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perfectionnements aux dispositifs de transmis- sion de chaleur à de hautes températures. formée par 'Société dite :
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La présente invention concerne des dispositifs de transmission de chaleur à de hautes températures et plus particulièrement;. des oarneaux de chauffage, des récu- pérateurs et régénérateurs destinés à transmettre de la chaleur dans un four à coke à sous-produits.
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L'invention a pour but d'augmenter l'efficaci- té de la transmission de la chaleur par des gaz chauds, en partie en provoquant une concentration de la transmis- sion de la chaleur sur les surfaces par lesquelles la cha- leur doit être transmise, et en partie en accentuant cet- te concentration en faisant ces surfaces qui transmettent la chaleur en matière spéciale possédante ainsi qu'on l'a découvert, une bonne résistance à la destruction physique dans des conditions de travail déterminées et conservant en même temps à un haut degré une haute conductibilité de la chaleur.
Une grande partie des frais d'exploitation d'un four à coke à sous-produits est constituée par le coût de' la chaleur nécessaire pour la carbonisation du charbon en vue de sa transformation en coke. Cette chaleur est ordi- nairement fournie par la combustion d'un combustible en présence d'air préalablement chauffé, cette combustion ayant lieu dans des carneaux de chauffage contigus aux chambres de cckéification. Le combustible généralement utilisé est un combustible gazeux tel que du gaz pauvre, du gaz àl'eau, du gaz de haut-fourneau, du gaz de four à coke, etc, . Dans la pratique courante, le gaz ayant un faible pouvoir calorifique est préalablement chauffé dans des régénérateurs ou récupérateurs, aussi bien que l'air nécessaire pour la combustion.
L'air et le gaz combusti- ble préalablement chauffés se rencontrent et brûlent dans les carneaux de chauffage, comme cela est dit plus haut. Les gaz brûlants ainsi produits circulent dans les carneaux de chauffage et transmettent leur chaleur aux parois de ceux-ci. La chaleur se transmet ensuite à tra- vers les parois à la charge de combustible contenue dans les chambres de ookéification. Les matériaux ordinaire- ment employés pour la construction de' ces carneaux
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contiennent de la silice et conduisent assez mal la cha- leur. En conséquence, lorsque les matériaux contiennent de la silice, on est obligé de maintenir dans les car- neaux de chauffage une température extrêmement élevée, 'en partie en pure perte, pour obtenir une température de car- bonisation efficace dans les chambres de ookéifioation.
En d'autres termes, il faut que la chaleur produite dans les carneaux pour cokéifier une charge de charbon conte- nue dans la chambre de cokéification soit supérieure à celle qui ost théoriquement nécessaire, puisque la faible conductibilité des'parois comprises entre le carneau de' chauffage et la chambre de cokéification constitue une ré- sistance qu'il faut constamment vaincre pour que le degré de chaleur nécessaire atteigne réellement le charbon.
Il faut donc brûler des quantités excessives de combustible pour maintenir dans les carneaux la température nécessai' re à l'opération de cokéification qui se fait dans la chambre de cokéification. En outre, les murs construits en briques de silice se fendent et présentent des fissures aux températures des fours, de sorte qu'ils exigent cons- tamment des réparations et des renouvellements coûteux. -
On pourrait réaliser une économie notable sur la quantité de chaleur nécessaire pour la carbonisation en utilisant;
pour la construction du mur destiné à trans- mettre la chaleur, des matériaux ayant un coefficient de conductibilité élevé, mais jusqu'ici, à la suite de nom- breuses expériences, on a cru qu'aucune matière possédant une haute conductibilité pour la chaleur n'était physique- ment suffisamment durable pour résister à la désintégra- tion dans les conditions .de fonctionnement dont il s'agit.
C'est ainsi, par exemple, que les inventeurs se sont ef- forcés eux-mêmes d'utiliser des matériaux tels que les ma-
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tières réfractaires bien connues à base de carborundum,
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mais ils ont constaté d'une façon générale que ces matiè- res réfractaires ne donnent pas satisfaction, surtout en ce qu'elles ne résistent pas aux conditions en présence desquelles on se trouve dans un carneau de four à coke.
Toutefois ils ont trouvé qu'un mur réfractaire construit en briques faites en matière réfractaire spéciale compo- sée principalement d'un élément possédant une haute con- ductibilité pour la chaleur, mais contenant aussi une pro- portion convenable .d'un élément qui, tout en ayant une conductibilité moindre pour la cnaleur, fournit la force de cohésion nécessaire, donnera de bons résultats dans les conditions qui sont celles des carneaux de chauffage corn* me ceux d'un four à coke à sous-produits. De préférence, l'élément ayant une haute conductibilité pour la chaleur devra être contenu dans la matière réfractaire en quanti- tés telles que ses hautes qualités relativement à la transmission de la chaleur soient communiquées à la matiè.. re réfractaire dans son ensemble.
