FR2563897A1 - Four a faible inertie thermique destine en particulier a une installation de pyrolyse - Google Patents

Abstract

FOUR POUR LE TRAITEMENT THERMIQUE DE MATERIAUX TELS QUE DES MATIERES ORGANIQUES DEFILANT LONGITUDINALEMENT A L'INTERIEUR D'UN PASSAGE FERME CONSTITUANT L'ENCEINTE DU FOUR CHAUFFEE PAR DES TUBES RADIANTS DISPOSES AU-DESSUS D'UN CONVOYEUR A DEPLACEMENT AXIAL A L'INTERIEUR DU PASSAGE. L'ENCEINTE 1 COMPORTE UNE ISOLATION A DEUX COUCHES DISPOSEE A L'INTERIEUR D'UNE ARMATURE METALLIQUE EXTERIEURE 7, 8 DU FOUR ET CONSTITUEE D'UNE COUCHE EPAISSE 16 D'UN ISOLANT COURANT ET AU CONTACT DE L'ENCEINTE 1 D'UNE COUCHE MINCE 15 D'UN ISOLANT A HAUTE PERFORMANCE D'ISOLATION ET L'ENCEINTE 1 EST FERMEE VERS LE BAS PAR UN TAPIS METALLIQUE 4 POSE SUR UNE TABLE DE GLISSEMENT 5 ISOLEE PAR DES DALLES 17 EN ISOLANT A HAUTE PERFORMANCE. APPLICATION A LA REALISATION DE FOURS A FAIBLE INERTIE THERMIQUE APTES A REALISER LA PYROLYSE DU BOIS A GRAND DEBIT ET EN MARCHE DISCONTINUE.

Description

FOUR A FAIBLE INERTIE THERMIQUE DESTINE EN PARTICULIER
AUNE INSTALLATION DE PYROLYSE
La presente invention s'applique à un four pour le traitement thermique de matières organiques telles que déchets de bois, ordures ménagères, etc., defilant longitudinalement à l'intérieur d'un passage fermé constituant l'enceinte du four chauffée par des tubes radiants disposés au-dessus d'un convoyeur à déplacement axial à l'intérieur du passage.

Les fours destines à la pyrolyse des produits organiques tels que les déchets de bois doivent fonctionner à une température élevée afin d'obtenir un dégagement complet des produits volatils et gazeux et surtout un charbon de bois de bonne qualité. Lorsque la valorisation des produits condensables courants tels que les brais, les acides acétique et ferrique, le méthanol, le furfurol, les acétates et les arômes alimentaires, n'est pas envisagée à l'issue de la pyrolyse, il est important que les molecules de ces produits vaporises soient le plus possible craquées afin de donner un maximum de gaz combustible venant s'ajouter à la production de base des résidus solides. Ces conditions conduisent à terminer la pyrolyse à des températures élevées qui peuvent atteindre 9000C.Les fours réalisant par exemple le traitement des déchets de bois dans de telles conditions doivent traiter des débits de matière importants qui dépassent largement la tonne par heure et exigent des volumes et des masses de matériaux chauffés tels que la marche des ces fours ne peut plus être réalisée economiquement qu'à feu continu.

L'installation et le fonctionnement de tels fours de pyrolyse requiert alors des moyens industriels et d'organisation du travail si importants que l'installation des fours de pyrolyse à proximité des centres de production de bois de rebut, tels que les scieries, se révèle impossible.

L'un des buts de la presente invention est de réaliser un four à pyrolyse qui soit apte à traiter des débits de matière importants et qui, en même temps, n'exige que peu de moyens en main d'oeuvre tout en permettant son installation en tous lieux ainsi qu'un dépannage aisé en cas d'incident de marche sur le four. Un tel four devrait pouvoir permettre aisément l'arrêt en fin de semaine et même, moyennant une isolation thermique renforcée, un arrêt journalier pour éviter d'avoir à utiliser une équipe de nuit qui se révèle toujours difficile à recruter et de faible rendement.

