EP2479493B1 - Dispositif de combustion, unité d'incinération comprenant un tel dispositif de combustion, et procédé de mise en oeuvre d'un tel dispositif de combustion - Google Patents

Dispositif de combustion, unité d'incinération comprenant un tel dispositif de combustion, et procédé de mise en oeuvre d'un tel dispositif de combustion Download PDF

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EP2479493B1
EP2479493B1 EP12152189.2A EP12152189A EP2479493B1 EP 2479493 B1 EP2479493 B1 EP 2479493B1 EP 12152189 A EP12152189 A EP 12152189A EP 2479493 B1 EP2479493 B1 EP 2479493B1
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EP
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combustion
chamber
cyclone
fumes
combustion chamber
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Gérard Martin
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Exploitation Energetique de Sous Produits Industriels et Agricoles - Exedia
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    • F23G2900/70—Incinerating particular products or waste
    • F23G2900/7003—Incinerating litter from animals, e.g. poultry litter

Definitions

  • the present invention relates to a combustion device.
  • the invention also relates to an incineration unit comprising such a combustion device.
  • the invention relates to a method of implementing such a combustion device.
  • the field of the invention is that of equipment for energy recovery of waste by combustion.
  • the target power range includes installations with waste flows of between a few tens and a few hundred kg / h, based on an operation of between 5000 and 8000 h / year.
  • the document EP-A-1,143,195 describes a combustion device, comprising a combustion chamber with a first opening provided in its upper part for the discharge of hot combustion products.
  • the device also includes a fuel intake system, a first combustion gas inlet system for creating a first vortex flow, and a second opening located in the bottom of the chamber for the continuous evacuation of dense particles, also called ashes under fire.
  • a baffle and a second combustion gas inlet system are provided to form a second vortex flow within the first, cooperating to confine the fuel upwardly toward the first opening, while allowing dense particles to exit continuously through the second opening.
  • the combustion is long enough to be complete and not be hindered by the agglomeration of solids in the chamber.
  • most of the inorganic material in the fuel leaves the chamber in the form of fly ash driven by fumes, which generates significant pollutant emissions and requires expensive additional treatment.
  • the document FR-A-2,686,682 discloses a heat generator for burning solid fuels.
  • the generator comprises a cyclonic profile combustion chamber.
  • the supply of the fuel chamber is carried out by pneumatic transport with the combustion air.
  • the ash flows in molten form to a cavity filled with water.
  • the document WO-A-01/58244 discloses a combustion device, comprising a combustion chamber in which an air flow is injected to create a swirling flow.
  • This device aims in particular the burning of poultry litter.
  • fly ash containing polluting particles are driven by the fumes out of the chamber.
  • a cyclonic device is provided downstream of the chamber to separate the dust from the fumes by centrifugation.
  • the presence of the cyclonic device downstream of the chamber generates additional cost and space.
  • the document DE-A-10 2006 021 624 relates to an apparatus for the production of hot gases under pressure according to the preamble of claim 1.
  • This apparatus uses a gasification process, with conversion of biomass fuel gas poorly loaded particles, and not a waste combustion process.
  • the apparatus comprises a tank, a biomass feed system located in the upper part of the tank, and a gasification zone located in the lower part of the tank.
  • the apparatus also comprises a cyclonic combustion chamber of the fuel gas, provided with a heat exchanger, a second cyclone, and an air introduction pipe from the top of the second cyclone.
  • the biomass is introduced from the top of the tank, then is gasified in the gasification zone, outside the combustion chamber.
  • the object of the present invention is to provide a combustion device for removing ash and reducing pollutant emissions, without requiring expensive equipment and cumbersome.
  • the subject of the invention is a combustion device according to the subject of claim 1.
  • the invention makes it possible to obtain an efficient, compact, economical and low polluting combustion device.
  • This device is well suited to the combustion of waste, especially solid.
  • the positioning of the cyclone in the central part of the hearth makes it possible, on the one hand, to minimize the thermal losses by avoiding the creation of additional external surfaces through which these losses can occur and, on the other hand, to limit the total space requirement. the facility would be increased if the cyclone was placed outside the home.
  • This device constitutes a "mini-incinerator" which presents improved performances, well adapted for a combustible charge flow rate between 50 and 300 kg / h and in particular for the recovery of livestock waste, such as poultry litter, the solid fraction of pork slurry, horse manure, etc.
  • the device according to the invention is particularly respectful of regulatory constraints.
  • the invention also relates to an incineration unit comprising a combustion device as mentioned above.
  • the incineration unit further comprises a heat exchanger which is connected to a hydro-accumulator, and preferably means for injecting at least one reactive component into the smoke from the combustion device for the abatement of pollutants from combustion.
  • waste producers can eliminate them at source and become more autonomous.
  • the energy obtained is easily recovered in the form of hot water, or more generally of a hot fluid, thanks to the heat exchanger. Costs related to the removal and treatment of waste, as well as the purchase of fossil fuels for heating, are reduced.
  • the combustion temperature is greater than 850 ° C. and less than 1200 ° C. at any point in the combustion chamber and in the cyclone.
  • FIG. 1 to 3 there is shown a combustion device 10 according to the invention.
  • This device 10 comprises a combustion chamber 11, delimited by a vertical cylindrical wall 12, which extends parallel to a longitudinal central axis X10, a lower portion 14 and an upper portion 15.
  • the chamber 11 forms an enclosure with a primary combustion zone 18 delimited in its lower part 14, and a secondary combustion zone 19 closer to its upper part 15.
  • the chamber 11 is adapted, on the one hand , to receive a controlled quantity of combustible material 101 at the inlet and, secondly, for the evacuation of combustion products in the form of fumes 105 and ash 106 at the outlet.
  • the lower portion 14 comprises a base 141 resting on a base 143 and feet 144a and 144b.
  • the base 143 is provided with ash extraction systems 160 and 170, which will be detailed hereinafter.
  • the base 143 can be configured differently.
  • the device 10 may rest on a base 143 without feet.
  • the inner surface of the wall 12 is at least partially coated with an insulating refractory material, intended to limit the heat exchange with the outside of the chamber 11 and / or with a heat exchanger 30 enveloping all or part of the chamber 11, in order to maintain high temperatures in this chamber 11 and thus ensure complete combustion of combustible materials, both gaseous (volatile materials) and solid (carbon fraction released during the devolatilization of the fuel).
  • an insulating refractory material intended to limit the heat exchange with the outside of the chamber 11 and / or with a heat exchanger 30 enveloping all or part of the chamber 11, in order to maintain high temperatures in this chamber 11 and thus ensure complete combustion of combustible materials, both gaseous (volatile materials) and solid (carbon fraction released during the devolatilization of the fuel).
  • the heat exchanger 30 comprises a shell 31 concentrically positioned in the chamber 11, in order to reduce the thermal losses at the wall 12.
  • This shell 31 is supplied with water or thermal fluid through at least one inlet line 32
  • At least one exit line 33 returns the heated water or heat fluid to its place of use.
  • This outlet line 33 is positioned relative to the inlet line 32 so that the whole of the calender 31 is completely swept by the water or the thermal fluid to be heated, and thus avoid the areas of stagnant fluid which may create destructive local sprays.
  • the shell 31 is traversed by flue tubes 39, whose function will be detailed later.
  • the exchanger 30 is schematized and is only partially represented on the figures 1 and 2 .
  • a supply system 20 for the combustion chamber 11 with fuel 101 is connected to the device 10.
  • the system 20 comprises at least one storage hopper 21 in which the fuel 101 is introduced.
  • Each hopper 21 is equipped with a metering mechanism 22 making it possible to regulate the fuel flow 101, as well as a discharge duct 24 which penetrates inside the chamber 11 to introduce the fuel 101 into the zone by gravity. of primary combustion 18.
  • a sealing member 23 seals between the combustion chamber 11 on the one hand, and the hopper 21 on the other hand.
  • the system 20 is configured to continuously introduce a controlled quantity of fuel 101 into the chamber 11.
  • a mill may be placed in line upstream of the hopper 21.
  • the fuel 101 can be taken out of the metering mechanism 22 by a stream of gas such as air, secondary air, nitrogen, recycled fumes, and pneumatically introduced. in the combustion chamber 11.
  • gas such as air, secondary air, nitrogen, recycled fumes, and pneumatically introduced. in the combustion chamber 11.
  • the system 20 may comprise a conveyor belt feeding the chamber 11 from a fuel receiving pit 101.
  • This conveyor belt is associated with one or more push-button systems, which provide both the dosing the fuel 101 and the sealing of the combustion chamber 11 relative to the outside.
  • system 20 can be configured to sequentially introduce the fuel 101 into the chamber 11.
  • a primary air supply system 50 is connected to the device 10.
  • the system 50 comprises a fan 51 or more generally a source under pressure of oxidizing gas, a connecting sheath 52, a preheating apparatus 53 of the oxidizing gas, a wind box 54 and one or more distributors 55 of primary air.
  • the wind box 54 is arranged in the lower part 14 of the chamber 11, and the primary air distributor or distributors 55 are mounted on the wind box 54, in the chamber 11.
  • the distributor 55 can be in the form of an annular grid inclined towards the central axis X10 and extends around the base 141.
  • the distributor 55 can also be provided with fixed elements, such as for example blades, which are adapted to transmit a rotational component to the airflow.
  • the distributor 55 may have a different configuration.
  • the distributor 55 may be in the form of discrete injectors, distributed in a substantially horizontal plane, at the periphery of the annular space created between the base 141 on the one hand, and the wind box 54 of somewhere else.
  • the discrete injectors are inclined relative to the horizontal plane and oriented substantially tangentially with respect to the annular space, to create a helical gas flow with an ascending vertical component.
  • a particular configuration of the distributor 55 is described below in connection with the figure 4 , showing an alternative embodiment of the device 10.
  • the preheating apparatus 53 operates with gas, oil or electricity and allows the fire to start in the primary combustion zone 18. More generally, the preheating of the combustion chamber 11 may be carried out using an auxiliary heat source such as a gas burner, a fuel burner or an electric hot air generator.
  • an auxiliary heat source such as a gas burner, a fuel burner or an electric hot air generator.
  • the apparatus 53 may be positioned at a different location of the device 10, for example directly in the zone 18, preferably in a retractable configuration to preserve the apparatus 53, once the ignition and preheating of the fireplace in the primary combustion zone 18.
  • the primary combustion zone 18 extends in a substantially annular profile centered on the axis X10 in the chamber 11, above the distributor 55.
  • the vortex flow of gas and particles in the chamber 11 is represented by the arrows P1, P2 and P3 on the Figures 1 to 3 .
  • the term "particles" denotes jointly the solid combustible material, any solid additives added to this combustible material for cutting down atmospheric pollutants (limestone or lime, for example), ashes resulting from combustion, as well as the solid products resulting from the treatment of atmospheric pollutants.
