FR3031166A1 - Systeme de pilotage pour une installation de combustion, installation et procede correspondants - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système de pilotage pour un brûleur à chambre de combustion (4) cylindrique qui comprend des moyens d'alimentation (1) en combustible solide, des moyens d'alimentation (2) en gaz comburant et des moyens d'alimentation (3) en gaz régulateur. Le système comprend des moyens de mesure (10) du débit de combustible, du débit de gaz comburant, des moyens de mesure (20, 30, 31, 90) du débit de gaz régulateur; de définition de la température du gaz régulateur, et de définition de la température ambiante hors du brûleur. Le système de pilotage comprend aussi une unité de calcul et de traitement (6), telle qu'un automate programmable, configurée pour acquérir (60) les données de débit et de température mesurées par lesdits moyens de mesure ou de définition (10, 20, 30, 31, 90), et pour calculer (61) une température, appelée température intérieure de la chambre de combustion, en fonction au moins desdites données mesurées ou définies. L'invention concerne aussi une installation et un procédé correspondant.
Description
03 1 16 6 La présente invention concerne de manière générale les installations de combustion, appelées brûleurs, utilisées pour la valorisation par combustion de différents combustibles.
On connaît de l'état de la technique et notamment du document W003100320 un brûleur adapté à la combustion de combustibles solides grossièrement broyés, notamment de biomasse de type granulé. Le brûleur comporte une chambre de combustion cylindrique dans laquelle de l'air primaire de combustion et le combustible solide sont destinés à être injectés de manière tangentielle à la paroi intérieure de la chambre de combustion. La vitesse d'injection dans la chambre est choisie de manière à obtenir un écoulement tourbillonnaire, pour maximiser le temps de séjour des particules solides dans la chambre.
Un tel brûleur peut s'intégrer à une chaudière existante en remplacement de brûleurs fioul ou gaz, ou équiper une chaudière neuve. Les gaz ainsi produits, ainsi que les particules solides, sont transférés vers la chaudière par un tube de sortie.
Une fraction des fumées issues du brûleur et sortant de la chaudière est recyclée et réinjectée dans la chambre de combustion cylindrique du brûleur pour contrôler la température intérieure de la chambre de combustion.
Le contrôle de la température dans la chambre de combustion du brûleur est réalisé en mesurant la température dans la chambre de combustion cylindrique à l'aide de thermocouples situés à l'intérieur de ladite chambre de combustion. La température à l'intérieur de la chambre de combustion est alors régulée par injection de fumées recyclées dans la chambre de combustion cylindrique en fonction de la température mesurée de manière à maintenir une température de consigne donnée. Cependant, avec un tel brûleur de l'état de la technique qui intègre des moyens 3031166 2 de mesure de température à l'intérieur de la chambre de combustion, la demanderesse a pu constater que la température n'est pas homogène dans le brûleur, induisant la présence de points chauds. Cela engendre notamment au bout d'une certaine durée de fonctionnement du brûleur, la formation de dépôts 5 de cendres en fusion, en particulier au niveau des moyens de mesure de température à l'intérieur de la chambre de combustion, de sorte que la température mesurée est erronée. En outre, cette mesure erronée amplifie le phénomène de fusion de cendres qui engendre alors une dégradation par corrosion du réfractaire garnissant cette chambre.
10 L'utilisation d'un tel brûleur, pour lequel une mesure intrusive de température est réalisée, nécessite de prévoir une fréquence de maintenance importante, ce qui réduit la disponibilité du brûleur.
15 La présente invention a pour but de proposer un système et un procédé de pilotage permettant de déterminer de manière fiable la température à l'intérieur de la chambre de combustion d'un brûleur cylindrique en vue de la stabiliser. A cet effet, l'invention a pour objet un système de pilotage pour une installation de combustion, appelée brûleur, ledit brûleur comprenant : 20 - une chambre de combustion cylindrique ; - des moyens d'alimentation de la chambre de combustion en combustible solide; - des moyens d'alimentation de la chambre de combustion en gaz comburant; - des moyens d'alimentation de la chambre de combustion en gaz, appelé gaz 25 régulateur, ledit gaz régulateur comprenant des fumées recyclées et/ou un gaz pauvre en oxygène, et/ou un gaz inerte; ledit système de pilotage comprenant : - des moyens de mesure du débit de combustible; - des moyens de mesure du débit de gaz comburant; 30 - des moyens de mesure du débit de gaz régulateur; - des moyens de définition de la température du gaz régulateur; - des moyens de définition de la température ambiante hors du brûleur; le système de pilotage comprenant aussi une unité de calcul et de traitement, 3031166 3 telle qu'un automate programmable, configurée pour acquérir les données de débit et de température mesurées ou définies par lesdits moyens de mesure ou de définition, et pour calculer une température, appelée température intérieure de la chambre de combustion, en fonction au moins desdites données mesurées 5 ou définies. On entend par moyens de définition d'une température, des moyens de mesure, ou de calcul ou d'entrée de température. On entend aussi par moyens de mesure de débit, des moyens de mesure de données représentatives de débit.
