Brevet FR2368676A1 — publié le 19780519

La présente invention concerne une structure réfractaire et, notamment une structure réfractaire porteuse, pour la construction d'organes intérieurs de fours verticaux et notamment de fours à chaux, ces organes intérieurs se trouvant normalement noyés dans la -masse granulaire remplissant les fours de ce type L'invention vise plus particulièrement l'application d'une telle structure à la construction d'une poutre support pour un brûleur central ou d'une poutre brûleur pour fours à chaux. L'invention vise également les tettes d'injection, pour brûleur central ou pour poutre brûleur, dans les fours à chaux, comportant application d'une-telle structure réfractaire. On sait que, dans les fours verticaux L'injection du combustible gazeux dans la masse du matériau se trouvant dans le four est effectuée à l'aide de brûleurs centraux ou de poutroebrûleurs noyés dans le matériau. Le brûleur central disposé au centre de la section du four est constitué par un système d'injection du combustible gazeux seul ou mélangé soit avec-des fumées recyclées avec ou sans air, soit avec de l'air uniquement. Le brûleur central a comme principal avantage, de par ses dimensions et son poids relativement faibles, de permettre l'injection du combustible en plein centre de la matière à traiter. il ne gène pas la circulation du matériau et permet un montage simple. Le principal inconvénient de ces brûleurs est que l'injection du combustible s'opère dans une zone très restreinte. La poutre brûleur est constituée par un élément autoportant qui traverse la section horizontale du four et comporte une série d'injecteurs pour combustibles gazeux, soit seul, soit mélangé comme indiqué précédemment, soit avec des fumées de recyclage avec ou sans air, soit avec l'air. Elle a l'avantage de permettre une injection répartie sur une zone développée en longueur donnant une meilleure répartition du combustible dans la section du four. L'inconvénient majeur de ces brûleurs vient de leur emplacement obligatoire dans des zones relativement chaudes du four, d'oit des solutions de constructions relativement compliquées et coûteuses. En fonction de l'aménagement du four vertical la position du brt- leur central peut imposer l'utilisation d'une poutre support située dans une zone relativement chaude du four. Les poutres supports métalliques et les poutres brûleurs métalliques placées dans des zones chaudes ou accidentellement chaudes des fours verticaux sont généralement conçues avec un refraidissement par eau. Le refroidissement par eau présente les inconvénients suivants - débit important d'eau (1 à 2 m3/t chaux) ce qui implique des installations en circuit fermé relativement chères, - installation relativement compliquée avec un circuit de sécurité, - pertes relativement importantes de chaleur par l'eau de refroidissement (5 à 10 % ou 60 à 100 K cal/Kg chaux), - danger d'accident par une fuite d'eau qui peut avoir des conséquences graves pour le four. Pour éviter le refroidissement à eau, on a essayé de protéger la poutre métallique avec un rev & ement réfractaire. A cause des sollicitations très sévères auxquelles est soumise la poutre, le revwetement réfractaire se détériorait ce qui a conduit à l'abandon de cette solution. De m8me que les poutres supports dans les fours verticaux doivent résister à des efforts et à des contraintes thermiques très élevés, les tetes d'injection de brûleurs, qui fonctionnent noyées dans la masse granulaire qui remplit le four, doivent en plus être protégées pour éviter le risque de bouchage pour des grains de matériaux (chaux, dolomie, etc...) Pour éviter le bouchage, on utilise souvent des canaux d'évacuation dirigés de haut en bas. Cette solution a deux inconvénients majeurs La veine de combustible sortant de ces canaux est généralement freinée brutalement par les grains de matériaux se trouvant à proximité des canaux de sortie. La distributions du combustible s'en trouve affectée et a un caractère plus ou moins aléatoire. Les têtes d'injection doivent être réalisées dans des pièces massives usinées ou