  • the fuel 101 discharged into the primary combustion zone 18 is taken in the vortex flow P1, and the solid particles are fluidized without being driven instantly. More specifically, the movement of the particles P1 in the zone 18 takes the form of a toroidal bed 102 which has a thickness of a few centimeters, while lighter particles 103, such as fly ash, are entrained in the flow P2 and are in suspension in the chamber 11. In addition, the particles 103 rise in the upper part 15 of the chamber 11, in the form of a particle flow P3. In other words, the particles 103 are set in motion by an ascending vertical gas flow P2 and P3, after having been rotated in a flow P1 by the blading system or the inclined injections of the distributor 55. distributed well in the zone 18 and the chamber 11, instead of forming a compact cluster and random, combustion is improved, thanks to a high homogeneity of temperature of the reaction medium and a very good contact between the fuel phase and the oxidizing phase .
  • a frustoconical stabilizer 142 is placed in the center of the combustion chamber 11, in the lower part 14, resting on the base 141.
  • the lower part 14 of the combustion chamber 11 is delimited by the wall 12 , the primary air distributor 55 and the stabilizer 142.
  • the main function of the stabilizer 142 is, as its name suggests, to stabilize the flow streams P1, P2, P3 to the interior of the combustion chamber 11, which allows in particular to obtain an ascending helical flow P2 which is stable in the space of this chamber 11.
  • a secondary air supply system 150 is connected to the device 10.
  • the system 150 comprises a fan 151 or more generally a source of combustion gas pressure, a connecting sleeve 152 and a secondary air distributor 153 which is connected to one or more orifices 154 arranged in the wall 12.
  • the orifices 154 are positioned in such a way that the secondary air imparts rotational movement to the particles P2 coming from the lower part 14 of the combustion chamber 11.
  • the system 150 is adapted to introduce air into a median third of the chamber 11, in a substantially annular distribution centered on the central axis X10.
  • the presence of the system 150 for the secondary air supply is optional, but preferable, because it makes it possible, on the one hand, to avoid having too high temperatures in the primary air distributor and, on the other hand, on the one hand, to limit the formation of nitrogen oxides when nitrogenous fuels are burned in the chamber 11, thanks to reducing conditions in the space between the primary air injection and the secondary air injection, that is to say substantially between the distributor 55 and the orifices 154 along the axis X10, since the primary air flow rate is generally substoichiometric or very close to the stoichiometry.
  • the primary combustion zone 18 extends in the lower portion 14 from the primary air distributor 55 to the secondary air injection orifices 154, while the secondary combustion zone 19 s extends in the upper part 19 above the orifices 154.
  • An ash extraction system 160 is disposed below the combustion chamber 11, and is connected to an ash disposal system 180.
  • the system 160 is configured as a well in the base 143, and the ash flow is represented by arrows C1 on the figure 1 .
  • the system 160 comprises an extraction grid 161 which has an annular shape and is arranged between the distributor 55 and the base 141, a line 162 for lowering the ashes in the base 143, and a sealing member 163 for the insulation pneumatic between the combustion chamber 11 and the ash removal system 180.
  • the extraction system 160 regulates the amount of solid material present in the bed 102, in particular to avoid clogging of the combustion chamber 11 , the lower part 14 and the primary combustion zone 18.
  • the evacuation system 180 transports the ashes 106 to a storage ashtray 181.
  • the extraction system 160 may be in the form of an open annular space 162, putting into communication the chamber of 11
  • all or part of the primary air and / or recycled fumes are injected inside this annular space 162, whose geometric characteristics and the conditions of the invention. injection of the primary air and / or fumes are such that a process of elutriation of the particles can occur, that is to say a separation of particles by particle size range and density in the flow of gas flowing at the inside of this annular space 162. More specifically, this flow having an upward vertical component, the fine particles are returned to the combustion chamber 11, while the heavier particles fall and are taken up by the exhaust system ashes 180.
  • a dust collection cyclone 120 also called a cyclone dust collector, is disposed in the device 10.
  • the cyclone 120 is positioned in the center of the chamber 11, resting on the base 141 and the stabilizer 142, and has an axial symmetry with respect to the central axis X10 of the chamber 11.
  • the cyclone 120 is made of refractory material (s) stackable (s) and joined (s), or of material (s) metal (s), by example in the form of sheets.
  • the cyclone 120 comprises a conical lower portion 122 surmounted by a cylindrical upper portion 124.
  • the conical portion 122 extends towards the lower portion 14 of the chamber 11, resting on the stabilizer 142, and is provided with its lower end of a system 170 for extracting fly ash, represented by the arrows C2 on the figure 1 .
  • the cylindrical portion 124 extends towards the upper portion 15 of the chamber 11 to an upper end 125 of the cyclone 120.
  • This end 125 has a substantially horizontal annular profile and supports a chimney 129 for extracting the fumes 105.
  • the cylindrical portion 124 is connected by the chimney 129 to a connecting chamber 190, described below.
  • the chimney 129 allows the transfer of the dusted fumes 105 to the connection chamber 190.
  • One or more combustion product inlet openings 126 in the cyclone 120 are disposed on the upper chamber 15 side of the chamber 11. These inlet openings 126 are configured so that the fumes produced in the combustion chamber 11 are penetrated into the cyclone 120.
  • the openings 126 are located at the upper end of the cyclone 120, near or on the cylindrical portion 124, and have an axial symmetry which promotes the flow P4 combustion products 104 loaded particles in the cyclone 120 by rotating them.
  • the openings 126 are annularly distributed on the upper end 125 of the cyclone 120 supporting the chimney 129, have an axial symmetry with respect to the central axis X10 of the chamber 11 and comprise vanes 127, as shown in FIGS. Figures 1 to 3 .
  • the end 125 is formed by a ring provided with vanes 127 and surrounding the chimney duct 129, thus making it possible to constitute the openings 126 in the cyclone 120, in the upper part 15 of the chamber 11.
  • These vanes 127 have a shape and / or an arrangement allowing the flow of rotating gas over the end 125 of the cyclone 120 to enter this cyclone 120, with the least possible disturbance, that is to say without encountering a change sudden direction.
  • the vanes 127 may be substantially flat elements of substantially trapezoidal shape, slightly inclined downwardly relative to the horizontal plane defined by the end 125, in the direction of rotation of the flow.
  • the extraction system 170 of the ash C2 is positioned under the cyclone 120, in the lower part 14 of the chamber 11.
  • the extraction system 170 comprises a substantially vertical duct 172 and a sealing member 173 which provides the insulation
  • the exhaust system 170 of the ash C2 captured by the cyclone 120 can be combined with the extraction system 160 of the ash under a focus C1, and all two are connected to the evacuation system 180. Upstream of the evacuation system 180, the extraction channels of the systems 160 and 170 are distinct.
  • the connecting chamber 190 is arranged between the combustion chamber 11 and the heat exchanger 30, in the direction of the flue gas flow 105 represented by the arrows F1, F2, F3 and F4 on the figure 1 .
  • This chamber 190 is removably positioned at the top 15 to facilitate access to the chamber 11, especially for cleaning or maintenance.
  • this chamber 190 is fed with dust-free combustion products from the cylindrical chimney 129 belonging to cyclone 120, centered on the axis X10 and receiving the incoming flow F1.
  • the chamber 190 is connected to the flue pipes 39 which pass through the shell 31 and receive the stream F2.
  • the chamber 190 is coated with an insulating refractory material, in order to prevent heat losses associated with the residence of the flue gases 105 before they are transferred into the ducts 39.
  • the connecting chamber 190 may have the shape of a cylindrical sheath, rectangular or square, or a section of any shape. This sheath is connected, on the one hand, to the chimney 129 of the cyclone 120 and, on the other hand, to the inlet of the exchanger 30. This other arrangement is preferred for example when the heat exchanger 30 not envelope the combustion chamber 11, but is placed next to the combustion chamber 11.
  • a heat exchange occurs within the heat exchanger 30, between the fumes 105 which circulate in the flue gas ducts 39 according to the flows F3 and F4 on the one hand, and a fluid to be heated circulating in the shell 31 on the other hand, this fluid to be heated may be for example water, air or a thermal fluid.
  • the assembly of the combustion device 10 and the heat exchanger 30 is a boiler in the usual sense of the term, intended to be integrated in an incineration unit 1, as detailed below in connection with the figure 5 .
  • the cyclone 120 is configured to receive a flow P3 of particles 103 through the inlet openings 126. Initially the particles 103 are derived from the combustion of the solid fuel, and are suspended in the chamber 11 under the effect ascending flow streams P2 and P3. Then, once in the cyclone 120, the particles 104 are separated from the flue stream F1 to form the flow of ash C2.
  • the cyclone 120 uses the centrifugal force to effect the mechanical separation of the particles 104 in suspension, driven in a vortex flow P4.
  • the gyratory movement corresponding to the flow P4 is obtained by bringing the particles 103 in a flow P3 tangential to the circumference of the cyclone 120.
  • the solid particles P4 such as the ashes are taken in a vortex, move towards the inner wall and lose their speed by friction.
  • the ashes C2 fall into the conical lower portion 122 of the cyclone 120, before exiting through the conduit 172.
  • the cyclone 120 comprises a vortex-breaking system 128 which is arranged at the lower end of the conical portion 122 and which makes it possible to spatially stabilize the vortex present in the cyclone 120. More specifically, the vortex-breaking system 128 allows to improve the dedusting efficiency, by avoiding that the vortex present in the conical portion 122 of the cyclone 120, where the flow of flue gas flows back to move towards the chimney 129, moves randomly in space, and in particular that it hits the inner wall of the conical portion 122, which would result in reentrain particles 104 already separated F1 flow dust-free fumes.
  • the vortex breaker system 128 is placed inside the stabilizer 142.
  • a flue gas cleaning system 195 shown in FIG. figure 1 in the form of a single block, is provided at the outlet of the flue gas ducts 39.
  • the system 195 makes it possible to continuously control the pollutants present in the flue stream F4 105 downstream of the device 10, in particular the acid pollutants such as as HCI, HF, HBr, SO 2 , SO 3 , nitrogen oxides, dioxins and furans, as well as dust, thanks to a complementary dedusting by bag filter, for example. Indeed, the regulation on the discharge of pollutants into the atmosphere imposes a permanent monitoring of these discharges.
  • a flue gas recycling system 59 is connected to the primary air supply system 50. More specifically, the system 59 is connected to the wind box 54 to reinject into the chamber 11 the fumes extracted from the device 10 by the F4 stream.
  • the system 59 advantageously makes it possible to control the temperatures and partial pressures of oxygen in the chamber 11, but also to maintain adequate hydrodynamics in the primary combustion zone 18 of this chamber 11 when a smaller quantity of air is injected by the distributor 55 in the chamber 11, in particular to maintain the rotary flow P1 of the toroidal bed 102 of solid particles.
  • This system 59 also makes it possible to maintain a substantially constant hydrodynamics at the inlet, inside and at the outlet of the cyclone 120, and thus to obtain an optimal dedusting efficiency, whatever the speed of the installation in operation (nominal run, reduced walking or maximum walking).
  • the recycling system 59 or even another recycling system similar to the system 59, can be connected to the secondary air supply system 150, or to any other point of the chamber 11, as well as to the annular space 162.
  • the recycled fumes are taken in principle in the flow F4 downstream of the dust collection cyclone 120, but it is also possible to use non-dusted fumes or warmer fumes, corresponding to the flows P3, F1, F2 and F3.
  • the invention aims to recover solid waste, but liquid waste is not excluded.
