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"PROCEDE ET APPAREIL POUR LE CHAUFFAGE DES GAZ"
La présente invention concerne un procédé de chauffage des gaz destinés aux usages industriels et couvre un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Le but de l'invention est la réalisation d'un procédé et de moyens pour le chauffage d'un certain nombre de gaz importants au point de vue industriel, y compris spécialement l'air, à des températures plus élevées que celles obtenues pratiquement jusqu'à ce jour,et à une tem- pérature plus sensiblement uniforme que celle réalisée par les procédés et appareils utilisés ou proposés;en même temps,
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l'invention permet de retirer un rendement élevé du combustible utilisé et de réaliser des économies à la fois dans la construction de l'appareil de chauffage et dans les frais d'entretien et de réparations.
On citera, à titre d'exemples d'utilisation des applications possibles du procédé: le chauffage préalable de l'air de combustion pour les hauts-fourneaux, le chauffage préalable de l'air et des gaz pour les fours à réaction, le chauffage de l'air ou du combustible des fours à coke, fours de réchauffage des lingots, fours rotatifs à chaux et à ciment, gazogène et, d'une manière générale, tout four ou procédé industriel fonctionnant à des températures élevées.
Ce procédé de chauffage des gaz est du genre dit "à récupération" représenté par exemple par.les récupérateurs Cowper et les fours Martin à récupération.
Les inconvénients suivants paraissent être inhérents à tous ces fours; L'échange de chaleurs entre les cana- lisations en brique réfractaire et les gaz qui les tra- versent au cours de la période de chauffage, n'est pas suffisant pour extraire toute la chaleur de ces gaz. Un second inconvénient réside dans le fait que, au cours de la période de refroidissement qui vient ensuite, ce même faible taux relatif d'échange de chaleurs entre la canali- sation et le gaz qui la traverse ne permet pas d'amener ce gaz à une température égale à celle des briques.
Par crain- te de fusion, liquéfaction, attaque par les fondants, affaissement, scorification, érosion et rupture des cana- lisations, il est nécessaire de limiter la température ma- xima prévue pour les briques, et la température maxima à laquelle on peut préalablement chauffer l'air ou le gaz dans un grand nombre de fours à récupération connu antérieurement à l'invention,est plutôt basse. Un troisième inconvénient réside dans le fait que le gaz sortant, surtout au cours de la période de refroidissement, a été plus fortement chauffé
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au commencement qu'à la fin de cette période, de sorte que la température de l'air ou du gaz chauffé a subi des hausses et des baisses, ce qui est inacceptable dans beaucoup de procédés où l'uniformité est essentielle.
Un quatrième inconvénient, de très grande importance, est la perte de rendement de ces fours toutes les fois que se forment sur les canalisations des dépôts de poussières ou de vapeurs nécessitant des opérations de nettoyage fréquentes et coû- teuses.
Dans les fours connus antérieurement, le matériau essentiel de l'appareil était la brique réfractaire cou- rante. La canalisation était constituée par un grand nombre de carneaux droits. Dans un des essais effectués en vue d'augmenter le contact thermique entre les briques et les gaz en circulation, on a réduit les dimensions des carneaux.
Dans toutes les dispositions proposées, plus la transmission de la chaleur est bonne et plus il est difficile de procéder au nettoyage et aux températures les plus élevées, plus les dangers de rupture de la brique et de détériorations aux canalisations augmentent. Le fait de décaler les briques de manière à obtenir un trajet en zigzag augmente grandement la transmission de la chaleur du gaz aux briques mais rend le nettoyage de la tuyauterie manifestement impossible.
Le but de l'invention est de remédier, dans la limite du possible, aux inconvénients ci-dessus. Le procédé suivant l'invention se distingue des procédés antérieurs du fait des résultats suivants et des moyens permettant d'obtenir ces résultats. En premier lieu, pendant toute la période de chauffage, les gaz d'échappement sortent des appareils de chauffage sensiblement à la température ambian- te, ce qui permet au procédé de fonctionner en se rapprochant dans la limite nécessaire ou désirable d'environ 100 % du rendement thermique. Ensecond lieu, la température de l'air ou du gaz fourni par les fours ou réchauffeurs est uniformé-
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ment élevée pendant toute la période de refroidissement.
En troisième lieu, cette température uniforme est aussi élevée qu'on peut le désirer et n'est limitée que par le point de fusion de la substance réfractaire utilisée dans l'établissement de l'élément absorbant la chaleur, ou par la température de combustion du combustible utilisé pour le chauffage. En quatrième lieu, le nettoyage de cet élément est simple, pou coûteux et rapide, si ropido on fait qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un réchauffeur de rechange pour remplacer celui que l'on arrête pour le netto- yer, le procédé de nettoyage s'intercalant facilement entre toute période commode de refroidissement et la période suivante de chauffage.
