<Desc/Clms Page number 1>
Perfectionnements aux générateurs de vapeur.
Cette invention concerne des perfectionnements aux chaudières à tubes d'eau ou aquatubulaires du genre comprenant un foyer ou chambre de combustion, une section de convection latéralement espacée du foyer et un passage de raccordement en forme d'U renversé, sensiblement non-obstrué et chauffé par rayonnement, qui comporte une branche montante et une branche descendante, dont les extrémités sont raccordées respectivement .aux parties inférieures du foyer et de la section de convection, les parois avant, arrière et latérales du foyer et des branches du passage à rayonnement étant cons- tituéespar des groupes de tubes verticaux ou inclinés sur la
<Desc/Clms Page number 2>
verticale, et ces chaudières étant destinées à brûler des combustibles pulvérisés dont les cendres ont une gamme de températures de fusion.
Les charbons employés sous forme pulvérisée dans les groupes générateurs de vapeur auxquels se rapporte la présente invention varient notablement tant au point de vue de leurs caractères physiques que de leur composition chimique.
Tous les charbons contiennent de la cendre à un degré plus ou moins marqué,, et bien que la proportion de cendre, sa composi- tion chimique et ses caractères physiques soient essentielle- ment les mêmes pour un charbon provenant d'un gisement ou gfte donné, ils varient très considérablement entre des char- bons provenant de gisements différents.
Toutefois, en passent de la phase solide à la phase liquide, les cendres de tous les charbons traversent une zone de transition définie par trois températures, habituellement dénommées
10 température de déformation initiale,
2) température de ramollissement et
3) température de fluidité, que l'on peut déterminer au laboratoire par des méthodes cou- rantes bien connues, le résidu'cendreux d'un charbon lentement consumé étant mis sous forme d'une briquette conique et les températures spécifiques étant déterminées dans un four à moufle.
La température de déformation initiale est celle où le cône commence à se déformer et elle marque l'instant où les particules à températures de fusion moins élevée du mélange hétérogène dont se compose la cendre commencent à se ramollir et à cimenter les particules à température de fusion plus élevée. La température de ramollissement est celle où le cône se fond en un tas rond. La température de fluidité est celle ou tous les ingrédients de la cendre passent à l'état fondu. Les températures spécifiques et les gammes de tempé-
<Desc/Clms Page number 3>
ratures comprises entre deux quelconques de ces températures varient notablement selon la nature des cendres de charbons de provenances diverses.
En brûlant du charbon pulvérisé, dans les foyers des groupes générateurs de vapeur conformes à l'invention, on cherche à obtenir le rendement thermique maximum prati- quement réalisable ou, autrement dit, à utiliser,dans la plus large mesure possible les calories du charbon en voie de com- bustion. Ceci exige la considération de beaucoup de facteurs, mais un des facteurs les plus essentiels est la combustion efficace et quasi complète du charbon avec un excédent d'air minimum pratiquement admissible, requis pour obtenir ce résul- tat. Dans ces conditions de combustion on obtient naturellement le poids minimum de gaz contenant le maximum de calories sus- ceptible d'être retiré du charbon, d'où résultent des tenpé- ratures de foyer élevées.
Ces températures de foyer dépassent les températures de fluidité d'un grand nombre des différents constituants des cendres de charbon hétérogènes, de sorte que, au cours de la combustion de la matière combustible des dif- férentes particules de charbon pulvérisé, lorsque les diffé- rentes particules de cendre contenues dans les particules de charbon sont mises à découvert et sont portées à une plus haute température, beaucoup d'entre elles fondent, et qu'au fur et à mesure que la combustion progresse, de petites par- ticules distinctes de cendre, les unes liquides et les autres plastiques ou solides selon leur composition et leur tempé- ra,ture de fusion, sont mises en liberté et emportées par les gaz de combustion.
Pour utiliser la chaleur des gaz de combustion ainsi formée et des particules solides de mâchefer qui y sont en suspension, on l'en. retire soit par rayonnement vers une sur- face plus froide délimitant le parcours de gaz, comme par exem-
<Desc/Clms Page number 4>
ple les parois d'un foyer refroidies par eau, soit par con- vection, en faisant passer les gaz sur un faisceau de tubes à température moins élevée, par exemple sur un faisceau de tubes bouilleurs, surchauffeurs, -économiseurs ou réchauffeurs d'eau, soit encore par une combinaison des deux chauffes, savoir,par rayonnement et par convection Au fur et à mesure qu'on retire la chaleur des gaz, leur température et celle des particules de mâchefer qui y sont en suspension s'abaissent,
de sorte que le mâchefer descend par une gamme de températures en-dessous de la température de déformation initiale et se solidifie.
Aux endroits où la température des gaz et des parti- cules de mâchefer qui y sont en suspension est égale ou supé- rieure à la température de fluidité de la cendre, le maniement d'un tel mâchefer est relativement simple. Les différentes particules mises en liberté par le charbon et en suspension dans les gaz se heurtent dans une certaine mesure les unes aux autres, mais en majeure partie frappent les parois du foyer, et étant donné que ces parois, soit en raison de leur construction ou du fait que des mâchefers s'y sont accumulés antérieurement, sont maintenues à une température qui elle aussi est supérieure à la température de fluidité du mâchefer, les mâchefers déposés sur ces parois restent fondus et coulent en bas, de sorte qu'on peut les évacuer de manière satisfai- sante, par exemple dans un four pour la coulée de mâchefers.
Quand les particules de mâchefer en suspension dans les gaz sont refroidies à une température nettement inférieure à la température de déformation initiale de la cendre, leur maniement est de même relativement simple, étant donné que le mâchefer est solide et "sec" et n'adhère à aucune des surfaces avec lesquelles il pourrait venir en contact, comme par exemple un faisceau de tubes. Non seulement on peut manier ces parti- cules de mâchefer de manière satisfaisante, mais encore la
<Desc/Clms Page number 5>
surface d'absorption de chaleur avec laquelle elles-mêmes et les gaz qui les transportent viennent en contact reste nette, de sorte qu'on peut produire une transmission de chaleur ma- ximum.
