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Perfectionnements aux chaudières tubulaires.
Cette invention est relative aux chaudières tubu- laires comportant une chambre de foyer, un trajet de con- vection contenant un surchauffeur., et un trajet de rayonnement intermédiaire disposé entre la chambre de foyer et le trajet de rayonnement, et elle concerne plus particulièrement une chaudière à rayonnement perfectionnée de ce genre, qui fonc- tionne économiquement à denhautes pressions et à des tempéra- tures élevées avec des débits importants.
L'invention a pour but de procurer une chaudière à rayonnement de construction compacte qui convienne pour fonctionner efficacement à plu- sieurs régimes de charge et se prête à des allures de chauffe
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élevées, qui soit pourvue de grandes surfaces d'absorption de chaleur, agencées pour travailler sous de notables dif- férences de température entre les éléments de combustion transmettant la chaleur et le fluide .absorbant la chaleur, et dont la continuité de fonctionnement et le rendement thermique puissent être maintenus pendant de longues durées.
Dans une chaudière conforme à la présente invention, appartenant au genre spécifié, le trajet de convection est disposé au-dessus de la chambre de foyer et celle-ci est raccordée à l'extrémité supérieure du trajet de convection par un trajet de rayonnement intermédiaire qui s'étend à côté du trajet de convection et qui est conformé avec des parois tubulaires absorbant la chaleur radiante et refroidies par un fluide, ainsi qu'avec des tubes supplémentaires absorbant la chaleur radiante et refroidispar un fluide, qui divisent le trajet de rayonnement en conduits longitudinaux.
Dans une forme d'exécution de l'invention, des tubes disposés suivant la longueur du trajet de rayonnement divisent celui-ci en plusieurs conduits. Les tubes d'une division pas- sent avantageusement entre des tubes de paroi du trajet de rayonnement, sont raccordés à des collecteurs disposés à l'extérieur de ce trajet et sont suspendus par l'intermédiaire de dispositifs comprenant des ressorts qui exercent une traction sur les tubes. En outre, avantageusement, la chambre de foyer est tapissée de tubes de la chaudière, recouverts de matière réfractaire.
De préférence, il est prévu des dispositifs pour dériver des gaz de manière réglable par rapport au surchauffeur et on dispose dans la dérivation et en-dessous du surchauffeur des sections d'un économiseur.
On décrira ci-après l'invention à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
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Fig. 1 est une coupe verticale d'une chaudière aqua- tubulaire à haute pression et température élevée;
Fig. 2 est une coupe verticale transversale suivant la ligne 2-2 de la fig.l;
Fig. 3 est une coupe verticale de la seconde zone du foyer,, faite suivant la ligne 3-3 de la fig.l;
Fig. 4 est une coupe horizontale de la seconde zone du foyer, du trajet de surchauffeur et-du réchauffeur d'air, faite suivant la ligne 4-4 de la fig.l;
Fig. 5 est une coupe horizontale de la zone à tem- pérature élevée du foyer et de la partie inférieure de la seconde zone du foyer, faite suivant la ligne brisée 5-5 de la fig.l;
Fig. 6 est une vue de détail, en élévation, montrant la façon dont les serpentins du surchauffeur et de l'économi- seur sont supportés par des tubes verticaux intercalés dans le système de circulation de la chaudière; et
Fig. 7 est une coupe verticale montrant une va- riante de l'invention.
La fig.l des dessins annexés montre une chaudière à rayonnement où la combustion et 1-'absorption de chaleur pour la vaporisation du fluide de travail se produisent dans des zones de foyer dont chacune est agencée pour coordonner les conditions de fonctionnement du foyer et la disposition des surfaces d'absorption de chaleur de manière à répondre au désidératum final que les gaz quittant le foyer, portés à une température appropriée, soient exempts de scories. A cet effet, la combustion primaire et principale du combustible est produite à température élevée dans la zone de foyer primaire 10 où les constituants cendreux des gaz fondent et se conglomè- rent tout en transmettant leur chaleur aux parois du foyer.
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Les gaz de foyer provenant de la chambre de foyer constituée par la zone à température élevée 10 se divisent en passant à la seconde zone du foyer constituée par le trajet de rayonnement 12 dans lequel les produits de combustion su- bissent un abaissement de température par suite d'une trans- mission de chaleur rayonnante à des surfaces ayant un haut degré d'.absorptivité. Ces surfaces sont constituées par des tubes de paroi dont certains délimitent la seconde zone.
Dans ces limites, d'autres parties des surfaces sont consti- tuées par des tubes de cloison verticaux 14 dont les extré- mités inférieures sont raccordées aux collecteurs 16 et dont les extrémités sup,érieures sont raccordées aux collec- teurs 18, et qui divisent la seconde zone du foyer en plusieurs chambres de refroidissement A, B et C, comme le montrent plus spécialement les figs. 3, 4 et 5. Dans ces chambres de re- froidissement multiples de la seconde zone du foyer les par- ties gazeuses des'produits de combustion, ainsi que tous résidus non-gazeux ou fondus,prennent une température moins élevée, de manière que les gaz aient la température appropriée pour venir en contact avec les surfaces de surchauffe du sur- chauffeur désigné de manière générale par le chiffre de réfé- rence 20.
Dans la seconde zone du foyer, en outre, les résidus de combustion fondus sont refroidis et solidifiés à un degré tel qu'une accumulation exagérée de dépôts sur les tubes sur- chauffeurs soit empêchée. Cet effet de refroidissement et de solidification amène aussi les résidus à se séparer des gaz dans la seconde zone du foyer et à tomber à travers cette zone dans des régions à températures de gaz plus élevées, de, sorte que ces résidus peuvent fondre à nouveau pour être éliminés conjointement avec les scories fondues se trouvant au fond de l'étage à haute température 10.
