Brevet FR2873795A1 — publié le 20060203

L'invention concerne le domaine technique des fours utilisés pour le traitement thermique en lit fluidisé de produits divers, tels que, par exemple mais non exclusivement, les fours utilisés dans les unités de régénération par calcination de sables de fonderie ou, encore, de traitement de boues et autres déchets. L'invention concerne, plus particulièrement, le domaine des cuves destinées à délimiter l'enceinte dans laquelle le traitement thermique en lit fluidisé intervient. Dans le domaine ci-dessus, il est connu de réaliser les cuves métalliques, destinées à délimiter l'enceinte de traitement thermique par lit fluidisé à partir, d'une part, d'une demi-cuve basse qui comprend des moyens d'introduction des produits traités, le cas échéant, des moyens d'extraction des produits traités, des moyens extérieurs d'appui sur une structure porteuse et des moyens d'injection d'un gaz de fluidisation et de chauffage et, d'autre part, d'une demi-cuve haute qui comprend des moyens d'évacuation des gaz de combustion et des moyens extérieurs d'appui sur une structure porteuse. Les demi-cuves basse et haute sont alors reliées, par des moyens de compensation de dilatation et de liaison étanche à l'air au moins, le plus souvent formés par un système de deux manchons, l'un étant lié à la demi-cuve haute, l'autre à la demi-cuve basse et disposés de manière à coulisser l'un dans l'autre, avec interposition d'un joint réfractaire. Or, si un tel système de manchons remplit sa fonction de compensation et de liaison étanche en début d'utilisation de la cuve, après une certaine durée d'utilisation et, notamment, plusieurs cycles de montée en température, il apparaît, au niveau des manchons, des fuites qui entraînent l'introduction d'air extérieur à l'intérieur du four lors du fonctionnement. Ces fuites provoquent alors un refroidissement localisé par l'introduction de cet air, qui pourrait être qualifié de frais , par rapport aux gaz présents dans l'enceinte de la cuve et engendrent donc des refroidissements locaux qui induisent des contraintes de dilatation différentielle, de sorte que les demi-cuves haute et basse se déforment de façon irrégulière au niveau de leur jonction et, notamment, du système de manchons, perturbant la géométrie de ce dernier, qui, alors, n'est plus à même d'assurer sa fonction de liaison étanche. Ainsi, il est apparu le besoin de trouver de nouveaux moyens de compensation et de liaison étanche à l'air de la demi-cuve basse avec la demi-cuve haute qui soient à même de garantir cette étanchéité pendant toute la durée d'utilisation du four. Il doit, en outre, être remarqué que la nécessité de découpler les demicuves haute et basse provient aussi du fait que la demi-cuve basse est destinée à recevoir une masse élevée de produit à traiter, tandis que la demi-cuve haute est simplement destinée à définir une enceinte de postcombustion pour les gaz issus de la combustion ayant eu lieu au sein de la demi-cuve basse. Ainsi, les contraintes mécaniques subies par la demicuve basse sont très nettement supérieures à celles subies par la demicuve haute et le découplage évite la transmission de ces dernières de la demi-cuve basse vers la demi-cuve haute. L'invention vise donc à offrir de nouveaux moyens de compensation et de liaison étanche qui permettent, d'une part, d'assurer les découplages mécaniques entre la demi-cuve basse et la demi-cuve haute et, d'autre part, de compenser les phénomènes de dilatation différentielle susceptibles d'intervenir entre les demi-cuves haute et basse, tout en maintenant une liaison étanche entre ces dernières, afin d'éviter, notamment, l'introduction d'air frais qui viendrait perturber le processus de post-combustion trouvant son siège dans la demi-cuve haute et qui induirait des contraintes mécaniques destructrices sur les demi- cuves haute et basse. Afin d'atteindre ces objectifs, l'invention concerne une cuve destinée à délimiter une enceinte pour le traitement thermique en lit fluidisé de produits divers, comprenant: une demi-cuve basse, dite de combustion, qui comprend: É des moyens d'introduction des produits à traiter, É des moyens extérieurs d'appui sur une structure porteuse, É et des moyens d'injection d'un gaz de fluidisation, une demie-cuve haute, dite de post-combustion, qui comprend: É des moyens d'évacuation des gaz de combustion, É