Brevet FR2492056A1 — publié le 19820416

La présente invention se rapporte d'une façon gé- nérale à des structures réfractaires et elle concerne, plus particulièrement, une paroi intérieure perforée de rétention construite en blocs réfractaires et qu'on peut utiliser dans un appareil d'échange de chaleur. Depuis quelque temps, avec l'augmentation conti- nuelle du prix de l'énergie, on a observé une demande crois- sante dans les mêmes proportions pour des appareils capables de conserver la chaleur afin de réduire ainsi les frais de carburant. Un tel appareil qui est en particulier utilisable dans une installation de régénération thermique pour lutter contre la pollution est, par exemple, décrit dans le brevet U.S. 3.895.918. Comme il est stipulé dans ce brevet, on pré- voit une chambre centrale de combustion ou d'incinération à haute température, entourée à intervalles également espacés d'un certain nombre de sections contiguës d'échange de cha- leur. Ces sections communiquent avec la chambre de combus- tion et aussi avec une source externe d'agents de pollution, tels que les effluents nocifs provenant des procédés indus- triels. On applique ces effluents à l'aide de clapets au- tomatiques à des sections prédéterminées d'échange de cha- leur pendant un cycle opératoire donné. Dans chaque section est installé un lit échangeur de chaleur formé d'un certain nombre d'éléments échangeurs de chaleur en céramique qui sont retenus à l'extérieur par une paroi d'acier perforée et à l'intérieur (c'est-à-dire dans la position la plus proche de la chambre de combustion) par une autre paroi métallique per- forée ou à auvents. Etant donné qu'on introduit dans l'es- pace entre les deux parois de rétention un nombre important d'éléments échangeurs de chaleur, une très forte poussée la- térale est exercée par le poids combiné de ces éléments. Quand on fait passer les effluents à travers une ou plusieurs sections prédéterminées d'échange de chaleur au cours d'un cycle opératoire, leur température augmente sous l'effet de la chaleur résiduelle dans les éléments en céra- mique de la ou des sections en question, chaleur provenant d'un cycle précédent au cours duquel le gaz purifié dans la chambre de combustion était aspiré vers l'échappement à tra- vers la ou les sections en question. Après préchauffage dans la ou les sections, les effluents admis peuvent pénétrer dans la chambre de combustion o leurs composants nuisibles sont oxydés. L'effluent purifié est alors soutiré de la chambre de combustion à travers d'autres sections d'échange de chaleur pour rejoindre le circuit d'échappement en vue d'une dispersion dans l'atmosphère. Dans une structure de régénération de chaleur de ce genre, la poussée latérale considérable exercée par les élé- ments échangeurs de chaleur en céramique oblige fréquemment à l'emploi de tirants en acier s'étendant horizontalement entre la paroi avant de rétention ("face chaude") et la paroi arrière de rétention ("face froide") . Ces tirants empêchaient également le cintrage ou gauchissement de la face chaude sous l'effet de la chaleur. Aux extrémités de ces tirants on ins- tallait des rondelles Belleville spéciales et des écrous pour permettre de régler la tension des tirants. Des chevilles ho- rizontales spéciales étaient également logées dans les bords latéraux de la paroi avant de rétention pour obtenir un sur- cro t de résistance structurale. A des températures d'inci- nération pouvant aller jusqu'à environ 650C à 870C, la face chaude était souvent fabriquée en un matériau très coûteux tel qu'un acier à haute teneur en chrome-nickel à faible fluage. Pour faire fonctionner la-chambre de combustion à des tempéra- tures plus élevées encore, par exemple de l'ordre de 870'C à 980C, il fallait employer une quantité beaucoup plus impor- tante de cet acier coûteux. En outre, dans les appareils classiques, la paroi avant de rétention était fréquemment sujette à des attaques par l'action corrosive ou par l'action destructrice d'autres i produits chimiques provenant de certains constituants des ef- fluents, d'o réduction de la durée en service des parois mé- talliques. En outre, les parois avant de rétention en métal ne possédaient elles-mêmes aucune propriété notable d'échan- ge de chaleur. On a également utilisé des parois réfractaires en damier pour obtenir des propriétés d'échange de chaleur, mais ces parois étaient le plus souvent construites de manière à ne pas pouvoir supporter une charge considérable. Alors que le brevet U.S. 2.125.193 décrit des blocs réfractaires pré- sentant des rainures sur une face, ces rainures étant dis- posées par rapport aux rainures des blocs adjacents de ma- nière à former une ouverture axiale qui permet l'écoulement de l'oxygène à travers les ouvertures, il n'est jamais ques- tion d'une paroi horizontale en forme de voûte comprenant un certain nombre de blocs réfractaires présentant des passages axiaux à travers les blocs et intégrés dans une paroi circu- laire de la chambre de combustion. Une telle paroi courbe joue le rôle d'un ensemble supplémentaire d'échange de cha- leur qui est capable de supporter plus économiquement des températures plus élevées de combustion et une plus forte at- taque chimique, avec une meilleure résistance aux pressions des poussées latérales. En conséquence, les principaux