Cinquièmement, la quantité nécessaire de matière absorbant la chaleur est de beaucoup inférieure à celle utilisée dans les fours antérieurs, ce qui permet d'établir des fourn avec moins do matière, dana un espace plus réduit, et à moins de frais. Sixièmement, la construc- tion de ces réchauffeurs est plus robuste et plus résistante aux usages inconsidérés, mécaniques, chimiques pu thermiques, et les détériorirations résultant de surchauffe accidentelle, de gaz ou de vapeurs corrosives, de changements trop brus- ques de température, ou d'explosions des gaz, sont beaucoup plus rapidement réparées.
La mise en oeuvre satisfaisante du procédé nécessite une unité ou élément d'un dispositif d'absorption de la chaleur qui à la fors résiste à une température élevée et répond rapidement, tant en surface qu'au centre, aux changements de température de surface. En second lieu, il est nécessaire que ces éléments du dispositif d'absorption de la chaleur soient assemblés de façon qu'ils interceptent et extraient une quantité relativement grande de la chaleur des gaz chauds passant auprès de ou transversalement à la surface de chaque élément pendant la période de chauffage, et trans- mettent, avec la même efficacité, la chaleur qutils ont em-
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magasinée aux gaz plus froids passant pendant la période de refroidissement.
En dernier lieue il est nécessaire que l'ensemble des éléments d'absorption de la chaleur soient faciles à nettoyer.
On a découvert que la condition physique de la matière suffisante pour satisfaire à la série des exigences ci-dessus, en apparence sévères, se ramène à une question de dimensions. Si l'on 6tablit un dispositif d'absorption de chaleur en partant d'éléments suffisamment petits, toutes les conditions ci-dessus sont à peu près automati- quement remplies.
On sait que toutes les matières résistant aux températures élevées sont mauvaises conductrices de la chaleur. Etant donné que le temps nécessaire pour chauffer une particule varie suivant le carré de ses dimensions linéaires, une particule sensible aux changements de tempé- rature doit être relativement petite. A titre d'exemple, dans le cas d'une sphère de 102 m/m, il faut 32 minutes pour amener son centre à une température égale à 90 % de celle de sa surface; dans le cas d'une sphère de 51 m/m, 8 minutes, dans celui d'une sphère de 25 m/m. 2 minutes, et 30 secondes dans le cas d'une sphère de 12,5 m/m.
On satisfait à la première condition que doit remplir un dispositif d'absorption de chaleur convenant pour ce procédé, en utilisant, comme élément du dispositif d'absoprtion de chaleur, toute particule réfractaire de forme convenable, dont les dimensions sont suffisamment petites par rapport à la conductibilité thermique de la ma- tières pour que le temps nécessaire à une vague thermique pour se diffuser jusqu'au centre soit relativement courte par rapport à la durée des périodes de chauffage et de re- froidissement
La seconde condition est heureusement remplie simultanément avec la première.
Si l'on essaie d'établir un
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dispositif d'absorption de chaleur au moyen de particules réfractaires, de formes se rapprochant de la sphère et d'environ 25 m/m de diamètre, il est simplement nécessaire de les déverser dans une chambre. Les gaz traversant les interstices existant dans ce lit suivent alors en séries parallèles un nombre au plus haut point irrégulier de che- mins en zigzag ramifiés.
La troisième condition est également remplie par la disposition adoptée pour satisfaire aux deux premières.
Lorsqu'un lit de particules réfractaires devient sale, le procédé de nettoyage consiste simplement à ouvrir la chambre le renfermant, en un point situé plus bas que le lit, et à permettre aux particules sales de sortir par gravité. On peut constituer un nouveau lit en versant en haut une masse de particules propres. De préférence, on effectue ce changement de lit à la fin de l'une des périodes de refroi- dissement lorsque la plupart des particules réfractaires sont froides. Ces particules de brique peuvent être rapi- dement nettoyées de toute manière commode, et reversées dans le four suivant qui peut avoir besoin d'être nettoyé.
