Brevet FR2888314A1 — publié le 20070112

La présente invention concerne deux dispositifs diminuant les risques de destruction des parties internes des récupérateurs métalliques de chaleur soumises aux températures élevées usuelles des fumées produites par les fours industriels en régime continu, chargées notamment de poussières volatiles et matières alcalines vitreuses agressives au cours de la récupération des chaleurs perdues dans les fumées. Les récupérateurs métalliques de chaleur sont des constructions chaudron nées entièrement exécutées en tôles d'aciers réfractaires à hautes teneurs en Nickel, d'épaisseur variable suivant les endroits les plus sollicités. Leur but final et essentiel est d'économiser les combustibles utilisés au chauffage à hautes températures des fours industriels dont les températures s'étagent entre 1000 C pour le moins et 1500 C pour le plus, notamment en Métallurgie et en Verrerie. Les récupérateurs métalliques de chaleur réchauffent l'air atmosphérique nécessaire à la combustion des énergies arrivant aux brûleurs en récupérant les calories contenues dans les fumées produites par la combustion avant leur évacuation à l'atmosphère par la cheminée. Les dispositifs suivent l'invention permettent une meilleure récupération des calories perdues par la protection des surfaces actives des récupérateurs métalliques de chaleur, augmentent ainsi leur fiabilité mais n'éliminant pas les risques d'avaries par surchauffe accidentelle. Il existe deux types de récupérateurs métalliques de chaleur ayant le même but de réchauffage de l'air de combustion alimentant les brûleurs à la plus haute température possible en vue d'économie d'énergie mais aussi permettant d'obtenir les hautes températures nécessaires aux fours pour l'élaboration des produits bruts industriels car l'air froid atmosphérique ne permet pas d'obtenir des températures supérieures à 1350C sans apport d'oxygène qui est un gaz dangereux et cher à l'usage. Les récupérateurs métalliques de chaleur produisant de l'air chaud sont: 1) Les récupérateurs métalliques de chaleur dits à rayonnement représentés Planche 1/2 - Coupe verticale-Figure1 - constitués par deux viroles concentriques, l'une centrale appelée surface active au contact direct des fumées produites par les fours d'un diamètre interne suffisant permettant l'évacuation des fumées du four industriel considéré à l'atmosphère sans pertes de charges excessives par une cheminée d'une hauteur suffisante et à une vitesse de l'ordre de 10 mètres/seconde, compte tenu du volume de celles-ci à portées à des températures variant entre 800 à 1000C suivant les températures d'usages du four et le rendement du récupérateur métallique de chaleur. La seconde virole interne concentrique à la première est disposée à une distance de quelques centimètres de celle-ci (surface active) formant ainsi un intervalle dans lequel va passer à de grandes vitesses l'air froid nécessaire à la combustion de l'un ou l'autre des combustibles utilisés, combustion totale par cet air soufflé par un puissant électroventilateur en débit et en pression, à raison de 1m3 d'air froid pour 1000 calories produites par le combustible considéré (1000 calories = 1,162 KW.). Sans communication avec le circuit fumés, les circuits Air soufflé et Fumées étant étanches et indépendants. Cette seconde virole réchauffée par le rayonnement de la première (surface active) qui est au contact direct des fumées du four industriel suivant le dispositif décrit ci dessus et représenté Planche 1/2. Figure 1 va réchauffer l'air froid circulant dans l'intervalle créé entre les viroles à des températures élevées mais ne dépassant pas 450C car le système de récupération par rayonnement se révèle à l'usage relativement fragile et d'un rendement peu élevé, donc d'une rentabilité faible pour un investissement coûteux. Pour augmenter la fiabilité de cette construction entièrement métallique, sensible aux températures élevées, les usagers se voient contraints d'augmenter le débit d'air froid soufflé réduisant ainsi la température de la virole surface active au contact direct des fumées mais diminuant notablement le rendement, l'air chaud en surplus étant évacué à l'atmosphère ou vers d'autres utilisations aux rendements incertaines, souvent inutiles. (Séchoir, chauffage intermittent d'ateliers ou autres). L'air chaud ainsi obtenu est ensuite dirigé en volume nécessaire par des conduites jusqu'aux brûleurs du four industriel. Les fumées véhiculent aussi des poussières volatiles issues des compositions de l'élaboration