Brevet FR2844255A1 — publié le 20040312

L'invention concerne des récipients réfractaires, et plus particulièrement une conception de dôme hémisphérique pour un garnissage réfractaire dans un tel récipient. La liqueur noire est un sous-produit du traitement de 5 préparation de la pâte de bois. La liqueur noire est un mélange d'hydrocarbures, de substances caustiques, de chlore et d'autres substances chimiques corrosives. Elle est normalement brlée en totalité dans une chaudière de récupération. Des substances chimiques inorganiques 10 comprenant du sulfate de sodium et du sulfure de sodium sont récupérées pour être réutilisées dans le traitement de préparation de la pâte. La chaleur produite par la combustion complète est convertie en vapeur d'eau, laquelle est utilisée à son tour pour produire de la chaleur de 15 traitement et/ou de l'énergie électrique. Un autre dispositif proposé pour récupérer des substances chimiques inorganiques à partir de la liqueur noire est un gazéificateur. Dans un gazéificateur, la liqueur noire est brlée dans une atmosphère sous-stochiométrique pour 20 produire un gaz combustible. Des sels inorganiques sont récupérés dans le processus. Les gaz combustibles peuvent être utilisés directement pour alimenter une turbine à gaz ou peuvent être brlés dans une chaudière à énergie. Une gazéification à basse pression a besoin d'un 25 environnement isolé, lequel est obtenu au moyen d'un récipient à garnissage réfractaire. Des récipients réfractaires de conception actuelle à utiliser en tant que gazéificateurs comportent une chemise en acier inoxydable et un garnissage en alumine coulée en masse fondue. Le 30 garnissage d'alumine comporte normalement une première couche intérieure formée de blocs comprenant à la fois de l'alumine aE et de l'alumine f, et une seconde couche extérieure formée de blocs comprenant de l'alumine P. Un petit espace de dilatation est prévu entre la couche 35 extérieure de blocs d'alumine P et la chemise d'acier inoxydable. Après que des récipients de cette conception ont fonctionné pendant quelques mois, il est apparu que les matériaux réfractaires réagissaient avec la soude présente dans la liqueur et se dilataient au point de fermer 5 complètement l'espace normal de dilatation prévu entre le réfractaire et la chemise d'acier inoxydable. Les couches réfractaires commencent alors à pousser contre le côté intérieur de la chemise d'acier inoxydable. Cette situation provoque une défaillance précoce des matériaux réfractaires 10 eux-mêmes et une déformation plastique de la chemise d'acier inoxydable. En conséquence, des garnissages réfractaires de conception classique ne donnent pas satisfaction lors d'une utilisation dans un gazéificateur de liqueur noire. Les inventeurs ont constaté que les réfractaires à base d'alumine sont non seulement soumis à une dilatation thermique comme c'est le cas dans l'art antérieur, mais sont également soumis à une dilatation chimique. Le sodium présent dans la liqueur noire se combine avec le matériau 20 réfractaire pour produire de l'aluminate de sodium. L'aluminate de sodium se dilate à raison de 130% par rapport à l'alumine. Ceci provoque non seulement une dilatation radiale, mais également une dilatation dans la direction verticale du garnissage réfractaire. Des dômes 25 antérieurs de configuration torique-sphérique associés à des réfractaires utilisés dans des gazéificateurs nécessitaient l'utilisation de blocs dits en biseau supportés directement contre l'enveloppe. Cette pratique pose deux problèmes avec des garnissages réfractaires à 30 très grande dilatation a) le dôme est excessivement bloqué en dilatation suivant la direction radiale, ce qui provoque le développement de contraintes élevées à la fois dans le réfractaire et dans l'enveloppe, et b) ces contraintes sont difficiles à quantifier dans la conception 35 du système d'enveloppe du réfractaire. L'invention aborde ces problèmes en utilisant un dôme hémisphérique ayant des couches inédites de blocs formant l'hémisphère. Le dôme hémisphérique est doublé d'une couche de matériau ayant une capacité d'écrasement ajustée qui résiste à la dilatation d'une manière mesurée. L'invention propose donc