A cet effet, dans le four selon l'invention, l'enceinte longitudinale fermée du four comporte dans sa partie fixe une isolation thermique à plusieurs couches, disposée à l'intérieur d'une armature extérieure de support du four, l'isolant du côté de l'armature étant constituée par une couche relativement épaisse d'au moins un matériau d'isolation courant tel que de la laine minérale, tandis que la couche au contact de l'enceinte est un molleton mince et à surface lisse d'un materiau à haute performance d'isolation tel que des fibres céramiques.L'enceinte est délimitée vers le bas par un tapis métallique mince continu supportant les materiaux à traiter et enroulé à chacune de ses extrémités sur au moins un tambour dont au moins l'un assure son entraÇnement axial, - ledit tapis etant ferme sur lui-même à la maniere d'une courroie sur les tambours et plaqué sur ses bords du côte de l'enceinte sur des faces latérales inférieures de l'isolation et la bande supérieure du tapis est en appui sur une table de glissement en alliage réfractaire posée sur des dalles isolantes à haute performance d'isolation, elles-mêmes supportées par des tôles fixées sur des profilés relies à l'armature métallique.La masse à chauffer pour la mise en route du four est ainsi constituee uniquement par le molleton isolant mince, les tubes radiants, le tapis métallique mince et surtout par les matériaux à traiter étalés sur le tapis métallique, ce qui assure une tres faible inertie thermique permettant d'assurer la chauffe du four dans des delais compris entre une demie heure et deux heures selon le dimensionnement du four. Au refroidissement du four, il est possible d'évacuer la quasi totalité des matériaux traités avant l'arrêt du tapis et la quantité de chaleur perdue est encore plus faible, la couche épaisse d'isolant de type courant contribuant d'ailleurs à maintenir le four partiellement chaud pendant une periode suffisante pour un arrêt de nuit.

Selon un autre mode de réalisation, la fermeture de l'enceinte vers le bas au-delà de la bande inférieure du tapis est réalisée par une tôle de fond de four qui est supportée par des profiles porteurs, sur laquelle repose cette bande inférieure et qui est isolée du côté exte- rieur à l'enceinte par au moins une couche épaisse d'au moins un isolant thermique courant tel que de la laine minérale. L'armature extérieure comporte une ossature métallique en tôles et profiles formée d'une carapace supérieure fixée de façon amovible sur'un support inferieur en éléments démontables et les tôles de fermeture du plafond et du plancher ou du fond de four sont soudées à l'armature tandis que les tôles de fermeture disposées sur le côté respectivement au niveau de l'enceinte et du tapis, sont amovibles.

Selon encore un autre mode de réalisation du four selon l'invention, les tubes radiants de chauffage sont suspendus par des brides à la partie supérieure de l'ossature métallique et pénètrent dans l'enceinte en traversant des tôles de fermeture latérales amovibles supérieures de telle manière qu'un tube radiant defaillant puisse être retiré avec sa plaque de fermeture pendant la marche normale ou en léger ralenti du four et remplacé par un autre tube radiant avec sa plaque de fermeture ou par une plaque de fermeture fermée, c'est-à-dire non munie de passages ou bien dont les passages du tube radiant sont obturés.

D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description d'un mode de réalisation du four selon l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé où:
- la figure 1 représente le four à défilement selon l'invention en
coupe transversale;
- la figure 2 est une vue laterale à plus petite échelle, prise du
côté opposé à l'entrée des tubes radiants, du four à
défilement selon l'invention, la zone centrale du
four étant représentée seulement en partie pour
limiter la longueur du dessin.

Le four représenté en section à la figure 1 et en long à la figure 2, est une enceinte hermétique 1 dans laquelle les matieres à traiter entrent par un premier sas d'étanchéité d'entree 2 situe a une extrémité du four, et sortent par l'intermédiaire d'un second sas de sortie 3 situé à l'autre extrémité.

Les produits à traiter dans le four et qui dans l'application envisagée sont des morceaux ou des déchets de boise se déplacent dans le four sur un convoyeur. Selon linvention, le convoyeur des produits à traiter comporte un tapis 4 en fils métalliques, notamment en acier réfractaire spécial, torsadés ou tissés, dont la bande supérieure 4a glisse sur une table 5 en alliage réfractaire.