La chaudière est essentiellement constituée par
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des tubes bouilleurs de paroi raccordés au système de circu- lation de la chaudière, et tous ces tubes de paroi absorbent la chaleur résultant de la combustion du combustible utilisé, mais pour obtenir les résultats voulus en employant cette construction, il est préférable que la disposition et le caractère spécifiques des surfaces d'absorption de chaleur de la première zone 10 du foyer diffèrent de la disposition et du caractère des surfaces d'absorption de chaleur de la seconde zone 12.
Un résultat à obtenir est la production et le main- tien de températures de foyer élevées dans la zone de foyer 10 afin de provoquer une combustion rapide et complète du combustible ainsi que de maintenir les cendres, dégagées durant la. combustion par un combustible contenant des cendres, comme le charbon pulvérisé, dans un état fondu tel qu'elles puissent être évacuées de la zone de foyer primaire de manière continue ou intermittente.
Dans la zone de foyer secondaire, on vise à avoir de plus grandes surfaces de refroidissement à allure d'absorp- tion de chaleur plus élevée, afin que la chaleur rayonnée par les gaz et toutes particules non-gazeuses en suspension dans les gaz puisse être absorbée efficacement et que les tempé- ratures de ces éléments, notamment des particules non-gazeuses, s'abaisse notablement, de manière que lorsque ces particules viennent en contact avec des surfaces de chauffe par convection après avoir parcouru la zone de foyer secondaire, elles soient à une température inférieure à leur température de fusion et, par suite, dans un état sec ou non-collant, si bien que l'ac- cumulation résultante de cendres et de scories sur les sur- faces de convection est minimum.
En raison de la différence entre le rayonnement des matières solides et les gaz, la température des particules
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non-gazeuses contenues dans les gaz peut être moins élevée que la température des gaz eux-mêmes. Suivant la présente invention, on tire profit de ce fait connu en aménageant les surfaces d'absorption de la zone de foyer secondaire 12 de manière à assurer que la température des particules non-gazeuses soit en-dessous de leur point de fusion au moment où, elles quittent cette zone du foyer, tandis qu'en même temps'la température des gaz est telle que la production de vapeur à température élevée soit assurée par leur contact subséquent avec les tubes du surchauffeur 20.
On entretient des allures élevées de transmission de chaleur par convection en disposant les tubes du faisceau de tubes de convection de manière qu'ils soient relativement peu espacés, et il n'est possible d'utili- ser des tubes aussi peu espacés que lorsque les particules non-gazeuses en suspension dans les gaz sont dans un état non-adhésif. La présente invention permet de donner aux tubes surchauffeurs ce faible espacement. Si les particules gazeuses en suspension dans les gaz étaient au-dessus de leur tempéra- ture de fusion au moment où elles viennent en contact avec les tubes surchauffeurs, elles s'accumuleraient sur ces tubes et formeraient des obstructions indésirables à la circulation des gaz, d'où il résulterait que l'absorption de chaleur et les conditions générales de fonctionnement seraient inefficaces.
Grâce à l'invention on évite cette éventualité.
Dans la zone de foyer primaire 10 prévalent des allures de combustion rapides et des températures élevées, ces conditions étant aidées en revêtant la chambre de combustion de ce foyer d'une matière réfractaire céramique liée aux tubes de manière à faire partie intégrante de la paroi du foyer.
La liaison de cette matière réfractaire avec les tubes est telle que la matière réfractaire est maintenue efficacement @ lien que sa couche tournée vers le foyer soit continuellement
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soumise à des températures élevées durant le fonctionnement de la chaudière. Les températures élevées régnant dans la chambre de combustion contribuent à aider une combustion efficace à des charges relativement faibles.
Les parois de la première zone de combustion 10 sont de préférence constituées par des tubes à broches. Sur les côtés des tubes, tournés vers le foyer, il est prévu des broches soudées aux tubes. Le revêtement du foyer, constitué par la matière réfractaire céramique, est de pré- férence appliqué à l'état moulable et est bourré sur les tubes entre les broches. Sur leurs côtés opposés au revêtement réfractaire,les tubes sont recouverts d'une matière calori- fuge fixée aux tubes de manière appropriée et de préférence maintenue en place par une enveloppe métallique divisée en sections.
La paroi avant et le ciel de la zone de foyer 10 sont délimités par les tubes de paroi 30 raccordés par leurs extrémités inférieures à un collecteur 32. Ils déchargent de la vapeur et de l'eau dans le collecteur ou corps supérieur 34 d'où les tubes ascendants 36 et 38 et les tubes-écrans 40 et 42 déchargent de la vapeur et de l'eau dans le corps 44.
Les tubes 40 et 42 sont disposés en travers du parcours des gaz du foyer en un endroit situé en regard du surchauffeur 20 et font office de tubes-écrans.
Le fond de la zone de foyer primaire 10 est délimité par les tubes de fond 50 dont les extrémités avant sont rac- cordées au collecteur d'arrivée d'eau 52 et dont les extré- mités opposées communiquent avec le collecteur 54. L'eau est débitée au collecteur 52 par les tubes descendants 56 qui communiquent avec la chambre d'eau du corps 44 par le col- lecteur 58 et les raccords descendants 60.
