Brevet FR2546288A1 — publié le 19841123

La présente invention se réfère à un procédé de récupéra- tion de chaleur à partir de gaz contenant des composants vaporisés, fondus et eutectiques, en le mettant en contact avec des surfaces de transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur. L'industrie du traitement produit de grandes quantités de gaz chauds La récupération de chaleur à partir de ces gaz est rendue difficile par les composants vaporisés ou fondus présents dans ces gaz qui contaminent les surfaces de transfert de chaleur Un exemple typi- que de ce phénomène sont les gaz résiduaires de l'industrie pyrométal- lurgique Le nettoyage des surfaces de transfert de chaleur à l'aide des moyens actuellement disponibles est extrgmement difficile dans la plu- part des cas, ce qui a pour conséquence une moindre rentabilité de l'usine et aussi des frais considérables. L'expérience a montréque les problèmes de nettoyage sont les plus importants dans le domaine de températures, caractéristique pour chaque procédé, o une partie des composés solides se trouve à l'état eutectique Par exemple, dans les procédés de fonderie dans la métallurgie non ferreuse, de faibles concentrations de Zn, As et Pb sont suffisantes pour donner à l'ensemble de la poussière un comporte- ment eutectique, La poussière à l'état eutectique adhère aux surfaces de transfert de chaleur et en particulier lorsqu'elle cristallise, elle forme une couche de poussière qu'il est dans bien des cas impossible d'enlever au moyen des méthodes de nettoyage connues (balais souf- flants ou mécaniques) Des recherches sur les lieux ont montré que les meilleures valeurs d'endurance sont obtenues dans les chaudières à vapeur dans lesquelles, grâce à la nature du procédé, les couches su- bissent une érosion naturelle Il a également été possible de juger d'a- près la forme des couches de crasse que même des souffleurs ou balais mécaniques efficaces n'ont pas une très grande prise sur ces couches. Par ailleurs, l'érosion tient les surfaces de transfert de chaleur parallèles à la direction de l'écoulement assez propres. A partir de ces observations on a découvert que l'érosion contrôlée peut Stre utilisée pour le nettoyage de surfaces de transfert -2 - de chaleur qui sont difficiles à nettoyer autrement Le procédé selon l'invention pour la récupération de la chaleur basé sur l'érosion contrô- lée est caractérisée en ce que la température du gaz est abaissée en amont de l'échangeur de chaleur au-dessous du domaine des tempéra- titres eutectiques des composants fondus, en mélangeant le gaz avec des particules solides recyclées, après avoir été refroidies dans l'échangeur de chaleur et séparées du gaz et, éventuellement, aussi avec d'autres particule s. La figure unique du dessin annexé montre une réalisation de l'invention pour la récupération de chaleur. Dans l'appareil représenté dans la figure, le gaz chaud con- tenant des composants vaporisés et fondus s'écoule à travers un conduit 1 équipé de surfaces de radiation Lorsqu'il s'approche de l'échangeur de chaleur 2, la température du gaz est proche de la limite supérieure du domaine eutectique La température en aval de l'échangeur de chaleur est choisie de manière à être suffisamment au-dessous du domaine de températures eutectiques de sorte que la poussière contenue dans le gaz soit de nature pulvérulente, ce qui l'emp 8 che d'être captée par les sur- faces de transfert de chaleur L'effet de balayage requis pour conserver les surfaces de transfert de chaleur propres est obtenu lorsque la pous- sière de balayage est concentrée dans l'échangeur de chaleur à tel point, qu'en se mélangeant avec le gaz poussiéreux entrant dans 1 ' échangeur de chaleur au point 3, la température du mélange descend jusqu'à la limite du domaine eutectique. Après le mélange,et la baisse de la température se produi- sant au point 3, la suspension contenant une quantité suffisante de parti- cules abrasives passe dans l'échangeur de chaleur 2 et prévient ainsi, grâce à un effet d'érosion, la formation de couches de crasse sur les surfaces de transfert de chaleur. Après le passage dans l'échangeur de chaleur 2, la suspen- sion s'est refroidie au-dessous du domaine eutectique et elle est conduite de façon tangentielle à travers le conduit 4 vers un cyclone 5 à courant continu, à partir duquel les gaz/contenant pratiquement pas de poussière -3- sont déchargés à travers un conduit central 6 et la matière solide sépa- rée est retournée à travers un conduit 7 vers le point 3 dans le conduit de gaz, en amont de l'échangeur de chaleur Une évacuation 8 est placée dans le conduit de retour 7 pour le recyclage de matière solide Il est ainsi possible de réguler le recyclage de la matière solide et l'effet d'érosion La matière recyclée est de préférence la matière solide uti- lisée dans le procédé ou une autre matière peu coilteuse, telle que du sable, qu'on ajoute au procédé à travers un conduit 9. Selon le procédé de l'invention on peut obtenir les avanta- ges suivants: 1 Les surfaces de transfert de chaleur sont gardées propres grâce à un effet d'érosion contrôlée. 