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PROCEDE .ET .DISPOSITIF',POUR 'LA MISE .EN VALEUR .DES CHARGES 'PERDUES :DE
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Dans le grillage de minerais contenant du soufre ainsi que dans la combustion du soufre pour produire SO2, il se dégage des quantités de chaleur considérables qui la plupart du temps ne sont pas rendues utilisables.
La teneur en SO3 des gaz est causé d'une température de rosée élevée en dessous de laquelle on ne peut se tenir si l'on veut éviter des condensations d'acide, sulfurique;sur les surfaces d'échanges thermiques. Dans dés fours de grillage mécaniques, les températures de grillage sont généralement basses, la chute de température et de chaleur dont on peut disposer est par suite petite, d'environ 650-8000 à 300-400 C.
Pour une faible charge-du four et une quantité de gaz diminuée, la température des gaz dégagés (dits encore ci-après gaz brûlés ou gaz de sortie) tombe après la chaudière, en sorte que des corrosions mettent l'exploitation en dangero Dans des installations sans récupération de chaleur on fait tomber la température des gaz de gril- lage à la valeur nécessaire pour les aggrégats montés ensuite, en conduisant les gaz par des conduites longues non isolées'-et on perd ainsi des chaleurs précieuses.
Dans des installations de grillage "à nuage flottant!!, la chute de température se trouve plus favorablement dans un domaine 'd'environ 1000 à 300 à 400 , cependant la quantité de poussière emmenée dans les gaz est très considérable de sorte que la poussière se dépose sur les surfaces d'é- changes thermiques et dans les conduiteso L'introduction de chaudières.de récupération des chaleurs perdues est souvent rendue difficile par des condi- tions d'encombrement sévères ou une disposition défavorable des conduites de gaz de grillage. Des"chaudières de construction normale ne peuvent la plupart du temps être employées lorsqu'on ne peut envisager des transforma- tions chères et peu économiques.
Il faut considérer cependant qu'en exploi- tant les chaleurs des gaz brûlés, les frais de combustible disparaissent, le gain de chaleur n'est donc payé qu'avec l'amortissement et les frais d'ex- ploitation de la chaudière. Il faut donc reconnaître une importance écono- mique appréciable à un procédé qui donne le moyen-de faire face auxdites difficultés.
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On a trouvé à présent qu'il est avantageux de régler la tempéra- ture des gaz d'échappement, après l'échangeur de chaleur, pour une charge va- riable et une quantité de gaz changeante, de telle fagon qu'elle soit mainte- nue-à' peu près de fagon constante à la valeur minima conditionnée par le point de rosée des gaz et par la perte par rayonnement des conduites. De cette manière on utilise la chute de chaleur la plus' grande possible, sans qu'appa- raisse le danger de condensation et de corrosion. Pour ce genre de réglage il y a, suivant l'invention différents moyens. On peut par exemple diviser la quantité de gaz en deux courants partiels dont-un s'écoule refroidi dans l'échangeur de chaleur mais dont l'autre suit une conduite de dérivation.
Comme le montre le calcul il est possible de maintenir constante,même pour une charge totale changeante, la température des gaz de sortie qui se fixe comme température de mélange après leur remise ensemble, par une judicieuse division des débits.
Un autre moyen, pour influencer la température des gaz de sortie (ou gaz brûlés) d'après la pensée inventive est constitué par le réglage de la température de paroi des surfaces de chauffe de la chaudière de récupéra- tion ou des tuyaux de refroidissement de l'échangeur de chaleur. Comme on le sait, on peut régler la température des gaz de sortie dans les chaudières à vapeur par réglage de la pression. Lorsque cependant la température des gaz de sortie doit rester élevée, par exemple à cause du danger de corrosion, dans le cas de gaz de grillage dans le domaine de 300-400 , il faut aller à de très hautes pressions pour une petite charge de gaz si l'on veut atteindre ces températures. La limite supérieure ne peut être atteinte avec de l'eau de chaudière comme eau de refroidissement.
On peut hésiter aussi, pour des gaz corrodants, à aller à de fortes pressions de chaudière de plus de 100 atmosphères. Suivant l'invention, par l'organisation d'un transfert indirect de la chaleur on diminue le danger des détériorations de tubes car alors on ne doit régler à haute pression que le circuit primaire avec son faible con- tenu en eau, tandis que la pression de la vapeur fournie peut être choisie tout à fait indépendante du point de rosée des gaz. Pour éviter des pressions élevées, on fera avantageusement marcher le circuit primaire avec un liquide à point d'ébullition élevé, par exemple du diphényl-diphényloxyde. Le chan- gement, suivant l'invention, de la quantité, de chaleur donnée par le cir- cuit primaire s'est révélé comme un moyen très convenable pour influencer la pression du circuit primaire.