Toutefois, dans la gamme de températures comprise entre les limites définies par les températures de déformation initiale et de fluidité, le mâchefer est dans un état plas- tique ou "collant" et crée un problème au point de vue du fonctionnement du groupe générateur de vapeur. Etant "collant" le mâchefer adhère à presque toute surface avec laquelle il vient en contact et, en outre, s'entasse et s'accumule dans des proportions extrêmement indésirables quand bien même il pourrait se produire, dans certaines gammes de températu- res un flux plastique lent. Ceci non seulement rend plus difficile le maniement, mais encore a pour résultat de former une couche isolante sur toutes les surfaces d'absorption de chaleur auxquelles le mâdchefer adhère et de diminuer ainsi notablement l'absorption de chaleur.
Cet état de choses est particulièrement grave quand on le laisse s'établir par exemple dans un faisceau de tubes relativement peu espacés, étant donné que les mâchefers accumulés sur un tube ont tendance à se réu- nir aux mâ'chefers accumulés sur un tube adjacent, de sorte que non seulement ces surfaces sont effectivement isolées et l'absorption de chaleur est réduite, mais encore le passage entre les tubes est obstrué et arrête la circulation de gaz.
-Ainsi qu'on l'a déjà mentionné ci-avant, non seulement les tem- pératures spécifiques de déformation initiale et de fluidité diffèrent selon les cendres de charbons différents, mais encore les gammes de températures comprises entre ces températures spécifiques varient très notablement.
Comme exemple de cet état de choses, se rapportant à des cendres de charbon spé- cifiques, une cendre de charbon a une température de défor- mation initiale relativement basse de 2020 F.(1104 C.) et une
<Desc/Clms Page number 6>
température de fluidité relativement basse de 2420 F(1327 c)., la gamme de températures intermédiaire étant de 400 F (223 c) Une autre cendre de charbon a une température de déformation initiale plus élevée de 2350 f.(1287 c), et une température de fluidité correspondante plus élevée de 2750 F,(1510 c) avec une gamme de températures intermédiaire équivalente de 400 f(223 c). Une troisième cendre de charbon a une tempéra- ture de déformation initiale relativement basse de 2180 F.
(1193 C.) et une température de fluidité relativement élevée de 2860 F.(1571 C) avec une gamme de températures intermé- diaire plus étendue entre ces températures, qui est de 680 F.
(378 c),
Un autre facteur très important en relation avec les caractéristiques physiques des cendres de charbon est qu'il se produit une séparation sélective des cendres sur tout le parcours de la circulation des gaz. La cendre de charbon est, en raison de son mode de formation, un mélange hétérogène de différents constituants, comprenant des oxydes, carbonates, sulfures, sulfites, sulfates, silicates et com- posés analogues de divers métaux, dont chacun a ses tempé- ratures de déformation initiale et de fluidité individuelles, de sorte que les températures que l'on détermine pour toute cendre de charbon ou mâchefer spécifique sont de nature com- posée.
Durant le passage des gaz dans un groupe générateur de vapeur, les différents ingrédients distincts du mélange hété- rogène ne se déposent pas nécessairement à la même allure; par exemple les constituants plus gros et/ou plus denses ont ten- dance à se déposer sur le fond et sur les parois inférieures du foyer, aux premières étapes du parcours des gaz, dans une plus grande proportion que certains des ingrédients moins denses, et il en résulte un changement de la température com- posée pour les ingrédients restants du mâchefer aux endroits
<Desc/Clms Page number 7>
subséquents.
En d'autres termes, bien qu'une analyse d'une cendre d'un charbon et une détermination des températures de déformation initiale, de ramollissement et de fluidité donnent ces chiffres composés pour le mélange hétérogène complet contenu primitivement dans le charbon, les chiffres ainsi détermines ne représentent pas nécessairement l'état spécifique du méchefer en tout endroit du parcours des gaz au-delà du foyer mais au contraire,sont certainement modifiés, et des températures composées autres que celles de la cendre de charbon primitive règnent en des endroits différents.
Une installation de chaudière, décrite dans le bre- vet n 422.363 de la Demanderesse et convenant notamment -pour brûler des charbons pulvérisés dont les cendres ont une gamme étendue de températures de fusion, a été conduite avec succès à une allure de débit de vapeur de 225.000 livres (110.925 ki- logrammes) de vapeur par heure sous une pression de vapeur de 1260 livres par pouce carré (85,7 atmosphères) et à une tem- pérature de vapeur de 923 F (495 C.), en brûlant un charbon pulvérisé ayant une température de déformation initiale des cendre de 2180 F (1193 c) et une température de fluidité des cendres de 2860 F. (1571 C) et en mettant en liberté, dans la chambre de combustion primaire, 61.800 B. t.u.
(unités thermi- ques anglaises) par pied cube et par heure (556.200 calories par mètre cube et par heure). Le même groupe générateur de vapeur a aussi été conduit à une allure de 342.000 livres (154.925 kilogrammes) de vapeur par heure sous une pression de vapeur de 1225 livres par pouce carré (83,3 atmosphères) et à une température de vapeur de 910 F.(488 C.), en brûlant un charbon pulvérisé ayant une température de déformation initiale des cendres de 2350 F. (1287 C.) et une température de fluidité des cendres de 2680 F(1571 C) et en mettant en liberté, dans la chambre de combustion primaire 98.
000 B.t.u.
<Desc/Clms Page number 8>
par pied cube et par heure (882.000 calories par mètre cube et par heure). En faisant fonctionner ce groupe générateur de vapeur dans ces deux séries de conditions, la première série étant caractéristique pour un régime moyen et la deuxième série étant caractéristique pour un régime forcé avec, inci- demment des charbons de caractères différents, on fait brûler le charbon pulvérisé en suspension dans la chambre de combus- tion primaire à l'aide de brûleurs à circulation turbulente à des températures notablement supérieures à la température de fluidité des cendres, la température adiabatique étant voisine de 3600 F (1928 c) et la température des gaz quittant la chambre de combustion primaire étant de 2920 F. (1604 C) pour le régime moyen et de 2950 F.
(1621 C.) pour le régime forcé.