Pour permettre de décrire clairement ce procédé de chauffage des gaz, il est commode de choisir, à titre d'exemple spécifique, le cas du chauffage préalable de l'air pour le soufflage d'un haut-fourneau. Dans cet exem- ple, le combustible dont on dispose est un gaz de haut- fourneau renfermant, en pratique, de 21 à 28 % d'oxyde de carbone, avec peut-être 2 ou 3 % d'hydrogène, servant de combustibles, le reste étant surtout de l'azote et de l'acide carbonique. De préférence, on utilise deux fours semblables, l'un étant en période de chauffage tandis que l'autre est dans celle de refroidissement. Pour la produc- tion des gaz chauds pendant la période de chauffage, on utilise du gaz de haut-fourneau avec de ltair de combustion fourni par un ventilateur approprié.
La fig. 1 du dessin annexé représente un réchauffeur ou four convenant pour ce
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service. Un seul réchauffeur est représenté. Il est bien entendu que l'on utilise un second réchauffeur semblable au premier et pourvu d'une tuyauterie et de raccords de vannes analogues; ces deux appareils constituent une paire de réchauffeurs à récupérateur pouvant fournir à un haut- fourneau à une température uniforme, de l'air préalablement chauffé.
Sur le dessin annexé, la fig. 1 représente, en partie en coupe, un réchauffeur.
Pendant toute la période de chauffage, le gaz de haut-fourneau arrive par la conduite à gaz 1, passe par la vanne ouverte 2, et pénètre dans le brûleur 3 où il se mélange à l'air à tirage forcé pénétrant dans la conduite d'aspiration 4 par la vanne ouverte 5. Le mélange air-gaz brûle dans la chambre de combustion 6 constituée par la partie supérieure ouverte de la chambre de chauffage ou four 7. Les produits chauds de la combustion sont refoulés à travers le dispositif d'absorption de la chaleur, c'est-à- dire le lit 8 de particules réfractaires. Les produits de la combustion se trouvant refroidis, sortent de la chambre par l'ouverture annulaire 9, en traversant la chambre 10, en suivant la conduite 11, en traversant la vanne ouverte 12, et sont évacués par la conduite 13.
Pendant ce temps, les vannes 15 et 17 restent fermées. A la fin de la période de chauffage, on ferme les vannes 2, 5 et 12, on ouvre la vanne à air froid 15 et on introduit de l'air fourni par des machines soufflantes, non représentées, par la conduite à air froid 14, par 11, 10 et 9, dans le lit de particules réfractaires 8, cet air ayant maintenant un mouvement ascen- dant. L'air sort du haut du lit 8 à une température très élevée et passe par la conduite calorifugée 169 la vanne à air chaud 17 qui est ouverte, et est amené au haut-fourneau par la conduite à air chaud 19. De l'eau, amenée par une tuyauterie 18, sert à refroidir la soupape et son siège à l'intérieur de la vanne 17.
La période de refroidissement
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terminée, on ferme les vannes 17 et 15, on ouvre les vannes 2, 5 et 12, et une autre période de chauffage commence. On utilise un second réchauffeur semblable au premier et on le fait fonctionner de façon analogue sauf que le second ré- chauffeur est dans la période de chauffage tandis que le premier est dans celle de refroidissement, et inversement.On peut, comme de juste, utiliser plus de deux réchauffeurs, mais il n'en faut pas moins de deux pour assurer le chauffage de l'air de manière continue.
On peut, de temps à autre, constater que le dispositif d'absorption de la chaleur ne fonctionne plus de façon satisfaisante pour l'une ou plusieurs des raisons suivantes:- a) une couche de poussière, saletés ou vapeurs peut s'être accumulée sur la surface des particules, en réduisant le rendement thermique et, en bouchant les interstices entre les particules, augmente la chute de pression nécessaire pour obliger les gaz d u brûleur et l'air à passer à travers le dispositif d'absorption de chaleur ; cette contre- pression peut également devenir trop élevée par suite de l'éclatement d'une partie des particules sous des efforts thermiques ou un excès accidentel de chaleur, les particules peuvent devenir collantes et être à moitiéfondues, et peuvent s'agglomérer entre elles.
Une période quelconque de refroidissement terminée, on peut alors enlevér le cou- vercle de l'orifice 20 et laisser sortir toutes les parti- cules, ou une partie d'entre elles, hors de la chambre afin de la nettoyer. On ouvre en même temps un certain nombre d'orifices 21, placés dans des positions convenables au haut du réchauffeur; on introduit un nouvel approvisionnement de particules réfractaires dans le réchauffeur et le lit 8 est reformé dans sa position normale, comme représenté. On peut enlever, au moyen de barres introduites par les ouver- tures 21, toutes les particules de l'ancien lit refusant de sortir ou ayant tendance à être retenues par la garniture en
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briques 23 de la chambre 7. Les orifices 20 et 21 fermés, la période de chauffage commence de même que les autres opérations.
