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Perfectionnements aux générateurs de vapeur.
Cette invention est relative aux générateurs de vapeur et elle concerne plus particulièrement les chaudières agencées pour fonctionner à des pressions de vapeur élevées et associées à des surchauffeurs de manière qu'on atteigne de hautes températures totales de vapeur.
Pour produire dans les chaudières à vapeur à haute pression une haute température de surchauffe de l'ordre de 925 F, le surchauffeur doit être en contact avec les gaz du
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foyer à des températures plus élevées que celles requises pour des chaudières fonctionnant à des pressions et températures moins élevées, afin qu'une différence de température suffisante soit produite entre les gaz et le métal; sinon l'étendue ou aire de la surface de surchauffe requise pour ces températures totales élevées serait excessivement grande et coûteuse. En outre, le dérangement du fonctionnement d'un pareil surchauffeur par une accumulation de mâchefers pose un problème de majeure importance quand on brûle dans le foyer de la chaudière des combustibles produisant des mâchefers.
On a proposé d'empêcher ces accumulations de mâchefers sur la surface du surchauffeur en interposant entre le foyer et le surchauffeur une grande quantité de surfaces de chauffe à convection sous forme d'un faisceau de tubes d'eau, mais ces surfaces ne serviraient pas les fins de la présente invention étant donné que leur emploi non seulement aurait pour résultat de refroidir exagérément les gaz avant que ceux-ci atteignent la surface de surchauffe, mais encore impliquerait l'accumulation de grandes quantités de mâchefers sur la surface elle-même. Il est toutefois essentiel d'aménager des dispositifs appropriés pour agir sur les cendres formées par le combustible.
Sous une pression de, par exemple, 1400 livres par pouce carré, la température de la vapeur saturée est d'environ 588 F., et quand la température totale de la vapeur fournie par une chaudière de ce genre est de l'ordre de 925 F., environ 286 unités B.t. sont absorbées par chaque livre de vapeur débitée.
Ceci représente une importante quantité d'énergie qu'on peut consacrer à un travail utile et il faut l'opposer aux résultats obtenus pour une chaudière fonctionnant sous une pression de 600 livres à une température totale de 725 F. Dans ce dernier cas, chaque
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livre de vapeur à une température totaJe de 725 F. absorbe dans le surchauffeur 160 unités B.t. De cette façon, quand on opère à la pression élevée et aux plus hautes températures totales mentionnées, on dispose du fait de la surchauffe de la vapeur débitée d'une quantité d'énergie plus élevée d'au moins 70%.
On peut assurer un rendement relativement élevé en coordonnant le surchauffeur et la partie génératrice de vapeur connexe de la chaudière à la capacité du foyer de la chaudière de manière que la température totale de la vapeur soit maintenue près de la limite Maximum imposée par le métal du surchauffeur ou le métal d'une turbine utilisant la vapeur. Dans le passé il était difficile ou impossible d'atteindre pratiquement des températures totales aussi élevées parce que la température des gaz de foyer s'abaissait par suite de leur contact avec un faisceau de tubes chauffé par convection, disposé immédiatement en amont du surchauffeur.
Avec ce montage, la température des gaz de foyer venant en contact avec le surchauffeur est abaissée dans une mesure telle qu'il faudrait installer un surchauffeur d'une surface exagérément étendue pour produire une surchauffe aussi élevée. Toutefois, il est nécessaire d'abaisser la température des gaz du foyer au degré propre à leur utilisation par le surchauffeur.
La présente invention vise un générateur de vapeur à combustible pulvérisé, comprenant une section de convection précédée d'une section de rayonnement comportant un foyer équipé d'un dispositif pour accumuler les mâchefers fondus et des surfaces de rayonnement refroidies par un fluide et destinées à refroiair les matières emportées du foyer par les gaz chauds à un degré tel qu'elles puissent se déposer dans un
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collecteur pour les censés sèches, précédant la chambre de con- vection.
L'invention vise aussi un générateur de vapeur com- ' prenant un foyer qui comporte une chambre de combustion pri- maire dans laquelle sensiblement toute la chaleur absorbée'est transmise par rayonnement à des tubes de paroi intercalés dans la circulation de la chaudière, un dispositif assurant la com- bustion du combustible dans cette chambre, un dispositif com- prenant des tubes de paroi délimitant une chambre de combus- tion secondaire dans laquelle les gaz de foyer circulent de bas en haut depuis une sortie située à la partie inférieure de la chambre primaire, sensiblement toute la chaleur absor- bée dans la chambre secondaire étant transmise par rayonne- ment à ces tubes de paroi,
d'autres tubes de paroi interca- lés dans le circuit de la chaudière et disposés 'de manière à constituer un passage de gaz où les gaz de foyer circulent de haut en bas depuis une sortie située au sommet de la cham- bre de combustion secondaire, un dispositif constituant une zone réceptrice de cendres sèches et situé au pied de ce pas- sage descendant, un dispositif délimitant un passage montant qui communique avec le passage descendant près de cette zone, et des tubes faisant partie des surfaces de chauffe de la chau- dière et disposés en travers du trajet des gaz dans ce passage montant.
L'invention vise en outre un générateur de vapeur de grande capacité à gamme de régimes étendue, agencé pour fonctionner au combustible solide finement divisé, qui compor- te un foyer comprenant une chambre d'allumage tapissée de tubes à fluide couverts de matière réfractaire non métallique et une chambre de combustion à surfaces de démarcation comprenant des tubes à fluide nus, un surchauffeur, des tubes à fluide consti- tuant une paroi protégeant le surchauffeur du foyer et contri- @
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buant à délimiter un long passage de gaz dont les parois absorbent la chaleur, transmise par rayonnement, dans une mesure telle que le surchauffeur soit convenablement protégé par ce passage de gaz contre une chauffe exagérée lorsqu'il fonctionne à pleine charge.
De plus, l'invention vise un générateur de vapeur comportant des tubes de parois agencés de manière que la majeure partie de la vapeur y soit engendrée, un foyer délimité par certains des tubes de paroi, un surchauffeur comprenant un faisceau de tubes étroitement espacés destinés à absorber plus de 20% de la chaleur totale absorbée par vaporisation et surchauffe et à fournir de la vapeur à une température totale dépassant 900 F., et un dispositif pour brûler dans le foyer un combustible produisant des mâchefers,
certains de ces tubes de paroi étant disposés de manière à constituer un passage à refroidissement de gaz de foyer menant du foyer au surchauffeur afin que les particules de mâchefers emportées en suspension se refroidissent dans ce passage à un degré où elles ne sont plus humides principalement sous l'eff'et de la transmission de chaleur rayonnante à ces parois.
Une forme d'exécution du générateur de vapeur à combustible pulvérisé, conforme à l'invention, comprend un foyer à tubes de paroi à fluide couverts d'une matière réfractaire non'métallique, une section de convection contenant un surchauffeur situé à l'entrée de gaz dans cette section, ou près de cette entrée, une chambre de rayonnement à paroi refroidies par un fluide située entre le foyer et la section de convection, un dispositif pour recueillir les mâchefers fondus du foyer et un dispositif pour recueillir les cendres sèches ou sensiblement sèches de la chambre de rayonnement. Le foyer est à flamme descendante et est divisé en un passage descendant
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et un pas.sage montant par une chicane refroidie par un fluide.
On décrira l'invention ci-après à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
Fig. 1 est une coupe verticale montrant une chaudière à vapeur construite conformément aux principes de l'invention.
Fig. 2 est une coupe verticale suivant la ligne 2-2 de la Fig. l, montrant une coupe du foyer.
Fig. 3 est une coupe verticale suivant la ligne 3-3 de la Fig. 1 et elle montre la disposition des tubes et les agencements pour le réglage de la surchauffe dans la section d convection de la chaudière.
Fig. 4 est une coupe horizontale faite suivant la ligne 4-4 de la Fig. 1.
Fig. 5 est une coupe horizontale partielle faite suivant la ligne 5-5 de la Fig.l et représentant la disposition des tubes placés en travers de la sortie de gaz de foyer de la chambre d'allumage.
Fig. 6 est une coupe partielle suivant la ligne 6-6 de la Fig.l, représentant la disposition des tubes dans l'écran. mélangeur de gaz compris entre les passages à absorption de chaleur rayonnante.
Fig. 7 est une vue de détail, en coupe transversale, d'une des chicanes pare-mâchefers indiquées sur la Fig. 5.
Fig.8 est une vue de détail, en coupe horizontale, montrant la construction de la paroi garnie de réfractaire de la chambre d'allumage du foyer.
Fig. 9 est une vue de détail, en coupe horizontale partielle, montrant la construction de la paroi séparant les passages à absorption de chaleur rayonnante.
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Fig. 10 est une coupe verticale montrant la construction des colonnes constituées par les tubes de descente de la chaudière pour supporter le corps 50.
Fig. 11 est une coupe transversale, à plus grande échelle, faite suivant la ligne 11-11 de la Fig.10 et montrant la construction des colonnes à tubes de descente.
Fig. 12 est une coupe verticale montrant une forme d'exécution additionnelle de l'invention.
Fig. 13 est une coupe verticale suivant la ligne 13-13 de la Fig. 12.