10 Lesdites données représentatives peuvent comprendre des données de pression ou de perte de charge. Un tel système de pilotage permet de calculer la température à l'intérieur de la chambre de combustion sans moyens de mesure à l'intérieur de la chambre qui 15 risqueraient de renvoyer des mesures erronées. Un tel calcul de la température intérieure de la chambre à partir des débits et température d'éléments ou d'air ambiant extérieurs à la chambre de combustion, permet de ne pas utiliser de méthode intrusive pour la mesure de la température 20 intérieure de la chambre. En effet, la température intérieure de la chambre cylindrique est déterminée par bilans. La connaissance précise des débits des intrants par des moyens de mesure, notamment du combustible solide et du gaz comburant, de préférence de l'air, ainsi que de leurs propriétés, permet de calculer de manière précise et fiable, par bilans, la température globale régnant 25 dans la chambre de combustion cylindrique. Un tel système permet de calculer précisément et de manière fiable la température dans la chambre de combustion afin de permettre de stabiliser ladite température.
30 Selon une caractéristique avantageuse, ledit système de pilotage comprend des moyens de régulation de la température intérieure de la chambre de combustion, à une température de consigne, lesdits moyens de régulation comprenant : 303 1 1 6 6 4 -des moyens de comparaison de la température intérieure de la chambre de combustion calculée avec la température de consigne, et -des moyens de commande configurés pour, en fonction du résultat de la comparaison, commander les moyens d'alimentation de la chambre de 5 combustion en gaz régulateur, de manière à maintenir la température intérieure de la chambre de combustion à la température de consigne. Une telle conception du système de pilotage du brûleur selon l'invention, permet un meilleur contrôle de la température au sein de la chambre cylindrique pour lo assurer un fonctionnement stable et fiable du brûleur. Selon un mode de réalisation, le système de pilotage permet de maintenir la température intérieure de la chambre de combustion à une valeur de consigne choisie dans l'intervalle 700-1300°C et préférentiellement dans l'intervalle 90015 1100°C. Selon un mode de réalisation particulier, les moyens de régulation sont configurés pour maintenir en tout point de la chambre cylindrique une température intérieure de la chambre de combustion stable dont la valeur est 20 inférieure de 50 à 100 °C à la température de déformation initiale (TDI) des cendres des combustibles solides. Ladite température de déformation initiale TDI peut être considérée supérieure à 750°C et peut varier suivant le combustible considéré.
25 Pour du bois de bonne qualité, les moyens de régulation peuvent être configurés pour maintenir une température intérieure de la chambre de combustion dont la valeur est de 200-300°C en dessous de la température TDI puisque celle-ci peut dépasser 1300°C. Ainsi une température intérieure comprise entre 1000 et 1100°C peut être privilégiée pour mieux conserver le matériau réfractaire dans la 30 durée. Le système de pilotage permet ainsi, après avoir déterminé par des bilans la 3031166 5 température Tchambre régnant à l'intérieur de la chambre de combustion, de réguler ladite température en faisant varier le débit de fumées recyclées à injecter dans la chambre cylindrique afin d'atteindre une température Tchambre inférieure de 50 à 100°C à la température de déformation initiale TDI des 5 cendres des combustibles traités dans la chambre. Selon une caractéristique avantageuse, ledit système de pilotage comprend des moyens de mémorisation de données prédéfinies relatives au gaz comburant, et/ou au combustible et/ou au gaz régulateur, lesdites données comprenant, pour 10 une température de référence prédéfinie - la capacité calorifique du gaz comburant, et/ou du combustible et/ou du fluide gazeux supplémentaire alimentant la chambre de combustion ; et/ou - l'enthalpie de la réaction avec le gaz comburant, et/ou du combustible et/ou du gaz régulateur ; et/ou 15 - le débit de chaleur associé aux pertes de chaleur ; et/ou - la capacité calorifique d'un ou de plusieurs composés en sortie de la chambre de combustion. L'invention concerne également une installation de combustion, appelée brûleur, 20 comprenant - une chambre de combustion cylindrique ; - des moyens d'alimentation de la chambre de combustion en combustible solide - des moyens d'alimentation de la chambre de combustion en gaz comburant; 25 - des moyens d'alimentation de la chambre de combustion en gaz régulateur, comprenant des fumées recyclées et/ou un gaz pauvre en oxygène, et/ou un gaz inerte ; - un système de pilotage, caractérisée en ce que ledit système de pilotage est conforme à la description 30 précédente. Selon une caractéristique avantageuse, ladite installation comprend des moyens de mélange du gaz régulateur avec le gaz comburant et/ou des moyens de 3031166 6 mélange du gaz régulateur avec le combustible en amont de leur injection dans la chambre de combustion. Le mélange de gaz régulateurs, tels que les fumées recyclées, avec le gaz 5 comburant et/ou avec le gaz de transport du combustible solide en amont de leurs injections dans le brûleur, permet d'assurer une homogénéité des différents fluides entrants, de réduire les concentrations locales en oxygène en contact avec le combustible, et de limiter la formation de point chaud et d'obtenir une température homogène comprise entre 700 et 1300°C, préférentiellement de 10 900-1100°C. Avantageusement, le ratio du débit volumique de gaz régulateur, par exemple des fumées recyclées, injecté dans le gaz de transport du combustible, sur celui du gaz régulateur, par exemple des fumées recyclées, mélangé avec le gaz 15 comburant, est compris entre 0 et 100%, préférentiellement entre 0 et 70%. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la sortie de la chambre de combustion est décentrée par rapport à l'axe de ladite chambre de combustion.