Pour faciliter la description de la mise en oeuvre du procédé dans ces réchauffeurs, on a établi, à la droite du dessin représentant le réchauffeur, un diagramme indi- quant, par des courbes, la température en certains points du lit absorbant 8 et à tout moment de l'opération. Par exemple, la courbe A B C D indique la température des particules de brique dans chaque plan du lit après environ un tiers de la durée de la période de chauffage. Dans ce cas, on a supposé que la température des produits de combus- tion dans la zone 6 de combustion est 1450 C.
Depuis le haut du lit 8 en descendant jusqu'au plan XX', la tempéra- ture des particules réfractaires, qui peuvent être, pour raisons de commodité, des morceaux de brique réfractaire passés au tamis à mailles de 32 à 19 m/m, n'est pas beaucoup inférieure à 1450 C, soit 1400 C ou au-dessus, et la partie du lit se trouvant au-dessous du plan Z Z', est sensiblement à la température de l'air fourni par les machi- nes soufflantes au cours de la période précédente de re- froidissement, soit 30 Co Entre les plans X X' et Z Z', la température des particules change rapidement d'un plan à l'autre. Dans la courbe A B C D, la température des parti- cules dans le plan X X' est donnée par le point B, la température au plan Y Y' par le point C, et la température des particules dans le plan Z Z' par le point D.
On voit que le lit est divisé en trois sections sensiblement distinctes ; section inférieure, au-dessous de Z Z', est froide, la section supérieure, au-dessus de X X', est essentiellement à la température du brûleur, et la distance intermédiaire est courte par rapport à la dis- tance totale du haut au bas du lit. La température des gaz à chaque point du lit est donnée par la courbe en traits
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pointillés A'B'C'D' et, à chaque point, est plus élevée que la température correspondante des particules solides.
On constatera que la courbe en traits pointillés A'B'C'D' ne diffère de la courbe en traits pleins A B C D que par un très petit nombre de degrés dans la section chaude au- dessus de X X', et dans la section froide en-dessous de Z Z'. La différence de température en un point de la section intermédiaire, entre X X' et Z Z', est plutôt grande, par exemple, dans le plan Y Y', la température du gaz est donnée, par le point C' et la température des particules se trouvant en cet endroit, par le point C, et cette différence de température donnée par la longueur de la ligne C'C est la différence thermique qui fait passer la chaleur du gaz aux particules solides.
Le fait de continuer à faire passer les gaz chauds et de prolonger la période de chauffage a pour effet de faire descendre simultanément les courbes A B C D et A'B'C'D' Vers le bas du lit, jusqu'au moment où environ deux tiers de la durée d'une période de chauffage sont écoulés, la température des particules solides étant donnée par la courbe en traits pleins E F G et la température du gaz par la courbe en traits pointillés D'F'G'. On peut dire en quelque sorte qu'une vague thermique se déplace de haut en bas à travers le lit. Ltavant net et rapide de la vague à l'intérieur de la zone intermédiaire progresse en effet en descendant dans le lit à une vitesse sensiblement uniforme et, au cours de son mouvement, ne se déforme que très peu.
Les deux tiers de la période de chauffage terminés, la zone intermédiaire se trouve à l'intérieur de la zone comprise entre ces deux plans V V' et W W', et la distance entre ces plans est sensiblement égale à celle existant entre X X' et Z Z'. Ce genre de vague thermique est désigné ici sous le nom de vague de convexion pour indiquer le fait que la chaleur descend dans le lit en étant entraînée par les gaz en mouve-
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ment, et pour distinguer ce type de vague thermique d'une vague conductrice dans laquelle la chaleur se transmet par conductibilité.
La période de chauffage peut être commodément arrêtée lorsque l'avant de la vague atteint la position H J K pour la température des particules solides, et H'J'K' pour la température du gaz. On ferme alors les vannes 2, 5 et 12, et les vannes 15 et 17 étant ouvertes, l'air froid se trouve obligé de monter à travers le lit, et une période de refroidissement commence. Au commencement de cette période de refroidissement, la courbe en traits pleins H J K reste inchangée, mais la courbe H'J'K' cesse d'avoir une signifi- cation.
La température de l'air est indiquée par la courbe H"J"K" dont chaque point se trouve autant en-dessous de la courbe H J K que la courbe H'J'K' se trouvait, l'instant d'avance, au-dessus de cette courbe H J K, Du point H" au haut du lit, la courbe H'J''K'', représentée en trais mixtes, est légèrement en-dessous de la courbe en traits pleins H J K. On a constaté que la température du gaz sortant par l'orifice à air chaud 16 n'est que de peu inférieure à celle des brûleurs à gaz pendant la période de chauffage. La période de refroidissement continuant, la vague thermique recule, remontant à travers le lit.