Fig. 14 est une vue de détail, en coupe horizontale suivant la ligne 14-14 de la Fig.12, montrant la construction des tubes de paroi présentant une face réfractaire céramique à la chambre d'allumage et une face métallique à la première chambre à absorbtion de chaleur rayonnante.
Fig. 15 est une vue de détail montrant la disposition des tubes-écran garnis de réfractaires situés à la sortie de la chambre d'allumage, la coupe étant faite suivant la ligne 15-15 de la Fig.12.
Fig.16 est une vue en élévation schématique montrant la disposition des collecteurs de l'économiseur et du surchaud- feur.
Fig. 17 est une vue en élévation montrant un second groupe de galets servant à supporter le corps inférieur.
Une chaudière à vapeur comporte une partie à dégagement de chaleur dans laquelle on brûle du combustible et une partie à absorption de chaleur, utilisant la chaleur dégagée. Chacune de ces parties doit évidemment remplir ses propres objectifs, mais dans une chaudière rationnelle les effets de ces parties doivent être coordonnés. Afin que la combustion
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soit la plus efficace au cours du dégagement de chaleur, les températures de chambre de combustion doivent être aussi élevées que possible en tenant compte de l'aptitude des parois de la chambre de combustion à résister à un endommagement par les flammes et les gaz du foyer à des températures élevées.
Non seulement les températures élevées accélèrent la combustion, mais encore elles procurent la possibilité de diminuer la grandeur de la chambre de combustion requise pour assurer une combustion complète. Quand on brûle des combustibles produisant des cendres, la température voulue du foyer est au-dessus du point de fusion des cendres, et quand on emploie comme combustible du charbon pulvérise la fusion des cendres se produit en suspension dans les gaz. Une partie des mâchefers qui en résultent adhère aux parois du foyer et tombe sur le fond du foyer par gravité ou par inertie par suite d'un changement de direction du courant gazeux, mais il y a toujours un peu de mâchefers emportés en suspension que les gaz entrainent au-delà des flammes du combustible brûlant.
Pour assurer l'absorption la plus efficace de la chaleur des gaz de foyer au-delà des flammes du combustible brûlant,la chaudière représentée à titre d'exemple utilise des faisceaux de tubes disposés en travers du trajet des gaz de foyer. Certains de ces tubes conduisent de la vapeur en voie de surchauffe et ils sont représentés sur la Fig. 1 des dessins annexés par le surchauffeur 12. La Fig. 12 montre un surchauffeur analogue 16. D'autre faisceaux de tubes disposés de manière analogue constituent les économiseurs 10, 14, 191 et 192 des chaudières représentées respectivement sur les Figs. 1 et 12 des dessins annexés.
Afin que Inefficacité de ces tubes, et notamment des tubes inférieurs des surchauffeurs,
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puisse être maintenue à son maximum, il faut les conserver exempts de dépôts sur leurs faces orientées vers les gaz. Il est aussi nécessaire que la température des gaz de foyer venant en contact avec les tubes du surchauffeur soit dans,les limites admissibles, La température des gaz ne doit pas être assez élevée pour endommager ces tubes.
Des considérations ci-dessus on conclut que si l'on veut obtenir la coordination la plus efficace entre la partie de la chaudière à dégagement de chaleur et sa partie à absorption de chaleur, il est nécessaire d'abaiser la température des gaz de foyer entre les flammes de foyer et le surchauffeur.
En outre quand on emploie et on brûle dans un royer à température élevée un combustible pulvérisé, les gaz quittant le foyer emportent en suspension des mâchefers fondus et il faut abaisser la température de ces mâchefers afin qu'ils se solidifient avant d'avoir atteint un faisceau de tubes chauffés par convection, peu importe que ceux-ci contiennent de l'eau ou de la vapeur. Si l'on n'y veillait pas, les mâchefers se solidifieraient sur les tubes du faisceau et diminueraient la capacité d'absorption de chaleur. De plus, ces dépôts s'accumuleraient jusqu'à ce que la section de passage de gaz entre les tubes soit diminuée ou complètement obstruée.
Il est évident que non seulement pareils effets amèneraient une diminution de la capacité d'engendrer la vapeur, mais qu'encore, s'ils continuaient à s'exercer, ils obligeraient à éteindre la chaudière pour permettre de la décrasser.
L'invention procure une chaudière à vapeur comportant des dispositifs coopérant entre eux pour maintenir une haute température de foyer et pour abaisser efficacement la température des gaz de foyer au-delà du foyer et de l'extrémité
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de la flamme à un degré tel qu'ils n'endommagent pas le surchauffeur. Elle procure en outre un abaissement de la température des gaz tel que les mâchefers en suspension se solidifient avant d'arriver au surchauffeur, et cet abaissement de la température des gaz et des mâchefers qu'ils transportent est produit sans l'interposition, en regard du surchauffeur, d'un faisceau de tubes chauffés par convection. Par suite, on peut brûler comme combustible, en toute sécurité, du charbon pulvérise.
Pour maintenir des températures de foyer élevées dans de larges limites de fonctionnement de la chaudière, il est prévu une chambre d'allumage 22 d'un volume relativement .petit.De préférence, cette chambre a une surface de paroi relativement grande par unité de volume de foyer. Comme autre caractéristique conduisant à de hautes températures de foyer, on constitue la chambre d'allumage à l'aide de parois qui présentent au combustible brûlant des faces réfractaires non métalliques. Une telle paroi est représentée sur la Fig. 8 des dessins annexés. Elle comprend les tubes de paroi 24 garnis de saillies soudées à ces tubes et disposées sur les faces des tubes, orientées vers le foyer, pour maintenir une couche réfractaire de matière céramique 28 qui constitue la face du foyer.
Cette matière réfractaire est chauffée à l'incandescence pendant le fonctionnement du foyer de manière à rayonner de la chaleur de manière continue vers les gaz et le combustible brûlant.
Une alimentation de combustible et d'air appropriée et un appareillage opérant convenablement leur mélange contribuent aussi à assurer des températures de foyer .élevées. De préférence l'appareillage comporte des brûleurs à flamme descendante 30, comme représenté sur la Fig. 1 des dessins annexés
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De l'air secondaire est envoyé aux brûleurs par la tuyauterie 52 qui communique avec la chambre 34 entourant les brûleurs.
Cet appareillage de combustion permet de commander efficace- ment la longueur de la flamme de manière que la chambre d'i- gnition soit remplie de flammes, et grâce à cette orienta- tion verticale des flammes on obtient les avantages d'une combustion rapide et complète et d'un grand débit d'énergie entrante par pied de largeur du foyer ainsi qu'unenotable fluidité des cendres à évacuer. En outre, on peut employer des charbons qui ont une température de fusion allant jusque 2700 F. Les conditions de combustion ainsi réalisées impli- quent des températures de foyer excessivement élevées malgré la grande quantité d'eau de refroidissement des parois em- ployées pour protéger les parois contre un endommagement, et elles ont pour effet une température élevée correspondante des gaz quittant le foyer.
La paroi à tubes munis de saillies et garnis de réfractaire de la chambre d'ignition supporte avec succès ces températures de foyer élevées, et par suite la partie du foyer dans laquelle se produit la combustion n'a pas besoin d'être plus grande que c'est nécessaire pour une combustion sensiblement complète. La quantité de chaleur libérée dans la chambre d'ignition est si grande qu'elle por- te la quantité totale de chaleur libérée dans le foyer entier (y compris les passages ouverts) à 47.800 unités B.t. par pied cube et par heure à un régime de chaudière normal de 300.000 livres de vapeur par heure.
Au-delà de la chambre d'allumage 22 sont aménagés des dispositifs pour abaisser la température des gaz allant de cette chambre à un faisceau de tubes tel que celui consti- tuant le surchauffeur 12, et une quantité prédominante de chaleur absorbée entre le surchauffeur et la chambre d'allu-
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mage est transmise aux parois des passages intermédiaires par rayonnement. De cette façon, on peut adopter toute forme de faisceau de tubes convenant le mieux pour absorber la cha- leur. Le faisceau de tubes n'est pas endommagé par suite d'une température exagérée des gaz, et la capacité du faisceau de tubes d'absorber la chaleur n'est point diminuée par l'accu- mulation de dépôts solides sur les tubes du faisceau.
Your utiliser le rayonnement des gaz en vue de re- froidir les gaz pendant qu'ils circulent entre l'extrémité des flammes et le faisceau de tubes, il est prévu un passage d'une longueur telle que l'absorption de la chaleur transmise par rayonnement soit aidée. Les parois de ce passage sont de préférence refroidies au moyen de tubes d'eau.
Les gaz de foyer ont des constituant qui rayonnent de la chaleur et les principaux de ces constituants sont l'anhydride carbonique, la vapeur d'eau et les particules so- lides en suspension. Ces particules solides peuvent être des particules de poussière ou des particules de cendre à l'état fondu ou non, au-delà de la flamme. Les constituants rayon- nants des gaz peuvent aussi comprendre des particules de car- bone ou des hydrocarbures contenus dans la flamme.
