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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION la COMPAGNIE GENERALE DE CONSTRUCTION DE FOURS Perfectionnements aux Chauffage des fours spécialement des fours à coke.
Demande de brevet français en sa faveur du 31 août 1945
Le présent.. brevet a pour objet un perfectionnement au chauffage des fours par courants gazeux périodiquement in- versés dans les carneaux de combustion (Fours à régénération de chaleur). Afin de concrétiser l'invention, la description qui va suivre se rapporte, dans certaines de ses parties, à l'équi- pement d'un four à carboniser la houille, en chambres horizon- tales, dit "four à coke"; il est bien précisé cependant que le mode de chauffage, dont il est question, peut être appliqué à tout autre type de four chauffé au moyen d'un combustible gazeux quelle que soit l'opération industrielle envisagée; en particu- lier les carneaux chauffants et autres organes constitutifs peu- vent être disposés ou arrangés de toute autre façon sans sortir du cadre de l'invention.
Dans le même but de décrire une application de l'in- vention portant sur un cas concret et précis on supposera, par exemple, qu'il s'agit d'alimenter un four à coke dont les pie- droits sont pourvus de carneaux chauffants verticaux jumelés deux à deux (en forme de U renversés) suivant le système habi- tuellement connu sous la désignation de chauffage "en épingle à cheveux".
Le chauffage des fours de ce genre peut être effectué: soit avec du gaz riche ci-après désigné: GR, c'est-à-dire du gaz de distillation de la houille (à 4.500 - 5.200 kcal/m3); soit avec du gaz pauvre de gazogène ou de haut-fourneau (à 950 - 1.300 kcal/m3) ci-après désigné : GP, Le four doit, en général, pouvoir utiliser, indifféremment mais successivement, soit le GR soit le GP, il est alors appelé: Four compound", la descrip- tion se rapporte, non limitativement, à un tel four.
Dans la marche en GR seul l'air de combustion est seul réchauffé dans les régénérateurs, en sorte que le nombre des cellules ou chambres de régénération de chaleur doit être pair, la moitié de ces chambres recevant des fumées pendant que
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l'autre moitié sert au chauffage de l'air, dans la marche au GP, au contraire, l'air et le gaz doivent être chauffés l'un et l'autre, séparément, il s'en suit que, dans les dispositions ha- bituelles, le nombre des cellules ou chambres de régénération est un multiple de quatre : deux cellules recevant les fumées réchauffant les empilages de briques tandis qu'une cellule sert au chauffage de l'air et l'autre au chauffage du gaz (GP) ;
il est clair que l'on passe aisément du dispositif chauffage GP au chauffage GR en couplant les cellules deux à deux, comme le montre le schéma symbolique suivant :
En représentant par F, A et C les cellules recevant, respectivement des fumées, de l'air et du gaz (GP) on obtient les schémas ci-après:
Marche au GP
1 ) période: F F A G G A F F F F A G G A .........etc.
2 ) periode: G A F F F F A G G A F F F F .......etc.
Marche au GR
1 ) période: F F A A A A F F F F A A A A .........etc.
2 ) période: A A F F F F A A A A F F F F .......etc.
Les différentes dispositions imaginées jusqu'à ce jour ont pour but d'éviter dans toute la mesure du possible les deux inconvénients ci-après qui nuisent au bon rendement et à l'écnno- mie du chauffage : a) Repassage de gaz entre les cellules gaz (G) et les cellules fumées (F); car ces repassages conduisent 1 une perte radicale du gaz de fuite. b) Repassage d'air dans le gaz ou de gaz dans l'air, soit dans les cellules de régénération elles-mêmes, soit dans les carneaux de la partie du four dite "partie intermédiaire"; ces fuites ont pour effet de provoquer une précombustion qui élève dangereu- sement la température et qui correspond d'ailleurs à une perte appréciable de calories.
Mais toutes les dispositions, auxquelles il vient d'être fait allusion, sont impuissantes à éviter les inconvénients sui- vants qui sont absolument inévitables, à l'heure actuelle, dans tous les systèmes connus comportant des chambres de réchauffage de GP. a) Fuites de gaz à la cheminée, par défaut d'étanchéité du sys- téme des clapets d'inversion, ces fuites sont d'autant plus fréquentes que les boites à clapet sont soumises à des variations de température et subissent de ce fait des dilatations irrégu- hères. b) Pertes de gaz à la cheminée par "vidange" de la chambre à cha- que fin d'inversion. c) Risque d'exploitation lorsque, par suite d'une fausse manoeuvre ou d'un défaut de réglage, il se forme dans la chambre un mé- lange explosif d'air et de gaz.
