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PROCEDE POUR L'ENLEVEMENT DE LA CHALEUR DANS DES REACTIONS DE CORPS
SOLIDES AVEC DES GAZ.
Pour l'enlèvement de la chaleur dans des réactions de corps solides avec des gaz, on a fait différentes propositions et aussi diffé- rentes réalisations.
Par exemple, dans les modes de travail où la matière solide est maintenue flottante, en tout ou en partie, par un courant gazeux, on connaît le fait d'employer une matière très humide, ou d'injecter un liquide de refroidis- sement, l'addition de produits de réaction solides refroidis, ou de matiè- re solide inerte, l'agencement de serpentins refroidisseurs traversés par de l'eau, ou le fait de ramener du gaz de réaction refroidi. Pour un mode de travail économique, il ne suffit cependant pas de retirer de la chaleur d'une manière quelconque, mais il faut aussi la rendre utilisable, par exemple ou l'employant pour produire de la vapeur.
Par injection d'un liquide de refroidissement, on retire à vrai dire de la chaleur sous forme de chaleur de vaporisation ou de sur- chauffe. Mais on ne peut rendre utilisable que la chaleur de surchauffe, car dans le refroidissement des gaz dans des échangeurs de chaleur ou dans des chaudières de récupération de chaleur, on ne doit pas descendre en dessous du point de rosée. Le gain de chaleur est par suite étroitement limité, en particulier pour des gaz à haut point de rosée, tels que des gaz de grillage, qui contiennent SO2 et SO3. Lorsqu'on refroidit encore ensuite les gaz de réaction, il faut leur enlever aussi la chaleur de . vaporisation du liquide de refroidissement. Les surfaces de refroidisse- ment sont soumises à une demande plus grande et doivent être aggrandies.
Par l'addition de produits de réaction solides refroidis, ou de matière solide inerte, la température de la zone de réaction ne peut être influencée que dans une faible mesure, car la chaleur spécifique de la matière solide est faible.
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-Si l'on enlève la chaleur par de l'eau froide. elle est-là plupart du temps sans valeur à cause de sa basse température. Pour la pro- duction de vapeur, on peut utiliser alors seulement le contenu de chaleur des gaz de réaction. Si l'on règle la température dans la zone de réaction en ramenant du gaz de réaction refroidi, la chaleur retirée est liée à la quantité totale de gaz et peut être rendue utilisable en grande partie, par exemple en lui faisant produire de la vapeur dans une chaudière de récupé- ration.
Si l'on classe les modes de travail indiqués au point de vue de l'économie de la chaleur, le procédé avec retour de gaz de réaction refroidi a la première place. Un tel procédé est décrit dans le brevet bel- ge 504.438 (demande de brevet allemand /p.24 213 IVa/40) .
En faits le retour du gaz de refroidissement nécessite un travail de soufflerie supplémen- taire.mais le gain d'énergie par la vapeur produite dépasse largement la con- sommation d'énergie. Un exemple numérique montrera les conditions qui se pré- sentent dans le grillage de la pyrite dans le lit de coulée.
Dans le grillage d'l tonne de pyrite avec 48% de soufre, on peut gagner à peu près les énergies suivantes : enlevant de la chaleur par des serpentins de refroidissement 71 kWh en ramenant 50% du gaz de grillage 160 kWh en ramenant 100% du gaz de grillage 169 kWh
L'addition de gaz de réaction ramené ou de liquide de re- froidissement, qui apparaît dans le gaz sous forme de vapeur, suppose une augmentation de la masse de gaz de réaction. Comme pour le traitement d'une matière de grosseur de grain déterminée il faut une vitesse du gaz détermi- née, ces procédés nécessitent aussi une section,supérieure correspondante de la zone de réaction.
Il y a lieu de veiller aussi à ce que, dans l'enlèvement de chaleur par des serpentins de refroidissement, le tourbillonnement intensif de la matière solide dans la zone de réaction entraîne des attaques mécani- ques des serpentins de refroidissement. Par conséquent, il n'est pas possi- ble. ou il n'est possible qu'avec de grandes difficultés, d'agencer dans la zone de réaction des serpentins qui appartiennent à une chaudière à vapeur et qui sont sous pression.