Pour une teneur donnée en ces constituants à rayon- nement de chaleur et pour une température donnée des gaz, un courant de gaz rayonne de la chaleur vers les solides à une allure par pied carré de paroi qui augmente, dans certaines limites, avec l'épaisseur moyenne du courant gazeux. 'Au-delà d'une certaine épaisseur, l'accroissement de l'allure de rayonnement est négligeable et par conséquent on construit la chaudière, de préférence, de manière que l'épaisseur du courant gazeux soit comprise dans certaines limites.
En cons- truisant la chaudière de façon que le courant gazeux ait une @
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section transversale appropriée et une longueur adéquate à cette section transversale, on assure que les gaz produisent un rayonnement suffisant pour abaisser leur température au degré voulu avant que les gaz arrivent au faisceau de tubes.
De préférence, le courant gazeux a un profil transversal d'un grand périmètre par unité de section transversale du courant.
Il est avantageux que le courant gazeux ait une section transversale rectangulaire et que le rectangle ait une longueur beaucoup supérieure à sa largeur. Ainsi, de préférence, les parois des chambres ou passages à absorption de chaleur 36 et 38 sont disposées de manière à avoir la section transversale plus particulièrement indiquée sur la Fig. 4 des dessins annexés. Il est à noter que l'allure d'absorption de chaleur rayonnante peut être accélérée dans les chambres 36 et 38 en augmentant la proportion des périmètres totaux de tous les tronçons de la section de passage de ces chambres. On peut atteindre ce but en aménageant une série de cloisons refroidies par un fluide, qu'on dispose transversalement aux chambres rectangulaires 36 et 38.
Une pareille construction augmenterait le rayonnement par pied de trajet de gaz et permettrait de raccourcir ce trajet, mais avec 1'une ou l'autre de ces formes d'exécution de chambres pour ! 'absorption de la chaleur des gaz on peut construire des chambres d'une longueur suffisante pour produire l'abaissement voulu de la température des gaz par rayonnement.
Il est entendu, évidemment, que le courant gazeux circulant entre la flamme et le premier faisceau de tubes à convection balaye les parois, refroidies à l'eau, des chambres à absorption de chaleur et que les gaz perdent par après une certaine quantité de chaleur par convection en plus de la chaleur perdue par rayonnement, mais on ne compte pas sur cette convection pour refroidir adéquatement les gaz,
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étant donné que pour y réussir il faudrait des passages anor- malementlongs ou des passages si étroits qu'ils recueilleraient des dépôts provenant des combustibles solides. Ces accumulations diminueraient l'allure du transport de chaleur et imposeraient des pertes de tirage excessivement élevées.
Pour ,rendre le plus efficaces les conduits ou passages à rayonnement de chaleur 36 et 38, il est prévu des dispositifs pour limiter le rayonnement allant de la chambre d'allumage à température élevée 22 aux gaz circulant dans ces conduits. On le fait aussi parce que ce rayonnement limiterait le refroidissement dans ces conduits, étant donné que les constituants qui rayonnent la chaleur depuis les parois du conduit absorbent la chaleur rayonnée sur eux. A cet effet, on choisit une disposition du ou des conduits de gaz par rapport à la sortie de gaz de la chambre d'allumage, telle que la grandeur de la masse de gaz dans un conduit et la surface de la paroi du conduit soumise à la radiation directe de la chambre d'allumage soient réduites au minimum.
Ceci est illustré par la construction représentée sur la Fig. 1 des dessins annexés, où la sortie de gaz 40 de la chambre d'ignition 22 est située au fond de cette chambre où elle est traversée par des constructions protectrices garnies de réfractaire, comme celles indiquées en 42 à 44 sur la Fig. 5 des dessins annexés. Ces constructions sont constituées en cintrant les tubes de la paroi 46 de manière qu'ils soient groupés comme représenté. La sortie 40 est aussi disposée à l'extrémité inférieure du passage à absorption de chaleur 36 et à l'endroit le plus étroit de ce passage, et le passage 38 est protégé par la paroi 48 contre un rayonnement de chaleur direct provenant de la chambre d'allumage 22.
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Au fond de la chambre d'allumage 22 du foyer indiqué sur la Fig. 1 est disposée la sole 53 du foyer qui est refroidie par les tubes de sole 52 communiquant directement avec les collecteurs 54 et le corps 56 et intercalés par l'intermédiaire de celui-ci dans la circulation de la chaudière. La sole du foyer est couverte de matière réfractaire 55, de sorte qu'un amas de mâchefers fondus peut se maintenir au fond du foyer. Les mâchefers recueillis sont périodiquement évacués par l'ouverture 58.
Les brûleurs à flamme renversée 30 dirigeant les gaz sur lamas de mâchefers fondus se trouvant au fond du foyer ont pour effet de réduire au minimum la quantité de mâchefers emportés par les gaz qui sortent de la chambre d'allumage du foyer. La quantité de particules de mâchefers contenues dans les gaz entrant dans la chambre 36 de la chambre d'allumage 22 est aussi diminuée par l'effet des constructionsprotectrices 42 à 44. Comme spécifié ci-dessus, ces constructions sont constituées par des prolongements de tubes 60 délimitant la paroi 46, et ces prolongements comportent des saillies métalliques 62 disposées comme indiqué sur la Fig. 7 et agencées pour retenir sur, les tubes une garniture réfractaire. En raison des températures élevées du foyer, ce réfractaire est maintenu à l'état incandescent et adhérent.
Par suite, les constructions 42 à 44 ont pour effet de maintenir des particules de mâchefers à l'état fondu, si bien que les mâchefers fondus se déposant sur elles retournent par gravité à l'amas liquide de mâchefers situé au fond de la chambre d'allumage. Certains des tubes de la paroi 46 ont des prolongements 64 qui sont cintrés en dehors de leur alignement formant paroi encore plus qu'aucun des autres tubes, comme
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indiqué sur les Figs. 1 et 5 des dessins annexés.
Vu que les faces de foyer des tubes d'eau des pa- rois de la chambre d'allumage sont de préférence garnies d'un . réfractaire non métallique pour réduire au minimum les pertes de chaleur et propager de hautes températures de foyer, et étant donné qu'il est très'important d'aider une rapide ab- sorption de chaleur par rayonnement de chaleur des gaz aux surfaces métalliques nues des parois du conduit à .rayonnement de chaleur 36, il est préférable que la paroi 46 séparant la chambre d'allumage de la chambre-conduit 36 soit conformée de manières différentes sur ses faces opposées. Cette construc- tion de la paroi est représentée sur la Fig. 14. Elle com- prend les tubes 70 présentant des faces métalliques nues d'un côté de la paroi et la face réfractaire non métallique 72 du côté opposé de la paroi.
De ce côté-ci la paroi résiste à l'absorption de chaleur et du côté opposé elle favorise l'absorption de chaleur. La matière réfractaire bouche les intervalles entre les tubes et elle est maintenue en place par un montage de tubes à saillies tel que celui représenté plus en détail sur la Fig. 7.
Les tubes délimitant la paroi 46 et l'écran protec- teur mélangeur de gaz disposé en travers de la sortie 40 de la chambre d'allumage 22 sont représentés comme étant en com- munication à leurs extrémités inférieures, avec le corps 56 ' et, à leurs extrémités supérieures, 'avec le collecteur 74.
D'autres tubes de la paroi du foyer raccordent directement entre eux les collecteurs 74 et 54 et sont disposés suivant le ciel 76 et la paroi 78 de la chambre d'allumage. Les parois restantes de cette chambre sont refroidies par des tubes de paroi disposées de manière analogue qui communiquent avec des
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collecteurs supérieur et inférieur intercalés de manière analogue dans la circulation de fluide de la chaudière.
L'amas liquide de mâchefers maintenu sur la sole 53 du foyer reçoit les mâchefers fondus descendant des parois du foyer et il receuille aussi les particules de mâchefers directement de la chambre à gaz. Le changement de direction des gaz passant de la chambre d'allumage 22 à la chambre d'absorption de chaleur (ou conduit à rayonnement de gaz) 36 tend à séparer des gaz, par inertie, les particules de mâchefers. Certaines de ces particules de mâchefers se rassemblent sur les écrans 42 et 44 des tubes-écrans de chaleur rayonnante et sur la partie inférieure de la paroi 48 du conduit ou chambre de rayonnnement de gaz 36. Dans la chaudière représentée, tous ces mâchefers confluent dans l'amas de mâchefers liquide maintenir sur la sole 53 du foyer.
On endommagement du corps 56 et de ses raccords tubulaires par ces mâchefers descen- dants est empêché par une masse de matière réfractaire 80 garnissant une partie du corps.
La paroi 48 comporte des tubes 82 et 84 communiquant directement avec les corps 50 et 56, les tubes 84 étant cintrés à leurs extrémités supérieures en dehors de leur alignement formant paroi, de manière à diminuer les pertes de tirage quand les gaz passent de la chambre d'absorption de chaleur 36 à la chambre 38. En-dessous de la partie cintrée des tubes 84, la paroi 48 est complétée par des saillies métalliques 86 et une matière réfractaire 88 (voir Fig.9) qui bouchent les intervalles entre les tubes. Comme le montre la Fig. 9, cette matière réfractaire laisse nus les flancs des tubes, ce qui favorise une vive allure d'absorption de chaleur des gaz par les chambres 36 et 38.
