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Four à coke.
Les demandeurs ont nrécédemment formé en France et déposé le 31 Août 1945, une demande de brevet concernant un procédé de chauffage applicable notamment aux fours à coke, et caractérisé en narticulier par l'emploi d'un système nouveau de réeuoération de chaleur comnortant des empilages de briques formant régénéra- teur (à inversion) pour le réchauffage de l'air et des échan- geurs tubulaires pour le réchauffage du gaz ; fumées ou gaz brûlés nassant successivement des emnilages de briques aux cham- bres contenant les faisceaux tubulaires et ensuite aux clapets d'évacuation à la traînasse; l'air étant introduit au bas des empilages sans venir à aucun moment au contact des faisceaux tubulaires;
l'air et le gaz étant distribués par des inverseurs toujours maintenus hors du contact des fumées et par conséquent restant à température constante.
A Telle qu'elle se présente d'après le brevet qui la couvre,
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l'invention en question permet de résoudre une difficulté fré- quente dans la pratique habituelle des fours Industriels et qui réside dans le défaut d'Étanchéité des moyens couramment utili- sés pour le réchauffage du gaz de combustion (entoilages) .
Afin de réaliser un four à coke réellement conforme aux exigences de la technique actuelle, il était néanmoins désirable d'adaoter ce système de chauffage au disoositif connu sous le nomd'underjet". On sait que cette exoression désigne un arrange- ment particulier consistantà ménager, au-dessous de la batterie de fours, une galerie accessible au personnel de conduite, dans laquelle sont réunies les canalisations de gaz de chauffage, chaque brûleur étant alimenté oar un piquage particulier muni d'un robinet de réglage.
Dans les fours "Underjet" courants et les dus anciens, seul le gaz riche est réglé oar ce moyen. On a ensuite proposé divers systèmes - adaptés aux fours "compound", c'est-à-dire aux fours susceotibles d'être chauffés soit au gaz riche soit au gaz pauvre - tendant à permettre également le réglage du gaz nauvre par un moyen aporporié et enfin le réglage du tirage ou, ce qui revient au même, le réglage de l'air.
A-fin de simplifier les explications qui vont suivre, il sera fait usage de la terminologie habituellement admise qu'il convient cependant de définir.
Four "Underjet simple" = Four à réglage "underjet" sur le gaz riche seul Four "Underjet total" = Four à réglage "underjet" sur le gaz riche et sur le gaz pauvre Four "Underjet total à réglage intégral" = Four à réglage "underjet" sur le gaz riche et sur le gaz oauvre, muni en outre d'un réglage - "underjet" sur l'air ou sur les fumées.
L'invention, objet du présent brevet, se rapporte à l'appli- cation du système de chauffage décrit dans le précédent brevet (déoosé en France le 31 Août 1945) à un four à coke "Underjet total à réglage intégral", suivant la définition qui vient d'en
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être donnée.
Il résulte de cette application nouvelle un certain nombre d'avantages techniques, qui ne oeuvent être obtenus par l'emploi séparé soit des dispositifs "underjet" actuellement connus, soit des dispositifs du précèdent brevet, et dont les principaux sont les suivants:
1 ) Simolicité de la oartie du four dite "oartie intermé- diaire" qui s'étend entre le niveau supérieur des cellules de régénérateurs (sommet de la voûte) et le niveau inférieur des chambres de carbonisation (sole).
On sait que cette "partie intermédiaire'' constitue, dans tous les fours à coke connus, un élément particulièrement fragile de la construction en raison du nombre considérable des carneaux qui s'y entrecroisent en transportant des fluides (gaz-air-gaz brûlés)de nature différen- te et qu'il importe de séparer.
2 ) Solidité des murs de séparation des régénérateurs dans lesquels les montées de gaz peuvent être aménagées de façon par- faitement étanche.
3 ) Largeur des chambres de régénérateurs qui peuvent être subdivisées aisément en cellules Individuelles; chaque cellule correspondant \ un seul brûleur.
4 ) Disposition des cellules de régénérateurs de façon telle que toutes les cellules d'une même chambre de régénérateur soient au même instant employéesà véhiculer le même fluide pra- tiquement à la même pression.
