WO2008078011A1 - Four d'incineration a recuperation d'energie optimisee - Google Patents

Four d'incineration a recuperation d'energie optimisee Download PDF

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WO2008078011A1
WO2008078011A1 PCT/FR2007/001781 FR2007001781W WO2008078011A1 WO 2008078011 A1 WO2008078011 A1 WO 2008078011A1 FR 2007001781 W FR2007001781 W FR 2007001781W WO 2008078011 A1 WO2008078011 A1 WO 2008078011A1
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oxidizing gas
incineration furnace
furnace according
inlets
flue
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Franck Gelix
Jérôme CHARTIER
Christopher David Goddard
Jim Swithenbank
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Veolia Proprete
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    • 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
    • F23G5/08—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating
    • F23G5/14—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating including secondary combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L9/00—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel 
    • F23L9/02—Passages or apertures for delivering secondary air for completing combustion of fuel  by discharging the air above the fire

Definitions

  • the invention relates, in general, the recovery of fuels, for example the treatment of combustible waste.
  • the invention relates to an incineration furnace particularly adapted to the recovery of thermal energy from combustion gas and comprising at least one fuel-fired hearth and a flue, the furnace including primary oxidant gas injectors, and the flue being equipped with inputs of secondary oxidizing gas and extending around a central axis, from a base capping the hearth and pierced at least a first and a second secondary oxidizing gas inputs angularly offset one on the other around the central axis.
  • Incineration furnaces of this type are well known to those skilled in the art and used both to burn fuels such as wood, cellulose, plants or organic waste, and to exploit the thermal energy resulting from the combustion of these fuels. fuels.
  • combustion gases flowing in the flue are fed to a superheater and / or a boiler in which they transmit their thermal energy to a coolant, for example water which is thus transformed into steam.
  • a coolant for example water which is thus transformed into steam.
  • patent application WO 01/31119 describes an incineration furnace in which the flow rates of oxidizing gas admitted through the different inputs of secondary oxidizing gas have a heterogeneous spatial distribution.
  • the invention which is based on the demonstration of these limitations, aims to propose an incineration furnace which is essentially free.
  • the incineration furnace of the invention is mainly characterized in that it furthermore comprises injection control means designed for varying over time, cyclically, the flow rates of secondary oxidant gas respectively admitted through the first and second oxidizing gas inputs.
  • the first and second secondary oxidant gas inlets are disposed on either side of the central axis of the flue.
  • the injection control means are advantageously designed to simultaneously control at a maximum value the flow rate of secondary oxidizing gas admitted through one of the first and second inputs and at a minimum value the flow of oxidizing gas admitted through the other of the first and second inputs, and to choose alternately, at a predetermined frequency, that of the first and second inputs of secondary oxidizing gas whose flow is brought to a maximum value.
  • This determined frequency can be between 0.25 and 4 Hz, more generally between 0.5 and 2 Hz, and preferably between 0.6 and 1.4 Hz.
  • Each of the first and second secondary oxidant gas inlets may be formed by a plurality of nozzles for example arranged side by side on one or more rows, as is generally the case on existing furnaces.
  • the first and second secondary oxidizing gas inlets are advantageously arranged on two opposite sides of this section.
  • the invention is particularly advantageous for large incineration furnaces, in which the first and second secondary oxidant gas inlets are typically spaced from each other by a distance of at least 3 meters and can reach or even exceed, 8 meters.
  • FIG. 1 is a diagrammatic vertical sectional view of FIG. a grate incineration furnace according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a diagram, obtained by simulation, of the flow currents of the combustion gases in a known conventional kiln model
  • FIG. 3 is a set of diagrams, obtained by simulation, of the flow currents of the combustion gases in a furnace corresponding to the known model but equipped, according to the invention, with injection control means operating at the frequency of 0.5 Hz, these diagrams representing the state of these currents every 0.5 seconds;
  • FIG. 4 is a set of diagrams, obtained by simulation, of circulation currents of combustion gases in a furnace corresponding to the known model but equipped, according to the invention, with injection control means operating at the frequency of 1 Hz, these diagrams representing the state of these currents every 0.25 seconds;
  • FIG. 5 is a set of diagrams, obtained by simulation, of the flow currents of the combustion gases in a furnace corresponding to the known model but equipped, according to the invention, with injection control means operating at the frequency of 2 Hz, these diagrams representing the state of these currents every 0.125 seconds; and