La paroi arrière 90 de la chambre d'absorption de
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chaleur 38 peut avoir une construction analogue à celle de la paroi 48 et elle comporte des tubes communiquant directement avec le corps 50 et le collecteur 92. Celui-ci peut être supporté par les tubes de la paroi 90, qui sont suspendus une partie de la construction en acier par des barres 94 reliées à des plaques 96 directement soudées aux tubes. De l'eau est envoyée au collecteur 92 par les tubes 98 qui à leurs extrémités inférieures communiquent avec le collecteur 100. Celui-ci est raccordé par une série de tubes de descente 102 à la chambre d'eau du corps de vapeur et d'eau 104 et le raccordement à circulation est maintenu entre le collecteur 100 et le corps 56 par les tubes 106 qui sont disposés en-dessous du passage descendant 38 et au-dessus du passage montant 108.
Les tubes 106 agissent sur toutes les particules de cendre venant en contact avec eux, de manière qu'elles soient refroidies et qu'elles puissent s'accumuler afin d'être enlevées du fond incliné 110 de la trémie 112. On peut éliminer continuellement ou périodiquement ces accumulations de cendres en les faisant passer par la sortie 114 au caniveau à vanne 116.
Au sujet du rassemblement de cendres sèches dans la trémie 112, il est à noter que les particules de cendres contenues dans les gaz dans la chambre 38 avancent de haut en bas dans la trémie. Par suite, elles se déposent dans une notable mesure en raison de leur inertie et on augmente ce dépôt en faisant virer les gaz dans le passage montant 108 et par l'effet des tubes 106 et 98 dans la zone de virage des gaz. Comme le montre la Fig. 4, la vitesse de descente des cendres juste au-dessus de la trémie 112 est augmentée par une diminution de la largeur de la chambre 38.
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La Fig. 1 montre un surchauffeur et un économiseur comprenant des faisceaux de tubes disposés en travers de la circulation de gaz dans le passage montant 108. Les sections de surchauffeur et d'économiseur sont du type à tubes continus et peuvent être drainées. Comme indiqué, le surchauffeur 12 comporte un collecteur d'entrée 118 raccordé par des tubes 120 à la chambre de vapeur du corps 104. Depuis le collecteur, les tubes de surchauffeur s'étendent en zig-zag transversalement au passage de gaz et sont connectés, à leur extrémité de sortie, au collecteur 122. Un montage des;sections d'économiseur et des sections de surchauffeur est représenté à titre d'exemple sur la Fig. 16 des dessins annexés.
Sur cette figure, une partie de la section 14 de l'économiseur et une section d'économiseur distincte 204 sont logées dans la dérivation de réglage de surchauffe 206 constituée par la paroi du passage de gaz et la paroi de séparation 172. De l'eau d'alimentation entre dans le collecteur 126 et va par les tubes de la section d'économiseur 14 au collecteur 128. D'une des extrémités du collecteur la circulation est dirigée par les tubes descendants 208 vers le collecteur 210. De ce collecteur l'eau, ou l'eau et la vapeur, montent par les tubes en boucle 212 pour aller au collecteur 214. De ce collecteur la circulation se dirige vers le collecteur 130 par les tubes 216. Du collecteur 130 l'eau, ou l'eau et la vapeur, montent par les tubes de la section d'économiseur 10 pour aller au collecteur 124. Celui-ci est raccordé au corps 104 par les tubes montants 218.
Aux faibles charges, on diminue la quantité de gaz balayant les tubes de la section d'économiseur 204 et la partie de la section 14 située dans la dérivation 206,une surface d'économiseur suffisante étant procurée par le section
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10 et la partie de la section 14 qui est en contact avec les gaz du foyer dans la partie principale du passage de gaz 108.
Les flèches 220 et 222 indiquent le trajet descendant de l'eau dans la section d'économiseur 14, et la flèche 224 indique le trajet montant de l'eau dans la section d'économiseur 204. De même, les flèches 226 indiquent un trajet d'eau montant dans la section d'économiseur 10.
Comme le montre la Fig. 16, le collecteur 122 est le collecteur de sortie pour le surchauffeur, le trajet de vapeur étant descendant ainsi que l'indiquent les flèches 228.
Tant les tubes de surchauffeur que les tubes d'économiseur sont de petit diamètre, leur diamètre extérieur étant de l'ordre de 50 mm. Ils sont aussi faiblement espacés,l'écartement de centre en centre étant de l'ordre de 75 mm. Leur écartement mesuré longitudinalement par rapport au passage de gaz peut être un peu plus grand, mais de préférence il ne dépasse pas 100 mm.
Les boucles successives des tubes du surchauffeur et des tubes de l'économiseur sont convenablement reliées entre elles par des montants métalliques 132. On peut employer ces montants dans les zones à plus basse température, mais entre les tubes d'économiseur et tubes de surchauffeur successifs des zones à température plus élevée, c'est-à-dire des zones de tubes entrant les premiers en contact avec les gaz de foyer, les tubes successifs sont de préférence reliés par des assemblages à suspension coulissante pour compenser le degré de dilatation et de contraction plus élevé de ces tubes. Ces assemblages à suspensions coulissantes sont représentés dans le brevet n 417.669.
De toute façon, les boucles successives des économiseurs et des surchauffeurs sont
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reliées entre elles de manière à constituer des serpentins plats disposés verticalement. Ces serpentins sont supportés par des brides 134 soudées aux tubes 102 d'un côté du passage de gaz 108 et par des brides 136 soudés aux tubes de la paroi 90. Des brides 138 et 139 coopérant entre elles sont soudées aux boucles supérieures des serpentins du sùrchauffeur.
Après avoir traversé l'économiseur et le surchauffeur, les gaz de foyer traversent les tubes de circulation 144 qui raccordent directement entre eux les corps 50 et 104. Le cameau 146 est situé au-dessus des tubes de circulation 144, et les gaz parcourant ce carneau peuvent être commandés par un registre 148.
Tous les tubes décrits ci-dessus qui raccordent le corps 56 au corps 50 sont des tubes de montée débitant de la vapeur et de l'eau au corps 50. Les tubes de descente pour les corps 50 et 56 sont indiqués plus particulièrement sur les figs 3, 10 et 11 des dessins annexés. Ces tubes 150 sont de grand diamètre et ils ont des parois épaisses, comme indiqué clairement sur la Fig. 11. Ils sont de préférence disposés par groupes de quatre aux extrémités opposées des corps et ils sont reliés entre eux par des montants ou treillis 152 soudés ; comme indiqué sur la Fig. 11. Ils doivent constituer des colonnes qui supportent le corps 50 en prenant appui sur le corps 56. Ces colonnes sont situées à l'extérieur de la chaudière et elles ne sont pas en contact avec les gaz du foyer.
Les tubes de chaque colonne sont gainés d'une matière isolante 154.
Chacune des colonnes 156 constituées par les tubes 150 transmet une partie de la charge du corps supérieur 50 au corps inférieur 56 et, de celui-ci, à des socles 158 supportés par les poutres 160 qui constituent une partie de la
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charpente d'acier de la chaudière. Les collecteurs 54 et 100 sont supportés de manière analogue par des socles reposant sur des poutres analogues, et les socles ou selles pour le collecteur 54 et le corps 56 peuvent être montés sur galets de manière que lorsque les tubes 106 et 54 se dilatent longitudinalement, il ne se produise point de tensions excessives dans les éléments du foyer ou de la chaudière.
La Fig. 10 montre le socle 158 supporté au moyen de galets sur la poutre 160, deux séries de galets 162 et 163 étant disposéesperpendiculairement l'une à l'autre, et des galets 164 et 165 disposés de manière analogue supportent le collecteur 54.
Le corps est directement raccordé au collecteur 74 par une rangée intérieure de tubes 166 et par une rangée extérieure 168, et les intervalles entre les tubes 166 peuvent être bouchés par un assemblage de tubes à saillies et de réfractaire analogue à celui indiqué sur la Fig. 9 des dessins annexés. Certains de ces intervalles sont laissés ouverts pour constituer des regards par lesquels on puisse introduire des ringards .au cas où des mâchefers s'accumuleraient indésirablement sur les tubes 82 et 84. Ces regards sont indiqués en 107. Des portes, non représentées sur les dessins, les ferment normalement.
Il est prévu des dispositions pour régler la surchauffe, qui comprennent le carneau à gaz de dérivation 206 délimité par la séparation verticale 172 allant de l'avant à l'arrière et parallèle aux tubes d'économiseur et de surchauffeur situés dans le passage de gaz 108. De préférence, cette séparation sépare environ 20% de ce passage de gaz pour constituer une dérivation régulatrice de surchauffe 206.
Comme spécifié ci-dessus, la dérivation 206 délimitée par
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cette séparation contient une section d'économiseur infé-' rieure 204 raccordée en série à un économiseur supérieur à contrecourant 14 et l'économiseur intermédiaire à équicourant 10. L'économiseur inférieur 204 est aussi un économiseur à équicourant. On règle la surchauffe au moyen des registres 178 et 180 (Fig. 3) qui sont disposés à la partie supérieure de la dérivation. Les registres doivent être ouverts pour la pleine charge de la chaudière de manière qu'une quantité maximum de gaz de foyer passe sur l'économiseur inférieur 204, et aux faibles charges ils peuvent 'âtre fermés.