5 ) Disnosition de l'alimentation en gaz de façon telle que l'on puisse à volonté employer pour le chauffage du four, soit du gaz riche pur, soit du gaz pauvre pur, soit un mélange de gaz riche et de gaz pauvre, soit encore un mélange de gaz riche avec de l'air ou avec un autre fluide (gaz brûlés par exemple); sub- stitution possible au gaz riche habituel (gaz de carbonisation de la houille) de gaz résiduaires des fabrications chimiques très riches comme le méthane et les hydrocarbures supérieurs ou au
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contraire très pauvres; substitution possible du gaz naturel (méthane) au gaz riche tout en évitant les inconvénients habi- tuels de ces substitutions.
6 ) Disposition des carneaux chauffants telle que, oour une chambre de carbonisation quelconque,à un instant quelconque, deux carneaux adjacents dans un même piédroit soient toujours l'un en circulation ascendante et l'autre en circulation descen- dante et, de même, deux carneaux se faisant vis-à-vis dans deux piédroits voisins soient également au même instant l'un en cir- culation ascendante et l'autre en circulation descendante, ce qui assure une régularité très grande dans la transmission de la cha- leur au sein de la masse de charbon en cours de carbonisation.
Ces divers avantages sont la conséquence des dispositions d'ensemble et de détail telles qu'elles résultent de la descrip- tion ci-après, donnée à titre d'exemole de réalisation de l'in- vention, et pour la compréhension de laquelle il y a lieu de se reoorter aux figures explicatives.
La figure 1 représente une coupe schématique transversale d'une batterie de fours, conformes à l'invention, par un plan vertical perpendiculaire aux plans médiane de symétrie des cham- bres de carbonisation.
La figure 2 représente une couoe schématique longitudinale d'un four, par un plan vertical perpendiculaire au précédent et passant par l'axe de symétrie d'un piédroit séparant deux cham- bres consécutives.
La figure 3 représente une vue en façade de la batterie sur laquelle sont représentées schématiquement les différentes con- nexions tubulaires pour la circulation des fluides.
La figure 4 représente schématiquement, sur une même vue en plan, les coupes horizontales par les plans, décalés en hauteur, AA' et BB' (voir fig.1).
Sur ces diverses figures les mêmes indices représentent les mêmes organes ou dispositifs.
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Dans le but d'exposer clairement le mode de circulation des divers fluides, il convient de fixer tout d'abord un certain nombre de conventions de repérage constituant, en somme, un système de coordonnées.
On suppose que les piédroits sont numérotés 1, 2, 3,4... etc, de la gauche vers la droite (voir fig.l et 4) et que les couples de carneaux chauffants sont numérotés a, b, c, d, d'avant en arrière. Dans chaque couple de carneaux chauffants le carneau avant (le plus près de l'observateur) porte l'indice (') et le suivant (arrière) porte l'indice ("), autrement dit le couole 2j, par exemple, se compose des deux carneaux 2j' en avant et 2j" en arrière.
Les chambres de carbonisation K et les chambres de régéné- ration R qui leur correspondent verticalement nortent chacune en indice le numéro du piédroit adjacent de gauche.
Les chambres de régénération sont divisées chacune suivant le plan médian longitudinal par une murette légère m, la partie de gauche de chaque chambre porte l'indice 'et la partie de droite l'indice ". Il s'ensuit qu'à gauche de la batterie, on trouve un demi-régénérateur numéroté R"o et, à la droite de la batterie, un demi-régénérateur numéroté R,N, N étant le nombre de piédroits, Il y a N-l chambres de carbonisation et N-1 chambres entières de régénérateurs plus deux demi-chambres (une à chaque extrémité).
Dans le sens longitudinal, les chambres de régénérateur sont di- visées par des murettes (n), en autant de sections qu'il y a de couples de brûleurs.
La division des chambres de régénération par l'ensemble des murettes m et n donne ce que l'on appellera car la suite des "cellules".
Ceci étant exposé on vérifiera (sur la fig.4) qu'à chaque brûleur ou carneau vertical chauffant, correspond une "cellule" de régénérateur et une seule. Si l'on considère un couple de car-
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neaux chauffants 3c (par exemple) composé des deux carneaux 3c' et 3c", on voit que le carneau 3c' communique avec la cellule de régénérateur R"2c tandis que le carneau 3c" correspond avec la division de régénérateur R'3c.
