Brevet FR2836989A1 — publié le 20030912

L'invention concerne des cuves réfractaires, et plus particulièrement des matières pour le garnissage de cuves réfractaires. La liqueur noire est un sous-produit du processus de préparation de pâte de bois. La liqueur noire est un mélange d'hydrocarbures, d'une matière caustique, de chlore et d'autres substances chimiques corrosives. Elle est normalement brûlée en totalité dans une chaudière à récupération. Des substances chimiques inorganiques comprenant du sulfate de sodium et du sulfure de sodium sont récupérées pour être réutilisées dans le processus de production de pâte. La chaleur produite par la combustion complète est transformée en vapeur d'eau laquelle, à son tour, est utilisée pour produire de la chaleur de 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 réacteur de gazéification. Dans un réacteur de gazéification, la liqueur noire est brûlée dans une atmosphère sousstoechiométrique pour produire un gaz combustible. Des sels inorganiques sont récupérés lors du processus. Les gaz combustibles peuvent être utilisés directement pour la chauffe d'une turbine à gaz, ou brûlés dans une chaudière de production d'énergie. Une gazéification à basse pression a besoin d'un environnement isolé, lequel est obtenu au moyen d'une cuve à garnissage réfractaire. Des cuves réfractaires de conception actuelle destinées à être utilisées en tant que réacteurs de gazéification utilisent une chemise en acier inoxydable et un garnissage en alumine coulée par fusion. Le garnissage d'alumine comporte normalement une première couche intérieure de blocs comprenant à la fois de l'alumine alpha et de l'alumine bêta et une seconde extérieure de blocs comprenant de l'alumine bêta. Une petite tolérance de dilatation est établie entre la couche extérieure de blocs d'alumine bêta et la chemise d'acier inoxydable. Après que des cuves de cette conception ont fonctionné pendant quelques mois, il est apparu que les matériaux réfractaires réagissent avec la soude présente dans la liqueur et se dilatent au point d'absorber totalement la tolérance normale de dilatation prévue entre le réfractaire et la chemise d'acier inoxydable. A ce stade, les couches réfractaires commencent à pousser contre le côté intérieur de la chemise d'acier inoxydable. Cette situation provoque une défaillance précoce des matériaux réfractaires euxmêmes et une déformation plastique de la chemise d'acier inoxydable. En conséquence, les garnissages réfractaires de conception classique n'ont pas donné satisfaction lors d'une utilisation dans un réacteur de gazéification de liqueur noire. Il est apparu, à la suite d'une étude portant sur un réacteur de gazéification antérieur, que le matériau réfractaire à base d'alumine était non seulement soumis à une dilatation thermique, qui était connue dans la technique antérieure, mais également une dilatation chimique. La dilatation chimique est provoquée par le sodium, présent dans la liqueur noire, qui se combine avec le matériau réfractaire pour produire de l'aluminate de sodium. Il est apparu que l'aluminate de sodium se dilate d'une valeur de l'ordre de 130 % par rapport à l'alumine d'origine. Ceci provoque de plus grandes dilatations radiale et verticale dans le matériau réfractaire au fil du temps d'utilisation de la cuve. Cette dilatation supplémentaire du matériau réfractaire exerce une poussée vers l'extérieur sur l'intérieur de la chemise d'acier inoxydable et la place sous contrainte. Le chlore et l'humidité présents sur la surface intérieure de la cuve à pression en acier inoxydable, chargée en traction par la dilatation du réfractaire, provoquent une fissuration par corrosion sous contrainte de la cuve d'acier inoxydable, la soumettant à une défaillance précoce. Cette contrainte interne provoquée par les dilatations thermique et chimique du réfractaire doit être limitée à un niveau acceptable. De plus, dans la conception d'une enceinte sous pression conforme au code ASME, il est nécessaire de définir clairement et explicitement la"contrainte secondaire"due à la dilatation du garnissage réfractaire. Les contraintes secondaires sont toutes les contraintes qui ne sont pas dues à la pression gazeuse interne. La présente invention propose donc un garnissage réfractaire pour une cuve qui s'adapte à la dilatation de ce propre garnissage réfractaire et produit une contrainte secondaire connue sur l'enceinte sous pression. L'enceinte comporte une enveloppe métallique cylindrique ayant avantageusement un dôme hémisphérique. Une