Brevet FR2259336A1 — publié le 19750822

L'invention est relative au chauffage de fours de séchage rotatifs allongés et, plus particulièrement, à un procédé et à un appareillage perfectionnés pour le refroidissement de tubes brûleurs à gaine, insérés à l'intérieur, où s'effectue le chauffage de fours rotatifs. Des tubes brûleurs à gaine, appelés souvent aussi tubes à air, sont fréquemment utilisés pour la mise en-oeuvre de fours rotatifs destinés à des traitements à haute température, notamment pour la réduction directe, à l'état solide et à haute tem pérature, de minerai de fer ou de briquettes de minerai de fer concentré. Ces tubes brûleurs sont normalement fixés à l'exté- rieur de l'enveloppe cylindrique en acier des fours et sont insérés à travers des ouvertures de l'enveloppe, généralement jusqu'au niveau de l'axe du four où une buse est dirigée suivant l'axe du four pour assurer l'injection d'air et parfois d'autres composants gazeux destinés à la combustion, par exemple un combustible et de l'oxygène, à l'intérieur du four.Ces brûleurs peuvent être alimentés en air au moyen d'un système de conduites issues de ventilateurs ou de soufflantes montés sur l'enveloppe du four, ou de joints tournants ou de dispositifs analogues disposés à l'extrémité du tube. Dans un certain nombre de grandes installations actuelles de fours rotatifs, les défectuosités de fonctionnement de ces tubes brûleurs ont posé de sérieuses difficultés d'exploitation, car il faut procéder à des arrêts complets des fours, pour le remplacement et la réparation de brûleurs, à une cadence beaucoup plus grande qu'il ne serait nécessaire autrement. La cause principale de ces défectuosités est la surchauffe du tube brûleur, qui se produit dans l'atmosphère brûlante du four.Cet effet est amplifié encore par la superposition de variations cycliques de température, résultant de variations de température et de vitesse de transfert de chaleur lorsque le brûleur effectue une révolution dans la section droite intérieure du four, c'est-à-dire lorsqu'il passe d'un emplacement où il se trouve complètement dans l'atmosphère de gaz brûlants, à la partie supérieure de sa révolution, à un emplacement ou il est immergé dans la charge du four, à la partie inférieure de sa révolution, à chaque révolution du four. De plus, des tubes brûleurs portés à une température excessive tendent à agir comme sources d'amorçage d'un ramollissement de la charge et d'une formation d'agglomérations de la charge, ce qui entraîne une diminution du rendement du traitement. Pour surmonter ces difficultés, on a proposé diverses solutions. Celles-ci ont consisté à protéger extérieurement les parois des tubes brûleurs à l'aide de revêtements céramiques et de diverses épaisseurs de briques réfractaires et de produits réfractaires moulables, à faire varier le diamètre et l'épaisseur des parois des tubes, à utiliser des tubes à doubles parois et à mettre en oeuvre, pour réaliser les tubes, des matériaux spéciaux résistant aux hautes températures. Bien que certaines de ces solutions aient contribué à augmenter la durée des périodes de service, aucune d'elles n'a donné pleinement satisfaction pour éliminer d'une manière absolue les perturbations d'exploitation et les pannes gênantes.Certaines de ces solutions ont entraîné des difficultés d'exploitation supplémentaires ; par exemple, les revêtements réfractaires augmentent notablement le diamètre extérieur réel du tube brûleur et aussi la température effective des parois extérieures des tubes brûleurs, ce qui se traduit par une tendance à une augmentation de la formation de fines dans la charge et à la création d'agglomérations de la charge aux emplacements des tubes brûleurs. Le procédé le plus immédiat de refroidissement forcé, qui met en jeu une chemise à circulation d'eau de refroidissement, est difficile et coûteuse à mettre en oeuvre sur l'enveloppe d'un four rotatif. Un but principal de l'invention est donc de fournir des moyens pour le refroidissement forcé de tubes brûleurs à gaine pour fours rotatifs et d'éviter ainsi tout excès de température de ces tubes, afin de réduire la production de défectuosités d'exploitation dues à des surchauffes. d'augmenter la durée des périodes de service, et de réduire la formation de dépôts agglomérés sur les tubes brûleurs. Un autre but de l'invention est de réaliser un refroidissement pratiquement forcé et constant des tubes brûleurs, qui soit maintenu quelles que soient les variations