La règle de récurrence est alors facile à établir:
Soient x et y respectivement l'abcisse et l'ordonnée d'un couple de carneaux désigné par x y, le carneau prime xy' commu- nique avec la cellule R"x-1 y et le carneau seconde xy" communique avec la cellule R'x y.
Si maintenant on suppose qu'à l'instant considéré tous les carneaux "prime" sont en combustion ascendante dans les piédroits impairs et les carneaux "seconde" de ces mêmes piédroits en cir- culation descendante des gaz brûlés, d'une part, et que tous les carneaux "orime" des piédroits oairs sont en circulation descen- dante des gaz brûlés, les carneaux "seconde" de ces mêmes pié- droits étant en combustion ascendante, d'autre part, on vérifie aisément (sur la figure 4) qu'une même chambre de régénération reçoit, dans toutes les cellules qui la composent, le même fluide qui est - dans l'hypothèse considérée - de l'air pour les cham- bres de régénération paires et des fumées pour les chambres impaires.
C'est ce qu'expriment les flèches portées sur les fig.l, 2 et 4 étant entendu : la coupe de la fig.l passe par un carneau seconde (coupe par un plan DD' par exemple, voir fig. 4) et que la coupe de la fig. 2 nasse par un piédroit pair pour la oartie supérieure et oar une chambre imnaire seconde nour le régénéra- teur (coupe CC', votr fig.l et 4). Par une convention de dessin destinée à rendre le fonctionnement olus clair, on a représenté comme effectivement coupées, des oarties qui ne le sont Das réel- lement par ces plans ou qui ne le sont que partiellement (par exemple le conduit de communication avec le carneau chauffant et l'orifice de sortie des fumées).
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Il est rappelé qu'à la demi-période suivante tous les sens sont inversés.
On remarquera enfin que, sur la fig.l, les flèches en traits pointillés se rapportent au sens de circulation dans les car- neaux prime.
Au-dessous des chambres de régénérateurs se trouvent les logements (doubles) des faisceaux de tubes tels que F"o' F'1' F"1' F'2' F"2' F'3' F"3 ..... formant récupérateurs (réchauffeurs de gaz) les fumées entrant dans ces logements oar les orifices circulaires situés au bas des cellules de régénérateurs et dia- gonalement opposés aux conduits des brûleurs (de façon à utiliser au mieux les matériaux d'empilage).
Les orifices de sortie des fumées peuvent être partiellement obstrués par des étrangleurs de forme aporopriée E, E ... qui peuvent être manoeuvrés depuis la galerie de service placée au- dessous des fours.
Comme chaque cellule de régénérateur possède une sortie de fumées et une seule,que, par ailleurs, elle correspond à un seul brûleur et que, comme on le verra ci-après le gaz de chauffage est amené sous oression et oossède son propre réglage 11 s'ensuit que le réglage individuel sur les fumées réalise effectivement le réglage de l'air sur chaque brûleur, tandis que le réglage général du tirage se fait en agissant sur la dépression dans la traînasse.
Après avoir baigné les faisceaux de tubes récupérateurs, les fumées sont évacuées vers la traînasse par les conduits tels que T3, T'3, T4, T'4.
Le gaz de chauffage est introduit aux brûleurs au moyen de "chandelles" telles que Ch Ch .... traversant verticalement les murs larges séparant les chambres de régénérateurs. Ces chandelles conduisent à volonté le gaz pauvre ou le gaz riche ; le gaz pau- vre oréalablement réchauffé, est amené par deux canalisations
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jumelles telles que G', G" et le gaz riche froid arrive égale- ment par deux autres canalisation jumelles telles que g', g" par l'intermédiaire d'un distributeur reorésenté en détails sur les figs.5 et 6 et qui sera décrit ci-anrès.
Enfin l'air de combustion arrive aux cellules des régénéra- teurs par deux canaux tels que H2' et H"2 H'2 et H"2 .... situés dans la sole des chambres de régénérateurs, les canaux d'amenée d'air débouchant dans chaque cellule par un orifice tel que h' h" (voir fig.4) diagonalement opoosé à l'arrivée au brûleur corres- pondant.
Il reste montrer comment sont connectés entre eux les divers organes à fin d'assurer la circulation des divers fluides; à cet effet on se renortera à la fig. qui représente schémati- quement la façade de la batterie ; les chambres de carbonisation K1 K2 .... ainsi que les cellules de régénération RO R1 R2 sont représentées en pointillé.