moulées. La présente invention permet de remédier à ces divers inconvénients grâce à l'utilisation, pour la construction de poutres supports d'éléments et de tetes d'injection, d'une structure réfractaire porteuse alvéolaire qui comporte : une en en telle métallique ; des cloisons longitudinales et des cloisons transversales fixées sur ladite ame perpendiculairement à sa surface, lesdites cloisons définissant entre elles une pluralité d'alvéoles à 4 cotés ayant une extrémité fermée par ladite me et ayant l'extrémité opposée ouverte ; et un garnissage en matériau réfractaire remplissant chaque alvéole. Si on utilise, pour la construction des parois d'une poutre centrale, une structure suivant l'invention, il n'est plus nécessaire d'avoir recours à un refroidissement par eau et il suffit d'un refroidissement à l'air, naturel ou forcé, ce qui élimine les inconvénients précédents De mimez on peut réaliser une tete d'injection de brûleur dans laquelle l'injecteur de combustible est entouré d'un chapeau de protection qui protège ledit injecteur contre la masse granulaire remplissant le four, et qui ménage entre sa surface intérieure et l'injecteur un espace annulaire d'échappement du combustible, ledit chapeau étant constitué par une structure réfractaire porteuse alvéolaire suivant l'invention, dont le garnissage réfractaire est tourné vers l'extérieur. On crée ainsi autour de l'iniecteur une zone annulaire sans matériau-granulaire et on protège les orifices d'évacuation du combustible gazeux contre le bouchage par les grains du matériau. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui représentent à titre d'exemples non limitatifs divers modes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un four vertical à chaux équipé d'un brûleur central monté sur une poutre support. La figure 2 est une vue partielle en perspective d'une structure alvéolaire suivant l'invention utilisable pour constituer une paroi d'une poutre support de brûleur. La figure 3 est une vue en coupe suivant le plan III-III de la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe analogue à la figure 3, d'un autre mode de réalisation de l'invention, Les figures 5a, 5b, 5c sont respectivement des vues en coupe transversale, en coupe longitudinale et de coté d'une poutre support pour un brûleur central ou d'une poutre bradeur. Les figures 6a, 6b, 6c sont des vues analogues montrant une poutre équipée d'un brûleur central suivant l'invention avec injecteur protégé par une structure alvéolaire. La figure 7 est une vue en coupe d'un brûleur suivant l'invention pouvant être monté sur une poutre support classique. On a représenté sur la figure 1 un four vertical 1, tel qu'un four à chaux, équipé avec un brûleur central 3 porté par une poutre support transversale 5. Le combustible gazeux pour le brûleur, qui peut être mélangé avec des fumées recyclées, avec ou sans air ou avec de l'air uniquement, est amené au brûleur 3 par une conduite 7 passant à l'intérieur de la poutre support qui est creuse. La poutre support est un élément autoportant qui traverse la section horizontale du four et qui peut avoir par exemple une longueur d'environ 4 mètres. Cette poutre, comme le brûleur, se trouve dans la zone chaude du four et elle peut autre soumise à des efforts mécaniques importants du fait qu'elle est noyée dans la masse du matériau qui remplit le four. La tenue mécanique et thermique de la poutre pose donc des problèmes difficiles qui sont résolus gracie à l'invention, sans avoir recours à un refroidissement par eau. Dans le four 1, équipé suivant l'invention, le refroidissement de la poutre creuse peut autre assuré simplement par circulation naturelle d'air ou par une circulation d'air forcé amené par une conduite d'air alimentée par une soufflerie 9. Suivant l'invention, la poutre-support est réalisée au moyen d'éléments de structure alvéolaire qui sont représentés sur les figures 2, 3 et 4-et qui constituent les parois de la poutre creuse. Chaque élément de structure alvéolaire est constitué par une âme 11, par exemple en tôle métallique de 15 ou 20 mm d'épaisseur, sur