La forme d'exécution de l'invention, représentée sur les Figs. 12 et 13 des dessins annexés est analogue, sous beaucoup de rapports, à la forme d'exécution indiquée sur la Fig. 1, mais elle en diffère du fait qu'on y aménage une chambre de refroidissement de gaz 186 s'évasant de bas en haut. Elle comprend aussi une chambre d'allumage 188 évasée de haut en bas, mais élimine un des corps supérieurs, le corps 190 étant substitué aux corps 50 et 104. La section supérieure à contrecourant 191 de l'économiseur s'étend sur toute l'ouverture transversale du passage de gaz, tandis que la section intermédiaire à équicourant 192 n'occupe qu'une partie de l'ouverture du passage de gaz, extérieure à la dérivation 194. Cette dérivation est délimitée par la séparation verticale 196 qui de préférence ne traverse pas la section 191.
On règle la surchauffe au moyen des registres 198 et 200.
Dans la dérivation est logée une section d'économiseur inférieure à équicourant 202. Le surchauffeur 16 s'étend sur une partie de l'ouverture du passage de gaz à l'extérieur de la dérivation.
Eh ce qui concerne le fonctionnement de la chau- diére, il est clair qu'une notable proportion de la chaleur
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libérée est absorbée avant que les gaz de foyer atteignent les tubes à convection et que l'absorption de chaleur se produit en deux phases. Durant la combustion, c'est-à-dire depuis le moment de l'allumage du combustible jusqu'au moment ou la combustion est complète, et suivant le trajet de circu- lation de gaz, depuis le point d'allumage jusqu'à 1'extrémité de la flamme, la chaleur absorbée par les parois du foyer peut 'être transmise principalement par le rayonnement de la flamme.
De plus, depuis l'extrémité de la flamme jusqu'au faisceau de tubes, suivant le trajet de circulation de gaz, la chaleur est absorbée par les parois des passages de gaz principalement par rayonnement.
Habituellement, on fait fonctionner les chaudières à vapeur dans des limites de charge étendues etla température des gaz change. En employant la chaudière représentée à titre d'exemple on maintient de bonnes conditions de fonctionnement dans des limites de charge plus étendues que celles qu'il est possible d'atteindre généralement, notamment dans les foyers à évacuation de mâchefers, brûlant du charbon pulvérisé. Avec ces foyers, pour une certaine fraction de la charge maximum, 1'.allure de dégagement de chaleur est trop lente pour permettre aux mâchefers de fondre en vue de l'élimination sous forme liquide. Plus chaud est le foyer en pleine charge, et plus petite est la charge fractionnelle pouvant être supportée sans interrompre l'élimination des mâchefers fondus.
Ceci s'obtient quand la surface de démarcation de la paroi d'eau est minjatunibour le volume du foyer et pour une longueur de flamme donnée, comme. dans les chaudières repré- sentées à titre d'exemple.
On peut construire ces chaudières de manière qu'en pleine charge la flamme ne pénètre pas de la chambre d'alluma-
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ge dans la première section du conduit ou chambre de rayonnement de gaz, mais de toute façon il faut donner au conduit de rayonnement de gaz une longueur suffisante, par rapport à la forme de sa section transversale, pour assurer un refroidissement suffisant des gaz par rayonnement avant qu'ils atteignent le faisceau de tubes.
D'autre part, on peut construire les chaudières de manière qu'à une faible charge l'extrémité de la flamme recule vers la zone d'allumage des brûleurs, entièrement hors du conduit de rayonnement de gaz dans lequel les flammes pénètrent en pleine charge. Dans ces conditions, la température du foyer est maintenue au degré d'intensité désiré par la flamme dans la zone d'allumage.
Dans les conditions de fonctionnement normales, la température des gaz de foyer à la sortie de la chambre d'allumage 22 de la chaudière représentée sur la Fig. 1 est d'environ 2880 F. Dans les mêmes conditions, les gaz viennent en contact avec les tubes inférieurs du surchauffeur à une température de l'ordre de 2250 F., ce refroidissement des gaz étant produit par la transmission de chaleur rayonnante des gaz aux parois des conduits ou chambres de rayonnement de gaz. La température des gaz est encore assez haute pour produire une température totale suffisamment élevée sans exiger une surface de surchauffe exagérée. Morne pour les surfaces de surchauffeur relativement peu étendues indiquées sur les dessins, on peut produire des surchauffes dépassant 900 F.
Une autre caractéristique des chaudières représentées,notamment de la chaudière montrée sur la Fig.l, est la proportion relativement grande de la chaleur totale absorbée dans la vapeur du surchauffeur. Si l'on suppose que la chaleur absorbée en vaporisant l'eau à la température de
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saturation et la chaleur de surchauffe combinées constituent un total, ou 100% de la chaleur absorbée, un pourcentage aussi élevé que 31,5% de ce total est absorbé au cours de la surchauffe.
Avec les chaudières décrites on assure à la combustion un rendement élevé avec un minimum d'accumulation de cendres sur les tubes faisant partie de la surface de convection de la chaudière. Les cendres sont captées dans une très large mesure et la grande fluidité des cendres permet de les évacuer dans de bonnes conditions. En outre, la perte de carbone est faible grâce au mélange efficace des gaz de foyer à des températures qui propagent la combustion.
REVENDICATIONS
1.- Générateur de vapeur à combustible pulvérisé, comprenant une section de convection précédée d'une section de rayonnement comportant un foyer équipé d'un dispositif pour recueillir les mâchefers fondus et des surfaces de rayonnement refroidies par un fluide destinées à refroidir les matières emportées du foyer par les gaz chauds, à un degré tel qu'elles puissent se déposer dans un accumulateur de cendres séches précédant la chambre de convection.
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Improvements to steam generators.
This invention relates to steam generators and relates more particularly to boilers arranged to operate at high steam pressures and associated with superheaters so that high total steam temperatures are reached.
To produce in high pressure steam boilers a high superheat temperature of the order of 925 F, the superheater must be in contact with the gases of the
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firebox at temperatures higher than those required for boilers operating at lower pressures and temperatures, so that a sufficient temperature difference is produced between the gases and the metal; otherwise the extent or area of the superheat surface required for these high total temperatures would be excessively large and expensive. In addition, the disturbance of the operation of such a superheater by an accumulation of bottom ash poses a problem of major importance when one burns in the hearth of the boiler fuels producing bottom ash.
It has been proposed to prevent these accumulations of bottom ash on the surface of the superheater by interposing between the hearth and the superheater a large amount of convection heating surfaces in the form of a bundle of water tubes, but these surfaces would not be used. for the purposes of the present invention since their use would not only result in excessively cooling the gases before they reach the superheated surface, but also involve the accumulation of large amounts of bottom ash on the surface itself. However, it is essential to install appropriate devices to act on the ash formed by the fuel.
At a pressure of, say, 1400 pounds per square inch, the temperature of saturated steam is about 588 F., and when the total temperature of steam supplied by such a boiler is on the order of 925 F., approximately 286 Bt units are absorbed by each pound of steam delivered.
This represents a significant amount of energy that can be devoted to useful work and must be contrasted with the results obtained for a boiler operating under a pressure of 600 pounds at a total temperature of 725 F. In the latter case, each
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pound of steam at a total temperature of 725 F. absorbs 160 B.t. units in the superheater. In this way, when operating at the high pressure and at the highest total temperatures mentioned, due to the superheating of the steam delivered, a quantity of energy higher by at least 70% is available.
Relatively high efficiency can be achieved by coordinating the superheater and the associated steam generating part of the boiler with the capacity of the furnace hearth so that the total steam temperature is kept near the Maximum limit imposed by the metal of the boiler. superheater or the metal of a turbine using steam. In the past it was difficult or impossible to achieve practically such high total temperatures because the temperature of the combustion gases was lowered as a result of their contact with a bundle of tubes heated by convection, disposed immediately upstream of the superheater.
With this arrangement, the temperature of the combustion gases coming into contact with the superheater is lowered to such an extent that a superheater of an excessively large area would have to be installed to produce such a high superheat. However, it is necessary to lower the temperature of the gases in the furnace to the degree suitable for their use by the superheater.
The present invention relates to a steam generator with pulverized fuel, comprising a convection section preceded by a radiation section comprising a hearth equipped with a device for accumulating molten bottom ash and radiating surfaces cooled by a fluid and intended to cool. materials carried away from the hearth by the hot gases to such an extent that they can be deposited in a
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collector for the dry contents, preceding the convection chamber.
The invention is also directed to a steam generator comprising a hearth which has a primary combustion chamber in which substantially all of the heat absorbed is transmitted by radiation to wall tubes interposed in the circulation of the boiler, a heat exchanger. device ensuring the combustion of the fuel in this chamber, a device comprising wall tubes delimiting a secondary combustion chamber in which the combustion gases flow from bottom to top from an outlet located at the lower part of the chamber. primary chamber, substantially all of the heat absorbed in the secondary chamber being transmitted by radiation to these wall tubes,
other wall tubes interposed in the boiler circuit and arranged to form a gas passage where the hearth gases flow from top to bottom from an outlet at the top of the secondary combustion chamber , a device constituting a receiving zone for dry ash and located at the foot of this descending passage, a device delimiting an ascending passage which communicates with the descending passage near this zone, and tubes forming part of the heating surfaces of the boiler. - Dière and arranged across the path of the gases in this up passage.