un récipient réfractaire comprenant une enveloppe métallique globalement cylindrique ayant un dôme supérieur hémisphérique. Un garnissage réfractaire comporte une partie cylindrique espacée vers l'intérieur de l'enveloppe et une partie hémisphérique 10 espacée vers l'intérieur du dôme hémisphérique. La partie hémisphérique comprend plusieurs couches circulaires de briques réfractaires, chaque couche ayant un diamètre inférieur à celui de la couche immédiatement précédente. Chaque couche est composée de plusieurs blocs ayant des 15 dessus et des dessous, ainsi que des côtés configurés de façon à former un anneau. Au moins l'une des couches successives et de la couche immédiatement précédente comporte des blocs à clavettes et rainures se bloquant entre elles. Les rainures sont avantageusement positionnées 20 sur la couche immédiatement précédente à proximité immédiate de l'extrémité extérieure de chacun des blocs. Les clavettes sont positionnées sur la couche suivante, à proximité immédiate de l'extrémité extérieure du bloc, et s'étendent vers le bas jusque dans une relation 25 d'accouplement avec les rainures se trouvant sur la couche immédiatement précédente. Ce système claveté est nécessaire pour assurer la stabilité des couches supérieures des briques du dôme dans le cas o elles ne se dilatent pas autant que les couches inférieures (du fait que les couches 30 supérieures ne sont pas exposées à autant de substances alcalines que les couches inférieures). Une autre particularité du dôme hémisphérique est que le centre de courbure de ce dôme constitué du réfractaire est à une hauteur inférieure à celle du centre de courbure 35 du dôme hémisphérique constitué de l'enveloppe métallique. Ceci laisse un espace de dilatation qui augmente d'épaisseur le long de la courbure du dôme. Cet espace "en forme de croissant" dans le dôme permet une dilatation radiale du dôme aussi bien qu'une dilatation axiale de la section cylindrique. Le dôme réfractaire entier s'élève 5 dans la direction verticale avec la dilatation de la section cylindrique. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue isométrique d'un récipient réfractaire construit conformément à l'invention, dont un secteur vertical est enlevé pour mettre à découvert l'intérieur et la structure de la paroi; la figure 2 est une vue en coupe transversale 15 partielle à échelle agrandie d'une moitié du dôme hémisphérique construit conformément à l'invention. En référence d'abord à la figure 1, le récipient réfractaire 10 comporte une enveloppe métallique extérieure 12. Cette enveloppe est avantageusement constituée d'acier 20 ordinaire, mais elle peut être composée de n'importe quelle autre matière convenable ayant une solidité et une résistance à la corrosion appropriées. La partie supérieure de l'enveloppe métallique comporte un dôme 14 qui se termine par une ouverture supérieure 15. La partie 25 inférieure de l'enveloppe métallique 12 se prolonge dans un cône 16 de support ayant une ouverture centrale 17 de fond. Un garnissage réfractaire 20 comporte une partie cylindrique 22 positionnée radialement vers l'intérieur de l'enveloppe 12 et comporte aussi une partie de dôme 24 et 30 une partie de cône de fond 26. Un espace cylindrique 27 de dilatation est prévu entre l'enveloppe métallique 12 et la partie cylindrique 22 du garnissage réfractaire 20. La partie de dôme du garnissage réfractaire est positionnée vers l'intérieur et en dessous du dôme 14 de l'enveloppe 35 métallique. En référence aux figures 1 et 2, dans une forme appréciée de réalisation, la partie supérieure 24 du garnissage réfractaire 20 est de forme hémisphérique. Le centre de courbure du dôme hémisphérique 24 du garnissage 5 réfractaire 20 est à une hauteur inférieure à celle du centre de courbure de la partie de dôme hémisphérique 14 de l'enveloppe métallique 12. Ceci laisse un espace de dilatation 28 dont l'épaisseur augmente avec la progression vers le haut et vers l'intérieur des deux parties 10 hémisphériques 14 et 16 en direction de l'ouverture 15. Un espace 28 de dilatation est raccordé à l'espace cylindrique 27 de dilatation. Une couche 70 d'écrasement sélectif est positionnée entre le garnissage réfractaire 