laquelle sont fixées, de champ, des cloisons longitudinales 13 et des cloisons transversales 15. On constitue ainsi une structure porteuse cloisonnée dont chaque alvéole 17, ayant le fond fermé par l' me li et ayant l'extrémité opposée ouverte, est rempli d'un garnissage 19 en matériau réfractaire, notamment en béton réfractaire Les cloisons 13 - 15 peuvent être constituées par des bandes de telle soudées sur l'ame, par exemple d'une épaisseur de 10 mm environ. Les cloisons peuvent autre aussi réalisées à l'aide de laminés profilés, par exemple en T, ou en I, ou par des rails 21 comme il est représenté sur la figure 4. Pour la construction d'une poutre, chaque élément de structure peut avoir une longueur d'environ 5 mètres et une largueur d'environ 40 à 60 cm. La structure alvéolaire protège mécanquement le réfractaire 19, lequel protège thermiquement la poutre. Ainsi le r8le de la structure alvéolaire est de : 1) protéger et maintenir en place le réfractaire qui assure la protection thermique ; 2) augmenter la rigidité de la poutre et des parois de la poutre, ce qui contribue à une meilleure tenue du réfractaire. A partir des éléments de structure alvéolaire porteuse suivant l'invention, on peut réaliser une poutre support de brûleur central ou une poutre brûleur à plusieurs t8tes d'injection du genre représenté sur les figures 5a, 5b, 5c. Pour constituer une poutre creuse, on assemble au moins 3 éléments alvéolaires de forme.allongée et, de préférence, 5 éléments 231 - 232 - 233 - 234 - 235 (figure 5a) pour obtenir une poutre carrée avec sommet en forme de toit pour résister mieux aux chutes de matériau dans le four. Bien entendu, le garnissage réfractaire 19 est tourné vers l'extérieur de la poutre pour protéger l'ame ll. Une ou plusieurs tettes d'injection 25 peuvent etre montées sur la poutre. Elles sont alimentées en combustible gazeux par la canalisation 7 -disposée à l'intérieur de la poutre, ou par plusieurs canalisations, de préférence concentriques, amenant les différents constituants du mélange combustible (air, fumées de recyclage, etc...). La circulations de l'air de refroidissement se fait à l'intérieur de la poutre creuse, par exemple selon la direction des flèches 27 (figure 5b), en circulation naturelle ou forcée (figure 1). On élimine ainsi tous les inconvénients inhérents au refroidissement par eau utilisé jusqu'à présent, tout en assurant une excellente tenue mécanique et thermique de la poutre. En particulier, on peut noter que le réfractaire étant parfaitement retenu dans les alvéoles, même s'il se produit des fissurations du réfractaire, ce dernier reste en place dans les alvéoles et remplit un role de protection thermique. Les structures alvéolaires suivant l'invention s'appliquent aussi à la réalisation de tête d'injection de bradeurs perfectionnés, pour fours verticaux, qui s'utilisent de préférence en combinaison avec les poutres supports ou les poutres brûleurs qui viennent autre décrites. Une telle combinaison est représentée sur les figures 6a - 6b - 6c, la t8te d'injection étant représentée plus en détail sur la figure 7. La cheminée 27 de la tête d'injection 25, dans laquelle débouche le conduit 7' d'arrivée de combustible relié au conduit 7, est surmontée d'un cône injecteur 29 percé d'orifices d'évacuation 31 du gaz combustible ou du mélange gazeux. Le cône injecteur 29 est protégé contre la masse granulaire remplissant le four par un chapeau ou champignon 33 qui ménage, autour du cône injecteur, une zone annulaire 35 dans laquelle ne peut pénétrer le matériau granulaire. Le chapeau 33 est maintenu sur le cône injecteur 29, en étant écarté de celui-ci, par des ailettes 37. Le chapeau 33 est réalisé en structure alvéolaire avec garnissage réfractaire 19, ainsi que cela a été décrit à propos de la figure 2, si ce-n'est que l'ame 11' de la structure alvéolaire est constituée par une tle conformée en c8ne au lieu d'etre une tle plane. De mime que dans le cas de la poutre, la structure alvéolaire protège mécaniquement et thermiquement le ou les injecteurs. Une telle t8te d'injection remédie