EP3512790A1 - Systeme de dosage et d'injection par gravite de poudres en phase dense - Google Patents

Systeme de dosage et d'injection par gravite de poudres en phase dense

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Publication number
EP3512790A1
EP3512790A1 EP17771711.3A EP17771711A EP3512790A1 EP 3512790 A1 EP3512790 A1 EP 3512790A1 EP 17771711 A EP17771711 A EP 17771711A EP 3512790 A1 EP3512790 A1 EP 3512790A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
powder
cone
injection
flow rate
diameter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17771711.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Muriel MARCHAND
Jean-Marie Seiler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3512790A1 publication Critical patent/EP3512790A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65G—TRANSPORT OR STORAGE DEVICES, e.g. CONVEYORS FOR LOADING OR TIPPING, SHOP CONVEYOR SYSTEMS OR PNEUMATIC TUBE CONVEYORS
    • B65G53/00—Conveying materials in bulk through troughs, pipes or tubes by floating the materials or by flow of gas, liquid or foam
    • B65G53/04—Conveying materials in bulk pneumatically through pipes or tubes; Air slides
    • B65G53/06—Gas pressure systems operating without fluidisation of the materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/50—Fuel charging devices
    • C10J3/506—Fuel charging devices for entrained flow gasifiers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
    • F23G5/027—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/30—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having a fluidised bed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K3/00—Feeding or distributing of lump or pulverulent fuel to combustion apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2206/00—Fluidised bed combustion
    • F23C2206/10—Circulating fluidised bed
    • F23C2206/101—Entrained or fast fluidised bed

Definitions

  • the present invention relates to the field of powder supply systems, specifically dosing and injection of powders in dense phase, that is to say with little or no carrier gas.
  • the invention relates more particularly to an application of food, pressurized containers or not, in powders of carbonaceous material charge, such as biomass, coal or any other type of powders such as a waste grind ...
  • the Containers to be fed can advantageously be gasification reactors, or other thermochemical conversion systems.
  • the mass flow rates of solid can be very variable, from a few kilograms up to several tons per hour in industrial conditions.
  • the aim of the invention is to improve such powder supply systems, in particular by a fine, precise, stable and reproducible metering and a dense phase powder injection which retains the characteristics of the metering.
  • the invention can be applied to any type of powders whose physical and mechanical properties (particle size, density, humidity, avalanche angle ).
  • patent application WO2012 / 152742A1 discloses a rotary lock for metering a powder which feeds directly from the lock a kneader.
  • These conventional dosing devices apply both to the field of pharmacy or chemistry, which require low flow rates, as for example described in patents US Pat. No. 4,850,259 and US Pat. No. 7,898,435 B2, than in the field of industrial handling of high powders. rates.
  • patent US9227790B2 relates to a gasification plant for biomass or coal in which the powder is conveyed by a helical screw conveyor.
  • pressurization airlock whose more or less important volume defines the fineness of the dosage.
  • One advantage of locks and pressurizing airlocks is that they also have a sealing effect against possible pressure fluctuations upstream and downstream.
  • a conveying with gas also referred to as "aerated injection”
  • a conveying with gas also referred to as "aerated injection”
  • Aerated injection has the advantage of not generating additional space.
  • it generates highly diluted phase flow, which may not be compatible with many downstream processes.
  • thermochemical conversion plant in which the gas does not participate in the reaction and thereby decreases the efficiency.
  • This can be particularly penalizing at high pressure, because of the increased density of the gas, which increases the ratios between the mass flow rate of the gas and the mass flow rate. solid.
  • implementing a convection gas by diluting the powder particles in a biomass gasification plant would require using a portion of the energy of the gasification reaction to heat the initially cold gas, which would have the effect of undesirable to decrease the overall yield of the reaction.
  • these funnels usually called injection cones, do not have the function of dosing the granular material and provide just a discharge by gravity.
  • the value of the flow rate is not adjustable.
  • the flow rate must be in accordance with the setpoint, within the limit of course measurement accuracy flowmeters;
  • the object of the invention is to meet at least part of these needs.
  • the invention relates, in one of its aspects, to a dense phase powder supply system comprising:
  • a dosing device adapted to dose the powder at a given average flow rate; a device for injecting the powder by gravity, in the form of a truncated cone, arranged below the metering device so as to receive by gravity the powder dosed at the given average flow rate, the opening angle and the type of material constituting the wall of the injection cone being predetermined from the mechanical properties of the powder, while the diameter of the exit orifice of the truncated cone of injection is predetermined from the so-called correlation of Rose & Tanaka, according to the following equation:
  • dp average diameter of the particles.
  • the dosage can be discontinuous can be achieved by a dosing device selected from a screw, a rotary lock or a lock hopper.
  • the values of the constant k P are of the order of 1 to 2.6 depending on the material and more precisely of the order of 1 for wood.
  • the constant k takes into account the angle that the cone makes with respect to the vertical.
  • the coefficient a less than 1, has been determined experimentally for different powders and from several injectors of different diameters. For each powder, the link between the delivered powder flow rate and the injector diameter is made. The values of a extend over the range [0.85-0.99] and more preferentially on the beach
  • the value a 0.86 was determined for a beech powder with a particle size of approximately 200 ⁇ . This value less than 1 shows that the correlation of Rose and Tanaka slightly overestimates the flow.