20 Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens d'alimentation en combustible comprennent une conduite qui débouche dans la chambre de combustion tangentiellement à la zone de la paroi périphérique de la chambre de combustion au niveau de laquelle ladite conduite débouche.
25 Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le brûleur présente au moins l'une des dimensions suivantes: - le rapport du diamètre du tube de sortie sur le diamètre de la chambre de combustion est supérieur à 0,1, - le rapport de la longueur d'entrée du tube de sortie à l'intérieur de la chambre 30 de combustion sur la longueur de la chambre de combustion est supérieur à 0,01, - le rapport du diamètre de la chambre de combustion sur la longueur de la chambre de combustion est supérieur à 0,1 ; 3031166 7 - le rapport de la longueur de sortie du tube de sortie hors de la chambre de combustion sur la longueur de la chambre de combustion est supérieur à 0,2. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'installation comprenant 5 des moyens de chauffage, l'unité de calcul et de traitement est configurée pour commander le chauffage du gaz comburant et/ou d'un gaz de transport du combustible, à une température supérieure à la température de l'air ambiant. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la chambre de combustion 10 présentant au moins une partie en matériau réfractaire présentant une paroi située du côté intérieur de la chambre, et ladite installation comprenant des moyens de mesure ou de calcul de la température de paroi de ladite partie en matériau réfractaire du côté intérieur de la chambre de combustion, l'unité de calcul et de traitement est configurée pour réguler la température intérieure de la 15 chambre de combustion à une valeur de consigne supérieure, de préférence supérieure de 1 à 850°C, par rapport à la température de la paroi de ladite partie en matériau réfractaire située du côté intérieur de la chambre. Selon un mode de réalisation particulier, il est possible de faire fonctionner le 20 brûleur tout en refroidissant ladite paroi réfractaire dudit brûleur à l'aide de moyens de refroidissement correspondant. A titre d'exemple, le brûleur peut alors fonctionner avec une température de paroi du réfractaire comprise entre 450°C et 600°C (température largement inférieure à la TDI des cendres). Cela pourrait être réalisé par la mise en place d'une circulation d'air ou d'eau dans la 25 paroi réfractaire. L'invention concerne également un procédé de pilotage d'une installation de combustion, appelée brûleur, ladite installation comprenant une chambre de combustion cylindrique, ledit procédé comprenant les étapes de : 30 alimentation de la chambre de combustion en combustible solide; - alimentation de la chambre de combustion en gaz comburant; - alimentation de la chambre de combustion en gaz régulateur, ledit gaz régulateur comprenant des fumées recyclées et/ou un gaz pauvre en oxygène, 3031166 8 et/ou un gaz inerte ; - mesure, en dehors de la chambre de combustion, du débit de combustible, du débit de gaz comburant, et du débit du gaz régulateur ; - définition de la température dudit gaz régulateur; 5 - définition de la température ambiante en dehors du brûleur ; - calcul d'une température, appelée température intérieure de la chambre de combustion, en fonction au moins desdites données mesurées ou définies. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ledit procédé comprend en 10 outre la régulation de la température de la chambre de combustion, à une température de consigne, la régulation comprenant les étapes de: - comparaison de la température intérieure de la chambre de combustion calculée avec la température de consigne, et - en fonction du résultat de la comparaison, commande des moyens 15 d'alimentation en gaz régulateur, de manière à maintenir la température intérieure de la chambre de combustion à la température de consigne. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels : 20 - la figure 1 est une vue schématique d'une partie de l'installation selon l'invention, montrant des moyens d'alimentation en gaz comburant, gaz régulateur, et combustible et des moyens de mesure de débit et de température correspondant en lien avec la chambre de combustion de l'installation ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale de la chambre de 25 combustion d'une installation selon l'invention, ladite chambre comprenant une conduite de sortie décentrée. Comme rappelé ci-dessus, il a été constaté avec le brûleur connu de l'état de la technique qui intègre des thermocouples pour mesurer la température à 30 l'intérieur de la chambre de combustion cylindrique, l'hétérogénéité du mélange et la formation de points chauds, notamment aux points des zones d'injection de combustible solide et de gaz comburant, qui peuvent engendrer le dépôt de cendres sur les thermocouples qui voient leur temps de réponse augmenter.
3031166 9 Il peut alors arriver que le besoin réel en fumées recyclées pour le contrôle de la température soit sous estimé. Il en résulte une élévation de la température réelle du milieu et l'aggravation du phénomène de dépôt de cendres en fusion sur les 5 thermocouples. En référence aux figures et comme rappelé ci-dessus, l'invention concerne un système de pilotage pour une installation de combustion, appelée brûleur, et un brûleur correspondant. Un tel système de pilotage et le brûleur correspondant lo permettent de mettre en oeuvre un procédé de calcul de température intérieure de la chambre de combustion, notée Tchambre, et une commande de régulation de cette température adaptés au bon fonctionnement du brûleur avec une grande variété de combustibles solides comme détaillé ci-après.
