Brevet FR2515799A1 — publié le 19830506

-1 - DISPOSITIF DE Ci AUFFAGE POUR FOURS DE CUISSON OUVERTS A FEU TOURNANT ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE DE CE DISPOSITIF Le dispositif de chauffage à contre-courant, qui fait l'objet de l'in- vention, concerne les fours de cuisson dits ouverts à feu tournant, dans lesquels un ensemble de chambres, souvent disposées en deux li- gnes parallèles, sont chauffées par des gaz portés à température éle- vée, qui circulent dans des cloisons creuses Ces cloisons qui divi- sent les chambres en compartiments sont elles-mêmes disposées en plu- sieurs files parallèles entre elles et aussi aux lignes de chambres. Les cloisons d'une même file sont reliées entre elles, à leurs extré- mités, pour permettre aux gaz de les parcourir en série Les produits à chauffer sont entassés dans les compartiments et reçoivent la cha- leur par conduction à travers les parois des cloisons De tels fours sont utilisés, en particulier, pour la cuisson des produits carbonés, tels que, par exemple, les anodes en carbone des cellules d'électroly- se de l'aluminium Dans chaque compartiment, les produits carbonés sont protégés de l'oxydation par une épaisse-couche de matière carbo- née en petits grains,qui les recouvre et remplit tous les espaces li- bres Les compartiments restent ouverts à la partie supérieure. L'une des difficultés importantes qu'on rencontre dans l'exploitation de tels fours est la réalisation, de façon reproductible, d'un cycle de chauffage et de refroidissement des produits, qui permette leur cuisson dans les conditions optimales On connaît généralement bien le cycle de température qu'il convient d'imposer aux produits pour les cuire, mais la difficulté est d'obtenir que les produits,placés dans les différentes zones de chaque compartiment subissent effectivement un cycle de température proche du cycle optimal. Dans le cas de la cuisson des anodes en carbone, il est, en particu- lier, important que celles-ci soient portées à une température maxima- le d'au moins environ 1100 C pour obtenir les caractéristiques physico- chimiques souhaitées Une surchauffe éventuelle des anodes placées dans les zones les plus chaudes peut entraîner une modification des ca- ractéristiques physiques de celles-ci,par rapport aux caractéristiques -2de celles cuites à des températures moins élevées Il en résulte une hétérogénéité des caractéristiques des lots d'anodes cuites obtenues, qui a, comme on le sait, des conséquences très défavorables sur les conditions de fonctionnement des cellules d'dlectrolyse de l'alumi- nium sur lesquelles seront montées les anodes De plus, les surchauf- fes non contrôlées provoquent une détérioration accélérée des réfrac- taires et il en résulte une déformation rapide des cloisons de chauf- fage,dont la durée de vie est ainsi réduite de façon très notable. De la façon la plus générale, le chauffage des cloisons dans la zone dite de cuisson, est effectué grâce à des moyens d'injection de com- bustible placés à la partie supérieure de ces cloisons. Un jet de combustible, tel qu'un fuel lourd ou un gaz combustible, est ainsi introduit dans un courant de gaz comburant préchauffé au préalable, le jet de fuel ou de gaz étant orienté dans le sens d'écou- lement de ce gaz comburant. Dans de nombreux cas, les cloisons comportent des chicanes permettant de faire circuler les gaz en zig'zag, de haut en bas, puis de bas en haut et ainsi de suite. L'expérience a montré que ce mode de chauffage des cloisons entraînait une surchauffe de la partie inférieure de celles-ci Une telle sur- chauffe, comme cela vient d'être dit, a pour conséquences, d'une part, une hétérogénéité des caractéristiques physiques des anodes qui sont cuites dans les chambres et, d'autre part, une déformation accélérée des cloisons dans la zone la plus chargée, qui réduit de façon très importante leur durée de vie. On a donc recherché la possibilité d'éviter une telle surchauffe de ces