  • the feed system comprises a hollow tube for discharging the powder to be injected at the outlet of the injector.
  • this tube is the junction between the injector and the receptacle.
  • This discharge tube which can be of variable length and geometry, advantageously allows the powder to be conveyed downstream of the injector over more or less important distances.
  • the length of the discharge tube and its geometry can control the pressure drop in order to ensure the sealing of the injection system vis-à-vis pressure fluctuations to the downstream and therefore to guarantee the stability of the powder flow.
  • the supply system comprises a solid tube arranged coaxially inside the injection cone so as to delimit with the outlet orifice an injection ring whose external diameter corresponds to to that obtained for the diameter D.
  • this solid tube thus an annular injection.
  • the thermal energy can be provided by oxycombustion.
  • the supply system comprises a vibration device rigidly connected to the injection cone. This vibration device and coupled to the injector can help the flow of very cohesive powders.
  • thermochemical conversion plant comprising a gasification reactor arranged downstream of the system described above.
  • the plant is particularly intended to convert biomass powder, the reactor being a driven flow type reactor.
  • the invention also relates to a method for producing such a system, comprising the following steps:
  • a powder is selected whose mechanical properties are measured
  • the average flow rate of the powder to be injected into a container downstream of the cone is determined, the angle of opening of the injection cone is determined by calculation from the knowledge of the mechanical properties of the powder and the roughness of the wall of the cone, as well as the exit diameter from the equation equ 1].
  • system according to the invention operates as follows:
  • a metering device that can be conventional, such as for example a screw or a rotary lock, gives the target average flow rate (coarse dosing, in packets);
  • the powder dosed in packets then falls by gravity into the injection cone to the parameters determined beforehand as a function of the geometry of the cone, the nature of the powder and the wall (nature of the material constituting the wall of the cone, angle of cone opening and diameter of the cone outlet).
  • the opening angle of the cone is defined according to the mechanical properties of the powder and the nature of the material constituting the wall of the cone. This takes into account the flowability of the powder, including for highly cohesive powders.
  • the diameter of the outlet orifice of the cone is optimized to ensure the temporal smoothing of the solid flow and thus creation of a continuous flow at the injector outlet. This diameter must be small enough to eliminate the injection discontinuities and large enough not to limit the flow and thus reach the target value of flow.
  • the invention essentially consists of judiciously coupling a discontinuous flow rate measurement with an injection device whose geometric properties are calculated from experimental knowledge of a given powder and the use of its constituent material.
  • This combination will allow, for a given powder, in particular cohesive powder, to have an injection, without mechanical aid or by addition of gas creating a dilute phase, with flow smoothing which is thus continuous, stable even for very short periods of time , and reproducible.
  • the invention can be reproduced at will for any installation in which it is necessary to supply a container, regardless of the value of the flow rate and at low or high pressure.
  • the invention is particularly advantageous to implement in a thermo-chemical conversion plant in a driven flow reactor (RFE). Indeed, the safety rules in this type of installation require to guarantee a very high stability of the injected powder flow.
  • FIG. 1 is a curve illustrating the flow discontinuity of a powder in dense phase, introduced by a metering device constituted by a rotating sluice according to the state of the art;
  • FIG. 2 is a schematic view of a dense phase powder supply system according to the invention.
  • FIG. 3 is a curve illustrating the temporal evolution of the mass of a wood powder, measured by a weighing system at the outlet of a feed system according to the invention
  • FIGS. 4A and 4B are photographic reproductions respectively of the top and the bottom of an injection cone according to the invention, according to a variant making it possible to inject powder into an annular shaped conduit, which is useful for certain applications. .
  • the dense phase powder feed system 1 shown in FIG. 2 firstly comprises a conventional dosing device 2. It may be a helical screw, a rotary lock or a pressurization lock.
  • a feed hopper 20 may be implanted at the inlet of the metering device.
  • an injector 3 in the form of a truncated cone smoothing and injection.
  • the arrangement is such that the powder dosed at the outlet of the metering device 2 falls by gravity directly into the cone 3.
  • the geometrical parameters that are the opening angle and the exit diameter of the injection cone have been predetermined by calculations from the experimental knowledge of the characteristics of the given powder.
  • the nature of the constituent material of the injection cone 3 was also chosen beforehand and participated in the definition of the value of the opening angle.
  • the exit diameter was calculated from the modified Rose and Tanaka correlation by the addition of a multiplicative coefficient experimentally determined by the inventors for several powders.
  • the height of the cone does not intervene. It can be chosen independently of the nature of the powder, provided of course to respect the known rules of the art, namely that the value of the height must be sufficient to allow the filling of the cone to a height equivalent to a few diameters Release.
  • the powder is tested using an experimental shear cell, which quantifies its flowability.
  • a normal stress is applied to a powder column and the tangential stress (or shear stress) required to move the powder in a horizontal plane is measured.
  • These tests give access to the powder-powder friction angle (friction of the upper part of the cell on the lower part) and to the flow function of the powder, which characterizes its ability to flow.