aux inconvénients décrits précédemment des tetes d'injection connues, Grâce à la présence de la zone annulaire 35, sans matériau granulaire, autour de la tette d'injection on évite le freinage des veines combustibles qui peuvent sortir librement comme il est indiqué par les flèches 39 sur la figure 7. Dans les solutions connues jusqutà présent, où les canaux d'évacuation étaient dirigés de haut en bas, il se produisait un freinage et une distribution irrégulière des veines gazeuses. Gr ce au nouvel injecteur, les orifices d'évacuation 31 du combustible gazeux sont totalement protégés contre le bouchage par les grains du matériau et la répartition du combustible s'en trouve améliorée et stabilisée. Cette tete d'injection permet également l'injection de deux ou plusieurs gaz (combustible, air, ga recyclés, etc...) sans prémélange, le mélange se réalisant à la sortie dans l'espace annulaire 35, et dans la masse du matériaux granulaire qui remplit le four. Cette possibilité d'injection séparée du combustible, air, gaz recyclé, etc... augmente la sécurité de l'installation en évitant de véhiculer des mélanges combustibles ou explosifs. Une telle t8te d'injection peut etre réalisée à partir de produits courants comme tolets, tubes, etc... sans utilisation de pièces massivés spéciales. De préférence on donne à la structure alvéolaire formant le chapeau 33 de la tête d'injection une forme conique. On pourrait choisir également une forme pyramidale ou en toit, mais dans ce cas on risque de faire apparaître des efforts dissymétriques sur la structure alvéolaire sous l'effet du matériau granulaire qui remplit le four. Bien entendu, une ou plusieurs têtes d'injection telle que celle qui vient d'être décrite peuvent être montées sur une poutre à structure alvéolaire du genre représenté sur les figures 5 et 6. I1 a surtout été question dans ce qui précède, à propos des poutres support de brûleur, de poutres dans lesquelles la structure réfractaire constitue elle-même la structure porteuse de la poutre. Mais il est bien entendu qu'une telle structure alvéolaire peut constituer simplement une enveloppe creuse entourant et protégeant une poutre intérieure porteuse. On a mentionné d'autre part surtout la construction de poutres de section polygonale, à partir d'éléments allongés plans à structure alvéolaire, mais il est bien évident que la structure alvéolaire réfractaire suivant l'invention peut être utilisée pour la réalisation de poutres porteuses, ou d'enveloppes réfractaires pour poutres porteuses, à section ronde ou elliptique. Dans le cas où le garnissage des alvéoles est fait, par moulage sur place dans les alvéoles, au moyen d'un matériau réfractaire silico-alumineux se présentant, avant sa mise en oeuvre, sous la forme plastique, il est avantageux d'améliorer l'accrochage du réfractaire dans les alvéoles au moyen de pattes d'ancrage (telles que les pattes représentées dans l'alvéole supérieure sur la figure 3) soudées à l'âme ll de la structure. On peut également prévoir des crampons (tels que les crampons représentés dans l'alvéole inférieure dans la figure 3) soudés sur les cloisons des alvéoles ou traversant ces cloisons. Ces crampons peuvent être remplacés par des tiges traversant tout le bloc réfractaire et-maintenues dans des perçages ménagés dans les cloisons 13. Suivant une variante, le matériau réfractaire, tel que du béton, moulé sur place dans les alvéoles, peut être remplacé par des blocs réfractaires préalablement cuits qui sont mis en place dans les alvéoles et qui peuvent y être retenus par exemple par une tige, traversant un orifice prévu dans les blocs, et retenue dans des perçages prévus dans les cloisons, comme indiqué ci-dessus. I1 peut être avantageux de prévoir des cloisons 13 dont la hauteur est légèrement inférieure, par exemple 10 à 20 mm, à l'épaisseur du garnissage réfractaire 19. On peut mieux protéger ainsi l'extrémité des cloisons et la dilatation transversale de la paroi réfractaire, à la température maximale; peut se faire plus librement. I1 a surtout été question, dans ce qui précède, de l'application aux fours à chaux, mais il est bien entendu que l'invention s'applique également à l'équipement de tous fours verticaux analogues tels que fours à dolomie, fours à magnésie, fours à chamotte et aussi aux fours d'incinération. REVENDICATIONS 1.