de débit de soufflage d'air, ou d'autres gaz nécessaires à la combustion, à travers les tubes brûleurs. Encore un autre but de l'invention est d'atteindre les buts précédents d'une manière pratique et économique, sans entraîner de difficultés de fonctionnement, ni d'effets mécaniques nocifs sur les opérations de traitement de fours rotatifs. Un procédé conforme à l'invention consiste en conséquence à diriger un agent de refroidissement gazeux, normalement de l'air, à haute vitesse 7 de manière qu'il frappe directement les parois intérieures des tubes brûleurs à gaine de fours rotatifs, fonctionnant dans l'atmosphère brûlante intérieure de ces fours, et à abaisser ainsi la température des parois du brûleur à une valeur nettement inférieure à la température maximale de service du matériau constituant le brûleur.L'agent de refroidissement sort d'une conduite distributrice sous pression par une rangée -d'ouvertures, analogues à des buses, fournissant des jets d'air de refroidissement espacés, de manière à obtenir un recouvrement efficace et à réaliser un impact direct sur une grande partie de la surface intérieure du tube brûleur, recouvrant au moins celles des régions qui sont soumises à des températures excessivement élevées et ayant par conséquent tendance è donner lieu à des détériorations et à des défectuosités en exploitation. L'appareillage conforme à l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé, comporte une soufflante ou un dispositif générateur de pression analogue, disposé à l'extérieur, une conduite appropriée pour amener l'agent de refroidissement,- sous une certaine pression, à l'entrée du brûleur, une conduite distributrice de refroidissement, disposée à l'intérieur du tube brûleur, et une rangée d'ouvertures servant de buses, fournissant des jets d'agent de refroidissement, disposés, à une certaine distance l'une de l'autre, à proximité immédiate des parois intérieures du brûleur et orientées de telle manière que l'agent de refroidissement sous pression sortant de la conduite distributrice de refroidissement atteigne directement les parois intérieures du tube brûleur. Dans un mode de réalisation préférentiel de cet appareillage, un certain nombre de tubes intérieurs distributeurs d'agent de refroidissement sont disposés longitudinalement, annulairement et concentriquement par rapport aux parois du tube brûleur, sont reliés l'un à l'autre et se terminent à l'entrée du brûleur selon un tube distributeur d'alimentation annulaire commun, disposé à l'extérieur, alimenté à son tour en agent de refroidissement sous pression à partir d'une conduite de raccordement à une soufflante de puissance. Deux ou trois rangées longitudinales de trous circulaires, espacés à peu près régulièrement le long de chaque rangée et décalés d'une rangée à l'autre, constituent le système de buses engendrant les jets d'agent de refroidissement. L'ensemble de refroidissement forcé est maintenu au. centre du tube brûleur au moyen de bagues entretoises annulaires, reliant entre eux les tubes provenant de la conduite- distributrice et disposées concentriquement par rapport au tube brûleur, et de pattes guides de centrage appropriées fixées, soit aux parois intérieures du tube brûleur, soit à l'ensemble intérieur de -refroi- dissement, mais non aux deux, de manière à permettre aux dilatations longitudinales différentielles de s'effectuer librement entre le tube brûleur et l'ensemble de refroidissement. Divers autres buts, caractéristiques et avantages du procédé et de l'appareillage conformes à l'invention ressortiront de la description ci-après, présentée à titre illustratif mais nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe transversale du four rotatif, à l'emplacement du tube brûleur, montrant la disposition générale du tube brûleur et de son appareillage de refroidissement par rapport au four rotatif. - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du tube brûleur, montrant un appareillage de refroidissement forcé 8 jets d'air conforme à l'invention ; et - la figure 3 est une vue en coupe transversale du tube brûleur et ae son appareillage de refroidissement, suivant la ligne I-I de la figure 1. L'ensemble de l'appareillage brûleur représenté sur les figures est monté sur l'enveloppe extérieure en acier 1 du four de séchage rotatif, qui est garni intérieurement d'un revêtement de briques réfractaires 3. et est agencé pour recevoir un lit de matériau 4 constituant la charge du four. Le tube