Lorsqu'il est possible d'amener directement à la surface de chauffe d'une chaudière la chaleur superflue prise à la zone de réaction, et ainsi d'éviter le danger précité, un tel mode de travail est supérieur aux autres, car le gain de chaleur et la charge de la chambre de réaction atteignent les valeurs les plus grandes pratiquement possibles.
On a trouvé maintenant que dans ce but il est préférable de faire par rayonnement la transmission des quantités de chaleur à enlever.
La transmission peut se faire directement,ou aussi indirectement.
Suivant l'idée inventive, on agence en dehors de la zone de réaction proprement dite, des surfaces de refroidissement, par exemple des' parties de la surface de chauffe d'une chaudière à vapeur, de telle façon. que la matière solide incandescente venant de la zone de réaction transmet- te à celles-ci sa chaleur en excès, principalement par rayonnement. On remar- quera que dans le texte subséquent la notion de "surface de refroidissement" est employée de façon générale, c'est-à-dire qu'elle inclut aussi les surfa- ces de chauffe d'une' chaudière. Comme on le sait, la transmission -de chaleur par rayonnement est très intensive aux températures élevées, en sorte qu'on obtient de la sorte un refroidissement effectif de la zone de réaction.
A cela s'ajoute le fait que les particules solides incandescentes possèdent un fort chiffre de rayonnement. Bien entendu, une petite quantité de chaleur est enlevée aussi par le contact des gaz et de ces surfaces de refroidisse- ment. La perméabilité des gaz portant de la poussière, aux rayons calorifi- ques est.. comme cela est décrit dans le brevet belge 504.438 (demande de brevet allemand p 24 213 IVa/40), augmentée et entretenue par le retrait des
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gaz dans le même sens de rotation en un sens uniforme. On obtient le même résultat lorsque la section à gaz au-dessus de la zone de réaction est augmentée. Par là à la fois on diminue la vitesse des gaz et aussi la teneur des gaz en poussière.
Dans des réactions avec grand dégagement de chaleur, il ne suffit.généralement pas d'agencer de telles surfaces soumises direc- tement au rayonnement, pour arriver à un refroidissement suffisant de la zone de réaction. Dans ces cas, suivant la pensée de l'invention, on dis- . pose des surfaces de refroidissement supplémentaires, autour de la zone de réaction ou aussi dans la zone de réaction, lesquelles surfaces sont protégées par des parois protectrices contre les attaques mécaniques et chimiques. Ce n'est que par ces moyens que les tubes de chaudière sous pression sont protégés de la corrosion et de l'érosion et qu'on obtient ainsi la sécurité d'exploitation nécessaire. A ces parois de protection est donnée de la chaleur provenant de la zone de réaction, soit par rayon- nement, soit par conduction.
Les parois de protection sont par là encore chauffées et rayonnent à nouveau la chaleur vers les surfaces de refroi- dissement qui se trouvent derrière elles. Sur la base de calculs théoriques et de mesures pratiques, on a établi que par cette transmission indirecte de chaleur on atteint un refroidissement très effectif de la zone de ré- action. Les parois de protection sont faites ici d'un matériau très ré- fractaire et très résistant à l'usure, comme par exemple du sicromal ôu de la fonde au chrome. Les surfaces de refroidissement sont formées dans la plupart des cas par les tubes d'une chaudière à vapeur. Pour aider le passage de chaleur des parois de protection aux tubes, ceux-ci peuvent être mis en contact direct avec la paroi de protection, de sorte qu'il s'écoule aussi de la chaleur par conduction.
La surface de contact des tubes avec la paroi de protection peut être accrue par la pose des tubes dans des rainures semi-circulaires de la paroi de protection, par l'em- ploi de tubes à section rectangulaire ou par des dispositions analogues.