The invention further relates to a large capacity steam generator with an extended speed range, arranged to operate on finely divided solid fuel, which comprises a hearth comprising an ignition chamber lined with fluid tubes covered with non-refractory material. metal and a combustion chamber with demarcation surfaces comprising bare fluid tubes, a superheater, fluid tubes constituting a wall protecting the superheater of the hearth and contributing to
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buant to delimit a long gas passage, the walls of which absorb heat, transmitted by radiation, to such an extent that the superheater is suitably protected by this gas passage against excessive heating when operating at full load.
In addition, the invention relates to a steam generator comprising wall tubes arranged so that the major part of the steam is generated therein, a hearth delimited by some of the wall tubes, a superheater comprising a bundle of closely spaced tubes intended for to absorb more than 20% of the total heat absorbed by vaporization and superheating and to provide steam at a total temperature exceeding 900 F., and a device for burning in the hearth a fuel producing bottom ash,
some of these wall tubes being so arranged as to constitute a hearth gas cooled passage leading from the hearth to the superheater so that the slag particles carried in suspension cool in this passage to a degree where they are no longer humid mainly under the effect of the transmission of radiant heat to these walls.
One embodiment of the pulverized fuel steam generator according to the invention comprises a furnace with fluid wall tubes covered with a non-metallic refractory material, a convection section containing a superheater located at the inlet. gas in or near this section, a fluid-cooled walled radiation chamber between the hearth and the convection section, a device for collecting molten bottom ash from the hearth, and a device for collecting dry ash or substantially dry from the radiation chamber. The fireplace has a descending flame and is divided into a descending passage
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and a pas.seage ascending through a fluid-cooled baffle.
The invention will be described below by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a vertical section showing a steam boiler constructed in accordance with the principles of the invention.
Fig. 2 is a vertical section taken on line 2-2 of FIG. 1, showing a section of the hearth.
Fig. 3 is a vertical section taken on line 3-3 of FIG. 1 and it shows the arrangement of the tubes and the arrangements for the superheat control in the convection section of the boiler.
Fig. 4 is a horizontal section taken along line 4-4 of FIG. 1.
Fig. 5 is a partial horizontal section taken along the line 5-5 of Fig.l and showing the arrangement of the tubes placed across the firebox gas outlet of the ignition chamber.
Fig. 6 is a partial section taken on line 6-6 of FIG. 1, showing the arrangement of the tubes in the screen. gas mixer included between the radiant heat absorption passages.
Fig. 7 is a detail view, in cross section, of one of the slag baffles shown in FIG. 5.
Fig.8 is a detail view, in horizontal section, showing the construction of the wall lined with refractory of the ignition chamber of the hearth.
Fig. 9 is a detail view, in partial horizontal section, showing the construction of the wall separating the passages for absorbing radiant heat.
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Fig. 10 is a vertical section showing the construction of the columns constituted by the down pipes of the boiler to support the body 50.
Fig. 11 is a cross section, on a larger scale, taken along line 11-11 of Fig. 10 and showing the construction of the downpipe columns.
Fig. 12 is a vertical section showing an additional embodiment of the invention.
Fig. 13 is a vertical section taken on line 13-13 of FIG. 12.
Fig. 14 is a detail view, in horizontal section taken along line 14-14 of Fig. 12, showing the construction of the wall tubes having a ceramic refractory face to the ignition chamber and a metallic face to the first absorption chamber. of radiant heat.
Fig. 15 is a detail view showing the arrangement of the screen tubes lined with refractories located at the outlet of the ignition chamber, the section being taken along line 15-15 of FIG. 12.
Fig. 16 is a schematic elevational view showing the arrangement of the economizer and superheater manifolds.
Fig. 17 is an elevational view showing a second group of rollers serving to support the lower body.
A steam boiler has a heat release part in which fuel is burned and a heat absorption part, using the heat released. Each of these parts must obviously fulfill its own objectives, but in a rational boiler the effects of these parts must be coordinated. So that the combustion
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is most efficient during heat generation, combustion chamber temperatures should be as high as possible taking into account the ability of the combustion chamber walls to withstand damage by flames and combustion gases at high temperatures.
High temperatures not only accelerate combustion, but also provide the ability to decrease the size of the combustion chamber required to ensure complete combustion. When burning ash-producing fuels, the desired temperature of the hearth is above the ash melting point, and when pulverized coal is used as fuel the ash melting occurs in suspension in the gases. Some of the resulting bottom ash adheres to the walls of the hearth and falls to the bottom of the hearth by gravity or inertia as a result of a change in direction of the gas flow, but there is still some bottom ash carried in suspension that the gases carry over flames of burning fuel.
To ensure the most efficient absorption of heat from the hearth gases beyond the flames of the burning fuel, the exemplary boiler uses tube bundles arranged across the path of the hearth gases. Some of these tubes conduct overheating steam and they are shown in Fig. 1 of the accompanying drawings by the superheater 12. FIG. 12 shows a similar superheater 16. Further bundles of tubes arranged in a similar manner constitute the economizers 10, 14, 191 and 192 of the boilers shown respectively in Figs. 1 and 12 of the accompanying drawings.
So that the inefficiency of these tubes, and in particular the lower tubes of the superheaters,
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can be maintained at its maximum, they must be kept free of deposits on their faces facing the gases. It is also necessary that the temperature of the combustion gases coming into contact with the tubes of the superheater is within the permissible limits. The temperature of the gases must not be high enough to damage these tubes.
From the above considerations it is concluded that if one wants to obtain the most effective coordination between the part of the boiler with heat release and its part with heat absorption, it is necessary to lower the temperature of the combustion gases between the fireplace flames and the superheater.
In addition, when pulverized fuel is used and burned in a royer at high temperature, the gases leaving the hearth carry away molten bottom ash in suspension and the temperature of these bottom ash must be lowered so that they solidify before having reached a bundle of tubes heated by convection, it does not matter whether they contain water or steam. If this is not done, the bottom ash will solidify on the bundle tubes and decrease the heat absorption capacity. In addition, these deposits would accumulate until the gas passage section between the tubes is reduced or completely blocked.
It is obvious that not only would such effects lead to a decrease in the capacity to generate the steam, but also, if they continued to be exerted, they would make it necessary to turn off the boiler to allow it to be cleaned.
The invention provides a steam boiler having cooperating devices to maintain a high hearth temperature and to effectively lower the temperature of the hearth gases beyond the hearth and end.
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flame to such a degree that they do not damage the superheater. It also provides a lowering of the temperature of the gases such that the slag in suspension solidifies before reaching the superheater, and this lowering of the temperature of the gases and slag that they transport is produced without the interposition, opposite superheater, a bundle of tubes heated by convection. As a result, pulverized coal can be safely burned as fuel.
To maintain high hearth temperatures within wide boiler operating limits, an ignition chamber 22 of relatively small volume is provided. Preferably, this chamber has a relatively large wall area per unit volume. of focus. As another feature leading to high hearth temperatures, the ignition chamber is formed with the aid of walls which have non-metallic refractory faces to the burning fuel. Such a wall is shown in FIG. 8 of the accompanying drawings. It comprises the wall tubes 24 lined with projections welded to these tubes and arranged on the faces of the tubes, oriented towards the hearth, to maintain a refractory layer of ceramic material 28 which constitutes the face of the hearth.
This refractory material is heated with incandescence during the operation of the fireplace so as to radiate heat continuously to the gases and the burning fuel.
A proper supply of fuel and air and equipment for properly mixing them also helps to ensure high hearth temperatures. Preferably, the apparatus comprises descending flame burners 30, as shown in FIG. 1 of the accompanying drawings
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Secondary air is sent to the burners through the piping 52 which communicates with the chamber 34 surrounding the burners.
This combustion apparatus allows effective control of the length of the flame so that the ignition chamber is filled with flames, and by virtue of this vertical orientation of the flames the advantages of rapid combustion and complete and a high flow of incoming energy per foot of the width of the hearth as well as a remarkable fluidity of the ashes to be evacuated. In addition, coals may be employed which have a melting point of up to 2700 F. The combustion conditions thus achieved involve excessively high hearth temperatures despite the large amount of wall cooling water employed to protect. walls against damage, and they result in a corresponding high temperature of the gases leaving the hearth.
The protruding and refractory lined tube wall of the ignition chamber successfully withstands these high hearth temperatures, and hence the part of the hearth in which combustion occurs need not be larger than this is necessary for substantially complete combustion. The amount of heat released in the ignition chamber is so great that it brings the total amount of heat released in the entire fireplace (including open passages) to 47,800 B.t. units. per cubic foot per hour at a normal boiler speed of 300,000 pounds of steam per hour.
Beyond the ignition chamber 22 are arranged devices for lowering the temperature of the gases going from this chamber to a bundle of tubes such as that constituting the superheater 12, and a predominant quantity of heat absorbed between the superheater and the allu-
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magus is transmitted to the walls of the intermediate passages by radiation. In this way, any form of tube bundle best suited to absorb heat can be adopted. The tube bundle is not damaged by excessive gas temperature, and the tube bundle's ability to absorb heat is not impaired by the accumulation of solid deposits on the tubes of the bundle. .