30 et l'enveloppe extérieure 12. La couche d'écrasement 70 sera 15 décrite plus en détail ci-dessous. Le garnissage réfractaire 20 comporte une couche intérieure de blocs 34 et une couche extérieure de blocs 30. Les blocs 30 de la couche extérieure sont empilés les uns sur les autres pour former une enveloppe réfractaire 20 extérieure et les blocs de la couche intérieure sont empilés les uns sur les autres pour former une enveloppe réfractaire intérieure. Les blocs de la couche intérieure sont avantageusement constitués d'alumine, et plus avantageusement d'alumines aE et P. Les blocs de la couche 25 extérieure sont positionnés en contact intime avec le côté extérieur de la couche intérieure de blocs et sont avantageusement composés d'alumine P. Cependant, d'autres matériaux réfractaires ayant une solidité et une résistance appropriées à l'attaque chimique pourraient être utilisés. 30 La couche d'écrasement 70 est positionnée entre la surface extérieure de la couche extérieure de blocs 30 et la surface intérieure de l'enveloppe métallique 12. La largeur des espaces 27 et 28 est ajustée sur la base de la dilatation mesurée ou prévue du matériau réfractaire. En référence aux figures 1 et 2, le dôme hémisphérique 24 du garnissage réfractaire est formé de plusieurs anneaux de blocs 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54 et 56 positionnés sur les blocs 30 et 34 formant les enveloppes cylindriques intérieure et extérieure. Les blocs 40 forment un premier anneau horizontal constituant la base du dôme réfractaire 5 hémisphérique. Les couches successives de blocs 42, 44 et 46 sont formées en anneaux de diamètre diminuant pour constituer la partie inférieure du dôme s'élevant en pente vers l'intérieur. Chacune des couches successives présente des surfaces plates supérieure et inférieure qui sont 10 inclinées de façon appropriée les unes par rapport aux autres pour former la configuration du dôme. La couche immédiatement suivante de blocs 48 présente également un diamètre inférieur à celui de la couche précédente de blocs 46. Les blocs 48 ont une surface inférieure plate formée de 15 façon à être mise en contact avec le dessus plat des blocs 46 de la couche précédente. Cependant, la surface supérieure des blocs 48 présente une rainure circulaire 48a s'étendant vers le bas, positionnée dans la surface supérieure des blocs 48 à proximité immédiate de leurs 20 bords extérieurs. La couche immédiatement suivante de blocs a un diamètre inférieur à celui de la couche de blocs 48 et comporte une clavette circulaire 50b s'étendant vers le bas, positionnée de façon à être adjacente aux bords inférieurs extérieurs des blocs 50. La clavette 50b 25 s'étendant vers le bas pénètre dans la rainure 48a des blocs 48 et s'y accouple. Similairement, l'ensemble suivant de blocs 52 forme également un anneau de diamètre inférieur à celui de la couche formée par les blocs 50. Les blocs 52 ont une clavette circulaire 52b s'étendant vers le bas qui 30 s'engage similairement dans une rainure correspondante 50a de la couche précédente formée par les blocs 50. La couche immédiatement suivante de blocs 54 comporte une clavette circulaire 54b qui s'accouple similairement avec une rainure circulaire 52a des blocs 52. La couche finale de 35 blocs 56 est positionnée vers le haut et vers l'intérieur par rapport à la couche de blocs 54. Les blocs 54 ont un biseau horizontal 54a sur leur surface supérieure. Les blocs 56 ont une partie de rebord 56b s'étendant vers l'extérieur au-dessus du biseau 54a. Par conséquent, toutes les couches successives de blocs allant de la couche formée 5 par les blocs 48 jusqu'à la couche formée par les blocs 56 sont clavetées chacune dans la couche immédiatement précédente et retenues de façon à ne pas tomber ou se déplacer vers l'intérieur lorsqu'une dilatation différentielle des matériaux réfractaires se produit. Une seconde couche hémisphérique de blocs 60 peut être positionnée à l'extérieur des blocs 40 à 56. Ces blocs sont de conception classique, ayant des bords légèrement biseautés pour former, lorsqu'ils sont assemblés, la courbe hémisphérique. Sur la base d'études portant sur la défaillance des récipients réfractaires