Si par exemple on produit de la vapeur d'eau avec la chaleur des gaz de grillage dans un circuit primaire, la sur- face de chauffe du circuit primaire qui se trouve dans le tambour de la chau- dière, peut être changée par l'agencement de plusieurs serpentins de chauf- fage montés en parallèle, que l'on peut isoler individuellement.- On obtient le même résultat par élévation et abaissement du niveau d'eau dans le tam- bour ou par réglage de la vitesse d'écoulement dans le serpentin par court- circuitage par une conduite de dérivation. Ce mode de réglage n'est possible que lorsque les chiffres de transmission de chaleur sont du même ordre de grandeur des deux côtés des tubes. Ceci a lieu par exemple pour une produc- tion indirecte de vapeur par de la vapeur se condensant.
Si les chiffres de transmission sont très différents, comme par exemple dans le passage du gaz à l'eau de chaudière, ce moyen échoue car la température de paroi est tou- jours déterminée par le chiffre de transmission de chaleur le plus grand, donc par celui du liquide. Mais si la chaleur est transmise de gaz de grillage à de l'air, par exemple, ce moyen est de nouveau efficace. Pour de fortes oscillations de la charge de gaz ce moyen ne suffit pas dans la plupart des cas, alors suivant l'invention on divise la surface de refroidissement en plusieurs éléments qu'on peut débrancher suivant les besoins.
Des dispositifs qui servent à l'exécution du procédé*suivant la pensée de l'invention, peuvent revêtir des formes très variées.
Dans beaucoup de cas, on emploie, pour la mise en valeur de la chaleur, des chaudières de récupération pour la production de vapeur qui, d'après l'idée inventive., sont partagées entre deux ou plusieurs faisceaux de tubes, qui sont reliés du côté gaz et du coté eau à des organes d'isole- ment et de réglage et qui sont reliés à un canal de dérivation en formant un aggrégat unique. Cet agencement a les avantages suivants pour l'exploi-
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talion et pour la sécurité de la chaudière de récupération.
Si un faisceau de tubes est mis hors-circuit, la production de vapeur tombe seulement dans le rapport des faisceau de tubes qui se trouvent encore en exploitation, au nombre total. La température des gaz- de sortie aussi ne monte que de manière peu importante, de sorte que les aggrégats mon- tés dans la suite, par exemple un dispositif purificateur de gaz électrosta- tique, ne sont pas mis en danger par une température trop élevée. Avec un plus grand nombre de faisceaux de tubes séparés on peut régler la charge par échelons en correspondance du nombre des faisceaux,. et la température des gaz de sortie peut être maintenue constante.
Au moyen des tiroirs ou des clapets d'étranglement qui sont agencés à l'entrée et à la.sortie de la chaudière, la température des gaz de sortie (ou brûlés ) peut cependant enco- re être réglée subsidiairement, une quantité partielle de gaz passant non utilisée par le canal de dérivation. Dans de plus grandes installations, on commandera avantageusement les organes de réglage automatiquement par la température des gaz de sortie. Pour de plus grands trajets de gaz der- rière la chaudière, on doit., suivant les circonstances-régler la température des gaz de sortie de telle façon qu'elle monte lentement à charge décroissan- te, équilibre ainsi la perte superficielle de la conduite de gaz et reste constante à l'extrémité de la conduite.
Gomme chaudière de récupération on peut employer les modes de construction les plus variés ainsi par exemple des chaudières à tubes dres- sés,des chaudières à circulation forcée directe ou périphérique, des chau- dières Schmidt etc.,.. Bien entendu, on peut avoir aussi une transmission de chaleur par de l'eau chaude ou par des liquides à point d'ébullition éle- vé comme du diphényl-diphényloxydeo Quand il s'agit d'économie de poids ou de dégagement dans la répartition des faisceaux de tubes, on donnera la préférence aux'modes de construction qui permettent une subdivision facile de la surface de chauffe et une séparation de la surface de chauffe d'avec les tambours,
par exemple des chaudières à circulation forcée périphérique comme les chaudières La Mont et d'autres.
