendication 14, caractérisé en ce que le débit des matières partiellement brûlées est réglable à la sortie de la chambre auxiliaire.

16. Foyer de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte de la chambre de combustion est un récipient cylindrique de section circulaire et de construction suffisamment robuste pour que le foyer de combustion puisse fonctionner en surpression par rapport à l'atmosphère ambiante.