brûleur à gaine 2, réalisé dans l'ensemble en un alliage résistant à la chaleur tel que de l'acier inoxydable 25-20 (Cr - Ni), est monté de manière à faire saillie radialement, à travers une ouverture du four, à l'intérieur de celui-ci, où il baigne dans l'atmosphère 30 du four, et il se termine selon une ouverture, constituånt la buse de brûleur 15, orientée à angle droit, dont la flamme est dirigée longitudinalement le long de l'axe du four.La bride 5 de l'entrée du tube brûleur est vissée sur une bride 6 d'un support de brûleur, laquelle est liée, de manière à en faire partie intégrante, à l'enveloppe extérieure du four. Un anneau protecteur intérieur cylindrique 8, en matériau réfractaire. est monté à l'intérieur de l'enveloppe, de manière à maintenir un certain espacement entre le tube brûleur et l'ouverture de lten- veloppe, et à empecher que le revetement réfractaire du four, au cours de la rotation de celui-ci, vienne porter directement contre les parois extérieures du tube brûleur 2.Alors que le revêtement de briques réfractaires 3 comporte normalement des rangées annulaires successives de briques de matériau céramique, le bloc de matériau réfractaire 9 qui entoure 1'anneau de protection 8 est, d'une manière avantageuse, constitué par un mé- lange réfractaire moulable tassé. Un bourrage de fibres céramiques ou de tout autre matériau réfractaire tendre approprié peut aussi être disposé à l'intérieur de ltespace annulaire 7 de l'ouverture de l'enveloppe, entre l'anneau de protection 8 et le tube brûleur 2. L'air comburant provient d'une soufflante d'air comburant 10, qui est fixée à l'enveloppe du four par une embase de support 11. La soufflante est entraînée par un moteur électrique ali menté en énergie électrique par l'intermédiaire de contacts- glissants montés sur L'enveloppe du four, ceci d'une manière connue. L'air est amené au brûleur par une conduite d'alimentation en air comburant 12, équipée d'une soupape de réglage 13, généralement du type à papillons réglant le débit d'air comburant. Un carburant, tel que du gaz naturel, de l'huile, ou de l'oxygène gazeux peut être amené au brûleur par un tube intérieur 14, qui, d'une manière avantageuse est disposé, concentriquement par rapport à l'axe du tube brûleur 2, à l'intérieur de celui-ciy de la manière représentée sur les figures, et se termine par une ouverture 16, du tube, servant de buse à carburant. L'air comburant peut également être enrichi en oxygène, par exemple par injection de ce gaz dans la conduite d'air comburant 12. L'ensemble de refroidissement forcé comporte un ensemble de conduites distributrices de refroidissement, qui, dans le mode de réalisation représenté, est constitué par un certain nombre de conduites distributrices de refroidissement intérieures 17, dont chacune est fermée par une rondelle d'extrémité 19 et comporte un ensemble d'ouvertures 18, constituant des buses à air de refroidissement. réparties suivant la longueur du tube, desquelles des jets d'air de refroidissement 29-partent à grande vitesse pour frapper la paroi intérieure du tube brûleur 2. Ces ouvertures 18 peuvent être constituées par des trous circulaires, comme on l'a représenté ici, ou de toute autre forme connue dans la technique. On peut également mettre en oeuvre divers espacements de buses.Dans le mode de réalisation représenté ici, dans lequel le tube brûleur est équipé de nervures longitudinales in intérieures, servant aussi bien d'éléments de raidissement que d'éléments de refroidissement, on a utilisé huit longueurs de tube standard pour constituer les conduites distributrices circulaires intérieures 17, munies chacune de deux rangées d'ouvertures 18, servant de buses, orientées à 900 par rapport à l'axe du tube. Une distribution uniforme dans chaque rangée d'ouvertures, avec un décalage d'une rangée à l'autre, assure un recouvrement régulier approprié.A l'extérieur du four, les conduites distributrices intérieures de refroidissement 17 sont alimentées en air sous pression à partir d'un tube diStributeur extérieur annulaire 22 qui, à son tour, est alimenté par une conduite d'arrivée d'air de refroidissement 23 raccordée à une soufflante 24 fixée à l'enveloppe 1 du four, par l'intermédiaire d'une monture de support 25. Les conduites distributrices intérieures de refroidissement 17 sont maintenues en place, l'une par rapport à l'autre, en au moins deux emplacements de leur longueur, par des bagues entretoises annulaires 20 et, à leur partie