  • Tests performed according to the same protocol but replacing the bottom wall of the powder column with a plate made of the material provided for the injection cone, used to measure the powder-wall friction angle.
  • a half angle of opening of the cone with respect to the vertical is determined here.
  • the diameter of the outlet of the cone must be small enough to eliminate upstream dosing discontinuities but large enough not to limit the flow.
  • kp constant which depends on the shape of the powder particles
  • D diameter of the exit orifice of the cone
  • dp average diameter of the particles.
  • the values of the constant k P are of the order of 1 to 2.6 depending on the material and more precisely of the order of 1 for wood.
  • the constant takes into account the angle of the cone relative to the vertical.
  • the coefficient a less than 1, has been determined experimentally for different powders and from several injectors of different diameters. For each powder, the link between the delivered powder flow rate and the injector diameter is made. The values of a extend over the range [0.85-0.99] and more preferably over the range [0.86-0.90].
  • This installation comprises a feed hopper leading to a metering screw 2 sold under the name GAC 207 by the company GERICKE, which is driven by a motor coupled to a frequency converter.
  • This screw 2 discharges by gravity the powder into the standard type 304 stainless steel test cone 3 to be tested, with a 10 ° cone half-angle and an outlet orifice diameter equal to 12 mm.
  • the roughness standard of 304 stainless steel is 0.015 mm.
  • a discharge tube of circular section and length equal to 200 mm was added downstream of the injector cone 3.
  • This discharge tube allows in real operating conditions to convey the powder while maintaining the passage section of outlet of the injector 3, to the container in which the powder must be poured.
  • This tube can also act as a buffer against the pressure fluctuations downstream of the injection.
  • the experimental validation of the device was made by weighing the mass of powder at the outlet of the injector over time and determining the mass flow rate.
  • the weighing is carried out by a set of three load cells or weighing sensors sold under the name F60X100 under the trademark SCAIME. Calibration of these load cells led to an uncertainty of 0.005% of the measurement. Their resolution is given by the manufacturer at 27 grams. Tests in the laboratory showed an effective resolution of about 45 grams.
  • the powder harvested at the injector outlet 3 is weighed over time.
  • Figure 3 shows the curve of the mass of powder harvested as a function of time. As visible, this curve is a perfect line. The perfect linearity of mass evolution as a function of time reflects flow stability.
  • FIGS. 4A and 4B show an advantageous alternative embodiment of the injection cone 3.
  • a solid tube 5 is shown arranged coaxially inside the injection cone 3.
  • the burner is preferably supplied with oxygen at its center and thus the injection of wood powder ring around does not interfere with the operation of the burner .

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Abstract

La présente invention concerne un système (1) d'alimentation en poudre en phase dense et consiste essentiellement à coupler judicieusement un dosage discontinu de débit avec un dispositif d'injection dont les propriétés géométriques sont calculées à partir des connaissances expérimentales sur une poudre donnée et la mise en oeuvre de son matériau constitutif.

Description

SYSTEME DE DOSAGE ET D'INJECTION PAR GRAVITE DE POUDRES EN
PHASE DENSE
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des systèmes d'alimentation en poudres, plus précisément de dosage et d'injection de poudres en phase dense, c'est-à-dire avec peu ou pas de gaz porteur.
Elle concerne en particulier les poudres cohésives, telles que les poudres de bois, c'est-à-dire qu'elles ont une tendance naturelle à former spontanément des arches et des voûtes.
L'invention a trait plus particulièrement à une application d'alimentation, de contenants pressurisés ou non, en poudres de charge de matière carbonée, telle que la biomasse, le charbon ou tout autre type de poudres comme un broyât de déchets... Les contenants à alimenter peuvent être avantageusement, des réacteurs de gazéification, ou d'autres systèmes de conversion thermochimique. Dans cette application, les débits massiques de solide peuvent être très variables, depuis quelques kilogrammes jusqu'à plusieurs tonnes par heure en conditions industrielles.
L'invention vise à améliorer de tels systèmes d'alimentation de poudres, notamment par un dosage fin, précis, stable et reproductible et une injection de poudre en phase dense qui conserve les caractéristiques du dosage.
Bien que décrite en référence principalement à l'application avantageuse de dosage et d'injection de poudres de biomasse, l'invention peut s'appliquer à tout type de poudres dont on connaît les propriétés physiques et mécaniques (granulométrie, densité, taux d'humidité, angle d'avalanche...).
Art antérieur
Dans le domaine de l'alimentation en poudres de contenants divers et variés, on peut distinguer deux grandes catégories de dispositifs connus, ceux ayant une fonction de dosage des poudres, c'est-à-dire qui permettent de contrôler la quantité de poudre, et ceux servant à l'injection de poudres dans un contenant, en continu ou en discontinu.
Parmi les dispositifs de dosage répandus, on peut citer les dispositifs à vis, les écluses rotatives ou les sas de pressurisation, communément appelés « lock hoppers » en anglais. Par exemple, la demande de brevet WO2012/152742A1 divulgue une écluse rotative pour doser une poudre qui alimente directement depuis l'écluse un pétrisseur. Ces dispositifs de dosage classiques s'appliquent aussi bien au domaine de la pharmacie ou de la chimie, qui nécessitent des faibles débits, comme par exemple décrit dans les brevets US 4850259 et US7984835B2, que dans le domaine de la manipulation industrielle de poudres à hauts débits. En particulier, le brevet US9227790B2 concerne une installation de gazéification de biomasse ou de charbon dans laquelle la poudre est convoyée par un convoyeur à vis hélicoïdal.
