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Appareil à combustion et à réchauffage de gaz, applicable en particulier à la fabrication de l'hydrogène et de l'azote.
Dans la fabrication dé l'hydrogène et de l'azote, au moyen des gaz réducteurs et d'un oxyde métallique, l'o- xyde de fer, par exemple, on est amené à faire réagir à la température d'environ 700 c des gaz réducteurs chauds, sur l'oxyde du métal afin de transformer cet oxyde ou minerai en métal réduit.
Sur le métal réduit ainsi obtenu, on fait réagir en- suite soit de la vapeur d'eau,, si on veut obtenir de l'hy- drogène, soit de l'air ou des gaz contenant de l'azote et de l'oxygène, si on veut obtenir de l'azote.
L'opération de beaucoup la plus longue, la plus labo- rieuse, est la réduction de l'oxyde métallique.
Il est donc nécessaire de chauffer les appareils et de porter les gaz, notamment les gaz réducteurs, préa- lablement à leur entrée dans l'appareil réacteur, à la température de réaction, et, ceci, par alternances suc- cessives et fréquentes, les réactions de réduction et
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d'oxydation se succédant rapidement souvent plusieurs fois par heure.
Le dispositif suivant l'invention permet de réaliser ces opérations successives et répétées dans des condi- tions rationnelles et économiques.
On a représenté au dessin annexé, et à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
L'appareil réchauffeur se compose d'une ou plusieurs chambres en matériaux réfractaires 1 entourés ou non d'une enveloppe en tôle et remplies d'éléments ré- fractaires 2 empilés à la façon habituelle en usage dans les récupérateurs de chaleur, ces éléments réfractaires pouvant d'ailleurs être, groupés ou assemblés d'une façon quelconque.
Ces chambres ainsi garnies sont munies intérieure- ment, à leur partie supérieure, de brûleurs 3, qui sont alimentés.par les gaz à brûler en vue du chauffage. Ces derniers sont, de préférence, prélevés sur les gaz ré- ducteurs en excédent qui ont déjà réagi dans un ou plu- sieurs appareils réacteurs voisins, et qui sortent plus ou moins chauds de ces appareils après avoir effectué ou non un échange calorifique avec les gaz froids entrants.
Il va de soi que, pour chacun des brûleurs 3 indiqués, sont prévus des entrées d'air réglables, cet air étant préalablement réchauffé ounon, et que les entrées de gaz aux dits brûleurs' sont également réglables.
A une certaine distance au-dessous de l'extrémité supérieure de l'empilage, le réchauffeur comporte un car- neau latéral 4 qui est commandé par une vanne 4a et commu- nique avec l'appareil réacteur 8. Au-dessous de l'empilage, débouche un carneau analogue 5 qui communique également avec le réacteur 8 par un conduit vertical 5a, lequel peut être obturé par une vanne 5b A sa partie supérieure, le conduit 5a, commandé par une vanne ou registre 10, communi-
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que avec un carneau conduisant les gaz à la partie inférieure de l'appareil dans laquelle se trouve placé, de préférence, le surchauffeur éventuel 9 de la vapeur ou de l'air desti- nés à produire dans le réacteur voisin, par décomposition sur le fer réduit de l'hydrogène ou de l'azote.
A la partie inférieure de l'appareil, débouche également le carneau 6 pourvu d'une vanne 6a, par lequel arrivent les gaz à réchauffer.
Le fonctionnement.est le suivant: Dans la fabrica- tion de l'hydrogène ou de, l'azote, le fonctionnement des réchauffeurs comprend, en régime dans ses grandes lignes, et pour chaque cycle complet de cette fabrication, (cycles qui se renouvellent périodiquement parfois plusieurs fois par heure), les trois phases suivantes :
1 Le réchauffage complémentaire de l'appareil à empilages réfractaires;
2 Le réchauffage des gaz réducteurs pendant leur passage vers l'appareil réacteur adjacent;
3 La production d'hydrogène, ou de l'azote, par l'ac- tion de la vapeur d'eau, ou de l'air, sur le fer précé- demment réduit de son oxyde.
