LU82963A1

LU82963A1 - Procede et dispositif pour la recuperation de chaleur a partir des fumees de fours,notamment de fours a verre

Info

Publication number: LU82963A1
Application number: LU82963A
Authority: LU
Inventors: J Glinel; P Billarand; C Sanglard
Original assignee: Saint Gobain Emballage; Setrem
Priority date: 1979-11-30
Filing date: 1980-11-28
Publication date: 1981-06-04
Also published as: GB2064749B; ES497273A0; ES8107384A1; GB2064749A; IT8068833A0; IT1130542B; BE886414A; FR2470942A1; NL8006414A; FR2470942B1; DK506780A; DE3043804A1

Description

MÉMOIRE DESCRIPTIF

DÉPOSÉ A L'APPUI D’UNE DEMANDE DE

BREVET D’INVENTION

FORMÉE PAR

SAINT-GOBAIN EMBALLAGE et S. E. T. R. E. M. pour

Procédé et dispositif pour la récupération de chaleur à partir des fumées de fours, notamment de fours à verre.

P invention concerne un procédé et un dispositif pour la récupération de chaleur à partir des fumées de fours, en particulier des fumées de fours à verre.

En vue de réchauffer l’air de combustion de tels fours, il est connu d’utiliser des régénérateurs formés d’empilages de briques, traversés alternativement par les fumées, puis par cet air de combustion.

Dans des fours de moindre importance, l’installation de tels régénérateurs est souvent moins commode et en outre d’un coût trop élevé. On utilise alors de préférence des récupérateurs PVD. 11 (5F) JL2 79570 qui sont en fait de simples échangeurs métalliques de chaleur verticaux, dans lesquels les fumées circulent en principe suivant un mouvement ascendant, en profitant du tirage naturel, avant d’être rejetées à la cheminée.

On rencontre en pratique deux types principaux d’échangeurs. Les uns sont des appareils à double enveloppe, où l’air circule dans l’espace périphérique et les fumées dans la partie centrale. Les autres possèdent une enveloppe unique isolée, dans laquelle est disposé un faisceau annulaire de tubes suspendus, à l’intérieur desquels circule l’air à réchauffer. Ils sont de structure plus complexe, mais permettent d’atteindre un meilleur rendement, du fait d’une température de réchauffage de l’air plus élevée à la sortie.

En fait, on combine généralement ces deux types d’échangeurs dans les récupérateurs en les disposant l’un au-dessus de l’autre et en les alimentant par un carneau inférieur. L’échangeur inférieur, qui fonctionne à haute température, est un échangeur tubulaire en acier réfractaire au chrome, dans lequel on effectue un échange antiméthodique, c’est-à-dire que l’air, déjà réchauffé , y circule de bas en haut dans le même sens que les fumées chaudes, ce qui permet de maintenir les tubes à une température sensiblement constante, de l’ordre de 750°C, sur toute la longueur de l’échangeur, et de réduire ainsi les contraintes thermiques.

L’échangeur supérieur, fonctionnant à relativement basse température, est un échangeur à double enveloppe constitué de tôles en acier inoxydable austénitique au chrome nickel, dans lequel on effectue un échange méthodique, l’air froid y circulant de haut en bas, en sens inverse des fumées déjà refroidies.

Ce type de circulation permet d’obtenir un meilleur épuisement de la chaleur des fumées, mais il engendre sur les tôles des contraintes plus élevées, qui restent toutefois acceptables dans cette section relativement froide.

Dans les divers types de récupérateurs connus jusqu'à présent, et en particulier dans celui qui vient d'être décrit, la principale difficulté rencontrée provient d'un encrassement des parois exposées aux fumées, encrassement qui entraîne un colmatage partiel, qui fait baisser le rendement d'échange de l'appareil en provoquant une chute de la température de réchauffage de l'air de combustion et qui est même susceptible de provoquer une détérioration prématurée de l'installation par la formation de points chauds qui entraînent des, efforts dissymétriques, le cintrage des tubes et une corrosion accélérée.

Cet encrassement provient essentiellement d'un dépôt pâteux de mélanges de sels acides tels que des sulfates et, le cas échéant, des borates, que l'on observe facilement dans le carneau d’alimentation situé à la partie inférieure du récupérateur. Ce dépôt se produit dans une zone de températures de l'ordre de 800°C, c'est-à-dire également sur les tubes et en particulier dans la partie supérieure de-l'échangeur à faisceau tubulaire.