Il est bien entendu que par cet agencement on ne peut atteindre des va- leurs de transmission de chaleur aussi hautes que par l'application au rayonnement direct. Mais les calculs et les mesures dont il a été ques- tion plus haut ont montré que dans cette transmission indirecte on peut atteindre environ 40 - 50% du rayonnement calorifique sur des surfaces non protégées.
Dans les petits groupes il suffit d'équiper l'enveloppe de surfaces de refroidissement. Dans de plus grands, il est nécessaire de construire des surfaces de refroidissement aussi dans la zone de ré- action, par exemple sous forme de parois de séparation qu'on y glisse, ou d'anneaux.
Il est très avantageux d'édifier de telles surfaces de re- froidissement dans une chambre fermée, qu'on peut interchanger facilement et sans grands frais.
La paroi postérieure de cette chambre fonctionne en même temps comme sur- face de rayonnement renvoyé et améliore la transmission de chaleur par ray- onnement. Pour la protéger de la pénétration de gaz à action corrosive, cette chambre est raccordée à la suite de la conduite sous pression de la soufflerie d'air et est maintenue ainsi sous une surpression légère par rapport à la chambre de réaction.
Si la paroi de protection est détériorée, il s'écoule de l'air frais par l'endroit blessé, ce qui empêche la pénétration de gaz. Dans la canalisa- tion entre la soufflerie et la chambre de refroidissement on intercale un organe sensible, tel que par exemple un diaphragme de mesure, qui, lorsqu'il y a détérioration, déclanche un signal avertisseur ou met le four au repos.
Souvent il est nécessaire aussi de refroidir le fond de la zone de réaction, qui peut être conformé en grille, de la manière préindiquée. Bien entendu, on peut aussi construire la chambre de réac- tion en parois de refroidissement protégées. L'agencement et le rapport
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en étendue des surfaces de refroidissement protégées et non protégées dé- pendent tout-à-fait du'genre du processus réactionnel, de la teneur des- - gaz en poussières et d'autres circonstances.
La plupart du temps, on traite dans un appareillage à ré- actions des matières premières de différentes sortes, par exemple dans un four de grillage on traite différentes sortes de pyrites et de blendes., de sorte qu'il en résulte des différences dans la température de réaction, la composition des gaz et la quantité de chaleur à enlever. Les surfaces de refroidissement sont avantageusement dimensionnées de telle façon qu'elles satisfont aux conditions les plus défavorables.
C'est pourquoi l'enlèvement de chaleur'par les surfaces de refroidisse- ment doit être réglable dans le traitement de matières premières à faible dé- gagement de chaleur.
Mais une adaptation des surfaces de refroidissement, soumises à rayonnement direct, à un retrait de chaleur par désaffectation partielle n'est pas.de mi- se aux hautes températures, car il subsiste le danger que les tubes serpen- tins désaffectés soient surchauffés et détériorés.
Au contraires la transmission de chaleur par rayonnement suivant la présen- te invention offre la possibilité, suivant la présente invention, de ré- gler le transport de chaleur par changement de la distance de la surface de chauffe à la zone de réaction.
La capacité d'absorption de chaleur par des surfaces chauf- fées indirectement, peut aussi,, être réglée suivant la pensée de l'inven- tion. @
On a atteint ce but par l'agencement d'un diaphragme ou écran en matériau réfractaire qui recouvre en partie la surface de refroidissement de manière correspondante à l'absorption de chaleur qui s'impose: Un tel diaphragme ou écran à rayonnement peut être adapté de préférence ' à différentes conditions de travail
Il sera par exemple indiqué, dans le cas de matières pre- mières réagissant difficilement, de soumettre au jeu de l'écran le rayon- nement calorifique dans la zone initiale. Le passage de chaleur se borne alors à la partie de la surface de refroidissement non soumise au jeu de l'écran.
Dans d'autres cas, il est nécessaire d'étrangler uniformément la reprise de chaleur de toute la surface de refroidissement. Cette tâche est remplie par un écran à rayonnement pourvu de fentes ou de trous.