cloisons dans la-zone inférieure et, aussi, une meilleure réparti- tion des contraintes de déformation de ces cloisons afin de prolonger leur durée de vie de façon importante. Le dispoetif de chauffage pour four de cuisson ouvert à feu tournant, qui fait l'objet de l'invention, permet d'éviter ou de réduire la sur- -3- chauffe des cloisons dans la zone inférieure Il comporte des moyens d'injection d'un combustible liquide, gazeux ou même solide à l'in- térieur d'une veine gazeuse comburante, le ou les jets de combustible étant orientés à contre-courant, c'est-à-dire dans un sens opposé au sens de déplacement de la veine gazeuse comburante. La description et les figures ci-après permettront de mieux compren- dre les caractéristiques des dispositifs de chauffage des fours de cuisson ouverts à feu tournant, utilisés en général, et celles du nou- veau dispositif de chauffage qui fait l'objet de l'invention Comme on le verra par ailleurs, l'invention concerne aussi un procédé qui per- met de mieux répartir les déformations des briques qui constituent les cloisons, de façon à prolonger la durée de vie de celles-ci. Figure 1: Figure 2: Figure 3: Figure 4: vue en plan d'une partie d'un four de cuisson ouvert à feu tournant, de type connu. vue en élévation et en coupe des cloisons du four de la figure 1. vue en élévation et en coupe de la disposition habituelle des injecteurs sur une cloison d'un four à feu tournant de type connu. vue en élévation et en coupe de la disposition à contre- courant suivant l'invention, des injecteurs sur la cloison de la figure 3. Le brevet US 2 699 931 décrit, comme le montre la figure 1 (qui re- produit partiellement la figure 1 du brevet cité), un four de cuisson à feu tournant comprenant 60 chambres, ou sections, disposées en deux rangées parallèles de 30 chambres, dont 28 sont visibles sur la figure. Chaque chambre comprend six compartiments côte à côte tels que ( 1) dans lesquels on place les produits à cuire recouverts par une matière de remplissage Entre les compartiments, des cloisons creuses telles que ( 2) sont disposées en file de façon que les gaz puissent parcourir en série les cloisons faisant partie d'une même file En extrémité, une canalisation de bouclage ( 3) permet de raccorder les circuits de gaz d'une rangée à l'autre. -4- En exploitation, le cycle de chauffage puis refroidissement des pro- duits s'effectue grâce à un système dit de feu tournant qui s'applique à un groupe de chambres disposées en série, dans lequel un certain nom- bre de chambres sont en préchauffage, quelques-unes en cuisson et, en- fin, quelques-unes en refroidissement. L'emplacement d'un tel groupe dans l'ensemble de chambres, qui cons- titue le four est déterminé par les points de raccordement respectifs de la canalisation d'arrivée d'air froid (K), de la rangée de brû- leurs de chauffage (L) et, enfin, de la canalisation d'extraction des gaz brûlés (M) Après un temps de maintien de l'ordre de 16 à 48 h, on déplace d'une chambre les points de raccordement des canalisations d'arrivée d'air (K) et de départ des gaz brûlés (NO ainsi que la ran- gée de brûleurs (L) Ce déplacement est effectué dans le sens de par- cours de l'air et des gaz brûlés Comme le montre la figure 1, plu- sieurs feux tournants peuvent parcourir les chambres d'un même four à la même cadence. La figure 2 représente en coupe ce qui se passe à l'intérieur d'une file de cloisons faisant partie d'un même groupe de chambres On voit qu'une partie au moins de l'air froid qui est introduit par la canali- sation ( 4) au niveau de la séparation entre les cloisons (A) et (B), traverse la cloison (B), puis les deux suivantes (C) et (D),qui cor- respondent à des chambres en refroidissement, ce qui l'échauffe pro- gressivement Au moment o cette veine d'air, qui a été ainsi préchauf- fée à 500 C, passe de la cloison (D) à la cloison (E), un injecteur ( 5) envoie dans cette veine un jet de fuel, dans le mete sens que le sens d'écoulement