Your use of the radiation of the gases in order to cool the gases as they circulate between the end of the flames and the tube bundle, there is provided a passage of such a length that the absorption of the heat transmitted by radiation is helped. The walls of this passage are preferably cooled by means of water tubes.
Hearth gases have constituents which radiate heat, and the main constituents are carbon dioxide, water vapor and solid suspended particles. These solid particles can be dust particles or ash particles in the molten state or not, beyond the flame. The radiating constituents of the gases can also include carbon particles or hydrocarbons contained in the flame.
For a given content of these heat-radiating constituents and for a given temperature of the gases, a gas stream radiates heat to the solids at a rate per square foot of wall which increases, within certain limits, with increasing temperature. average thickness of the gas stream. Beyond a certain thickness, the increase in the radiation rate is negligible and therefore the boiler is preferably constructed so that the thickness of the gas stream is within certain limits.
By constructing the boiler so that the gas flow has a @
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Appropriate cross-section and length adequate for that cross-section, it is ensured that the gases produce sufficient radiation to lower their temperature to the desired degree before the gases reach the tube bundle.
Preferably, the gas stream has a cross profile of a large perimeter per unit cross sectional area of the stream.
It is advantageous that the gas stream has a rectangular cross section and the rectangle has a length much greater than its width. Thus, preferably, the walls of the heat absorbing chambers or passages 36 and 38 are arranged so as to have the cross section more particularly shown in FIG. 4 of the accompanying drawings. It should be noted that the radiant heat absorption rate can be accelerated in the chambers 36 and 38 by increasing the proportion of the total perimeters of all the sections of the passage section of these chambers. This can be achieved by providing a series of fluid-cooled partitions, which are arranged transversely to rectangular chambers 36 and 38.
Such a construction would increase the radiation per foot of gas path and allow that path to be shortened, but with either of these embodiments of chambers for! By absorbing the heat from the gases, chambers can be constructed of sufficient length to produce the desired lowering of the temperature of the gases by radiation.
It is understood, of course, that the gas current circulating between the flame and the first bundle of convection tubes sweeps the walls, cooled with water, of the heat absorption chambers and that the gases subsequently lose a certain quantity of heat. by convection in addition to the heat lost by radiation, but we do not rely on this convection to adequately cool the gases,
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since this would require unusually long passages or passages so narrow that they would collect deposits from solid fuels. These accumulations would decrease the rate of heat transport and impose excessively high draft losses.
In order to make the heat radiating conduits or passages 36 and 38 as efficient as possible, devices are provided for limiting the radiation from the high temperature ignition chamber 22 to the gases circulating in these conduits. This is also done because this radiation would limit the cooling in these ducts, since the constituents which radiate heat from the walls of the duct absorb the heat radiated on them. To this end, an arrangement of the gas duct (s) is chosen relative to the gas outlet of the ignition chamber, such as the magnitude of the mass of gas in a duct and the surface of the wall of the duct subjected to direct radiation from the ignition chamber are reduced to a minimum.
This is illustrated by the construction shown in FIG. 1 of the accompanying drawings, where the gas outlet 40 from the ignition chamber 22 is located at the bottom of this chamber where it is crossed by protective constructions lined with refractory, such as those indicated at 42 to 44 in FIG. 5 of the accompanying drawings. These constructions are made by bending the tubes of the wall 46 so that they are grouped as shown. The outlet 40 is also disposed at the lower end of the heat absorbing passage 36 and at the narrowest point of this passage, and the passage 38 is protected by the wall 48 against direct heat radiation from the chamber. ignition 22.
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At the bottom of the ignition chamber 22 of the fireplace indicated in FIG. 1 is arranged the hearth 53 of the hearth which is cooled by the hearth tubes 52 communicating directly with the collectors 54 and the body 56 and interposed via the latter in the circulation of the boiler. The hearth floor is covered with refractory material 55, so that a mass of molten bottom ash can remain at the bottom of the hearth. The collected bottom ash is periodically removed through opening 58.
The reverse flame burners directing the gases onto the slag of molten bottom ash at the bottom of the hearth have the effect of minimizing the amount of bottom ash carried away by the gases exiting the firebox ignition chamber. The quantity of bottom ash particles contained in the gases entering chamber 36 of ignition chamber 22 is also reduced by the effect of protective constructions 42 to 44. As specified above, these constructions are constituted by extensions of tubes. 60 delimiting the wall 46, and these extensions comprise metal projections 62 arranged as indicated in FIG. 7 and arranged to retain a refractory lining on the tubes. Due to the high temperatures of the hearth, this refractory is maintained in a glowing and adherent state.
Consequently, constructions 42 to 44 have the effect of maintaining bottom ash particles in the molten state, so that the molten bottom ash settling on them returns by gravity to the liquid mass of bottom ash located at the bottom of the chamber d. 'ignition. Some of the tubes in wall 46 have extensions 64 which are bent out of their wall alignment even more than any of the other tubes, such as
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indicated in Figs. 1 and 5 of the accompanying drawings.
Since the hearth faces of the water tubes of the walls of the ignition chamber are preferably lined with a. nonmetallic refractory to minimize heat loss and propagate high hearth temperatures, and since it is very important to aid rapid heat absorption by radiating heat from gases to bare metal surfaces of walls of the heat radiating duct 36, it is preferable that the wall 46 separating the ignition chamber from the duct chamber 36 is shaped in different ways on its opposite faces. This construction of the wall is shown in FIG. 14. It comprises the tubes 70 having bare metal faces on one side of the wall and the non-metallic refractory face 72 on the opposite side of the wall.
On this side the wall is resistant to heat absorption and on the opposite side it promotes heat absorption. The refractory material closes the gaps between the tubes and is held in place by a protruding tube assembly such as that shown in more detail in FIG. 7.
The tubes delimiting the wall 46 and the protective gas mixing screen disposed across the outlet 40 of the ignition chamber 22 are shown as being in communication at their lower ends, with the body 56 'and, at their upper ends, 'with the collector 74.
Other tubes of the wall of the hearth directly connect the collectors 74 and 54 to one another and are arranged along the sky 76 and the wall 78 of the ignition chamber. The remaining walls of this chamber are cooled by similarly arranged wall tubes which communicate with
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upper and lower manifolds interposed in a similar manner in the circulation of the boiler fluid.
The liquid mass of bottom ash maintained on the hearth 53 receives the molten bottom ash descending from the walls of the hearth and it also collects the bottom ash particles directly from the gas chamber. The change in direction of the gases passing from the ignition chamber 22 to the heat absorption chamber (or leads to gas radiation) 36 tends to separate from the gases, by inertia, the clinker particles. Some of these bottom ash particles collect on the screens 42 and 44 of the radiant heat shield tubes and on the lower part of the wall 48 of the gas radiating duct or chamber 36. In the boiler shown, all these bottom ash merge into the mass of liquid bottom ash kept on the hearth 53.
Damage to the body 56 and its tubular fittings by these descending bottom ash is prevented by a mass of refractory material 80 lining part of the body.
The wall 48 comprises tubes 82 and 84 communicating directly with the bodies 50 and 56, the tubes 84 being bent at their upper ends out of their alignment forming the wall, so as to reduce draft losses when the gases pass from the chamber. heat absorption 36 to the chamber 38. Below the curved part of the tubes 84, the wall 48 is completed by metal projections 86 and a refractory material 88 (see Fig. 9) which plug the gaps between the tubes . As shown in Fig. 9, this refractory material leaves the sides of the tubes bare, which promotes a rapid rate of heat absorption of the gases by the chambers 36 and 38.
The rear wall 90 of the absorption chamber
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heat 38 may have a construction similar to that of wall 48 and has tubes communicating directly with body 50 and manifold 92. This can be supported by tubes of wall 90, which are suspended part of the steel construction by bars 94 connected to plates 96 directly welded to the tubes. Water is sent to the manifold 92 through the tubes 98 which at their lower ends communicate with the manifold 100. The latter is connected by a series of downpipes 102 to the water chamber of the body of steam and of. water 104 and the circulation connection is maintained between the manifold 100 and the body 56 by the tubes 106 which are arranged below the downward passage 38 and above the upward passage 108.
The tubes 106 act on all the ash particles coming into contact with them, so that they are cooled and can accumulate in order to be removed from the inclined bottom 110 of the hopper 112. One can remove continuously or periodically these accumulations of ash by passing them through the outlet 114 to the valve channel 116.
Regarding the collection of dry ash in the hopper 112, it should be noted that the ash particles contained in the gases in the chamber 38 advance up and down in the hopper. As a result, they are deposited to a significant extent due to their inertia and this deposit is increased by causing the gases to turn in the upward passage 108 and by the effect of the tubes 106 and 98 in the throttle turning zone. As shown in Fig. 4, the rate of descent of the ash just above the hopper 112 is increased by a decrease in the width of the chamber 38.
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Fig. 1 shows a superheater and economizer comprising tube bundles disposed across the gas flow in upstream passage 108. The superheater and economizer sections are of the continuous tube type and can be drained. As indicated, the superheater 12 has an inlet manifold 118 connected by tubes 120 to the vapor chamber of the body 104. From the manifold, the superheater tubes extend in a zig-zag way transversely to the gas passage and are connected. , at their outlet end, to the manifold 122. An arrangement of the economizer sections and the superheater sections is shown by way of example in FIG. 16 of the accompanying drawings.