En supposant que l'appareil réchauffeur soit en régi- me, les trois phases principales précitées seront réalisées comme suit
1 Réchauffage complémentaire de l'appareil ( fig. 1)
La circulation des gaz dans un des éléments de l'ins- tallation, a lieu suivant les flèches indiquées à la figure 1. Les gaz à brûler en vue du réchauffage (de pré- férence les gaz réducteurs en excès provenant de la phase de réduction d'un autre groupe d'appareils voisin du premier), arrivent aux brûleurs 3 aini que l'air néces- saire à la combustion, les débits de ces deux fluides étant .réglables à volonté.
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Le mélange combustible arrivant dans la chambre de combustion déjà très chaude, brûle d'une façon parfaite.
Les gaz brûlés, appelés par le tirage général ou poussés par des ventilateurs, descendent selon les flèches à travers les empilages réfractaires 2 qu'ils quittent en sortant par la base, pour se rendre, par la vanne 5b, dans l'appareil réacteur 8 adjacent (non représenté entiè- rement) où ils passent sur de loxyde de fer.
2 Réchauffage des gaz réducteurs allant vers l'ap- pareil réacteur 8.- (fig.2)
La circulation des gaz se fait suivant les flèches indiquées à la figure 2: les gaz réducteurs après avoir s'il est nécessaire, subi, partiellement ou non, un chauffa- ge préalable par échange) thermique avec les gaz réducteurs chauds sortant d'un groupe d'appareils voisins, entrent dans l'appareil réchauffeur, par la vanne 6a et remontent dans les empilages ou éléments réfractaires qui ont été précé- demment chauffés, comme il a été expliqué ci-dessus en 1 ces gaz atteignent rapidement la zone à haute température et pénètrent directement, par la vanne 4a, dans l'appareil réacteur 8 et ce, sans passer par la partie tout à fait su- périeure de l'empilage, qui constitue.. avec la voûte, la chambre de combustion.proprement dite.
'Cette chambre de combustion reste ainsi toujours chaude au maximum, de ma- nière à assurer ultérieurment l'allumage et la bonne con bustion du gaz qui sera utilisé pour le chauffage.
3 Production d'hydrogène par la vapeur d'eau (fig. 3)
La circulation des fluides a lieu suivant les flèches indiquées à la figure 3 Les gaz brûlés produits par la combustion des gaz de chauffage aux brûleurs 3, sont appelés par le tirage et descendant selon'les flèches à travers les empilages ; passent ensuite, par la vanne ou registre 10, dans la chambre du surchauffeur ,éventuel¯de vapeur 9 , pour se rendre au carneau qui les
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conduit au lieu de récupération des excédents de chaleur sensible, (chaudière à vapeur ou autres dispositifs ou installation appropriées, simples ou mixtes).
Pendant cette période, la vapeur d'eau passe dans le surchauffeur éventuel 9, et se rend dans l'appareil réacteur
8, ou. se produit l'hydrogène. A défaut de surchauffeur spé- cial 9, la vapeur ou l'air peuvent être surchauffés en pas- sant sur les empilages ou briquetages 2
Les principaux avantages de ce dispositif, en parti- culier dans son application à la fabrication de l'hydrogène et de l'azote résident en ce que
1 La combustion totale des gaz, et, par suite, le rendement calorifique maximum qui en résulte, sont assurés du fait que les gaz combustibles et l'air arri vent au point de température maximum du système dans une chambre de combustion surchauffée, dans laquelle se pro- duit un double rayonnement calorifique:
celui de la voûte supérieure, qui rayonne de haut en bas, et celui de l'empi- lage ou briquetage qui rayonne de bas en haut.
De ce fait, l'allumage des gaz est assuré, et toute possibilité d'extinction intempestive en cours de marche est éliminée.