On rencontre également des sas de pressurisation, dont le volume plus ou moins important définit la finesse du dosage. Un avantage des écluses et des sas de pressurisation est qu'ils ont également un effet d'étanchéité vis-à-vis d'éventuelles fluctuations de pression en amont et en aval.
Le principal inconvénient des vis doseuses, écluses et lock-hoppers est le caractère fortement discontinu du débit de poudre généré, comme cela est illustré en figure 1, où l'on voit que pour une écluse rotative connue, si l'on peut toujours définir un débit moyen constant, les variations de débit au cours du temps peuvent être importantes.
Jusqu'à présent, afin de pallier cet inconvénient, la solution consistait à agencer un grand nombre de dispositifs de dosage, soit en série f uidique avec un volume, donc un pas de débit, décroissant, par exemple des écluses rotatives avec un nombre croissants de godets de taille décroissante en allant vers le point d'injection, soit en parallèle, avec un dosage alterné de plusieurs dispositifs. Outre l'investissement et les contraintes de gestion du fonctionnement alterné, cette solution a pour inconvénient de générer un encombrement non négligeable. D'autre part, pour les poudres cohésives, des problèmes de bouchage dans les godets se produisent fréquemment.
Une autre solution connue, en particulier dans le domaine du convoyage et de la gazéification de poudre de charbon, consiste à contrôler le débit de solide par un débit additionnel de gaz : voir publications [1], [2]. Un convoyage avec gaz, aussi désigné par « injection aérée », a pour avantage de ne pas générer d'encombrement supplémentaire. En revanche, il génère un écoulement à phase fortement diluée, ce qui peut ne pas être compatible avec bon nombre de procédés en aval.
Cela est particulièrement problématique dans une installation de conversion thermochimique, dans laquelle le gaz ne participe pas à la réaction et de ce fait en diminue le rendement. Ceci peut être notamment pénalisant à haute pression, du fait de la densité accrue du gaz, qui augmente les ratios entre débit de masse du gaz et débit de masse solide. Par exemple, mettre en œuvre un gaz de convoyage par dilution des particules de poudre dans une installation de gazéification de biomasse nécessiterait d'utiliser une partie de l'énergie de la réaction de gazéification pour réchauffer le gaz initialement froid, ce qui aurait pour effet indésirable de diminuer le rendement global de la réaction.
Des propositions ont été faites pour des systèmes de désaération du mélange solide /fluide, comme cela est présenté dans la demande de brevet US 20111/0139257 Al qui propose un système passif remplissant cette fonction. Ce système passif présente cependant l'inconvénient de générer un écoulement à contre-courant dans la zone de désaération : en effet, le solide descend par gravité, alors que le gaz remonte par aspiration vers des évents. La maîtrise de cet écoulement impose en outre des contraintes sur la géométrie du dispositif de désaération, notamment sa section d'entrée et sa longueur. D'autre part, dans un tel système le débit de solide n'est pas défini indépendamment du débit de gaz.
En ce qui concerne les dispositifs d'injection, on peut citer la littérature ancienne et fournie sur les silos de décharge. Ces éléments de type « entonnoir » en forme de tronc de cône permettent d'injecter un matériau granulaire dans un contenant plus petit.
Par contre, ces entonnoirs, usuellement appelés cônes d'injection, n'ont pas pour fonction de doser le matériau granulaire et en assurent juste une décharge par gravité. Ainsi, dans ces dispositifs d'injection connus, la valeur du débit n'est pas réglable.
On peut également trouver différents dispositifs d'injection aérée par un gaz, décrits en détail dans la publication [2]. Ainsi, comme pour les dispositifs de dosage, ces dispositifs d'injection ne trouvent une application qu'en phase diluée avec une fraction volumique solide atteinte qui est de quelques %.
Un autre point pénalisant de ce type d'injection aérée est que les fonctions de dosage et d'injection de poudre ne sont pas séparées (publication [3]), puisque c'est le mélange diphasique et donc le débit de gaz qui détermine en grande partie le débit de solide, comme c'est le cas pour US 2011/0139257 Al .
Enfin, pour des poudres très cohésives et/ou non aisément fluidisables, ce type d'injection est complexe à réaliser et très dépendant de la nature des poudres, comme expliqué par la publication [2]. Si dans l'art antérieur, on trouve des systèmes d'alimentation de poudres en phase dense qui associent un dispositif de dosage de poudre et un dispositif d'injection, les inconvénients propres à chaque dispositif subsistent.
Il existe donc un besoin d'améliorer les systèmes d'alimentation de poudres en phase dense, notamment afin de s'affranchir des inconvénients précités des dispositifs de dosage et des dispositifs d'injection connus, notamment les fluctuations de débit incompatibles avec le procédé, une décharge sans maîtrise du débit, des débits solide et gaz interdépendants, un débit de gaz incompatible avec le rendement du procédé, et ce sans avoir recours à une alimentation en phase diluée, et/ou à une installation mécanique générant un investissement et/ou un encombrement conséquent(s).