En d'autres termes, les gaz quittant la chambre de combustion primaire sont à des températures supérieures à la température de fluidité de la cendre, permettant ainsi à une certaine partie de la cendre, qui a été mise en liberté par le charbon à l'état fondu durant la combustion de la matière combustible, de se séparer dans la chambre de combustion primaire et d'étre éliminée à l'état liquide. La combustion dans la chambre de combustion primaire est sensiblement complète.
Afin qu'on puisse obtenir des températures de va- peur de cet ordre, la surface de surchauffe doit recevoir des gaz à des températures relativement élevées. Toutefois, pour limiter le coût de la construction du surchauffeur, il est avantageux d'employer des tubes surchauffeurs étroits et peu espacés. La répartition du contact de la vapeur et du gaz avec les éléments du surchauffeur doit être sensiblement uniforme pour éviter de chauffer trop fort ces éléments. Ces desiderata obligent à réduire les* hautes températures des gaz quittant la chambre de combustion primaire à une gamme de températures pour laquelle les gaz peuvent sans risque venir
<Desc/Clms Page number 9>
en contact avec les éléments du surchauffeur et qui est encore suffi samm:ent élevée pour produire l'effet de chauffe voulu.
En même temps, les particules de mâchefer en suspension doivent être éliminées ou leur température doit être abaissée en- dessous de la température de déformation initiale du mâchefer avant qu'elles atteignent les tubes surchauffeurs peu espacés, afin d'éviter que des mâchefers à l'état plastique, correspon- dant à la gamme de températures comprise entre les températures de déformation initiale et de fluidité, viennent en contact avec les tubes surchauffeurs et y adhèrent de façon à diminuer la transmission de chaleur à ces tubes et s'accumulent à tel point que le passage de gaz y soit obstrué.
Pour ces raisons, au sortir de la chambre de com- bustion primaire, les gaz chauds et les particules de mâchefer y demeurées en suspension sont amenées à parcourir un passage étroit allongé sensiblement non obstrué, ou ttpassage libre", dans lequel les températures des gaz et des mâchefers sont abaissées, principalement par absorption de chaleur rayonnan- te, par les parois du passage refroidies par fluide.
Dans la première branche ou section de ce passage, disposée verticale- ment en vue de la, circulation de bas en haut des gaz chauds, les mâchefers se séparant dans cette branche, qui sont encore au-dessus de la température de plasticité de la cendre, des- cendent suivant les parois de cette branche du passage vers son fond d'où on les évacue par une sortie de mâchefers con- jointement avec le mâchefer liquide séparé dans la chambre de combustion primaire elle-même. Durant la circulation des gaz dans la branche suivante ou branche descendante du passage, la température des gaz s'abaisse encore davantage en traver- sant la gamme de plasticité comprise entre les températures de fluidité et de déformation initiale.
Les mâchefers qui
<Desc/Clms Page number 10>
viennent en contact avec les parois de cette branche du pas- sage sont dans un état collant ou demi collant et ils peuvent ainsi adhérer aux parois et y créer une accumulation spon- gieuse. Toutefois, la construction des parois de cette partie du passage est telle qu'elles présentent une surface essentiel- lement lisse, de manière qu'un plan de clivage soit ménagé entre la surface de la paroi et le mâchefer qui s'y trouve, d' où il résulte que le mâchefer accumulé a tendance à s'arracher et à tomber au fond de cette branche du passage non seulement sous l'effet de la pesanteur agissant sur la masse accumulée elle-même et secondée par le plan de clivage aidant le mâche- fer à s'arracher des parois,
mais encore par suite de l'effet de balayage des gaz descendant verticalement à grande vitesse.
Plus loin, les surfaces de cette partie du passage sont ren- dues plus facilement accessibles en vue du nettoyage, de sorte que ces surfaces peuvent être maintenues dans un état relati- vement propre en dépit du fait que le mâchefer contenu dans les gaz est dans la gamme de plasticité et tend à s'accumuler sur les surfaces du passage;
la chaleur est ainsi transmise des gaz et des particules de mâchefer en suspension aux tubes d'eau constituant les parois ou limites du passage, de façon à assurer une haute allure de transmission de chaleur et, réciproquement, un abaissement rapide de la température tant des gaz que du mâchefer en suspension, de sorte que lorsque les gaz quittent cette partie du passage, les particules de mâchefer demeurant en suspension se refroidissent à l'état solide ou sec, en-dessous de la température de déformation initiale du mâchefer.
La longueur, la section transversale et la surface effective d'absorption de chaleur de ce "passage libre" du groupe générateur de vapeur sont avantageusement proportionnées de manière à assurer un abaissement de la tem- pérature des gaz en-deçà de la gamme de températures voulue
<Desc/Clms Page number 11>
de façon que le mâchefer en suspension soit à l'état solide, à une température inférieure à la température de déformation initiale, quand les gaz entrent dans la section de convection contenant les tubes surchauffeurs peu espacés du groupe géné- rateur de vapeur.
Le but général de la présente invention est de procurer une construction perfectionnée d'un groupe généra- teur de vapeur du type décrit, qui sè distingue plusparti- culièrement par une disposition perfectionnée des éléments soumis à la pression, ce qui doit permettre de réduire sen- siblement le nombre nécessaire de corps et de collecteurs, d'accroître l'allure de circulation dans la section généra- trice de vapeur, d'en rendre plus accessible la surface en vue du nettoyage et du démontage, de donner une forme avan- tageuse .au support du groupe générateur de vapeur et, en général, d'améliorer le fonctionnement tout en diminuant sensiblement les frais de construction et de montage.
Suivant la présente invention, une chaudière à tubes d'eau du genre comprenant un foyer ou chambre de combustion, une section de convection latéralement espacée du foyer et un passage de raccordement en forme d'U renversé, sensiblement non-obstrué et chauffé par rayonnement,. qui comporte une bran- che montante et une branche descendante,dont les extrémités sont raccordées respectivement .aux parties inférieures du foyer et de la section de convection, les pârois avant, arriè- re et latérales du foyer et des branches du passage.à rayonne- ment étant constituées par des groupes de tubes verticaux ou inclinés sur la verticale.,
se caractérise en ce que les grou- pes de tubes compris respectivement dans-les parois avant et arrière du foyer ou chambre de combustion sont raccordés indé- pendamment à un corps supérieur.