En-dessous de la seconde zone de foyer 12 est disposé,
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de manière à être exposé à la chaleur rayonnante de la première zone de foyer 10, un fond de foyer 70 qui est incliné de haut en bas sous un angle aigu vers le fond de la première zone de foyer 10. Ce fond incliné est constitué par les tubes inclinés
72 qui raccordent directement le collecteur 54 au collecteur @ supérieur 74 raccordé au corps 44 par les tubes ascendants ou de décharge 76.
Les parois latérales de la zone de foyer à tempéra- ture élevée 10 sont constituées par des tubes de paroi rac- cordant les collecteurs supérieurs 80 aux collecteurs infé- rieurs 82, et ces parois,, ainsi que le fond de la zone de foyer primaire, sont de préférence formés de tubes à broches et de matière réfractaire de la même construction que-celle décrite ci-dessus. Le fond du foyer est de préférence incliné de haut en bas vers la sortie de scories 84 par laquelle s'évacuent les scories du foyer.
Le fond 70 fortement incliné vers le fond principal de la zone à température élevée 10 peut lui aussi être constitué de tubes à broches et de matière réfractaire céramique, mais dans certaines conditions on peut fixer aux tubes 72 des blocs métalliques à surface lisse 86 pour constituer un fond incliné le long duquel les particules de cendres fondues peuvent descendre vers la sortie de scories
84.
Les parois de la seconde zone de foyer 12 présentent aux gaz du foyer des surfaces à forte absorption de chaleur., ayant par exemple la forme d'un montage "tube contre tube" de tubes de paroi bouilleurs dont les surfaces nues sont ex- posées aux gaz du foyer, les tubes adjacents étant en contact les uns avec les autres dans les plans des démarcations de cette zone de foyer. Les tubes constituant les parois de la seconde zone de foyer peuvent aussi former une partie d'un ,montage dit de * tubes à broches partiels" dans 'lequel les
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tubes sont espacés, mais où les espaces compris entre eux et situés dans le plan de la paroi sont protégés contre un passage de gaz par des broches ou appendices métalliques faisant saillie sur les tubes.
Ces broches relient aux tubes une ma- tiére réfractaire céramique, cette matière étant moulée sous pression et bourrée autour des broches entre les tubes. En outre, pour faciliter l'élimination des cendres ou des scories fondues qui ont pu se déposer ou s'accumuler sur les parois de la seconde zone de foyer, ces parois ont une construction telle qu'elles forment des plans de clivage naturels entre les surfa- ces des parois et ces accumulations de scories.
Grâce à cette disposition, les scories se détachent spontanément des parois après s'être accumulées au point que leur poids devient supérieur à celui qui peut se maintenir normalement. Dans la présente construction, ces accumulations de scories détachées tombent librement à travers la seconde zone de foyer sur le fond'incliné 70. A cet endroit elles sont exposées aux températures élevées de la zone de foyer primaire 10 et à l'influence des gaz sortant de la première zone, de sorte que les scories fondent et coulent ainsi le long de cette paroi pour rejoindre le volume principal de scories fondues au fond de l'étage à haute température du foyer et pour être évacuées ensuite à travers l'ouverture d'évacuation de scories 84.
Les chambres de refroidissement multiples A, B et C de la seconde zone de foyer sont séparées entre elles par des rangées de tubes de refroidissement disposés verticalement, les chambres A et B étant séparées par les tubes 14 et les chambres B et C par les tubes 100. La disposition de ces tubes par rapport aux parois 102 et 104 de la seconde zone de foyer est indiquée sur les figs. 3 et 4 des dessins, et la fig.l contre la façon dont ces tubes sont disposés et supportés.
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Les tubes 14 sont fixés par leurs extrémités supérieures au collecteur 18 et les tubes 100 sont fixés à un collecteur analogue 110. Ces collecteurs, conjointement avec les collec- teurs supérieurs 112 et 114 des parois latérales, sont sus- pendus par des supports à ressort 116 et 118 à des poutrelles 120, 122 et 124.
La suspension des tubes de paroi des chambres de refroidissement au moyen de ces supports a pour effet de maintenir les tubes dans leurs positions de fonctionnement relatives correctes et ceci est vrai malgré que les collecteurs inférieurs 16 et 121 pour les tubes 14 et 100 soient maintenus par des supports disposés à la partie inférieure de l'instal- lation.
Les tubes 14 et 100 séparant entre elles les chambres de refroidissement multiples A, B et C sont représentés sur les figs. 4 et 5 comme étant légèrement espacés, mais il est clair que, sans sortir du cadre de l'invention, on peut les disposer sensiblement en contact les uns avec les autres de manière qu'ils constituent des cloisons'sensiblement fermées. Quand les tubes sont espacés comme c'est représenté sur les dessins, des ailettes métalliques appropriées peuvent être soudées aux tubes à des intervalles suivant leur longueur pour les main- tenir dans les positions relatives voulues, ou bien les tubes peuvent être espacés et munis de blocs Bailey ou autres pièces despacement métalliques pour constituer une surface refroidie des dimensions et du type voulus.
Suivant la paroi latérale 104 de la seconde zone de foyer sont disposés les tubes de paroi 122. Ceux-ci raccordent le collecteur supérieur 114 au collecteur inférieur 124, et des tubes analogues 126 sont .associés à la paroi opposée 102 et raccordant le collecteur supérieur 1'12.au collecteur inférieur 128. Celui-ci et le col- lecteur 124 sont montés sur des socles 130 et 132.