De manière générale, il existe un besoin de définir un système d'alimentation de poudres en phase dense, en particulier cohésives qui permette d'obtenir un dosage ayant les propriétés suivantes :
- fin : l'amplitude des fluctuations de débit autour du débit moyen doit rester faible ;
- précis : le débit généré doit être conforme à la consigne, dans la limite bien entendu de la précision de mesure des débitmètres ;
- stable, au sens statistique du terme : le débit moyen sur une période temporelle considérée, doit rester le même pendant toute la durée du procédé (absence de dérive lente)
- reproductible : le débit ne doit pas varier d'un jour à l'autre.
Il existe également un besoin d' une injection en aval du dosage qui conserve les propriétés définies ci-dessus pour le dosage, avec tout particulièrement un débit constant même sur de très courtes durées, typiquement de l'ordre de la seconde, et qui fonctionne aussi bien à petit et grand débits, qu'à basse et haute pression.
Le but de l'invention est de répondre au moins en partie à ces besoins.
Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention concerne, sous un de ses aspects, un système d'alimentation en poudre en phase dense comportant :
- un dispositif de dosage, adapté pour doser la poudre selon un débit moyen donné; - un dispositif d'injection de la poudre par gravité, sous la forme d'un tronc de cône, agencé en dessous du dispositif de dosage de sorte à recevoir par gravité la poudre dosée au débit moyen donné, l'angle d'ouverture et le type de matériau constitutif de la paroi du cône d'injection étant prédéterminés à partir des propriétés mécaniques de la poudre, tandis que le diamètre de l'orifice de sortie du tronc de cône d'injection est prédéterminé à partir de la corrélation dite de Rose & Tanaka, selon l'équation suivante :
W = — kp * dp) 2,5 [equ. 1 ] dans laquelle :
W : débit massique de poudre,
k : constante qui dépend de la forme du cône,
kP : constante qui dépend de la forme des particules de poudre,
D: diamètre de l'orifice de sortie du cône,
pb : densité apparente de la poudre,
dp : diamètre moyen des particules.
: coefficient expérimental de pondération, intrinsèque à la poudre, déterminé expérimentalement pour différentes poudres et à partir de plusieurs injecteurs de différents diamètres.
Le dosage peut discontinu peut être réalisé par un dispositif de dosage choisi parmi une vis, une écluse rotative ou encore un lock hopper.
Les valeurs de la constante kP sont de l'ordre de 1 à 2.6 selon le matériau et plus précisément de l'ordre de 1 pour le bois. La constante k tient compte de l'angle que fait le cône par rapport à la verticale.
Le coefficient a, inférieur à 1 , a été déterminé expérimentalement pour différentes poudres et à partir de plusieurs injecteurs de différents diamètres. Pour chaque poudre, le lien entre le débit de poudre délivré et le diamètre de l'injecteur est fait. Les valeurs de a s'étendent sur la plage [0.85-0.99] et plus préférentiellement sur la plage
[0.86-0.90].
A titre d'exemple, la valeur a = 0.86 a été déterminée pour une poudre de hêtre de granulométrie 200 μιη environ. Cette valeur inférieure à 1 montre que la corrélation de Rose et Tanaka surestime légèrement le débit.
La poudre peut être délivrée directement par gravité dans un contenant, cependant, selon un mode de réalisation avantageux, le système d'alimentation comprend un tube creux de décharge de la poudre à injecter, à la sortie de l'injecteur. Ainsi, ce tube fait la jonction entre l'injecteur et le réceptacle. Ce tube de décharge, qui peut être de longueur et de géométrie variables, permet avantageusement de convoyer la poudre en aval de l'injecteur sur des distances plus ou moins importantes. En outre, la longueur du tube de décharge et sa géométrie (tube droit ou coudé) permet de piloter la perte de charge en vue d'assurer l'étanchéité du système d'injection vis-à-vis de fluctuations de pression à l'aval et par conséquent, de garantir la stabilité du débit de poudre.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le système d'alimentation comprend un tube plein agencé de manière coaxiale à l'intérieur du cône d'injection de sorte à délimiter avec l'orifice de sortie un anneau d'injection dont le diamètre externe correspond à celle obtenue pour le diamètre D. Avec ce tube plein, on réalise ainsi une injection annulaire. Dans le cas d'une gazéification de la poudre, l'énergie thermique peut être apportée par oxycombustion. Dans ce cas, il peut être intéressant de placer le brûleur alimenté en oxygène au centre et l'injection de poudre de bois en anneau autour. Il va de soi que l'on veille à ce que la section de passage pour la poudre soit conservée par rapport au cas circulaire.
Selon encore un autre mode de réalisation avantageux, le système d'alimentation comprend un dispositif de vibration relié rigidement au cône d'injection. Ce dispositif de vibration ainsi couplé à l'injecteur permet d'aider à l'écoulement de poudres très cohésives.
L'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, une installation de conversion thermochimique comprenant un réacteur de gazéification agencé en aval du système décrit précédemment.
L'installation est particulièrement destinée à convertir de la poudre de biomasse, le réacteur étant un réacteur de type à flux entraîné.