On aura une proportion typique pour les éléments en prenant approximativement 90 % de carborundum (carbure de silicium) et approximati- vement 10 % de liant très réfractaire tel que l'argile réfractaire. On ne peut pas augmenter la proportion de carborundum sensiblement au-dessus de 90 %, sans détruire la capacité des briques de résister aux actions qui se produisent dans les conditions de fonctionnement dont il s'agit, et la proportion de liant ne doit jamais être ré- duite dans une mesure telle que la matière réfractaire obtenue ait des qualités insuffisantes au point de vue de sa résistance physique et de sa construction dans les conditions de fonctionnement réelles.
Les inventeurs pré- fèrent utiliser le maximum de quantité de l'élément très conducteur et le minimum de quantité du liant assurant la
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cohésion. 'Bien qu'elle puisse être augmentée, la
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proportion de ce dernier élément sera de préférence aussi faible que possible et comprise entre les limites de la résistance nécessaire et des exigences au point de vue de la cohésion de la matière réfractaire dans des circons- tances particulières. En d'autres termes, ce qu'il s'agit d'obtenir, c'est une brique en carbure de silicium ayant une haute résistance physique dans les conditions de cha- leur avec lesquelles il faut compter dans la pratiqué des fours à coke à sous-produits.
On trouve dans le commerce.- sous le nom de oarbofrax B, une matière réfractaire à ba- se de carborundum qui constitue un exemple de la matière réfractaire décrite ci-dessus. Contrairement aux résul- tats donnés par d'autres matières réfractaires de nature semblable, le carbofrax B est assez durable pour résis- ter à la désintégration et en même temps il possède à un haut degré la haute conductibilité nécessaire. Los inven- teurs ont donc découvert dans le carbofrax B une matière qui, en raison de ses éléments constitutifs; possède un @ coefficient élevé de conductibilité pour la chaleur tout en étant extrêmement résistant relativement aux actions de désintégration dans les conditions de fonctionnement en présence desquelles on se trouve.
Effectivement, un mur en carbofrax B résiste mieux aux températures d'un four qu'un mur en briques de ailice; en outre, il ne se- rétrécit pas et ne se dilate pas autant qu'un mur cons- truit en briques de cette dernière sorte. C'est grâce à cette propriété nouvelle et inattendue du oarbofrax B que cette matière se prête particulièrement bien. à l'uti- lisation pour la construction du mur de transmission de ohaleur dans un carneau de four à coke.
Il est évident, que, dans un oarneau comportant un mur de transmission de chaleur en oarbofrax B, si les
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murs ne servant pas à la transmission de la chaleur sont
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en matière ayant un coefficient de conductibilité moindre, il en résultera une concentration de la transmission de la chaleur sur cette partie du carneau qui est particuliè- rement destinée à la transmission de la chaleur, et par conséquent que la transmission de la chaleur sera inten- sifiée et accentuée par cette partie du carneau très con- ductrice de la chaleur.
On peut augmenter cette concentra- tion d'efficacité en doublant ou en revêtant partiellement ou entièrement la partie servant à transmettre la chaleur, au moyen d'une matière calorifuge spéciale ayant un coef- ficient de conductibilité moindre que celui de la brique de silice usuelle. Un revêtement isolant de ce genre em- pêchera les pertes de chaleur par les oloisons, le toit, les fondations et d'autres parties du four à coke. En iso- lant chaque unité de transmission de la chaleur, on con- centre la chaleur et on facilite ainsi la transmission de la chaleur du fluide de chauffage au corps à traiter. La matière spéciale que les inventeurs ont trouvée propre à servir d'isolant est la zircone.
La combinaison de carbo- frax B jouant le rôle de matière constitutive des surfa- ces destinées à transmettre la chaleur, et de zircone jouant le rôle de matière constitutive de la surface iso- lante, est donc extrêmement utile pour les constructions soumises à des températures élevées, comme celles des fours à coke, particulièrement en ce que les coefficients de dilatation de ces -deux matières sont à peu près les mêmes.
Le rapport entre la zircone et le carbofrax B relativement à leurs coefficients de dilatation respec- tifs a une importance marquée,car c'est cette propriété qui. rend l'usage combiné de cas deux matières particuliè- rement approprié pour les conditions spéciales en présence desquelles on se trouve dans la pratique des fours à cpke,
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La tendance de la construction à présenter des
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fissures et des fentes sous l'action des changements de température est par suite notablement diminuée, tandis que l'efficacité de chaque partie, particulièrement en combinaison avec les autres parties de la construction, ou par rapport à ces autres parties, est notablement aug- mentée.