Il arrive souvent que la quantité de chaleur perdue à travers la garniture calori- fuge 23 soit faibleet dans son passage ascendant à travers le lit 8, la forme de la vague est essentiellement semblable à celle qu'elle avait en descendante
On fera remarquer brièvement que le procédé ci- dessus est mis en oeuvre en provoquant, par soufflage de gaz chauds, une vague thermique descendant à travers le lit, et en la faisant remonter par soufflage d'air froid.
Au cours de ce passage dans les deux sens de l'avant de la vague, il ne sort jamais de gaz chaud du fond du lit ni d'air non chauffé du haut de ce lit.
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par "réactivité thermique" d'un solide soumis à l'action de chauffage ou de refroidissement d'un gaz, on entend décrire la rapidité avec laquelle le solide prend la chaleur d'un gaz plus chaud, et repasse de la chaleur à un gaz plus froid. De plus, cette expression concerne non seulement l'efficacité avec laquelle la surface du solide prend la chaleur dtun gaz plus chaud, mais encore l'effica- cité et la rapidité avec laquelle la chaleur ainsi absorbée à la surface se diffuse dans l'intérieur du solide.
Par l'expression "temps de diffusion thermique", appliquée à un solide, on entend le temps nécessaire pour qu'un change- ment de température au centre du solide arrive à une frac- tion plutôt arbitraire, par exemple 90 % du changement de température auquel la surface du solide est soumise.
Le seul solide mentionné ci-dessus comme matière absorbant la chaleur est l'argile ou la brique réfractaires.
Pour les températures réalisables ou désirables dans de nombreux procédés, la brique réfractaire est suffisamment résistante. Toutefois, l'invention couvre spécifiquement l'application de l'un des autres produits réfractaires dans tous les cas où, dans l'application du procédé, la limite de température fixée par le point de fusion de la brique réfractaire est trop basse. Le quartz, la silice fondue, la spinelle, la sillimanite, la porcelaine, l'alundon, la zirconite, la zircite, le corundum, le carborandum, etc. sont des solides dont l'application est évidemment indiquée dans de nombreuses applications spéciales du procédé.
La chute de pression nécessaire pour forcer le gaz à traverser un lit de petites particules est supérieure à celle nécessaire pour faire circuler la même quantité de gaz dans une canalisation de la même forme et construite en briques réfractaires courantes de la manière habituelle.
Toutefois, on a constaté que le procédé suivant l'invention
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permet d'abaisser cette chute aussi bas qu'on le désire dans un cas particulier en établissant la coupe transversale du lit absorbant la chaleur, à angle droit de l'écoulement du gaz, large en comparaison de la longueur mesurée dans le sens de l'écoulement du gaz.
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"METHOD AND APPARATUS FOR HEATING GAS"
The present invention relates to a process for heating gases intended for industrial uses and covers an apparatus for carrying out this process.
The object of the invention is to provide a method and means for the heating of a number of industrially important gases, including especially air, to temperatures higher than those obtained practically up to 'to date, and at a more substantially uniform temperature than that achieved by the methods and apparatus used or proposed; at the same time,
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the invention makes it possible to obtain a high yield from the fuel used and to achieve savings both in the construction of the heater and in the costs of maintenance and repairs.
As examples of use of the possible applications of the process, mention will be made of: the preliminary heating of the combustion air for the blast furnaces, the preliminary heating of the air and gases for the reaction furnaces, the heating air or fuel from coke ovens, ingot reheating ovens, rotary lime and cement ovens, gasifier and, in general, any oven or industrial process operating at high temperatures.
This gas heating process is of the so-called “recovery” type represented for example by Cowper recuperators and Martin recovery ovens.
The following drawbacks appear to be inherent in all these ovens; The exchange of heat between the refractory brick pipes and the gases passing through them during the heating period is not sufficient to extract all the heat from these gases. A second drawback lies in the fact that, during the cooling period which follows, this same low relative rate of heat exchange between the pipe and the gas which passes through it does not make it possible to bring this gas to a temperature equal to that of the bricks.
By fear of melting, liquefaction, attack by fluxes, subsidence, slagging, erosion and rupture of the pipes, it is necessary to limit the maximum temperature provided for the bricks, and the maximum temperature at which one can previously heating the air or gas in a large number of recovery furnaces known prior to the invention is rather low. A third drawback is that the outgoing gas, especially during the cooling period, has been heated more strongly.