La façon dont les tubes de paroi de la seconde zone -
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de foyer sont raccordés au système de circulation de la chau- dière est indiquée sur la fig. 1 des dessins. Comme le montre cette figure, le collecteur 16 communique avec les chambres d'eau du corps 44 par les tubes descendants 140 et 142, le collecteur 144, le raccord d'appoint 146, le collecteur 148 et les tubes de circulation 150. Ces derniers tubes partent d'un côté du collecteur 148, tandisque les tubes 152 partent de l'autre côté du collecteur et vont au collecteur 32 pour débiter de l'eau aux tubes de paroi 30.
Le collecteur supérieur 18 est raccordé au corps de vapeur et d'eau 44 par les circulateurs 160, et des raccords analogues sont montés pour les autres collecteurs supérieurs 110, 112 et 114.
La paroi 162 de la seconde zone de foyer comprend des tubes de paroi 164 dont les extrémités supérieures commu- niquent avec le collecteur 166 et dont les extrémités inférieu- res sont raccordées au collecteur 168. Celui-ci est alimenté d'eau par les tubes 170 qui sont de préférence raccordés au collecteur d'appoint 148. La vapeur et l'eau sont déchargées du collecteur 166 dans le corps 44 par les tubes de ciel 171.
En sortant de la seconde zone de foyer, les gaz du foyer traversent l'écran tubulaire du foyer, constitué par les parties supérieures des tubes 36, 38, 40 et 42, ces tubes étant intercalés dans le circuit de circulation de la chaudière du fait qu'ils communiquent avec les corps 34 et 44. Ceux de ces tubes, qui sont désignés par 36 et 38 supportent la matière réfractaire qui constitue la cloison de chicanage 180.
Cette cloison de chicanage s'étend de bas en haut depuis le collec- teur 34, entre les rangées de tubes 36 et 38 jusqu'en un point voisin de la partie supérieure de la seconde zone de foyer, de manière à protéger la section de convection de la chaudière contre la chaleur radiante émanant de la seconde zone de foyer
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et à diriger les gaz du foyer vers les tubes-écrans qui sont disposés en travers de l'entrée de la section de convection.
La section de convection est constituée par les tubes espacés du surchauffeur 20 et de l'économiseur 182. Les gaz du foyer circulent dans la section de convection de haut en bas et se rendent à la sortie 184 adjacente à trémie à pous- sières 186, tandis que la vapeur provenant du corps 44 circule de préférence de bas en haut depuis le collecteur d'entrée
188 du surchauffeur., par les tubes surchauffeurs 190, jusqu' au collecteur de sortie 192 du surchauffeur. De ce collecteur la vapeur surchauffée se rend aux endroits de consommation.
Les tubes surchauffeurs sont,de préférence disposés en sections coudées en U, comme le montre le plus clairement la fig.1 des dessins.
L'économiseur 182 représenté sur la fig.1 fonctionne lui ,aussi en contre-courant et il est alimenté d'eau par le raccord d'entrée 200 et le collecteur d'entrée 202. Depuis ce collecteur, les tubes économiseurs s'étendent alternative- ment en -avant et en arrière sous forme de tubes coudés en U, en travers du trajet de gaz de la section de convection, pour aboutir au collecteur de sortie 204 de l'économiseur.
De ce collecteur partent des raccords 206 allant à un col- lecteur d'entrée 208 d'un économiseur de dérivation 210 cons- titué par des tubes coudés en U disposas en travers la dériva- tion du surchauffeur entre la cloison de chicanage 212 et le mur de support 214 de la chaudière. Ces tubes se déchargent dans un collecteur de sortie 220 qui communique avec le corps
44 par les tubes 222.
La direction générale de la circulation d'eau dans la section d'économiseur principale et dans la section déco- nomiseur subsidiaire disposée dans la dérivation est indiquée @ sur.la fig.2 des dessins par les flèches 230 et 232 et par les-
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pointillés qui les relient entre elles. De manière analogue,, la circulation de vapeur dans le surchauffeur est indiquée par la flèche 234. On voit ainsi que les sections d'économiseur et le surchauffeur fonctionnent selon les principes du contre- courant.
La façon dont sont supportés les tubes surchauffeurs et les tubes économiseurs est indiquée sur la fig.6 des dessins.
Sur cette figure, le coude en U 236 représente tout coude en U de l'économiseur ou du surchauffeur et le fragment de tube vertical 238 représente l'un ou l'autre des tubes verticaux 36 ou 140. Ces tubes comportent des pattes 240 soudées sur les côtés des tubes, tournés vers les tubes économiseurs ou surchauffeurs, et ces pattes sont rigidement reliées à des goujons ou tiges 242 qui peuvent s'étendre de tube en tube entièrement en travers de la paroi constituée par les tubes 36 ou les tubes 140. Le coude en U comporte une patte crochue 244 qui est associée au goujon ou tige 242 de la manière re- présentée.
La fig. 1 des dessins montre une section 250 de tubes surchauffeurs ou économiseurs en cours de démontage. Les par- ties tubulaires de cette section, qui ont un diamètre notable- ment plus petit que les tubes bouilleurs sont disposés sous forme d'un serpentin plat qu'on peut retirer d'entre les tubes adjacents 36 et 38 après avoir enlevé une partie de la matière réfractaire de la cloison de chicanage 180. En enlevant de manière analogue une partie de la matière réfractaire 160 tapissant les tubes de paroi 164 de la seconde zone de foyer, on peut retirer entièrement la section 250 de la chaudière à travers un espace libre approprié compris entre les tubes 164 et installer en place une nouvelle section en procédant dans l'ordre inverse.