- Structure réfractaire pour la construction d'organes intérieurs de fours verticaux, notamment de fours à chaux, normalement noyés dans la masse granulaire remplissant lesdits fours, notamment pour la construction de poutres supports de brûleurs refroidies à l'air et de têtes d'injection de brûleurs pour fours, ladite structure étant caractérisée en ce qu'elle comporte une âme en talle métallique; des cloisons longitudinales et des cloisons transversales fixées sur ladite âme perpendiculairement à sa surface, lesdites cloisons définissant entre elles une pluralité d'alvéoles à 4 côtés ayant une extrémité fermée par ladite âme et ayant l'extrémité opposée ouverte ; et un garnissage en matériau réfractaire remplissant chaque alvéole. 2.- Poutre support de brûleur, pour four vertical, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une enveloppe à structure réfractaire alvéolaire suivant la revendication 1, formant une poutre creuse ayant le garnissage réfractaire tourné vers l'extérieur. 3.- Poutre support de brûleur, suivant la revendication 2, caractérisée en ce que l'enveloppe précitée à structure alvéolaire est autoporteuse. 4. - Poutre support de brûleur, pour four vertical caractérisée en ce qu'elle est constituée par assemblage d'au moins 3 structures alvéolaires selon la revendication 1, de forme allongée, formant par leur assemblage une poutre creuse ayant le garnissage réfractaire tourné vers l'extérieur de la poutre. 5.- Poutre suivant l'une des revendications 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que les cloisons longitudinales et transversales sont constituées par des bandes de tôle plane soudées sur l'âme de la structure. 6.- Poutre suivant l'une des revendications 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que les cloisons longitudinales et transversales précitées sont constituées par des profilés métalliques soudés sur l'âme de la structure. 7.- Poutre suivant l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que le matériau réfractaire garnissant les alvéoles de la structure est du béton réfractaire. 8.- Poutre suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que le matériau réfractaire est constitué par des blocs préalablement cuits, logés dans les alvéoles et accrochés à la structure. 9.- Poutre suivant l'une des revendications 2 à 8, caractérisée en ce qu'elle est constituée par assemblage de cinq éléments allongés à structure alvéolaire formant une poutre creuse avec sommet en toit. loO- Poutre suivant l'une des revendications 2 à 9, caractérisée en ce qu'elle est refroidie par circulation naturelle d'air à l'intérieur de la poutre creuse. 11.- Poutre suivant l'une des revendications 2 à 9, caractérisée en ce qu'elle est refroidie par circulation forcée d'air à l'intérieur de la poutre creuse. 12.- Tête d'injection de brûleur, pour four vertical, caractérisée en ce que l'injecteur de combustible est entouré d'un chapeau de protection qui protège ledit injecteur contre la masse granulaire remplissant le four, et qui ménage entre sa surface intérieure et l'injecteur un espace annulaire d'échappement du combustible, ledit chapeau étant constitué par une structure réfractaire alvéolaire suivant la revendication 1 dont le garnissage réfractaire est tourné vers l'extérieur. 13.- Tête d'injection de brûleur suivant la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle renferme plusieurs conduites d'arrivée de gaz, le mélange desdits gaz étant fait, sans prémélange, directement dans l'espace annulaire précité et dans la masse du matériau granulaire qui remplit le four. 14.- Tête d'injection de brûleur suivant l'une des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que le chapeau de protection précité est de forme conique et en ce que l'âme de la structure alvéolaire constituant ledit chapeau est faite au moyen d'une tôle roulée en cône.