Système d'injection d'air dans un foyer ou une chambre de combustion et installation d'incinération de biomasse ou de déchets industriels équipée de ce système

Abstract

 La présente invention concerne un système d'injection d'air dans un foyer ou une chambre de combustion.
Le système de l'invention comporte dans au moins l'une (5) des parois latérales du foyer, un dispositif échangeur de chaleur constitué de faisceaux de tubes (28, 28') sensiblement parallèles et parcourus par un agent caloporteur, à travers lequel dispositif sont prévues des buses (21) de projection d'air ou de gaz de combustion recyclés.
L'invention s'applique notamment à des installations d'incinération de biomasse ou de déchets industriels.

Description

[0001] La présente invention concerne un système d'injection d'air dans un foyer ou une chambre de combustion et une installation d'incinération de biomasse ou de déchets industriels équipée de ce système, par exemple une installation à four tournant ou une chaudière à grille.

[0002] De telles installations ou chaudières sont destinées à la combustion ou l'incinération de biomasse ou de déchets industriels appartenant à deux catégories principales de combustibles.

[0003] Une première catégorie est constituée d'agrégats de taille réduite, tels que des résidus végétaux, écorces, coques de noisettes, bagasse, copeaux de bois, litière de poule, boues de papeteries, noyaux de fruits, bandages pneumatiques déchiquetés ou analogues, permettant une alimentation continue du foyer en combustible.

[0004] La seconde catégorie est constituée d'éléments individuels de taille plus importante, tels que des bandages pneumatiques usagés entiers, de grandes plaques d'agglomérés ou analogues, qui sont introduits dans le foyer par enfournements successifs.

[0005] Lors de l'introduction dans le foyer du combustible, les matières volatiles de ce dernier s'échappent rapidement en brûlant et forment une zone dite de front de flamme.

[0006] Toutefois, ces matières volatiles s'échappent généralement sous la forme de fumées opaques chargées de particules imbrûlées en suspension, telles que des cendres ou des poussières, qui ne peuvent être évacuées telles quelles dans l'environnement sous peine de le polluer.

[0007] De nombreux types de dépoussiéreurs sont déjà utilisés sur les circuits d'évacuation des fumées, pour réduire leur teneur en cendres volantes.

[0008] Ces dépoussiéreurs connus ne permettent toutefois d'éliminer ces particules en suspension qu'imparfaitement ou bien nécessitent un long traitement par passage des fumées dans des chambres de dépôt où elles abandonnent leurs particules solides par pesanteur, ou bien encore nécessitent l'utilisation de filtres ou de boîtes à fumée dont le remplacement ou le nettoyage est coûteux.

[0009] La présente invention a donc pour but d'éliminer les inconvénients précités et de proposer un système d'injection d'air dans un foyer qui permette de limiter la teneur en particules imbrûlées des fumées de combustion de manière fiable, simple et économique, avant leur traitement par un dépoussiéreur.

[0010] A cet effet, la présente invention a pour objet un système d'injection d'air dans un foyer ou une chambre de combustion comportant une goulotte d'alimentation de combustibles dans le foyer dont au moins une paroi latérale comporte un dispositif échangeur de chaleur constitué de faisceaux de tubes sensiblement parallèles et parcourus par un agent caloporteur, tel que de l'eau, à travers lequel dispositif sont prévues des buses de projection d'air ou de gaz de combustion recylés sous pression, caractérisé en ce que chaque paire de buses disposées de part et d'autre d'un tube définit une ligne qui est inclinée par rapport à la verticale.

[0011] Avantageusement, les buses appartenant à une même paroi latérale du foyer sont symétriques par rapport à un plan médian vertical perpendiculaire à ladite paroi latérale, de manière à former un écoulement d'air en chevron ou V renversé dans le foyer.

[0012] Cette disposition des buses permet de ralentir le flux ascendant des fumées résultant de la combustion des matières volatiles et de séparer les particules imbrûlées des gaz de combustion qui s'envolent.

[0013] Selon une caractéristique particulière de l'invention, certains tubes sont cintrés à la manière d'un S pour ménager un passage entre les tubes pour les buses précitées qui viennent se loger respectivement dans chaque boucle du S.

[0014] Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la paroi de réception du foyer est refroidie conjointement par une circulation d'eau et par une source d'air ou de gaz de combustion recyclés ou d'un mélange air-gaz.

[0015] Le fait de refroidir la grille du foyer avec de l'eau ou avec les gaz de combustion permet de réduire l'apport de comburant, et par conséquent de limiter la température et la "violence" du début de combustion.