15 Ledit brûleur comprend une chambre de combustion 4 cylindrique, et une conduite de sortie 5. Selon un mode de réalisation illustré à la figure 2, la conduite de sortie 5 de la chambre de combustion 4 est décentrée par rapport à l'axe de ladite chambre de combustion 4. En variante, la conduite de sortie peut être centrée sur l'axe de la chambre de combustion.
20 La chambre de combustion comprend au moins une partie en matériau réfractaire présentant une paroi située du côté intérieur de la chambre de combustion.
25 Ledit brûleur comprend aussi des moyens d'alimentation 1 de la chambre de combustion en combustible solide et des moyens d'alimentation 2 de la chambre de combustion en gaz comburant, tel que de l'air, appelé généralement air primaire. Des moyens d'alimentation 3 de la chambre de combustion en gaz, appelé gaz régulateur, permettent de réguler la température Tchambre à l'intérieur 30 de la chambre de combustion. Ledit gaz régulateur peut être formé de fumées recyclées et/ou d'un gaz pauvre en oxygène, et/ou d'un gaz inerte. Les fumées recyclées correspondent à des fumées recirculées issues du produit de la combustion en sortie de la chambre de combustion.
3031166 10 Les moyens d'alimentation 1 de la chambre de combustion en carburant solide comprennent une conduite débouchant dans la chambre 4 et des moyens d'injection d'un fluide de transport dudit carburant. Lesdits moyens d'injection 5 sont configurés pour injecter le fluide dans la conduite d'alimentation, en même temps que le carburant est libéré, pour permettre de transporter ledit carburant solide à l'intérieur de la chambre de combustion. La conduite des moyens d'alimentation 1 débouche dans la chambre de 10 combustion 4 tangentiellement à la zone de la paroi périphérique de la chambre de combustion 4 au niveau de laquelle elle débouche. Autrement dit, l'axe du débouché de la conduite est parallèle à la tangente à la partie de la paroi périphérique au niveau de laquelle débouche ladite conduite.
15 Lesdits moyens d'alimentation 1, 2, 3 sont agencés avec la chambre de combustion 4 de manière à obtenir un écoulement tourbillonnaire dans la chambre de combustion 4. Les moyens d'alimentation 2 de la chambre de combustion en gaz comburant 20 comprennent une conduite débouchant dans la chambre 4 et des moyens d'injection dudit gaz comburant, de préférence de l'air, dans ladite conduite. De manière similaire aux moyens d'alimentation 1, les moyens d'alimentation 2 en gaz comburant comprennent une conduite qui débouche dans la chambre de combustion 4 tangentiellement à la zone de la paroi périphérique de la chambre 25 de combustion 4 au niveau de laquelle elle débouche. Avantageusement, l'axe du débouché de la conduite des moyens d'alimentation 2 est orthogonal à l'axe de débouché de la conduite des moyens d'alimentation 1. Selon un mode de réalisation, les moyens d'alimentation 3 de la chambre de 30 combustion en gaz, appelé gaz régulateur comprennent une conduite qui peut déboucher dans la chambre axialement et/ou tangentiellement. On peut aussi prévoir que les moyens d'alimentation 3 débouchent au niveau du culot du brûleur, formé par la face de la chambre opposée à la conduite de sortie, 3031166 11 sensiblement au milieu de cette face. Lesdits moyens d'alimentation 3 comprennent une pluralité d'orifices d'injection, par exemple six orifices, disposés selon un cercle dont le diamètre respecte la dimension suivante : le diamètre de ce cercle sur le diamètre de la chambre de combustion est inférieur à 0,9.
5 Préférentiellement ces orifices d'injection sont inclinés par rapport à l'axe de la chambre de telle sorte que l'on ait un écoulement tourbillonnaire. Les gaz sortant de la chambre de combustion, ainsi que les particules solides, peuvent être transférés vers une chaudière par la conduite de sortie 5. Le brûleur 10 peut être conçu de manière à injecter à l'extrémité de la conduite de sortie 5, de l'air complémentaire, par exemple de l'air secondaire et/ou tertiaire, afin d'apporter l'oxygène nécessaire pour assurer une combustion complète. Ledit système de pilotage comprend des moyens de mesure 10 du débit de 15 combustible, des moyens de mesure 20 du débit de gaz comburant et des moyens de mesure 30 du débit de gaz régulateur. Ledit système comprend aussi des moyens de mesure 31 de la température du gaz régulateur et des moyens de mesure 90 de la température ambiante hors du brûleur. Lesdits moyens de mesure peuvent être réalisés sous forme de capteurs. En variante, on peut 20 prévoir que la température ambiante et/ou la température du gaz régulateur, soient calculées ou prédéfinies dans le système de pilotage. Le système de pilotage comprend aussi une unité de calcul et de traitement 6, telle qu'un automate programmable. L'unité comprend un module d'acquisition 25 60 configuré pour acquérir les données de débit et de température mesurées par lesdits de moyens de mesure 10, 20, 30, 31, 90. L'unité comprend aussi un module de calcul 61 configuré pour calculer la température Tchambre intérieure de la chambre de combustion, en fonction au moins desdites données mesurées.