Dans une forme d'exécution de l'invention, les tubes-
<Desc/Clms Page number 12>
du groupe compris dans la paroi avant mènent de manière con- tinue d'un distributeur inférieur au corps supérieur et sont aussi compris dans le fond et dans le ciel du foyer ou chambre de combustion. Les tubes du groupe compris dans la paroi arrière du foyer ou chambre de combustion sont inclinés en travers du fond de la première branche du passage à rayonnement vers le foyer et sont inclinés en sens opposé à la partie su- périeure de la branche, tandis que leurs extrémités supérieu- res sont raccordées au corps supérieur du côté de celui-ci opposé au côté où sont raccordés les tubes compris dans la paroi avant.
Un groupe de tubes compris dans la paroi arrière de la seconde branche du passage à rayonnement s'étend de ba.s en haut, le long d'une paroi inclinée, depuis un côté d'un cendrier situé au fond de cette branche jusqu'à la paroi arrière de la section de convection, est en travers de l'entrée de cette section, jusqu'à la paroi arrière de la seconde bran- che du passage à rayonnement. En fait, ce dernier groupe mène de manière continue d'un distributeur inférieur au corps su- périeur et est compris dans le ciel des deux branches du pas- sage à rayonnement.
Le corps supérieur est disposé au-dessus de ce ciel, et les groupes de tubes brouilleurs compris dans les parois du foyer ou chambre de vaporisation et des branches du passage à rayonnement sont alimentés à leurs extrémités inférieures par des distributeurs connexes raccordés au corps supérieur par des tubes descendants extérieurs.
De manière avantageuse, il est prévu un raccord non-obstrué entre l'extrémité inférieure de la seconde bran- che du passage à rayonnement et un cendrier.
En outre, avantageusement, un brûleur est disposé près de la paroi avant au ciel du foyer ou chambre de combus- tion. dont la longueur est notablement plus grande que sa profon- deur comprise entre les parois avant et arrière.
<Desc/Clms Page number 13>
De préférence, la paroi arrière de la section de convection est construite à panneaux ou de façon équivalente pour permettre d'Accéder facilement aux faisceaux de tubes de la section de convection.
On décrira ci-après l'invention, à titre d'exemple, en se référant aux dessins partiellement schématiques annexés, dans lesquels:-
Fig. 1 est un diagramme montrant la relation entre les températures des gaz et de la cendre dans un groupe géné- rateur de vapeur jusqu'en un point ou les gaz et les parti- cules de mâchefer qui s'y trouvent en suspension sont à une température inférieure à la température de déformation ini- tiale du mâchefer;
Fig. 2 est une coupe verticale d'un groupe généra- teurteur de vapeur construit conformément à, l'invention;
Fig. 3 est une coupe horizontale suivant la ligne 3-3 de la fig.2;
Fig. 4 est une coupe horizontale d'une des parois extérieures de la chambre de combustion primaire;
Fig. 5 est une coupe horizontale d'une des cloisons;
Fig. 6 est une coupe analogue à la fig. 2, montrant une variante de construction.
Afin que les perfectionnements sur lesquels se base la présente invention puissent être mieux compris, on a re- présenté sur la tige 1, dans un diagramme, la relation qui existe entre la température des gaz et la température des cendres dans un groupe générateur de vapeur de la forme dé- crite dans le brevet n 422.363 de la Demanderesse, fonction- nant à une allure modérée de 225.000 livres (110.925 kilo- grammes) de vapeur par heure sous une pression de vapeur de 1260 livres par pouce carré (85,7 atmosphères) et à une tem- pérature de vapeur de 923 F. (495 C.).
<Desc/Clms Page number 14>
En abscisses du diagramme est portée la surface du groupe générateur de vapeur, sur laquelle passent les gaz, chaque division représentant 500 pieds carrés (46,45 mètres carrés). Dans le haut du diagramme sont marquées des divisions supplémentaires qui divisent cette surface en une zone 1 correspondant à la chambre de combustion primaire d'ou les gaz sont envoyés à travers l'écran pour les mâche- fers de la chambre de combustion, une zone B correspondant à la première branche du passage libre, une zone C correspon- dant à la seconde branche du passage libre et une zone D cor- respondant à la cavité située en-dessous du surchauffeur, celui-ci étant le premier faisceau de tubes du groupe, chauffé par convection.
De ce diagramme il ressort que la chambre de combustion primaire mesure sur ses parois environ
1800 pieds carrés (167,22 mètres carrés) de surface exposée aux gaz, la première branche de passage libre 1100 pieds carrés (102,19 mètres carrés), et ainsi de suite. En ordon- nées du diagramme sont portées des températures de 1600 à
3100 F (871 à 1704 C), chaque division représentant 100 F.
(55,5 c)
Sur l'axe des ordonnées sont marquées la tempéra- ture de déformation, la température de ramollissement et la température de fluidité de la cendre d'un échantillon de la- boratoire du charbon, qui sont respectivement de 2180, 2250 et 2860 F. (1193, 1232 et 1571 C.), ces températures ayant été déterminées au moyen d'un échantillon de laboratoire d'une cendre de charbon de la manière décrite ci-avant.
Les tem- pératures correspondantes déterminées pour des échantillons de mâchefer prélevés de divers endroits du groupe, situés dans le trajet de gaz, sont elles aussi indiquées dans le diagramme, et des lignes sont tracées qui relient entre elles les températures équivalentes, Ainsi, :la ligne E se rapporte
<Desc/Clms Page number 15>
à la déformation initiale du mâchefer, la ligne F à la tem0 pérature de ramollissement du mâchefer et la ligne G à la température de fluidité du méchefer Il est à noter que, comme on l'a spécifié ci-avant, ces températures ne sont pas constantes et qu'elles varient en raison de la séparation sé- lective des diverses quantités des constituants distincts du mélange hétérogène.