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un tel système, comprenant les étapes suivantes :
- on sélectionne une poudre dont on mesure les propriétés mécaniques,
- on détermine le débit moyen de la poudre à injecter dans un contenant en aval du cône, - on détermine par calculs l'angle d'ouverture du cône d'injection à partir de la connaissance des propriétés mécaniques de la poudre et de la rugosité de la paroi du cône, ainsi que le diamètre de sortie à partir de l'équation [equ 1 ].
Ces propriétés vont déterminer l'angle de frottement poudre-poudre et l'angle de frottement poudre-paroi. Le diamètre minimum de sortie du cône pour obtenir un écoulement en masse de la poudre est ensuite déterminé par l'équation [equ 1 ].
Autrement dit, le système selon l'invention fonctionne de la manière suivante:
- un dispositif de dosage qui peut être classique, comme par exemple une vis ou une écluse rotative, donne le débit moyen cible (dosage grossier, par paquets) ;
- la poudre dosée en paquets tombe alors par gravité dans le cône d'injection aux paramètres déterminés au préalable en fonction de la géométrie du cône, de la nature de la poudre et de la paroi (nature du matériau constitutif de la paroi du cône, angle d'ouverture du cône et diamètre de l'orifice de sortie du cône).
L'angle d'ouverture du cône est défini en fonction des propriétés mécaniques de la poudre et de la nature du matériau constitutif de la paroi du cône. On prend ainsi en compte la coulabilité de la poudre, y compris pour des poudres fortement cohésives.
Le diamètre de l'orifice de sortie du cône est optimisé pour assurer le lissage temporel du débit solide et donc création d'un écoulement continu en sortie d'injecteur. Ce diamètre doit être suffisamment petit pour supprimer les discontinuités d'injection et suffisamment grand pour ne pas limiter le débit et atteindre ainsi la valeur cible de débit.
Ainsi, l'invention consiste essentiellement à coupler judicieusement un dosage discontinu de débit avec un dispositif d'injection dont les propriétés géométriques sont calculées à partir des connaissances expérimentales sur une poudre donnée et la mise en œuvre de son matériau constitutif.
Cette combinaison va permettre, pour une poudre donnée, en particulier cohésive, d'avoir une injection, sans aide mécanique ou par addition de gaz créant une phase diluée, avec un lissage de débit qui est ainsi continu, stable même sur des durées très courtes, et reproductible.
On peut reproduire l'invention à souhait pour n'importe quelle installation dans laquelle il est nécessaire d'alimenter un contenant, quelle que soit la valeur du débit et ce à basse ou haute pression. L'invention est particulièrement avantageuse à mettre en œuvre dans une installation de conversion thermo chimique en réacteur à flux entraîné (RFE). En effet, les règles de sécurité dans ce type d'installation imposent de garantir une très grande stabilité du débit de poudre injectée.
Description détaillée
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en œuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une courbe illustrant la discontinuité de débit d'une poudre en phase dense, introduite par un dispositif de dosage constitué par une écluse rotative selon l'état de l'art ;
- la figure 2 est une vue schématique d'un système d'alimentation en poudre en phase dense selon l'invention ;
- la figure 3 est une courbe illustrant l'évolution temporelle de la masse d'une poudre de bois, mesurée par un système de pesée à la sortie d'un système d'alimentation selon l'invention;
- les figures 4A et 4B sont des reproductions photographiques respectivement du dessus et du dessous d'un cône d'injection conforme à l'invention, selon une variante permettant de réaliser une injection de poudre dans un conduit de forme annulaire, utile pour certaines applications.
On précise ici dans l'ensemble de la présente demande, les termes « inférieur », « supérieur », « dessus », « dessous », « intérieur », « extérieur », « « interne » « externe» sont à comprendre par référence à un tronc de cône d'injection selon l'invention avec son axe agencé à la verticale avec l'entrée sur le dessus et la sortie sur le dessous.
On précise également que les termes « amont », « aval », « entrée », « sortie » sont à considérer par rapport au sens de circulation de la poudre dans le système selon l'invention.
La figure 1 a déjà été commentée en préambule. Elle ne le sera donc pas détaillée par la suite. Le système d'alimentation 1 en poudre en phase dense représenté en figure 2 comprend tout d'abord un dispositif de dosage 2 classique. Il peut s'agir d'une vis hélicoïdale, d'une écluse rotative ou d'un sas de pressurisation.
Une trémie d'alimentation 20 peut être implantée en entrée du dispositif de dosage.
En dessous du dispositif de dosage 2 est agencé un injecteur 3 sous la forme d'un tronc de cône de lissage et d'injection. L'agencement est tel que la poudre dosée en sortie du doseur 2 tombe par gravité directement dans le cône 3.
Selon l'invention, les paramètres géométriques que sont l'angle d'ouverture et le diamètre de sortie du cône d'injection ont été prédéterminés par calculs à partir de la connaissance expérimentale des caractéristiques de la poudre donnée. La nature du matériau constitutif du cône d'injection 3 a été également choisie au préalable et a participé à la définition de la valeur de l'angle d'ouverture. Le diamètre de sortie a été calculé à partir de la corrélation de Rose et Tanaka modifiée par l'ajout d'un coefficient multiplicatif déterminé expérimentalement par les inventeurs pour plusieurs poudres.