30 Ladite unité 6 de calcul et de traitement comprend aussi des moyens de régulation 62 de la température Tchambre, à une température de consigne. A cet effet, le système peut comprendre des moyens de définition d'une température de consigne réglable.
3031166 12 Lesdits moyens de régulation 62 comprennent des moyens de comparaison 621 de la température Tchambre calculée avec la température de consigne, et des moyens de commande 622 configurés pour, en fonction du résultat de la 5 comparaison, commander le débit d'alimentation en gaz régulateur, de manière à maintenir la température Tchambre à la température de consigne. Le débit de gaz solide comburant et de carburant de peut aussi être commandé en fonction dudit bli résultat de comparaison.
10 La régulation de la température intérieure de la chambre de combustion à partir de la température Tchambre calculée et d'une température de consigne permet de stabiliser ladite température intérieure de la chambre de combustion, et ainsi de limiter la formation de points chauds et de réduire le risque de dégradation du brûleur. Une telle conception du brûleur permet alors d'obtenir une température 15 Tchambre plus homogène comprise de préférence dans l'intervalle 700-1300°C. Ledit système de pilotage comprend des moyens de mémorisation 63 de données prédéfinies relatives au gaz comburant, et/ou au combustible solide et/ou au gaz régulateur, pour une température de référence prédéfinie.
20 Lesdites données comprennent par exemple : - la capacité calorifique du gaz comburant, et/ou du combustible solide et/ou du gaz régulateur alimentant la chambre de combustion ; et/ou - l'enthalpie de la réaction entre le gaz comburant, et/ou le combustible solide 25 et/ou le gaz régulateur; - le débit de chaleur associé aux pertes de chaleur, de préférence défini en fonction de l'épaisseur de la paroi périphérique de la chambre en matériau réfractaire; et/ou - la capacité calorifique d'un ou de plusieurs produits issus de la combustion que 30 l'on retrouve en sortie de la chambre de combustion. Préférentiellement, le débit de chaleur associé aux pertes de chaleur, est aussi défini en fonction de la géométrie du brûleur, de la nature du réfractaire choisi, 3031166 13 ainsi que de l'isolation utilisée. L'unité de traitement et de calcul est une unité de type électronique et/ou informatique, comprenant par exemple un microcontrôleur ou un s microprocesseur associé à une mémoire et apte à communiquer avec les moyens de détermination ou de mesure de température ou de débit qui peuvent être réalisés sous forme de capteurs. Ainsi, lorsqu'il est précisé que l'unité ou des moyens ou modules de l'unité sont lo configurés pour réaliser une opération donnée, cela signifie que l'unité comprend des instructions informatiques et les moyens d'exécution correspondants qui permettent de réaliser ladite opération. Dans l'exemple illustré aux figures, le gaz régulateur est formé de fumées 15 recyclées. Le débit de fumées recyclées nécessaire à l'obtention de la température Tchambre souhaitée, c'est-à-dire la température de consigne, est déterminé par résolution d'un bilan thermique. A titre exemple, en supposant la température homogène dans la chambre, la 20 température Tchambre peut être calculée par l'unité 6 en résolvant l'équation suivante : ri-«K (TiE - Tref ) j ex k Cps (Tchambre chambre - Tref ) 25 Avec : débit massique du composé i injecté dans la chambre [kg/s] CpiE : capacité calorifique du composé I injecté dans la chambre [kJ/kg/K] TiE : température du composé i injecté dans la chambre [K] Arilij. enthalpie de la réaction j liée à la consommation/transformation du 30 composé i [kJ/kg] e'ext débit de chaleur associé aux pertes [kW] rhSk débit massique du composé k en sortie de la chambre [kg/s] 3031166 14 CpSk capacité calorifique du composé k en sortie de la chambre [kJ/kg/K] Tchambre: température dans la chambre [K] Tref température de référence [K] 5 La température Tchambre de la chambre est ainsi déterminée sur la base de données mesurées en cours du fonctionnement, telles que les débits de combustible, de gaz comburant (par exemple de l'air primaire) et de gaz régulateur (par exemple formé de fumées recyclées), la température des gaz régulateur, et la température ambiante, et de données tabulées ou fixées lors de 10 la mise en service de l'installation, telles que les capacités calorifiques et masses volumiques des flux entrants et sortants, les pertes de chaleur, ou encore le pouvoir calorifique du combustible. On peut prévoir que le pourcentage de fumées recyclées par rapport aux fumées 15 sortantes soit compris entre 0 et 50%, et préférentiellement entre 5 et 30%. Selon un mode de réalisation pour lequel le gaz comburant est de l'air et le gaz régulateur est formé de fumées recyclées, et selon lequel on suppose que la chaleur apportée dans la chambre est directement liée à la combustion complète 20 d'une certaine fraction de combustible entrant, la température Tchambre peut être calculée par l'unité 6 selon l'équation : (1' amb T'f).