Brevet FR2527759A1 — publié le 19831202

GRILLE METALLIQUE POUR ECHANGE DE CHALEUR ENTRE UN SOLIDE A L'ETAT DIVISE ET UN GAZ, FONCTIONNANT A TRES HAUTE TEMPERATURE La grille ou élément de grille qui fait l'objet de l'invention concerne de la façon la plus générale, les dispositifs d'rechange de chaleur entre un solide à l'état divisé et un fluide. L'invention concerne aussi une méthode de préchauffage d'un fluide par échange de chaleur avec un solide divise porté à très haute tempé- rature, dans laquelle on fait tomber des grains ou particules solides sur une grille ou élément de grille suivant l'invention, à travers les orifices de laquelle ou duquel, un fluide est injecté à contrecourant. La méthode suivant l'invention s'applique, en particulier, à la réalisation des dispositifs de préchauffage de l'air qu'on introduit dans un four tournant tel qu'un four de cimenterie, afin de brl- ler le combustible. I1 est connu de préchauffer l'air qu'on utilise comme comburant dans les fours de cimenterie par échange de chaleur avec le clinker qui sort à l'extrémité inférieure de ces fours à une température de l'ordre de 1400 C. Ce clinker, qui se présente généralement sous fonte de grains d'un diamètre moyen de l'ordre de 20 à 30 mm, tombe sur des éléments de grilles percés de trous à travers lesquels de l'air est injecté à contre-courant. Cet air s'échauffe au contact des grains de clinker et est ainsi porté à une tempérture de l'ordre de 1200 à 1400 C. Ces éléments de grilles sont fixes ou mobiles. Un dispositif mécanique transmet aux éléments mobiles un mouvement alternatif qui provoque un déplacement progressif de la couche de clinker le long de leur surface.Ainsi, le clinker passe d'un élément de grille à l'autre le long d'un couloir d'évacuation en se refroidissant progressiverrent. A l'extrémité du couloir, le clinker, suffisamment refroidi par le courant d'air, est évacué vers les moyens de broyage. tes figures ci-après permettront de mieux comprendre les caractéristiques d'une grille ou d'un élément de grille de conception classique pour échange de chaleur entre un solide divisé et un fluide et les caractéristiques d'une grille ou d'un élément de grille suivant l'in- vention. La figure 1 reeresente en plan, de façon schematique, un élément de grille mobile d'un type connu pour l'échange de chaleur entre des grains de clinker et de l'air. La figure 2 représente, en coupe suivant AA, l'élément de grille suivant la figure 1. La figure 3 représente en plan un élément de grille mobile suivant l'invention. La figure 4 représente en élévation l'élément de grille de la figure 3. les figures 1 et 2 représentent de façon schématique un élément de grille mobile (1), de, type connu, pour la réception des grains de clin ker provenant d'un four de cimenterie. Cet élément est constitué d'une plaque en acier réfractaire moulé qui comporte une zone (21 sensible nent horizaitale sur laquelle est destinée à reposer l'extrémité ftai- tale de la plaque précédente et une zone (3) inclinée et percée de trous, qui est limitée par une partie frontale (4).Cet élément de grille mobile est animé d'un mouvement de va et vient suivant la double flèche (F) qui a pour effet de favoriser le glissement du clinker depuis la zone (2) de l'élément de grille,jusqu'à la partie frontale (4) qui le pousse grâce à son mouvement de va et nient sur la grille suivante qui est généralement fixe. L'élément de grille comporte, à sa partie inférieure, des moyens d'accrochage (6, 7, 8, 9) qui pentettent son entraînement alternatif par des moyens inecniques connus non représentés. La grille comporte, enfin, un ensemble de trous tels que (5,10),à travers lesquels de l'air est injecté sous relativement forte pression, de bas en haut. les trous sont, en général, ooniques avec un petit diametre de l'ordre de 10 mm à l'extrémité supérieure. I1 se forme sur l'élément de grille mobile une sorte de lit de clinker d'épaisseur variable, en général de l'ordre de 200 à 300 mm, qui est sans cesse poussé par l'action -: coordonnée d'un ensemble d'éléments de grille, alternativement mobiles et fixes, disposes les uns à la suite des autres depuis l'orifice de sortie du four jusqu'à la zone d'évacuation. Pendant ce parcours, la terpérature du clinker s'abaisse progressivement de environ 14000C jusqu'au niveau de température désiré, en général inférieur à 5C0 C. L'expérience a montré que les éléments de grille mobiles qui viennent d'être décrits, et aussi les éléments de grille fixes, ont, dans la zone la plus chaude, une durée de vie très courte de l'ordre de 3 à 12 mois. En effet, malgré l'injection