FOURS À CHARBON PULVERISÉ

Le charbon pulvérisé (combustible pulvérisé-pf) a été cuit dans des fours à ciment rotatifs (voir Fours) et des fours de chaudière (voir Chaudières). Ces derniers sont essentiellement des boîtes garnies de tubes dans lesquels l’eau est évaporée et contiennent un mélange eau/vapeur. Le charbon est pulvérisé en une fine poudre, généralement de manière à ce que 70 % ait une taille inférieure à environ 75 μm, avant d’être transporté par une partie du flux d’air de combustion vers les brûleurs. Ces brûleurs à charbon sont généralement montés sur une paroi verticale, deux parois verticales opposées ou regroupés les uns au-dessus des autres aux quatre coins du four (voir figure 1 et figure 2). Les brûleurs d’angle tirent tangentiellement dans le four, ce qui donne une seule boule de flamme dans un vortex central. D’autres conceptions, par exemple, l’utilisation de la combustion descendante pour les charbons peu volatils et les brûleurs pour les charbons de qualité inférieure à forte humidité, ont été discutées par Dryden (1975) et Lawn (1987).

Dans tous les fours décrits jusqu’à présent, les cendres chaudes et sèches tombent dans le « fond sec » de la chambre du four où elles sont retirées. L’exception à cette règle est dans les chaudières à cyclone, qui sont généralement de deux types. Dans le four à cyclone vertical, une variante du modèle à combustion tangentielle, les plus grosses particules de charbon sont centrifugées hors du flux de gaz pour brûler sur les parois revêtues de réfractaire de la partie inférieure de la chambre, les scories s’écoulant par la chambre du « fond humide ». L’autre type de four cyclone utilise des chambres cylindriques individuelles à revêtement réfractaire dans lesquelles le charbon brûle pour donner des gaz chauds, qui sont évacués dans le four principal (voir les références précédentes).

Les grands fours pf ont une entrée de combustible d’environ 200 tonnes par heure de charbon (pour fournir une charge électrique de 500 MW) et des chambres de 35 m de haut avec une section transversale d’environ 300 m2 sont typiques. Le concepteur du four doit s’assurer que la quantité de chaleur transférée des flammes aux tubes de la paroi est suffisante pour évaporer la quantité d’eau souhaitée et que la température du gaz à la sortie du four reste correcte. Cela doit être fait sans que des flux de chaleur locaux excessifs n’endommagent les tubes, tout en assurant une combustion complète des particules de charbon. Il y a la considération supplémentaire que les polluants, par exemple, les oxydes d’azote, doivent être maintenus à un minimum.

Un des problèmes spécifiques aux fours à charbon est l’accumulation de cendres ou de scories sur les parois du four conduisant à des changements de température et d’émissivité. Raask (1985) a longuement traité des dépôts de cendres et de scories sur les parois des fours et des propriétés de transfert de chaleur des dépôts des chaudières. Il décrit également les mesures pour combattre l’encrassement dans les chaudières (par exemple, le nettoyage et le mélange du charbon, l’installation de souffleurs de suie et de jets d’eau). Les données sur l’efficacité de la combustion (typiquement plus de 98%), les températures des gaz de sortie du four entre environ 1300 K et 1600 K et les flux de chaleur mesurés jusqu’à environ 320 KWm-2 (augmentant d’environ 10% après le soufflage de la suie) ont été rapportées dans une grande usine de pf par Godridge et Read (1976).

Les concepteurs de four utilisent des modèles physiques et/ou mathématiques (voir Fourneaux). Ces derniers utilisent soit des bilans thermiques, soit la dynamique des fluides computationnelle, CFD. Dans la première méthode, le four est divisé en régions ou zones, voir Hottel et Sarofim (1967) et Field et al. (1967), et une application spécifique à un four à pf, utilisant également un modèle physique pour fournir des informations sur le transfert de masse a été décrite par Cooper et Gibb (1984). La méthode CFD est basée sur la solution par différences finies des équations de conservation de la quantité de mouvement, de l’enthalpie et des espèces. L’application de la méthode aux chambres de combustion cycloniques à charbon a été rapportée par Boyson et al. (1986).

Figure 2. Tubes muraux et ouvertures du brûleur dans une chaudière-fourneau à tubes d’eau alimentée par PF en cours de construction. (Reproduit avec la permission de PowerGen.)