(ri-IACp A+riicCpc.)+TilFGRCP FGR (TFGR Tchambre = Tref'+ 25 Avec : PTl FGR : débit massique des fumées recyclées à injecter dans la chambre [kg/s] a : coefficient associé à l'installation et déterminé lors de la mise en route [-] : fraction de la puissance entrante prenant en compte la puissance générée par la combustion de la fraction nécessaire de combustible pour générer la 30 température souhaitée dans la chambre ainsi que les pertes le coefficient correctif a est associé à fi et est déterminé lors de la mise en service de l'installation. Ce facteur est compris entre 0,5 et 1,5, et cpFG +Trip +111FGR) 3031166 15 préférentiellement entre 0,8 et 1,2. CpFG : capacité calorifique des fumées de gazéification en sortie de la chambre [kJ/kg/K] Tchambre: température dans la chambre [K] 5 PCIc : pouvoir calorifique inférieure du combustible [kJ/kg] : débit massique du combustible injecté dans la chambre [kg/s] Cpc : capacité calorifique du combustible injecté dans la chambre [kJ/kg/K] Tamb : température ambiante [K] rhA débit massique de l'air injecté dans la chambre cylindrique [kg/s] 10 CpA : capacité calorifique de l'air injecté dans la chambre [kJ/kg/K] TFGR: la température des fumées recyclées injectées dans la chambre [K] CpFGR : capacité calorifique des fumées recyclées injectées dans la chambre [kJ/kg/K] Tref : température de référence [K] 15 Selon un mode de réalisation préféré, ladite installation comprend des moyens de mesure ou de calcul de la température de paroi de la partie de la chambre de combustion en matériau réfractaire. L'unité de calcul et de traitement est alors configurée pour réguler la température intérieure de la chambre de combustion 4 20 à une valeur de consigne supérieure, de préférence supérieure de 1 à 850°C, par rapport à la température de paroi de ladite partie en matériau réfractaire. Ladite installation comprend des moyens de mélange du gaz régulateur avec le gaz comburant et/ou des moyens de mélange du gaz régulateur avec le 25 combustible en amont de leur injection dans la chambre de combustion. Le mélange de gaz régulateurs, tels que les fumées recyclées, au gaz comburant et/ou au gaz de transport du combustible solide, en amont de leurs injections dans le brûleur, permet d'assurer une homogénéité des différents fluides 30 entrants, de réduire les concentrations locales en oxygène en contact avec le combustible, et ainsi d'éliminer ou du moins de limiter la formation de points chauds, et obtenir une température homogène, comprise entre 700 et 1300°C.
3031166 16 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le brûleur présente les dimensions suivantes: - le rapport du diamètre, noté d, du tube de sortie 5 sur le diamètre, noté D, de la 5 chambre de combustion 4 est supérieur à 0,1, - le rapport de la longueur d'entrée, notée e, du tube de sortie 5 à l'intérieur de la chambre de combustion 4 sur la longueur, notée L, de la chambre de combustion 4 est supérieur à 0,01, - le rapport du diamètre, noté D, de la chambre de combustion 4 sur la longueur, 10 notée L, de la chambre de combustion 4 est supérieur à 0,1 ; - le rapport de la longueur de sortie, notée Lsortie, du tube de sortie 5 hors de la chambre de combustion 4 sur la longueur L de la chambre de combustion 4 est supérieur à 0,2.
15 Selon le mode de réalisation particulier illustré à la figure 2, le conduit de sortie 5 de la chambre de combustion 4 est, en vue en coupe transversale, et par rapport à deux axes, dits respectivement horizontal et vertical, qui se croisent perpendiculairement au centre de la section de la chambre, décentré par rapport à l'axe horizontal d'une distance dv et par rapport à l'axe vertical d'une distance 20 dh. A titre d'exemple on pourra choisir un rapport dv/dh = 1 et le rapport dv/D est choisi inférieur à 0,3. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation comprend des moyens de chauffage permettant de chauffer le gaz comburant et/ou le gaz de transport 25 du combustible. L'unité de calcul et de traitement 6 est configurée pour commander le chauffage du gaz comburant et/ou du gaz de transport du combustible, à une température supérieure à la température de l'air ambiant. Le chauffage du gaz comburant et/ou du gaz de transport est réalisé avant injection dudit gaz dans la chambre de combustion.