  • the configuration of the device 10 must be adapted, in particular at the level of the supply system 20 and / or the distributor 55. preferably for the system 20, a plurality of fuel injectors is placed on the periphery of the lower part 14 of the combustion chamber 11.
  • FIG 4 On the figure 4 is shown a second embodiment of a combustion device 10 'according to the invention.
  • the device 10 comprises a primary air supply system 50' provided with a distributor 55 ', which have certain differences with the system 50 and the distributor 55 of the first embodiment.
  • the distributor 55 ' has two elements 56 and 57 which are in the form of two superimposed annular air distributors, mounted on a support 58.
  • This configuration of the distributor 55' is well suited to the recovery of solid waste.
  • the support 58 and the base 141 rest on a plate 144c, itself located above the base 143.
  • the dispenser 56 has a square or rectangular passage section and has openings 56b on its inner vertical wall 56a. These openings 56b open out at the space 162 and are provided with vanes forming an angle with the wall 56a of the distributor 56, so as to effect an injection of air substantially tangential to the wall 56a in the annular space 162.
  • the distributor 56 is supplied with air by a fan 51a and a duct 52a, between which a preheating apparatus 53 is arranged.
  • the distributor 57 is equipped, on its upper part disposed at the level of the primary combustion zone 18, with a porous element 57a.
  • This element 57a can be a grid, a fabric, a felt, a perforated plate or any device having an open porosity, in particular of metallic or ceramic material.
  • the element 57a is inclined towards the space 162 to allow the drop, in the extraction system 160 provided for this purpose, of the large particles present in the hearth and the zone 18.
  • These large particles can be stones or stones provided by the fuel charge 101, slag formed during the combustion process, or any other object such as debris detached from the walls 12 of refractory material, metal part, etc.
  • the distributor 57 is supplied with air by a fan 51b and a duct 52b, without preheating apparatus.
  • the distributor 56 then receives a major part of the primary air, while the air flow introduced via the distributor 57 serves essentially to fluidize the particulate bed 102 and avoid dead zones where the particles would stagnate.
  • the primary air flow rate in the distributor 56 represents at least 60%, and preferably 90%, of the primary air flow rate in the distributor 55.
  • the distributors 56 and 57 can be supplied with air by a single fan, which can be provided with an outlet duct divided into two ducts directed towards the distributors 56 and 57.
  • FIG. 5 On the figure 5 is represented an incineration unit 1 according to the invention.
  • the incineration unit 1 comprises a combustion device 10 associated with a heat exchanger 30 in the form of a boiler.
  • the device 10 is supplied with fuel by the supply system 20, and supplied with air at least by the primary air supply system 50.
  • the secondary air supply system 150 is not represented on the figure 5 .
  • the heat exchanger 30 is connected to a hydro-accumulator reservoir 70, having hot water outlet lines 71 and cold water inlet lines 72.
  • the hot water circulating in the lines 71 may be used for applications such as space heating, heating of reaction systems and washing, which makes it possible to recover the energy content of the waste by combustion in the device 10.
  • a flue gas treatment system 40 recovers the flue gases F4 from the device 10, which are transmitted via the duct 41 to a filtering apparatus 42 which ensures the capture of residual dust that would not have been captured by the cyclone 120 in the device 10.
  • the apparatus 42 may be designed so as not to be limited to dusting alone, but also to destroy the chemical species pollutants, such as NOx, dioxins and furans.
  • the filtered dusts are then deposited in an ashtray 47, which is separated from the filtering apparatus by a sealing member 46 to prevent the escape of fumes.
  • the dust-free fumes are discharged through a chimney 43 and released into the atmosphere by ensuring compliance with the regulations in force with respect to pollutant emissions, or are partially recycled through the recycling system 59.
  • the flue gas recycling is carried out using a fan, not shown on the figure 5 , or any other organ that allows to raise the pressure of said recycled fumes.
  • the incineration unit 1 comprises a reagent injection system 60 intended to inject one or more reactive compounds into the flue gases F4 coming from the device 10.
  • a reservoir 61 delivers a stream of reagent 66 an injection kit 62, wherein the reagent can be pressurized.
  • a flow of pressurized reagent 67 is sent into a nozzle 63 arranged in the conduit 41.
  • the nozzle 63 injects the sprayed reagent 68 into the conduit 41, so that the reagent produces a chemical reaction with the fumes F4.
  • the system 60 makes it possible to realize the abatement of pollutants, in particular acid pollutants and NOx, that is to say their elimination and / or their capture in transformed form.
  • the atmospheric pollutants are advantageously treated at different levels of the incineration unit 1.
  • the device 10 integrated in the incineration unit is advantageously designed to minimize the formation of unburned solid and gaseous, NOx, and especially avoid the appearance of dioxins and furans.
  • the device 10 also makes it possible to considerably reduce the dust content of the flue gases F4 at the outlet, which limits the clogging of the heat exchanger 30 downstream and facilitates the treatment of flue gases.
  • the incineration unit 1 and the device 10 according to the invention which comprises a dedusting cyclone 120 arranged centrally in the combustion chamber 11, have many advantages over existing installations.
  • the fumes F4 from the combustion chamber 11 have a low content of particulate pollutants, particularly a concentration less than or equal to 50 mg / Nm 3 .
  • a fuel 101 comprising large loads of inorganic materials, especially 20% or more, without fouling or disturbance of the equipment located downstream of the device 10, such as the heat exchanger 30.
  • additives to the fuel 101 for the removal of NOx and acid compounds, including sulfur, chlorinated, fluorinated, etc.
  • the unit 1 and the device 10 have an improved compactness and cost, since the dust collector cyclone 120 is integrated directly into the combustion chamber 11, and not disposed downstream of the chamber as in a conventional device. In other words, the device 10 provides a combustion function combined with a dedusting function. Finally, thermal losses are limited at the different walls, which improves the overall efficiency of the installation.
  • the combustion device 10 can be implemented in a "gasification" application.
  • the objective is not to generate dust-free hot fumes that are used to heat a fluid, but to produce a combustible gas by partially oxidizing the solid fuel.
  • the configuration of the device 10 is substantially identical, but the air injections are smaller than those required for the combustion, and the recycling of the combustible gases from the gasification, preferably injected immediately under the toroidal particle bed to avoid oxidation of these gases with the primary air, is increased, in order to keep in the combustion chamber hydrodynamic conditions close to those corresponding to a combustion operation. More precisely, for the same fuel flow, the injected air flow rate is reduced by 50 to 75%. Also, the invention makes it possible to obtain a very low dust content in the fuel gas produced, which facilitates its subsequent use.
  • the unit 1 can be equipped with the combustion device 10 'shown in FIG. figure 4 , with operation similar to that described above.
  • FIG. 6 On the figure 6 is shown a block diagram illustrating the method according to the invention, implementation of the combustion device 10 or 10 '.
  • a targeted application is the recovery of waste from livestock, such as poultry litter.
  • poultry litter has a high ash content: up to 20 - 25% in some cases.
  • the combustion process must be able to remove the ashes without charging the fumes.
  • the combustion device 10 or 10 'and the incineration unit 1 must be able to burn all the fuel particles by avoiding the creation of polluting species, in particular NOx, dioxins and furans.
  • the combustion temperature must be within a range of at least 850-900 ° C, and be uniform throughout the combustion zone. In particular, locally cold areas should be avoided. Also, the local "air / fuel" ratios must be controlled because they influence the local temperature distribution, and can lead to the formation of pollutants such as NOx, as well as dioxins and furans.
  • the combustion differs according to the temperature range in which it is carried out.
  • the field of operability of the combustion device 10 or 10 ' is delimited by zones A, B, C and D, according to the evolution of the temperature in the primary combustion zone, represented by the central arrow.
  • Zones A, B, C and D are separated by intermediate temperatures T1, T2, and T3, with T1 equal to about 850-900 ° C, T2 equal to about 1000-1050 ° C, and T3 equal to about 1300- 1400 ° C.
  • the zone C has different temperatures T2a, T2b, T2c and T2d, which correspond to the evolution of the shape of the ashes.
  • T2a represents the deformation temperature of the ashes
  • T2b represents the ash softening temperature
  • T2c represents the so-called "hemisphere” temperature
  • T2d represents the flow temperature.
  • the zone A corresponds to a zone of formation of unburnt gas, which must be excluded from the operation of the device 10 or 10 '.
  • the combustion is imperfect for a temperature lower than T1 in the primary combustion zone.
  • Zone B is the one with the most advantages for combustion, corresponding to so-called "dry ash" combustion.
  • dry ash that is to say with the aim of extracting ash from the combustion chamber in dry form, shown with a conical profile of a sample of ash on the figure 6 the local temperatures in the combustion zone shall at no time rise above the deformation temperature T2a of the ashes.
  • the device 10 or 10 ' is designed so that the combustion occurs between T1 and T2, and preferably in the lower part of this range, between 850 and 1000 ° C. More generally, it is ensured that the combustion temperature is greater than 850 ° C. and less than 1200 ° C. at any point in the combustion chamber 11 and in the cyclone 120, for example by means of temperature probes.
  • Zone C corresponds to a zone of formation of bottom ash and pastes, which may cause the blocking of the air distributor 55 and / or the extraction grid 161. Because of the risk presented by a merger Imperfect ashes, the area C must be excluded from the operation of the device 10 or 10 '.
  • zone D corresponds to a melted ash combustion zone.
  • this operating regime requires a high temperature and is a significant cost, because of the high performance materials to be implemented to resist the very important corrosion induced by molten saline environments. Operating at high temperature also leads to increased production of nitrogen oxides, which is unfavorable for the environment.
  • the device 10 or 10 'and the incineration unit 1 according to the invention have an optimal operation in zone B, for a combustion temperature of between 850 ° C. and 1200 ° C., more precisely between 850 ° C. and 1000 ° C, and preferably between 850 ° C and 900 ° C. Thanks to the design of the device 10 or 10 ', such a combustion is possible, and moreover the cyclone dust collector 120 makes it possible to purify the fumes directly in the combustion chamber 11.

Description

  • La présente invention concerne un dispositif de combustion. L'invention concerne également une unité d'incinération comprenant un tel dispositif de combustion. Enfin, l'invention concerne un procédé de mise en oeuvre d'un tel dispositif de combustion. Le domaine de l'invention est celui des équipements de valorisation énergétique des déchets par combustion.
  • Les activités industrielles et agricoles génèrent des quantités importantes de déchets. A titre indicatif, cela représente chaque année en France plusieurs dizaines de millions de tonnes. Toutefois, pour des raisons techniques ou légales, certains types de déchets ne peuvent être recyclés sous forme de matières premières secondaires qu'en partie, voire ne peuvent pas être recyclés. De ce fait, le traitement et/ou la valorisation thermique sont souvent préférables en permettant, d'une part, de récupérer tout ou partie du contenu énergétique des déchets et, d'autre part, de réduire leur volume.
  • En pratique, l'incinération des déchets dans des installations de capacité importante permet de réaliser des économies d'échelle et offre des taux élevés de récupération d'énergie. Cependant, la construction d'unités d'incinération de taille importante est mal acceptée par les populations environnantes, ce qui conduit à la saturation des unités existantes et freine la construction de nouvelles unités. De plus, le transport des déchets, parfois sur de longues distances, pour approvisionner les unités d'incinération, génère des nuisances pour l'environnement (bruit, consommation importante de carburants, trafic routier). Enfin, il est difficile de valoriser l'énergie thermique produite en grande quantité lorsque les besoins locaux ne sont pas adaptés.
