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On sait qu'on peut traiter des substances solides, finement gra- nulées, par des gaz en introduisant ces derniers, par le bas, dans une cou che constituée par des substances finement divisées, sous une pression suf- fisante pour animer les particules solides d'un mouvement turbulent qui don- ne à la couche l'aspect d'un liquide bouillant. Ce procédé peut être appli- que pour réaliser des processus d'échange thermique entre des gaz et des subs- tances solidespour sécher ou pour porter au rouge des substances solides à l'aide de gaz chauds ou encore pour faire réagir des gaz avec et au contact de substances solides.
Ce principe de travail, connu sous le nom de procédé à couche en mouvement turbulent, a, pour la première fois, été mis en oeuvre dans la technique au moyen des générateurs dits générateurs Winkler, dans les- quels on produit des gaz de synthèse pour l'industrie chimique par cokéfac- tion de matières carbonées.
Or, on a trouvé que le procédé à couche en mouvement turbulent convient également très bien pour faire brûler des matières carbonées, en particulier d'une teneur élevée en cendres, au moyen d'air ou d'air enrichi en oxygène, ou encore au moyen d'autres gaz oxygénés, et pour récupérer la chaleur de combustiono Selon l'invention, on introduit les matières carbonées à l'état finement granulé, en régime continu, dans une couche portée à la température de combustion et constituée par des particules solides non combusti- bles, de préférence des particules de cendres provenant des matières carbonées mêmes,ces particules étant, au moyen de l'air de combustion introduit par le bas,maintenues en mouvement turbulent en formant une couche turbulente de grosseur limitée et de densité élevée en volume,
puis on retire les cendres de la couche selon leur degré d'enrichissement sorber la chaleur, disposés dans la couche en mouvement turbulent, on évacue les calories de la couche en mouvement turbulent qui ne sont pas nécessaires au maintien de la température de combustion, pour les amener ensuite aux lieux d'utilisation.
Un foyer à couche en mouvement turbulent de ce genre est essentiellement différent des foyers de chaudières à poussier connus. Dans ces derniers foyers, on insuffle dans des chambres, avec de l'air de combustion, du charbon broyé jusqu'à la finesse de la poussière, puis on le brûle. Il ne se forme pas alors de couche en mouvement turbulent, dans laquelle on pourrait disposer des organes évacuant la chaleur. Dans ces procédés connus, on cherche à produire des températures de combustion très élevées pour provoquer un fort rayonnement de chaleur sur les organes producteurs de vapeur.
Le présent procédé n'a non plus rien de commun avec celui des brûleurs dits à lit de fusion turbulent, dans lesquels le poussier de charbon est insufflé sous forme de tourbillon et les cendres sont amenées en fusion pour pouvoir être évacuées à l'état liquide. Les hautes températures qui règnent alors et l'attaque que les scories fondues à l'état liquide exercent sur le revêtement de la chambre à combustion sont cause d'une usure élevée. En outre, le court sé- jour du combustible dans la chambre de combustion, notamment en cas de traitement de combustibles à teneur élevée en cendres, ne permet ni une utilisation complète des constituants combustibles, ni une utilisation presque complète de l'oxygène de l'air de combustion.
Ces inconvénients ne se manifestent pas avec le foyer à couche en mouvement turbulent selon la présente invention. Avec ce mode de combustion, on réussite malgré la courte durée de contact (1 seconde environ) entre l'air de combustion et les particules de la couche en mouvement turbulent, à utiliser pratiquement complètement la teneur en oxygène de l'air de combustion avec formation d'anhydride carbonique et de vapeur d'eau comme produits de combustion,, Il ne se forme donc pratiquement pas d'oxyde de carbone et on obtient une utilisation presque complète de la partie combustible des matières mises en oeuvre, avec des durées de séjour moyennes d'environ 1 à 2 heures dans la couche en mouvement turbulent.
Alors qu'avec les foyers de chaudiè- res connus, on a besoin d'un excédent d'air de combustion, à savoir d'environ
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1,3 fois la quantité théoriquement nécessaire, pour éviter une combustion incomplète avec formation d'oxyde de carbone, le présent procédé ne demande qu'une quantité d'air qui n'excède que peu la quantité théoriquement nécessaire. On peut, dans la partie supérieure de la couche en mouvement turbulent et/ou dans l'espace situé au-dessus de cette couche, introduire une partie . de l'air de combustion nécessaire.
Les excellentes conditions de transmission de chaleur dans la couche en mouvement turbulent permettant d'opérer à des températures de combustion relativement basses, par exemple comprises entre 800 et 1100 , lesquelles températures ne sont pas usuelles dans les foyers de chaudières. Ces basses températures favorisent, selon les lois thermodynamiques connues régissant le rapport C02:CO , la formation d'anhydride carbonique dans les gaz ae combustion contenant de la vapeur d'eau, Par suite des basses températures, on évite en outre un ramollissement des cendres dans la couche en mouvement turbulent et l'apparition de poussières folles entraînées avec les gaz de combustion hors de la couche.