des moyens extérieurs d'appui sur une structure porteuse, et des moyens de compensation et de liaison étanche à l'air au moins reliant la demi- cuve basse à la demi-cuve haute. Selon l'invention, les moyens de compensation et de liaison étanche comprennent un soufflet compensateur étanche qui est lié, de manière étanche, d'une part, à la demi-cuve basse et, d'autre part, à la demicuve haute et qui comprend au moins un pli de dilatation et de compensation. Selon l'invention, les demi-cuves haute et basse peuvent être réalisées en tout matériau approprié et, de préférence, en acier réfractaire. Dans une forme, préférée mais non exclusive, de réalisation, le soufflet compensateur est alors lié, par des soudures étanches à l'air, aux demicuves basse et haute. Une telle liaison par soudure présente le très net avantage de garantir l'étanchéité de la liaison dans le temps, tout en offrant une très bonne résistance aux contraintes mécaniques et thermiques subies par le soufflet et les cuves. Selon l'invention, le soufflet compensateur peut comprendre un ou plusieurs plis, dans la mesure où ces derniers sont réalisés de manière à offrir une amplitude de déformation, tant axiale que radiale, du soufflet suffisante pour compenser les mouvements relatifs des demi-cuves haute et basse, suite aux phénomènes de dilatation thermique et aux contraintes mécaniques élevées subies par la demi-cuve basse notamment. Selon une autre caractéristique, le soufflet est soumis, dans l'état dit à froid du four, à une contrainte d'étirement partiel. Préférentiellement, cette contrainte d'étirement est voisine de la moitié de la mesure de compression du soufflet dans l'état dit à chaud du four, c'est-à-dire correspondant à la montée en température de la structure du four en fonctionnement stabilisé. De manière générale, les demi-cuves haute et basse présentent une forme allongée, cylindrique de révolution et le soufflet compensateur présentera alors également une forme générale cylindrique et comprendra, de préférence, plusieurs plis de dilatation et de compensation. Selon une autre caractéristique de l'invention, afin de contribuer à la stabilité de l'ensemble de la cuve en fonctionnement et à absorber au mieux les dilatations et les contraintes mécaniques subies par la demicuve basse, les moyens d'appui de la demi-cuve basse comprennent une série d'ailettes s'étendant radialement à l'extérieur de la demi-cuve basse pour former une ceinture annulaire basse d'appui. Selon une caractéristique, préférée mais non strictement nécessaire de mise en oeuvre, la ceinture annulaire basse définit un plan d'appui de la demi-cuve basse sur sa structure porteuse qui sera, de préférence, positionné de manière à passer par ou à se trouver à proximité du centre de gravité de l'ensemble formé par la demi-cuve basse et la charge de produit à traiter en condition normale de fonctionnement. Ce positionnement de la ceinture annulaire basse d'appui garantit alors la reprise de la charge et la stabilité de la demi-cuve basse. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens d'appui de la demi-cuve haute comprennent une série d'ailettes s'étendant radialement à l'extérieur de la 5 demi-cuve haute pour former une ceinture annulaire haute d'appui. Dans une forme préférée mais non strictement nécessaire de réalisation, la ceinture haute annulaire d'appui définit alors un plan d'appui de la demi-cuve haute sur sa structure d'appui qui sera positionné de manière à se trouver à proximité de la canalisation de raccordement à un échangeur. Ce positionnement avantageux contribue à réduire les phénomènes de dilatation au niveau du raccordement entre la cuve et l'échangeur. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence à l'unique dessin qui illustre une forme préférée mais non limitative de réalisation d'une cuve selon l'invention. L'unique figure est une coupe axiale schématique d'une forme de réalisation d'une cuve selon l'invention. Une cuve selon l'invention, désignée dans son ensemble par la référence 1, est destinée à s'intégrer dans une installation, non représentée, pour former l'enceinte d'un four, dont la structure n'est pas représentée, pour le traitement thermique en lit fluidisé de produits divers. Il doit être noté que les procédés et installations pour le traitement thermique de lits de produits divers, n'entrent pas dans le cadre spécifique de