  • Ainsi, il existe un besoin important en unités d'incinération de taille réduite, installées directement à proximité de la source de déchets, comme une petite entreprise industrielle, une collectivité ou un élevage, qui sont alors plus autonomes quant à l'élimination de leurs déchets. En pratique, la gamme de puissances visée comprend les installations ayant des débits de déchets compris entre quelques dizaines et quelques centaines de kg/h, sur la base d'un fonctionnement compris entre 5000 et 8000 h/an.
  • Le document EP-A-1 143 195 décrit un dispositif de combustion, comprenant une chambre de combustion avec une première ouverture prévue dans sa partie supérieure pour l'évacuation des produits chauds de combustion. Le dispositif comprend également un système d'admission de combustible, un premier système d'admission de gaz comburant pour créer un premier écoulement tourbillonnaire, et une seconde ouverture située dans le fond de la chambre pour l'évacuation en continu de particules denses, également appelées cendres sous foyer. Un déflecteur et un second système d'admission de gaz comburant sont prévus afin de former un second écoulement tourbillonnaire à l'intérieur du premier, coopérant pour confiner le combustible vers le haut en direction de la première ouverture, tout en permettant aux particules denses de sortir en continu par la seconde ouverture. Ainsi la combustion est suffisamment longue pour être complète et ne pas être gênée par l'agglomération de matières solides dans la chambre. Toutefois, l'essentiel des matières inorganiques présentes dans le combustible quitte la chambre sous forme de cendres volantes entraînées par les fumées, ce qui génère d'importantes émissions de polluants et nécessite un traitement complémentaire coûteux.
  • Le document FR-A-2 686 682 décrit un générateur de chaleur destiné à brûler des combustibles solides. Le générateur comprend une chambre de combustion de profil cyclonique. L'alimentation de la chambre en combustible est effectuée par transport pneumatique avec l'air de combustion. Les cendres s'écoulent sous forme fondue vers une cavité remplie d'eau.
  • Le document WO-A-01/58244 décrit un dispositif de combustion, comprenant une chambre de combustion dans laquelle un flux d'air est injecté afin de créer un écoulement tourbillonnaire. Ce dispositif vise notamment la combustion de litières de volailles. Toutefois, des cendres volantes contenant des particules polluantes sont entrainées par les fumées hors de la chambre. Un dispositif cyclonique est prévu en aval de la chambre, afin de séparer les poussières des fumées par centrifugation. Cependant, la présence du dispositif cyclonique en aval de la chambre engendre un coût et un encombrement supplémentaires.
  • Le document DE-A-10 2006 021 624 concerne un appareil pour la production de gaz chauds sous pression selon le préambule de la revendication 1. Cet appareil met en oeuvre un procédé de gazéification, avec conversion de biomasse en gaz combustible faiblement chargé en particules, et non un procédé de combustion de déchets. L'appareil comprend une cuve, un système d'alimentation en biomasse située en partie supérieure de la cuve, et une zone de gazéification située en partie inférieure de la cuve. L'appareil comprend également une chambre cyclonique de combustion du gaz combustible, munie d'un échangeur de chaleur, d'un deuxième cyclone, ainsi que d'une conduite d'introduction d'air par le haut du deuxième cyclone. En pratique, la biomasse est introduite par le haut de la cuve, puis est gazéifiée dans la zone de gazéification, à l'extérieur de la chambre de combustion. Ensuite le gaz combustible remonte dans la chambre cyclonique de combustion, où il est brûlé. Les fumées ainsi obtenues passent dans le deuxième cyclone, puis sont évacuées en bas de la cuve en direction d'une turbine de détente. Cette turbine est montée sur le même arbre qu'un compresseur et un générateur. Au sein de l'appareil, les systèmes de collecte des cendres se rejoignent dans une même cavité, en partie basse de la cuve. Cette construction ne permet pas d'obtenir un équilibrage satisfaisant des pressions entre la cuve, la chambre de combustion cyclonique et le deuxième cyclone, de sorte que le fonctionnement de l'appareil est imparfait, voire impossible. Dans tous les cas, cet appareil de production de gaz chaud sous pression n'est pas adapté au traitement des déchets.
  • Ainsi, les différents dispositifs de combustion existants ne sont pas satisfaisants. Dans certains cas, la combustion des déchets n'est pas optimale et les émissions de certains polluants peuvent dépasser les valeurs réglementaires. Par ailleurs, l'équipement nécessaire est généralement coûteux et encombrant.
  • Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de combustion permettant d'éliminer les cendres et de réduire les émissions de polluants, sans nécessiter d'équipement coûteux et encombrant.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de combustion selon l'objet de la revendication 1.
  • Ainsi, l'invention permet d'obtenir un dispositif de combustion efficace, compact, économique et peu polluant. Ce dispositif est bien adapté à la combustion des déchets, notamment solides. Le positionnement du cyclone dans la partie centrale du foyer permet, d'une part, de minimiser les pertes thermiques en évitant la création de surfaces extérieures supplémentaires par lesquelles ces pertes peuvent se produire et, d'autre part, de limiter l'encombrement total de l'installation qui serait accru si le cyclone était placé à l'extérieur du foyer. Ce dispositif constitue un « mini-incinérateur » qui présente des performances améliorées, bien adaptées pour un débit de charge combustible compris entre 50 et 300 kg/h et en particulier pour la valorisation des déchets issus de l'élevage, comme des litières de volailles, la fraction solide des lisiers de porc, les fumiers de cheval, etc. En agissant sur la formation et l'élimination des produits de combustion dans le foyer, les émissions de polluants, tels que les poussières, NOx, HCl, SO2, SO3, dioxines et furanes, sont bien maîtrisées. De ce fait, le dispositif selon l'invention est particulièrement respectueux des contraintes réglementaires.
  • Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, prises isolément ou en combinaison :
    • Le cyclone présente une symétrie axiale par rapport à l'axe central de la chambre, avec une partie inférieure conique qui s'étend en direction de la partie inférieure de la chambre et qui est munie à son extrémité inférieure d'un système d'extraction des cendres, et une partie supérieure cylindrique qui s'étend en direction de la partie supérieure de la chambre, du côté de laquelle sont disposées la ou les ouvertures d'entrée pour les produits de combustion chargés en particules, et qui comporte une cheminée d'extraction des fumées dépoussiérées à son extrémité supérieure.
    • Le dispositif de combustion comprend également un système d'alimentation en air secondaire qui est apte à introduire de l'air dans un tiers médian de la chambre, selon une répartition sensiblement annulaire centrée sur l'axe central.
    • Le cyclone comprend un système casse-vortex qui est agencé à l'extrémité inférieure de la partie conique et qui est apte à stabiliser un vortex formé dans le cyclone et éviter des réentraînements de particules préalablement séparées des fumées.
    • Le système d'alimentation en air primaire comprend une grille annulaire agencée dans la partie inférieure de la chambre de combustion, inclinée vers l'axe central vertical et de préférence munie d'éléments fixes, par exemple des aubages, adaptés pour transmettre une composante rotationnelle à l'écoulement d'air primaire dans la chambre de combustion.
    • Le système d'alimentation en air primaire comprend des injecteurs discrets répartis suivant un plan sensiblement horizontal dans la partie inférieure de la chambre de combustion, en étant inclinés par rapport au plan sensiblement horizontal de manière à créer un écoulement de gaz hélicoïdal avec une composante verticale ascendante dans la chambre de combustion.
    • Le système d'alimentation en air primaire comprend deux distributeurs d'air annulaires superposés dans la partie inférieure de la chambre de combustion, le distributeur inférieur comportant une paroi verticale interne munie d'ouvertures qui débouchent dans un espace annulaire relié à la chambre de combustion et sont équipées d'aubages formant un angle avec la paroi verticale interne, le distributeur supérieur comportant un élément poreux qui est disposé au niveau de la zone de combustion primaire et est de préférence incliné en direction de l'espace annulaire et de l'axe central vertical.
    • Le cyclone est muni, à son extrémité inférieure, d'un système d'extraction de cendres qui est raccordé au système d'évacuation des cendres selon une voie d'extraction distincte de celle provenant de la chambre de combustion.
    • Le dispositif comprend des moyens de traitement continu des espèces polluantes présentes dans les fumées en sortie du dispositif.
  • L'invention a également pour objet une unité d'incinération comprenant un dispositif de combustion tel que mentionné ci-dessus. L'unité d'incinération comprend en outre un échangeur de chaleur qui est relié à un hydro-accumulateur, et de préférence des moyens d'injection d'au moins un composant réactif dans les fumées issues du dispositif de combustion pour l'abattement des polluants issus de la combustion.
  • Avec une telle unité d'incinération, les producteurs de déchets peuvent les éliminer à la source et deviennent plus autonomes. De plus, l'énergie obtenue est facilement valorisée sous forme d'eau chaude, ou plus généralement d'un fluide chaud, grâce à l'échangeur de chaleur. Les coûts relatifs à l'enlèvement et au traitement des déchets, ainsi que l'achat de combustibles fossiles pour le chauffage, sont réduits.
  • L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'un dispositif de combustion tel que mentionné ci-dessus. Le procédé comprend au moins les étapes suivantes :
    1. a) préchauffage de la chambre de combustion, notamment à l'aide d'une source de chaleur auxiliaire telle qu'un brûleur à gaz ou un générateur électrique d'air chaud,
    2. b) création d'un écoulement tourbillonnaire de gaz comburant dans la chambre de combustion, notamment par injection d'air primaire, de fumées recyclées et d'air secondaire,
    3. c) introduction de combustible dans la chambre de combustion,
    4. d) combustion du combustible entraîné en rotation dans la zone de combustion primaire sous forme d'un lit toroïdal,
    5. e) combustion des matières volatiles combustibles libérées au dessus du lit toroïdal ;
    6. f) séparation des particules par élutriation dans la zone de combustion primaire, notamment pour éliminer de la chambre les particules non combustibles et non entraînables par les produits de combustion,
    7. g) entrée des produits de combustion chargés en particules dans le cyclone par la ou les ouvertures d'entrée,
    8. h) dépoussiérage des produits de combustion dans le cyclone par centrifugation, et séparation des cendres et des fumées,
    9. i) extraction des cendres issues du cyclone, et
    10. j) évacuation des fumées dépoussiérées pour un traitement complémentaire de dépoussiérage et d'abattement des polluants et/ou pour rejet dans l'atmosphère, selon les exigences réglementaires locales.
  • Avantageusement, la température de combustion est supérieure à 850 °C et inférieure à 1200 °C en tout point de la chambre de combustion et du cyclone.
  • En pratique, les différentes étapes du procédé selon l'invention peuvent être réalisées simultanément ou successivement.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins sur lesquels :
    • la figure 1 est une représentation schématique en coupe partielle d'un dispositif de combustion conforme à l'invention ;
    • la figure 2 est une coupe transversale selon la ligne II-II du dispositif de la figure 1 ;
    • la figure 3 est une coupe à plus grande échelle selon la ligne III-III à la figure 2 ;
    • la figure 4 est une vue à plus grande échelle correspondant au détail IV à la figure 1, d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de combustion conforme à l'invention ;
    • la figure 5 est une représentation schématique d'une unité d'incinération conforme à l'invention, comprenant le dispositif de combustion des figures 1 à 3 ; et
    • la figure 6 est un schéma de principe illustrant un procédé de mise en oeuvre d'un dispositif de combustion conforme à l'invention.