Il résulte de ces deux groupes d'inconvénients que le réchauffage,du GP par régénérateurs à inversion, théoriquement
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parfait, est cependant un leurre du point de vue économique pra- tique; on arrive ainsi à cette conclusion qu'il vaut mieux accep- ter un chauffage au gaz à une température un peu moins élevée si, à ce prix, il est possible de mieux réchauffer l'air et surtout d'éviter radicalement les repavages et les fuites. L'économie générale du chauffage s'en trouve généralement améliorée; les accidents (explosipns et pré-combustionslocales) sont évités, la durée des fours s'en trouve accrue et les frais d'entretien di- minués.
L'invention, objet du présent brevet, obvie aux incon- vénients précédemment signalés et réalise le programme qui vient d'être proposé par la suppression de la régénération de chaleur sur le GP et son remplacement par un réchauffage suivant le mode "récupération continuen par l'intermédiaire d'un échangeur de cha- leur métallique.
On notera cependant que la disposition consistant à utiliser un four équipé pour utiliser le GR pur (sauf à adopter des sections suffisantes pour les carneaux et les brûleurs afin de permettre le passage du GP), et à réchauffer le GP d'alimentation dans un récupérateur continu métallique placé dans le carneau général d'évacuation des fumées (traînasse), ne constitue pas une solution acceptable du problème proposé.
En effet si - dans le chauffage au GP - on fait passer la totalité des fumées dans les régénérateurs de chauffage d'air, un calcul simple montre que la température de ces fumées, à la sortie des dits régénérateurs, est au minimum de l'ordre de 580 ; cette température est trop éle- vée pour permettre le passage direct dans les boites d'inversion métalliques:outre le rayonnement intense et très commode de ces bottes il y aurait lieu de craindre quelles ne soient l'objet d'une détérioration rapide.
On pourrait aussi envisager une disposition consistant à prélever, d'une façon continue, une partie des fumées sortant du laboratoire (aux environs de 1.000 par exemple ) et à les diriger sur un récupérateur continu métallique réchauffant le gaz) tandis que l'autre fraction de fumées serait envoyée, suivant la technique habituelle, dans les régénérateurs de chauffage de l'air à marche alternative,la température d'évacuation des fumées serait ainsi ramenée à une valeur acceptable.
Ce dispositif présen- terait cependant un double inconvénient d'une part, les tubes récupérateurs de chauffage du GP seraient soumis à une température extérieure inadmissible - à moins d'employer des alliages spéciaux d'un prix élevé - et, d'autre part, l'inversion sur le gaz- qui reste nécessaire puisque la régénération sur l'air implique un chauffage alterné - devrait obligatoirement se faire sur le gaz chaud ce qui comporterait le fonctionnement d'un inverseur (robinet à trois voies ou équivalent) à une température telle que son fonc- tionnement serait des plus aléatoires et son étanchéité à coup sûr très défectueuse.
Les inventeurs ont trouvé qu'il était possible de se soustraire à ces difficultés en plaçant les tubes métalliques de réchauffage du gaz après l'empilage destiné au réchauffage de l'air mais avant la boite d'inversion d'évacuation des fumées à la trainasse.
Dans le régénérateur recevant les fumées celles-ci se trouvent en effet, au bas de l'empilage, à une température de l'ordre de 550 à 600 suffisants pour réchauffer le gaz à une températire du même ordre (puisque le volume de fumées est environ le double de celui du gaz), mais non dangereuse pour les tubes métalliques du réchauffeur de gaz.
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Le schéma général du dispositif est donc le suivant: les cellules de régénération sont en nombre pair : les uns re- çoivent des fumées tandis'que les autres réchauffent de l'air et ceci jusqu'à ce que l'inversion amène le renversement de la circulation des fluides; toutes les cellules sont munies, après l'empilage de briques mais avant la sortie de fumées, d'un échan- geur par surface pour le réchauffage du gaz.
Si l'on considère un instant donné du fonctionnement tel que, par exemple, que les cellules de rang pair P reçoivent des fumées tandis que les cel- lules de rang impair 1 réchauffent l'air; les brûleurs actuelle- ment en service ( qui seront désignés par I') reçoivent l'air des cellules I et le gaz des récupérateurs placés au bas des cel- lules P; les brûleurs non actuellement en service (désignés par P') reçoivent les fumées des brûleurs I' et les transmettent aux cellules P. A 31'inversion suivante les cellules P reçoivent de l'air, les cellules 1 des fumées, les brûleurs P' de l'air provenant de P et du gaz provenant du récupérateur place au bas de I, les brûleurs l'des fumées qui sont envoyées aux cellules I.