La présente invention est applicable non seule- ment aux carneaux de chauffage de fours à coke à sous- produits, mais aussi aux économiseurs de chaleur utilisée dans ces fours sous forme de récupérateurs ou régénéra- teurs usuels, de même qu'à d'autres types d'appareils de. transmission de chaleur à des températures élevées.
L'objet de l'invention est représenté à titre d'exemple par les dessins annexés, dont la fig. 1 est une coupe d'une partie d'un four à coke à sous-produits com- portant la chambre de cokéification et les carneaux de chauffage auxquels la présente Invention est appliquée..
La fig. 2 est une vue semblable à la fig. 1 et représente une variante. La fig; 3 est une coupe d'une partie d'un. système récupérateur comportant l'objet de-l'invention.
La fig. 4 est une coupe d'un récupérateur d'un four à co- ke à sous-produits comportant l'objet de l'invention.
Les mêmes numéros de référence se rapportent aux mêmes pièces dans toutes les figures.
On considérera d'abord plus particulièrement les fig. 1 et 2 des dessins. 1 est une chambre de cokéi- fication d'un four à coke à sous-produits comportant des carneaux de chauffage 2 du type horizontal et des cloisons adjacentes 3, toutes les autres parties du four étant supprimées pour plus de clarté. Généralement parlant;ces fours sont composés de plusieurs chambres de cokéifica- tion- parallèles semblables à la chambre 1 et comportent des carneaux de chauffage entre les chambres voisines dans
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les fours à coke du type . à earneaux verticaux, et des carneaux de chauffage de chaque côté de chaque chambre de eokéification dans les fours du type à carneaux ho- rizontaux.
Les carneaux de chauffage peuvent être d'un type quelconque., mais ils sont généralement du type hori- zontal ou du type vertical. Dans beaucoup de fours, parti- culièrement ceux du type à carneaux horizontaux,- des cloi- sons en maçonnerie lourde sent construites entre les cham- bres de cokéification contigües, de façon à isoler chaque chambre de ses carneaux de chauffage. Les carneaux sont combinés avec des économiseurs ou échangeurs de chaleur qui fonctionnent de la façon bien connue et qui sont géné- ralement constitués par des régénérateurs ou récupérateurs.
Suivant la présente invention, les parois inté- rieures G des carneaux de chauffage 2 contigües à la partie intérieure de la chambre de cokéification 1 sont faites de préférence en carbofrax B, La chute ou perte de ohaleur dans le carbofrax B n'est que d'un cinquième environ décolle des matériaux habituels à base de silice.
Dans le mode de réalisation préféré de l'inven- tion, les parois extérieures R des carneaux de chauffa- ge 2 sont en matière.réfractaire ayant un coefficient de conductibilité très faible, de préférence en zircone.
La zircone et les autres matières similaires sont des calorifuges qui transmettent la chaleur très lentement et empêchent ainsi les pertes de chaleur dans les carneaux de chauffage. Dans certains cas il est avantageux d'entou- rer non seulement les parois extérieures des carneaux de chauffage, mais aussi les parties découvertes de la cham- bre de cokéification, dans une enveloppe en matière iso- lante R comme celle que montre la fig. 2. Grâce à cette précaution, la chambre de cokéifioation et ses carneaux
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sont isolés de façon que la chaleur du fluide de chauffage
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soit concentrée dans les chambres et par suite utilisée sensiblement sans perte.
Dansle fonctionnement d'un four à coke à sous- produits suivant la présente invention* les chambres 1 sont remplies de charbon de la façon usuelle. Le gaz com- bustible est brûlé dans les carneaux de chauffage 2 de façon à fournir la chaleur nécessaire pour carboniser le ' charbon et le transformer en coke. Comme il ne faut qu'une différence de chaleur assez faible pour faire passer la chaleur à travers le revêtement perfectionné suivant l'in- vention, on peut utiliser une température très inférieure à la température utilisée jusqu'ici dans les carneaux de. , chauffage.
Comme la limite supérieure de température est inférieure, la quantité de chaleur nécessaire est considé- rablement réduite, de sorte que l'économie réalisée sur la quantité de calories nécessaire pour carboniser une tonne de charbon et la réduire en coke est considérable.
Lorsque le revêtement calorifuge suivant l'invention est utilisé avec le revêtement conducteur suivant l'invention, on réalise une économie supplémentaire de chaleur et par ,suite de combustible. L'enveloppe isolante empêche la cha-- leur de s'échapper à travers les cloisons 3 ou par le toit, la maçonnerie ou les fondations des fours à coke, parties qui sont indiquées ensemble par B dans les des- sins. Grâce à cette disposition, les pertes de chaleur qui se produisent généralement dans un four à coke à sous- produits par rayonnement, convection et conduction sont réduites au minimum.