d'air froid, ils sont portes, à la surface supérieure qui est en contact direct avec le clinker, à une température de 1000 C, et rêne davantage. De plus, les grains de clinker sont très abrasifs vis- -vis de l'acier dans ce domaine de -température et, donc, provoquent sans cesse une abrasion de la surface du métal avec laquelle ils sont en contact.En meme temps, le courant d'air qui a été porté à haute teepérature par passage à travers le clinker, oxyde directement cette face supérieure de l'élément de grille. I1 se produit donc, de façon simultanée, une abrasion ou érosion et une oxydation de la face supérieure de l'élément de grille. Pour ralentir ce phénomène, on utilise de façon connue des aciers réfractaires de roulage, tels que par exemple l'acier suivant norme AF NOR Z 40 CN 25-20. Malgré la forte teneur en Cr d'un tel acier, il ne se forme pas de couche d'oxyde protecteur, à cause du perpétuel frot tenent des grains de clinker sur la paroi supérieure de l'élément de grille. De plus, malgré le refroidissement intense de la paroi inférieure de cet élément de grille par le courant d'air à température re lativer-nt basse, la paroi supérieure est portée à une teepérature de l'ordre de 10000C en marche normale par le contact sans cesse renouvelé avec les grains de clinker qui tombent de l'orifice de sortie du four et se trouvent donc à une température initiale de 14000C ou plus. On a recherché la possibilité de réaliser des grilles ou des éléments de grille fixes ou mobiles faisant partie d'un dispositif d'échange de chaleur entre un solide divisé porté à très haute température et un fluide à beaucoup plus basse température initiale circulant à contrecourant, présentant une meilleure résistance à l'usure et à la déformation, dans les conditions d'utilisation, air de pouvoir prolonger de façon importante leur durée de vie. On a recherché également un moyen permettant de protéger les grilles ou éléments de grilles contre 1' l'impact direct des grains ou particules solides à très haute température et permettant ainsi d'abaisser leur température maximale d'utilisation. Les grilles ou éléments de grilles fixes ou robiles qui font l'objet de l'invention carportent des reliefs formés sur leur faoe supérieure, qui sont disposes sur le parcours des grains ou particules solides de façon à freiner le déplacement de la fraction de ceux-ci, qui se trous ve au voisinage immédiat de ces s grilles ou éléments de grilles. Suivant un mode particulier de réalisation de l'invention, les reliefs sait caistitués par des nervures rectilignes ou non, qui sont orientées de façon à couper le parcours des grains ou particules. Suivant un rode particulièrement avantageux de réalisation de l'inven- tion, ces s nervures sont disposées en un réseau qui délimite, à la sur face supérieure des grilles ou éléments de grilles, un ensemble de cellules. Chacune de ces cellules ccoporte un fond constitué par la face supérieure de la paroi de la grille ou de l'élément de grille, et des parois latérales constituées par les bords latéraux des nervu- res qui délimitent la cellule. les cellules sont donc ouvertes à la partie supérieure et la plupart d'entre elles comportent au moins un trou qui traverse la paroi et qui permet d'injecter de bas en haut un courant du fluide qu'il stagit de préchauffer par contact avec les particules solides.La forme, la section et le nombre de trous sont fonc- tion du debit de fluide à assurer et des caractéristiques dimensionnel- les des grains ou particules solides. le profil et la hauteur des nervures sont déterminés en fonction des caractéristiques dimansionnelles des grains ou particules solides et aussi des conditions de tempSra- ture et de résistance mécanique à l'oxydation, à l'abrasion et à la déformation. On voit figures 3 et 4 un exerple schématique d'un élément de grille mobile suivant l'invention. Ces figures représentent un élément de grille (11) suivant l'invention, de forme sensiblement rectangulairer qui comporte une zone (12) sensiblement horizontale et une zone (13) inclinée et perce de trous tels que (14), de section circulaire, disposés en quinconce. Suivant l'invention, des nervures telles que (15, 16) se croisent, délimitant des cellules telles que (17).L'élément de grille mobile suivant l'invention comporte, comme l'élément de grille connu (1), des moyens d'accrochage (18, 19, 20, 21) qui permettent son entraierent alternatif suivant la flèche (F1) grâce à des mitoyens mécaniques connus non représentés. On comprend que, grâce aux nervures telles que (15, 16), les grains ou particules solides qui se trouvent au contact