Le four est chauffe à laide de tubes radiants 6 qui peuvent être maintenus en température par tout moyen, notamment par des resistances électriques. Dans le cas envisagé de l'application du four à la pyrolyse de déchets de bois ou autres matières organiques, on peut avantageusement utiliser pour le chauffage des tubes radiants tout ou partie des gaz de pyrolyse récupérés, étant entendu que la mise en route du processus de pyrolyse est réalisée par d'autres moyens tels que le chauffage par un autre gaz. Dans le cas du chauffage au gaz, le retour des gaz brûlés peut servir au sechage des produits a pyrolyser.

L'armature du four comporte une ossature métallique en tôles et profilés constituée d'une carapace supérieure 7 qui est boulonnée sur un support inférieur 8 posé par des pieds 9 sur le sol,.sur une dalle ou sur une série de socles separés 9a. Les deux parties de l'ossature, la carapace 7 et le support 8, sont aisément démontables et séparables par éléments (numérotes A, B, C, D, E ...R, S, T, U à la figure 2) aisés à manipuler, ce qui permet un accès rapide au convoyeur constitue locale ment par les deux bandes repliées supérieure 4a et inférieure 4b du tapis 4, et par leurs pièces de support, à savoir, pour la bande 4a, la table 5 en alliage réfractaire en contact avec l'ambiance de l'enceinte 1 du four et, pour la bande inférieure 4b, des tôles de fond 10 supportées par des profiles porteurs 11 reliés au support inférieur 8.Selon un mode de réalisation avantageux, les tôles de l'armature du four sont soudées à l'interieur de l'ossature afin de constituer un plafond 12 et un plancher (par les tôles de fond de four 10), tandis que les tôles disposées sur les côtés, hautes 13 et basses 14, sont amovibles afin de permettre un acces local aisé à une partie du four oD s'est produit un incident.

Selon l'invention, l'isolation des parois verticales et du plafond est située à l'intérieur du four et constituee en premier rang, du côté de l'enceinte 1 du four, d'un molleton en fibres céramiques 15, et en second rang de laine minérale 16 du côte des tôles d'armature du four.

Une isolation en panneaux de fibres céramiques rigides 17 poses sur des tôles 18 est également prévue sous la table 5, l'ensemble étant supporté par des profilés 19 formant supports du convoyeur. Cette disposition permet également de réaliser l'isolation du plancher formé par des tôles de fond de four 10 à l'aide d'un simple revêtement extérieur 20 en laine minérale. En fait, la table 5 est constituée de plaques de glissement en alliage métallique réfractaire, posées sur les panneaux isolants 17 en fibres céramiques et immobilisées par rapport aux tôles 18 (ce qui n'interdit pas leur dilatation). Pour bien fermer l'enceinte 1, le tapis 4 est plaqué sur ses bords du côté de l'enceinte 1 sur les faces latérales inferieures 15b du molleton 15 en fibres céramiques.

Le four qui, dans d'autres applications, est maintenu en légère surpression pour éviter tout pénétration d'air, est ici maintenu en légère dépression afin d'éviter tout risque de fuite de gaz de pyrolyse explosif et/ou corrosif, vers l'extérieur. Les gaz sont aspirés à l'extrémité du four par une hotte d'aspiration ou d'évacuation 21 (voir la figure 2) qui a pour fonction de réduire les turbulences et donc l'en- trainement de poussière déjà réduit par l'étalement sur un tapis métallique quasi lisse et dont l'entraînement s'effectue sans secousses.

Apres leur captage dans la hotte 21, les gaz de pyrolyse chauds sont évacués par une conduite non représentée raccordée à une bride 21a.