Les gaz du foyer quittent la zone primaire 10 à une
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température élevée qui peut être de l'ordre de 1650 C. Lorsqu' ilspassent dans la. seconde zone du foyer, leur température s'abaisse et ils sont refroidis encore davantage en passant à travers les tubes-écrans disposés en regard de la section de convection, de sorte qu'à l'entrée du surchauffeur ils peuvent par exemple avoir une température de l'ordre de 1015 C.
Apres avoir circulé sur le surchauffeur et l'économiseur, les gaz se rendent par les tubes du réchauffeur d'air 251 -au car- neau 252.
De l'air servant à entretenir la combustion entre dans le réchauffeur d'air par l'entrée 254 et se rend du ré- chauffeur d'air, par la sortie 256 et le conduit 258, à la chambre à air secondaire 260 traversée par les brûleurs 262 et 264.
Le corps de vapeur 44 de la chaudière peut être sup- porté sur une ou plusieurs colonnes constituées par les tubes
140 et 142,et ceux-ci peuvent être .assemblés mécaniquement par groupes pour former des colonnes de résistance suffisante.
La construction décrite coordonne la combustion et l'échange de chaleur des fluides de manière que la chaudière soit apte à brûler divers combustibles pulvérisés en suspen- sion, tout en éliminant les résidus non-combustibles de façon qu'un fonctionnement continu et un bon rendement thermique soient assurés pendant de longues périodes. rabaissement de température des particules non-gazeuses en suspension a pour effet de refroidir et de solidifier ces particules dans une mesure telle que leur dépôt nuisible sur les surfaces du sur- chauffeur soit empêché et que leur élimination du foyer soit facilitée, tandis que les scories déposées dans la chambre du foyer sont facilement évacuées à l'état fondu.
La fig. 7 montre une forme d'exécution de l'invention, ,dans laquelle le foyer est chargé à l'aide d'un chargeur méca-
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nique à alimentation par dessous 270. Ce chargeur se décharge dans un cendrier 272 situé à la base de la paroi 162, le cen- drier étant équipé de concasseurs de mâchefers 274.
Le prolongement inférieur de la paroi 162 est cons- titué près du cendrier 272 par les parties inférieures 276 des tubes de paroi 164. Ces parties des tubes sont raccordées à un collecteur 278 qui reçoit l'eau du système circulatoire, arrivant par les tubes descendants 280.
Les extrémités inférieures des cloisons constituées par les tubes 14 de la seconde zone du foyer sont coudées en direction de la paroi 162 de manière à traverser la partie inférieure de cette paroi, comme c'est représenté. Les parties coudées des tubes sont raccordées à un collecteur 282 qui est lui aussi raccordé de manière appropriée aux chambres d'eau du système de la chaudière.
Au-dessus.de la zone de foyer 10, la construction est sensiblement la même que celle de la chaudière représen- tée sur la fig.l, mais la présence du chargeur mécanique
270 nécessite des changements à la paroi avant de la première zone de foyer. Ces changements comprennent la disposition du collecteur 290 au-dessus du chargeur mécanique et le raccor- dement de ce collecteur à la chambre d'eau du corps 44 par des tubes descendants 292. Ce collecteur est raccordé au corps intermédiaire 34 par les tubes 294 qui constituent la paroi avant et le ciel de la première zone de foyer. Les parois latérales de cette zone sont constituées par les tubes de paroi 296 raccordés au circuit de circulation de la chaudière sensiblement de la même manière que les tubes de paroi cor- respondants de la fig.l.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Improvements to tubular boilers.
This invention relates to tube boilers comprising a hearth chamber, a convection path containing a superheater, and an intermediate radiation path disposed between the hearth chamber and the radiation path, and more particularly relates to a furnace path. An improved radiant boiler of this kind, which operates economically at high pressures and high temperatures with high flow rates.
The object of the invention is to provide a radiant boiler of compact construction which is suitable for efficient operation at several load regimes and is suitable for heating rates.
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high, which is provided with large heat absorption surfaces, arranged to work under notable temperature differences between the combustion elements transmitting the heat and the fluid absorbing the heat, and whose continuity of operation and efficiency thermal can be maintained for long periods of time.
In a boiler according to the present invention, belonging to the specified kind, the convection path is disposed above the hearth chamber and the latter is connected to the upper end of the convection path by an intermediate radiation path which extends adjacent to the convection path and which is conformed with radiant heat absorbing and fluid cooled tubular walls, as well as additional radiant heat absorbing and fluid cooled tubes, which divide the radiation path into longitudinal ducts.
In one embodiment of the invention, tubes arranged along the length of the radiation path divide the latter into several conduits. The tubes of a division advantageously pass between wall tubes of the radiation path, are connected to collectors arranged outside this path and are suspended by means of devices comprising springs which exert a tension on the tube. the tubes. In addition, advantageously, the hearth chamber is lined with tubes of the boiler, covered with refractory material.
Preferably, devices are provided for bypassing gases in an adjustable manner with respect to the superheater and there are sections of an economizer in the bypass and below the superheater.
The invention will be described below by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
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Fig. 1 is a vertical section of a high pressure, high temperature aqua-tubular boiler;
Fig. 2 is a transverse vertical section taken on line 2-2 of FIG. 1;
Fig. 3 is a vertical section of the second zone of the hearth ,, taken along line 3-3 of fig.l;
Fig. 4 is a horizontal section of the second zone of the furnace, of the superheater path and of the air heater, taken along line 4-4 of fig.l;
Fig. 5 is a horizontal section of the high temperature zone of the hearth and the lower part of the second zone of the hearth, taken along the broken line 5-5 of fig. 1;
Fig. 6 is a detail view, in elevation, showing the way in which the superheater and economizer coils are supported by vertical tubes interposed in the circulation system of the boiler; and
Fig. 7 is a vertical section showing a variant of the invention.