La surface hachurée comprise entre les lignes de températures de déformation initiale et de tempé- ratures de fluidité ainsi tracées représente la gamme variable de températures de plasticité ou de "collage" du mâchefer en divers endroits du groupe générateur de vapeur.
Dans .la zone A, correspondant à la chambre de com- bustion primaire, la température adiabatique, qui est de l'ordre de 3600 F (1982 C) n'est pas représentée, mais la température des gaz quittant la chambre de combustion pri- maire, que l'on détermine à l'aide d'un pyromètre optique, est de 29200F. (1604 C.) ou, autrement dit, au-dessus du point de fluidité.
Il est avantageux de maintenir cette tem- pérature dans la chambre de combustion primaire non seulement pour faciliter l'enlèvement d'une certaine partie des mâche- fers séparés à l'état fondu, mais encore pour assurer une com bustion sensiblement complète, et les parois refroidies par eau du foyer sont construites de manière à assurer cette con- dition, par exemple en employant des tubes à broches locale- ment réparties, garnisde réfractaire, comme le montre la fig. 4.
Dans la première et la seconde branches du passage libre, la température rapidement décroissante des gaz, déter- minée à l'aide de pyromètres optiques et de couples thermo- électriques à grande vitesse, est indiquée clairement par les lignes respectives H et J, et ces lignes montrent aussi que la température des gaz tombe définitivement en-dessous de la température de déformation initiale, indiquée par la ligne E,
<Desc/Clms Page number 16>
avant que les gaz quittent la seconde branche C du passage libre et entrent dans la cavité située en-dessous du sur- chauffeur, de sorte que les particules de mâchefer contenues dans les gaz se refroidissent définitivement à l'état solide quand elles viennent en contact avec le premier faisceau de tubes, ou surchauffeur, disposé au-dessus de la cavité.
Le groupe générateur de vapeur représenté sur les figs. 2 à 5 comporte un bâti divisé en une chambre de com- bustion primaire 10 et une section de convection latéralement espacée 11 raccordée à la chambre de combustion primaire par un passage intermédiaire ou "passage libre" sensiblement non obstrué, s'étendant verticalement, qui comprend des branches montante 12 et descendante 13. La chambre de combustion pri- maire 10 a une section transversale horizontale rectangulaire et est délimitée par une paroi avant 15, des parois latérales opposées 16, un ciel incliné 17 et un fond 18. La chambre de combustion est séparée de la branche montante 12 du passa- ge, excepté à la partie inférieure de sa face arrière, par une cloison 20 descendant de l'extrémité arrière du ciel 17 de la chambre de combustion.
Les branches montante et descen- dante sont séparées, excepté à leurs extrémités supérieures, par une cloison 21 montant du fond du bâti de la chaudière.
La branche descendante 13 et la section de convection 11 sont elles aussi séparées l'une de l'autre, excepté à leurs extrémités inférieures, par une cloison 22 descendant au- dessus du bâti de la chaudière. La face arrière de la section de convection est constituée par une paroi à panneaux 23 et les dessus des branches sont fermés par un ciel 24. De pré- férence, le groupe a partout la même largeur, comme le montre la fig. 3. Avec cette division du bâti de la chaudière, les gaz de chauffe quittant la chambre de combustion 10 par la partie inférieure de sa face arrière, parcourent de bas en
<Desc/Clms Page number 17>
haut la branche 12, de haut en bas la branche 13 et de bas en haut la section de convection 11 dont l'extrémité supérieure est raccordée à un ventilateur aspirant (non représenté).
Vue dans le sens de la longueur du bâti, la chambre de combustion est relativement étroite et le ciel 17 est percé d'une ou plusieurs ouvertures à brûleurs 25 disposées trans- versal.ement à la partie du ciel directement.adjacente à la paroi avant 15. Une caisse à vent 26 recevant un débit d'air d' un ventilateur de tirage forcé (non représenté) débouche dans l'ouverture à brûleurs 25. Un certain nombre de brûleurs à char- bon pulvérisé 27 d'un type à turbulence approprié sont montés dans la caisse à vent 26 de façon à débiter des courants d'air primaire et de charbon pulvérisé en suspension, de haut en bas à travers les ouvertures à brûleurs correspondantes, dans la chambre de combustion 10.
L'étroitesse de la chambre de com- bustion et la disposition décrite des brûleurs à charbon par rapport à la paroi avant de la chambre de combustion et à la sortie de gaz ont pour résultat une utilisation efficace du volume sensiblement entier de La chambre de combustion pri- ' maire. Le combustible entrant s'allume rapidement et circule de haut en bas en un courant qui tend à baigner la paroi avant 15 durant sa descente, alors que les gaz se rendent à la sortie de gaz située en-dessous de l'extrémité inférieure de la cloi- son 20. La chambre de combustion primaire 10 est entièrement refroidie par fluide, comme c'est décrit ci-après, pour permet,. tre à ses parois de tolérer le maintien, dans cette chambre, d'une température moyenne habituelle supérieure à la températu- re de fluidité des cendres.
Les particules de Mâchefer fondu se séparant dans la chambre de combustion primaire sur le ciel, les parois et le fond de celle-ci à l'état fondu sont enlevées à travers un ou plusieurs trous d'évacuation de mâchefer 28 ménagés dans la cloison 21 un peu au-dessus du niveau du fond-
<Desc/Clms Page number 18>
de la chambre de combustion primaire et de la branche 12 du passage à rayonnement. Le mâchefer traversant la ou les sorties de mâchefer 28 tombe dans le cendrier 42 rempli d'eau situé en-dessous de la branche descendante 13 du passage à rayonnement.