de la veine Ce jet pénètre dans la cloison (E) en brûlant au contact de l'air très chaud qui parcourt cette cloison Au- delà, les gaz de combustion traversent les cloisons des chambres (F), (G) et (H), en les préchauffant et, enfin, sortent par la canalisation ( 6) qui évacue les gaz en direction de la cheminée. On comprend qu'avec une disposition des brûleurs telle qu'elle est re- présentée sur la figure 2, il soit très difficile d'obtenir une certai- ne homogénéité de température de la cloison dans laquelle se pro- duit la combustion, compte tenu de l'étroitesse relative de l'espace réservé au passage des gaz à l'intérieur de la cloison Il est, du reste, indiqué dans le brevet cité que, pour mieux répartir les tem- pératures, on peut envisager de disposer,à l'intérieur des cloisons, des chicanes permettant de faire circuler les gaz suivant un parcours S tortueux. La figure 3 représente une cloison creuse ( 7) comparable dans son principe aux cloisons des figures 1 et 2, qui a été aménagée de façon à favoriser les échanges de chaleur entre ses parois et les gaz qui parcourent son volume intérieur On a cherché à obtenir un balayage des parois par les gaz sur toute la hauteur et la longueur de la cloi:- son Pour cela, on dispose, dans l'espace creux intermédiaire de la cloison ( 7), des chicanes verticales ( 8), ( 9) et ( 10) enserrées entre les deux grandes parois de la cloison Ces chicanes obligent donc la veine gazeuse provenant de la cloison précédente, qui entre par l'ori- fice de raccordement ( 11), à parcourir la cloison en zig zag suivant les flèches pour sortir finalement par l'orifice ( 12) de raccordement à la cloison suivante. L'injecteur ( 13), qui traverse le couvercle ( 14) de la cloison, pulvé- rise un jet de fuel dirigé de haut en bas, qui s'enflaamme au contact de l'air chaud qui, après avoir pénétré par l'orifice ( 11), se dirige vers le bas grâce à la chicane ( 8) et à la paroi ( 15) de la cellule. Suivant les caractéristiques du fuel utilisé, la combustion se pour- suit sur une longueur de parcours plus ou moins grande, puis les gaz chauds continuent leur parcours en zig zag jusqu'à l'orifice de sortie. Un couple thermoélectrique ( 16) de régulation de la température est gé- néralement disposé hors de la vue directe de la flame, derrière la chicane ( 8) au voisinage du haut de la cellule Dans bien des cas, pour améliorer la répartition du chauffage, un deuxième injecteur ( 17) est placé dans la zone o le flux-gazeux redescend en direction du fond de la cloison entre les chicanes ( 9) et ( 10) Il est, à son tour, régulé par un couple thermoélectrique ( 18) séparé du brûleur par la cloison ( 10) Dans certains cas, le couple thermoélectrique ' ( 16) est supprimé et c'est le couple thermoélectrique ( 18) qui régule les deux injecteurs ( 13) et ( 17) Les essais ont montré qu'une telle disposition des chicanes, ainsi que des injecteurs et de leurs couples -6- de régulation, donnait des résultats relativement favorables en ce qui concerne l' efficacité des échanges thermiques,entre les gaz chauds et les produits contenus dans les compartiments,par conduction à tra- vers les parois des cellules. Par contre, de sérieuses difficultés ont été rencontrées pour obtenir verticalement une répartition homogène des températures et, plus par- ticulièrement, dans le cas d'un chauffage au fuel Habituellement, on observe les températures les plus élevées au fond des cloisons et, les plus basses, au sommet Il est clair que, dans ces conditions, les produits placés au fond atteignent un degré de cuisson plus élevé que ceux du sommet D'autre part, en ce qui concerne les parois des cloi- sons, on a observé des déformations très importantes par fluage des structures en briques réfractaires qui les constituent, au voisinage du fond, c'est-à-dire dans la région o les briques supportent la charge de tout l'empilement. Si on veut éviter de telles déformations en abaissant la température de réglage, on