Le tapis 4 en fils métalliques (représenté en pointillés à la figure 2), est enroulé à son extrémité du côté du sas de sortie 3, sur- un rouleau "chaud" 22 tournant librement sur son axe et est tiré à sa partie inférieure (bande 4b) par un tambour moteur "froid" 23 par l'intermédiaire d'un rouleau tendeur 24. Les paliers 25 des axes des rouleaux 22 et 24 et du tambour moteur 23 sont situés à l'extérieur du four de maniere à être relativement protégés, d'une part, de la chaleur du four qui ne peut pénétrer que par les axes supportés par ces paliers et, d'autre part, des particules abrasives présentes à l'intérieur de l'enceinte 1 du four.La traction qui déplace longitudinalement le tapis 4 est provoquée par la rotation du tambour moteur 23 et s'exerce principalement sur la bande inférieure 4b qui, débarrassée des produits après le rouleau 22, se refroidit rapidement et est ainsi plus apte à résister à l'usure et aux efforts de traction nécessaires pour assurer la propulsion du tapis 4 chargé de produits la en cours de traitement. La vitesse du tambour moteur 23 est réglable afin de permettre d'adapter la vitesse de défiiement du tapis 4 à la nature des matieres à traiter thermiquement dans le four et au type de traitement désiré. En variante, le tambour moteur 23 peut tourner de façon discontinue ou bien procéder par avances et reculs alternés.

Le fonctionnement du four selon l'invention va maintenant être explicite en référence à son utilisation comme four à pyrolyse dans lequel des matières à traiter telles que des déchets de bois sont décomposées par la chaleur dans une atmosphère aussi pauvre que possible en oxygène. On obtient ainsi un mélange de gaz combustible composé principalement de CO, C02, H2, CH4, C2H2,des résidus solides à assez forte teneur en carbone, et des huiles et goudrons en quantités d'autant plus faibles que la température de pyrolyse sera plus élevée.Lorsque la valorisation recherchée se presente sous la forme d'un combustible gazeux et/ou solide, la température du four sera relativement élevee (entre 600"C et 9000C suivant le type de matières traitées) afin de limiter la production des huiles et des goudrons.

En régime de fonctionnement normal, le four est chauffé à l'aide d'une partie des gaz produits par les réactions de pyrolyse, apres dépoussiérage, refroidissement et dégroudronnage préalables. Le reste des gaz est utilisable pour une consommation extérieure, de même que les résidus solides (par exemple, le traitement des déchets de bois par pyrolyse à haute temperature produit un charbon de bois de très bonne qualite).

A la mise en route du four, celui-ci est d'abord chauffé, le cas échéant avec les déchets de bois en attente sur le tapis 4 immobile, puis lorsqu'une température suffisante est atteinte, le tapis 4 est entraîné par rotation du tambour moteur 23 et les déchets à traiter en continu sont introduits par le sas d'entrée 2 tandis que les déchets pyrolysés et transformés ici en charbon de bois sont évacués par le sas de sortie 3 et refroidis par des étouffoirs ou une installation de conditionnement final non représentés. Les gaz de pyrolyse qui se dégagent sont évacués à la bride 21a.

La couche de produits à traiter la pourrait atteindre le voisinage des tubes radiants 6 mais est, de préférence, relativement mince pour tenir compte du fait que la chaleur pénètre principalement par rayonnement dans la partie amont du four. Le gradient de température, le long du tapis 4, progresse vers l'aval et peut être réglé en ajustant la puissance de chauffe des divers tubes radiants 6 en correspondance à la vitesse de translation du tapis 4.Une production régulière de gaz est en général assurée à partir du milieu du tapis 4 jusqu'à son extrémite où, par suite de la température élevée qui règne dans l'enceinte 1 et dans la masse de déchets, le dégagement de gaz cesse dans une atmosphère depourvue de tout comburant tandis que les molécules de gaz les plus lourdes (en masse atomique) en provenance de la zone de pyrolyse initiale (dès 2000C) et les huiles et les goudrons volatilisés sont soumis à un craquage.

La principale caractéristique du four selon l'invention réside dans sa faible inertie thermique qui permet d'amener rapidement les matieres à traiter à une température de traitement qui, dans certaines applications, est voisine de 1000cl. Cettecaractéristique autorise l'arrêt du four en fin de semaine et même en fin de journée et la remise en route rapide du four froid à la reprise du travail. De telles pro priétes de faible inertie thermique sont dues au fait qu'en dehors des déchets à traiter les seules parties à chauffer sont constituées par la demie épaisseur de l'isolation 15 relativement mince en fibres céramiques, par les tubes radiants 6 et par la bande supérieure 4a du tapis 4 et la table 5 relativement mince en alliage réfractaire.