Il est précisé ici que dans la définition d'un cône d'injection conforme à l'invention, la hauteur du cône n'intervient pas. Il peut être choisi indépendamment de la nature de la poudre, à condition bien entendu de respecter les règles de l'art connues, à savoir que la valeur de la hauteur doit être suffisante pour permettre le remplissage du cône sur une hauteur équivalente à quelques diamètres de sortie.
On indique ici un exemple de définition des paramètres du cône 3 pour une poudre de particules de bois de hêtre, de taille unitaire de l'ordre de 200 μιη environ avec, comme cible un débit massique solide de 50 Kg/h.
On teste tout d'abord la poudre à l'aide d'une cellule expérimentale de cisaillement, qui permet de quantifier sa coulabilité. Dans cette cellule de cisaillement, une contrainte normale est appliquée à une colonne de poudre et la contrainte tangentielle (ou contrainte de cisaillement) nécessaire au déplacement de la poudre dans un plan horizontal, est mesurée. Ces tests donnent accès à l'angle de frottement poudre-poudre (friction de la partie supérieure de la cellule sur la partie inférieure) et à la fonction d'écoulement de la poudre, qui caractérise son aptitude à s'écouler. Les tests réalisés selon le même protocole mais en remplaçant la paroi inférieure de la colonne de poudre par une plaque réalisée dans le matériau prévu pour le cône d'injection, permettent de mesurer l'angle de frottement poudre-paroi.
Les données établies à l'aide de ces mesures de cisaillement permettent de calculer l'angle minimum d'ouverture du convergent, pour un écoulement régulier en masse de la poudre.
A titre d'exemple, on détermine ici un demi-angle d'ouverture du cône par rapport à la verticale, égal à 10°.
Plus le matériau utilisé pour réaliser le cône d'injection est lisse et plus l'écoulement en masse est favorisé, ce qui se traduit par des demi-angles d'ouverture du cône de valeurs faibles pour les matériaux rugueux, comme de l'acier inoxydable standard et de valeurs plus grandes pour des matériaux lisses.
Les mesures faites par les inventeurs sur des poudres de bois de hêtre montrent qu'un demi-angle de cône de 10° pour un acier inoxydable type 304 L rugueux correspond à un demi-angle de 25° pour le même acier inoxydable ayant subi un traitement de poli miroir.
Après étude bibliographique poussée, les inventeurs sont en outre parvenus à la conclusion que le diamètre de l'orifice de sortie du cône d'injection 3 doit favoriser l'écoulement et le lissage temporel du débit solide par nature discontinu à la sortie du dispositif de dosage 2.
Ainsi, le diamètre de l'orifice de sortie du cône doit être suffisamment petit pour supprimer les discontinuités de dosage à l'amont mais suffisamment grand pour ne pas limiter le débit.
La détermination de ce diamètre se fait à partir de la corrélation de Rose & Tanaka, comme explicitée dans la publication [4], qui est modifiée expérimentalement dans l'invention par l'ajout d'un coefficient multiplicatif.
Cette corrélation modifiée se traduit par l'équation suivante :
dans laquelle :
W : débit massique de poudre,
k : constante qui dépend de la forme du cône,
kp : constante qui dépend de la forme des particules de poudre, D: diamètre de l'orifice de sortie du cône,
pb : densité apparente de la poudre,
dp : diamètre moyen des particules.
Les valeurs de la constante kP sont de l'ordre de 1 à 2.6 selon le matériau et plus précisément de l'ordre de 1 pour le bois. La constante tient compte de l'angle que fait le cône par rapport à la verticale.
Le coefficient a, inférieur à 1, a été déterminé expérimentalement pour différentes poudres et à partir de plusieurs injecteurs de différents diamètres. Pour chaque poudre, le lien entre le débit de poudre délivré et le diamètre de l'injecteur est fait. Les valeurs de a s'étendent sur la plage [0.85-0.99] et plus préférentiellement sur la plage [0.86-0.90].
En pratique, pour l'exemple de poudre de bois de hêtre, la valeur de 0,86 a été déterminée expérimentalement par les inventeurs à partir d'injecteurs de plusieurs diamètres d'orifice de sortie variables, comme mentionné précédemment.
Pour valider l'avantage primordial du système selon l'invention, qui est de générer un écoulement continu à débit stable en sortie d'injecteur 3, les inventeurs ont procédé à des essais sur une installation expérimentale de convoyage et d'injection à pression atmosphérique pour parvenir à un débit stable de 50 kg/h en sortie.
Cette installation comprend d'une trémie d'alimentation débouchant sur une vis doseuse 2 commercialisée sous la dénomination GAC 207 par la société GERICKE, qui est pilotée par un moteur couplé à un variateur de fréquence.
Cette vis 2 déverse par gravité la poudre dans le cône d'injection 3 à tester en acier inoxydable, de type 304 standard, avec un demi-angle d'ouverture de cône de 10° et un diamètre d'orifice de sortie égal à 12 mm. Le standard de rugosité de l'acier inoxydable 304 est égal à 0,015 mm.