Les inversions sur l'air, sur les fumées et sur le gaz sont aisément obtenues en reliant les inverseurs (robinets à trois voies, boites à clapet ou appareils équivalents) aux trin- gles de commande des mécanismes d'inversion; suivant le dispositif classique, deux tringles parcourent tout le front de la batterie de fours et ces tringles sont animées de mouvements inverses.
En outre de cet arrangement principal l'invention est caractérisée par d'autres dispositions qui concourent à l'obten- tion des résultats recherchés; ces dispositions résultant de ce qui suit : elles peuvent être employées ensemble ou séparément, conjointement ou non avec l'arrangement dit principal sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention.
On a reconnu tout d'abord qu'il n'est pas indiqué, dans la phase de réchauffage de l'air, d'envoyer l'air froid sur les tubes de réchauffage de gaz ; eneffet les tubes seraient ainsi refroidis et, lors de la phase suivante ils ne commenceraient à fournir du gaz chaud qu'avec un certain retard; au contraire, en admettant l'air froid au-delà des tubes, et même en maintenant entre l'entrée d'air et les dits tubes un certain volume de briques formant "volant thermique", l'appareil de chauffage du gaz est en état de fournir du gaz chaud dès sa mise en service.
Dans ces conditions l'inverseur-distributeur d'air est distinct de l'inverseur-fumées; il fonctionne donc toujours à froid et il peut, de ce fait, être notablement simplifié et allégé tout en conservant un fonctionnement satisfaisant: il peut être constitué par un simple clapet ouvrant à l'air libre ou par un simple robinet à boisseau ouvrant sur une canalisation d'air (air soufflé) .
L'inverseur-fumées, également très simplifié, consiste en une simple boite à clapet: au contraire de l'inverseur-air il reste toujours chaud n'étant jamais parcouru par de l'air froid; il n'y a donc pas à craindre pour lui des variations de dilatation.
On remarquera que, dans le système, l'inverseur-air, aussi bien que l'inverseur-fumées, n'ont pas besoin d'avoir une étanchéité parfaite, les fuites d'air à la traînasse n'ayant pas une importance capitale ; on pourra donc employer des appareils simples et robustes d'un entretien et d'un réglage faciles.
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L'inverseur-gaz sera placé avant l'entrée du gaz dans le faisceau de chauffage du récupérateur ; appareil fonctionnai ainsi toujours à froid pourra être très simple et on pourra fa- cilement obtenir une excellente étanchéité entre le collecteur général de gaz et les régénérateurs, et une étanchéité absolue entre le circuit de gaz et l'extérieur.
Il résulte des dispositions adoptées, que l'invention est en outre caractérisée par un mode d'exploitation particulie- rement avantageux en ce qui concerne les fours à coke "compound".
On sait que ces fours sont utilisés soit par des co- keries gazières, soit par des cokeries alimentant en gaz des usi- nes chimiques ou métallurgiques ; ailleurs, d'une part, les fours à coke se prêtent assez mal à des variations d'allure importantes et rapides et, d'autre part, certaines usines à gaz voient leur émission varier considérablement d'un jour à l'autre de la semaine : (tel est le cas des Usines à gaz de la Ville de Paris le dimanche pendant la belle saison), certaines usines chimiques ou métallurgiques peuvent également occasionner des "creux" importants, quoique de faible durée pour la courbe d'émission.
Pour éviter toute perte de gaz, lorsque la capacité gazométrique est réduite, on est ainsi conduit à passer rapide- ment de la marçhe en GP a la marche en GR sur un nombre plus ou moins important de fours. Avec les fours actuels l'opération nécessite un certain nombre de manoeuvres qui demandent un temps et des soins non négligeables ; contraire avec le système décrit dans le présent brevet il est visible que l'on peut pas- ser progressivement et d'une façon absolument continue de la marche au GP à la marche au GR par une alimentation mbxte; il suffit pour procéder correctement à la manoeuvre d'installer sur chacune des canalisations GR et GP un indicateur de débit et de suivre leurs indications.
Cette possibilité est dûe au fait que le volume des chambres de réchauffage de l'air-est suf- fisant pour chauffer la totalité de l'air nécessaire à la com- bustion du.GR et que pour employer ce dernier il n'est pas nécessaire d'effectuer la manoeuvre consistant à faire passer l'air supplémentaire par les régénérateurs GP.
L'invention objet du présent brevet eut, ainsi qu'il a été dit, être réalisée de diverses manieres et pour des applications différentes ; est néanmoins caractérisée, en tant que de besoin, par la description ci-après et par les Figures annexées qui se rapportent au cas particulier d'un four à coke.