  • FIG. 6 is a diagram representing, on the ordinate, for different cases and as a function of a dwell time expressed in arbitrary time units and on the abscissa, the percentage of the mass fraction of the combustion gases coming out of the flue at the end.
  • the invention relates to an incineration furnace for fuels, for example organic waste, suitable for recovering the thermal energy of the combustion gases G, and comprising at least one hearth 1 and a flue 2.
  • the hearth 1 may include, in a traditional manner although not necessary or limiting, a grid 10, this grid being associated with primary oxidizing gas injectors, such as 11 to 15, which in the case of a grate furnace open in General under the grid 10.
  • the fuels or waste D intended to be burned in the oven are poured into a hopper T and are loaded on the grid 10 by means of pushers P.
  • the grid 10 is generally moved back and forth and arranged on a slope, so that the fuels it receives spread out in the form of a bed and progress, both by the gravity and the movements of the grid, in a direction Xl as and when they burn.
  • the fuels converted to ash are then recovered, beyond the lowest point of the grid 10, on a discharge outlet S.
  • the flue 2 whose function consists essentially of channeling to a boiler and / or to a superheater (not shown) the combustion gases G, has a base 20 covering the hearth 1 and extends, for example upwards from its base 20, around a central axis Z possibly bent.
  • the flue base 20 is at least pierced by two inputs of secondary oxidizing gas 3 and 4, angularly offset from one another about the central axis Z.
  • each of these oxidizing gas inlets 3 and 4 is formed by a plurality of nozzles such as 31 to 35 for the inlet 3 and 41 to 45 for the inlet 4, these nozzles being for example arranged side by side on one or more rows, and the number of nozzles per oxidizing gas inlet is typically between 5 and 20.
  • the incineration furnace which is the subject of the invention further comprises injection control means 5 designed to vary over time, cyclically, the flow rates of secondary oxidant gas respectively admitted through the inputs
  • injection control means 5 may, for example, take the form of fans possibly associated with valves, these injection means being controlled by a control unit (not shown), or provided with means own timing.
  • This temporal variation of flow rates is advantageously applied at least on secondary oxidizing gas inlets 3 and 4 which are disposed on either side of the central axis Z and in practice symmetrical to each other with respect to this central axis Z.
  • the flue 2 has at its base 20 a substantially rectangular or square cross section, the oxidizing gas inlets 3 and 4 are then arranged on two opposite sides 201 and 202 of this section, distant from each other.
  • the inputs of secondary oxidizing gas 3 and 4 can thus, in the non-limiting case of a grate furnace, follow one another in the feed direction X1 of the fuels, or perpendicular to this direction.
  • the oxidizing gas inlets 3 and 4 are then typically spaced from each other by a distance at least equal to 3 meters and can reach or even exceed 8 meters.
  • the injection control means 5 are designed to simultaneously control at a maximum value and at a minimum value the flow rates of oxidizing gas respectively admitted through one and the other of the oxidizing gas inlets 3 and 4, and to choose alternately, at a determined frequency F, that of these oxidizing gas inputs whose flow is brought to a maximum value.
  • the maximum value of the oxidizing gas flow rate of each inlet can be chosen to correspond to the maximum possible value of this flow rate, the minimum value of the oxidizing gas flow of each input being, on the other hand, not to be equal to zero.
  • the frequency F determined alternately which may be between 0.25 and 4 Hz, is advantageously between 0.5 and 2 Hz, and preferably between 0.6 and 1.4 Hz.
  • the combustion gases G in a furnace of the prior art form recirculation streams in the flue which are manifested by spirals and closed loops, and occupy most of the volume of the flue.
  • FIGS. 3 to 5 which illustrate the currents formed by these combustion gases in an oven according to the invention, make it possible to visually observe the improvement of the statistical distribution of these gases which results from the temporal modulation of the oxidizing gas flow rates secondary.
  • this residence time is considerably lengthened by modulation of the secondary oxidizing gas flow rates at 0.5 Hz, 2 Hz and 1 Hz, the latter frequency giving the best results in this case.

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Abstract

L'invention concerne un four d'incinération adapté à la récupération d'énergie thermique de gaz de combustion (G) et comprenant un foyer (1) recevant des combustibles (D) sous forme d'un lit et doté d'injecteurs de gaz oxydant primaire (11 - 15), et un carneau (2) dont la base (20) est percée d'au moins deux entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4). Le four selon l'invention comprend en outre des moyens de régulation d'injection (5) conçus pour faire varier au cours du temps, de manière cyclique, les débits de gaz oxydant secondaire respectivement admis à travers ces entrées de gaz oxydant (3, 4).