des produits industriels contenues à l'intérieur des fours industriels et de ce fait des particules alcalines vitrifiables aux hautes températures qui vont se fixer sur la virole constituant la surface active contribuant à sa détérioration par leurs actions chimiquement agressives. Il y a donc lieu de protéger ces surfaces actives en filtrant les fumées ce qui est faisable en protégeant la virole centrale par la disposition verticale d'une doublure en tôles perforées en aciers réfractaires de hautes qualités et d'épaisseurs adéquates à l'usage, les perforations étant en nombre et de formes appropriées suivant le volume et la nature des fumées résultant de la combinaison combustible et matières traitées aux fours industriels, plus ou moins agressives par leur teneur notamment en soufre, suivant la planchel-Figure 2 - Les surfaces de perforation iront croissantes depuis la base jusqu'au sommet du récupérateur métallique de chaleur afin d'éviter les trop grandes pertes de charges et aussi favoriser le tirage d'évacuation à la sortie de l'intervalle existant entre la surface active et sa protection aboutissant en fmalité à la cheminée d'évacuation des fumées à l'atmosphère. C'est le premier dispositif de la présente invention. 2) Les récupérateurs métalliques de chaleur à tubes, dits à cage d'écureuil Planche 2/2-Coupe verticale Figure3. La virole centrale objet du paragraphe précédent est remplacé par une ou plusieurs nappes de tubes en aciers réfractaires de mêmes nuances, aux diamètres extérieurs, et en épaisseur égale et 35 souvent supérieure à 5 mm en hauteurs et en nombre compatible avec la surface active recherchée. Avec ce système plus difficile à réaliser que le précédent à cause du grand nombre de soudures doubles hautes et basses, des dudgeonages, les surfaces actives nécessaires à un haut et meilleur rendement thermique des récupérateurs métalliques de chaleur sont plus facilement obtenues, mais en fmalité les mêmes risques de détérioration existent sans la protection interne nécessaire de la surface active d'autant plus que les températures obtenues par l'air chaud sont beaucoup plus élevées. En effet, du fait d'une surface active plus importante l'air chaud atteint des températures voisines de 700C pour une température des fumées de 1450C , voire 15000 , la différence étant alors de l'ordre de 750C entre les deux fluides gazeux considérés Air et Fumées. De ce fait il y a une nécessité plus grande du filtrage des fumées avec une protection plus fiable des surfaces actives extérieures des tubes métalliques. Une protection par tôles perforées en aciers réfractaires à haute teneur en Nickel sera insuffisante pour l'usage intensif des récupérateurs métalliques de chaleur à tubes métalliques dits à cage d'écureuil. Il convient donc d'utiliser comme protection efficace des dalles mouflées creuses à fonds minces en céramiques alumineuses à 42% d'alumine minimum ou Mullite ou même Zircon, avec perforations des fonds, les surfaces perforées étant compatibles avec le rendement en air chaud à obtenir tout en assument un filtrage efficace par la vitesse des fumées passant par les perforations et leur détente à la sortie des passages par les perforations. Ce phénomène fixe les impuretés vitreuses véhiculées par des fumées aux surfaces environnantes des perforations. Les Figures 4 et 5 Planche 2/2 représentent des exemples non limitatifs de perforations des céramiques minces ou des treillis. Les dalles en céramiques mince sont moulées de telle façon que leurs rebords horizontaux et verticaux s'emboîtent les uns sur les autres assurant stabilité et étanchéité. Selon des modes particuliers de réalisation dans les deux cas cités de récupérateurs 25 métalliques de chaleur d'une part à rayonnement et d'autre part à tubes dit à cage d'écureuil, chaudronnés dans les 2 cas en aciers réfractaires à haute teneur en Nickel: - l'air froid produit par un électroventilateur est soufflé à l'embase cylindrique des récupérateurs métalliques de chaleur, cette embase étant reliée au collecteur d'air chaud situé en partie supérieure, - soit par une virole également cylindrique sur toute le hauteur, - soit par des tubes formant une ou plusieurs nappes concentriques - ménageant ainsi un intervalle entre les protections et les surfaces actives de l'un ou l'autre des systèmes, à l'intérieur duquel les fumées circulent, - les surfaces extérieures de la première virole interne et des tubes déterminent les surfaces 35 actives de récupération des chaleurs perdues par les fumées d'un four industriel