enveloppe réfractaire comporte une partie cylindrique espacée vers l'intérieur de l'enveloppe métallique et, avantageusement, une partie à dôme hémisphérique espacée vers l'intérieur du dôme hémisphérique de l'enveloppe métallique. L'enveloppe réfractaire est dimensionnée de façon à laisser un espace uniforme de dilatation entre le garnissage et l'enveloppe dans la section cylindrique. Dans une forme appréciée de réalisation, le centre de courbure du dôme hémisphérique constitué du réfractaire est à une hauteur inférieure à celle du centre de courbure du dôme hémisphérique constitué de l'enveloppe métallique. Ceci établit un espace de dilatation dont l'épaisseur augmente avec la progression de la courbure du dôme vers le haut et vers l'intérieur. Cet espace en forme de croissant dans le dôme permet une dilatation radiale du dôme réfractaire ainsi qu'une dilatation axiale de la section cylindrique. Le dôme réfractaire entier s'élève dans la direction verticale en même temps que la section cylindrique se dilate. Un garnissage pouvant être écrasé sélectivement est positionné dans l'espace. Le garnissage a une contrainte d'écoulement plastique et d'écrasement prédéterminé qui oppose une résistance maîtrisée à la dilatation de l'enveloppe réfractaire. La résistance produite est notablement inférieure à la limite élastique de l'enveloppe métallique tout en opposant une résistance suffisante à la dilatation de l'enveloppe réfractaire pour permettre une croissance maîtrisée de l'enveloppe. Etant donné que les caractéristiques métalliques du gainissage pouvant être écrasé sont connues, la contrainte secondaire interne imposée à l'enveloppe d'acier peut être définie avec précision. 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'une cuve réfractaire construite conformément à l'invention dont un segment vertical en forme de secteur est enlevé pour mettre à découvert le garnissage réfractaire et le garnissage d'écrasement ; et la figure 2 est une vue en coupe à échelle agrandie d'une partie de la paroi verticale et du dôme de la cuve réfractaire représentée sur la figure 1. En référence d'abord à la figure 1, la cuve réfractaire 10 comporte une enveloppe métallique extérieure 12. Cette enveloppe métallique extérieure est constituée avantageusement d'acier non allié, mais peut être composée de toute 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 inférieure de l'enveloppe métallique 12 se prolonge par un cône 16 de support ayant une ouverture inférieure centrale 17. 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 une partie de cône inférieure 26. Un espace cylindrique 27 de dilatation est établi 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 métallique. En référence aux figures 1 et 2, dans une forme appréciée de réalisation, la partie supérieure 24 de garnissage réfractaire 20 est de forme hémisphérique. Le centre de courbure du dôme hémisphérique 24 du garnissage 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 établit un espace 28 de dilatation dont l'épaisseur augmente au fur et à mesure que les deux parties hémisphériques 14 et 16 s'étendent vers le haut et vers l'intérieur en direction de l'ouverture 15. L'espace 28 de dilatation se raccorde à l'espace cylindrique 27 de dilatation. Une couche 70 pouvant être écrasée sélectivement, ou couche d'écrasement sélectif, est positionnée entre le garnissage réfractaire 30 et l'enveloppe extérieure 12. La couche d'écrasement 70 est 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 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'alumine alpha et d'alumine bêta. Les blocs de la couche extérieure sont positionnés en contact intime avec le côté extérieur de la couche intérieure de blocs, et sont avantageusement composés d'alumine bêta. Cependant, d'autres matériaux réfractaires ayant une solidité et une résistance à l'attaque chimique appropriées pourraient être utilisés. 