30 Un tel chauffage permet de limiter la condensation des fumées recyclées d'une part, et d'améliorer le mélange avec le combustible solide et de diminuer la phase de séchage dudit combustible d'autre part. La température d'injection du gaz comburant et/ou du gaz de transport est de préférence comprise entre la 303 1 1 6 6 17 température ambiante et 300°C. L'unité de calcul et de traitement peut être configurée pour faire fonctionner la chambre de combustion en conditions sous-stoechiométriques ou sur-5 stoechiométriques, par contrôle du débit d'alimentation en gaz comburant et du débit d'alimentation en combustible solide. A titre d'exemple, le brûleur selon l'invention peut fonctionner avec des combustibles solides tels que des granulés de bois propre correspondant aux 10 groupes 1 et 2 définis dans la norme SS 187120. Des granulés qui correspondent aux groupes 1 et 2 cités ci-dessus présentent les critères suivants - un faible taux d'humidité (au maximum 12% massique) et une densité énergétique élevée (PCI généralement supérieur à 16 MJ/kg) ; 15 - un faible taux de cendres (<1,5% massique sur base brute) ; - une température de déformation initiale (TDI) des cendres supérieure à 11001200°C. Le brûleur selon l'invention peut aussi fonctionner avec d'autres combustibles 20 solides ne répondant pas aux critères de ces groupes. Le brûleur cylindrique selon l'invention permet en particulier de fonctionner avec des combustibles solides caractérisés par au moins une des propriétés suivantes 25 - un taux de cendre inférieur à 10% massique sur base brute ; - une température de déformation initiale TDI des cendres supérieure à 750°C ; - une teneur élevée en composés chimiques favorisant la formation d'émissions polluantes ; - des cendres riches en composés inorganiques pouvant donner lieu à la 30 formation de liquides, solides ou gaz corrosifs. Le brûleur peut utiliser une granulométrie de combustible suivante : 100% des particules inférieures à 3mm, 70% inférieures à 1mm, et 50% inférieures à 3031166 18 0,5mm. La quantité de gaz comburant est avantageusement fixée de telle sorte que le ratio stoechiométrique soit compris entre environ 0,1 et 0,6 (préférentiellement 5 entre 0,3 et 0,5). Un tel radio engendre une gazéification, ou combustion réductrice, des particules de combustible solide. L'homme du métier comprend aisément que les différentes étapes et fonctions des modes de réalisation présentés ci-dessus peuvent être réalisées sous forme io de programmes d'ordinateur. En particulier, les étapes décrites ci-dessus peuvent être réalisées sous forme d'instructions électroniques et/ou informatiques exécutables par l'unité de calcul et de traiteffient En particulier, les fonctions des moyens de l'unité de calcul et de traitement décrits ci-dessus peuvent être réalisées sous forme de jeu d'instructions informatiques exécutées 15 par un processeur de l'unité. Ces programmes d'ordinateur, ou instructions informatiques, peuvent être contenus dans des dispositifs de stockage de programme, par exemple des supports de stockage de données numériques lisibles par ordinateur, ou des 20 programmes exécutables. Les programmes ou instructions peuvent aussi être exécutés à partir de périphériques de stockage de programme. Bien qu'au moins un mode de réalisation de l'invention ait été illustré et décrit, il convient de noter que d'autres modifications, substitutions et alternatives 25 apparaissent à l'homme de l'art et peuvent être changées sans sortir de la portée de l'objet décrit ici. La présente demande envisage de couvrir toutes les adaptations et variations des modes de réalisation décrits ci-dessus. De plus, le terme « comprenant » 30 n'exclut pas d'autres éléments ou étapes. En outre, des caractéristiques ou étapes qui ont été décrites en référence à l'un des modes de réalisation exposés ci-dessus peuvent également être utilisées en combinaison avec d'autres caractéristiques ou étapes d'autres 3031166 19 modes de réalisation exposés ci-dessus. On notera qu'il faut inclure dans la portée du brevet toutes les modifications envisagées ci-dessus dans la mesure où elles font partie de la contribution des inventeurs à l'art antérieur. De telles modifications, substitutions et alternatives peuvent être réalisées sans sortir du 5 cadre et de l'esprit de la présente invention.
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Système de pilotage pour une installation de combustion, appelée brûleur, ledit brûleur comprenant : - une chambre de combustion (4) cylindrique ; - des moyens d'alimentation (1) de la chambre de combustion en combustible solide ; - des moyens d'alimentation (2) de la chambre de combustion en gaz comburant; - des moyens d'alimentation (3) de la chambre de combustion en gaz, appelé gaz régulateur, ledit gaz régulateur comprenant des fumées recyclées et/ou un gaz pauvre en oxygène, et/ou un gaz inerte; ledit système de pilotage comprenant : - des moyens de mesure (10) du débit de combustible; - des moyens de mesure (20) du débit de gaz comburant; - des moyens de mesure (30) du débit de gaz régulateur; - des moyens de définition (31) de la température du gaz régulateur; - des moyens de définition (90) de la température ambiante hors du brûleur; le système de pilotage comprenant aussi une unité de calcul et de traitement (6), telle qu'un automate programmable, configurée pour acquérir (60) les données de débit et de température mesurées ou définies par lesdits moyens de mesure ou de définition (10, 20, 30, 31, 90), et pour calculer (61) une température, appelée température intérieure de la chambre de combustion, en fonction au moins desdites données mesurées ou définies.