  • Sur les figures 1 à 3 est représenté un dispositif de combustion 10 conforme à l'invention. Ce dispositif 10 comprend une chambre de combustion 11, délimitée par une paroi cylindrique verticale 12, qui s'étend parallèlement à un axe central longitudinal X10, une partie inférieure 14 et une partie supérieure 15.
  • En pratique, la chambre 11 forme une enceinte avec une zone de combustion primaire 18 délimitée dans sa partie inférieure 14, ainsi qu'une zone de combustion secondaire 19 plus rapprochée de sa partie supérieure 15. La chambre 11 est adaptée, d'une part, pour recevoir une quantité maîtrisée de matière combustible 101 en entrée et, d'autre part, pour l'évacuation de produits de combustion sous forme de fumées 105 et de cendres 106 en sortie.
  • Comme montré à la figure 1, la partie inférieure 14 comporte un socle 141 en appui sur une base 143 et des pieds 144a et 144b. La base 143 est pourvue de systèmes 160 et 170 d'extraction des cendres, qui seront détaillés ci-après.
  • En variante non représentée, la base 143 peut être configurée de manière différente. Par exemple, le dispositif 10 peut reposer sur une base 143 sans pieds.
  • La surface intérieure de la paroi 12 est au moins partiellement revêtue d'un matériau réfractaire isolant, prévu pour limiter les échanges de chaleur avec l'extérieur de la chambre 11 et/ou avec un échangeur de chaleur 30 enveloppant tout ou partie de la chambre 11, afin de conserver des températures élevées dans cette chambre 11 et ainsi assurer une combustion complète des matières combustibles, aussi bien gazeuses (matières volatiles) que solides (fraction carbonée libérée lors de la dévolatilisation du combustible).
  • L'échangeur de chaleur 30 comprend une calandre 31 positionnée concentriquement à la chambre 11, afin de réduire les pertes thermiques au niveau de la paroi 12. Cette calandre 31 est alimentée en eau ou en fluide thermique par au moins une ligne d'entrée 32. Au moins une ligne de sortie 33 renvoie l'eau ou le fluide thermique réchauffé vers son lieu d'utilisation. Cette ligne de sortie 33 est positionnée par rapport à la ligne d'entrée 32 de telle sorte que l'ensemble de la calandre 31 soit complètement balayée par l'eau ou le fluide thermique à réchauffer, et ainsi éviter les zones de fluide stagnant qui risquent de créer des vaporisations locales destructrices. La calandre 31 est traversée par des tubes de fumées 39, dont la fonction sera détaillée plus loin. L'échangeur 30 est schématisé et n'est que partiellement représenté sur les figures 1 et 2.
  • Un système d'alimentation 20 de la chambre de combustion 11 en combustible 101 est connecté au dispositif 10. Le système 20 comprend au moins une trémie de stockage 21 dans laquelle le combustible 101 est introduit. Chaque trémie 21 est équipée d'un mécanisme de dosage 22 permettant de réguler le débit de combustible 101, ainsi que d'un conduit de déversement 24 qui pénètre à l'intérieur de la chambre 11 pour introduire par gravité le combustible 101 dans la zone de combustion primaire 18. Un organe d'étanchéité 23 réalise l'étanchéité entre la chambre de combustion 11 d'une part, et la trémie 21 d'autre part. Autrement dit, le système 20 est configuré pour introduire en continu une quantité maîtrisée de combustible 101 dans la chambre 11.
  • D'autres agencements du système d'alimentation 20 sont possibles. Par exemple, en variante non représentée, un broyeur peut être mis en place en ligne en amont de la trémie 21.
  • Selon une autre variante non représentée, le combustible 101 peut être repris en sortie du mécanisme de dosage 22 par un courant de gaz tel que de l'air, de l'air secondaire, de l'azote, des fumées recyclées, et introduit pneumatiquement dans la chambre de combustion 11.
  • Selon une autre variante non représentée, le système 20 peut comprendre une bande transporteuse alimentant la chambre 11 à partir d'une fosse de réception du combustible 101. Cette bande transporteuse est associée à un ou plusieurs systèmes à poussoirs, qui assurent à la fois le dosage du combustible 101 et l'étanchéité de la chambre de combustion 11 par rapport à l'extérieur.
  • Selon une autre variante non représentée, le système 20 peut être configuré pour introduire de manière séquentielle le combustible 101 dans la chambre 11.
  • Egalement, un système d'alimentation en air primaire 50 est relié au dispositif 10. Le système 50 comprend un ventilateur 51 ou plus généralement une source sous pression de gaz comburant, une gaine de liaison 52, un appareil de préchauffage 53 du gaz comburant, une boite à vent 54 et un ou plusieurs distributeurs 55 d'air primaire. Plus précisément, la boite à vent 54 est agencée dans la partie inférieure 14 de la chambre 11, et le ou les distributeurs d'air primaire 55 sont montés sur la boîte à vent 54, dans la chambre 11. De préférence, le distributeur 55 peut se présenter sous la forme d'une grille annulaire inclinée vers l'axe central X10 et s'étend autour du socle 141. Le distributeur 55 peut aussi être muni d'éléments fixes, comme par exemple des aubages, qui sont adaptés pour transmettre une composante rotationnelle à l'écoulement d'air.
  • En variante non représentée, le distributeur 55 peut présenter une configuration différente. Par exemple, le distributeur 55 peut se présenter sous la forme d'injecteurs discrets, répartis suivant un plan sensiblement horizontal, à la périphérie de l'espace annulaire créé entre le socle 141 d'une part, et la boîte à vent 54 d'autre part. Les injecteurs discrets sont inclinés par rapport au plan horizontal et orientés sensiblement tangentiellement par rapport à l'espace annulaire, pour y créer un écoulement de gaz hélicoïdal avec une composante verticale ascendante.
  • Une configuration particulière du distributeur 55 est décrite ci-après en lien avec la figure 4, montrant une variante de réalisation du dispositif 10.
  • L'appareil de préchauffage 53 fonctionne au gaz, au fuel ou à l'électricité et permet le démarrage du feu dans la zone de combustion primaire 18. Plus généralement, le préchauffage de la chambre de combustion 11 peut être effectué à l'aide d'une source de chaleur auxiliaire telle qu'un brûleur à gaz, un brûleur à fuel ou un générateur électrique d'air chaud.
  • En variante non représentée, l'appareil 53 peut être positionné en un emplacement différent du dispositif 10, par exemple directement dans la zone 18, de préférence dans une configuration rétractable pour préserver l'appareil 53, une fois l'allumage et le préchauffage du foyer réalisé dans la zone de combustion primaire 18.
  • Comme montré à la figure 1, la zone de combustion primaire 18 s'étend selon un profil sensiblement annulaire centré sur l'axe X10 dans la chambre 11, au dessus du distributeur 55. L'écoulement tourbillonnaire de gaz et de particules dans la chambre 11 est représenté par les flèches P1, P2 et P3 sur les figures 1 à 3. Le terme « particules » désigne conjointement la matière combustible solide, les éventuels additifs solides ajoutés à cette matière combustible pour abattre les polluants atmosphériques (calcaire ou chaux par exemple), les cendres issues de la combustion, ainsi que les produits solides résultant du traitement des polluants atmosphériques.
  • En pratique, le combustible 101 déversé dans la zone de combustion primaire 18 est pris dans l'écoulement tourbillonnaire P1, et les particules solides sont fluidisées sans être entraînées instantanément. Plus précisément, le mouvement des particules P1 dans la zone 18 prend la forme d'un lit toroïdal 102 qui présente une épaisseur de quelques centimètres, tandis que des particules 103 plus légères, telles que les cendres volantes, sont entraînées dans l'écoulement P2 et se retrouvent en suspension dans la chambre 11. En outre, les particules 103 s'élèvent dans la partie supérieure 15 de la chambre 11, sous la forme d'un écoulement de particules P3. Autrement dit, les particules 103 sont mises en mouvement par un flux de gaz vertical ascendant P2 et P3, après avoir été mises en rotation suivant un flux P1 par le système d'aubages ou les injections inclinées du distributeur 55. Comme le combustible 101 est bien réparti dans la zone 18 et la chambre 11, au lieu de former un amas compact et aléatoire, la combustion est améliorée, grâce à une grande homogénéité de température du milieu réactionnel et à un très bon contact entre la phase combustible et la phase comburant.
  • Par ailleurs, un stabilisateur tronconique 142 est placé au centre de la chambre de combustion 11, dans la partie inférieure 14, en appui sur le socle 141. Autrement dit, la partie inférieure 14 de la chambre de combustion 11 est délimitée par la paroi 12, le distributeur d'air primaire 55 et le stabilisateur 142. La fonction principale du stabilisateur 142 est, comme son nom l'indique, de stabiliser les flux d'écoulement P1, P2, P3 à l'intérieur de la chambre de combustion 11, ce qui permet notamment d'obtenir un écoulement P2 hélicoïdal ascendant qui est stable dans l'espace de cette chambre 11.
  • Egalement, un système d'alimentation en air secondaire 150 est relié au dispositif 10. Le système 150 comprend un ventilateur 151 ou plus généralement une source sous pression de gaz comburant, une gaine de liaison 152 et un distributeur d'air secondaire 153 qui est raccordé à un ou plusieurs orifices 154 agencés dans la paroi 12. Les orifices 154 sont positionnés de telle sorte que l'air secondaire imprime un mouvement rotationnel aux particules P2 en provenance de la partie inférieure 14 de la chambre de combustion 11. De préférence, le système 150 est apte à introduire de l'air dans un tiers médian de la chambre 11, selon une répartition sensiblement annulaire centrée sur l'axe central X10.
  • La présence du système 150 pour l'alimentation en air secondaire est optionnelle, mais préférable, car elle permet, d'une part, d'éviter d'avoir des températures trop élevées au niveau du distributeur d'air primaire et, d'autre part, de limiter la formation d'oxydes d'azote lorsque des combustibles azotés sont brûlés dans la chambre 11, grâce à des conditions réductrices dans l'espace compris entre l'injection d'air primaire et l'injection d'air secondaire, c'est-à-dire sensiblement entre le distributeur 55 et les orifices 154 suivant l'axe X10, puisque le débit d'air primaire est généralement sous-stoechiométrique ou très proche de la stoechiométrie.
  • En pratique, on considère que la zone de combustion primaire 18 s'étend dans la partie inférieure 14 depuis le distributeur d'air primaire 55 jusqu'aux orifices 154 d'injection d'air secondaire, tandis que la zone de combustion secondaire 19 s'étend dans la partie supérieure 19 au dessus des orifices 154.