2 En effectuant un mélange la température peut être abaissée rapide- ment 3 Un effet dit de lavage à sec est obtenu par le fait que les particules solides recyclées provoquent la condensation des produits qui attei- gnent leurs surfaces à l'état de vapeur. 4 Le taux d'émission de soufre peut être diminué en mettant en oeuvre par exemple une matière de recyclage à base de Ca. 5 L'échange de chaleur par radiation et convection est activé. Les domaines opérationnels du procédé selon l'invention sont les suivants: Vitesse du gaz 3 à 20 m/s Teneur du gaz en particules 10 à 500 g/mole Température du gaz à l'arrivée 300 à 1500 'C Température du gaz évacué 500 à 1200 'C Diarnètre moyen des particules 100 à 2000 jum L'invention sera décrite plus en détail dans les exemples non limi- tatifs ci-après Exemple 1 Les paramètres des gaz évacués d'une fonderie de cuivre à la sortie du four de fusion sont: 4 - Débit du gaz mole/s 1740 Teneur en poussière g/mole 2, 7 Température C 1400 Les gaz évacués sont refroidis par radiation dans le conduit 1 jusqu'à environ 900 C, temperature qui se trouve dans un domaine pré- sentant des caractéristiques malcommodes en ce qui concerne la conta- mination des surfaces de transfert de chaleur La capacité thermique du gaz de sortie chargé de poussière est d'environ 1,7 k J/(Nm C)= 38 J (mole C), ce qui se traduit par un débit de capacité thermique de 66, 1 k W/ C Une température préférentielle en amont des surfaces de trans- fert de chaleur de l'échangeur 2 est de 700 C et de 550 C en aval des surfaces de transfert de chaleur Ainsi le débit de capacité thermique de recyclage est de 88, 1 k W/ C La capacité thermique spécifique de la matière recyclée peut être estimée à environ 0,8 k J/(kg C), ce qui donne pour le débit de la masse recyclée une valeur de 110 kg/s Ainsi, après le mélange, la teneur en matière solide du gaz est de 63 g/mole (= 2,81 kg/Nm) Dans la pratique on a déjà atteint des teneurs en matière so- lide entre 900 et 1400 g/mole dans un réacteur dit à lit de recyclage Un concentré,du sable ou un mélange de ces deux produits peut être utilisé en tant que matière recyclée dans une fonderie En outre, les particules présentes dans les gaz d'évacuation sont concentrées dans le circuit de refroidi S sement. Exemple 2 Le débit de liqueur noire d'un bouilleur à lessive est de 5, 6 kg/s et la teneur en matière sèche de la liqueur s'élève à 0, 60 Une composition typique de la matière sèche est la suivante C 35,5 % (de pâte) Na 20,8 % S 5, z % O 35,1 % H 3,4 % - Dans le cas o la combustion est effectuée dans un bouilleur à lessive normal, environ 30 % de l'alimentation en soufre et 10 % de l'alimentation en sodium suivent les gaz de combustion provenant du four partiellement sous la forme de produits gazeux et partiellement sous la forme de produits fondus finementdivisés Dans le cas o la com- bustion est réalisée dans une chambre de combustion séparée, les gaz de combustion peuvent même contenir 50 % du soufre et 30 % du sodium en aval de la zone de combustion Pendant le refroidissement des gaz de combustion, les produits chimiques minéraux forment le plus souvant du sulfate de sodium et du carbonate de sodium ainsi que du gaz sulfureux. En fonction de la composition de la liqueur et des conditions de fonction- nement, cela peut conduire dans certains cas à la formation d'une couche gênante de pyrosulfate de sodium sur les surfaces de transfert de chaleur. Les paramètres des gaz évacués de la chambre de combustion ci-dessus sont: débit du gaz mole/s 840 débit du Na mole/s 4, 56 débit du S mole/s 2,75 température C 900 poussière (cond) g/mole 0,23 ( 10, 3 g/Nm) débit de capacité thermique du gaz 29,4 k W/ C températures du gaz: en amont de l'échangeur 870 O C après mélange 7000 C en aval de l'échangeur 550 C débit de capacité thermique de recyclage 33, 0 k W/ C débit massique de recyclage ( 0,8 k J/kg C) 41,7 kg/s teneur enpoussière du gaz dans l'échangeur 50, 0 g/mole Le débit de recyclage inclut la poussière à base de Na 2 CO 3 des gaz de combustion et le Na 2 CO 3 ou le Na 2 SO 4 ajoutés au point 3. 6- REVENDICATIONS 1 Procédé de récupération de chaleur à partir de gaz, conte- nant des composants fondus en le mettant en contact avec les surfaces de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'en amont de l'échangeur de chaleur la température du gaz est abaissée audessous du domaine des températures eutectiques des composants fondus, en mélangeant le gaz avec des particules solides recyclées qui ont été refroidies dans l'échangeur de chaleur et séparées du gaz et, éventuellement, aussi avec d'autres particules. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en amont de l'échangeur de chaleur, la température des gaz évacués d'une fonderie de cuivre est abaissée à 700 'C. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que du sable est ajouté dans le circuit de recyclage. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en amont de l'échangeur de chaleur la température du gaz provenant d'une chambre de combustion d'un bouilleur à lessive est abaissé à environ 700 'C. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que du sulfate de sodium et/ou du carbonate de sodium sont ajoutés dans le circuit de recyclage.