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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.