Brevet FR2519749A1 — publié le 19830718

- L'invention concerne des perfectionnements à la - construction de fours à régénérateurs. les fours à régénérateurs sont de deux types: les fours à brûleurs transversaux et les fours à boucle. On conna t bien les fours à brûleurs transversaux et à régénérateurs Dans ce type de fours, les brûleurs de taille relativement grande et en petit nombre, sont disposes face à face sur les c 8 tés du four et fonctionnent alternati- vement, les brûleurs d'un des côtés étant allumés alors que ceux situés de l'autre c 8 té sont éteints Les fumées chaudes s'échappent par les conduits des brûleurs éteints et viennent échauffer les empilages du régénérateur Après inversion des brûleurs, ces empilages chauds sont utilisés pour réchauffer l'air de combustion amené aux brûleurs en fonction tandis que les fumées sont utilisées pour réchauffer les empilages du régénérateur associés aux brûleurs éteints, et ainsi de suite. Les fours à brûleurs transversaux et à régénéra- teurs sont utilisés notamment en verrerie, particulièrement dans de grosses unités de fabrication de bouteilles ou de verre plat. Dans les fours à brûleurs transversaux et à régéné- rateurs, l'air de combustion arrive dans le four par des con- duits de brûleurs en maçonnerie qui sont reliés aux parties hautes des régénérateurs Un certain nombre d'injecteurs pla- cés sous la banquette de brûleur, dans sa voûte ou sur les côtés,permettent l'arrivée du combustible (gaz ou fuel lourd). Les flammes sont du type "flammes de diffusion" dissymétri ques, l'air et le combustible arrivant séparément en faisant un certain angle entre eux. Cette technologie classique présente un certain nombre d'inconvénients que l'on peut résumer comme suit: Les conduits de brûleurs en maçonnerie sont séparés les uns des autres par des espaces morts pouvant atteindre 2 mè- tres et parfois plus Comme les flammes se développent à peu près sur la largeur de ces conduits, il en résulte que seule une partie de la surface du bain de verre est couver- te par les flammes habituellement 30 à 45 %. Or l'échange thermique et donc le rendement de combustion -2 - et, par là, la consommation du four dépend de ce pourcen- tage couvert par les flamnes. Les flammes rayonnent sur la partie des régénérateurs située au dessus des empilages. Ceci est da à un angle solide relativement grand des con- duits de brûleurs (ceux-ci vont en s'évasant du four vers le régénérateur) La chaleur ainsi perdue représente envi- ron 3 % de la chaleur sensible des fumées, mais contraire- ment à cette dernière, elle n'est pour ainsi dire pas ré- cupérable. La construction des conduits de brdleurs est compliquée: voûte clavée, armaturage lourd Ceci se traduit par l'obligation d'utiliser, pour le mon- tage, une main d'oeuvre importante et spécialement formée ainsi qu'un matériel adapté (cintres) Par ailleurs, ces conduits sont très difficiles à calorifuger et "l'effet d'argtesm Joue an rôle non négligeable dans les déperdi- tions. la largeur des pénétrations de ces conduite dans les ré- générateurs' est faible comparée à la longueur totale des mars recevant ces pénétrations Ceci se traduit par de nombreux espaces morts et une mauvaise répartition des fu- mées dans les empilages, donc abaisse le rendement des ré- générateurs. Enfin, du fait du nombre réduit de brûleurs de puissance élevée, les conduits sont géométriquement mal adaptés à la chambre du four, ce qui cause une mauvaise répartition des fluides (air, combustible) entraînant à son tour une baisse de rendement qui est d'autant plus importante que la chambre est grande. Les fours à brdleurs transversaux et à régénérateurs ont des consommations en combustible assez élevées, typique- ment de l'ordre de 1300 mth par kg de verre. En raison du cott croissant des produits pétroliers, il existe un besoin constant d'amélioration du rendement ther- mique des fours afin de diminuer leur consommation en combus- tible Quant aux fours à boucle, ils comprennent deux brâ- - 3- leurs équipés chacun d'un ou plusieurs injecteurs de combus- tible, les deux br Lleurs étant placée côte à côte sur un même côté du four Chaque brdleur fonctionne à son tour et la flam- me provenant d'un premier bruleur se développe suivant un tra- Jet en forme de fer à cheval, en revenant vers le second brt- leur, formant ainsi une boucle Les fumées s'échappent par le conduit de ce dernier et traversent une chambre de régéné- -ration en perdant une partie des calories qu'elles contien- nent au