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 réglée 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 couronnes 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 une première couronne horizontale constituant la base du dôme réfractaire hémisphérique. Les couches successives de blocs 42,44 et 46 sont formées en couronnes de diamètre inférieur pour former la partie inférieure du dôme en pente vers l'intérieur et vers le haut. Chacune des couches successives présente des surfaces plates supérieure et inférieure qui sont inclinées de façon appropriée entre elles pour constituer la forme du dôme. La couche immédiatement suivante de blocs 48 a également un diamètre inférieur à celui de la couche précédente de blocs 46. Les blocs 48 ont une surface inférieure plate formée de façon à être 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 bords extérieurs. La couche immédiatement suivante de blocs 50 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 et extérieurs des blocs 50. La clavette 50b s'étendant vers le bas pénètre dans la rainure 48a des blocs 48 avec laquelle elle s'accouple. Similairement, l'ensemble suivant de blocs 52 forme également une couronne de diamètre inférieur à celui de la couche formée par les blocs 50. Les blocs 52 comportent une clavette circulaire 52b s'étendant vers le bas qui 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 dernière couche de 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 comportent une partie de rebord 56b s'étendant vers l'extérieur et au-dessus du biseau 54a. Ainsi, chacune des couches successives de blocs à partir de la couche formée par les blocs 48 jusqu'à la couche formée par les blocs 56 est clavetée dans la couche immédiatement précédente et est retenue de façon à ne pas tomber vers le bas ou 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 s'ajuster les uns aux autres afin de former la courbe hémisphérique. Sur la base d'études de la défaillance précédente dans des cuves réfractaires utilisées pour des réacteurs de gazéification, il est apparu que le garnissage réfractaire 20 doit pouvoir se dilater vers l'extérieur et vers le haut sur une certaine distance car, autrement, la surface intérieure du réfractaire se dégrade sous l'effet d'un décollement et d'une fissuration excessifs dus aux dilatations verticale et radiale. Par ailleurs, on ne peut pas laisser le garnissage réfractaire se dilater trop rapidement car, autrement, la vitesse de croissance dépasse les limites structurelles du garnissage et conduit finalement à une défaillance structurelle. On a considéré que, pour les matériaux réfractaires du type alumine, si une résistance prédéterminée à la dilatation est établie, le taux de dilatation thermique peut être limité d'une manière maîtrisée tout en permettant une dilatation suffisante pour éliminer un décollement excessif depuis la surface intérieure du réfractaire. La contrainte de compression interne (ICS), c'est-à-dire la résistance à la dilatation, peut être définie par la formule (pour la section cylindrique) 2 x limite d'élasticité x épaisseur de l'enveloppe ICS = diamètre de l'enveloppe dans laquelle la limite élastique est la limite élastique d'une enveloppe en métal constituée d'acier inoxydable utilisée dans l'art antérieur, l'épaisseur est l'épaisseur de l'enveloppe métallique utilisée dans l'art antérieur, et D est le diamètre de l'enveloppe métallique utilisé dans l'art antérieur. Pour une cuve réfractaire typique utilisée dans un réacteur de gazéification, il en résulte une contrainte de compression interne d'environ 2 MPa. Cette contrainte de compression interne peut être produite par un garnissage d'écrasement 40 qui a une limite élastique d'environ 2 MPa à une déformation de 65 %, comme défini par (épaisseur initiale-épaisseur finale) /épaisseur initiale. Lorsque cette limite élastique est dépassée, le garnissage d'écrasement se comprime de façon irréversible, mais résiste encore à une dilatation radiale du garnissage réfractaire 30 avec une force équivalant 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 ainsi que les dimensions de la cuve. 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. Une matière qui fonctionne dans cet environnement est une matière sous forme de mousse disponible sous la marque "FecralloyFeCraAlY"qui est un alliage fer-chromealuminium-yttrium. Cette matière est un alliage ayant une composition nominale, en pourcentage en poids, respectivement, de 72,8 % de fer, 22 % de chrome, 5 % d'aluminium et 0,1 % d'yttrium, et 0,1 % de zirconium. Cette mousse métallique est produite commercialement par la firme Porvair Fuel Cell Technology, 700 Shepherd Streel, Hendersonville, NC., E. U. A. Il est apparu en outre que la limite élastique de cette mousse métallique, c'est-à-dire la contrainte de compression sous laquelle la matière commence à se comprimer de façon irréversible, peut être modifiée suivant la densité de la mousse. Par exemple, une mousse ayant une densité de l'ordre de 3 à 4 % de densité relative aura une limite élastique d'environ 1 MPa. Une matière ayant une densité relative d'environ 4,5 à 6 % aura une limite élastique d'environ 2 