calculées en mètres carrés, ces surfaces ayant un rapport avec la température des fumées, leur volume suivant leur température à l'entrée au récupérateur et à la température et au volume de l'air réchauffé -Parallèlement à la virole centrale dans le cas du récupérateur de chaleur à rayonnement une deuxième virole arrière canalise l'air soufflé dans l'intervalle de quelques centimètres créé entre la virole centrale et cette virole arrière provenant de l'électroventilateur précité, cet air étant au contact de la virole centrale dans le but de la refroidir réchauffant de ce fait cet air soufflé aux plus hautes températures possibles en fonction de la hauteur des viroles et du diamètre interne de la surface active de la première virole. -Dans le cas du récupérateur à tubes en acier réfractaire, dit à cage d'écureuil, l'air destiné à la récupération des chaleurs perdues est directement soufflé à l'intérieure de ceux ci depuis l'embase et récupéré au collecteur supérieur de l'air chaud porté à plus haute température du fait que la surface active de tous les tubes est plus importante et que les fumées du four industriel sont aux contacts directs des tubes. Dans tous les cas cités, le collecteur supérieur recueille l'air chaud qui est ensuite envoyé par une conduite adéquate aux brûleurs du four générateur des flammes et des fumées. La virole centrale du récupérateur de chaleur à rayonnement déterminant la surface active au contact des fumées passant par les perforations des protections aboutit en finalité à une hotte surmontée d'une cheminée de grande hauteur également en tôle réfractaire évacuant les fumées à l'atmosphère. De même en ce qui concerne le récupérateur de chaleur à tubes. La virole centrale ou les nappes de tubes sont protégées de l'agressivité des fumées en direct soit par les tôles perforées en acier réfractaire à hautes teneurs en nickel dans le cas des fumées ne dépassant pas des températures comprises entre 1000C et 12000 (maximums), soit pour les températures supérieures atteignant jusqu'à 1450C par des moufles en céramique alumineuse mince à 42% d'alumine pour le moins, ou Mullite, voire même Zircon disposés concentriquement et parallèlement à quelques centimètres des surfaces actives, le fond vertical des moufles étant percé de trous ronds, ovales ou autres formes convenant le mieux, les bords plus larges assurant une assise stable à cet assemblage cimenté au ciment réfractaire sur toute la hauteur du récupérateur métallique de chaleur. De même en ce qui concerne les protections en tôles perforées assemblées bout à bout et soudées entre-elles ou autre moyen technique adéquat. Les perforations des tôles d'acier réfractaire et dans les fonds des moufles en céramique mince ont pour but de filtrer les fumées chargées de poussières volatiles souvent alcalines et de particules vitreuses, les fumées ainsi apurées atteignant les surfaces actives des récupérateurs de chaleur avec moins d'agressivités au bénéfice de la fiabilité des équipements. Il y a donc échanges de calories dans tous les cas cités, non limitatifs, entre les fumées des 5 fours industriels e t l'air froid soufflé au bas des récupérateurs de chaleur en vue d'économiser des combustibles et atteindre de plus hautes températures avec l'air chaud produit, sans apport d'oxygène et avec filtrage des fumées en vue d'améliorer la fiabilité des récupérateurs métalliques de chaleurs. Les dessins annexés illustrent l'invention: La Figure 1 représente en coupe verticale un récupérateur métallique de chaleur à rayonnement équipé d'une protection interne de la surface active par des tôles perforées en acier réfractaire à haute teneur en Nickel et de forte épaisseur compatible aux températures subies,. La Figure2 représente à titre d'exemple un élément de la dite protection en tôles perforées garnissant éléments après éléments en lignes concentriques et de haut en bas la surface active des récupérateurs métalliques de chaleur,. La Figure 3 représente en coupe verticale une variante de ce dispositif concernant un récupérateur métallique de chaleur à nappes de tubes en acier réfractaire à hautes teneurs en Nickel équipé d'une protection interne des surfaces actives par des moufles en céramique mince alumineuse percés de trous et à joints étanches par cimentation au ciment réfractaire sur les 4 bordures en contact, La Figure 4 représente un moufle en céramique mince alumineuse ou Zircon dont le fond est percé à titre d'exemple de perforations rondes ou ovales,(11) non limitatives,. La figure 5 représente un