Divers autres avantages sont obtenus grâce au four selon l'invention. L'ossature extérieure permet d'obtenir des parois plus lisses à l'intérieur du four, ce qui réduit la turbulence de l'écoulement des gaz de pyrolyse. L'accès à l'intérieur du four est très aisé et s'obtient:
- par simple retrait soit des tôles latérales 13, en cas
d'inspection, de réparation ou de remplacement de l'isolant ou des
tubes radiants, soit des tôles 14 en cas d'inspection du tapis 4
ou bien,
- par retrait complet de la carapace superieure 7 du four pour des
opérations plus importantes, par exemple le remplacement du tapis
roulant 4. Une telle operation est réalisable en quelques heures,
y compris l'arrêt et la remise en service, alors qu'une interven
tion de même importance dans un four classique peut durer plu
sieurs jours.

Les fibres céramiques 15 sont relativement onéreuses, mais elles peuvent, en contrepartie, être utilises en couches de faible épaisseur et présentent divers avantages en relation avec la présente invention:
- elles résistent bien aux températures élevées (au moins jusqu'à 900"C);
- elles présentent un pouvoir réfléchissant élevé en plus de leur
pouvoir isolant, ce qui assure un bon chauffage par rayonnement
incident;
- leur inertie thermique est tres faible1 ce qui permet une mise en
température très rapide du four (une demi-heure environ) et une
très grande souplesse d'utilisation.

Les panneaux 17 en fibre céramique supportent la table réfractaire 5 et suppriment tous les ponts thermiques entre cette table et sa structure de support constituee par les profilés 19, eux-mêmes placés dans une ambiance relativement chaude par le revêtement-isolant extérieur 20 en laine minerale.

Pour contrôler la marche du four, des thermostats sont disposes sur toute sa longueur et commandent séparément le fonctionnement de chaque brûleur d'élément chauffant. La température est ainsi parfaitement maîtrisée pendant toute la durée du transit des matières en cours de traitement, et peut être choisie par l'utilisateur en fonction du type de valorisation désiré pour les produits traités thermiquement, sans risquer de la voir varier de façon inopinée à cause, par exemple, de variations de chaleur spécifique ou de l'endothermie des réactions de ces matières.

Les tubes radiants 6 sont suspendus à des profilés à la partie supérieure de l'ossature par des brides 26 et pénètrent dans l'enceinte hermétique 1 du four en traversant des tôles amovibles 13 sur lesquelles ils sont fixés par des flasques 13a. Il est ainsi possible de les ôter ou de les installer par simple retrait d'une ou de deux tôles amovibles 13 et des blocs d'isolation 15, 16 qui leur font face et, en cas d'incident sur un tube radiant 6, le four peut continuer à fonctionner alors que le tube radiant défaillant a éte retire pour réparation.Il suffit pour cela de retirer rapidement, pendant la marche normale du four ou un léger ralenti de celui-ci, la tôle amovible 13 avec le tube défaillant et l'isolation correspondante et de la remplacer par une tôle identique 13 (avec une isolation 15, 16) mais fermée comme représentée sur la figure 2, c'est-à-dire non munie de passage(s) pour un ou plusieurstubes radiants ou bien dont les passages de tubes radiants ont été obturés. La remise en place du tube radiant reparé ou son remplacement par un autre s'effectue rapidement de la même façon pendant la marche du four ou son ralenti.

Pour limiter les fuites de gaz de pyrolyse, on peut évacuer les produits à traiter du four avant de procéder à la dépose d'une plaque 13 sans refroidissement préalable du four. Comme on le voit sur la figure 1, les blocs isolants qui separent les plaques 13 de l'enceinte intérieur 1 du four, sont adaptés pour être retirés vers l'exterieur sans perturber la position des autres blocs isolants de l'enceinte 1. Les différents éléments de l'isolation peuvent être assemblés entre eux et leur ensemble aux parois. Au niveau des tôles de fermeture, l'ensemble d'isolation peut être fixé localement aux parois de ces tôles par des goujons réalisés, si besoin est, en alliage réfractaire ou en céramique.