Description

FOUR D'INCINERATION A RECUPERATION D'ENERGIE OPTIMISEE.
L'invention concerne, de façon générale, la valorisation de combustibles, par exemple le traitement de déchets combustibles.
Plus précisément, l'invention concerne un four d'incinération notamment adapté à la récupération d'énergie thermique de gaz de combustion et comprenant au moins un foyer alimenté en combustibles et un carneau, le foyer incluant des injecteurs de gaz oxydant primaire, et le carneau étant équipé d'entrées de gaz oxydant secondaire et s 'étendant autour d'un axe central, depuis une base coiffant le foyer et percée au moins d'une première et d'une deuxième entrées de gaz oxydant secondaire angulairement décalées l'une de l'autre autour de l'axe central.
Les fours d'incinération de ce type sont bien connus de l'homme du métier et utilisés à la fois pour brûler des combustibles tels que bois, cellulose, végétaux ou déchets organiques, et pour exploiter l'énergie thermique issue de la combustion de ces combustibles .
En général, les gaz de combustion circulant dans le carneau sont acheminés vers un surchauffeur et / ou une chaudière dans laquelle ils transmettent leur énergie thermique à un fluide caloporteur, par exemple de l'eau qui est ainsi transformée en vapeur.
Dans la mesure où les échanges thermiques entre les gaz de combustion et le fluide caloporteur ne sont pas instantanés, il est très souhaitable que les gaz parvenant au surchauffeur et / ou à la chaudière circulent à une vitesse aussi faible que le permet le débit des combustibles brûlés, ce qui implique que ces gaz occupent de façon aussi homogène que possible tout le volume interne du carneau.
Pour ce faire, la demande de brevet WO 01/31119 décrit un four d'incinération dans lequel les débits de gaz oxydant admis à travers les différentes entrées de gaz oxydant secondaire présentent une distribution spatiale hétérogène.
Bien que cette mesure améliore effectivement la combustion, le gain réalisé dépend de nombreux facteurs et notamment des dimensions du four, ainsi que de l'importance du risque d'apparition de régimes stationnaires .
L'invention, qui repose sur la mise en évidence de ces limitations, a pour but de proposer un four d'incinération qui en soit essentiellement exempt.
A cette fin, le four d'incinération de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est principalement caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de régulation d'injection conçus pour faire varier au cours du temps, de manière cyclique, les débits de gaz oxydant secondaire respectivement admis à travers les première et deuxième entrées de gaz oxydant. De préférence, les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire sont disposées de part et d'autre de l'axe central du carneau.
Les moyens de régulation d'injection sont avantageusement conçus pour commander simultanément à une valeur maximale le débit de gaz oxydant secondaire admis à travers l'une des première et deuxième entrées et à une valeur minimale le débit de gaz oxydant admis à travers l'autre des première et deuxième entrées, et pour choisir en alternance, à une fréquence déterminée, celle des première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire dont le débit est porté à une valeur maximale. Cette fréquence déterminée peut être comprise entre 0,25 et 4 Hz, plus généralement comprise entre 0,5 et 2 Hz, et de préférence comprise entre 0,6 et 1,4 Hz.
Chacune des première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire peut être formée par une pluralité de buses par exemple disposées côte à côte sur une ou plusieurs rangées, comme c'est généralement le cas sur les fours existants.
Dans le cas où le carneau présente à sa base une section transversale sensiblement rectangulaire ou carrée, les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire sont avantageusement disposées sur deux côtés opposés de cette section.
L'invention est particulièrement avantageuse pour les fours d'incinération de taille importante, dans lesquels les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire sont typiquement espacées l'une de l'autre d'une distance au moins égale à 3 mètres et pouvant atteindre, voire dépasser, 8 mètres.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe verticale schématique d'un four d'incinération à grille conforme à un mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 2 est un schéma, obtenu par simulation, des courants de circulation des gaz de combustion dans un modèle classique de four connu;
- la figure 3 est un ensemble de schémas, obtenus par simulation, des courants de circulation des gaz de combustion dans un four correspondant au modèle connu mais équipé, conformément à l'invention, de moyens de régulation d'injection fonctionnant à la fréquence de 0,5 Hz, ces schémas représentant l'état de ces courants toutes les 0,5 secondes;
- la figure 4 est un ensemble de schémas, obtenus par simulation, des courants de circulation des gaz de combustion dans un four correspondant au modèle connu mais équipé, conformément à l'invention, de moyens de régulation d'injection fonctionnant à la fréquence de 1 Hz, ces schémas représentant l'état de ces courants toutes les 0,25 secondes;
- la figure 5 est un ensemble de schémas, obtenus par simulation, des courants de circulation des gaz de combustion dans un four correspondant au modèle connu mais équipé, conformément à l'invention, de moyens de régulation d'injection fonctionnant à la fréquence de 2 Hz, ces schémas représentant l'état de ces courants toutes les 0,125 secondes; et - la figure 6 est un diagramme représentant en ordonnée, pour différents cas et en fonction d'un temps de séjour exprimé en unités de temps arbitraires et en abscisse, le pourcentage de la fraction massique des gaz de combustion qui sortent du carneau au bout de ce temps de séjour, le premier cas correspondant à l'art antérieur, c'est-à-dire à une fréquence nulle d'alternance des entrées de gaz oxydant secondaire (F=O), le deuxième cas correspondant à une fréquence d'alternance de 2 Hz (F = 2 Hz), le troisième cas correspondant à une fréquence d'alternance de 1 Hz (F = 1 Hz), et le quatrième cas correspondant à une fréquence d'alternance de 0,5 Hz (F = 0,5 Hz).
Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un four d'incinération de combustibles, par exemple de déchets orqaniques, adapté à la récupération de l'énergie thermique des gaz de combustion G, et comprenant au moins un foyer 1 et un carneau 2.
Le foyer 1 peut inclure, de façon traditionnelle bien que non nécessaire ni limitative, une grille 10, cette grille étant associée à des injecteurs de gaz oxydant primaire, tels que 11 à 15, qui dans le cas d'un four à grille débouchent en général sous la grille 10.
Les combustibles ou déchets D destinés à être brûlés dans le four sont déversés dans une trémie T et sont chargés sur la grille 10 au moyen de poussoirs P.
Dans un tel four, la grille 10 est généralement animée d'un mouvement de va-et-vient et disposée en pente, de sorte que les combustibles qu'elle reçoit s'étalent sous forme d'un lit et progressent, à la fois par la gravité et par les mouvements de la grille, dans une direction Xl au fur et à mesure de leur combustion. Les combustibles transformés en cendres sont ensuite récupérés, au delà du point le plus bas de la grille 10, sur une sortie de décharge S.
Le carneau 2, dont la fonction consiste essentiellement à canaliser vers une chaudière et / ou vers un surchauffeur (non illustrés) les gaz de combustion G, présente une base 20 coiffant le foyer 1 et s'étend, par exemple vers le haut depuis sa base 20, autour d'un axe central Z éventuellement coudé.
Pour assurer une combustion aussi efficace que possible des combustibles D, la base 20 du carneau est au moins percée de deux entrées de gaz oxydant secondaire 3 et 4, angulairement décalées l'une de l'autre autour de l'axe central Z.
En général, chacune de ces entrées de gaz oxydant 3 et 4 est formée par une pluralité de buses telles que 31 à 35 pour l'entrée 3 et 41 à 45 pour l'entrée 4, ces buses étant par exemple disposées côte à côte sur une ou plusieurs rangées, et le nombre de buses par entrée de gaz oxydant étant typiquement compris entre 5 et 20.
Le four d'incinération qui fait l'objet de 1 ' invention comprend en outre des moyens de régulation d'injection 5 conçus pour faire varier au cours du temps, de manière cyclique, les débits de gaz oxydant secondaire respectivement admis à travers les entrées de gaz oxydant 3 et 4. Ces moyens de régulation d'injection 5 peuvent par exemple prendre la forme de ventilateurs éventuellement associés à des vannes, ces moyens d'injection étant pilotés par une unité de commande (non représentée) , ou dotés de moyens propres de cadencement . Cette variation temporelle de débits est avantageusement appliquée au moins sur des entrées de gaz oxydant secondaire 3 et 4 qui sont disposées de part et d'autre de l'axe central Z et en pratique symétriques l'une à l'autre par rapport à cet axe central Z. Comme en général le carneau 2 présente à sa base 20 une section transversale sensiblement rectangulaire ou carrée, les entrées de gaz oxydant 3 et 4 sont alors disposées sur deux côtés opposés 201 et 202 de cette section, distants l'un de l'autre.
Les entrées de gaz oxydant secondaire 3 et 4 peuvent ainsi, dans le cas non limitatif d'un four à grille, se succéder dans la direction d'avancement Xl des combustibles, ou perpendiculairement à cette direction.
Dans l'application privilégiée de l'invention, où le four présente des dimensions importantes, les entrées de gaz oxydant 3 et 4 sont alors typiquement espacées l'une de l'autre d'une distance au moins égale à 3 mètres et pouvant atteindre ou même dépasser 8 mètres.
Les moyens de régulation d'injection 5 sont conçus pour commander simultanément à une valeur maximale et à une valeur minimale les débits de gaz oxydant respectivement admis à travers l'une et l'autre des entrées de gaz oxydant 3 et 4, et pour choisir en alternance, à une fréquence F déterminée, celle de ces entrées de gaz oxydant dont le débit est porté à une valeur maximale. En particulier, la valeur maximale du débit de gaz oxydant de chaque entrée peut être choisie pour correspondre à la valeur maximale possible de ce débit, la valeur minimale du débit de gaz oxydant de chaque entrée pouvant en revanche ne pas être égale à zéro. La fréquence F déterminée d'alternance, qui peut être comprise entre 0,25 et 4 Hz, est avantageusement comprise entre 0,5 et 2 Hz, et préférentiellement comprise entre 0,6 et 1,4 Hz.
Comme le montre la figure 2, les gaz de combustion G dans un four de l'art antérieur forment dans le carneau des courants de recirculation qui se manifestent par des spirales et des boucles fermées, et qui occupent la plus grande partie du volume du carneau.
Dans ces conditions, une fraction substantielle de ces gaz se dirige vers la sortie du carneau 2 en formant des courants de section limitée, et donc de vitesse élevée, se manifestant par des lignes de courant rapprochées visibles sur la partie droite de la figure 2.
Les figures 3 à 5, qui illustrent les courants formés par ces gaz de combustion dans un four conforme à l'invention, permettent de constater visuellement l'amélioration de la distribution statistique de ces gaz qui résulte de la modulation temporelle des débits de gaz oxydant secondaire.
La figure 6 montre de son côté que, dans un cas extrême de l'art antérieur (F=O), la fraction la plus importante des gaz de combustion G ne séjourne dans le carneau 2 que pendant un temps très court.
En revanche, ce temps de séjour est considérablement allongé par modulation des débits de gaz oxydant secondaire à 0,5 Hz, 2 Hz et 1 Hz, cette dernière fréquence donnant en l'occurrence les meilleurs résultats .