contact de l'empilage Lorsque c'est au tour du se- cond brÈleur de fonctionner, l'air de combustion va se réchauf- fer au contact de l'empilage et la flamme suivant un trajet contraire au précédent va se développer Jasqu'au premier brd- leur, les fumées réchauffant à leur tour l'empilage associé au premier brleur, et ainsi de suite Ce type de fours est économique (consommation typiquement de l'ordre de 1100 mth/kg de verre) mais de capacité plus restreinte que les fours à brûleurs transversaux Les conduits de br&leurs de ces fours sont construits d'une façon similaire à celle utilisée pour les conduits des fours à brleurs transversaux et à régénéra- teurs, c'est-à-dire avec une volte clavée. Les fours à boucle sont généralement utilisée pour la production de bouteilles. L'invention a pour objet d'apporter des perfection- nements à la construction des fours à régénérateurs. Plus particulièrement, l'invention concerne des fours à régénérateurs des genres sus-mentionnés, caractérisés en ce que leurs conduits de brdleurs lnxentent chacun, en sec- tion transversale, une forme générale carrée ou rectangulaire, la partie supérieure ou couverture de chaque conduit étant réalisée à l'aide d'éléments monolithiques en matière réfrac- taire de portée suffisante pour que chaque élément supérieur repose à ses extrémités sur les éléments en matière réfrac- taire formant les parois latérales des conduits, ces éléments latéraux reposant eux-mêmes sur des éléments en matière ré- fractaire formant la sole des conduits Avantageusement, les éléments formant les parois latérales de deux conduits consé- cutifs sont communs à ces deux conduits dans le cas des fours à brdleurs transversaux, -4 - De préférence, les éléments en matière réfractaire présentent des surfaces planes et des formes simples. Les conduits de brdleurs selon l'invention seront en général d'une taille sensiblement inférieure à celle des conduits de brdleurs classiques Par contre, du fait du mode de construction employa, il est possible d'utiliser un nombre de brfleurs beaucoup plus élevé, pour une longueur de four donnée Par exemple, alors qu'un four de fusion classique à brûleurs transversaux et à régénérateurs, d'une longueur de 10-13 m et d'une largeur de 6-8 m, comporte habituellement de 4 à 6 paires de brdleurs, un four de fusion selon l'inven- tion, de taille semblable, comportera 15 à 20 paires de brd- leurs Le fait que les brdleurs de l'invention peuvent 4 tre disposée de façon rapprochée offre un avantage technique im portant, à savoir de permettre d'assurer un taux de couvertu- re de flamme d'au moins 55 %, de préférence d'au moins 60 %. Par "couverture de flamme", on entend la surface du bain (verre fondu) couverte par les flammes sortant des brûleurs en supposant que chaque flamme a la largeur du brt- leur dont elle est issue et une longueur égale à la 3 argeur du bain Dans la réalité, les flammes ont une forme légèrement divergente et la couverture de flamme réelle est supérieure à celle calculée en respectant l'hypothèse susdite. Le mode de construction des conduits de brdleurs selon l'invention est plus simple que la construction en vod- te clavée et peut être réalisée rapidement à l'aide d'élé- ments à surfaces planes de forme relativement simple et avec une main d'oeuvre moins qualifiée que le mode de construction en voute clavée qui nécessite l'emploi de cintres et une main d'oeuvre spécialement formée En outre, une telle construc- tion, de forme plus simple, permet un calorifugeage plus pous- sé qu'avec la construction classique (forme plus simple, moins d'arêtes), une meilleure répartition des fumées dans les cerveaux (parties supérieures libres) de chambres desrégé- nérateurs et donc une amélioration du rendement des régénéra- teurs, ainsi qu'une réduction des pertes par rayonnement du laboratoire (espace au dessus du verre fondu) vers les cer- veaux de chambre par suite de la fermeture de l'angle solide -5- ayant pour base la surface totale de pénétration dans la cham- bre et comme rayon la longueur des conduits de brdleurs. Les perfectionnements de l'invention permettent de réaliser des économies de combustible de l'ordre de 5 à 10 % sur les fours à brûleurs transversaux et à régénérateurs. Les avantages principaux décrits pour les fours à brûleurs transversaux sont valables également dans le cas des fours à boucle à l'exception de l'accroissement du taux de couverture de flamme Les problèmes d'armaturage des brûleurs sont nettement simplifiée En jouant sur les hauteurs de pote- lets intermédiaires (éléments latéraux), il est possible d'agir sur la répartition de l'air secondaire entre l'axe lon- gitudinal et la rive du four, ce qui peut être avantageux dans le cas d'un four à boucle. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les parti- cularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant bien entendu partie de ladite invention. La figure 1 est une vue partielle, en coupe longi- tudinale, d'un four à verre de construction classique. La figure 2 est une vue partielle en perspective d'un four à verre perfectionné selon l'invention. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un conduit de brûleur du four de la figure 2. Les figures 4 a, 4 b et 4 c sont des vues de dessus, en bout et de côté, respectivement, d'un des éléments en ma- tière réfractaire formant les parties supérieure et inférieure du conduit de brûleur de la figure 3; et La figure 5 est une vue schématique comparant les couvertures de flamme des fours des figures t et 2. Sur la figure 1 est illustré un four à verre à brûleurs transversaux de construction classique Ce four comprend une sole 1, une voûte 2, une paroi latérale 3 de cave située au dessous de la ligne de verre 4 et une paroi latérale de superstructure (piedroit) 5 située au dessus de cette ligne Des conduits de fumées 6 en maçonnerie sont prévus le long de la superstructure 5 et Débouchent dans les -6- cerveaux des régénérateurs (non représentés) Des injecteurs (non représentés) placée dans la vodte des conduits, sous les conduits, ou sur leurs côtés, permettent l'arrivée du combus- tible (gaz ou fuel lourd) Les flammes sont du type "flamme de diffusion" dissymétrique, l'air et le combustible arrivant séparément en faisant un certain angle entre eux Les conduits 6 sont voûtés Pour un four dont la cuve de fusion a une longueur de 10 m environ et une largeur de 7 m environ, il y a typiquement quatre conduits 6 sur chacun des côtés de la superstructure La largeur de chaque conduit est typiquement de 1,3 m pour une hauteur de l'ordre de 0,5 m. Dans ce type de four classique: les conduits 6 en maçonnerie sont séparés les uns des atres par des espaces morts importants, ce qui fait que la couverture de flammes d'un tel four est relativement fai- ble, de l'ordre de 43 % comme l'illustre la figure 5, partie gauche, ce qui fait que l'échange thermique entre les flammes et le verre, et donc le rendement de combustion, sont médio- cres, entra nant une consommation du four relativement élevée; les flammes rayonnent fortement sur la partie des régénérateurs située au dessus des empilages par suite de l'angle solide relativement grand des conduits 6, qui vont en s'évasant du four vers le régénérateur La chaleur ainsi per- due n'est pratiquement pas récupérable; la construction des conduits de fumées est com- pliquée: vodte clavée, armaturage lourd, etc En outre, ces conduits sont difficiles à calorifuger et "l'effet d'arê- tes" Joue un rôle notable dans les déperditions; la largeur de pénétration des conduits de fumée dans les régénérateurs est faible comparée à la longueur to- tale des murs les recevant Ceci se traduit par de nombreux espaces morts et une mauvaise répartition des fumées dans les empilages des régénérateurs, et donc abaisse le rendement de ceux-ci. La figure 2 montre, de façon partielle, un four per- fectionné conforme à la présente invention, dont la cuve de fusion a une taille semblable à celle du four de la figure 1. Ce four comprend une sole 11, une paroi latérale 12 délimitant -7- la cuve et formée de blocs réfractaires et une superstructure 13 La superstructure 13 comprend à sa base des blocs injec- teurs 14 reposant sur des briques à nez 15, une banquette 16, des conduits de brtleurs 17 prévus au dessus de la banquette et séparés les uns des autres par des potelets 18 (éléments latéraux) A la partie supérieure de la-superstructure se trouvent des linteaux 19, des éléments de complément 20, un sommier 21 supportant la vofte 22 Les conduits 17 débouchent, à leur partie arrière, dans un cerveau 23 de régénérateur Il convient de noter que les éléments réfractaires constituant la banquette 16 et les linteaux 19 sont identiques Ce four com- porte dix-huit conduits de brdleurs identiques sur chacun de ses c 8 tés, seulement cinq de ces conduits étant représentés pour des raisons de commodité Ces conduits ont une section rectangulaire (largeur 0,4 m; hauteur 0,45 m) proche du carré, constante sur toute leur longueur On pourrait