Fig. 1 of the accompanying drawings shows a radiant boiler where combustion and heat absorption for vaporization of the working fluid occurs in hearth zones each of which is arranged to coordinate the operating conditions of the hearth and the heat. arrangement of the heat absorption surfaces so as to meet the final desideratum that the gases leaving the hearth, brought to a suitable temperature, are free of slag. For this purpose, the primary and main combustion of the fuel is produced at elevated temperature in the primary hearth zone 10 where the ashy constituents of the gases melt and congregate while transmitting their heat to the walls of the hearth.
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The hearth gases from the hearth chamber constituted by the high temperature zone 10 divide while passing to the second zone of the hearth constituted by the radiation path 12 in which the combustion products undergo a lower temperature as a result. radiant heat transmission to surfaces having a high degree of absorptivity. These surfaces are formed by wall tubes, some of which delimit the second zone.
Within these limits, other parts of the surfaces are formed by vertical wall tubes 14, the lower ends of which are connected to the manifolds 16 and the upper ends of which are connected to the manifolds 18, and which divide the second zone of the hearth in several cooling chambers A, B and C, as shown more specifically in figs. 3, 4 and 5. In these multiple cooling chambers of the second zone of the hearth the gaseous parts of the combustion products, as well as any non-gaseous or molten residues, take a lower temperature, so that the gases are at the appropriate temperature to come into contact with the superheating surfaces of the superheater generally designated by reference numeral 20.
In the second zone of the furnace, furthermore, the molten combustion residues are cooled and solidified to such an extent that an exaggerated build-up of deposits on the overheater tubes is prevented. This cooling and solidifying effect also causes the residues to separate from the gases in the second zone of the furnace and fall through this zone in regions of higher gas temperatures, so that these residues can melt again to be removed together with the molten slag at the bottom of the high temperature stage 10.
The boiler is essentially made up of
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wall boilers connected to the circulation system of the boiler, and all of these wall tubes absorb the heat resulting from the combustion of the fuel used, but to obtain the desired results using this construction, it is preferable that the arrangement and the specific character of the heat absorbing surfaces of the first zone 10 of the fireplace differs from the arrangement and character of the heat absorbing surfaces of the second zone 12.
One result to be obtained is the production and maintenance of high hearth temperatures in the hearth zone 10 in order to cause rapid and complete combustion of the fuel as well as to keep the ash released during the combustion. combustion by a fuel containing ash, such as pulverized coal, in a molten state such that it can be discharged from the primary hearth zone continuously or intermittently.
In the secondary focus zone, the aim is to have larger cooling surfaces with a higher heat absorption rate, so that the heat radiated by the gases and any non-gaseous particles in suspension in the gases can be absorbed efficiently and the temperatures of these elements, in particular of the non-gaseous particles, drop appreciably, so that when these particles come into contact with heating surfaces by convection after having passed through the secondary focus zone, they are at a temperature below their melting point and, therefore, in a dry or non-sticky state, so that the resulting accumulation of ash and slag on the convection surfaces is minimal.
Due to the difference between the radiation of solids and gases, the temperature of the particles
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non-carbonated gases contained in the gases may be lower than the temperature of the gases themselves. According to the present invention, this known fact is taken advantage of by arranging the absorption surfaces of the secondary focus zone 12 so as to ensure that the temperature of the non-gaseous particles is below their melting point at the time when , they leave this zone of the hearth, while at the same time the temperature of the gases is such that the production of steam at high temperature is ensured by their subsequent contact with the tubes of the superheater 20.
High rates of convection heat transfer are maintained by arranging the tubes of the convection tube bundle so that they are relatively closely spaced, and it is only possible to use tubes so closely spaced when the tubes are not spaced apart. non-gaseous particles suspended in the gases are in a non-stick state. The present invention makes it possible to give the superheater tubes this small spacing. If the gaseous particles suspended in the gases were above their melting temperature when they come into contact with the superheater tubes, they would accumulate on these tubes and form undesirable obstructions to the flow of the gases, hence the heat absorption and general operating conditions would be inefficient.
Thanks to the invention, this possibility is avoided.
In the primary hearth zone 10, rapid combustion rates and high temperatures prevail, these conditions being aided by coating the combustion chamber of this hearth with a ceramic refractory material bonded to the tubes so as to form an integral part of the wall of the furnace. hearth.
The bond of this refractory material with the tubes is such that the refractory material is effectively maintained @ bond that its layer facing the hearth is continuously
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subjected to high temperatures during boiler operation. The high temperatures in the combustion chamber help to aid efficient combustion at relatively low loads.
The walls of the first combustion zone 10 are preferably formed by pin tubes. On the sides of the tubes, facing the fireplace, there are pins welded to the tubes. The lining of the hearth, consisting of the ceramic refractory material, is preferably applied in the moldable state and is stuffed onto the tubes between the pins. On their sides opposite to the refractory lining, the tubes are covered with a heat insulating material attached to the tubes in a suitable manner and preferably held in place by a metal casing divided into sections.
The front wall and the sky of the hearth zone 10 are delimited by the wall tubes 30 connected by their lower ends to a manifold 32. They discharge steam and water into the manifold or upper body 34 from where the riser tubes 36 and 38 and the screen tubes 40 and 42 discharge steam and water into the body 44.
The tubes 40 and 42 are arranged across the path of the gases from the hearth at a location facing the superheater 20 and act as screen tubes.