Dans cette région, le dépôt empêche la transmission de chaleur et se solidifie au contact des parois, sans parvenir à s'écouler entièrement vers le bas. C'est ainsi que le rendement du récupérateur baisse progressivement et que le colmatage peut intervenir. A température plus élevée, le dépôt est fluide ou même il ne se produit pas de condensation. A température plus basse, au contraire, et notamment dans l'échangeur supérieur, le dépôt s'effectue sous forme solide et engendre des poussières, que l'épurateur placé à l'entrée de la cheminée a notamment pour fonction de capturer, au moins en partie.

L'invention vise à éliminer les inconvénients liés à ' 1 ' t » 1’encrassement des récupérateurs de chaleur usuels en proposant un récupérateur dans lequel un échangeur tubulaire de chaleur et un échangeur à double enveloppe sont combinés de façon telle qu’ils ne puissent pratiquement pas s’encrasser.

A cet effet, l’invention a pour objet un procédé pour la récupération de chaleur à partir des fumées d’un four et le préchauffage de l’air de combustion de ces fours par échange de chaleur entre ces fumées et cet air dans deux échangeurs, l’un à haute température, l’autre à moyenne température, qui traversent successivement les fumées du four, tandis que l’air à préchauffer passe d’abord dans l’échangeur à moyenne température, où il circule à contre-courant des fumées, puis dans l’échangeur à haute température, où il circule dans le même sens que les fumées, ce procédé étant caractérisé en ce que, les deux échangeurs étant disposés parallèlement en position verticale, les fumées circulent de haut en bas dans l’échangeur à haute température, puis de bas en haut dans l’échangeur à moyenne température.

L’invention a également pour objet un dispositif pour la récupération de chaleur à partir des fumées d’un four et pour le préchauffage de l’air de combustion de ce four, par échange de chaleur entre ces fumées et cet air, ce dispositif comprenant un échangeur de chaleur à haute température et un échangeur de chaleur à moyenne température que traversent successivement les fumées sortant du four, tandis que l’air pénètre d’abord dans l’échangeur à moyenne température, à contre-courant des fumées, puis dans l’échangeur à haute température, où il circule dans le même sens que les fumées, ce dispositif étant caractérise en ce que les échangeurs sont disposés parallèlement dans des positions telles que les fumées y circulent à la verticale, le conduit d’alimentation en fumée de 1’échangeur à haute température débouchant à la partie supérieure de celui-ci, tandis que le conduit d’alimentation en fumée de l’échangeur à moyenne température débouche à la hase de celui-ci.

Selon l’invention, par conséquent, dans l’échangeur à haute température, les fumées et l’air circulent de haut en bas, tandis que, dans l’échangeur à moyenne température, les fumées circulent de bas en haut et l’air du haut vers le bas. les bases de ces deux échangeurs seront donc réunies par un carneau en produits réfractaires et l’échangeur à haute température sera alimenté en fumées à sa partie supérieure par un carneau également en produits réfractaires.

Comme dans les récupérateurs de chaleur usuels, l’échangeur à haute température est un échangeur tubulaire, tandis que l’échangeur à moyenne température est un échangeur à double enveloppe.

Du fait de la circulation des fumées du haut vers le bas, dans l’échangeur à haute température, ce dispositif peut perturber le tirage naturel des fours, mais, si nécessaire, il est facile à l’homme de l’art de rééquilibrer les pressions par des mesures connues dans la technique.

On constate, de façon surprenante, que, si la quantité de matières solides recueillies au pied de l’échangeur, c’est-à-dire, dans le cas considéré, sur la sole du carneau de liaison entre les échangeurs et essentiellement au pied de l’échangeur froid, est relativement importante, tout colmatage de l’échangeur chaud à faisceau tubulaire a disparu. Il se crée simplement, sur ce faisceau, un dépôt relativement mince, dont la résistance thermique abaisse quelque peu la température des tôles du faisceau.

Dans le cas de l’application du dispositif conforme à l’invention à un four en verre, il se dépose sur le faisceau de tubes une couche peu épaisse de sels, essentiellement des borates et des sulfates, dont la proportion varie suivant la composition du verre élaboré, et la température de la surface exposée aux fumées se stabilise entre 800 et 900°C.