  • Un système d'extraction des cendres 160 est disposé sous la chambre de combustion 11, et est raccordé à un système d'évacuation des cendres 180. Le système 160 est configuré comme un puits dans la base 143, et l'écoulement des cendres est représenté par les flèches C1 sur la figure 1. Le système 160 comprend une grille d'extraction 161 qui présente une forme annulaire et est agencée entre le distributeur 55 et le socle 141, une ligne 162 de descente des cendres dans la base 143, et un organe d'étanchéité 163 pour l'isolation pneumatique entre la chambre de combustion 11 et le système d'évacuation des cendres 180. Le système d'extraction 160 permet de réguler la quantité de matière solide présente dans le lit 102, en particulier pour éviter l'engorgement de la chambre de combustion 11, de la partie inférieure 14 et de la zone de combustion primaire 18. Ensuite, le système d'évacuation 180 transporte les cendres 106 vers un cendrier de stockage 181.
  • En variante non représentée, le système d'extraction 160 peut se présenter sous la forme d'un espace annulaire ouvert 162, mettant en communication la chambre de combustion 11 et le système d'évacuation des cendres 180. En pratique, on injecte tout ou partie de l'air primaire et/ou des fumées recyclées à l'intérieur de cet espace annulaire 162, dont les caractéristiques géométriques et les conditions d'injection de l'air primaire et/ou des fumées sont telles qu'un processus d'élutriation des particules puisse se produire, c'est-à-dire une séparation des particules par tranche granulométrique et densité dans l'écoulement de gaz circulant à l'intérieur de cet espace annulaire 162. Plus précisément, cet écoulement ayant une composante verticale ascendante, les fines particules sont renvoyées dans la chambre de combustion 11, tandis que les particules les plus lourdes chutent et sont reprises par le système d'évacuation des cendres 180.
  • Comme montré aux figures 1 et 2, un cyclone de dépoussiérage 120, également appelé dépoussiéreur cyclonique, est disposé dans le dispositif 10. Le cyclone 120 est positionné au centre de la chambre 11, en appui sur le socle 141 et le stabilisateur 142, et présente une symétrie axiale par rapport à l'axe central X10 de la chambre 11. De préférence, le cyclone 120 est fabriqué en matériau(x) réfractaire(s) empilable(s) et jointif(s), ou bien en matériau(x) métallique(s), par exemple sous forme de tôles.
  • Plus précisément, le cyclone 120 comprend une partie inférieure conique 122 surmontée d'une partie supérieure cylindrique 124. La partie conique 122 s'étend en direction de la partie inférieure 14 de la chambre 11, reposant sur le stabilisateur 142, et est munie à son extrémité inférieure d'un système 170 d'extraction de cendres volantes, représentées par les flèches C2 sur la figure 1. La partie cylindrique 124 s'étend en direction de la partie supérieure 15 de la chambre 11 jusqu'à une extrémité supérieure 125 du cyclone 120. Cette extrémité 125 présente un profil annulaire sensiblement horizontal et supporte une cheminée 129 d'extraction des fumées 105. La partie cylindrique 124 est reliée par la cheminée 129 à une chambre de liaison 190, décrite ci-après. Ainsi, outre son rôle dans l'organisation des écoulements de gaz à l'intérieur du cyclone 120, la cheminée 129 permet le transfert des fumées dépoussiérées 105 vers la chambre de liaison 190.
  • Une ou plusieurs ouvertures 126 d'entrée de produits de combustion 104 dans le cyclone 120 sont disposées du côté de la partie supérieure 15 de la chambre 11. Ces ouvertures d'entrée 126 sont configurées pour que les fumées produites dans la chambre de combustion 11 pénètrent dans le cyclone 120. Les ouvertures 126 sont situées à l'extrémité supérieure du cyclone 120, à proximité ou sur la partie cylindrique 124, et présentent une symétrie axiale qui favorise l'écoulement P4 des produits de combustion 104 chargés en particules dans le cyclone 120 en leur imprimant un mouvement rotationnel.
  • Selon l'invention, les ouvertures 126 sont réparties annulairement sur l'extrémité supérieure 125 du cyclone 120 supportant la cheminée 129, présentent une symétrie axiale par rapport à l'axe central X10 de la chambre 11 et comportent des aubages 127, comme montré aux figures 1 à 3. L'extrémité 125 est formée par un anneau muni d'aubages 127 et entourant le conduit de cheminée 129, permettant ainsi de constituer les ouvertures 126 dans le cyclone 120, dans la partie supérieure 15 de la chambre 11. Ces aubages 127 ont une forme et/ou un agencement permettant à l'écoulement de gaz en rotation au-dessus de l'extrémité 125 du cyclone 120 de pénétrer dans ce cyclone 120, avec le moins de perturbations possible, c'est-à-dire sans rencontrer de changement de direction brusque. A titre d'exemple, les aubages 127 peuvent être des éléments sensiblement plats, de forme sensiblement trapézoïdale, légèrement inclinés vers le bas par rapport au plan horizontal défini par l'extrémité 125, dans le sens de rotation de l'écoulement.
  • Le système d'extraction 170 des cendres C2 est positionné sous le cyclone 120, dans la partie inférieure 14 de la chambre 11. Le système d'extraction 170 comprend un conduit 172 sensiblement vertical et un organe d'étanchéité 173 qui assure l'isolation pneumatique entre le cyclone 120 et le système d'évacuation 180 des cendres 106. En particulier, le système d'évacuation 170 des cendres C2 capturées par le cyclone 120 peut être combiné au système d'extraction 160 des cendres sous foyer C1, et tous deux sont reliés au système d'évacuation 180. En amont du système d'évacuation 180, les voies d'extraction des systèmes 160 et 170 sont distinctes.
  • La chambre de liaison 190 est agencée entre la chambre de combustion 11 et l'échangeur de chaleur 30, dans le sens du flux d'écoulement des fumées 105 représenté par les flèches F1, F2, F3 et F4 sur la figure 1. Cette chambre 190 est positionnée de manière amovible au niveau de la partie supérieure 15 pour faciliter l'accès à la chambre 11, notamment pour le nettoyage ou la maintenance. En entrée, cette chambre 190 est alimentée en produits de combustion dépoussiérés issus de la cheminée cylindrique 129 appartenant au cyclone 120, centrée sur l'axe X10 et accueillant le flux entrant F1. En sortie, la chambre 190 est reliée aux conduits de fumées 39 qui parcourent la calandre 31 et reçoivent le flux F2. De préférence, la chambre 190 est revêtue d'un matériau réfractaire isolant, pour éviter les pertes thermiques liées au séjour des fumées 105 avant leur transfert dans les conduits 39.
  • En variante non représentée, la chambre de liaison 190 peut avoir la forme d'une gaine cylindrique, rectangulaire ou carrée, ou encore d'une section de forme quelconque. Cette gaine est reliée, d'une part, à la cheminée 129 du cyclone 120 et, d'autre part, à l'entrée de l'échangeur 30. Cet autre agencement est privilégié par exemple quand l'échangeur de chaleur 30 n'enveloppe pas la chambre de combustion 11, mais est placé à côté de la chambre de combustion 11.
  • Ainsi, un échange thermique se produit au sein de l'échangeur de chaleur 30, entre les fumées 105 qui circulent dans les conduits de fumées 39 suivant les flux F3 et F4 d'une part, et un fluide à chauffer circulant dans la calandre 31 d'autre part, ce fluide à chauffer pouvant être par exemple de l'eau, de l'air ou un fluide thermique. L'assemblage du dispositif de combustion 10 et de l'échangeur de chaleur 30 constitue une chaudière au sens usuel du terme, destinée à être intégrée à une unité d'incinération 1, comme détaillé ci-après en lien avec la figure 5.
  • En pratique, le cyclone 120 est configuré pour recevoir un écoulement P3 de particules 103 par les ouvertures d'entrée 126. Initialement les particules 103 sont issues de la combustion du combustible solide, et se trouvent en suspension dans la chambre 11 sous l'effet des flux d'écoulement ascendant P2 et P3. Ensuite, une fois dans le cyclone 120, les particules 104 sont séparées du flux de fumées F1 pour former le flux de cendres C2.
  • Autrement dit, le cyclone 120 utilise la force centrifuge pour réaliser la séparation mécanique des particules 104 en suspension, entraînées selon un écoulement tourbillonnaire P4. Le mouvement giratoire correspondant à l'écoulement P4 est obtenu en faisant entrer les particules 103 selon un écoulement P3 tangentiel à la circonférence du cyclone 120. Sous l'effet de la force centrifuge, les particules solides P4 telles que les cendres sont prises dans un vortex, se déplacent vers la paroi intérieure et y perdent leur vitesse par frottement. Ainsi, les cendres C2 tombent dans la partie inférieure conique 122 du cyclone 120, avant de sortir par le conduit 172. En revanche, les fumées suivent la paroi selon un écoulement hélicoïdal sensiblement descendant dans la partie cylindrique 124, puis cet écoulement hélicoïdal, une fois débarrassé des cendres C2, se renverse dans la partie conique 122 et remonte au centre de la partie supérieure cylindrique 124 pour sortir par la cheminée 129 selon le flux F1.
  • De plus, le cyclone 120 comprend un système casse-vortex 128 qui est agencé à l'extrémité inférieure de la partie conique 122 et qui permet de stabiliser spatialement le vortex présent dans le cyclone 120. Plus précisément, le système casse-vortex 128 permet d'améliorer le rendement de dépoussiérage, en évitant que le vortex présent dans la partie conique 122 du cyclone 120, là où le flux d'écoulement des fumées se retourne pour se diriger vers la cheminée 129, se déplace de façon aléatoire dans l'espace, et en particulier qu'il aille frapper la paroi intérieure de la partie conique 122, ce qui aurait pour conséquence de réentraîner des particules 104 déjà séparées du flux F1 de fumées dépoussiérées. De préférence, le système casse-vortex 128 est placé à l'intérieur du stabilisateur 142.
  • Un système d'épuration des fumées 195, représenté sur la figure 1 sous la forme d'un simple bloc, est prévu en sortie des conduits de fumées 39. Le système 195 permet de contrôler de manière continue les polluants présents dans le flux F4 de fumées 105 en aval du dispositif 10, en particulier les polluants acides tels que HCI, HF, HBr, SO2, SO3, les oxydes d'azote, les dioxines et les furanes, ainsi que les poussières, grâce à un dépoussiérage complémentaire par filtre à manches, par exemple. En effet, la réglementation sur les rejets de polluants dans l'atmosphère impose une surveillance permanente de ces rejets.
  • Par ailleurs, un système de recyclage de fumées 59 est relié au système d'alimentation en air primaire 50. Plus précisément, le système 59 est connecté à la boîte à vent 54 pour réinjecter dans la chambre 11 les fumées extraites du dispositif 10 par le flux F4. Le système 59 permet avantageusement de contrôler les températures et les pressions partielles en oxygène dans la chambre 11, mais aussi de maintenir une hydrodynamique adéquate dans la zone de combustion primaire 18 de cette chambre 11 lorsqu'une quantité d'air plus faible est injectée par le distributeur 55 dans la chambre 11, en particulier pour maintenir l'écoulement rotatif P1 du lit toroïdal 102 de particules solides. Ce système 59 permet également de conserver une hydrodynamique sensiblement constante en entrée, à l'intérieur et en sortie du cyclone 120, et ainsi obtenir un rendement de dépoussiérage optimal, quelle que soit l'allure de l'installation en fonctionnement (marche nominale, marche réduite ou marche maximale).