buts de l'invention sont de réaliser une paroi réfractaire qui: (1) résiste mieux à la température qu'une paroi classique- employée dans un appareil échangeur de chaleur; (2) est moins coûteuse à installer et à entretenir qu'une paroi connue d'un type comparable; (3) résiste mieux aux attaques chimiques que les parois classiques; (4) produit des effets plus importants d'échange de cha- leur que les parois métalliques classiques de rétention; et (5) peut conférer une résistance à l'ensemble des parois du four dans laquelle elle est intégrée plus grande, que les constructions classiques en métal et béton. L'invention a donc pour objet une paroi de chambre de combustion présentant au moins une partie qui comprend une série de blocs réfractaires perforés par une série de passages sensiblement horizontaux. Les blocs sont installés de façon contiguë en une rangée horizontale formant une voûte devant une série d'éléments échangeurs de chaleur que les blocs contribuent à retenir. Dans un mode de réalisation, les blocs sont intercalés avec des briques non perforées pour établir un ensemble réfractaire circulaire intégré, Diverses autres caractéristiques de l'invention res- sortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, au des- sin annexé. La fig. 1 est une vue en plan, partiellement en arrachement, d'un appareil de régénération thermique dans le- quel la présente invention peut être utilisée. La fig. 2 est une vue en perspective observée vers l'extérieur depuis la chambre de combustion et montrant la nouvelle paroi de rétention en briques perforées selon l'in- vention. La fig. 3 est une vue partielle en plan, en partie en coupe, de la paroi de rétention représentée à la fig. 2. La fig. 4 est une vue partielle de côté observée suivant la ligne 4-4 de la fig. 3. La fig. 1 représente un appareil de régénération thermique portant la référence d'ensemble 10 en conformité avec les enseignements du brevet précité U.S. 3.895.918. Cet appareil délimite une chambre centrale de combustion 11 com- portant une voûte et des brûleurs 21 saillant dans celle- ci, Autour de la chambre 11 sont disposées, avec des es- pacements égaux, une série de sections 12 dont chacune comprend une paroi extérieure perforée de rétention 23 et, intérieurement par rapport à cette dernière, un lit échangeur de chaleur 13 dans lequel sont disposés un nombre important d'éléments réfractaires 24 d'échange de chaleur. Des éf- fluents industriels sont admis à travers un conduit d'entrée 17 dans une bague d'admission de forme sensiblement torolda- le 16 raccordée à travers un conduit d'admission 9 (fig.2) à des espaces 20 à l'extérieur de la paroi extérieure de rétention 23. Une vanne d'admission 14 est installée dans chaque conduit d'alimentation 9 pour permettre des change- ments de cycle. Un autre conduit 26 muni d'une vanne 26a est admis dans l'espace 20 à travers la paroi supérieure 25 couvrant chaque section d'échange de chaleur en vue d'intro- duire un gaz "purgeur" comme il a été indiqué dans le brevet U.S. précité, si on le juge utile. Egalement fixé à chaque section 12, un conduit de sortie 8- comprend une soupape de sortie 19. Les conduits 8 communiquent avec les espa- ces 20 et avec la bague toroldale de sortie 15 à laquelle est également raccordé le conduit d'échappement 18. Ce con- duit 18 peut être relié à un ventilateur aspirant et à une cheminée. Comme on peut le voir aux fig. 2 et 3, les éléments réfractaires 24 sont retenus extérieurement par une plaque ou paroi métallique perforée 23 et, vers le centre, par une paroi courbe de la chambre de combustion désignée d'une façon générale par la référence 27 (fig. 2). La paroi 27 pré- sente plusieurs parties qui comprennent des briques réfrac- taires perforées 28 disposées suivant des rangées courbes comme on le voit aux fig. 2 et 3. Des parties de paroi cour- be 27a sont intercalées entre d'autres parties de paroi courbe 27b, parties qui sont constituées par des rangées de briques non perforées 30 afin de former un chemisage con- tinu courbe (cylindrique) pour la chambre de combustion 11. Derrière les briques non perforées 30, 31 et 32, est ménagée une paroi extérieure 34 pouvant être construite, par exemple, en "Monoblock" ou un autre matériau isolant des hautes températures disponibles dans le commerce et qui peut être de faible densité ou de forte densité. Pour entourer et supporter les briques réfractaires 30, 31 et 32, on a prévu une enveloppe métallique 35 qui entoure également chaque section 12 d'échange de chaleur. Comme on le voit plus clairement aux fig. 2, 3 et 4, chaque brique réfractaire 28 présente un certain nombre de passages axiaux 28b pour permettre aux effluents qui n'ont pas été purifiés d'entrer dans la chambre de combustion ou d'en sortir, respectivement pour le traitement ou pour la mise à l'échappement. Les briques réfractaires 28 qui sont représentées comprennent des perforations 28b représentant un tiers de la section verticale de la brique.. Avec ce rap- port, le rendement thermique de l'appareil tout entier peut être maintenu dans une installation particulière, par l'ab- sence d'introduction d'une chute de pression inutilement importante tout en permettant un écoulement adéquat pour une purification totale dans la chambre de combustion. Bien en- tendu chaque installation peut imposer