supérieure, débouchent et se terminent dans un tube annulaire distributeur commun 22, en formant ainsi un ensemble distributeur de refroidissement d'une seule pièce. La bride intérieure 26 du tube distributeur annulaire 22 est vissée ou est fixée de toute autre manière à la bride 6 du support de brûleur, et l'ensemble distributeur de refroidissement est maintenu au centre du tube brûleur 2 au moyen de pattes de guidage et de centrage 21. Cet agencement maintient une distribution déterminée des jets d'air de refroidissement, tout en assurant une grande liberté aux dilatations thermiques différentielles entre les conduites distributrices intérieures de refroidissement 17 et le tube brûleur 2. La bride extérieure 27 du tube distributeur annulaire extérieur d'arrivée 22 est vissée sur la bride d'extrémité 28-de la conduite d'arrivée d'air de refroidissement, formant ainsi une conduite continue pour l'air comburant. Un déflecteur annulaire 32, s'opposant aux interactions perturbatrices, peut aussi être prévu dans l'ensemble. afin de réduire au minimum les interactions perturbatrices d'écoulement entre l'air comburant et l'air de refroidissement. En ce qui concerne la mise en oeuvre de cet ensemble dans un four rotatif, un four unique peut comporter un certain nombre de brûleurs comportant chacun des soufflantes séparées pour l'air comburant et pour l'air de refroidissement. Selon une variante, une seule soufflante peut alimenter un certain nombre de brûleurs. L'important est qu'un débit et une pression convenables soient assurés à l'ensemble de refroidissement de chacun des brûleurs. Pour un refroidissement très efficace, les soufflantes d'air de refroidissement doivent d'une manière générale fournir des pressions de l'ordre d'au moins 75 cm d'eau et au moins doubles de la pression fournie par la soufflante d'air comburant, avec des valeurs minimales analogues des pressions à l'intérieur, respectivement de la conduite distributrice intérieure et du tube brûleur à gaine. Pour un refroidissement efficace, la vitesse d'impact des jets d'air doit normalement dépasser 30 m/s et une vitesse de 45 à 60 m/s combine un refroidissement efficace à un prix raisonnable des générateurs de pression.De meme, une surface totale des ouvertures des buses à air de l'ordre de 1 à 5% de la surface intérieure refroidie du tube brûleur et une distance de ces ouvertures aux parois intérieures du tube de l'ordre de 4 à 15 fois le diamètre de ces ouvertures, constituent des gammes compatibles avec des transferts thermiques élevés et des consommations d'air de refroidissement modérées et acceptables. La mise en oeuvre de l'invention et les paramètres de fonctionnement combinant un refroidissement efficace et un coût modéré peuvent être illustrés à 1'aide de l'exemple suivant : - Four tournant : 3,9 m de diamètre ; revêtement réfractaire de 22,5 cm de briques à 70% d'alumine. - Tube brûleur : 27,5 cm de diamètre ; 15,8 mm d'épaisseur de paroi ; 8 nervures longitudinales de refroidissement de 25,4 mm d'épaisseur. - Soufflante d'air de refroidissement : débit de 14 m Jmin sous une pression de 91 cm d'eau. 3 - Soufflante d'air comburant : débit 140 m /min sous une pres- sion de 30,5 cm d'eau. - Conduites distributrices intérieures de refroidissement 8 tubes de 37,9 mm de diamètre, selon norme 40 (E.U.A.). - Buses à air de refroidissement : 2 rangées (par conduite) disposées à 60 l'une de l'autre ; ouvertures espacées de 5,8 cm, décalées ; 60 buses par conduite ; ouvertures des buses de 3 mm de diamètre. - Tube distributeur annulaire : 12,7 cm de diamètre. - Matériaux : tube brûleur en acier inoxydable 25-20 (Cr - Ni) conduis distributrices intérieures en tubes d'acier inoxydable nuance 304 (E.U.A.). En utilisant un tube non refroidi, soufflant de l'air sous un débit de 140 m3/min, le coefficient de transfert calorifique entre l'air comburant et la paroi intérieure du tube brûleur peut être considéré comme de l'ordre de 1,8 kcal/mJh/-C. Dans les conditions de l'exemple cité ci-dessus, le coefficient de transfert calorifique avec le refroidissement forcé, devient égal à 5,4 kcal/m/h/ C, ctest-à-dire est multiplié par 3. En supposant que, dans les conditions de fonctionnement du four, la température moyenne de la paroi du brûleur, sans refroidissement forcé, soit de 1.205 C, valeur très voisine de la température limite de service de la plupart des alliages réfractaires, la mise en oeuvre du refroidissement forcé abaisse cette valeur nettement à moins de 1.100 C. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs délia de ce qui précède, l'invention ne se limité nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus sp6- cialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Appareillage de refroidissement forcé de tube brûleur pour un four de séchage rotatif utilisant au moins un tube brûleur à gaine monté sur l'enveloppe extérieure du four et faisant saillie radialement à l'intérieur du four pour y insuffler des agents intervenant dans la combustion, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de conduites distributrices de refroidissement, alimentées par un agent de refroidissement sous pression et disposées à l'intérieur et suivant la longueur du tube brû- leur, à proximité et à une distance prédéterminée des-parties des parois intérieures du brûleur qui sont soumises à des surchauffes et une certaine quantité d'ouvertures, constituant des buses émettant des jets d'agent de refroidissement, ménagées à une certaine distance l'une de l'autre dans les parois des conduites distributrices de refroidissement, pour projeter l'agent de refroidissement directement contre les parois intérieures du tube brûleur sous forme de jets à grande vitesse. 2. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de conduites distributrices de refroidissement est rigidement fixé par rapport au tube brûleur à gaine, uniquenent à ltextrémité d'entrée du tube brûleur, de manière à-permettre aux dilatations thermiques différentielles de l'ensemble de conduites de s'effectuer librement suivant l'axe du tube brûleur. 3. Appareillage selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface totale des ouvertures servant de buses est de 1' ordre de 1 à 5% de la partie de surface intérieure du tube brûleur recouverte par l'ensemble des jets de refroidissement. 4. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance entre les ouvertures servant de buses et les parois intérieures du tube brûleur est de l'ordre de 4 à 15 fois le diamètre desdites ouvertures. 5. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'agent de refroidissement gazeux est maintenu à l'intérieur de l'ensemble de conduites distributrices de refroidissement. à une pression suffisante pour que la vitesse d'impact de cet agent dépasse 30 m/sec. 6. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pression de l'agent de refroidissement gazeux à l'intérieur de l'ensemble de conduites distributrices de refroidissement est au moins double de la pression moyenne de l'agent, destiné à la combustion, insufflé dans le tube brûleur. 7. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble de conduites distributrices de refroidissement comporte un certain nombre de conduites de refroidissement intérieures disposées longitudinalement. annulairement et concentriquement par rapport au tube et à peu près parallèlement aux parois intérieures du tube brûleur, dont chacune est équipée d'une partie de l'ensemble précité d'ouvertures, servant de buses émettant des jets d'agent de refroidissement. 8. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les conduites distributrices de refroidissement intérieures sont reliées l'une à l'autre à l'aide d'au moins un jeu de bagues entretoises annulaires à l'intérieur du tube brûleur et en ce que ces conduites se réunissent. en communiquant, selon un tube annulaire distributeur d'arrivée commun fixé extérieurement d'une manière rigide, à l'entrée du brQ- leur, lequel tube annulaire distributeur est alimenté en agent de refroidissement sous pression par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation séparée, les conduites distributrices de reRDidissement intérieures. les bagues entretoises annulaires et le tube distributeur annulaire formant un ensemble d'une seule pièce, qui est fixé au tube brûleur à ltentrée de celui-ci. et peut se déplacer librement à l'intérieur du tube brûleur, suivant la longueur de celui-ci, notamment sous l'action des dilatations thermiques différentielles entre cet ensemble d'une seule pièce et le tube brûleur. 9. Procédé de mise en oeuvre de l'appareillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'agent de refroidissement gazeux est maintenu à une pression à peu près constante, indépendamment de la vitesse de l'agent in soufflé. pour la combustion. dans le tube brûleur, de manière à maintenir l'effet de refroidissement forcé indépendamment de la vitesse de combustion de cet agent servant à la combustion.