La pensée inventive peut être utilisée très avantageusement dans des fours à étages ou des groupes de fours. Les faisceaux de tubes ou les chaudières séparée sont agencées avec un corps montant et un corps descen- dant immédiatement sur la sortie de gaz du four. Il est seulement nécessai- re de remplacer la manche de sortie ou le coude par une pièce spéciale qui est équipée des tiroirs ou clapets nécessaires. Un tel mode de construc- tion nécessite très peu de place et peut par suite être monté aussi dans des espaces étroits et dans des installations existantes sans grands frais.
Bien entendu on peut avoir aussi un agencement à chaudière suspendue.
Des canaux à gaz existants à grande section conviennent aussi très bien pour le montage de chaudières de récupération suivant 1-'idée in- ventive. Suivant la grandeur du canal, les faisceaux de tubes et le canal de dérivation avec les organes de réglage.sont agencés les uns à la file des autres ou les uns à côté des autres.
Comme il est connu, l'air de refroidissement échauffé sera soufflé, venant de l'arbre creux et passant par les bra.s dans les fours à étage, la plupart du temps au-dessus du toit Son contenu calorifique consi- dérable peut, d'une manière connue en soi, être utilisée pour le préchauffage -de l'eau d'alimentation,, Suivant l'invention, la surface de chauffe.de pré- chauffage sera subdivisée suivant le nombre des faisceaux de tubes ou des fours présentset immédiatement raccordée à la cheminée d'air chaud. On peut avoir aussi une disposition centrale autour de la cheminée à air chaud.
Dans bien des cas il est avantageux d'éviter.le contact direct des gaz avec les tubes de chaudière. Suivant l'invention les serpentins sont agencés à l'extérieur sur la conduite de gaz. La paroi de la conduite de gaz et les serpentins agissent de manière analogue aux tubes à nervures.
La chaleur transmise du gaz à la paroi est passée aux serpentins. partie par conduction .au point de contacta partie par rayonnement ou seulement par rayonnement. L'expérience et un calcul après coup montrent que la transmis-
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sion de chaleur atteint ainsi des valeurs tout à fait utilisables. D'après l'idée de l'invention, on ajuste, par le choix de la distance des tubes de l'un à l'autre, éventuellement aussi de la,paroi de conduite,, la températu- re de paroi de la canalisation suivant le point de rosée des gaz et on la règle pour les moyens cités plus haut. La température de l'agent de refroi- dissement dans les serpentins peut par suite se trouver aussi en dessous de la température de rosée du gaz,, sans que l'on doive craindre des corrosions.
On a encore l'avantage d'augmenter la chute de température entre le gaz et l'agent de refroidissement et d'améliorer la transmission de chaleur. Les serpentins brasés ou soudés forment avantageusement avec la conduite de gaz ou le canal à gaz un système se portant lui-même, de sorte que l'on peut renoncer à des raidisseurs en particulier pour des raidisseurs en particu- lier pour des surfaces de paroi planes, et économiser du poids.
La transmission est encore améliorée suivant l'invention en pla- çant une enveloppe de tôle autour des serpentins, isolée extérieurement par un calorifuge. Par perte par rayonnement de la paroi de conduite dans les intervalles entre les tuyaux, à l'enveloppe de tôle, celle-ci est échauffée et passe cette chaleur de rayonnement aux serpentins par contact métallique et rayonnement ainsi que par convection. Les tubes sont brasés sur la con- duite,soudés ou encore incorporés dans la'paroi à la coulée. Il est possi- ble aussi, toutefois, de fixer les serpentins sur le branchement extérieur par brasure, soudure, etc... Les serpentins à enveloppe forment alors des coquilles amovibles et facilement interchangeables.
On peut imaginer aussi des dispositions qui améliorent la conduction de chaleur de la paroi de conduite de gaz aux serpentins, tel est l'emploi de tubes à section ovale ou rectangulaire ou des tubes à pied brasé ou soudé y qui augmente la surface de contact. Des tubes coulés peuvent.être prévus avec des rainures adaptées à la forme des serpentins, dans lesquelles les serpentins sont montés.
Pour de plus petits diamètres de la conduite de gaz on peut aus- si, de manière connue., placer autour de celle-ci un tube concentrique et guider l'agent de transmission de chaleur dans l'espace annulaire. Ces échan- geurs de chaleur à doubles tubes connus sont cependant généralement construits de manière peu judicieuse. Les différences de dilatation thermique sont la plupart du temps reprises par des compensateurs à pénétration qui nécessitent une surveillance continuelle. Le guidage des gaz ou des liquides est forcé par des parois déflecteurs longitudinales ou transversales. De fréquents changements de direction brusques à grande résistance à l'écoulement et à consommation d'énergie inutile s'en suivent.