L'air arrive sous légère nression, par les conduits H 1' H2 3 .... aux distributeurs Yo1 Y2 3..... constitués par des ro- binets à trois voies ou distributeurs analogues. Dans le cas considéré, l'air est envoyé vers les régénérateurs pairs Ro' R2' R4 ... Le gaz (pauvre) arrive sous pression (supérieure à celle de l'air) par les canalisations GO1' G2 3 ... etc., aux distribu- teurs Z01' Z2 3 ... etc, identiques aux distributeurs d'air. AU même instant le gaz est envoyé aux faisceaux tubulaires impairs F'1' F"1' F'3' F"3 ... etc, et de là, respectivement aux canali- sations G"1 pour F'1' G'2 pour F"1' G"3 pour F'3' G'4 pour F"3, ... etc.
Des canalisations G' et G" le gaz monte, par les chandelles Ch, aux brûleurs actuellement en marche de combustion ascendante, c'est-à-dire les brûleurs prime des niédroits impairs et les brûleurs seconde des piédroits pairs.
Les claoets de fumée So, S1' S2 ... etc.. sont ouverts oour les numéros impairs correspondant aux régénérateurs recevant des
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fumées et sont fermés sur les régénérateurs de rang pair fonctionnant sur l'air.
On voit que, grâce à cette disposition, les faisceaux tubu- laires formant récupérateurs ne sont jamais au contact de l'air froid.
Dans le cas de la marche au gaz riche, l'arrivée de gaz pauvre aux conduits G01' G23... etc.. est supprimée et le gaz riche est distribué aux conduits gel g'1' g'2' g"2 ... etc.. par des distributeurs analoguesà G01' G2 3... etc, non représentés sur la figure.
Rien ne s'oppose dans ce système à l'utilisation simultanée de gaz pauvre et de gaz riche et ceci neut se faire de deux façons différentes : soit en obérant oréalablement un mélange de gaz riche et de gaz pauvre qui est alors traité comme le gaz pau- vre nur, admis par les mêmes arrivées G01' G2 3 ... etc.. et réchauffé; soit en admettant simultanément le gaz pauvre et le gaz riche par les conduits qui leur sont propres chacun à chacun.
La première solution sera adoptée de préférence pour les mélanges à forte teneur en gaz pauvre et la deuxième dans le cas contraire.
Une variante du deuxième cas consistera à utiliser du gaz riche (ou même très riche comme le méthane) et à admettre, par les canalisations de gaz pauvre, une très petite quantité de fumées dont le but sera de refroidir les faisceaux récupérateurs (donc de récuoérer une certaine quantité de chaleur) tout en di- luant le gaz riche ou très riche de façon à améliorer les condi- tions de la combustion (pour éviter les coups de chalumeau, le grachintage .. etc..)
Les fig.5 et 6 reorésentent le dispositif de réglage du gaz (gaz riche ou gaz pauvre) à chaque couole de brûleurs.
Les canalisations de gaz pauvre G' et G" sont fondues en un seul bloc mais elles sont séparées par une cloison p qui fait communiquer alternativement et successivement, tantôt avec G',
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tantôt avec G", le dispositif de réglage propre à chaque chan- delle. (Sur la figure 5 la communication est établie avec G").
Le dispositif de réglage est constitué par un robinet à boisseau d'angle RB assujetti, sur un arbre creux AX, pouvant tour- ner autour de son axe de symétrie, et dont la nosition est con- trôlée par une aiguille et un caranc c a: une susoension à ressorts ré-assure le serrage du boisseau.
Le gaz riche arrive de la canalisation g" (ou g') par un tuyau flexible tel que fl, son débit est réglé par un robinet d'angle rb et pénètre dans le dispositif par l'arbre creux AX.
Afin d'éviter les dénôts de graphite aux brûleurs, le gaz riche passe par un Venturi V' au col duquel se trouve un petit orifice réglable débouchant à l'air libre; il y a ainsi entraînement d'une petite quantité d'air tant pendant le passage que pendant l'arrêt du gaz, d'où combustion du graphite.
Le gaz oauvre et le gaz riche débouchent dans la chandelle Ch par le Venturi V, il peut donc y avoir entraînement de l'un par l'autre de ces gaz, dans le cas du mélange et suivant leurs pressions respectives.