2 Les flammes et les gaz brûlés, pendant la période e de réchauffage, descendent directement à travers l'empila- ge ou briquetage à chauffer condition notoirement favorable
3 Le dispositif permet, d'une façon simple, pendant la période de production d'hydrogène dans l'appareil à réaction 8 immédiatement voisin, de continuer, de façon indépendante le réchauffage de l'appareil à empilages, en attendant, la période suivant de réduction;
de plus, pendant ce réchauffage les gaz brûlés sortant de l'empila- ge passent sur le réchauffeur spécial de vapeur, si on en emploie un, dans lequel circule, précisément pendant cette période et pendant celle-ci seulement, la vapeur
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qui sert à produire l'hydrogène, ce qui évite la destruc- tion rapide du surchauffeur.
4 Dans ce dispositif, les gaz suivent la circulation reconnue la meilleure par les praticiens; ceux qui se refroidissent circulent en descendant et ceux qui s'é- chauffent circulent en montant De plus, le réchauffage des gaz employés, (gaz réducteurs de four à coke, par exemple), est méthodique , ,., les gaz entrant dans l'appa- reil à réaction voisin, précisément au moment où ils vien- nent de passer dans la zone la plus chaude du réchauffeur.
5 Cet appareil perfectionné répond parfaitement aux fortes productions d'hydrogène et d'azote demandées au- jourd'hui à l'industrie, product ions qui sont de l'ordre de 1. 000 mètres cubes @.l'heure par appareil;, et sou- vent bien au de là.
@ Cet appareil peut être généralement, avec avantage, d'un volume aussi grand que l'on désire, ce qui limite au minimum, contrairement à ce qui existe dans les ap- pareils généralement employés jusqu'à ce jour, le nom- bre des vannes devant fonctionner à haute température, , (jusqu'à 850 dans le cas présenta, vannes qui, dans cette application, doivent être complètement étanches afin d' éviter des mélanges de gaz étrangers avec l'hydrogène ou l'azote produits dans l'appareil à réaction immédiate- ment voisin.
6 Ce dispositif permet l'emploi simultané ou alternatif, à volonté, de deux réchauffeurs à empilages tels que précédemment décrits, en conjugaison avec un même appareil réacteur.
On peut rendre les opérations plus souples et plus rapides, et augmenter la production d'un même appareil réacteur, en faisant fonctionner les deux appareils ré- chauffeurs simultanément mais suivant des phases dif-
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férentes, et par alternances répétées pendant la durée d'un même réchauffage. Par exemple, un des deux réchauffeurs peut être dans sa phase de réchauffage proprent dit selon la figure 3, l'oxydation du fer n'ayant toutefois pas lieu à ce moment dans l'appareil réacteur 8, pendant que l'autre réchauffeur est dans la phase de réduction selon la figure 2, et de ce fait, en communication directe avec l'appareil réacteur 8 ; et vice et versa.
On peut ainsi opé- rer facilement un réchauffage à haute température avec un minimum de briquetage et ainsi gagner beaucoup de temps.
On peut naturellement accélérer les alternances ou inversions de phases des réchauffeurs autant qu'on le désire.
On peut ainsi,dans la mesure que l'on désire, opérer en même temps le réchauffage et la réduction.
Ces appareils de réchauffage peuvent naturellement être placés à coté, au-dessus, ou au-dessous de l'appareil à réactions.
Il va de soi que cet appareil permet le réchauffage et l'emploi de gaz réducteurs en vue de l'obtention en général de métaux réduits, et que ces métaux réduits, le fer notamment, permettent non seulement de fabriquer de l'hydrogène et de l'azote, comme on 1'a dit plus haut, mats aussi de priver d'oxygène tout gaz susceptible de pouvoir être utilisé après l'élimination de cet oxygène.
Naturellement, les appareils décrits et représentés à titre d'exemple pourraient subir bien des modifications d'ordre constructif sans sortir du domaine de l'invention.
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Gas combustion and heating apparatus, applicable in particular to the production of hydrogen and nitrogen.
In the manufacture of hydrogen and nitrogen, by means of reducing gases and a metal oxide, iron oxide, for example, one is made to react at a temperature of about 700 c hot reducing gases, on the oxide of the metal in order to transform this oxide or ore into reduced metal.