[0016] Selon une autre caractéristique de l'invention, des buses de projection d'air ou de gaz de combustion recyclés sont prévues dans la paroi latérale du foyer sous l'extrémité inférieure de la goulotte et au-dessus de la paroi de réception de combustible.

[0017] Une telle source d'air prévue sous la goulotte d'introduction du combustible dans le foyer, permet de développer une flamme dans la zone de feu située juste au-dessus du combustible fraîchement introduit et favorise l'allumage du combustible, de manière analogue aux voûtes d'entrée classiques en matériau réfractaire.

[0018] Cette caractéristique permet donc d'éliminer la voûte en réfractaire au niveau de l'entrée sur la grille, et de réaliser des économies d'entretien car les matériaux réfractaires sont généralement fragiles et nécessitent une maintenance suivie.

[0019] On peut également prévoir que des buses de projection d'air ou de gaz de combustion recyclés soient ménagées dans la paroi latérale du foyer au-dessus de l'extrémité débouchante de la goulotte et dans une paroi opposée à celle-ci.

[0020] Les buses qui sont prévues au-dessus de la goulotte peuvent être alimentées par une source d'air ou de gaz de combustion recyclés qui balaie la face externe de la paroi supérieure de la goulotte.

[0021] Cette source d'air dit secondaire permet également d'étager la combustion dans le foyer et de repousser la flamme principale vers le centre du foyer.

[0022] Dans une variante de réalisation, ces buses sont toutes orientées vers le bas.

[0023] L'invention vise en outre une installation d'incinération de biomasse ou de déchets industriels, équipée du système défini ci-dessus.

[0024] L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre de plusieurs modes de réalisation particuliers actuellement préférés de l'invention, donnés uniquement à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :

La figure 1 est une vue schématique, partielle et en coupe d'un premier mode de réalisation d'une installation conforme à l'invention, du type chaudière à grille;

La figure 2 est une vue schématique et partielle d'une paroi latérale de la chaudière de la figure 1.

La figure 3 est une vue schématique, partielle et en coupe d'un second mode de réalisation d'une installation conforme à l'invention du type à four tournant.

[0025] Suivant l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, l'installation de l'invention est une chaudière à grille 1 qui comporte une goulotte 2 d'alimentation en combustible débouchant à son extrémité inférieure 3 dans une chambre de combustion ou foyer 4.

[0026] La goulotte 2 comprend une première partie verticale supérieure 2a qui définit un coude 2b avec une partie inclinée inférieure 2c débouchant dans une paroi latérale 5 du foyer 4.

[0027] L'extrémité supérieure 6 de la goulotte 2 présente une forme sensiblement évasée pour permettre l'enfournement de combustibles, par exemple de pneus 7.

[0028] Un sas du type à double clapet est monté dans la partie verticale 2a de la goulotte 2 pour assurer à la fois l'introduction séquentielle du combustible dans le foyer 4 et une étanchéité vis-à-vis des éventuelles remontées de combustion dans la goulotte 2.

[0029] Le sas est ici formé d'un volet supérieure 8a et d'un volet inférieur 8b tous deux articulés par rapport à un axe horizontal.

[0030] De l'air sous pression est projeté par une buse 9 entre les volets supérieur 8a et inférieur 8b pour constituer un barrage d'air dans le sas (la projection d'air est matérialisée par une flèche).

[0031] Ce barrage d'air établit une surpression entre les deux volets 8a et 8b du sas pour éviter que les gaz produits dans le foyer 4 remontent dans la goulotte 2.

[0032] On peut également utiliser à la place de l'air, les gaz de combustion recyclés qui ont une teneur en oxygène moindre et risquent donc moins de servir de comburant, ou bien encore un mélange air-gaz.

[0033] Bien entendu, dans une variante de réalisation non représentée, le sas peut être constitué de deux plateaux horizontaux obturant le trajet de la goulotte 2 et déplaçables en translation sous l'action par exemple d'un vérin.

[0034] Un volet articulé formant déflecteur 10 est prévu sur la paroi inférieure 11 de la partie inclinée 2c de la goulotte 2.

[0035] Le pivotement du déflecteur 10 autour d'un axe horizontal 12 peut s'effectuer manuellement ou être commandé par un moyen d'actionnement quelconque tel qu'un vérin hydraulique.

[0036] Les faces supérieure et inférieure du déflecteur 10 ainsi que la face externe de la paroi inférieure 11 de la goulotte sont balayées par de l'air projeté par une source d'air sous pression 13 pour refroidir l'ensemble. On utilise généralement un ventilateur comme source d'air sous pression.