des exigences qui lui sont propres concernant le nombre ou la dimension des perfo- rations dans les blocs. Dans le mode de réalisation représenté, chaque bloc lo 28 présente également une nervure verticale 28a sur un côté pour s'adapter dans une rainure correspondante 28c for- mée dans la face opposée de la brique adjacente. Chaque bloc dans le mode de réalisation selon les fig. 2, 3 et 4 présente en coupe horizontale une forme telle qu'indiquée à la fig. 3 qui facilite le montage d'une partie de la paroi de rétention 27a ayant une forme horizontale arquée vers l'intérieur, par rapport à chaque lit d'échange de chaleur 13, si bien que toute la structure de paroi 27 présente une forte résistance au cintrage. Les blocs 28 s'étendent en-général devant l'ouverture formée par les parois non pa- rallèles, de chaque section d'échange de chaleur 12. Des briques non perforées 31 et 32 (fig. 2) constituent la transition entre les blocs 28 et les briques 30. La paroi réfractaire perforée de rétention représen- tée au dessin permet de réaliser des économies de prix con- sidérables par rapport à une paroi métallique rigide et plate de rétention intérieure selon la technique antérieure. Son montage est une simple opération de maçonnerie qui ne néces- site aucun acier spécial, aucune rondelle spéciale, aucun tirant spécial, aucune cheville latérale spéciale et aucun autre frais d'équipement et d'assemblage. En fonctionnement, on obtient également des économies car la structure peut supporter des températures plus élevées dans la chambre de combustion et leurs effets nuisibles qui auraient autrement obligé à employer des aciers spéciaux très onéreux. Dans tous les cas, ces aciers sont plus vulnérables aux attaques chimiques que les matériaux réfractaires et ne peuvent re- 7- hausser les propriétés d'échange de chaleur de l'appareil, comme les matériaux réfractaires peuvent le faire. REVENDICATIONS 1 - Appareil d'échange de chAleur, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une zone centrale de combustion à haute température; (b) une paroi présentant une forme courbe généralement close qui entoure ladite zone et est formée principalement de plusieurs blocs réfractaires, ladite paroi présentant une première série de parties dans lesquelles les blocs sont perforés et intercalés avec une seconde série de parties non perforées; (c) une série de sections d'échange de chaleur à l'ex- térieur de ladite paroi mais dans une position contiguë à cette dernière, chaque section étant installée sur l'une des parties de la première série dont les blocs sont perforés, chaque section comprenant un élément de paroi qui, avec la- dite partie perforée, retient plusieurs éléments d'échange de chaleur, lesdits éléments de paroi présentant une partie permettant l'écoulement du gaz à travers ces éléments vers ou depuis ladite zone; et (d) des moyens couplés auxdites sections pour amener des effluents pu ifiés à des effluents non purifiés vers et de- puis lesdites sections. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi est sensiblement circulaire et les blocs de la première série sont posés les uns à côté des autres en plusieurs rangées horizontales adjacentes. 3 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les perforations dans les blocs de la première série sont des passages s'étendant de l'avant vers l'arrière de chaque bloc considéré. - 4 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les passages dans chaque bloc représentent environ à 40 % de son volume. - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bloc de la première série présente une ner- vure sur un côté et une rainure sur l'autre côté, ce qui permet d'assembler les blocs qui correspondent les uns aux autres. 6 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi circulaire présente une épaisseur sensi- blement uniforme, mais l'épaisseur de la paroi à l'emplace- ment de la première série de parties est constituée unique- ment par les dimensions d'avant à l'arrière d'une seule bri- que, alors que l'épaisseur de la paroi à l'emplacement de la seconde série de parties est formée d'au moins deux séries verticales, horizontalement écartées mais en aboutement de briques réfractaires. 7 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le côté extérieur des parties des parois et les- dites sections d'échange de chaleur sont gainés de métal. 8 - Appareil d'échange de chaleur comprenant une zone de combustion à haute température en position sensi- blement centrale et entourée d'une paroi présentant une sé- rie de parties espacées en un matériau réfractaire, carac- térisé en ce qu'il comprend: (a) une série de sections d'échange de chaleur à l'exté- rieur de ladite paroi mais contiguë à cette dernière aux espaces entre lesdites parties en matériau réfractaire, chaque section comprenant une paroi de rétention intérieure et une paroi perforée de rétention extérieure pour maintenir plusieurs éléments séparés d'échange de chaleur empilés les uns sur les autres, ladite paroi intérieure de rétention comprenant une série de blocs réfractaires perforés sous forme d'une courbe sensiblement close dont la partie concave est en regard de ladite zone; et (b) des moyens couplés auxdites sections pour amener des effluents purifiés et des effluents non purifiés vers et de- puis lesdites sections.