On évite suivant l'invention ces deux inconvénients en agengant,. pour reprendre la dilatation thermique aux extrémités, des corps élastiques entre tuyau extérieur et tuyau inté- rieuret en utilisant l'agrandissement ainsi produit de l'espace annulaire extérieur comme chambre de répartition, pour le gaz ou le-liquide., chambre de laquelle le milieu s'écoule axialement uniformément dans le passage an- nulaire entre les tuyaux et est repris à l'extrémité du tuyau par une cham- bre collectrice conformée identiquement.
L'agencement a également le pré- cieux avantage que la température de paroi dans les tuyaux se modifie axia- lement de manière uniforme, qu'on évite sûrement, par le fait., des change- ments subits de température et de fortes dilatations thermiques comme il s' en présente cependant souvent avec des tôles conductrices.
Le progrès technique de l'invention se reconnaît particulière- ment nettement dans l'application à la mise en valeur des chaleurs perdues de gaz fortement chargés en poussières. La grande quantité de poussière entraînée conduit souvent l'obstruction relative des serpentins de la chau- dière ou au moins à une diminution de la production en vapeur. Un prédépous- siérage mécanique par cyclones ou chambres de dépôt peut à vrai dire écarter cet inconvénientmais est lié la plupart du temps à des pertes de chaleur importantes justement dans le domaine des températures les plus intéressantes.
Pour des températures de gaz plus hautes,, les dépoussiéreurs montés en tête doivent ou bien être revêtus intérieurement de maçonnerie, ce qui diminue le degré de dépoussiérage surtout dans le cas de cyclones, ou être réalisés avec des tôles très résistantes à la chaleur avec un fort isolement thermique ex- térieur, construction plus chère. Jusqu'à ce jour on a employé de tels cy-
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clones à gaz chaud comme refroidisseur de gaz dans des installations de gril- lage sans isolement, mais alors on rendait sans profit à l'air les chaleurs perdues précieuses. Ce refroidissement à 1.'air a influence favorablement au moins le degré de séparation.
Si cependant., d'après l'idée inventive) on équipe le séparateur de poussière de surfaces d'échanges thermiques sui- vant un des modes de réalisation indiqués,on obtient un double avantage récupération des chaleurs perdues et refroidissement des gaz, combinés à l'amélioration de la séparation des poussières.
Pour augmenter l'effet on peut aussi réaliser le tube plongeur avec double paroi et pourvoir l'espace annulaire de serpentins., Bien entendu l'enveloppe de cyclone et le tube'plon- geur peuvent-être conformés aussi seulement en serpentins sans enveloppe ex- térieure ou comme l'échangeur de chaleur à doubles tubes dont question plus haut comme préchauffeur d'air,, La, plupart du temps la surface d'échange de chaleur logée dans le cyclone ne suffit pas pour abaisser la température du gaz à la valeur nécessaire. C'est pourquoi suivant l'invention on monte ensuite une autre surface d'échange thermique et au besoin on réduit les dispositifs de réglage à celle-ci.
Les figures 1-8 montrent des formes de réalisation de la pensée inventive.
- la figure 1 montre une chaudière de récupération de chaleurs perdues (1) à tubes dressés et tambours qui est agencée sur le coude de tuyau (2) du four à étages (3). Ce coude sert en même temps de canal de dérivation. Le faisceau tubulaire est divisé en deux corps par la paroi déflectrice (4). Par le clapet tournant (5) les gaz de grillage peuvent être conduits soit à travers le faisceau tubulaire, ou; si celui-ci doit être mis hors-circuit, par le canal de dérivation jusqu'à la conduite collectrice.
Lorsque diminue la charge du four et par suite aussi la masse de gaz., il sera avantageux de ne pas fermer tout à fait le clapet tournant., de sorte qu'un courant partiel du gaz s'écoule par le canal de dérivation (2). Les courants partiels sont réglés de telle sorte que la température du gaz de sortie reste inchangée quelle que soit la charge. Sur le four est agencé le préchauffeur d'eau d'alimentation (6) qui est raccordé directement à la cheminée à air chaud (7) par la conduite d'arrivée (8) et la conduite de départ (9).
L'amenée d'air chaud est réglé par les clapets (10, 10' et 10"); - la figure 2 montre une transmission de chaleur indirecte par un circuit primaire, Le liquide circulant dans le circuit primaire est échauffé dans les serpentins (11) par le gaz s'élève dans les serpentins (12) qui se trouvent dans 1,'espace d'eau du tambour (13).