Il ne se produit pas, sur les organes destinés à évacuer la chaleur, de collage de particules sodides ramollies et ainsi pas d'arrêt dans la transmission de la chaleur. Il est même possible de traiter des charbons ayant tendance à se conglomérer dans une couche en mouvement turbulent qui est principalement constituée par des particules de cendres ou par d'autres particules solides ne se ramollissant pas et ne brûlant pas.
Ce procédé peut être appliqué à des combustibles carbonés quelconques, notamment à de la houille riche en cendres, au lignite, à la tourbe, aux schistes bitumineux ou aux produits de cokéfaction de ces combustibles.
La grosseur des grains des combustibles introduits dans la couche, peut varier dans de larges limites. En général, elle sera inférieure à 20 mm, de préférence, inférieure à 10 mm.
Pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, on applique, pour le reste, les mesures usuelles dans la technique des procédés à couche en mouvement turbulent. On peut, pour maintenir la hauteur voulue de la couche en mouvement turbulent, qu'on choisira, en pratique, entre 200 et 1000 mm calculé sur la couche au repos, par exemple utiliser de façon connue, des tubes de trop-plein, par lesquels on évacue,. en permanence ou par intermittance, les cendres enrichies dans la couche. Comme support de la couche en mouvement turbulent, on peut utiliser une grille ou une couche constituée par des matériaux en vrac non combustibles. Par suite de la faible hauteur de la couche et du faible poids spécifique des cendres, on n'a besoin que d'une faible pression initiale pour l'insufflation de l'air de combustion.
Lorsqu'on utilise des combustibles pauvres en cendres ou donnant des résidus très finement pulvérulents, il est indiqué de maintenir la cou- che en mouvement turbulent à une hauteur suffisamment élevée par introduction continue ou périodique de substances solides finement broyées, non combustibles et ne se ramolissant pas à la température de combustion, telles que des grains d'argile réfractaire, des résidus de grillage de pyrites et autres substances analogues. On donne, dans ce cas, la préférence à des produits qui, de même que les cendres des combustibles, contiennnent des oxydes ferriques, étant donné que les substances de ce genre favorisent le processus de combustion en agissant comme catalyseurs.
Pour l'évacuation de la chaleur de combustion hors de la couche en mouvement turbulent, on peut, par exemple, utiliser des grilles constituées par des tubes ou des tubes Field disposés parallèlement, dans lesquels circule de l'eau bouillante, de préférence sous pression, des dispositifs destinés à séparer la vapeur étant placés dans le cicuit du véhicule de chaleur. Les surfaces d'échange de chaleur de ces dispositifs doivent être adaptées aux valeurs de transmission de chaleur très élevées, en pratique d'environ 200 K. cal./m2/h/ C et plus atteintes dans la couche en mouvement turbulent dans les conditions de travail conformes à la présente invention.
On obtient des valeurs
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extrêmement favorables pour le flux de chaleur, de 1200000 à 160a000 Ko cal./
2/h, bien que la chute de température d'environ 600 à 800 , comparée aux au- tres conditions de la pratique des chaudières à vapeur, soit relativement faible. Ceci se traduit par une sensible réduction des surfaces d'échange par rapport à celles nécessaires avec les procédés connus. Au lieu d'eau bouillante,sous une pression jusqu'à environ 150 atm.effecto, on peut éga- lement utiliser d'autres liquides vaporisables, par exemple le mercure.
On peut, dans le procédé selon la présente invention, également utiliser des véhicules de chaleur non bouillants, tels que, par exemple,des des masses fondues de métaux ou de sels, de l'eau sous pression plus élevée ou circulant à une vitesse tellement élevée que la température d'ébullition ne soit pas atteinte. Les véhicules peuvent céder leur chaleur sensible à des lieux d'utilisation quelconques et être utilisés, par exemple, pour chauf- fer un générateur de vapeur se trouvant en dehors du système à couche en mou- vement turbulent.
Les véhicules de chaleur gazeux sont, de préférence, également utilisés sous pression, par exemple sous 4 à 20 atm. effect. On peut, de fa- çon connue en soi, également les rendre utiles pour la production de travail dans des turbines à gaz chaud. La chaleur sensible du véhicule de chaleur ga- zeux détendu dans la turbine à gaz peut être utilisée pour le chauffage préa- lable de l'air de combustion et/ou pour le séchage des combustibles humides devant être traités.