moufle en réfractaire mince alumineux ou Zircon dont le fond est en forme de treillis (7) cimentés entre eux au montage, et dont l'ensemble garnissant la surface interne du récupérateur métallique de chaleur compose un treillage de haut en bas plus léger que le mouflage et assurant le filtrage des fumées an fonction du pas du treillis. Les quatre bordures extérieures assurent la stabilité de l'ensemble qui rend plus fiable l'utilisation du récupérateur métallique de chaleur. En référence à ces dessins, les dispositifs comportent, quelque soit le type de récupérateur métallique de chaleur, l'embrase (1) recevant l'air froid soufflé en permanence est reliée aux collecteurs supérieurs d'air chaud (2) par une virole métallique en acier réfractaire à hautes teneurs en Nickel cylindrique ou par des tubes métalliques en acier réfractaire de même nuance, disposés en nappes (3) avec protection extérieure métallique (4) calorifugée en laine minérale ou autres matières similaires. L'air froid est soufflé à l'embase suivant le dispositif (5) comprenant un électroventilateur au débit d'air adéquat à la consommation du four industriel en énergie à raison de un mètre cube d'air atmosphérique pour mille calories du combustible quel qu'il soit (1000 calories:1,162Kw), de vannes manuelles de pré-réglage de l'air soufflé, d'un servomoteur pas à pas à deux sens de marche, régulant le débit d'air froid (5) soufflé à l'embase (1) suivant les nécessités de la combustion par l'intermédiaire d'un thermoélément à couple platine placé généralement à la voûte du four industriel ou à tout autre endroit sensible aux températures d'utilisation aboutissant à un régulateur électronique de température pas à pas gradué de 20 à 1600C et donc relié au servomoteur précité, l'air chaud produit par la surface active du récupérateur métallique de chaleur étant acheminé au brûleur des fours industriels par la conduite calorifugée en conséquence (6) Les perforations de formes non limitatives des protections internes des surfaces actives des récupérateurs métalliques de chaleur à rayonnement Figurel ou disposées en nappes de tubes Figure2 assument la diffusion des fumées sur les surfaces actives après leurs filtrages des particules agressives et alcalines qu'elles véhiculent. La cheminée d'évacuation de fumées est généralement à tirage naturel mais sans que cela soit une obligation. Il convient toutefois dans tous les cas envisageables d'établir une contre pression interne contrôlée obligeant les fumées à passer par les perforations des protections dans les buts de diffusion égale sur toute la surface offerte et de filtrage avant le contact direct de celles-ci sur les surfaces actives suivant le dispositif (8) alimenté en air atmosphérique comprimé ou sur- pressé à faible à débit mais à pression élevée comprise entre 0,3 et 1 bar comportant des vannes manuelles d'arrêt et de préréglage du débit // pression nécessaire à établir un faible mais efficace rideau d'air de contre pression aux fumées. L'ensemble du dispositif revendiqué comprend un tube en alumine frittée ou similaire résistant aux hautes températures, à l'intérieur lisse, d'un diamètre interne de l'ordre de 30 mm placé sous le collecteur d'air chaud (2), alimentant un convertisseur delta P, pour la pression allant de -10 à +10mm Colonnes d'eau. Plage de travail T de -10 C +50C à tension d'alimentation 11,5 à 30 VDC- Sortie 4/20mA- 2 fils. Raccordement sur tuyauteries laiton aux deux embouts de D.6.6mm aboutissant à un régulateur à 2 entrées configurables, allure pas à pas asservissant un servomoteur pas à pas à 2 sens de marche suivi par un manomètre contrôlant la pression d'air de la contre-pression aboutissant à un tube en acier galvanisé de gros diamètre cintré en forme de couronne encerclant la hotte (9) percée de trous (10) sur sa génératrice intérieure afin d'établir la contre pression nécessaire pour le passage de l'air comprimé ou surpressé aux trous ovalisés pratiqués à la base de la hotte précédant la cheminée d'évacuation des fumées à l'atmosphère. Les corps des récupérateur métalliques de chaleur soumis à la chaleur des fumées se dilatent surtout longitudinalement et il convient de compenser cette dilatation par un dispositif souple (12) composé de couches superposées de laine minérale ou autres matières appropriées résistant aux charges et à la chaleur. Les corps extérieurs des récupérateurs métalliques de chaleurs et les conduites d'air chaud sont isolés par des couches de laine minérale (13) dont l'épaisseur varie suivant la température