Les branches verticales 12 et 13 du passage libre, disposées en aval de la chambre de combustion en regardant dans le sens de la circulation des gaz, sont relativement étroites suivant la longueur du bâti, mais leur hauteur est telle que la longueur totale du trajet des gaz les parcourant en série, confrontée avec le degré de refroidissement produit par la construction spécifique des parois refroidies par fluide employées, soit suffisante pour assurer que les gaz entrant de la chambre de combustion primaire 10 dans la pre- mière branche 12 du passage libre, qui contiennent des parti- cules de mâchefer en suspension et qui ont une température su- périeure à la gamme de plasticité, soient refroidis, avant le moment où ils sortent du fond de la seconde branche 13 du pas- sage libre,
à une température à laquelle les particules de- meurant encore en suspension sont en-deçà de leur température de plasticité ou de "collage". En entrant dans la première branche 12, où elles circulent de bas en haut, les particules de mâchefer, qui sont au-delà de leur température de:fluidité, adhèrent aux parois de la branche du passage et descendent suivant ces parois sur le fond 18 commun à la chambre de combustion primaire 10 et à la branche 12 du passage pour être évacuées de là, conjointement avec le mâchefer fondu séparé dans la chambre¯, de combustion primaire, à travers le trou d'évacuation de mâchefers 28.
En passant du dessus de la branche 12 dans la se- conde branche 13 du passage ouvert, où les gaz circulent de haut en bas, les particules de mâchefer contenues dans les
<Desc/Clms Page number 19>
gaz ont une température comprise dans la partie inférieure de la gamme de plasticité ou de "collage" située entre les températures de déformation initiale et de 'fluidité. Les tubes de l'écran interposé entre la première et la seconde branches du passage libre sont espacés entre eux., dans leur partie formant écran, d'une distance suffisante pour que tout mâchefer qui pourrait s'accumuler sur eux ne s'accumule pas dans une mesure propre à étrangler inadmissiblement la section de passage des gaz.
Les parois délimitant cette se- conde branche du passage libre sont construites de manière à présenter à la circulation de gaz une surface froide et essentiellement lisse, étant donné que la nature adhérente du mâchefer a nécessairement pour effet que le mâchefer colle sur ces surfaces et s'y accumule, et que la forme lisse des surfaces constitue un plan de clivage naturel aidant les accumulations à se séparer sous Inaction de leur propre poids.
En outre, la circulation des gaz dans le sens descendant fa- cilite et aide l'enlèvement du mâchefer des parois, ce mâchefer étant recueilli dans la chambre d'évacuation de cendres sèches située immédiatement en-dessous de la seconde branche du passage et de la section de convection, d'où le mâ- chefer est évacué de même à l'état solide et sec. Aucune des deux branches du passage n'est obstruée par des faisceaux de tubes ou obstructions analogues, de sorte que les accumula- tions de mâchefer qui s'y produisent doivent nécessairement apparaître sur les parois du passage,, où elles peuvent être éliminées facilement, et il n'y a.ainsi aucune tendance à l'obstruction de la circulation de gaz.
En outre, la position verticale de ces branches du passage libre est extrêmement propice à l'enlèvement du mâchefer y séparé - à l'état fondu dans la première branche du passage et à l'état solide ou .spongieux dansla seconde branche du passage. Les parois des
<Desc/Clms Page number 20>
deux passages se prêtent à l'aménagement de dispositifs de nettoyage tels que souffleurs de vapeur ou dispositifs ana- logues, en vue de faciliter et accélérer l'élimination des accumulations de mâchefer de ces parois au cas où cela s'avè- rerait nécessaire, et l'élimination de le couche de mâchefer isolante a pour effet d'améliorer les conditions de transmis- sion de chaleur et d'assurer que la chaleur absorbée par les parois, prise aux gaz,
soit suffisante pour établir les condi- tions de température voulues au sortir de la seconde branche du passage libre et à l'entrée des faisceaux de tubes peu espacés de la section de convection.
La surface de génération de vapeur du groupe se li- mite principalement à la chambre de combustion primaire et au passage libre, où: les tubes d'absorption de chaleur sont chauffés principalement par rayonnement et sont autant que possible disposés verticalement, et tous les corps, collec- teurs et raccords descendants sont montés en dehors du trajet des gaz de chauffe. Comme le montrent les dessins, un corps de vapeur et d'eau 30 est disposé transversalement au groupe directement au-dessus de la cloison 20 et au-dessus du niveau du ciel 24. Le corps 30 est supporté par la charpente d'acier, s'élevant au-dessus de lui, par l'intermédiaire de tringles de suspension en U 31. Un corps d'eau 32 s'étendant dans une direction horizontale est disposé transversalement au groupe en-dessous de la branche montante 12 du passage à rayonnement.
Les tubes générateurs de vapeur comprennent une rangée de tubes 33 allant du corps 32 au corps 30 le long du fond 18, de la paroi avant 15, du ciel 17 et de la paroi avant de la branche montante 12 du passage à rayonnement, et cette rangée de tubes est suspendue au corps 33 par l'inter- médiaire de tringles 33a Une deuxième rangée de tubes 34 va du corps 32 au corps 30 en travers de l'extrémité inférieure de
<Desc/Clms Page number 21>
la branche de passage montante 12, le long de la cloison 20 et le long de la paroi avant de la branche de passage 12. Les parties inclinées 34a des tubes, disposées en travers de la partie inférieure de la, branche de passage montante, sont cou- dées et espacées de manière à constituer un écran incliné re- froidi par fluide,
s'étendant du fond de la chambre de combus- tion à l'extrémité inférieure de la cloison 20. Les parties 34a des tubes et leurs parties plus élevées qui constituent la cloison 20, sont garnies de broches et de réfractaire dans la mesure voulue pour assurer au groupe le fonctionnement le plus efficace. Les parties supérieures 34b de la plupart des tubes 34 sont coudées vers l'arrière en travers de la partie supérieure de la branche de passage 12 pour faciliter leur raccordement au côté opposé du corps 30.
Une troisième rangée de tubes générateurs de vapeur 35 s'élève verticalement du corps 32 le long de la cloison 21, et les parties 35a des tubes, situées au-dessus de l'extrémité supérieure de la cloison, sont coudées et disposées de manière à constituer un écran entre les branches de passage montante 12 et descendante 13 Les tubes 35 sont aussi garnis de broches métalliques et de matière ré- fractaire, comme le montre la fig.5, de façon à constituer la cloison 21. La cloison 21 est prolongée vers le bas en arrière du corps 32 jusqu'à la paroi avant du cendrier 42 disposé en- dessous de la branche de passage descendante 13.