[0037] Mais, on peut aussi remplacer l'air par les gaz de combustion recyclés.

[0038] L'extrémité inférieure 3 de la goulotte 2 est séparée verticalement d'un dénivellé D de la grille 14 de réception de combustible.

[0039] Ce dénivellé D doit être sensiblement égal ou supérieur à la plus grande dimension du pneu pour permettre sa chute, par exemple entre 1 et 3 m et de préférence supérieur à 1,5 m.

[0040] La grille 14 est du type à barreaux 15 et 15' déplaçables sous l'action de vérins de commande indiqués généralement en 16. On a représenté schématiquement quelques tiges de vérin par des lignes en traits mixtes 17.

[0041] L'agencement entre les vérins de commande 16 et les barreaux 15 n'est ni représenté ni décrit dans la présente demande car un tel agencement est généralement connu dans l'état de la technique.

[0042] Par exemple, on peut prévoir que seul un barreau sur deux se déplace en translation pour assurer le déplacement du combustible vers une ouverture 18 d'évacuation par gravité des mâchefers et autres cendres de combustion.

[0043] Les cendres correspondent aux résidus laissés par le combustible lorsqu'il est complètement brûlé. Dans le cas de bandages pneumatiques, il s'agit principalement d'acier correspondant aux armatures métalliques, de l'oxyde de zinc et d'un silicate d'alumine, entrant dans la composition des pneumatiques.

[0044] Une source 19 de projection d'air dit primaire est associée à la grille 14 par l'intermédiaire d'une pluralité de compartiments cloisonnés 20 qui sont disposés sous les barreaux 15 et 15' de la grille. Cette projection d'air primaire participe au début de combustion ainsi qu'à la combustion des imbrûlés solides et son débit est réglé au moyen des compartiments cloisonnés 20 précités.

[0045] L'air primaire peut être en variante remplacé par les gaz de combustion recyclés ou par un mélange air-gaz.

[0046] Un circuit d'eau de refroidissement (non représenté) est également associé à la grille 14 pour assurer son refroidissement conjointement avec la projection d'air primaire ou de gaz.

[0047] Une première partie de la grille 14 est constituée de barreaux 15' orientés vers le haut de manière que leurs sommets définissent un plan sensiblement horizontal pour la réception du combustible 7' rentrant dans le foyer 4.

[0048] Une seconde partie de la grille 14 est constituée de barreaux 15 superposés suivant des plans horizontaux et qui sont décalés dans la direction de déplacement du combustible en cours d'incinération de manière que leurs extrémités libres définissent un plan en pente débouchant sur l'ouverture 18.

[0049] Bien entendu, on peut prévoir en variante une grille uniformément inclinée et constituée de barreaux horizontaux, ou bien encore une grille tournante, basculante ou vibrante par exemple.

[0050] Les matières non volatiles du combustible nécessitent pour brûler complètement un temps de séjour important dans le foyer, lequel temps de séjour est fonction de la taille des particules. Dans le cas de pneus, les matières non volatiles sont constituées notamment de noir de carbone, ce qui représente environ 23% de la masse du pneu, et brûlent en 20 minutes, lorsque la température est supérieure à 1100°C, en dégageant les 25% d'énergie restants.

[0051] Cette matière non volatile est acheminée vers l'ouverture d'évacuation 18 par les barreaux mobiles 15 et 15'.

[0052] Le déflecteur mécanique 10 dévie la trajectoire du pneu 7 glissant dans la goulotte 2 et le pneu forme une gerbe 7' pénétrant dans le foyer 4.

[0053] La position angulaire du déflecteur mécanique 10 permet de déterminer le point d'impact du pneu en feu 7' sur la grille 14 de sorte que ce pneu en feu 7' bascule sur la grille 14 le plus près possible de la paroi latérale 5 du foyer 4 (voir flèche courbée).

[0054] Lors de l'introduction dans le foyer du combustible, les matières volatiles de ce dernier s'échappent rapidement en brûlant et forment une zone dite de front de flamme . Dans le cas de pneus, les matières volatiles représentent environ 60% de sa masse, lesquelles matières volatiles, lorsque la température est supérieure à 1100°C, brûlent pendant la première minute qui suit l'introduction du pneu dans le foyer en produisant notamment des gaz NO_x et en dégageant environ 75% de l'énergie totale fournie par le combustible.