The bottom of the primary hearth zone 10 is delimited by the bottom tubes 50 whose front ends are connected to the water inlet manifold 52 and whose opposite ends communicate with the manifold 54. The water. is delivered to the manifold 52 through the down tubes 56 which communicate with the water chamber of the body 44 through the manifold 58 and the down fittings 60.
Below the second focus zone 12 is arranged,
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so as to be exposed to the radiant heat of the first hearth zone 10, a hearth bottom 70 which is inclined from top to bottom at an acute angle towards the bottom of the first hearth zone 10. This inclined bottom is formed by inclined tubes
72 which directly connect the manifold 54 to the upper manifold 74 connected to the body 44 by the ascending or discharge tubes 76.
The side walls of the high temperature hearth zone 10 are formed by wall tubes connecting the upper manifolds 80 to the lower manifolds 82, and these walls, together with the bottom of the primary hearth zone. , are preferably formed of pin tubes and refractory material of the same construction as described above. The bottom of the hearth is preferably inclined from top to bottom towards the slag outlet 84 through which the slag from the hearth is discharged.
The steeply inclined bottom 70 towards the main bottom of the elevated temperature zone 10 may also be made of pin tubes and ceramic refractory material, but under certain conditions smooth surface metal blocks 86 may be attached to the tubes 72 to form. an inclined bottom along which the particles of molten ash can descend towards the slag outlet
84.
The walls of the second hearth zone 12 present surfaces with high heat absorption to the gas from the hearth, having for example the form of a "tube against tube" assembly of boiling wall tubes whose bare surfaces are exposed. gas to the hearth, the adjacent tubes being in contact with each other in the planes of the boundaries of this hearth zone. The tubes constituting the walls of the second hearth zone may also form part of a so-called "partial pin tube" assembly in which the
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tubes are spaced apart, but where the spaces between them and located in the plane of the wall are protected against a passage of gas by metal pins or appendages protruding from the tubes.
These pins connect a ceramic refractory material to the tubes, this material being die-cast and stuffed around the pins between the tubes. In addition, to facilitate the removal of ash or molten slag which may have settled or accumulated on the walls of the second hearth zone, these walls have a construction such that they form natural cleavage planes between the surfaces of the walls and these accumulations of slag.
Thanks to this arrangement, the slag is spontaneously detached from the walls after having accumulated to the point that their weight becomes greater than that which can be maintained normally. In the present construction, these loose slag accumulations fall freely through the second hearth zone onto the inclined bottom 70. There they are exposed to the high temperatures of the primary hearth zone 10 and to the influence of the exiting gases. of the first zone, so that the slag melts and thus flows along this wall to join the main volume of molten slag at the bottom of the high-temperature stage of the hearth and then to be discharged through the opening of slag removal 84.
The multiple cooling chambers A, B and C of the second hearth zone are separated from each other by rows of cooling tubes arranged vertically, the chambers A and B being separated by the tubes 14 and the chambers B and C by the tubes 100. The arrangement of these tubes relative to the walls 102 and 104 of the second hearth zone is shown in FIGS. 3 and 4 of the drawings, and fig.l against the way these tubes are arranged and supported.
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The tubes 14 are fixed at their upper ends to the manifold 18 and the tubes 100 are fixed to a similar manifold 110. These manifolds, together with the upper manifolds 112 and 114 of the side walls, are suspended by spring supports. 116 and 118 to beams 120, 122 and 124.
The suspension of the wall tubes of the cooling chambers by means of these supports has the effect of keeping the tubes in their correct relative operating positions and this is true despite the lower manifolds 16 and 121 for tubes 14 and 100 being maintained by supports arranged at the bottom of the installation.
The tubes 14 and 100 separating the multiple cooling chambers A, B and C from one another are shown in figs. 4 and 5 as being slightly spaced, but it is clear that, without departing from the scope of the invention, they can be arranged substantially in contact with each other so that they constitute substantially closed partitions. When the tubes are spaced apart as shown in the drawings, suitable metal fins can be welded to the tubes at intervals along their length to keep them in the desired relative positions, or the tubes can be spaced apart and provided with. Bailey blocks or other metal spacers to provide a cooled surface of the desired size and type.
Next to the side wall 104 of the second hearth zone are disposed the wall tubes 122. These connect the upper manifold 114 to the lower manifold 124, and like tubes 126 are associated with the opposite wall 102 and connecting the upper manifold. 12 to the lower manifold 128. This and the manifold 124 are mounted on pedestals 130 and 132.
The way the wall tubes of the second zone -
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of the fireplace are connected to the boiler circulation system is shown in fig. 1 of the drawings. As shown in this figure, the manifold 16 communicates with the water chambers of the body 44 through the down tubes 140 and 142, the manifold 144, the booster 146, the manifold 148 and the circulation tubes 150. The latter Tubes start from one side of manifold 148, while tubes 152 start from the other side of manifold and go to manifold 32 to deliver water to wall tubes 30.
The upper manifold 18 is connected to the steam and water body 44 by the circulators 160, and similar fittings are fitted for the other upper manifolds 110, 112 and 114.
The wall 162 of the second hearth zone comprises wall tubes 164, the upper ends of which communicate with the manifold 166 and the lower ends of which are connected to the manifold 168. The latter is supplied with water by the tubes. 170 which are preferably connected to the make-up manifold 148. Steam and water are discharged from the manifold 166 into the body 44 through the overhead tubes 171.