Une quatrième rangée de tubes 36 s'élève du collecteur 37 et va le long de la partie inférieure inclinée de la paroi 23, en travers de l'extrémité inférieure de la section de convection, le long de la cloison 22 et le long du ciel 24, au corps 30. Les parties inférieures inclinées des tubes '56 sont recouvertes de blocs pour constituer un fond de trémie incliné se terminant dans le cendrier 42. Les parties 36a des tubes 36, disposées en travers de l'extrémité inférieure de la section de convection
<Desc/Clms Page number 22>
montante, sont coudées et espacées de manière à constituer un écran incliné en travers de.l'extrémité inférieure de la section de convection entre la paroi arrière 23 et l'extré- mité inférieure de la cloison 22.
Les parties des tubes 36, situées au-dessus de l'écran, sont garnies de broches et de matière réfractaire, comme le montre la fig.5 de manière à constituer la cloison 22. Les parois latérales de la chambre de combustion 10 sont constituées chacune par une rangée de tubes 40 garnis de broches sur une partie de leur surface, qui sont disposés entre un collecteur supérieur 38 et un collecteur in- férieur 69. Les parois latérales des branches de passage 12 et 13 sont constituées par des tubes analogues 40a disposés entre des collecteurs supérieurs 41, adjacents au corps 30, et les collecteurs 39. Des tubes 43 constituant les parois latérales opposées de la section de convection sont disposés entre les collecteurs 39 et des collecteurs supérieurs 44.
Les collec- teurs 38, 41 et 44 sont raccordés au corps supérieur 30 par des tubes montants 45 suspendus à la charpente d'acier s'éle vant au-dessus d'eux et ils supportent à leur tour par le haut les parois latérales du groupe.
Comme le montrent les dessins, les corps 30 et 32 et les collecteurs 37, 38, 39, 40 et 44 sont situés en dehors du trajet des gaz de chauffe. La circulation du fluide dans les éléments générateurs de va.peur décrits est aidée par la posi- tion surélevée du corps 30 et par l'emplacement extérieur des divers raccords alimentant les éléments générateurs de vapeur.
Comme le montre la fig.3, de gros tuyaux verticaux 46 dispo- sés du côté extérieur des parois latérales 16 descendent du corps 30. Les raccords tubulaires menant au corps 30 sont de préférence montés suivant les côtés opposés du corps, de ma- nière que l'eau contenue au fond du corps, dans lequel débou- chent les tuyaux verticaux 46, soit relativement calme. Les
<Desc/Clms Page number 23>
collecteurs 39 sont alimentés par les tuyaux verticaux 46 par l'intermédiaire de tubes 47, le collecteur 37 par l'intermé- diaire de tubes extérieurs 48 et le corps 32 par l'intermédiai- re de tubes extérieurs 49.
La construction décrite est destinée à mettre en li- berté une plus grande quantité de chaleur par mètre courant de foyer que le groupe décrit dans le brevet n 422.363 de la Demanderesse, de sorte que la température régnant dans la chambre de combustion primaire est plus élevée en conséquence.
Toutefois, la température finale des gaz entrant dans la section de convection doit être sensiblement la même, et dans la construction conforme à Finvention les branches de passage libre sont à cet effet notablement plus hautes pour assurer une plus gr.ande absorption de chaleur dans ces parties du groupe.
La construction conforme à l'invention évite toute possibilité que 1-'extrémité inférieure de la branche de passage descendante s'engorge d'accumulations de mâchefer déposé à partir des parois de la branche, -étant donné que l'écran tu- bulaire 36a est disposé en travers de l'entrée de la section de convection et laisse ainsi entre la branche de passagé des- cendante et le cendrier un intervalle libre tant en-dessous de la branche de passage descendante qu'en-dessous de la section de convection.
La cavité relativement grande, refroidie par fluide, qui est ainsi formée dans cette partie dungroupe a pour effet d'abaisser encore davantage la température des gaz et constitue une vaste chambre de renversement de gaz, dans laquelle les particules de mâchefer en suspension peu- vent se séparer et par où les gaz peuvent entrer plus unifor- mément dans la section de convection. L'écran .tubulaire 36a constitue la zone de refroidissement finale précédant l'entrée des gaz dans la section de convection.
La section de convection du groupe est utilisée ex-
<Desc/Clms Page number 24>
clusivement pour y loger les surfaces de chauffe auxiliaires du groupe. Comme le montrent les dessins, les gaz de chauffe entrants yiennent d'abord en contact avec le surchauffeur de vapeur constitué par des sections de tubes 51 verticalement espacées et raccordées en série, qui sont disposées entre un collecteur d'entrée 52 et le collecteur de sortie 53 mon- tés à l'extérieur de la paroi arrière 23. Les tubes adjacents de la section inférieure du surchauffeur sont disposés par rangées fasciculées afin de permettre un plus grand espacement transversal entre serpentins tubulaire adjacents des sections du surchauffeur situées au-dessus de la première section.
Les serpentins du surchauffeur sont supportés à leurs extrémités intérieures par les tubes de cloison 36, de manière bien connue, et à leurs extrémités extérieures par une poutre transversale 54 par l'intermédiaire du collecteur 52 et d'é- léments engageant les tubes.
Un certain nombre de sections d'économiseur 60, rac- cordées en série et parcourues de haut en bas, sont disposées dans la section de convection au-dessus des sections du sur- chauffeur. Les serpentins de l'économiseur sont eux aussi sup- portés à leurs extrémités intérieures par les tubes 36 et à leurs extrémités extérieures ils sont supportés par les tubes du surchauffeur disposés suivant la paroi arrière. Un passage de dérivation 70 contenant une surface d'économiseur supplé- mentaire 71 est disposé d'un côté de la, section de convection pour permettre de régler la température du surchauffeur, comme c'est décrit dans le brevet n 422.363 de la Demanderesse.
La construction en panneaux de la paroi 25 et l'absence de tu- bes descendants et d'autres tubes d'absorption de chaleur sur cette paroi facilitent l'inspection, la réparation et le rein- placement de la surface de chauffe auxiliaire contenue dans la section de convection.