[0055] Dans ces conditions, pour créer de bonnes conditions de combustion, c'est-à-dire pour étager le comburant de façon à minimiser la production de gaz NO_X et étaler le flux thermique dans le foyer, on prévoit des buses de projection d'air dit de sustentation 21, secondaire avant 22a, secondaire arrière 22b, tertiaire avant 23a et tertiaire arrière 23b.

[0056] Les buses 21 de sustentation sont ménagées dans la paroi latérale 5 du foyer 4 entre l'extrémité inférieure 3 de la goulotte 2 et la grille 14, pour aider la projection du combustible dans le foyer dans le cas de la biomasse.

[0057] La projection d'air par les buses 21 favorise l'allumage du combustible, comme indiqué par le pneu en feu 7'représenté en traits interrompus sur la figure 1.

[0058] Les buses 22a de projection d'air secondaire avant et les buses 22b de projection d'air secondaire arrière sont ménagées respectivement dans la paroi latérale 5 au-dessus de la goulotte 2 et dans une paroi opposée 24 à celle-ci, pour aider la combustion des matières volatiles dégagées par le combustible.

[0059] Les buses 23a de projection d'air tertiaire avant et les buses 23b de projection d'air tertiaire arrière sont prévues respectivement au-dessus des buses 22a et 22b et servent à compléter la combustion des matières volatiles et des fines particules en suspension, et à filtrer les fumées ou gaz de combustion.

[0060] Les buses 22 et 23 sont toutes orientées vers le bas de manière à provoquer le retour par transport pneumatique dans la zone de combustion des particules imbrûlées qui s'envolent.

[0061] Les buses 22a sont alimentées par une source d'air secondaire avant 25 qui balaye la paroi supérieure 26 de la partie inclinée 2c de la goulotte 2 pour assurer son refroidissement.

[0062] Bien entendu, les buses 21, 22 ou 23 peuvent projeter des gaz de combustion recyclés à la place de l'air.

[0063] Une fenêtre de surveillance 27 est prévue dans la paroi latérale 24 du foyer 4 au niveau de l'ouverture d'évacuation 18.

[0064] Le fait de prévoir plusieurs sources de projection d'air dans le foyer permet d'étager la combustion en réglant le débit, la pression et la température de l'air projeté. On voit sur la figure 2, que la paroi latérale 5 du foyer comporte un dispositif échangeur de chaleur constitué de faisceaux de tubes 28, 28' sensiblement parallèles et reliés ensemble, par exemple par soudure, de manière étanche aux gaz par l'intermédiaire d'ailettes en tôle 29.

[0065] Certains tubes 28' présentent une double courbure à la manière d'un S pour ménager un espace entre les tubes pour les buses de projection d'air 21 qui viennent se loger respectivement dans chaque boucle du S.

[0066] Le fait de prévoir certains tubes 28' cintrés en S permet de disposer deux buses de part et d'autre d'un même tube et de les décaler à la fois latéralement et en altitude.

[0067] Si l'écartement entre les tubes est suffisant pour pouvoir y placer directement les buses, on peut disposer les buses suivant une direction inclinée sans déformer les tubes.

[0068] On peut prévoir par exemple que la ligne 31 passant par deux buses 21 associées à un tube 28' en S soit inclinée d'un angle ϑ compris entre 15 et 45° par rapport à la verticale 30, de préférence de l'ordre de 30°.

[0069] Sur la figure 2, les buses 21 appartenant à une même paroi latérale 5 du foyer sont symétriques par rapport à un plan médian 30 perpendiculaire à ladite paroi latérale 5, de manière à former un écoulement d'air en chevron 31 ou en V renversé dans le foyer.

[0070] Cet écoulement en chevron permet de ralentir le flux ascendant des fumées résultant de la combustion des matières volatiles, et de séparer les particules imbrûlées qui s'envolent.

[0071] L'écartement entre les buses est fonction de leur diamètre de telle sorte que l'écoulement ascendant des gaz provenant de la grille soit autorisé mais que les fines particules en suspension soient réentraînées vers le bas.

[0072] On remarquera que les buses 21 sont disposées suivant plusieurs rangées inclinées par rapport à la verticale et parallèles entre elles, ayant un effet de rideau multiple pour capter les particules imbrûlées.

[0073] La figure 3 représente une installation 33 à four tournant 32 conforme à l'invention.

[0074] Le four tournant 32 est légèrement incliné par rapport à l'horizontale, par exemple suivant une pente de 2%, pour assurer le déplacement des imbrûlés issus du four vers une chaudière de post-combustion 33a, 33b.