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at the beginning and at the end of this period, so that the temperature of the heated air or gas has undergone rises and falls, which is unacceptable in many processes where uniformity is essential.
A fourth drawback, of very great importance, is the loss of efficiency of these ovens whenever deposits of dust or vapors are formed on the pipes, requiring frequent and expensive cleaning operations.
In the previously known furnaces, the essential material of the apparatus was the common refractory brick. The pipeline consisted of a large number of straight flues. In one of the tests carried out to increase the thermal contact between the bricks and the circulating gases, the dimensions of the flues were reduced.
In all of the proposed arrangements, the better the heat transmission and the more difficult it is to carry out cleaning and at the higher temperatures, the greater the danger of breaking the brick and damaging the pipes. Staggering the bricks so as to obtain a zigzag path greatly increases the transmission of heat from the gas to the bricks, but makes cleaning the piping clearly impossible.
The aim of the invention is to remedy, as far as possible, the above drawbacks. The method according to the invention differs from the prior methods because of the following results and the means making it possible to obtain these results. First, during the entire heating period, the exhaust gases exit the heaters at substantially room temperature, which allows the process to operate within the necessary or desirable limit of about 100%. thermal efficiency. Secondly, the temperature of the air or gas supplied by the furnaces or heaters is uniform.
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high during the entire cooling period.
Third, this uniform temperature is as high as can be desired and is limited only by the melting point of the refractory substance used in establishing the heat-absorbing element, or by the combustion temperature. fuel used for heating. Fourth, the cleaning of this element is simple, expensive and quick, if ropido is done that it is not necessary to have a spare heater to replace the one that is stopped to clean it, the cleaning process being easily interspersed between any convenient cooling period and the following heating period.
Fifth, the required amount of heat absorbing material is much less than that used in previous furnaces, allowing furnaces with less material, in less space, and at less expense. Sixth, the construction of these heaters is more robust and more resistant to indiscriminate use, mechanical, chemical or thermal, and deterioration resulting from accidental overheating, corrosive gases or vapors, too sudden changes in temperature, or explosions, are repaired much more quickly.
Successful operation of the process requires a unit or part of a heat absorbing device which is strong at high temperature and responds rapidly, both at the surface and at the center, to changes in surface temperature. Secondly, it is necessary that these elements of the heat absorbing device be assembled in such a way that they intercept and extract a relatively large amount of heat from hot gases passing near or transversely to the surface of each element during the heating period, and transmit, with the same efficiency, the heat which they
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stored at cooler gases passing during the cooling period.
Finally, it is necessary that all the heat absorption elements are easy to clean.
It has been found that the physical condition of the material sufficient to meet the above set of apparently severe requirements comes down to a question of dimensions. If one establishes a heat absorbing device from sufficiently small elements, all of the above conditions are more or less automatically fulfilled.
It is known that all materials resistant to high temperatures are poor conductors of heat. Since the time required to heat a particle varies with the square of its linear dimensions, a particle sensitive to temperature changes must be relatively small. By way of example, in the case of a sphere of 102 m / m, it takes 32 minutes to bring its center to a temperature equal to 90% of that of its surface; in the case of a 51 m / m sphere, 8 minutes, in that of a 25 m / m sphere. 2 minutes, and 30 seconds in the case of a sphere of 12.5 m / m.
The first condition which must be fulfilled by a heat absorbing device suitable for this process is satisfied by using, as part of the heat absorbing device, any refractory particle of suitable shape, the dimensions of which are sufficiently small compared to the thermal conductivity of the material so that the time required for a thermal wave to diffuse to the center is relatively short compared to the duration of the heating and cooling periods
Fortunately, the second condition is fulfilled simultaneously with the first.
If one tries to establish a
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device for absorbing heat by means of refractory particles, with shapes approaching the sphere and about 25 m / m in diameter, it is simply necessary to pour them into a chamber. The gases passing through the interstices existing in this bed then follow in parallel series a number at the highest irregular point of the branched zigzag paths.
The third condition is also fulfilled by the provision adopted to satisfy the first two.
When a bed of refractory particles becomes dirty, the cleaning process simply involves opening the chamber containing it, at a point lower than the bed, and allowing the dirty particles to exit by gravity. A new bed can be formed by pouring a mass of clean particles on top. Preferably, this bed change is carried out at the end of one of the cooling periods when most of the refractory particles are cold. These brick particles can be quickly cleaned in any convenient way, and returned to the next kiln which may need to be cleaned.