In this figure, part of the economizer section 14 and a separate economizer section 204 are housed in the superheat control bypass 206 formed by the gas passage wall and the partition wall 172. Feed water enters the collector 126 and goes through the tubes of the economizer section 14 to the collector 128. From one end of the collector the circulation is directed through the down tubes 208 to the collector 210. From this collector 1 The water, or water and steam, ascend through the loop tubes 212 to go to the manifold 214. From this manifold the circulation goes to the manifold 130 through the tubes 216. From the manifold 130 the water, or the water. water and steam, rise through the tubes of the economizer section 10 to the manifold 124. The latter is connected to the body 104 by the riser tubes 218.
At low loads, the amount of gas sweeping through the tubes of economizer section 204 and the portion of section 14 located in bypass 206 is reduced, with sufficient economizer surface being provided by the section.
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10 and the part of section 14 which is in contact with the gases from the hearth in the main part of the gas passage 108.
Arrows 220 and 222 indicate the downward path of water in economizer section 14, and arrow 224 indicates the upward path of water in economizer section 204. Likewise, arrows 226 indicate path water rising in the economizer section 10.
As shown in Fig. 16, manifold 122 is the outlet manifold for the superheater with the vapor path descending as shown by arrows 228.
Both the superheater tubes and the economizer tubes are of small diameter, their outside diameter being of the order of 50 mm. They are also closely spaced, the distance from center to center being of the order of 75 mm. Their distance measured longitudinally from the gas passage may be a little greater, but preferably it does not exceed 100 mm.
The successive loops of the superheater tubes and of the economizer tubes are suitably interconnected by metal studs 132. These studs can be used in areas of lower temperature, but between the successive economizer tubes and superheater tubes. higher temperature zones, that is to say zones of tubes first coming into contact with the combustion gases, the successive tubes are preferably connected by sliding suspension assemblies to compensate for the degree of expansion and higher contraction of these tubes. These sliding suspension assemblies are shown in Patent No. 417,669.
In any case, the successive loops of economizers and superheaters are
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interconnected so as to form flat coils arranged vertically. These coils are supported by flanges 134 welded to the tubes 102 on one side of the gas passage 108 and by flanges 136 welded to the tubes of the wall 90. Cooperating flanges 138 and 139 are welded to the upper loops of the coils of the coil. superheater.
After having passed through the economizer and the superheater, the combustion gases pass through the circulation tubes 144 which directly connect the bodies 50 and 104 to each other. The cameau 146 is situated above the circulation tubes 144, and the gases passing through this flue can be controlled by a register 148.
All of the tubes described above which connect the body 56 to the body 50 are riser tubes delivering steam and water to the body 50. The downpipes for the bodies 50 and 56 are shown more particularly in Figs. 3, 10 and 11 of the accompanying drawings. These tubes 150 are of large diameter and they have thick walls, as clearly shown in Fig. 11. They are preferably arranged in groups of four at opposite ends of the bodies and they are interconnected by uprights or welded mesh 152; as shown in Fig. 11. They must constitute columns which support the body 50 by resting on the body 56. These columns are located outside the boiler and they are not in contact with the gases from the fireplace.
The tubes of each column are sheathed with an insulating material 154.
Each of the columns 156 formed by the tubes 150 transmits a part of the load from the upper body 50 to the lower body 56 and, from the latter, to pedestals 158 supported by the beams 160 which constitute a part of the
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steel frame of the boiler. The collectors 54 and 100 are similarly supported by bases resting on similar beams, and the bases or saddles for the collector 54 and the body 56 can be mounted on rollers so that when the tubes 106 and 54 expand longitudinally, there is no excessive tension in the elements of the fireplace or the boiler.
Fig. 10 shows the pedestal 158 supported by rollers on the beam 160, two sets of rollers 162 and 163 being arranged perpendicular to each other, and similarly arranged rollers 164 and 165 support the manifold 54.
The body is directly connected to the manifold 74 by an inner row of tubes 166 and by an outer row 168, and the gaps between the tubes 166 can be plugged by an assembly of protruding tubes and refractory similar to that shown in FIG. 9 of the accompanying drawings. Some of these intervals are left open to constitute manholes through which we can introduce outlets. In the event that bottom ash would accumulate undesirably on the tubes 82 and 84. These manholes are indicated at 107. Doors, not shown in the drawings , close them normally.
Provisions are made to regulate the superheat, which include the bypass gas flue 206 delimited by the vertical partition 172 running from front to rear and parallel to the economizer and superheater tubes located in the gas passage. 108. Preferably, this separation separates about 20% of this gas passage to form a superheat regulating bypass 206.
As specified above, branch 206 delimited by
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this partition contains a lower economizer section 204 connected in series to an upper countercurrent economizer 14 and the intermediate equcurrent economizer 10. The lower economizer 204 is also an equcurrent economizer. The superheating is regulated by means of registers 178 and 180 (Fig. 3) which are located at the top of the bypass. The dampers should be open for full boiler load so that a maximum amount of furnace gas passes over the lower economizer 204, and at low loads they can be closed.
The embodiment of the invention, shown in Figs. 12 and 13 of the accompanying drawings is similar in many respects to the embodiment shown in FIG. 1, but it differs from the fact that there is provided a gas cooling chamber 186 flaring from bottom to top. It also includes an ignition chamber 188 flared from top to bottom, but eliminates one of the upper bodies, the body 190 being substituted for the bodies 50 and 104. The upper countercurrent section 191 of the economizer extends over the entire length of the body. transverse opening of the gas passage, while the intermediate equicurrent section 192 occupies only a part of the opening of the gas passage, external to the bypass 194. This bypass is delimited by the vertical partition 196 which preferably does not not cross section 191.
The superheating is regulated by means of registers 198 and 200.
In the bypass is housed a lower equicurrent economizer section 202. The superheater 16 extends over part of the opening of the gas passage outside the bypass.
Regarding the operation of the boiler, it is clear that a notable proportion of the heat
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released is absorbed before the furnace gases reach the convection tubes and heat absorption occurs in two phases. During combustion, that is to say from the moment of ignition of the fuel until the moment when combustion is complete, and following the path of gas circulation, from the point of ignition to At the end of the flame, the heat absorbed by the walls of the hearth can be transmitted mainly by the radiation of the flame.
In addition, from the end of the flame to the tube bundle, following the gas flow path, heat is absorbed by the walls of the gas passages mainly by radiation.
Usually, steam boilers are operated within extended load limits and the gas temperature changes. By using the boiler shown by way of example, good operating conditions are maintained within load limits that are more extensive than those which can generally be achieved, in particular in fireplaces with slag evacuation, burning pulverized coal. With these fires, at some fraction of the maximum load, the rate of heat release is too slow to allow the bottom ash to melt for disposal in liquid form. The hotter the hearth under full load, the smaller the fractional load that can be supported without interrupting the removal of molten bottom ash.
This is obtained when the demarcation surface of the water wall is minjatunibour the volume of the hearth and for a given flame length, like. in the boilers shown by way of example.
These boilers can be constructed so that at full load the flame does not penetrate the ignition chamber.
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ge in the first section of the gas radiating duct or chamber, but in any case the gas radiating duct must be given a sufficient length, relative to the shape of its cross section, to ensure sufficient cooling of the gases by radiation before they reach the tube bundle.
On the other hand, the boilers can be constructed so that at a low load the end of the flame moves back towards the burner ignition zone, completely outside the gas radiating duct into which the flames penetrate at full load. . Under these conditions, the temperature of the hearth is maintained at the degree of intensity desired by the flame in the ignition zone.
Under normal operating conditions, the temperature of the combustion gases at the outlet of the ignition chamber 22 of the boiler shown in FIG. 1 is approximately 2880 F. Under the same conditions, the gases come into contact with the lower tubes of the superheater at a temperature of the order of 2250 F., this cooling of the gases being produced by the transmission of radiant heat from the gases to the walls of conduits or gas radiation chambers. The temperature of the gases is still high enough to produce a sufficiently high total temperature without requiring an exaggerated superheat surface. However, for the relatively small superheater surfaces shown in the drawings, superheats in excess of 900 F.
Another characteristic of the boilers shown, especially the boiler shown in Fig.l, is the relatively large proportion of the total heat absorbed in the steam from the superheater. Assuming that the heat absorbed by vaporizing water at the temperature of
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Saturation and heat of superheat combined make up a total, or 100% of heat absorbed, as high as 31.5% of this total is absorbed during superheat.
With the boilers described, high combustion efficiency is ensured with a minimum of ash accumulation on the tubes forming part of the convection surface of the boiler. The ashes are captured to a very large extent and the great fluidity of the ashes allows them to be removed in good conditions. In addition, carbon loss is low due to the efficient mixing of the combustion gases at temperatures which propagate combustion.
CLAIMS
1.- Steam generator with pulverized fuel, comprising a convection section preceded by a radiating section comprising a hearth equipped with a device for collecting the molten bottom ash and radiating surfaces cooled by a fluid intended to cool the carried materials of the hearth by the hot gases, to such a degree that they can be deposited in an accumulator of dry ashes preceding the convection chamber.
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