En outre, un tube de décharge de section circulaire et de longueur égale à 200 mm a été rajouté en aval du cône d'injecteur 3. Ce tube de décharge permet en conditions réelles de fonctionnement de convoyer la poudre en conservant la section de passage de sortie de l'injecteur 3, jusqu'au contenant dans lequel la poudre doit être déversée. Ce tube peut également assurer un rôle de tampon vis-à-vis des fluctuations de pression à l'aval de l'injection. La validation expérimentale du dispositif a été faite par pesée de la masse de poudre en sortie de l'injecteur au cours du temps et détermination du débit massique.
La pesée est réalisée par un ensemble de trois pesons ou capteurs de pesée commercialisé sous la dénomination F60X100 sous la marque SCAIME. L'étalonnage de ces pesons a conduit à une incertitude de 0,005% de la mesure. Leur résolution est donnée par le fabricant à 27 grammes. Des tests au laboratoire ont montré une résolution effective de l'ordre de 45 grammes.
Lors d'un essai d'injection, la poudre récoltée en sortie d'injecteur 3 est pesée au cours du temps.
La figure 3 montre la courbe de la masse de poudre récoltée en fonction du temps. Comme visible, cette courbe est une droite parfaite. La parfaite linéarité de l'évolution masse en fonction du temps traduit la stabilité du débit.
Le débit est donc déduit de la pente du signal. Il est à noter que pour un débit de 50 Kg/h, la résolution de mesure des pesons limite la réponse en fréquence du système de pesée à 0.33 Hz environ.
Sur les figures 4A et 4B, est montrée une variante avantageuse de réalisation du cône d'injection 3. Sur ces figures, on voit un tube plein 5 agencé de manière coaxiale à l'intérieur du cône d'injection 3.
Cela délimite avec l'orifice de sortie 30 un espace annulaire d'injection 6. Une injection annulaire de poudre peut être avantageuse dans bon nombre d'applications.
En particulier, dans le cas d'une gazéification d'une poudre de bois par oxycombustion, le brûleur est de préférence alimenté en oxygène en son centre et ainsi l'injection de poudre de bois en anneau autour ne vient pas perturber le fonctionnement du brûleur.
D'autres variantes et avantages de l'invention peuvent être réalisés sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées. Références citées
[1]: "Pneumatic convection of solids", KLINGZING, G.E., RIZ , F., MARCUS, R. & LEUNG, L.S., third édition, 2010.
[2]: "Pneumatic conveying design guide", MILLS, D, Elsevier, 2006.
[3]: "Effects of Aération on the Discharge Behavio r of Powders". FERRARI, G., BELL, T.A. Power Handling and Processing 10, 269-274, 1998.
[4]: ROSE, H. F. and TANAKA, T. The Engineer (London), 208, 465. 1959

Claims

REVENDICATIONS
1. Système (1) d'alimentation en poudre en phase dense comportant :
- un dispositif de dosage (2), adapté pour doser la poudre selon un débit moyen donné;
- un dispositif d'injection (3) par gravité de la poudre sous la forme d'un tronc de cône, agencé en dessous du dispositif de dosage de sorte à recevoir par gravité la poudre dosée selon le débit moyen donné, l'angle d'ouverture et le type de matériau constitutif de la paroi du cône d'injection étant prédéterminés à partir des propriétés mécaniques de la poudre, tandis que le diamètre de l'orifice de sortie (30) du tronc de cône d'injection est prédéterminé selon la corrélation dite de Rose & Tanaka, à partir de l'équation suivante :
dans laquelle :
W : débit massique de poudre,
k : constante qui dépend de la forme du cône,
kP : constante qui dépend de la forme des particules de poudre,
D: diamètre de l'orifice de sortie du cône,
pb : densité apparente de la poudre,
dp : diamètre moyen des particules,
a : coefficient expérimental de pondération, intrinsèque à la poudre, déterminé expérimentalement pour différentes poudres et à partir de plusieurs injecteurs de différents diamètres.
2. Système d'alimentation (1) selon la revendication 1, comprenant un tube creux de décharge (4) de la poudre à injecter, à la sortie de l'injecteur.
3. Système d'alimentation (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant un tube plein (5) agencé de manière coaxiale à l'intérieur du cône d'injection de sorte à délimiter avec l'orifice de sortie (30) un anneau d'injection (6) dont la section correspond à celle obtenue pour le diamètre D.
4. Système d'alimentation (1) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un dispositif de vibration relié rigidement au cône d'injection.
5. Installation de conversion thermochimique comprenant un réacteur de gazéification agencé en aval du système selon l'une quelconque des revendications précédentes.
6. Installation selon la revendication 5, destinée à convertir de la poudre de biomasse, le réacteur étant un réacteur de type à flux entraîné.
7. Procédé de réalisation du système selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant les étapes suivantes :
- on sélectionne une poudre dont on mesure les propriétés mécaniques,
- on détermine le débit moyen de la poudre à injecter dans un contenant en aval du cône,
- on détermine par calculs l'angle d'ouverture du cône d'injection à partir de la connaissance des propriétés mécaniques de la poudre et de la rugosité de la paroi du cône, ainsi que le diamètre de sortie à partir de l'équation [equ 1].
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