MPa, tandis qu'une matière ayant une densité relative supérieure à environ 6 % aura une limite élastique d'environ 3 MPa ou plus. Par conséquent, une matière ayant une limite élastique d'environ 2 MPa ait apparue être la plus souhaitable pour une utilisation en tant que garnissage d'écrasement 40 pour des cuves réfractaires utilisées dans l'environnement d'un réacteur de gazéification. D'autres mousses métalliques composées d'acier inoxydable, d'acier non allié, d'autres métaux convenables et d'autres alliages métalliques qui ont les propriétés précédentes peuvent également être utilisés. Etant donné que le matériau réfractaire à base d'alumine est exposé à des conditions de traitement, avec le temps, le garnissage réfractaire typique se dilate d'environ 2,5 cm dans la direction radiale chaque année. Il est donc souhaitable de prévoir un garnissage d'écrasement 40 ayant une épaisseur initiale qui permet une compression de 2,5 cm tout en présentant une limite élastique inférieure ou égale à 2 MPa. Une autre caractéristique souhaitée du garnissage d'écrasement 40 est qu'il doit être suffisamment conducteur pour maintenir la température du garnissage d'écrasement en dessous d'environ 6000C. On a considéré qu'en dessous de cette température, certaines espèces produites dans le réacteur de gazéification se condensent en formant un solide. Si l'on permet à une telle condensation de se produire dans le garnissage de mousse, celui-ci se remplit de matières solides au fil du temps et perd son aptitude à l'écrasement, devant donc inefficace pour résister sélectivement à la dilatation du garnissage réfractaire. Il est apparu que les mousses métalliques composites venant d'être décrites ont une conductivité thermique appropriée, de l'ordre de 0,5 W/mK l 10 %, pour maintenir la surface extérieure de la brique à une température inférieure à 6000C. Par conséquent, toutes espèces gazeuses se condensent dans le réfractaire proprement dit, et non sur la mousse métallique, permettant ainsi à la mousse métallique de conserver son aptitude à l'écrasement sélectif. Le métal dont est constituée l'enveloppe 12 peut être de l'acier non allié, de l'acier inoxydable ou tout autre alliage convenable. Un spécialiste de la technique est capable de choisir d'autres matériaux pouvant être écrasés qui présentent les caractéristiques d'écrasement maîtrisé de la mousse métallique, une fois comprises les exigences de capacité d'écrasement maîtrisé et de résistance sensiblement constante à la dilatation sur la distance limitée entre le matériau réfractaire et l'enveloppe extérieure de la cuve, comme indiqué ci-dessus ; Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au garnissage réfractaire décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Garnissage réfractaire pour une cuve (10) comportant une enveloppe métallique globalement cylindrique (12) ayant un dôme (14), caractérisé en ce qu'il comprend un garnissage réfractaire (20) ayant une partie cylindrique (22) espacée vers l'intérieur de l'enveloppe et une partie de dôme (24) espacée vers l'intérieur du dôme de l'enveloppe, le garnissage réfractaire étant dimensionné de façon à établir un espace (27) de dilatation entre le garnissage et l'enveloppe, et une matière (70) pouvant être écrasée sélectivement, positionnée dans l'espace, ladite matière ayant une limite élastique prédéterminée qui lui permet d'opposer une résistance maîtrisée à la dilatation de l'enveloppe réfractaire. 2. Garnissage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la limite élastique est comprise entre 0, 5 et 4, 0 MPa. 3. Garnissage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la limite élastique est comprise entre 1,0 et 3, 0 MPa. 4. Garnissage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la limite élastique est comprise entre 1,5 et 2,5 MPa. 5. Garnissage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une mousse métallique pouvant être écrasée. 6. Garnissage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la mousse comprend un alliage de fer, de chrome, d'aluminium et d'yttrium. 7. Garnissage selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite matière (70) présente en outre une conductivité thermique telle qu'elle transmet de la chaleur dudit garnissage réfractaire à l'enveloppe métallique à une vitesse suffisante pour empêcher la condensation de matières solides dans la mousse métallique. 8. Garnissage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la conductivité thermique de la mousse est de l'ordre de 0,5 W/mK 10 %.