On leaving the second zone of the hearth, the gases of the hearth pass through the tubular screen of the hearth, formed by the upper parts of the tubes 36, 38, 40 and 42, these tubes being interposed in the circulation circuit of the boiler because of the that they communicate with the bodies 34 and 44. Those of these tubes, which are designated by 36 and 38, support the refractory material which constitutes the baffle partition 180.
This baffle partition extends from the bottom upwards from the manifold 34, between the rows of tubes 36 and 38 to a point near the upper part of the second hearth zone, so as to protect the section from convection of the boiler against the radiant heat emanating from the second combustion zone
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and directing the gases from the furnace to the screen tubes which are disposed across the inlet of the convection section.
The convection section is formed by the spaced tubes of superheater 20 and economizer 182. The furnace gases flow through the convection section from top to bottom and to outlet 184 adjacent to dust hopper 186, while the vapor from the body 44 preferably flows from the bottom up from the inlet manifold
188 of the superheater., Through the superheater tubes 190, to the outlet manifold 192 of the superheater. From this collector the superheated steam goes to the places of consumption.
The superheater tubes are preferably arranged in U-bent sections, as most clearly shown in fig.1 of the drawings.
The economizer 182 shown in fig.1 also operates in counter-current and is supplied with water by the inlet fitting 200 and the inlet manifold 202. From this manifold, the economiser tubes extend alternately forward and backward in the form of U-bend tubes, across the gas path of the convection section, to terminate at economizer outlet manifold 204.
From this manifold leave fittings 206 going to an inlet manifold 208 of a bypass economizer 210 made up of U-bent tubes arranged across the bypass of the superheater between the baffle partition 212 and the support wall 214 of the boiler. These tubes discharge into an outlet manifold 220 which communicates with the body
44 by tubes 222.
The general direction of the water circulation in the main economizer section and in the subsidiary decomenerator section arranged in the bypass is indicated in fig. 2 of the drawings by arrows 230 and 232 and by the-
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dotted lines that connect them together. Similarly, the flow of steam through the superheater is indicated by arrow 234. Thus, it is seen that the economizer sections and the superheater operate on counter flow principles.
The way in which the superheater tubes and economizer tubes are supported is shown in fig. 6 of the drawings.
In this figure, the U-bend 236 represents any U-bend of the economizer or the superheater and the vertical tube fragment 238 represents either of the vertical tubes 36 or 140. These tubes have welded lugs 240. on the sides of the tubes, facing the economiser or superheater tubes, and these tabs are rigidly connected to studs or rods 242 which can extend from tube to tube entirely across the wall formed by the tubes 36 or the tubes 140 The U-bend has a hooked tab 244 which is associated with the stud or rod 242 as shown.
Fig. 1 of the drawings shows a section 250 of superheater or economizer tubes being dismantled. The tubular parts of this section, which have a appreciably smaller diameter than the boiling tubes, are arranged in the form of a flat coil which can be withdrawn from between the adjacent tubes 36 and 38 after removing a part. of the refractory from the baffle wall 180. By analogously removing a portion of the refractory 160 lining the wall tubes 164 of the second hearth zone, the section 250 of the boiler can be completely removed through a gap. appropriate free between the tubes 164 and install a new section in the reverse order.
The gases from the furnace leave the primary zone 10 at a
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high temperature which can be of the order of 1650 C. When they pass in the. second zone of the hearth, their temperature drops and they are cooled even more by passing through the screen tubes arranged opposite the convection section, so that at the entrance to the superheater they can for example have a temperature of the order of 1015 C.
After having circulated on the superheater and the economizer, the gases go through the tubes of the air heater 251 - to the flange 252.
Air serving to maintain combustion enters the air heater through inlet 254 and passes from the air heater, through outlet 256 and duct 258, to secondary air chamber 260 through which it passes. the burners 262 and 264.
The steam body 44 of the boiler can be supported on one or more columns formed by the tubes.
140 and 142, and these can be mechanically assembled in groups to form columns of sufficient strength.
The construction described coordinates the combustion and heat exchange of the fluids so that the boiler is able to burn a variety of pulverized fuels in suspension, while removing non-combustible residues for continuous operation and good efficiency. temperature are assured for long periods. Lowering the temperature of the suspended non-gaseous particles has the effect of cooling and solidifying these particles to such an extent that their harmful deposition on the surfaces of the superheater is prevented and their removal from the hearth is facilitated, while the slag deposited in the hearth chamber are easily evacuated in the molten state.
Fig. 7 shows an embodiment of the invention, in which the stove is charged using a mechanical charger.
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feeder from below 270. This loader discharges into an ashtray 272 located at the base of the wall 162, the ashtray being equipped with bottom ash crushers 274.
The lower extension of the wall 162 is formed near the ashtray 272 by the lower parts 276 of the wall tubes 164. These parts of the tubes are connected to a collector 278 which receives water from the circulatory system, arriving through the down tubes. 280.
The lower ends of the partitions formed by the tubes 14 of the second zone of the hearth are bent in the direction of the wall 162 so as to pass through the lower part of this wall, as shown. The bent portions of the tubes are connected to a header 282 which is also suitably connected to the water chambers of the boiler system.
Above the fire zone 10, the construction is substantially the same as that of the boiler shown in fig. 1, but the presence of the mechanical loader
270 requires changes to the front wall of the first fireplace area. These changes include the arrangement of the manifold 290 above the mechanical loader and the connection of this manifold to the water chamber of the body 44 by down tubes 292. This manifold is connected to the intermediate body 34 by the tubes 294 which constitute the front wall and the sky of the first hearth zone. The side walls of this zone are formed by the wall tubes 296 connected to the circulation circuit of the boiler substantially in the same way as the corresponding wall tubes of fig.l.
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