On the reduced metal thus obtained, either water vapor, if it is desired to obtain hydrogen, or air or gases containing nitrogen and hydrogen, are then reacted. oxygen, if we want to obtain nitrogen.
By far the longest and most laborious operation is the reduction of the metal oxide.
It is therefore necessary to heat the apparatus and to bring the gases, in particular the reducing gases, prior to their entry into the reactor apparatus, to the reaction temperature, and this, by successive and frequent alternations, the reduction reactions and
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oxidation successive rapidly often several times per hour.
The device according to the invention makes it possible to carry out these successive and repeated operations under rational and economical conditions.
There is shown in the accompanying drawing, and by way of example, an embodiment of the invention.
The heating apparatus consists of one or more chambers made of refractory materials 1 surrounded or not by a sheet metal casing and filled with refractory elements 2 stacked in the usual way in use in heat recuperators, these refractory elements can moreover be grouped or assembled in any way.
These chambers thus furnished are provided internally, at their upper part, with burners 3, which are fed by the gases to be burnt for heating. The latter are preferably taken from the excess reducing gases which have already reacted in one or more neighboring reactor devices, and which come out more or less hot from these devices after having carried out or not a heat exchange with the reactors. incoming cold gases.
It goes without saying that, for each of the burners 3 indicated, adjustable air inlets are provided, this air being preheated or not, and that the gas inlets to said burners' are also adjustable.
At some distance below the upper end of the stack, the heater has a side choke 4 which is controlled by a valve 4a and communicates with the reactor apparatus 8. Below the heater. stacking, opens a similar flue 5 which also communicates with the reactor 8 by a vertical duct 5a, which can be closed by a valve 5b At its upper part, the duct 5a, controlled by a valve or register 10, communicates
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that with a flue leading the gases to the lower part of the apparatus in which the possible superheater 9 is placed, preferably steam or air intended to be produced in the neighboring reactor, by decomposition on the iron reduced from hydrogen or nitrogen.
At the lower part of the appliance, also opens the flue 6 provided with a valve 6a, through which the gases to be heated arrive.
The operation is as follows: In the manufacture of hydrogen or nitrogen, the operation of the heaters comprises, in general terms, and for each complete cycle of this manufacture, (cycles which are renewed periodically sometimes several times per hour), the following three phases:
1 Complementary heating of the refractory stacking device;
2 Heating of the reducing gases during their passage to the adjacent reactor apparatus;
3 The production of hydrogen, or nitrogen, by the action of water vapor, or air, on iron previously reduced by its oxide.
Assuming that the heating device is working, the three main phases mentioned above will be carried out as follows:
1 Additional heating of the appliance (fig. 1)
The circulation of gases in one of the elements of the installation takes place according to the arrows indicated in figure 1. The gases to be burned with a view to reheating (preferably the excess reducing gases coming from the reduction phase of another group of apparatuses close to the first), arrive at the burners 3 as well as the air necessary for combustion, the flow rates of these two fluids being adjustable at will.
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The combustible mixture arriving in the already very hot combustion chamber burns perfectly.
The burnt gases, called by the general draft or pushed by fans, descend according to the arrows through the refractory stacks 2 which they leave by leaving the base, to go, through the valve 5b, into the reactor apparatus 8 adjacent (not fully shown) where they pass over iron oxide.
2 Heating the reducing gases going to the reactor apparatus 8.- (fig. 2)
The gases circulate according to the arrows shown in figure 2: the reducing gases after having, if necessary, undergone, partially or not, a preliminary heating by thermal exchange with the hot reducing gases leaving a group of neighboring devices, enter the heating device, through the valve 6a and go up in the stacks or refractory elements which have been previously heated, as explained above in 1 these gases quickly reach the zone to high temperature and enter directly, through the valve 4a, the reactor apparatus 8 and this, without passing through the completely upper part of the stack, which constitutes .. with the vault, the combustion chamber. said.