réelle de ces corps, la couche finale étant protégée extérieurement par une tôle métallique de faible épaisseur, généralement en aluminium. Les surchauffes éventuelles internes des récupérateurs métalliques de chaleur sont évitées par le dispositif (14) placé sous l'entrée des fumées comportant un thermoélément à couple platine avec câble de compensation aboutissant à un régulateur de températures 20/1600C pas à pas asservissant un servomoteur à 2 sens de marche régulant l'entrée de l'air froid de dilution des fumées, alimentée par un électroventilateur à faible débit et faible pression régulant ainsi les températures d'entrées des fumées dans les limites convenues, avec vannes manuelles de pré réglages. L'ensemble de tous ces dispositifs communs aux deux systèmes de récupération des chaleurs perdues dans les fumées fait l'objet de l'indice (15) des Planchesl/2 et 2/2... 2888314 R E V E N D I C A T I O N S 1) Dispositif de récupérateur métallique de chaleur:. constitué de deux viroles concentriques, l'une centrale appelée surface active permettant l'évacuation des fumées produites par un four industriel chauffé à hautes températures par combustibles divers, l'autre disposée à une distance de quelques centimètres de la virole centrale de façon à former un intervalle dans lequel circule l'air froid soufflé destiné à être réchauffé au contact de la dite virole centrale caractérisé en ce qu'en revêtement protecteur est disposé à l'intérieur de cette virole centrale qui constitue la surface active du récupérateur métallique, le revétement interne protecteur étant sans contact avec celle-ci. 2) Dispositif suivant la revendication 1 caractéri- sé en ce que le revêtement interne est constitué de tôles perforées en acier réfractaire à haute teneur en nickel avec des trous ronds, ou ovalisés, ou autres formes résistant aux hautes températures. 3) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le revêtement interne protecteur est constitué par un mouflage en céramique à fonds minces alumineux, voire zircon, le dit mouflage étant perforé de trous ronds, ou ovalisés, ou autres formes sans contact avec la surface active centrale. 4) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le revêtement interne protecteur peut étre constitué par un treillis en matériau céramique alumineux ou zircon laissant le passage aux fumées, les dites protections étant sans contact avec la virole centrale surface active. 5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie supérieure de la virole interne est surmontée d'une hotte en te.le réfractaire équipée d'une couronne d'air froid soufflé à pres- lion contrlée établissant une contre-pression au tirage naturel de la cheminée obligeant les fumées à atteindre la surface active protégée, par le passage de celles-ci par les orifices des perforations des protections internes assurant de ce fait et par là-même le filtrage des fumées. 6) Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que l'assise du récupérateur métallique de chaleur lié à la virole centrale est pourvue d'une arrivée d'air froid destiné à réguler la température des fumées à l'en- trée du récupérateur métallique de chaleur de façon à éviter les surchauffes destructrices des parties métalliques en acier réfractaire à haute teneur en nickel. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les parties inférieure et supérieure du récupérateur métallique de chaleur sont constituées de deux collecteurs reliés entre-eux permettant une arrivée d'air froid soufflé à débit variable en partie basse et une sortie d'air chaud en partie haute destiné à être réchauffé lors de son passage dans l'intervalle laissé libre entre la virole interne formant la surface active et la virole arrière en acier réfractaire à haute teneur en nickel, cet air produit chaud en partie haute du récupérateur métallique de chaleur alimentant les brûleurs du four industriel en air de combustion en vue d'une économie sensible d'énergie. 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les protections internes perforées ont la même hauteur que la virole centrale formant la surface active du récupérateur métallique dans le but de protéger la partie la plus sensible de celui-ci des attaques par par les poussières volatiles contenues dans les fumées qui sont des matières alcalines produisant à hautes températures des laitiers vitreux à pouvoir isolant néfaste au rendement thermique du récupérateur de chaleur provoquant, des altérations aux aciers réfractaires diminuant leur résistance mécanique et leur longévité.