In order to enable this gas heating process to be clearly described, it is convenient to choose, by way of specific example, the case of the preliminary heating of the air for the blowing of a blast furnace. In this example, the fuel available is a blast furnace gas containing, in practice, 21 to 28% carbon monoxide, with perhaps 2 or 3% hydrogen, serving as fuel, the remainder being mainly nitrogen and carbonic acid. Preferably, two similar ovens are used, one being in the heating period while the other is in the cooling period. For the production of hot gases during the heating period, blast furnace gas is used with combustion air supplied by a suitable fan.
Fig. 1 of the accompanying drawing shows a heater or oven suitable for this
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service. Only one heater is shown. It is understood that one uses a second heater similar to the first and provided with similar piping and valve connections; these two devices constitute a pair of recuperator heaters capable of supplying a blast furnace at a uniform temperature with preheated air.
In the accompanying drawing, FIG. 1 shows, partly in section, a heater.
Throughout the heating period, the blast furnace gas arrives through the gas line 1, passes through the open valve 2, and enters the burner 3 where it mixes with the forced draft air entering the line d. 'suction 4 through the open valve 5. The air-gas mixture burns in the combustion chamber 6 constituted by the open upper part of the heating chamber or furnace 7. The hot products of combustion are discharged through the device. heat absorption, ie the bed 8 of refractory particles. The combustion products, being cooled, leave the chamber through the annular opening 9, crossing the chamber 10, following the pipe 11, passing through the open valve 12, and are discharged through the pipe 13.
During this time, valves 15 and 17 remain closed. At the end of the heating period, the valves 2, 5 and 12 are closed, the cold air valve 15 is opened and the air supplied by blowing machines, not shown, is introduced via the cold air pipe 14 , by 11, 10 and 9, in the bed of refractory particles 8, this air now having an upward movement. The air leaves the top of the bed 8 at a very high temperature and passes through the insulated pipe 169 the hot air valve 17 which is open, and is brought to the blast furnace through the hot air pipe 19. Water , supplied by a pipe 18, serves to cool the valve and its seat inside the valve 17.
The cooling period
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When finished, valves 17 and 15 are closed, valves 2, 5 and 12 are opened, and another heating period begins. A second heater is used similar to the first and operated in a similar fashion except that the second heater is in the heating period while the first is in the cooling period, and vice versa. more than two heaters, but no less than two are required to ensure continuous heating of the air.
From time to time it may be observed that the heat absorption device no longer works satisfactorily for one or more of the following reasons: - a) a layer of dust, dirt or vapors may have accumulated on the surface of the particles, reducing the thermal efficiency and, by plugging the interstices between the particles, increases the pressure drop necessary to force the burner gases and air to pass through the heat absorption device; this back pressure can also become too high as a result of the bursting of part of the particles under thermal stresses or an accidental excess of heat, the particles can become sticky and be half-melted, and can agglomerate between them.
After any cooling period is complete, the port cover 20 can then be removed and all or part of the particles can be released out of the chamber for cleaning. At the same time, a number of orifices 21 are opened, placed in suitable positions at the top of the heater; a new supply of refractory particles is introduced into the heater and the bed 8 is reformed to its normal position, as shown. It is possible to remove, by means of bars introduced through the openings 21, all the particles of the old bed refusing to come out or having a tendency to be retained by the gasket.
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bricks 23 of chamber 7. Openings 20 and 21 closed, the heating period begins as well as the other operations.
To facilitate the description of the implementation of the process in these heaters, a diagram has been drawn up to the right of the drawing representing the heater, indicating, by curves, the temperature at certain points of the absorbent bed 8 and at all. time of operation. For example, curve A B C D indicates the temperature of the brick particles in each plane of the bed after about one third of the duration of the heating period. In this case, it was assumed that the temperature of the combustion products in combustion zone 6 is 1450 C.
From the top of bed 8 down to plane XX ', the temperature of the refractory particles, which can be, for convenience, pieces of refractory brick passed through a mesh sieve of 32 to 19 m / m, is not much lower than 1450 C, or 1400 C or above, and the part of the bed lying below the Z plane Z ', is substantially at the temperature of the air supplied by the blowing machines during the previous cooling period, ie 30 Co Between the XX 'and Z Z' planes, the temperature of the particles changes rapidly from one plane to another. In the curve A B C D, the temperature of the particles in the plane X X 'is given by the point B, the temperature in the plane Y Y' by the point C, and the temperature of the particles in the plane Z Z 'by the point D.