toutefois pré- voir un accroissement de section, dans le sens vertical, des conduits au voisinage des pénétrations C dans les cerveaux (figure 3) La largeur des potelets 18 est de 0,15 m Les conduits 17 sont inclinés, par exemple de 11 , par rapport à l'horizontale, de façon que l'air de combustion réchauffé arrivant par -les conduits 17 heurte le courant de combustible injecté par les injecteurs 14 et permettela combustion de ces derniers Les flammes sont du type "flamme de diffusion" dis- symétrique, comme dans le cas du four classique. Les figures 3 et 4 illustrent de façon plus détail- lée la construction des conduits de brdleurs La sole et la couverture de chacun de ces conduits sont formés à l'aide d'éléments monolithiques réfractaires A tels que celui repré- senté en détail sur les figures 4 a, 4 b et 4 c Ces éléments présentent une partie centrale plane a et deux ailes b-en for- me de triangle rectangle et perpendiculaires à la partie cen- trale Le petit angle a dudit triangle est égal par exemple à 110 Des éléments latéraux réfractaires ou potelets B, de forme parallélépipédique, forment les parois latérales du conduit, venant reposer sur les ailes b des éléments A de la sole et supportant les ailes b des éléments A de la couvertu- re Les potelets B sont disposés dans l'alignement des pote- lets 18 de façade, derrière ceux-ci. Le four de l'invention présente une couverture -8 - de flammes bien supérieure à celle du four classique Cette couverture est de 63 % environ, comme l'illustre la figure 5, partie droite. Cette amélioration de la couverture de flammes se traduit par une amélioration des échanges thermiques avec le bain de verre fondu et permet de réduire la consommation du four. Par ailleurs, le four de l'invention est plus sim- ple et rapide à construire qu'un four classique, ne nécessi- tant pas l'emploi des cintres requis pour la réalisation des voûtes clavées En effet, l'invention ne fait appel, pour la construction des conduits de brdleurs, qu'à un petit nombre d'éléments de forme simple et standardisée. D'autres avantages sont possibilité d'un calorifugeage beaucoup plus poussé du fait d'une forme plus simple et de la présence de moins d'arêtes; meilleure répartition des futaées dans les cer- veaux de régénérateurs et, donc, amélioration du rendement de ceux-ci; réduction des pertes par rayonnement du labora- toire vers les cerveaux par fermeture de l'angle solide ayant pour base la surface totale de pénétration dans la chambre et comme rayon la longueur des conduits Le flux lumineux dans les conduite d'un four selon l'invention est égal à environ la moitié du flux lumineux dans un four classique. augmentation du nombre d'injecteurs (fuel ou gaz) permettant une meilleure maîtrise des longueurs de flam- me et, si besoin est, d'accroître la limite maximale des dé- bits calorifiques. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. En particulier, le type de four selon l'invçgtion pourrait également être employé en métallurgie. 9 - REVENDIOATIONS 1 Four à régénérateurs, caractérisé en ce qu'il comporte des conduits de brdleurs ( 17) présentant chacun, en section transversale, une forme générale carrée ou rectangu- laire, la partie supérieure ou couverture de chaque conduit étant réalisée à l'aide d'éléments monolithiques (A) en ma- tière réfractaire,de portée suffisante pour que chaque élé- ment supérieur repose à ses extrémités sur les éléments (B) en matière réfractaire formant les parois latérales des con- duits, ces éléments latéraux reposant eux-m 4 mes sur des élé- ments (A) en matière réfractaire formant la sole des conduits. 2 Four selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est un four à brûleurs transversaux et à régénéra- teurs. 3 Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments formant les parois latérales de deux con- duits consécutifs sont communs à ces deux conduits. 4 Four selon la revendication 2 ou 3, caracté- risé en ce qu'il présente un taux de couverture de flammes d'au moins 55 %. Four selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit taux est d'au moins 60 %. 6 Four selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que la sole et la couverture de chaque conduit de brdleur sont constitués à partir d'élé- ments réfractaires moulés comprenant une partie centrale plane (a) et deux ailes (b) en forme de triangle rectangle et perpendiculaires à la partie centrale. 7 Four selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est un four à boucle.