La figure 1 représente une coupe verticale par les plans AA' (voir fig. 2) perpendiculaires aux plans médians des chambres de distillation.
La figure 2 représente : pour la partie de gauche: une coupe suivant BB' de la partie gauche d'un four ; pour la partie médiane: une coupe suivant CC' de la partie centrale d'un four ; pour la partie droite : coupe suivant DD' de la partie droite d'un four.
La figure 3 représente schématiquement l'équipement des appareils d'inversion.
On suppose qu'à l'instant considéré les cellules de-régénération de repère I sont parcourues par de l'air et les cellules de repère P sont parcourues par des fumées. L'air provient de deux canaux aa situ'és dans la sole des cellules de régénération; après s'être réchauffé au contact des empi-
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lages de briques non représentés sur la figure,il gagne par les canaux bb, les brûleurs situés au bas des carneaux de chauf- fage I'I'. Le gaz provient des échangeurs par surface ss situés au bas des cellules P; il monte par une canalisation C extérieure au four et calorifugée jusqu'au carneau sous sole d d'où il se répartit par les canaux ee aux différents brûleurs I'I'.
Les gaz brûlés montent dans les carneaux I'I' jusqu'aux ouvertures supé- rieures ff et redescendent dans les carneaux P'P', delà ils gagnent les becs des brûleurs situés au bas de ces carneaux et par les canaux gg ils parviennent dans les cellules de régénéra- tion PP où ils rechauffent les briques d'empilage. Au bas de ces cellules ils sortent par les orifices hh, circulent autour des échangeurs ss et sont finalement évacuas par les carneaux JJ dé- bouchant dans la trainasse par-les clapets kk.
L'alimentation en gaz riche se fait selon le mode ha - bituel des fours à coke au moyen de canaux de sous sole 11 alimen- tant les busettes des brûleurs m.
Naturellement ainsi que cela résulte du principe même du systèrue de chauffage, tous les mouvements gazeux sont inversés à chaque demi-période.
Le schéma de la Fig. 3, dont le fonctionnement se com- prend aisément comme conséquence de ce qui précède, a principale- ment pour but de montrer qu'au moyen de distributeurs appropriés - du genre de celui représenté en détail dans l'angle droit supé- rieur du dessin ou de tout autre équivalent-il est possible d'équiper deux fours voisins avec un seul jeu de distributeurs pour l'air, le GP et le GR; seuls les clapets k et k' doivent être distincts mais il est possible de les réunir dans une même boite.
Il résulte de cette réduction du nombre des appareils de distribu- tion deux avantages notables : tout d'abord une économie nota- ble dans les frais d'établissement et, en second lieu un moindre encombrement des galeries de service.
Sur le schéma de la Fig. 3 des flèches repérées GR, 02, GP et F marquent, respectivement, les entrées de gaz riche, d'air, de gaz pauvre et la sortie des fumées, (pour plus de clarté dans la figure on a supprimé les canalisations principales d'ame- née du GR et du GP). On doit signaler qu'avec ce dispositif il est toute indiqué d'amener également l'air, au moyen d'une cana- lisation sous faible pression (ventilateur hélicoïde ou centrifuge).
Ainsi, en amenant ces trois fluides sous pression il est facile d'en régler et d'en contrôler le débit.
Dans ce qui précède on a supposé quellegazétait réchauffé par les échangeurs a placés au bas des cellules P recevant les fumées. A titre de variante, l'invention comporte un mode de ré- chauffage basé sur le principe des poëles à accumulation de cha- leur : Si l'on suppose que les surfaces des échangeurs placés au bas des cellules de régénération sont enveloppées d'une couche d'épaisseur suffisante d'une matière moyennement conductrice et d'une chaleur spécifique relativement élevée on peut obtenir - en proportionnant convenablement les surfaces et les épaisseurs suivant un calcul thermique classique -un décalage de l'onde calorifique correspondant à un.demi-période;
cette variante présente l'intérêt de protéger très efficacement les surfaces métalliques contre les coups de feu mais, par contre, elle exige une surface d'échange plus grande que les récupérateurs nus; dans la mise en oeuvre de cette variante il est clair que les échangeurs s' (et non ± doivent être reliés aux carneaux d et les échangeurs s au carneaux d'.
A -
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par GR. D'autre part, l'indépendance de l'alimentation en GP et en GR permet de passer progressivement et d'une façon continue de la marche en GP pur 9 la marche en GR pur (ou inversement) par une alimentation mixte.
B) - A titre d'exemple de réalisation, application du système dé- crit au chauffage d'un four coke comportant des carneaux chauf- fants verticaux communiquant deux à deux à leur partie supérieure (chauffage dit en épingle à cheveux).