Un tel réglage est possible aussi par le fait que la dis- tance des tubes qui forment la surface de refroidissement, est changée d'un tube à l'autre. Ce mode de réglage est applicable en particulier aux chaudières qui comportent les deux modes de circulation forcée. Les serpentins de ces genres de construction de chaudières, qui sont consti- tués ordinairement de tubes de petit diamètre, par exemple 32 mm, sont très élastiques, en particulier lorsqu'ils sont enroulés suivant un grand diamètre. Les fatigues de torsion par changement de pas des spires ne sait donc pas excessives. Avantageusement, dans la partie non chauffée de la chambre prolongée on agencera un serpentin à grand-pas, qui reprend la dé- formation élastique des spires soumises à rayonnement.
Par cet agencement; les raccords de tubes pour les serpentins peuvent être établis fixes.' Ce mode de réglage peut être employé aussi bien pour la transmission de cha- leur directe que pour la transmission indirecte. Un autre genre de réglage s'obtient en changeant la charge en matières premières. Une diminution de celle-ci produit un abaissement de la température dans la zone de réaction, une augmentation de la charge entraîne un accroissement de température.
Un mode de réglage efficace est obtenu par la combinaison du réglage de la température (décrite dans le brevet belge 504.438 deman- de allemande/p 24 213 IVa/4c) par retour de gaz de réaction refroidis avec le refroidissement indiqué ici par rayonnement direct ou indirect. Cette combinaison permet un réglage de la quantité de chaleur.enlevée, dans. de très larges limites.
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Des formes de réalisation de la pensée de l'invention sont montrées par les figures 1 à 4. @ - - La figure 1 représente une chambre de réaction avec la zo- ne de réaction proprement dite (1), la chambre à gaz (2), l'enveloppe '(3) et le revêtement en maçonnerie (4). La matière de réaction solide tombe par le tube d'admission (5) dans la zone de réaction (1) et y est mainté- nue flottante en tout ou en partie par l'air de réaction qui est amené par l'arbre creux (6) et la grille tournante (7). Pour l'enlèvement de la cha- leur de réaction et l'établissement de la température de réaction, on a agencé au-dessus de la chambre des gaz (2), des surfaces de chauffe (8) d'une chaudière, qui reprennent directement la chaleur par rayonnement.
La zone de réaction proprement dite (1) est entourée d'une paroi de protec- tion (9) qui est refroidie par des tubes serpentins (10) qui se trouvent der- rière.
A cette surface de chauffe de chaudière la chaleur est amenée indirectement.
Les serpentins (10) sont montés dans une chambre fermée (11) qui est maintenue sous surpression d'air par une conduite (12). Les gaz de réaction quittent là chambre de réaction par les manches de sortie agencées tangentiellement et s'écoulent, en passant par un cyclone, par le surfaces de chauffe ultérieu- res de la chaudière de récupération.
Une autre forme de réalisation est montrée à la figure 2.
Au lieu de la grille tournante (7) on a monté une grille fixe qui comprend des barreaux de grille (14) refroidis. Dans les barreaux de grille se trouvent des tubes refroidisseurs (10) qui peuvent aussi être des parties de la surfa- ce de chauffe de la chaudière. La chambre à gaz (2) aussi est entourée d'une paroi de protection (9) qui reprend de la chaleur et celle-ci rayonne vers les serpentins (10).
La figure 3 montre un mode de reprise indirecte de la chaleur. par l'intermédiaire d'une paroi de protection et le réglage par recouvrement partiel des serpentins (10). L'écran diaphragmant le rayonnement (15), qui dans cette forme de réalisation est troué, peut être déplacé en hauteur et régler ainsi la reprise de chaleur.
A la figure 4 est représenté un autre mode de réglage. La distance des tubes serpentins (10) peut être modifiée. La déformation élas- tique des serpentins (10) est reprise par les serpentins (16).
On peut avoir encore d'autres formes de réalisation de la pensée de l'invention, ainsi que des combinaisons des différentes modes de construction et modes de réglage.
REVENDICATIONS.
1. Procédé pour l'enlèvement de la chaleur dans les réac- tions de matières solides avec des gaz, caractérisé en ce que la chaleur de la zone de réaction est retirée par rayonnement.