constate que, dans bien des cas, la température attein- te dans les zones supérieures des compartiments n'est plus suffisante pour une cuisson correcte des produits Les mesures de température ef- fectuées à l'intérieur des cloisons 1 au moyen de couples permettant d'enregistrer les températures atteintes simultanément dans plusieurs emplacements répartis dans ces cloisons 7 ont fait apparaître des écarts de température pouvant atteindre 1500 C ou davantage entre le haut et le bas de ces cloisons, les températures maximales étant toujours at- teintes dans le fond des cloisons,dans les zones situées dans le pro- longement de l'axe des injecteurs On a recherché la possibilité de réduire de façon très importante les écarts de température existant entre les zones supérieures et inférieures des cloisons, sans appor- ter de modifications notables à la structure proprement dite de ces cloisons creuses, structure qui résulte d'une optimisation progressive basée sur une longue expérience. Le nouveau dispoitif d'injection à contre courant suivant l'invention a'permis de résoudre, de façon particulièrement simple et efficace, ce problème. -7- La figure 4 représente, de façon non limitative, un mode de réalisa- tion du nouveau dispositif selon l'invention La cloison ( 9), dont les chicanes ( 20), ( 21) et ( 22) sont disposées de la même façon que dans le cas de la cloison ( 7), est parcourue en zig zag par une veine gazeuse qui entre dans la cloison par l'orifice ( 23), puis la parcourt suivant le sens des flèches jusqu'à l'orifice de sortie ( 24) qui rac- corde la cloison ( 19) à la cloison ( 25) Un injecteur de combustible ( 26), qui traverse le couvercle ( 27) de la cloison ( 19), envoie un jet de fuel lourd dirigé de haut en bas dans la zone comprise entre les chicanes ( 20) et ( 21), zone dans laquelle la veine gazeuse se diri- ge de bas en haut Le couple thermoélectrique de contrôle et/ou de régulation de la température ( 28) est placé à la partie supérieure de la zone comprise entre les chicanes ( 21) et ( 22), de façon que, grâce à la position basse de la chicane ( 21), il soit en vue d'une partie au moins de la flamme résultant de la combustion du combustible projeté à partir de l'injecteur ( 26). Comme le montre également la figure 4, il est possible de placer dans la même cloison un deuxième injecteur ( 29),dans la zone comprise en- tre la chicane ( 22) et la paroi ( 30) qui sépare la cloison ( 19) de la cloison suivante ( 25) Cet injecteur est également disposé, comme le montre la figure 4, de façon que le sens du jet de combustible qu'il projette, soit orienté à contre courant de la veine gazeuse qui remonte de bas en haut Le fonctionnement de ce deuxième injecteur ( 29) est contrôlé et/ou régulé par un deuxième couple thermoélectrique ( 31), qui est placé à la partie supérieure de la cloison suivante ( 25) en contact avec la veine gazeuse qui sort de la cloison ( 19) par l'orifice ( 24). Des essais pratiques d'exploitation ont été effectués sur un même four de cuisson à feu tournant, comportant des chambres équipées de cloi- sons du type représenté aux figures 3 et 4, et comportant soit des dis- positifs classiques d'injection de combustible dans les cloisons des chambres en cuisson, comme ceux représentés à la figure 3, soit, au contraire, des dispositifs d'injection à contre courant suivant l'in- vention, comme celui représenté à la figure 4 Le combustible utilisé était un fuel lourd Les cloisons avaient environ 4,5 m de hauteur et m de longueur pour une largeur intérieure de 0,250 m. Les essais comparatifs de cuisson de produits carbonés ont montré que, toutes choses égales par ailleurs, les températures des parois des cloisons sont beaucoup mieux réparties en utilisant le nouveau dispo- sitif d'injection à contre courant. Les mesures de température ont été effectuées au voisinage de l'axe des injecteurs dans la paroi réfractaire de la cloison, en haut de celle-ci, à mi-hauteur et en bas. Le