du fond de chaque cellule telle que (17), sont retenus à l'intérieur de chaque cellule par les nervures (15, 16), ou sont tout au roins freinés dans leur déplacement. le courant de fluide, tel que de l'air, injecté de bas en haut à travers les trous (14), entraîne un certain nombre de ces grains ou particules à l'extérieur de la cellule où ils avaient pénétré, ce qui cause un certain renouvellement de la couche de grains ou particules qui recouvre chaque cellule.Ce renouvellement, qui dépend du débit et de la pression de fluide, des caractéristiques physiques des grains ou particules, de la hauteur des nervures (15, 16), est beaucoup rotins rapide que celui réalisé par le déplacement continu des grains ou particules sur la surface lisse d'un élément de grille tel que celui de la figure 1. I1 en resulte que, grâce au refroidissement continu, par le courant de fluide, de cette couche de grains ou particules semistatiques, contenus dans les cellules, la température de la face supérieure de la paroi dans la zone (13) est considérablement abaisse et peut facilement descendre au-dessous de 1000 C. De plus, l'agitation des grains ou particules en contact avec cette paroi est relativement faible.Enfin, cette paroi n'est plus soumise à l'impact direct des grains ou particules de relativement forte section portés à une température de 1400 C ou davantage. Le lit de grains ou particules formé dans chaque cellule amortit la chute des grains ou particules les plus gros et suporime leur contact direct avec la paroi au fond de la cellule avant un certain délai, au cours duquel la température de ces grains ou particules s'abaisse. La forme et la section des nervures dépendent beaucoup des conditions d'échange de chaleur entre solide divisé et fluide, qui sont ré- alises. On a en général intérêt à utilises des nervures dont la base est plus épaisse que le sommet, et dont la paroi qui s'oppose se au déplacement des grains ou particules, a une pente suffisamment raide pour les empécher de la franchir trop facilement. L'homme de l'art sait ajuster ces différentes caractéristiques pour obtenir le rSsul- tat souhaité. On peut donner, par exemple, à ces nervures une hauteur de l'ordre de 4 à 10 mm et une largeur équivalente.Dans le cas des figures 3 et 4, les nervures ont une largeur moyenne de 5 mm et une hauteur de 5 zmn environ Comme le montre la figure 3, ces s nervures sait ondulées et se rejoignent de façon à délimiter des cellules dont chacune comporte au ioins un trou de soufflage et, le plus souvent, deux trous. les éléments de grilles fixes ou mobiles suivant l'invention s'appliquent en particulier à la réalisation du dispositif échangeur de chaleur qui est utilise à la sortie des fours rotatifs à ciment pour ré cupérer la chaleur des grains ou particules de clinker, en chauffant l'air nécessaire à la combustion du combustible qui chauffe le four. L'invention concerne aussi, de façon plus générale, une méthode de protection des grilles ou éléments de grilles fixes ou mobiles utili sés dans les échangeurs de chaleur entre des grains ou particules solides à haute température et un fluide à température plus basse, qui consiste à créer sur la face de la grille ou de l'élément de grille qui reçoit les particules solides, une couche continue ou discontinue de grains ou particules solides dont le déplacement est freiné au moyen d'obstacles disposes en travers du parcours que ces grains ou particules doivent effectuer. Ces obstacles sont, le plus souvent, constitués par des nervures qui se croisent de façon à constituer des cellules. On peut aussi envisager, suivant l'invention, de disposer seulement des nervures suivant une direction sensiblement transversale par rapport à la direction moyenne de parcours des grains ou particules. On peut envisager aussi de réaliser à la surface de la grille ou élément de grille, des reliefs continus ou discontinus qui arrêteront ou freineront les grains ou particules dans leur déplacement. cela cela a été montré plus haut, les nervures permettent de réduire l'abrasion ou l'érosion de la paroi des éléments de grille et, donc, de conserver à celle-ci une épaisseur proche de l'épaisseur initiale, ce qui ralentit les déformations par fluage. De plus, ces nervures contribuent par leur présence même à augmenter la rigidité de la paroi de ces éléments de grille Aussi, a-t-on constaté que, à condition d'utiliser des aciers réfractaires présentant une très bonne résistance à l'oxydation, il est possible d'alléger de façon très sensible ces éléments de grille en réduisant leur épaisseur, ce qui diminue d'autant leur inertie