We see that the bed is divided into three substantially distinct sections; lower section, below Z Z ', is cold, the upper section, above X X', is essentially at burner temperature, and the intermediate distance is short compared to the total distance from the top at the bottom of the bed. The temperature of the gases at each point of the bed is given by the line curve
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dotted lines A'B'C'D 'and, at each point, is higher than the corresponding temperature of the solid particles.
It will be noted that the curve in dotted lines A'B'C'D 'differs from the curve in solid lines ABCD only by a very small number of degrees in the hot section above X X', and in the cold section below Z Z '. The temperature difference at a point of the intermediate section, between XX 'and Z Z', is rather large, for example, in the plane Y Y ', the gas temperature is given, by the point C' and the temperature of the particles located in this place, by point C, and this temperature difference given by the length of the line C'C is the thermal difference which causes heat to pass from the gas to the solid particles.
Continuing to pass the hot gases and extending the heating period has the effect of simultaneously lowering the curves ABCD and A'B'C'D 'towards the bottom of the bed, until about two-thirds of the time. of the duration of a heating period have elapsed, the temperature of the solid particles being given by the curve in solid lines EFG and the temperature of the gas by the curve in dotted lines D'F'G '. It can be said that a thermal wave is moving up and down across the bed. The clear and rapid front of the wave inside the intermediate zone in fact progresses by descending into the bed at a substantially uniform speed and, during its movement, deforms very little.
When two thirds of the heating period is over, the intermediate zone is located inside the zone between these two planes VV 'and W W', and the distance between these planes is substantially equal to that existing between XX 'and Z Z '. This kind of thermal wave is referred to here as a convection wave to indicate the fact that the heat descends into the bed by being carried away by the moving gases.
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ment, and to distinguish this type of thermal wave from a conductive wave in which heat is transmitted by conductivity.
The heating period can be conveniently stopped when the front of the wave reaches the position H J K for the solid particle temperature, and H'J'K 'for the gas temperature. The valves 2, 5 and 12 are then closed, and the valves 15 and 17 being open, the cold air is forced to rise through the bed, and a cooling period begins. At the beginning of this cooling period, the solid line H J K remains unchanged, but the H'J'K 'curve ceases to have any significance.
The air temperature is indicated by the curve H "J" K ", each point of which is as much below the curve HJK as the curve H'J'K 'was, the instant in advance, at the above this curve HJK, From the point H "to the top of the bed, the curve H'J''K '', shown in phantom lines, is slightly below the curve in solid lines HJ K. It has been observed that the temperature of the gas leaving the hot air port 16 is only a little lower than that of the gas burners during the heating period. As the cooling period continues, the thermal wave recedes, rising up through the bed.
It often happens that the amount of heat lost through the heat insulating liner 23 is small and in its upward passage through the bed 8, the shape of the wave is essentially similar to that which it had on its downward path.
It will be briefly pointed out that the above process is carried out by causing, by blowing hot gases, a heat wave descending through the bed, and causing it to rise by blowing cold air.
During this passage in both directions of the front of the wave, no hot gas comes out from the bottom of the bed or unheated air from the top of this bed.
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by "thermal reactivity" of a solid subjected to the action of heating or cooling of a gas, one understands to describe the speed with which the solid takes the heat of a hotter gas, and passes again from the heat to a cooler gas. Moreover, this expression relates not only to the efficiency with which the surface of the solid takes the heat of a hotter gas, but also to the efficiency and the speed with which the heat thus absorbed at the surface diffuses into the interior. solid.
By the expression "thermal diffusion time" as applied to a solid is meant the time required for a temperature change at the center of the solid to arrive at a rather arbitrary fraction, for example 90% of the change in temperature. temperature to which the surface of the solid is subjected.
The only solid mentioned above as a heat absorbing material is clay or refractory brick.
For the temperatures achievable or desirable in many processes, the refractory brick is strong enough. However, the invention specifically covers the application of one of the other refractory products in all cases where, in the application of the method, the temperature limit set by the melting point of the refractory brick is too low. Quartz, fused silica, spinel, sillimanite, porcelain, alundon, zirconite, zircite, corundum, carborandum, etc. are solids whose application is obviously indicated in many special applications of the process.
The pressure drop required to force the gas through a bed of small particles is greater than that required to circulate the same amount of gas through a pipe of the same shape and constructed of common refractory bricks in the usual manner.
However, it has been found that the process according to the invention
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allows this drop to be lowered as low as desired in a particular case by establishing the cross section of the heat absorbing bed at right angles to the gas flow, wide compared to the length measured in the direction of l gas flow.