antérieurs utilisés pour des gazéificateurs, on a trouvé que le garnissage réfractaire 20 doit pouvoir se dilater vers l'extérieur et vers le haut sur une certaine distance car, autrement, la surface 20 intérieure du réfractaire se dégrade par un effritement et une fissuration excessifs provoqués par les dilatations verticale et radiale. Par ailleurs, on ne peut pas laisser le garnissage réfractaire se dilater trop rapidement, car, autrement, la vitesse de développement dépasse les 25 limitations structurelles du garnissage et conduit finalement à une défaillance de la structure. On a admis que, pour les matériaux réfractaires du type alumine, si une résistance prédéterminée à la dilatation est établie, on peut limiter d'une manière maîtrisée la vitesse de 30 dilatation thermique tout en permettant une dilatation suffisante pour éliminer l'effritement excessif de la surface intérieure du réfractaire. Cette contrainte de compression interne (CCI), c'est-à-dire la résistance à la dilatation, peut être définie par la formule (pour la 35 section cylindrique) CCI = 2 x limite élastique x épaisseur de l'enveloppe diamètre de l'enveloppe o la limite élastique est la limite élastique d'une 5 enveloppe en métal du type acier inoxydable utilisée dans une technique antérieure, l'épaisseur est l'épaisseur de l'enveloppe métallique utilisée dans une technique antérieure, et D est le diamètre de l'enveloppe métallique utilisée dans une technique antérieure. Pour un récipient 10 réfractaire typique utilisé dans un gazéificateur, ceci donne une contrainte de compression interne d'environ 2 Mpa. Cette contrainte de compression interne peut être produite par un garnissage d'écrasement 40 ayant une limite élastique d'environ 2 Mpa à une déformation de 65%, définie 15 comme étant (épaisseur initiale épaisseur finale)/épaisseur initiale. Lorsque cette limite élastique est dépassée, le garnissage d'écrasement est comprimé de façon irréversible, mais résiste encore à une dilatation radiale du garnissage 20 réfractaire 20 avec une force équivalente à la contrainte de compression interne. La limite élastique de la couche d'écrasement peut être modifiée, suivant la composition du matériau réfractaire, la composition de l'enveloppe extérieure, 25 ainsi que les dimensions du récipient. En pratique, la limite élastique est maintenue dans la plage de 0,5 à 4,0 Mpa, plus avantageusement de 1,0 à 3,0 Mpa, et le plus avantageusement de 1,5 à 2,5 Mpa. Un matériau qui convient à cet environnement est un 30 matériau à l'état de mousse disponible sous la marque commerciale "FecralloyTMFeCrAIY" qui est alliage ferchrome-aluminiumyttrium. Cette matière est un alliage ayant une composition nominale, en pourcentages en poids, respectivement, de 72,8% de fer, 22% de chrome, 5% 35 d'aluminium, avec 0,1% d'yttrium et 0,1% de zirconium. Cette mousse métallique est produite industriellement par la firme Porvair Fuel Cell Technology, 700 Shepherd Streel, Hendersonville, NC. Il est en outre apparu que la limite élastique de cette mousse métallique, c'est-à-dire la contrainte de compression à laquelle la matière commence à 5 se comprimer de façon irréversible, peut être modifiée selon la densité de la mousse. Par exemple, une mousse ayant une densité de l'ordre de 3 à 4% en densité relative aura une limite élastique d'environ 1 Mpa. Un matériau ayant une densité relative d'environ 4,5 à 6% aura une 10 limite élastique d'environ 2 Mpa, tandis qu'un matériau ayant une densité relative supérieure à environ 6% aura une limite élastique d'environ 3 Mpa ou plus. Par conséquent, un matériau ayant une limite élastique d'environ 2 Mpa est apparu être le plus souhaitable pour une utilisation en 15 tant que garnissage d'écrasement 40 pour des récipients réfractaires utilisés dans l'environnement d'un gazéificateur. D'autres mousses métalliques composées d'acier inoxydable, d'acier ordinaire et d'autres métaux et alliages métalliques convenables ayant les propriétés 20 précitées peuvent également être utilisées. Lorsque le matériau réfractaire à base d'alumine est exposé aux conditions de traitement, avec le temps, le garnissage réfractaire typique se dilate d'environ 2,5 cm par an