tableau ci-après donne les résultats obtenus: On voit que, dans le dispositif classique, le bas des cloisons atteint une température moyenne de 1295 C En fait, dans bien des cas, cette température dépasse 1300 C, et ceci est une cause de déformation par fluage, qui réduit de façon très importante la durée de vie Dans le haut de la cloison, la température moyenne est inférieure de 120 C, Température moyenne des cloisons au voisinage de l'axe des injecteurs en C Injection dans le sens Injection à de la veine gazeuse contre courant Température mesurée par les 1170 1222 thermo couples de régulation Température en haut de la cloison 1175 1180 Température à mi-hauteur de la cloison 1285 1290 Température en bas de la cloison 1295 1180 cloison -9- tandis que, au milieu, cette température est seulement légèrement in- férieure à celle du bas On constate aussi que la température du fond dépasse de plus de 1200 C celle qui est fixée comme consigne à la ré- gulation, ce qui enlève à cette régulation toute la précision que l'on attend d'elle. Au contraire, dans le cas du fonctionnement à contre courant, les tem- pératures des cloisons, en haut et en bas, sont pratiquement égales, tandis qu'à mi-hauteur, la température est supérieure d'environ une centaine de degrés Une telle répartition de température est beaucoup plus favorable En effet, la partie basse de la cloison, dans laquelle les briques supportent la plus forte charge, se trouve alors à une tem- pérature plus faible qu'à mi-hauteur, et résiste donc beaucoup mieux au fluage Par ailleurs, la zone supérieure, qui est généralement trop froide, se trouve à une température au moins égale à celle du fond, ce qui est particulièrement favorable pour l'homogénéité de la cuisson. Enfin, on a constaté que la disposition adoptée pour les thermocouples de régulation, exposant ceux-ci à une partie des flammes d'injection, améliore considérablement la précision et la sensibilité de l'équipe- ment de régulation. Les essais ont montré que l'utilisation du dispositif suivant l'inven- tion permet d'augmenter de 30 % environ la durée de vie des cloisons de ces fours Fn effet, la déformation des cloisons par fluage rend généralement nécessaire leur remplacement, dans le cas de la cuisson des produits carbonés, à des intervalles de temps de l'ordre de deux années L'utilisation du dispositif d'injection suivant l'invention permet de prévoir une augmentation moyenne de six à huit mois de la durée de vie des cloisons, ce qui représente une économie importante. Cet avantage de l'injection à contre courant est particulièrement im- portant quand on utilise des fuels lourds du type de celui qui corres- pond à l'essai décrit En effet, lorsqu'on injecte de tels fuels dans le sens du courant gazeux, la surchauffe des bas de cloisons est par- ticulièrement élevée Ceci est dû à la combustion lente de ces fuels dont la température de vaporisation est élevée L'effet du contre cou- rant qui freine considérablement la chute des gouttelettes de fuel -10est alors particulièrement sensible D'autre part, dans le cas du fuel, une grande partie de la chaleur est émise par le rayonnement de la flamme. Dans le cas de la disposition classique, le thermocouple étant isolé des flammes par une chicane, ne prend pas en compte ce rayonnement qui, par contre, affecte directement les briques environnantes A contre courant, par contre, le thermocouple est exposé à la flamme, il peut ainsi recevoir, de façon directe, son rayonnement. L'avantage de l'injection à contre courant suivant l'invention, quoique moins important, est également observé sdans le cas de l'injection de fuels plus légers, et aussi, quoique de façon nettement moins sensible, dans le cas de l'injection de combustibles gazeux tels que, par exem- ple, le gaz naturel Dans le cas du gaz naturel, le problème posé par- la vaporisation lente des gouttelettes d'hydrocarbures n'existe pas en effet, et l'on observe verticalement une distribution des