This combustion chamber thus always remains hot to the maximum, so as to subsequently ensure ignition and good combustion of the gas which will be used for heating.
3 Production of hydrogen by water vapor (fig. 3)
The circulation of fluids takes place according to the arrows indicated in FIG. 3 The burnt gases produced by the combustion of the heating gases at the burners 3, are called up by the draft and descending according to the arrows through the stacks; then pass, through valve or register 10, into the superheater chamber, possibly ¯ of steam 9, to reach the flue which
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duct to the place of recovery of excess sensible heat (steam boiler or other suitable devices or installation, simple or mixed).
During this period, the water vapor passes through the possible superheater 9, and goes into the reactor apparatus.
8, or. hydrogen is produced. In the absence of a special superheater 9, the steam or the air can be overheated by passing over the stacks or brickwork 2
The main advantages of this device, in particular in its application to the manufacture of hydrogen and nitrogen, reside in that
1 The total combustion of the gases, and therefore the maximum heat output resulting therefrom, is ensured by the fact that the combustible gases and air arrive at the maximum temperature point of the system in a superheated combustion chamber, in which a double heat radiation is produced:
that of the upper vault, which radiates from top to bottom, and that of the piling or brickwork which radiates from bottom to top.
As a result, the ignition of the gases is ensured, and any possibility of untimely extinction during operation is eliminated.
2 The flames and the burnt gases, during the reheating period, descend directly through the stack or brickwork to be heated clearly favorable condition
3 The device allows, in a simple way, during the period of hydrogen production in the immediately adjacent reaction apparatus 8, to continue, independently, the heating of the stacking apparatus, while waiting for the following period reduction;
moreover, during this reheating, the burnt gases leaving the stack pass over the special steam heater, if one is used, in which the steam circulates, precisely during this period and only during this period.
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which is used to produce hydrogen, which prevents the rapid destruction of the superheater.
4 In this device, the gases follow the circulation recognized as the best by the practitioners; those which cool down circulate downward and those which heat up circulate upward In addition, the reheating of the gases employed, (reducing gases from a coke oven, for example), is methodical,,., the gases entering the l neighboring reaction apparatus, precisely as they have just passed through the hottest zone of the heater.
This perfected apparatus responds perfectly to the high productions of hydrogen and nitrogen demanded today from industry, productions which are of the order of 1,000 cubic meters @. Per hour per apparatus; and often well beyond.
@ This device can generally be, with advantage, of as large a volume as is desired, which limits to the minimum, contrary to what exists in the devices generally used to date, the number of valves having to operate at high temperature,, (up to 850 in the present case, valves which, in this application, must be completely sealed in order to avoid mixtures of foreign gases with the hydrogen or nitrogen produced in the immediately adjacent reaction apparatus.
6 This device allows the simultaneous or alternative use, at will, of two stacked heaters as previously described, in conjunction with the same reactor apparatus.
The operations can be made more flexible and faster, and the production of the same reactor device can be increased, by making the two heating devices operate simultaneously but in different phases.
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several times, and by repeated alternations for the duration of the same reheating. For example, one of the two heaters may be in its own heating phase according to FIG. 3, the oxidation of the iron not however taking place at this moment in the reactor apparatus 8, while the other heater is in the reduction phase according to FIG. 2, and therefore in direct communication with the reactor apparatus 8; and vice versa.
High temperature reheating can thus be easily carried out with a minimum of brickwork and thus save a great deal of time.
It is naturally possible to accelerate the alternations or inversions of phases of the heaters as much as desired.
It is thus possible, to the extent desired, to operate the heating and the reduction at the same time.
These heating devices can naturally be placed next to, above, or below the reaction device.
It goes without saying that this apparatus allows the heating and the use of reducing gases with a view to generally obtaining reduced metals, and that these reduced metals, iron in particular, not only make it possible to manufacture hydrogen and nitrogen, as stated above, also prevents oxygen from any gas capable of being used after the removal of this oxygen.
Naturally, the devices described and shown by way of example could undergo many modifications of a constructive nature without departing from the scope of the invention.
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