dans la direction radiale. Il est donc souhaitable 25 de prévoir un garnissage réfractaire 40 ayant une épaisseur initiale permettant une compression de 2,54 cm tout en présentant une limite élastique inférieure ou égale à 2 Mpa. Une autre caractéristique souhaitée pour le garnissage d'écrasement 40 est qu'il doit être suffisamment conducteur 30 pour que la température de ce garnissage d'écrasement soit maintenue en dessous d'environ 6000C. On a considéré qu'en dessous de cette température, certaines espèces produites dans le gazéificateur se condensent en une substance solide. Si on permet à une telle condensation de se 35 produire dans la mousse de garnissage, celle-ci se remplit de substances solides avec le temps et perd son aptitude à l'écrasement, devenant donc inefficace pour résister sélectivement à la dilatation du garnissage réfractaire. On a trouvé que les mousses de métaux composites venant d'être décrites ont une conductivité thermique appropriée, de 5 l'ordre de 0,5 W/mK pour maintenir la surface extérieure de la brique à une température inférieure à 6000C. Par conséquent, toutes les espèces gazeuses se condensent dans le réfractaire proprement dit, et non dans la mousse métallique, permettant ainsi à la mousse métallique de 10 conserver son aptitude à l'écrasement sélectif. Le métal dont est constituée l'enveloppe 12 peut être de l'acier ordinaire, de l'acier inoxydable ou tout autre alliage approprié. Un spécialiste de la technique saura choisir d'autres matériaux d'écrasement présentant les 15 caractéristiques d'aptitude à l'écrasement maîtrisées de la mousse métallique, une fois comprises les exigences portant sur la capacité d'écrasement ajustée et la résistance sensiblement constante à la dilatation sur la distance limitée entre le matériau réfractaire et l'enveloppe 20 extérieure du récipient, comme décrit ci-dessus. Bien que l'on ait décrit le mode de réalisation de réalisation préféré de l'invention, l'on notera de nombreuses modifications peuvent être apportées au récipient réfractaire décrit et représenté sans sortir du 25 cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Récipient réfractaire, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe métallique (12) globalement cylindrique ayant un dôme supérieur hémisphérique (14), un garnissage réfractaire (20) ayant une partie cylindrique (22) espacée vers l'intérieur de l'enveloppe et une partie hémisphérique (24) espacée vers l'intérieur du dôme, la partie hémisphérique ayant plusieurs couches de blocs réfractaires (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54 et 56), chaque 10 couche ayant un diamètre inférieur à celui de la couche immédiatement précédente, chaque couche étant composée de plusieurs blocs ayant des dessus, des dessous et des côtés configurés pour former un anneau, et au moins l'une des couches successives et la couche immédiatement précédente ayant des blocs comportant des clavettes et des rainures se bloquant entre elles, les rainures étant sur la couche immédiatement précédente, adjacentes à l'extrémité extérieure de chaque bloc, les clavettes étant sur la couche suivante adjacente à l'extrémité extérieure de chaque bloc et s'étendant vers le bas pour pénétrer dans les rainures de la couche immédiatement précédente. 2. Récipient suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs d'au moins deux des couches successives ont des clavettes et des rainures. 3. Récipient suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les blocs et au moins trois des couches successives ont des clavettes et des rainures. 4. Récipient suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une mousse métallique (40) ayant une capacité 30 d'écrasement ajustée est interposée entre l'enveloppe métallique et le garnissage réfractaire. 5. Récipient suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la mousse métallique augmente vers le haut et vers l'intérieur le long de la courbure du dôme 35 pour permettre une dilatation radiale aussi bien qu'axiale du garnissage réfractaire. 6. Récipient suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs réfractaires formant le dôme ne sont pas en contact direct avec l'enveloppe métallique.