  • En variante non représentée, le système de recyclage 59, ou même un autre système de recyclage similaire au système 59, peut être connecté au système d'alimentation en air secondaire 150, ou bien en tout autre point de la chambre 11, ainsi que dans l'espace annulaire 162. Les fumées recyclées sont prélevées en principe dans le flux F4 en aval du cyclone de dépoussiérage 120, mais il est également possible d'employer des fumées non dépoussiérées ou des fumées plus chaudes, correspondant aux écoulements P3, F1, F2 et F3.
  • De plus, l'invention vise la valorisation des déchets solides, mais les déchets liquides ne sont pas exclus. Dans ce cas, la configuration du dispositif 10 doit être adaptée, notamment au niveau du système d'alimentation 20 et/ou du distributeur 55. De préférence pour le système 20, une pluralité d'injecteurs de combustible est mise en place sur le pourtour de la partie inférieure 14 de la chambre de combustion 11.
  • Sur la figure 4 est représenté un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de combustion 10' conforme à l'invention.
  • Certains éléments constitutifs du dispositif 10' sont analogues aux éléments constitutifs du dispositif 10 du premier mode de réalisation, décrit plus haut, et portent la même référence numérique. En revanche, le dispositif 10' comprend un système d'alimentation en air primaire 50' muni d'un distributeur 55', qui présentent certaines différences avec le système 50 et le distributeur 55 du premier mode de réalisation.
  • En particulier, le distributeur 55' comporte deux éléments 56 et 57 qui se présentent sous la forme de deux distributeurs d'air annulaires superposés, montés sur un support 58. Cette configuration du distributeur 55' est bien adaptée à la valorisation des déchets solides. Le support 58 et le socle 141 reposent sur une plaque 144c, elle-même située au dessus de la base 143.
  • Le distributeur 56 a une section de passage carrée ou rectangulaire et possède des ouvertures 56b sur sa paroi verticale interne 56a. Ces ouvertures 56b débouchent au niveau de l'espace 162 et sont munies d'aubages formant un angle avec la paroi 56a du distributeur 56, de façon à réaliser une injection d'air sensiblement tangentielle à la paroi 56a dans l'espace annulaire 162. Le distributeur 56 est alimenté en air par un ventilateur 51a et un conduit 52a, entre lesquels est disposé un appareil de préchauffage 53.
  • Le distributeur 57 est équipé, sur sa partie supérieure disposée au niveau de la zone de combustion primaire 18, d'un élément poreux 57a. Cet élément 57a peut être une grille, un tissu, un feutre, une plaque perforée ou tout dispositif présentant une porosité ouverte, notamment en matériau métallique ou céramique. De préférence, l'élément 57a est incliné en direction de l'espace 162 pour permettre la chute, dans le système d'extraction 160 prévu à cet effet, des grosses particules présentes dans le foyer et la zone 18. Ces grosses particules peuvent être des pierres ou cailloux apportés par la charge en combustible 101, des mâchefers formés lors du processus de combustion, ou tout autre objet tel que des débris détachés des parois 12 en matériau réfractaire, pièce métallique, etc. Le distributeur 57 est alimenté en air par un ventilateur 51b et un conduit 52b, sans appareil de préchauffage.
  • En pratique, le distributeur 56 reçoit alors une majeure partie de l'air primaire, tandis que le débit d'air introduit via le distributeur 57 sert essentiellement à fluidiser le lit particulaire 102 et éviter des zones mortes où les particules stagneraient. A titre d'exemple, le débit d'air primaire dans le distributeur 56 représente au moins 60 %, et de préférence 90 %, du débit d'air primaire dans le distributeur 55.
  • En variante non représentée, les distributeurs 56 et 57 peuvent être alimentés en air par un unique ventilateur, qui peut être muni d'un conduit de sortie scindé en deux conduits dirigés vers les distributeurs 56 et 57.
  • Sur la figure 5 est représentée une unité d'incinération 1 conforme à l'invention.
  • L'unité d'incinération 1 comprend un dispositif de combustion 10, associé à un échangeur de chaleur 30 sous forme d'une chaudière. Le dispositif 10 est alimenté en combustible par le système d'alimentation 20, et alimenté en air au moins par le système d'alimentation en air primaire 50. Le système d'alimentation en air secondaire 150 n'est pas représenté sur la figure 5. L'échangeur de chaleur 30 est relié à un réservoir hydro-accumulateur 70, comportant des lignes de sortie 71 d'eau chaude et des lignes d'entrée 72 d'eau froide. En particulier, l'eau chaude circulant dans les lignes 71 peut être utilisée pour des applications comme le chauffage de locaux, le chauffage de systèmes réactionnels et le lavage, ce qui permet de valoriser par combustion dans le dispositif 10 le contenu énergétique de déchets.
  • En outre, les fumées F4 sortent du dispositif 10 par un conduit 41. A ce stade, un système de traitement 40 des fumées récupère les fumées F4 en provenance du dispositif 10, qui sont transmises par le conduit 41 à un appareil de filtrage 42 qui assure le captage des poussières résiduelles qui n'auraient pas été capturées par le cyclone 120 dans le dispositif 10. En outre, l'appareil 42 peut être conçu de façon à ne pas se limiter au seul dépoussiérage, mais également pour détruire les espèces chimiques polluantes, telles que les NOx, les dioxines et les furanes. Les poussières filtrées sont ensuite déposées dans un cendrier 47, qui est séparé de l'appareil de filtrage par un organe d'étanchéité 46 afin d'éviter l'échappement des fumées. En effet, pour leur part, les fumées dépoussiérées sont évacuées par une cheminée 43 et rejetées dans l'atmosphère en veillant à respecter la réglementation en vigueur quant aux émissions de polluants, ou sont partiellement recyclées par l'intermédiaire du système de recyclage 59. Le recyclage des fumées est réalisé à l'aide d'un ventilateur, non représenté sur la figure 5, ou de tout autre organe qui permet de remonter la pression desdites fumées recyclées.
  • De préférence, l'unité d'incinération 1 comprend un système d'injection de réactifs 60, prévu pour injecter un ou plusieurs composés réactifs dans les fumées F4 issues du dispositif 10. A cet effet, un réservoir 61 délivre un flux de réactif 66 à un kit d'injection 62, dans lequel le réactif peut être mis sous pression. En sortie du kit d'injection 62, un flux de réactif sous pression 67 est envoyé dans une buse 63 agencée dans le conduit 41. La buse 63 injecte le réactif pulvérisé 68 dans le conduit 41, afin que le réactif produise une réaction chimique avec les fumées F4. Ainsi, le système 60 permet de réaliser l'abattement des polluants, notamment les polluants acides et les NOx, c'est-à-dire leur élimination et/ou leur capture sous forme transformée.
  • Autrement dit, les polluants atmosphériques sont avantageusement traités à différents niveaux de l'unité d'incinération 1. En particulier, le dispositif 10 intégré à l'unité d'incinération est avantageusement conçu pour minimiser la formation d'imbrûlés solides et gazeux, de NOx, et surtout éviter l'apparition de dioxines et furanes. Le dispositif 10 permet aussi d'abaisser considérablement la teneur en poussières des fumées F4 en sortie, ce qui limite l'encrassement de l'échangeur de chaleur 30 en aval et facilite le traitement des fumées.
  • Ainsi, l'unité d'incinération 1 et le dispositif 10 selon l'invention, lequel comprend un cyclone de dépoussiérage 120 agencé de manière centrale dans la chambre de combustion 11, présentent de nombreux avantages par rapport aux installations existantes.
  • Tout d'abord, les fumées F4 issues de la chambre de combustion 11 présentent une faible teneur en particules polluantes, en particulier une concentration inférieure ou égale à 50 mg/Nm3. En outre, il est possible de brûler un combustible 101 comprenant d'importantes charges de matières inorganiques, notamment 20 % ou plus, sans encrassement ni perturbation des équipements situés en aval du dispositif 10, tel que l'échangeur de chaleur 30. Egalement, il est possible d'ajouter des additifs au combustible 101 pour l'élimination des NOx et composés acides, notamment soufrés, chlorés, fluorés, etc. L'unité 1 et le dispositif 10 présentent une compacité et un coût améliorés, puisque le cyclone dépoussiéreur 120 est intégré directement à la chambre de combustion 11, et non disposé en aval de la chambre comme dans un dispositif traditionnel. Autrement dit, le dispositif 10 assure une fonction de combustion combiné à une fonction de dépoussiérage. Enfin, les pertes thermiques sont limitées au niveau des différentes parois, ce qui améliore le rendement global de l'installation.
  • En variante non représentée, le dispositif de combustion 10 selon l'invention peut être mis en oeuvre dans une application de « gazéification ». Dans ce cas, l'objectif n'est pas de générer des fumées chaudes dépoussiérées qui sont exploitées pour chauffer un fluide, mais de produire un gaz combustible en oxydant partiellement le combustible solide. La configuration du dispositif 10 est sensiblement identique, mais les injections d'air sont plus réduites que celles requises par la combustion, et le recyclage des gaz combustibles issus de la gazéification, de préférence injectés immédiatement sous le lit toroïdal de particules pour éviter l'oxydation de ces gaz avec l'air primaire, est augmenté, afin de conserver dans la chambre de combustion des conditions hydrodynamiques proches de celles correspondant à un fonctionnement en combustion. Plus précisément, pour un même débit de combustible, le débit d'air injecté est réduit de 50 à 75 %. Egalement, l'invention permet d'obtenir une teneur en poussières très faible dans le gaz combustible produit, ce qui facilite son usage ultérieur.
  • En variante non représentée, l'unité 1 peut être équipée du dispositif de combustion 10' montré à la figure 4, avec un fonctionnement similaire à celui décrit ci-dessus.
  • Sur la figure 6 est représenté un schéma de principe illustrant le procédé, conforme à l'invention, de mise en oeuvre du dispositif de combustion 10 ou 10'.
  • En pratique, une application visée est la valorisation de déchets issus de l'élevage, tel que les litières de volailles. Cependant, les litières de volailles ont une teneur élevée en cendres : jusqu'à 20 - 25 % dans certains cas. De ce fait, le procédé de combustion doit permettre d'éliminer les cendres sans charger les fumées. Ainsi, le dispositif de combustion 10 ou 10' et l'unité d'incinération 1 doivent être capables de brûler toutes les particules de combustible en évitant la création d'espèces polluantes, en particulier les NOx, les dioxines et les furanes.
  • Par ailleurs, quand on brûle un combustible solide, par exemple du bois, la législation impose des contraintes relatives aux émissions de polluants, notamment pour des installations de puissance supérieure ou égale à 2 MW. Toutefois, quand on brûle des déchets, notamment les litières de volailles, les fractions solides des lisiers de porcs ou les fumiers de cheval, la réglementation est encore plus stricte et s'applique à partir de 0,1 MW. En particulier, en France, les polluants dont les valeurs limites d'émission sont imposées par l'Arrêté du 20 septembre 2002 sont : CO, COT, SO2, HCl, HF, NOx, NH3, dioxines, furanes, Hg, Cd, Tl, et métaux lourds tels Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, ainsi que les poussières.