la présente invention, dans la mesure où la cuve 1 est susceptible d'être mise en oeuvre pour des applications diverses. La cuve 1 présente une forme allongée et, selon l'exemple illustré, une forme à symétrie de révolution d'axe A, destinée à connaître une orientation verticale en condition normale d'utilisation. La cuve 1 comprend une demi-cuve basse 2, dite de combustion, dans la mesure où la demi-cuve basse 2 est plus généralement destinée au traitement thermique par combustion des produits à traiter. A cet effet, la demi-cuve basse comprend des moyens 3 d'introduction des produits à traiter qui, selon l'exemple illustré, sont formés par une canalisation d'amenée des produits débouchant au dessus du niveau supérieur du lit fluidisé L de produits à traiter contenu dans la demi-cuve basse 2. La cuve 1 selon l'invention est, plus généralement, destinée à assurer un processus continu de traitement thermique, de sorte que la demi-cuve basse 2 peut comprendre, également, selon les applications, des moyens 4 d'extraction des produits traités. Dans un tel cas, ces moyens 4 sont distincts des moyens d'introduction 3 qui peuvent alors être implantés sur la demi-cuve basse 2 d'une manière différente de celle représentée au dessin. Dans la mesure où la cuve 1 est destinée à un traitement thermique en lit fluidisé, la demi-cuve basse 2 comprend, en outre, des moyens 5 d'injection d'un gaz de fluidisation. Selon l'exemple illustré, les moyens 5 d'injection d'un gaz de fluidisation sont formés par un double fond perforé 6 qui délimite, avec le fond 7 de la demi-cuve basse, une chambre d'injection 8 qui communique, par une série d'ouvertures 9, avec l'intérieur de la demi-cuve basse 2. La chambre 8 est alors raccordée à des moyens de fourniture d'un gaz sous pression qui sera injecté dans les produits à traiter au niveau des ouvertures 9 du double fond 6. Selon l'exemple illustré, la demi-cuve basse 2 comprend, également, des moyens de chauffage 10, réalisés, dans l'exemple illustré, sous la forme de brûleurs dont la flamme est directement située à l'intérieur de la demi-cuve basse 2. Il est à noter que d'autres types de moyens de chauffage pourraient être envisagés tels que, par exemple, des résistances électriques qui seraient situées à l'extérieur de la demi-cuve basse 2. Afin de permettre son intégration dans une installation et son adaptation sur une structure porteuse en métal ou en béton, la demi-cuve basse 2 comprend, enfin, des moyens extérieurs d'appui 15 qui, selon l'exemple illustré, sont réalisés sous la forme d'une série d'ailettes 16 s'étendant radialement à l'extérieur de la cuve, pour former une ceinture annulaire basse d'appui. Ainsi, les ailettes 16 définissent un plan PB d'appui de la demi-cuve basse 2 sur une structure porteuse 17, telle que matérialisée schématiquement en trait mixte. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, la ceinture annulaire 15 sera disposée de manière que le plan PB passe par le centre d'inertie GB de la demi-cuve basse 2 et de son contenu en condition normale d'utilisation. Cette disposition avantageuse de l'invention permet de réduire les contraintes sur la demi-cuve basse. Comme cela vient d'être dit, la demi-cuve basse 2 est, plus particulièrement, destinée à la réception et à la combustion directe des produits à traiter et dont les gaz de combustion s'échapperont de manière naturelle vers le haut, en étant, de plus, entraînés par le gaz de fluidisation. Afin d'assurer la récupération des gaz issus de la combustion intervenue dans le demi-cuve basse 2, la cuve 1 comprend, en outre, une demi-cuve haute 20, dite de post-combustion, dans la mesure où les gaz de combustion achèvent de s'y brûler avant leur évacuation ou leur traitement ultérieur. Ainsi, la demi-cuve haute 20 comprend des moyens 21 d'évacuation des gaz de combustion qui, selon l'exemple illustré, comprennent une canalisation de raccordement entre la partie supérieure de la demi-cuve haute 20 et un échangeur de chaleur, non représenté, situé à l'extérieur de la cuve 1. Afin de permettre l'intégration de la demi-cuve haute 20 dans l'installation la mettant en oeuvre et d'en assurer la stabilité, la demicuve haute 20 comprend des moyens extérieurs 22 d'appui sur une structure porteuse 23, schématisée en trait mixte. Selon l'exemple illustré, les moyens d'appui extérieur 22 comprennent une série d'ailettes 