Un asservissement peut être prévu entre le fonctionnement des brûleurs des tubes radiants 6 et la vitesse d'avancement du convoyeur afin d'obtenir un arrêt automatique du chauffage en cas d'arrêt intempestif du tapis 4.

On peut egalement installer un asservissement entre le fonctionnement des tubes radiants, la vitesse d'avancement du convoyeur et la composition des gaz récupérés afin de réaliser une optimisation continue des réactions de pyrolyse.

Le four selon l'invention a été décrit dans une application à la pyrolyse de morceaux ou de déchets de bois où il peut traiter des débits importants de l'ordre de plusieurs tonnes à l'heure, mais il est bien évident qu'il peut être utilise pour d'autres traitements thermiques en continu tel que par exemple le recuit de pieces métalliques à des débits massiques plus faibles que ceux utilisés pour la pyrolyse du bois.

Bien entendu, la presente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation decrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1.- Four pour le traitement thermique de matériaux tels que des matières organiques défilant longitudinalement à l'intérieur d'un passage fermé constituant l'enceinte du four chauffée par des tubes radiants disposés au-dessus d'un convoyeur à déplacement axial à l'in térieur du passage, caractérisé en ce que l'enceinte longitudinale (1) fermée du four comporte dans sa partie fixe une isolation thermique à plusieurs couches, disposée à l'intérieur d'une armature extérieure (7, 8) de support du four, l'isolant du côté de l'armature étant constitué par au moins une couche relativement épaisse d'au moins un matériau d'isolation courant tel que de la laine minérale (16) tandis que la couche au contact de l'enceinte (1) est un molleton (15) mince et à surface lisse d'un matériau à haute performance d'isolation tel que des fibres céramiques, en ce que l'enceinte (1) est délimitée vers le bas par un tapis métallique mince continu (4) supportant les matériaux à traiter et enroule à chacune de ses extrémités sur au moins un tambour (22, 23, 24) dont au moins l'un (23) assure son entraînement axial, ledit tapis étant fermé sur lui-même à la manière d'une courroie sur les tambours (22, 23, 24) et plaqué sur ses bords du côté de l'enceinte (1) sur des faces latérales inférieures (15b) de l'isolation et en ce que Ya bande superieure (4a) du tapis (4) est en appui sur une table de glissement (5) en alliage réfractaire posée sur des dalles isolantes (17) à haute performance d'isolation, elles-mêmes supportées par des tôles (18) fixees sur des profilés (19) reliés à l'armature métallique (7, 8).

2.- Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fermeture de l'enceinte (1) vers le bas au-delà de la bande inférieure (4b) du tapis (4) est réalisée par une tôle de fond de four (10) qui est supportée par des profilés porteurs (11), sur laquelle repose cette bande inferieure (4b) et qui est isolée du côté exterieur à l'enceinte (1) par au moins une couche épaisse d'au moins un isolant thermique courant tel que de la laine minérale (20).

3.- Four selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'armature extérieure comporte une ossature métallique en tôles et profilés formée d'une carapace supérieure (7) fixée de façon amovible sur un support inférieur (8) en éléments démontables et en ce que les tôles de fermeture du plafond (12) et du plancher ou du fond de four (10) sont soudées à l'armature tandis que les tôles de fermeture (13,14) disposées sur le côté respectivement au niveau de l'enceinte (1) et du tapis (4), sont amovibles.

4.- Four selon la revendication 3, caractérisé en ce que les tubes radiants (6) de chauffage sont suspendus par des brides (26) à la partie supérieure de l'ossature métallique et pénètrent dans l'enceinte (1) en traversant des tôles de fermeture laterales amovibles supérieures (13) de telle manière qu'un tube radiant défaillant (6) puisse être retiré avec sa plaque de fermeture (13) pendant la marche normale ou en léger ralenti du four et remplacé par un autre tube radiant avec sa plaque de fermeture (13) ou par une plaque de fermeture (13) fermée, c'est-à-dire non munie de passages ou bien dont les passages du tube radiant (6) sont obturés.