  • Pour limiter les émissions d'imbrûlés, tel que CO, COT, dioxines et furanes, différents facteurs doivent être maîtrisés. Tout d'abord, la température de combustion doit être comprise dans une plage ayant pour minimum 850-900 °C, et être uniforme sur l'ensemble de la zone de combustion. En particulier, les zones localement froides doivent être évitées. Egalement, les rapports locaux « air/combustible » doivent être contrôlés, car ils influencent la répartition locale de température, et peuvent engendrer la formation de polluants tels les NOx, ainsi que les dioxines et les furanes.
  • Egalement, pour un fonctionnement optimal du dispositif de combustion 10 ou 10' et de l'unité d'incinération 1, il faut éviter la formation de mâchefers qui peuvent bloquer la partie inférieure 14 et les systèmes d'extraction, tel que le système 160 représenté sur la figure 1.
  • Comme visible sur la figure 6, la combustion diffère selon la plage de température dans laquelle elle est effectuée. En particulier, le domaine d'opérabilité du dispositif de combustion 10 ou 10' est délimité par des zones A, B, C et D, selon l'évolution de la température dans la zone de combustion primaire, représentée par la flèche centrale. Les zones A, B, C et D sont séparées par des températures intermédiaires T1, T2, et T3, avec T1 égale à environ 850-900 °C, T2 égale à environ 1000-1050 °C, et T3 égale à environ 1300-1400 °C. De plus, la zone C comporte différentes températures T2a, T2b, T2c et T2d, qui correspondent à l'évolution de la forme des cendres.
  • Sur la figure 6, la température T2a représente la température de déformation des cendres, T2b représente la température de ramollissement des cendres, T2c représente la température dite « d'hémisphère » et T2d représente la température de fluidité.
  • En pratique, la zone A correspond à une zone de formation d'imbrûlés gazeux, qui doit être exclue du fonctionnement du dispositif 10 ou 10'. En effet, la combustion est imparfaite pour une température inférieure à T1 dans la zone de combustion primaire.
  • La zone B est celle qui présente le plus d'avantages pour la combustion, correspondant à une combustion dite « en cendres sèches ». Lorsqu'on opère en cendres sèches, c'est-à-dire avec l'objectif d'extraire les cendres de la chambre de combustion sous forme sèche, représenté avec un profil conique d'un échantillon de cendres sur la figure 6, les températures locales dans la zone de combustion ne doivent à aucun moment s'élever au dessus de la température T2a de déformation des cendres. Ainsi, par sécurité, le dispositif 10 ou 10' est conçu pour que la combustion survienne entre T1 et T2, et de préférence dans la partie basse de cette plage, entre 850 et 1000 °C. Plus généralement, on s'assure que la température de combustion soit supérieure à 850 °C et inférieure à 1200 °C en tout point de la chambre de combustion 11 et du cyclone 120, par exemple à l'aide de sondes de température.
  • La zone C correspond à une zone de formation de mâchefers et d'amas pâteux, ce qui risque d'entraîner le blocage du distributeur d'air 55 et/ou de la grille d'extraction 161. En raison du risque présenté par une fusion imparfaite des cendres, la zone C doit donc être exclue du fonctionnement du dispositif 10 ou 10'.
  • Enfin, la zone D correspond à une zone de combustion en cendres fondues. Cependant, bien que la formation de mâchefers ne soit plus un risque au-delà de T2d et T3, ce régime de fonctionnement nécessite une température élevée et représente un coût important, à cause des matériaux hautes performances devant être mis en oeuvre pour résister à la corrosion très importante induite par les milieux salins fondus. Le fait d'opérer à haute température conduit aussi à une production accrue d'oxydes d'azote, ce qui est défavorable pour l'environnement.
  • Ainsi, le dispositif 10 ou 10' et l'unité d'incinération 1 selon l'invention présentent un fonctionnement optimal dans la zone B, pour une température de combustion comprise entre 850 °C et 1200 °C, plus précisément entre 850 °C et 1000 °C, et de préférence entre 850 °C et 900 °C. Grâce à la conception du dispositif 10 ou 10', une telle combustion est possible, et par ailleurs le cyclone dépoussiéreur 120 permet d'épurer les fumées directement dans la chambre de combustion 11.

Claims (12)

  1. Dispositif de combustion (10 ; 10'), comprenant :
    - une chambre de combustion (11) avec une paroi cylindrique (12) qui s'étend selon un axe central vertical (X10), une partie inférieure (14) et une partie supérieure (15),
    - une zone de combustion primaire (18) qui est située dans la partie inférieure (14) de la chambre (11) et qui présente un profil sensiblement annulaire centré sur l'axe (X10),
    - un système (20) d'alimentation en combustible (101) qui est apte à introduire une quantité maîtrisée de combustible (101) dans la chambre (11),
    - un système (50 ; 50') d'alimentation en air primaire qui est apte à introduire de l'air dans la zone de combustion primaire (18) et créer un écoulement tourbillonnaire (P1, P2, P3) de particules (102, 103) dans la chambre (11), et
    - un système (160, 180) d'évacuation des cendres (C1) issues de la combustion qui est situé sous la chambre (11),
    un cyclone dépoussiérant (120) étant agencé au centre de la chambre de combustion (11), ce cyclone étant configuré pour recevoir des produits de combustion chargés en particules (103) depuis la chambre (11) par au moins une ouverture d'entrée (126) et dépoussiérer ces produits de combustion en séparant par action centrifuge (P4) les cendres (C2) des fumées (F1), l'extrémité supérieure (125) du cyclone (120) présentant un profil annulaire sensiblement horizontal et supportant une cheminée (129) d'extraction des fumées dépoussiérées (F1), caractérisé en ce que la ou les ouvertures d'entrée (126) sont réparties annulairement sur cette extrémité supérieure (125) et présentent une symétrie axiale par rapport à l'axe central (X10) de la chambre (11) et en ce que la ou les ouvertures d'entrée (126) comportent des aubages (127) qui présentent une forme et/ou un agencement configurés pour accentuer, dans le cyclone (120), le mouvement de rotation centrifuge (P4) des produits de combustion par rapport à l'axe central (X10) qui a été initié dans la chambre de combustion (11).
  2. Dispositif de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cyclone (120) présente une symétrie axiale par rapport à l'axe central (X10) de la chambre (11), avec :
    - une partie inférieure conique (122) qui s'étend en direction de la partie inférieure (14) de la chambre (11) et qui est munie à son extrémité inférieure d'un système (170) d'extraction des cendres (C2), et
    - une partie supérieure cylindrique (124) qui s'étend en direction de la partie supérieure (15) de la chambre (11), du côté de laquelle sont disposées la ou les ouvertures d'entrée (126) pour les produits de combustion chargés en particules (103), et qui comporte une cheminée (129) d'extraction des fumées dépoussiérées (F1) à son extrémité supérieure (125).
  3. Dispositif de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également un système (150) d'alimentation en air secondaire qui est apte à introduire de l'air dans un tiers médian de la chambre (11), selon une répartition sensiblement annulaire centrée sur l'axe central (X10).
  4. Dispositif de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cyclone (120) comprend un système casse-vortex (128) qui est agencé à l'extrémité inférieure de la partie conique (122) et qui est apte à stabiliser un vortex formé dans le cyclone (120) et éviter des réentraînements de particules préalablement séparées des fumées (F1).
  5. Dispositif de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système (50 ; 50') d'alimentation en air primaire comprend une grille annulaire agencée dans la partie inférieure (14) de la chambre de combustion (11), inclinée vers l'axe central vertical (X10) et de préférence munie d'éléments fixes, par exemple des aubages, adaptés pour transmettre une composante rotationnelle à l'écoulement d'air primaire dans la chambre de combustion (11).
  6. Dispositif de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système (50 ; 50') d'alimentation en air primaire comprend des injecteurs discrets répartis suivant un plan sensiblement horizontal dans la partie inférieure (14) de la chambre de combustion (11), en étant inclinés par rapport au plan sensiblement horizontal de manière à créer un écoulement de gaz hélicoïdal avec une composante verticale ascendante dans la chambre de combustion (11).
  7. Dispositif de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système (50') d'alimentation en air primaire comprend deux distributeurs d'air annulaires (56, 57) superposés dans la partie inférieure (14) de la chambre de combustion (11), le distributeur inférieur (56) comportant une paroi verticale interne (56a) munie d'ouvertures (56b) qui débouchent dans un espace annulaire (162) relié à la chambre de combustion (11) et sont équipées d'aubages (56b) formant un angle avec la paroi verticale interne (56a), le distributeur supérieur (57) comportant un élément poreux (57a) qui est disposé au niveau de la zone de combustion primaire (18) et est de préférence incliné en direction de l'espace annulaire (162) et de l'axe central vertical (X10).
  8. Dispositif de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cyclone (120) est muni, à son extrémité inférieure, d'un système (170) d'extraction de cendres (C2) qui est raccordé au système (160, 180) d'évacuation des cendres (C1) selon une voie d'extraction distincte de celle provenant de la chambre de combustion (11).
  9. Dispositif de combustion selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (195) de traitement en continu des espèces polluantes présentes dans les fumées (F4) en sortie du dispositif (10 ; 10').
  10. Unité d'incinération (1), caractérisé en ce qu'elle comprend un dispositif de combustion (10 ; 10') selon l'une des revendications précédentes, un échangeur de chaleur (30) qui est relié à un hydro-accumulateur (70) et, de préférence, des moyens (60) d'injection d'au moins un composant réactif (68) dans les fumées (F4) issues du dispositif de combustion (10 ; 10') pour l'abattement des polluants issus de la combustion.
  11. Procédé de mise en oeuvre d'un dispositif de combustion (10 ; 10') selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
    a) préchauffage de la chambre de combustion (11), notamment à l'aide d'une source de chaleur auxiliaire telle qu'un brûleur à gaz, un brûleur à fuel ou un générateur électrique d'air chaud,
    b) création d'un écoulement tourbillonnaire (P1, P2, P3) de gaz comburant dans la chambre de combustion (11), notamment par injection d'air primaire, de fumées recyclées et d'air secondaire,
    c) introduction de combustible (101) dans la chambre de combustion (11),
    d) combustion du combustible entraîné en rotation (P1) dans la zone de combustion primaire (18) sous forme d'un lit toroïdal (102),
    e) combustion des matières volatiles combustibles libérées au dessus du lit toroïdal (102),
    f) séparation des particules (P1 ; P2 ; P3) par élutriation dans la zone de combustion primaire (18), notamment pour éliminer de la chambre (11) les particules non combustibles et non entraînables par les produits de combustion ;
    g) entrée des produits de combustion chargés en particules (P3, 103, 104) dans le cyclone (120) par la ou les ouvertures d'entrée (126),
    h) dépoussiérage des produits de combustion (104) dans le cyclone (120) par centrifugation (P4), et séparation des cendres (C2) et des fumées (F1),
    i) extraction des cendres (C2) issues du cyclone (120), et
    j) évacuation des fumées (F1, F2, F3, F4) dépoussiérées pour un traitement complémentaire de dépoussiérage et d'abattement des polluants et/ou pour rejet dans l'atmosphère, notamment en fonction des exigences réglementaires locales.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la température de combustion est supérieure à 850 °C et inférieure à 1200 °C en tout point de la chambre de combustion (11) et du cyclone (120).
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