tempé- ratures plus régulières. Cependant, suivant le type d'injecteur à gaz utilisé, la flamme peut avoir un rayonnement calorifique aussi élevé que celui d'une flamme de fuel Dans ce cas, la position du thermocouple offrant l'exposition à la flamme que permet le contre courant, est décisive pour la préci- sion et la sensibilité de la régulation. Dans le cas o sont utilisés des injecteurs à gaz qui, dans l'une ou l'autre des deux positions, donnent une répartition des températures assez peu différente, il est cependant intéressant, pour prolonger la durée de vie des cloisons, d'utiliser simultanément les deux modes de combustion, les injecteurs étant disposés alternativement dans le sens du courant ou à contre courant. Dans le cas o le four comporte un seul feu, on modifie à intervalles de temps réguliers la position des injecteurs. Dans le cas d'un four à plusieurs feux, on peut faire fonctionner sys- tématiquement un feu dans une position, et l'autre, dans la position 15799 -1 î-_ contraire La partie des cloisons, qui est la plus sujette aux défor- mations, est, en effet, celle qui se trouve directement sous les in- jecteurs La disposition préconisée permet alors de répartir l'action des brûleurs sur l'ensemble de la cloison Il en résulte un ralentis- sement de la déformation des cloisons dans le temps. D'autres modes de réalisation du dispositif d'injection à contre cou- rant pour four de cuisson ouvert à feu tournant peuvent être envisa- gés, qui ne sortent pas du domaine de l'invention De même,de nombreux procédés peuvent être envisagés pour utiliser ce dispositif dans des conditions permettant une meilleure répartition des températures dans ces fours, une moindre déformation des cloisons chauffantes,ou encore une meilleure répartition des déformations de ces cloisons conduisant à une plus grande durée de vie de celle-ci Tous ces procédés font également partie de l'invention. -12- REVENDICATIONS 1 / Dispositif de chauffage pour four de cuisson ouvert à feu tour- nant, comportant des cloisons creuses ( 19, 25) à l'intérieur des- quelles circule une veine gazeuse comburante, des moyens d'injection ( 26, 29) introduisant un combustible dans cette veine gazeuse, carac- térisé en ce que, au moins un moyen d'injection ( 26, 29) est orienté de façon à diriger un jet de combustible à contre courant de la veine gazeuse comburante. 2 / Dispositif de chauffage suivant revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'injection est disposé à la partie supérieure de la cloison ( 19) et dirige un jet de combustible vers le bas. 30/ Dispositif de chauffage suivant revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que le combustible est gazeux, liquide ou solide. 4 / Dispositif de chauffage suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la veine gazeuse est guidée à l'intérieur de la cloison creuse par des chicanes ( 20, 21, 22). / Dispositif de chauffage suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un moyen de contrôle et/ou de réglage de la tem- pérature ( 28, 31) est disposé en vue d'une partie au moins de la flam- me produite par la combustion. / Procédé permettant de prolonger la durée de vie des cloisons chauffantes d'un four de cuisson ouvert à feu tournant, caractérisé en ce que l'on diminue la longueur de la flame qui se forme à la sor- tie du ou des injecteurs de combustible placés à la partie supérieure de ces cloisons, en guidant la veine gazeuse comburante à l'intérieur de chacune de ces cloisons, de façon que son sens de déplacement soit opposé à celui du ou des jets de combustible pendant au moins une par- tie du temps de chauffage de ces cloisons. / Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que, au cours de la durée de vie des cloisons chauffantes, on déplace le ou les injecteurs de combustible de façon que le ou les jets de combus- tible soient dirigés tantôt dans le sens du courant de la veine ga- zeuse comburante, tantôt à contre courant de celle-ci.