et améliore leurs performances.On peut envisager dans le cas, par exertple, des éléments de grille fixes ou mobiles pour four de cimenterie, de réduire jusqu'à environ 10 mm une dpais- seur de parois qui est habituellement de l'ordre de 13 à 15 itra. Pour atteindre un tel résultat, il est nécessaire que l'acier réfractaire de moulage auquel on fait appel ait une excellente résistance à l'oxydation à très haute température et, plus particulièrement, une excellente tenue aux atmosphères oxydantes contenant des oxydes de soufre. I1 est, en effet, bien connu que les hydrocadbtres et/ou les charbons utilisés pour le chauffage des fours industriels et, en particulier, des fours de cimenterie, contiennent le plus souvent de fortes teneurs en soufre. L'expérience a montré que les aciers réfractaires à haute teneur en nickel, qui conviennent très bien pour la tenue à haute température, s'attaquent rapidement dans de telles atmosphères. On a trouvé que, suivant un rode de réalisation particulièrement avantageux des grilles ou éléments de grilles fixes ou mobiles suivant l'invention, on peut utiliser un acier réfractaire de moulage ayant la composition suivante en % en masse C : 0,30 à 0,70 Cr à 14 à 29 Ni : 11 à 15 Mn : 7 à 11 Si : 1 à 2 De façon préférentielle, à l'intérieur de ce domaine de composition, on peut utiliser un acier réfractaire de moulage contenant en % en masse: C : 0,40 à 0,60 Cr : 25 à 27 Ni : 12 à 14 Mn : 8 à 10 Si : 1,3 à 1,8 Al # 0,20 S # 0,05 P # 0,10 N # 0,20 et les autres impuretés inévitables. les essais ont montré que les grilles ou éléments de grilles fixes ou mobiles réalisés par moulage à partir de cet acier réfractaire ont, à des températures comprises entre 800 et 1200 C, un ensemble de carac téristiques tout à fait exceptionnel de résistance à l'oxydation et aux oxydes de soufre, résistance à l'abrasion ou à l'érosion, résistance au fluage et résistance ce à la fragilisation au cours de maintiens pouvant atteindre 10.000 heures ou davantage. On constate en particulier que, dans le cas d'éléments de grilles com- portant des zones portées à des températures de l'ordre de 1000 C ou davantage et d1 autres zones dont la température est de l'ordre de 750 à 850 C, aucun phénomène de fragilisation n'apparaît au cours de très longues durées de maintien en température pouvant atteindre plusieurs années. De très nombreuses utilisations autres que celles décrites dans la présente demande, peuvent être envisagées pour les grilles ou élé- ments de grilles suivant l'invention. REVENDICATIONS 1 / - Grille ou élément de grille fixe ou mobile (11) pour dispositif échangeur de chaleur entre un solide divisé porté à haute température et un fluide à une température inférieure, constitué(e) d'une plaque en acier réfractaire moulé dont la face supérienre (13) reçoit les grains ou particules de ce solide qui se déplacent le long de cette face, cette plaque comportant un ensemble de trous (14) qui sont traversés de bas en haut par le fluide, caractérisé (e) en ce que il (ou elle) comporte des reliefs (15, 16) formés sur la face supérieure (13) disposés sur le parcours des grains ou particules, de façon à faire obstacle à l'écoulement de la fraction de ces s grains ou particules qui se trouve au voisinage immédiat de la grille ou élément de grille. 20/ - Grille ou élément de grille suivant revendication 1, caractéri sé (e) en ce que ces reliefs sont des nervures disposées transversalement par rapport à la direction d'écoulement des particules. 30/ - Grille ou élément de grille, suivant revendication 1 ou 2, caractérisé(e) en ce que ces reliefs sont des nervures qui s'entrecroisent en formant des cellules (17). 40/ - Grille ou élément de grille suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé(e) en ce que la majorité des cellules comporte au mDins un trou pour le passage du fluide. 50/ - Grille ou élément de grille suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé(e) en ce qu'on 1' utilise pour l'échange de chaleur entre des grains ou particules de clinker provenant d'un four de cimenterie et l'air comburant qui est injecté dans ce four. 60/ - Grille ou élément de grille suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé(e) en ce qu'elle (il) est constitué(e) d'un acier ayant la composition suivant en % en masse : C 0,30 à 0,70 ; Cr 24 à 29 ; Ni 11 à 15 ; Mn 7 à 11 ; Si 1 à 2. 70/ - Grille ou élément de grille suivant revendication 6, caractéri sé(e) en ce que l'acier réfractaire qui la(le) constitue a la composi- tion suivante en % en masse : C 0,40 à 0,60 ; Cr 25 à 27 ; Ni 12 à 14 ; Mn 8 à 10 ; Si 1,3 à 1,8 : Al #