Les dessins schématiques annexés illustrent la technique antérieure et le dispositif conforme à 1*invention. Sur ces dessins :

La figure 1 est un schéma d’un récupérateur de chaleur d’un type connu ;

La figure 2 est un schéma d’un récupérateur de chaleur conforme à l’invention

Le récupérateur connu dans la technique, qui est représenté sur la figure 1, comprend deux échangeurs thermiques 1 et 2, disposés l’un au-dessus de l’autre. L’échangeur inférieur 1 est un échangeur tubulaire du type cage, comprenant un collecteur torique supérieur 3 et un collecteur torique inférieur *+, avec lesquels communique un faisceau de tubes parallèles 5· L’échangeur supérieur 2 est un échangeur à double enveloppe, entre les parois 6 et 7 duquel sont disposées des ailettes 8 formant entretoises. Une boîte annulaire d’entrée 93 disposée à la partie supérieure de l’échangeur 2 communique avec l’espace compris entre les deux parois 6 et 7· De même, une boîte annulaire de sortie 10 est disposée à la base de l’échangeur 2.

L’échangeur inférieur 1 est alimenté à sa base, par un carneau 11 en produits réfractaires, en fumées à haute température sortant du four. Après refroidissement partiel dans l’échangeur 1, qu’elles traversent de bas en haut, les fumées passent dans la partie centrale de 1’échangeur supérieur 2, dans lequel elles circulent également de bas en haut, puis sont évacuées par la cheminée 12.

L’air à préchauffer circule en sens inverse des fumées dans l’échangeur supérieur 2· Il pénètre, en effet, par la boîte supérieure 9 dans l’espace annulaire séparant les parois 6 et 7} et en est évacué à la partie inférieure par la boîte 10. Il est ensuite conduit par une canalisation 13 vers le collecteur inférieur de P échangeur 1, d'où il passe dans les tubes 5, puis dans le collecteur supérieur 3» pour être évacué en 1*f vers l'alimentation des fours. Dans l'échangeur inférieur 1 (échangeur à haute température), l'air des fumées circulent donc dans le même sens.

Dans le cas de Inapplication d'un tel dispositif à un four à verre, les fumées arrivant à la base de l'échangeur tubulaire 1 ont une température d'environ 1 250°C. Elles pénètrent à environ 900°C dans l’échangeur à double enveloppe 2 et sont évacuées vers la cheminée à environ 700°C.

L'air pénétrant par la cage 9, à 20°C, dans l'échangeur 2 ressort à sa base, par la cage 10, à environ 250°C, pour être réchauffé jusqu'à environ 750°C dans l'échangeur 1.

Ainsi qu'il a été expliqué ci-dessus, un tel récupérateur de chaleur présente l'inconvénient que le fonctionnement de chaque échangeur thermique produit des effets sur l'autre échangeur. Plus précisément, les particules pulvérulentes résultant de la condensation des fumées dans l'échangeur 2 peuvent éventuellement être éliminées avec les fumées qui se déposent sur les dispositifs d'épuration disposés à la base de l'échangeur, mais celles qui se déposent sur les parois latérales, puis s'en détachent, ont tendance à retomber sur le faisceau de tubes 5 de l'échangeur inférieur 1. Or, à la partie supérieure de ces tubes, dont la température est de l'ordre de 750-800°C, cette température n'est » pas assez basse pour que les fumées s'y condensent sous forme solid et c'est un dépôt pâteux de sels acides qui se produit. Ce dépôt n’est pas assez fluide pour s'écouler vers le bas en direction du carneau 11, mais, au contraire, du fait de l'addition des poussières provenant de l'échangeur supérieur, il finit par prendre en * masse sur les tubes 5 en rendant progressivement inutilisable le récupérateur de chaleur.

Le dispositif conforme à 1;invention, qui est représenté sur la figure 2, permet de remédier à cet inconvénient.

Sur cette figure, les organes déjà décrits en relation avec la figure 1 conservent les memes chiffres de référence, mais affectés de 1’indice a.

On retrouve donc un échangeur à haute température constitué par un échangeur tubulaire 1a et un échangeur à moyenne température constitué par un échangeur à double paroi 2a, mais, au lieu d’être disposés l’un au-dessus de l’autre, ces échangeurs sont disposés l’un à côté de l’autre et leurs bases sont réunies par un carneau inférieur 20 en matière réfractaire.