[0075] La combustion des déchets et des imbrûlés solides sortant du four 32 sont reçus sur une grille d'incinération 14' permettant la post-combustion des imbrûlés par projection d'air sous la grille 14' et qui est constituée de deux volets 34 escamotables pour permettre l'évacuation des cendres et autres résidus solides vers un espace de stockage indiqué par une flèche 35.

[0076] La chaudière représentée sur la figure 3 est du type à deux compartiments verticaux 33a et 33b, ou à au moins deux compartiments, qui communiquent entre eux à l'extrémité supérieure de la chaudière.

[0077] On a représenté schématiquement en 36 des dispositifs échangeurs de chaleur à eau ou à vapeur formés par exemple par des faisceaux de tubes 36a.

[0078] La flèche 37 indique le sens d'écoulement des fumées vers une installation de traitement des fumées telle qu'un dépoussiéreur (non représenté) ou vers une installation de recyclage des gaz de combustion pour alimenter les buses précitées.

[0079] La goulotte d'alimentation 2 débouche dans le four 32 à travers une paroi sensiblement verticale fixe 38.

[0080] Une buse de projection d'air de sustentation 21' est ménagée dans la paroi 38 sous l'extrémité inférieure 3 de la goulotte 2. La buse 21' est ici orientée vers le haut, mais elle peut être prévue horizontale.

[0081] On remarquera que les buses de projection d'air avant 22a et 23a dirigent les gaz vers les buses de projection d'air arrière 23b et 22b pour réentraîner la fin de l'écoulement vers le bas.

[0082] On peut également prévoir que la buse 23a la plus haute dans le foyer soit dirigée sensiblement horizontalement vers la buse 23b qui est elle orientée vers le bas.

[0083] La paroi interne du four tournant 32 constitue la paroi de réception du combustible.

[0084] On a représenté schématiquement en 39 et 40, respectivement des moyens d'entraînement en rotation et de roulement pour le four tournant 32.

[0085] Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut lui apporter de nombreuses variantes et modifications, sans pour autant sortir de son cadre ni de son esprit.

Revendications

1. Système d'injection d'air dans un foyer ou une chambre de combustion comportant une goulotte d'alimentation (2) de combustibles (7) dans le foyer (4, 32, 33a) dont au moins une paroi latérale (5, 24, 38) comporte un dispositif échangeur de chaleur constitué de faisceaux de tubes (28, 28') sensiblement parallèles et parcourus par un agent caloporteur, tel que de l'eau, à travers lequel dispositif sont prévues des buses (21, 22, 23) de projection d'air ou de gaz de combustion recyclés sous pression, caractérisé en ce que chaque paire de buses disposées de part et d'autre d'un tube définit une ligne (31) qui est inclinée par rapport à la verticale (30).

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les buses (21) appartenant à une même paroi latérale (5) du foyer sont symétriques par rapport à un plan médian (30) perpendiculaire à ladite paroi latérale, de manière à former un écoulement d'air en chevron (31) dans le foyer (4).

3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des buses (21, 21') de projection d'air ou de gaz de combustion recyclés sont prévues dans la paroi latérale (5, 38) du foyer (4,32) sous l'extrémité inférieure (3) de la goulotte (2) et au-dessus d'une paroi (14) de réception du combustible en feu (7').

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que des buses (22, 23) de projection d'air ou de gaz de combustion recyclés sont ménagées dans la paroi latérale (5) du foyer au-dessus de l'extrémité débouchante de la goulotte (2) et dans une paroi opposée (24) à celle-ci.

5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les buses (23) qui sont prévues au-dessus de la goulotte (2) sont alimentées par une source (25) d'air ou de gaz de combustion recyclés qui balaie la face externe de la paroi supérieure (26) de la goulotte.

6. Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les buses (22, 23) qui sont situées au-dessus de la goulotte sont toutes orientées vers le bas.

7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que certains tubes (28') sont cintrés à la manière d'un S pour ménager un espace entre les tubes pour les buses (21) qui viennent se loger respectivement dans chaque boucle du S.

8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi de réception (14) du foyer (4) est refroidie conjointement par une circulation d'eau et par une source (19) d'air ou de gaz de combustion recyclés ou d'un mélange air-gaz.

9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les buses sont disposées suivant plusieurs rangées inclinées par rapport à la verticale et parallèles entre elles.

10. Installation d'incinération de biomasse ou de déchets industriels, caractérisée en ce qu'elle est équipée du système selon l'une quelconque des revendications précédentes.

Dessins