24 qui s'étendent radialement, à la périphérie extérieure de la demi-cuve haute 20, pour former une ceinture annulaire d'appui. Dans une forme préférée de réalisation, cette ceinture annulaire d'appui définit alors un plan d'appui PH sur la structure porteuse 23. Le plan d'appui PH est sensiblement horizontal et positionné de manière à se trouver à proximité de la canalisation de raccordement à l'échangeur, afin de réduire les phénomènes de dilatation au niveau du raccordement entre la cuve et l'échangeur. Selon une autre caractéristique constructive, la demi-cuve haute 20 est réalisée pour comporter au moins une lyre de dilatation 25, périphérique, destinée à absorber la dilatation axiale de la demi-cuve lors de la montée en température au cours de la mise en fonctionnement de la cuve. La lyre 25 est, de préférence, située à proximité de la ceinture 22 et, selon un mode constructif préféré, cette lyre 25 est formée dans la paroi périphérique, entre la ceinture 22 et la canalisation 21. Il est avantageux de prévoir un mode de construction faisant intervenir deux lyres de dilatation 25 et 26, situées de part et d'autre de la ceinture 22. A titre préférentiel, la demi-cuve 20 comporte, comme représenté au dessin, une troisième lyre 27 formée dans la virole à proximité de la zone basse de ladite demi-cuve se raccordant à la demi-cuve basse 2. Afin d'éviter tout apport d'air frais qui serait susceptible de refroidir les gaz de combustion et donc d'être préjudiciable à leur parfaite postcombustion, il est essentiel d'assurer une liaison étanche entre la demicuve basse 2 et la demi-cuve haute 20, tout en permettant d'éviter une transmission des contraintes mécaniques de l'une à l'autre et, notamment, des contraintes mécaniques résultant de la dilatation différentielle que seraient susceptibles de connaître les demi-cuves basse 2 et haute 20. A cet effet, selon une caractéristique essentielle de l'invention, les demi-cuves basse 2 et haute 20 sont reliées par des moyens 30 de compensation et de liaison étanche à l'air au moins. Ces moyens de liaison 30 comprennent un soufflet compensateur étanche qui est lié, de manière étanche, d'une part, à la demi-cuve basse 2 et, d'autre part, à la demi-cuve haute 20 et qui comprend au moins un et, selon l'exemple illustré, six plis de dilatation et de compensation 31. Selon l'invention, le soufflet 30 peut être réalisé de toute façon appropriée et en tout matériau adapté. Toutefois, dans une forme préférée mais non limitative de réalisation, le soufflet 20 sera réalisé dans un métal réfractaire, de même nature que celui constitutif des demi-cuves basse 2 et haute 20. Ainsi, cette fouine de réalisation permet d'assurer un assemblage du soufflet sur les demi-cuves basse 2 et haute 20 par soudure étanche. Ce mode d'assemblage présente l'avantage de garantir, tant l'étanchéité que la tenue à la température de la liaison entre le soufflet 30 et les demi-cuves basse 2 et haute 20. Ainsi, le soufflet 30 permet un découplage mécanique, entre la demi-cuve basse 2 et la demicuve haute 20, évitant la transmission d'efforts trop importants lors de la montée en température de l'ensemble et garantissant la parfaite étanchéité de la cuve 1, tout au long de son utilisation. La parfaite étanchéité du soufflet 30 garantit, également, la longévité de l'ensemble de la cuve en annulant les risques d'entrée d'air parasite qui, en plus de perturber la post-combustion provoquant des refroidissements localisés indésirables, entraînent des phénomènes de dilatation différentielle destructeurs. De manière préférée, le soufflet 30 sera réalisé pour présenter une symétrie de révolution et, plus particulièrement, une foiine cylindrique de section générale circulaire, de même diamètre que les demi-cuves basse 2 et haute 20 dans leur zone de raccordement. Selon l'exemple illustré, il doit être également noté que le soufflet 30 autorise des mouvements relatifs des demi-cuves haute et basse, tant verticaux que horizontaux, réduisant ainsi les contraintes mécaniques transmises à la structure porteuse de l'ensemble ou aux éléments de génie civil. Selon l'exemple illustré, le soufflet présente six plis. Il est clair que le soufflet pourrait en présenter plus ou moins, selon les caractéristiques de la cuve 1 sur laquelle il est mis en oeuvre. Selon une autre caractéristique, le soufflet 30 est, de préférence, interposé entre les demi-cuves 2 et 20 en étant soumis, à l'état dit à froid de la cuve, à une contrainte d'étirement partiel axial, de manière à réduire la contriante de compression axiale qu'il subit en l'état dit à chaud de la cuve dans une situation de fonctionnement stabilisé. Préférentiellement, cette contrainte d'étirement partiel est voisine de la moitié de la valeur de contrainte de compression axiale que subit le soufflet pendant le fonctionnement stabilité de la cuve. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-dessus, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Cuve destinée à délimiter une enceinte pour le traitement thermique en lit fluidisé de produits divers, comp enant: une demi-cuve basse (2), dite de combustion, qui co prend: É des moyens (11) d'introduction des produits à traiter, É des moyens (15) extérieurs d'appui sur une structure porteuse (17), É et des moyens (5) d'injection d'un gaz de fluidisation, une demie-cuve haute (20), dite de post-combustion, qui co prend: É des moyens (21) d'évacuation des gaz de combustion, É des moyens (22) extérieurs d'appui sur une structure porteuse (23), et des moyens (30) de compensation et de liaison étanche à l'air au moins reliant la demi-cuve basse (2) à la demi-cuve haute (20), caractérisée en ce que les moyens de compensation et de liaison étanche comprennent un soufflet compensateur étanche (30) qui est lié, de manière étanche, d'une part, à la demi-cuve basse (2) et, d'autre part, à la demi-cuve haute (20) et qui comprend au moins un pli (31) de dilatation et de compensation. 2 - Cuve selon la revendication 1, caractérisée en ce que le soufflet compensateur (30), ainsi que les demi-cuves basse (2) et haute (20), sont réalisés en métal réfractaire et en ce que le soufflet compensateur (30) est lié, par des soudures étanches à l'air au moins, aux demi-cuves basse (2) et haute (20). 3 - Cuve selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en que le soufflet compensateur (30) présente une forme générale cylindrique et comprend plusieurs plis de dilatation et de compensation (31). 4 - Cuve selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le soufflet compensateur (30) est soumis, dans l'état dit à froid de la cuve, à une contrainte d'étirement axial. - Cuve selon la revendication 4, caractérisée en ce que le soufflet (30) est soumis à une contrainte d'étirement partiel. 6 - Cuve selon la revendication 5, caractérisée en ce que la contrainte d'étirement partiel axial est voisine de la moitié de la valeur de la contrainte de compression axiale subie par le soufflet dans l'état dit à chaud correspondant au fonctionnement stabilisé de la cuve. 7 - Cuve selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'appui (15) de la demi-cuve basse (2) comprennent une série d'ailettes (16) s'étendant radialement à l'extérieur de la demi-cuve basse pour former une ceinture annulaire basse d'appui. 8 - Cuve selon la revendication 7, caractérisée en ce que la ceinture annulaire basse d'appui (15) définit un plan d'appui (PB) de la demi-cuve basse (2) sur sa structure porteuse (17), le plan d'appui (PB) étant positionné de manière à passer par ou à se trouver à proximité du centre de gravité (GB) de l'ensemble formé par la demi-cuve basse (2) et la charge de produit à traiter en condition normale de fonctionnement. 9 - Cuve selon la revendication 1, caractérisée en ce que la demi-cuve haute (20) comporte des moyens d'appui (22) comprenant une série d'ailettes (24) s'étendant radialement à l'extérieur de la demi-cuve haute (20) pour former une ceinture annulaire haute d'appui. 10 - Cuve selon la revendication 9, caractérisée en ce que la ceinture annulaire haute d'appui (22) définit un plan d'appui (PH) de la demi-cuve haute (20) sur sa structure porteuse (23), le plan d'appui (PH) étant positionné de manière à se trouver à proximité d'une canalisation de raccordement de la demi-cuve haute (20) à un échangeur. 11 - Cuve selon la revendication 1 ou 9, caractérisée en ce que la demicuve haute (20) comporte au moins une lyre de dilatation (25). 12 - Cuve selon la revendication 11, caractérisée en ce que la demi-cuve haute comporte au moins deux lyres de dilatation (25 et 26). 13 - Cuve selon la revendication 12, caractérisée en ce que deux des lyres de dilatation, telles que (25 et 26), sont situées de part et d'autre de la ceinture d'appui.