- 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système de pilotage comprend des moyens de régulation (62) de la température intérieure de la chambre de combustion, à une température de consigne, lesdits moyens de régulation (62) comprenant : -des moyens de comparaison (621) de la température intérieure de la chambre de combustion calculée avec la température de consigne, et -des moyens de commande (622) configurés pour, en fonction du résultat de la comparaison, commander les moyens d'alimentation (3) de la 3031166 21 chambre de combustion en gaz régulateur, de manière à maintenir la température intérieure de la chambre de combustion à la température de consigne. 5
- 3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit système de pilotage comprend des moyens de mémorisation (63) de données prédéfinies relatives au gaz comburant, et/ou au combustible et/ou au gaz régulateur, lesdites données comprenant, pour une température de référence prédéfinie : 10 - la capacité calorifique du gaz comburant, et/ou du combustible et/ou du fluide gazeux supplémentaire alimentant la chambre de combustion ; et/ou - l'enthalpie de la réaction avec le gaz comburant, et/ou du combustible et/ou du gaz régulateur ; et/ou - le débit de chaleur associé aux pertes de chaleur ; et/ou 15 - la capacité calorifique d'un ou de plusieurs composés en sortie de la chambre de combustion.
- 4. Installation de combustion, appelée brûleur, comprenant : - une chambre de combustion (4) cylindrique ; 20 - des moyens d'alimentation (1) de la chambre de combustion en combustible solide ; - des moyens d'alimentation (2) de la chambre de combustion en gaz comburant; - des moyens d'alimentation (3) de la chambre de combustion en gaz 25 régulateur, comprenant des fumées recyclées et/ou un gaz pauvre en oxygène, et/ou un gaz inerte ; - un système de pilotage, caractérisée en ce que ledit système de pilotage est conforme à l'une des revendications précédentes. 30
- 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite installation comprend des moyens de mélange du gaz régulateur avec le gaz comburant et/ou des moyens de mélange du gaz régulateur avec le combustible en amont 3031166 22 de leur injection dans la chambre de combustion.
- 6. Installation selon l'une des deux revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que la sortie (5) de la chambre de combustion (4) est décentrée par rapport à 5 l'axe de ladite chambre de combustion (4).
- 7. Installation selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation (1) en combustible comprennent une conduite qui débouche dans la chambre de combustion (4) tangentiellement à la zone de la 10 paroi périphérique de la chambre de combustion (4) au niveau de laquelle elle débouche.
- 8. Installation selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que le brûleur présente au moins l'une des dimensions suivantes: 15 - le rapport du diamètre du tube de sortie (5) sur le diamètre de la chambre de combustion (4) est supérieur à 0,1, - le rapport de la longueur d'entrée du tube de sortie (5) à l'intérieur de la chambre de combustion (4) sur la longueur de la chambre de combustion (4) est supérieur à 0,01, 20 - le rapport du diamètre de la chambre de combustion (4) sur la longueur de la chambre de combustion (4) est supérieur à 0,1 - le rapport de la longueur de sortie du tube de sortie (5) hors de la chambre de combustion (4) sur la longueur de la chambre de combustion (4) est supérieur à 0,2. 25
- 9. Installation selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisée en ce que, l'installation comprenant des moyens de chauffage, l'unité de calcul et de traitement (6) est configurée pour commander le chauffage du gaz comburant et/ou d'un gaz de transport du combustible, à une température supérieure à la 30 température de l'air ambiant.
- 10. Installation selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que la chambre de combustion présentant au moins une partie en matériau réfractaire 3031166 23 présentant une paroi située du côté intérieur de la chambre, et ladite installation comprenant des moyens de mesure ou de calcul de la température de paroi de ladite partie en matériau réfractaire du côté intérieur de la chambre de combustion, l'unité de calcul et de traitement (6) est configurée pour réguler la 5 température intérieure de la chambre de combustion (4) à une valeur de consigne supérieure, de préférence supérieure de 1 à 850°C, par rapport à la température de la paroi de ladite partie en matériau réfractaire située du côté intérieur de la chambre. 10
- 11. Procédé de pilotage d'une installation de combustion, appelée brûleur, ladite installation comprenant une chambre de combustion (4) cylindrique, ledit procédé comprenant les étapes de : - alimentation de la chambre de combustion en combustible solide; - alimentation de la chambre de combustion en gaz comburant; 15 - alimentation de la chambre de combustion en gaz régulateur, ledit gaz régulateur comprenant des fumées recyclées et/ou un gaz pauvre en oxygène, et/ou un gaz inerte ; - mesure, en dehors de la chambre de combustion (4), du débit de combustible, du débit de gaz comburant, et du débit du gaz régulateur ; 20 - définition de la température dudit gaz régulateur; - définition de la température ambiante en dehors du brûleur ; - calcul d'une température, appelée température intérieure de la chambre de combustion, en fonction au moins desdites données mesurées ou définies. 25
- 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre la régulation de la température de la chambre de combustion, à une température de consigne, la régulation comprenant les étapes de: - comparaison de la température intérieure de la chambre de combustion 30 calculée avec la température de consigne, et - en fonction du résultat de la comparaison, commande des moyens d'alimentation en gaz régulateur, de manière à maintenir la température intérieure de la chambre de combustion à la température de consigne.
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| US7261046B1 (en) * | 2003-06-10 | 2007-08-28 | Aptech Engineering Services, Inc. | System and method of reducing pulverizer flammability hazard and boiler nitrous oxide output |
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