Claims

REVENDICATIONS.
1. Four d'incinération notamment adapté à la récupération d'énergie thermique de gaz de combustion (G) et comprenant au moins un foyer (1) alimenté en combustibles (D) et un carneau (2), le foyer (1) incluant des injecteurs de gaz oxydant primaire (11 - 15), et le carneau (2) étant équipé d'entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) et s ' étendant autour d'un axe central
(Z), depuis une base (20) coiffant le foyer (1) et percée au moins d'une première et d'une deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) angulairement décalées l'une de l'autre autour de l'axe central (Z), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de régulation d'injection (5) conçus pour faire varier au cours du temps, de manière cyclique, les débits de gaz oxydant secondaire respectivement admis à travers les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) .
2. Four d'incinération suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) sont disposées de part et d'autre de l'axe central (Z).
3. Four d'incinération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) sont espacées l'une de l'autre d'une distance au moins égale à 3 mètres.
4. Four d'incinération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de régulation d'injection (5) sont conçus pour commander simultanément à une valeur maximale le débit de gaz oxydant admis à travers l'une des première et deuxième entrées (3, 4) et à une valeur minimale le débit de gaz oxydant admis à travers l'autre des première et deuxième entrées (3, 4), et pour choisir en alternance, à une fréquence (F) déterminée, celle des première et deuxième entrées de gaz oxydant dont le débit est porté à une valeur maximale.
5. Four d'incinération suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence déterminée est comprise entre 0,25 et 4 Hz.
6. Four d'incinération suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence déterminée est comprise entre 0,5 et 2 Hz.
7. Four d'incinération suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la fréquence déterminée est comprise entre 0,6 et 1,4 Hz.
8. Four d'incinération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) est formée par une pluralité de buses (31-35, 41-45) .
9. Four d'incinération suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carneau (2) présente à sa base (20) une section transversale sensiblement rectangulaire ou carrée, et en ce que les première et deuxième entrées de gaz oxydant secondaire (3, 4) sont disposées sur deux côtés opposés (201, 202) de cette section.
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