La chaleur reprisé est cédée à l'eau de la chaudière et on produit ainsi de la vapeur. Par les soupapes (14) on peut aussi bien régler le débit qu'iso- ler les serpentins' suivant les besoins. Si de cette manière on diminue la restitution de chaleur, on ne peut amener l'équilibre entre chaleur reprise et chaleur cédée qu'en augmentant de manière convenable la pression entre le circuit et l'eau d'alimentation.
Le circuit primaire suivant la figure 3, ne possède par exemple qu'un serpentin de chauffage (12) dans le tambour (13). La pression dans le circuit est déterminée par réglage de la vitesse d'écoulement dans le ser- pentin de chauffage (12) par la conduite de by-pass(15) et la soupape de réglage (16).
Bien entendu on peut avoir encore d'autres genres de réglage, c' est ainsi par exemple qu'on peut régler par abaissement et relèvement du ni- veau de l'eau ou par une combinaison des dits modes de travail.
- la figure 4 montre un agencement à deux groupes de tuyaux 11 et 11' et avec un canal de dérivation (21)o Par le clapet tournant (5) on conduit le courant gazeux, suivant chaque charges en tout ou en partie par les groupes de tubes 11 et 11' ou par le canal de dérivation (2). Pour une charge réduite on fait travailler par exemple complètement un groupe de tubes et le deuxième en partie seulement, tandis que le reste des gaz s'écoule par le canal de dérivation (2).
A la figure 5,la canalisation de gaz (17) est équipée de ser- pentins (11) montés à l'extérieur qui reprennent la chaleur des gaz. Pour
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arriver à une meilleure transmission de chaleur du gaz aux serpentins (11) on place autour des serpentins (11) encore une enveloppe de tôle (18) qui est isolée extérieurement. Dans cet agencement également, les serpentins peuvent être agencés en plusieurs serpentins montés parallèlement ou en sé- rie les uns derrière les autres. Par réglage de la mise en activité des divers groupes de tubeson agit sur la température des gaz de sortie.
- La figure 6 montre un échangeur de chaleur à tube double pour gaz, par exemple pour gaz de grillage et air. La conduite à gaz (17) est le tuyau intérieur, (19) le tube extérieur. Dans l'espace annulaire entre (17) et (19) s'écoule le gaz de refroidissement. Les chambres élargies d'entrée et de sortie (20) sont pourvues de fonds élastiques (21) qui reprennent la différence de dilatation des deux tubes. Pour régler la température du gaz lorsque la charge diminue, on diminue par exemple la quantité des gaz de refroidissement, le chiffre de transmission de chaleur du côté du gaz de refroidissement et par suite la quantité de chaleur cédée. Par le réglage de la vitesse de l'air on peut maintenir la température de paroi de la con- duite au-dessus du point de rosée du gaz, ainsi que maintenir la températu- re des gaz de sortie à la hauteur voulue.
Bien entendu, les espaces annu- laires de plusieurs tubes doubles peuvent être montés en série ou en paral- lèle ou être pourvus de tuyaux de dérivation, de sorte qu'on peut régler suivant les besoins la surface de refroidissement et aussi la température du paroi des tuyaux.
- La figure 7 montre un cyclone à gaz chaud à parois refroi- dies. Tant l'enveloppe du cyclone (22) que le tube plongeur à double paroi (23) sont pourvus de serpentins (11) pour le refroidissement du gaz et la production de vapeur. Le revêtement extérieur (18) améliore la transmis- sion de chaleur aux serpentins et porte l'isolement extérieur. Bien enten- du,on peut équiper également le cône du cyclone au moyen de serpentins.
Les serpentins peuvent, comme dit plus haut, être également montés en paral- lèle ou être isolables individuellement, en sorte que l'on peut agir sur la quantité de:,chaleur reprise et par suite sur la température du gaz.
- La figure 8 montre une autre forme de réalisation de la pensée inventive et en fait un cyclone à gaz chaud, qui est conformé en préchauffeur d'air ou de gaz, L'enveloppe du cyclone (22) et le tube plongeur (23) sont conformés en tubes doubles. Par l'espace annulaire s'écoule le gaz de refroi- dissement,de la manière indiquée. Le tube plongeur est parcouru axialement avec l'aide des chambres d'admission et de départ (20) qui sont équipées de fonds élastiques. Bien entendu on peut choisir un guidage de gaz semblable aussi pour l'espace annulaire de l'enveloppe (19).