Un four à ooke' à sous-produits construit suivant la présente invention est d'une grande souplesse de fonc- tionnement, de sorte qu'on peut obtenir une sorte de coke ou une série de sous-produits quelconques, suivant le mo-
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de de fonctionnement. En utilisant la même quantité de
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chaleur qu'actuellement par tonne de charge, on peut ré- duire notablement la durée de la cokéification, ce qui permet de réduire les charges fixes par unité de.produc- tion et d'augmenter la puissance de l'installation. La durée de la cokéification peut être réduite par exemple de douze à huit heures, ce qui permet d'augmenter de cinquante pour cent la production journalière de l'instal- lation.
D'autre part, si la durée de codification reste la même qu'actuellement pour une même charge de charbon, la quantité de chaleur nécessaire pour transformer une tonne de charbon en coke est notablement réduite. Par . exemple, la quantité de chaleur nécessaire peut être ré- duite de 2.100.000 cal. anglaises par tonne de charbon à
1.500.000 cal. anglaises par tonne de charbon, soit une réduction de 600.000 cal. anglaises par tonne de charbon.
La présente invention p3ut aussi être appliquée avantageusement aux échangeurs de chaleur tels que les récupérateurs ou régénérateurs. La fig. 3 montre un récu- pérateur comportant un revêtement perfectionné suivant l'invention. La lettre B désigne la maçonnerie qui en- toure un récupérateur représenté ici sous forme de récu- pérateur du type à canal, bien que l'invention soit égale- ment applicable aux récupérateurs tubulaires et autres.
Le récupérateur représenté se compose de deux petits ca- naux A et d'un canal plus grand H, qui se trouve entre les deux premiers. Le grand canal est destiné au passage des gaz chauds venant des carneaux de chauffage d'un four et allant à la cheminée d'échappement, tandis que les deux petits canaux sont-destinés au passage de l'air froid venant de- l'atmosphère et allant aux carneaux de chauffage..
Les cloisons. 0 qui séparent les canaux à air du canal à gaz d'échappement sont en carbofrax B. Autour de ces
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canaux se trouve une enveloppe R en matière isolante.,
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de préférence en zircone. Cette construction facilite la transmission 'de la chaleur des gaz chauds à l'air froid qui entre, tout en empêchant la chaleur de se dissiper ou de s'échapper à travers la maçonnerie qui se trouve autour. L'air est ainsi préalablement chauffé jusqu'à une température supérieure à celle qu'on obtenait précé- demment et on peut par conséquent obtenir aussi des. tem- pératures supérieures dans les carneaux de ohauffage. En , même temps la température des gaz d'échappement se-trouve réduite, oe qui augmente ,le rendement thermique du four.
La fige 4 représente un régénérateur construit suivant l'invention. Ce régénérateur est construit en cloisonnage de briques C, de la façon usuelle. Les bri- ques C du cloisonnage sont en' carbofrax B. Il est avantageux d'enfermer le cloisonnage très conducteur dans une enveloppe R en matière isolante telle que la zirco- ne, de façon que le cloisonnage retienne sensiblement tou- te la chaleur et ne laisse échapper pratiquement-aucune partie de celle-ci. Dans le fonctionnement d'un four à coke à sous-produits, les gaz chauds d'échappement venant du ou des carneaux de chauffage entourent le cloisonnage en briques en se rendant à la cheminée. En passant à tra- vers les interstices du cloisonnage, les gaz cèdent leur chaleur aux briques.
En faisant le cloisonnage en maté- riaux de haute conductibilité pour la chaleur, on peut enlever aux gaz chauds toute la chaleur-qu'il est prati- quement possible de leur enlever. Lorsque le courant de gaz est renversé, l'air froid vient on contact avec les briques chaudes qui lui cèdent rapidement leur. chaleur.
La transmission de la chaleur est si parfaite que pres- que toute la chaleur des briques est transmise à l'air, de sorte que la température de celui-ci est portée à un
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dsgré élevé. En outre, comme le régénérateur construit
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suivant l'invention possède un coefficient élevé de transmission de la chaleur, il peut être plus petit que le type de régénérateur usuel, ce qui permet de réaliser une économie notable sur les frais de premier établisse- ment de l'installation. L'augmentation de l'allure de l'opération augmente le nombre de renversements du cou- rant de gaz par heure.
Diverses modifications peuvent être apportées sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention telle qu'elle est décrite et représentée par les dessins.
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-: R R V E N D I A T I 0 N S
1 Constructions pour la transmission de cha- leur à de hautes températures, par exemple pour des car- neaux de chauffage, régénérateurs ou récupérateurs, cons- tructions caractérisées par le fait que leurs canaux ser- vant au passage de la chaleur comportent des murs ou élé- ments d'une haute conductibilité pour la chaleur et d'au- tres murs ou éléments d'une conductibilité moindre.