Les gaz de combustion quittent le four à couche en mouvement turbulent aux températures indiquées, c'est-à-dire à des températures comprises entre 800 et 1100 . La chaleur contenue dans ces gaz peut-être utilisée dans des échangeurs de chaleur, par exemple pour la production ou le surëhauf fage de vapeur et ensuite pour le chauffage préalable d'eau d'alimentation et d'air de combustion, les gaz étant, de préférence, refroidis à des températures d'environ 200 et en dessous. Ces gaz encore chauds peuvent également servir au séchage préalable des combustibles devant être traités.
Ce préséchage peut aussi être effectué selon le procédé à couche en mouvement turbulent, en amenant les gaz 9 des températures inférieures au point d'alumage, par le bas, à travers une couche turbulente constituée par des particules de combustible, couche à laquelle on amène, en continu ou périodiquement, de la matière humide, et dont on évacue de la matière séchée.
Le séchage préalable des combustibles n'est aucunement nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, mais il permet toutefois d'augmenter le rendement en vapeur sous tension.
Dans le cas de charbons riches en cendres notamment, la chaleur sensible des cendres et des poussières volantes peut également être utilisée pour le chauffage préalable de l'air de combustion.
EXEMPLE
Dans une couche constituée par des cendres pratiquement exemptes de carbone et d'une grosseur de grains comprise entre 0 et 10 mm, portée à une température comprise entre 850 et 900 et dans laquelle les particules solides sont maintenues en un mouvement turbulent par un courant d'air entrant par le bas, à travers une grille, on introduit, en continu, de la houille d'une teneur en cendres d'environ 40% et d'une grosseur de grains comprise entre 0 et 10 mm. Par m2 de surface de grille, on introduit, à l'heure, 800 kg de charbon et 5000 m3 d'air.
Au moyen d'organes de réfrigération placés dans la couche en mouvement turbulent, parcourus par de l'eau bouillante sous prèssion, on refroidit ladite couche de façon telle que sa température soit maintenue entre 850 et 900 o La hauteur de la couche en mouvement turbulent est au repos de 700 à 800 mm; elle est maintenue constante en évacuant continuellement des cendres en une quantité correspondant à la quantité de charbon in- troduiteo
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Les gaz de combustion s'échappant de la couche à une température comprise entre 850 et 900 , ont une teneur en anhydride carbonique de 18 % et une teneur en oxygène de 0,6 %; ils ne contiennent pas d'oxyde de carbone.
Pour rendre utiles leurs calories, on amène ces gaz à une chaudière à vapeur comportant des organes pour la production de vapeur, le sur chauffage de la vapeur et le chauffage préalable d'eau d'alimentation et d'air de combustion. Les particules de cendres que les gaz entraînent, se déposent dans la chaudière sous forme d'une poudre semouleuse et pouvant couler. Les poussières folles sont granuleuses et peuvent être facilement séparées des gaz.
Les cendres évacuées de la couche en mouvement turbulent contiennent 0,05 % de carbone, les poussières folles 2,9 % de carbone.
Avec un pouvoir calorifique inférieur du charbon de 4.500 K.cal./ kg, en traitant 800 kg par heure, une quantité de chaleur égale à 3.600.000 K.cal. par heure est libérée. Cette quantité suffit pour produire par heure 4.000 kg de vapeur sous une pression de 45 atm. effect. et à une température de sur chauffage de 4000.
Cette quantité de vapeur correspond à une quantité de chaleur utile de 3.075.000 K.cal. par heure et à un degré d'utilisation de 85,5 %, la chaleur utile se répartissant comme suit sur les différents éléments du système de production de vapeur: couche en mouvement turbulent 67,6 % surchauffeur de la chaudière à vapeur 14,1 % évaporateur de la chaudière à vapeur 12,7 % réchauffeur d'eau d'alimentation 5,6 %
100,0 % de 85,5% au total, 5,7 % de la chaleur utile étant recyclés par le réchauffeur pour le chauffage de l'air de combustion.
REVENDICATIONS 1. Procédé pour la combustion de matières carbonées, en particulier de celles présentant une teneur élevée en cendres, ainsi que pour la récupération de la chaleur de combustion, caractérisé en ce qu'on effectue la combustion selon le procédé à couche en mouvement turbulent, en introduisant les matières carbonées à l'état finement divisé, en régime continu, dans une couche portée à la température de combustion, constituée par des particules solides non combustibles, notamment par les particules de cendres provenant des matières carbonées mêmes, ces particules étant maintenues en mouvement turbulent au moyen d'air de combustion introduit par le bas, puis en évacuant les cendres de la couche, selon leur degré d'enrichissement, et au moyen d'organes destinés à absorber la chaleur, disposés dans ladite couche, en extrayant,
pour les rendre utiles, les calories de la couche en mouvement turbulent, qui ne sont pas nécessaires pour le maintien de la température de combustion.