Les fumées chaudes qui sortent du four alimentent par un carneau 21 la partie supérieure de l’échangeur 1a, dans lequel elles circulent de haut en bas, puis elles passent dans le carneai 20 pour arriver à la base de l’échangeur 2a, qu’elles traversent de bas en haut, pour être enfin évacuées par la cheminée 12a.

Comme précédemment, l’air à préchauffer pénètre dans l’échangeur 2a par la boîte annulaire 9a disposée à sa partie supérieure et il en est évacué à sa base par la boîte 10a, pour être entraîné par la canalisation 13a vers le collecteur supérieur 3a de l’échangeur tubulaire 1a, d’où il passe dans les tubes 5a, puis dans le collecteur inférieur à-a et enfin dans le conduit là-a qui aboutit à l’alimentation des fours.

Dans le cas de l’application du dispositif selon l’in-. vention aux fours à verre, les fumées arrivant en 21 à la partie supérieure de l’échangeur 1a sont à environ 1 250°C. A la base de cet échangeur 1a, et dans le carneau 20, leur température est d’environ 800°C, et elles sont finalement évacuées par la cheminée 12a à environ 600°C.

L'air pénètre à environ 20°C à la partie supérieure de l'échangeur 2a et sort à la base de celui-ci par la canalisation 13a à environ 200°C et, après passage dans l'échangeur 1a, il atteint environ 750°C·

Si l'on compare ce dispositif de récupération de chaleur à celui qui a été décrit en référence à la figure 1, on constate que les poussières résultant de la condensation des fumées dans l'échangeur à moyenne température 2a ne peuvent passer dans l'échangeur à haute température 1a. Elles tombent simplement dans le carneau 20, où elles fondent et d'où elles peuvent être éliminées par des portes telles que 22, sans dommage pour l’échangeur 1a· Par ailleurs, les condensats pâteux qui se forment sur les tubes du faisceau de l'échangeur 1a, lorsque les fumées sont déjà refroidies, n'apparaissent qu?à la partie inférieure des tubes, d'où ils s'écoulent spontanément dans le même sens que ces fumées vers le carneau intermédiaire, où ils seront également recueillis.

Le dépôt pâteux se produisant sur la base des tubes 5a. atteint donc rapidement un état d'équilibre et il est facile de tenir compte de cet encrassement constant pour calculer de façon optimum les surfaces d'échange de chaleur.

Claims

1.- Procédé pour la récupération de chaleur à partir des fumées d'un four et le préchauffage de l'air de combustion de ces fours, par échange de chaleur entre ces fumées et cet air dans deux échangeurs, l'un à haute température, l'autre à moyenne température, que traversent successivement les fumées du four, tandis que l'air à préchauffer passe d'abord dans l'échangeur à moyenne température où il circule à contre-courant des fumées, puis dans l'échangeur à haute température, où il circule dans le * même sens que les fumées, ce procédé étant caractérisé en ce que, les deux échangeurs étant disposés parallèlement en position verticale, les fumées circulent de haut en bas dans l'échangeur à haute température, puis de bas en haut dans l'échangeur à moyenne température.

2· - Dispositif pour la récupération de chaleur à partir des fumées d'un four et pour le préchauffage de l'air de combustion de ce four, par échange de chaleur entre ces fumées et cet air, ce dispositif comprenant un échangeur de chaleur à haute température et un échangeur de chaleur à moyenne température que traversent successivement les fumées sortant du four, tandis que l'air pénètre d'abord dans l'échangeur à moyenne température, à contre-courant des fumées, puis dans l'échangeur à haute température, où il circule dans le même sens que les fumées, ce dispositif étant caractérisé en ce que les échangeurs sont disposés parallèlement dans des positions telles que les fumées y circulent à la verticale, le conduit d'alimentation en fumée de l'échangeur à i haute température débouchant à la partie supérieure de celui-ci, tandis que le conduit d'alimentation en fumée de l'échangeur à moyenne température débouche à la base de celui-ci.

3·- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la base de l’échangeur à haute température et la hase de l’échangeur à moyenne température sont réunies par un carneau en produits réfractaires. if. - Dispositif selon la revendication 3? caractérisé en ce que ledit carneau est équipé d’au moins un moyen d’accès tel qu’une porte, permettant de recueillir et d’éliminer les matières qui s’y déposent.

5·- Dispositif selon l’une des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que, l’échangeur à haute température est un échangeur tubulaire, tandis que l’échangeur moyenne température > „ est un échangeur à double enveloppe. % Λ *