<Desc/Clms Page number 25>
La variante de construction de générateur de vapeur représentée sur la fig. 6 est notamment destinée à la produc- tion, à haute capacité, de vapeur sous une forte pression et à une température élevée, d'environ 950 F.(510 c) Pour des groupes de ce type il peut être .avantageux de réchauffer la vapeur aprèsun passage prédéterminé dans une turbine connexe.
Sur la fig.6, la surface d'absorption de chaleur constituant les parois latérales de la branche de passage descendante 13 et la cloison 22 est employée comme réchauffeur de vapeur.
Comme le montrent les dessins, la vapeur à réchauffer est débi- tée au collecteur 37' du cendrier et se rend par les tubes 36' du cendrier, les tubes-écrans 36a et les tubes de cloison 22 à un collecteur supérieur 80. La vapeur réchauffée passe en- suite aux collecteurs 41' des parois latérales d'où: elle descend par les tubes 40' des parois latérales dans les col- lecteurs de sortie 42'.
Bien que les constructions de chaudière décrites ci- dessus et représentées sur les dessins annexés conviennent notamment et soient particulièrement utiles pour brûler du charbon pulvérisé formant des mâchefers, il est évident qu'on peut y brûler aussi d'autres combustibles fluides, tels que de l'huile ou du gaz.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
Improvements to steam generators.
This invention relates to improvements to water tube or water tube boilers of the type comprising a hearth or combustion chamber, a convection section laterally spaced from the hearth and an inverted U-shaped connecting passage, substantially unobstructed and heated. by radiation, which comprises a rising branch and a falling branch, the ends of which are connected respectively to the lower parts of the hearth and of the convection section, the front, rear and side walls of the hearth and of the branches of the radiation passage being cons - formed by groups of vertical or inclined tubes on the
<Desc / Clms Page number 2>
vertical, and these boilers being intended to burn pulverized fuels whose ash has a range of melting temperatures.
The coals employed in pulverized form in the steam generating units to which the present invention relates vary considerably both in their physical characters and in their chemical composition.
All coals contain ash to a greater or lesser degree, and although the proportion of ash, its chemical composition and its physical characteristics are essentially the same for a coal from a given deposit or deposit , they vary very considerably between coals from different deposits.
However, when passing from the solid phase to the liquid phase, the ash of all the coals passes through a transition zone defined by three temperatures, usually referred to as
10 initial deformation temperature,
2) softening temperature and
3) fluidity temperature, which can be determined in the laboratory by common well-known methods, the ashy residue of a slowly consumed charcoal being formed into a conical briquette and the specific temperatures being determined in a muffle furnace.
The initial deformation temperature is when the cone begins to deform and it marks the moment when the lower melting temperature particles of the heterogeneous mixture of which the ash is composed begin to soften and cement the particles at melting temperature. higher. The softening temperature is where the cone melts into a round heap. The fluidity temperature is where all of the ash ingredients go into a molten state. Specific temperatures and temperature ranges
<Desc / Clms Page number 3>
erasures between any two of these temperatures vary notably according to the nature of the coal ash from various sources.
By burning pulverized coal, in the hearths of the steam generating units according to the invention, it is sought to obtain the maximum practically achievable thermal efficiency or, in other words, to use the calories of the coal to the greatest extent possible in the process of combustion. This requires the consideration of many factors, but one of the most essential factors is the efficient and nearly complete combustion of the coal with a practically allowable minimum excess air required to achieve this result. Under these combustion conditions one naturally obtains the minimum weight of gas containing the maximum amount of calories capable of being removed from the charcoal, resulting in high hearth temperatures.
These hearth temperatures exceed the fluidity temperatures of many of the different constituents of heterogeneous coal ash, so that during the combustion of the combustible material different particles of pulverized coal, when the different ash particles contained in the coal particles are exposed and brought to a higher temperature, many of them melt, and as combustion progresses small, distinct particles of ash , some liquid and others plastic or solid, depending on their composition and their melting temperature, are set free and carried away by the combustion gases.
In order to use the heat of the combustion gases thus formed and of the solid particles of clinker which are in suspension there, it is done. withdraws either by radiation to a cooler surface delimiting the gas path, as for example
<Desc / Clms Page number 4>
the walls of a fireplace cooled by water, either by convection, by passing the gases over a bundle of tubes at a lower temperature, for example over a bundle of boilers, superheaters, economizers or water heaters , or again by a combination of the two heaters, namely, by radiation and by convection As the heat is removed from the gases, their temperature and that of the clinker particles which are in suspension in them decrease,
so that the clinker drops through a temperature range below the initial strain temperature and solidifies.
At places where the temperature of the gases and the clinker particles suspended therein is equal to or greater than the flow temperature of the ash, the handling of such clinker is relatively simple. The various particles released by the coal and suspended in the gases collide to some extent with each other, but most of them strike the walls of the hearth, and since these walls, either by reason of their construction or because the bottom ash has accumulated there previously, are maintained at a temperature which is also higher than the fluidity temperature of the bottom ash, the bottom ash deposited on these walls remains molten and flows downwards, so that they can be discharge satisfactorily, for example in a furnace for casting bottom ash.
When the clinker particles suspended in the gases are cooled to a temperature much lower than the initial ash strain temperature, their handling is also relatively simple, since the clinker is solid and "dry" and does not adhere to any of the surfaces with which it could come into contact, such as for example a bundle of tubes. Not only can these clinker particles be handled satisfactorily, but also the
<Desc / Clms Page number 5>
The heat absorbing surface with which they and the gases which transport them come into contact remains clean, so that maximum heat transfer can be produced.
However, in the temperature range between the limits defined by the initial strain and flow temperatures, the clinker is in a plastic or "sticky" state and creates a problem for the operation of the steam generator. . Being "sticky" clinker sticks to almost any surface it comes in contact with and, moreover, piles up and accumulates in extremely undesirable proportions even though it might occur, in certain temperature ranges a slow plastic flow. This not only makes the handling more difficult, but also results in forming an insulating layer on all heat absorbing surfaces to which the cheek iron adheres and thereby significantly decreasing heat absorption.
This state of affairs is particularly serious when it is allowed to settle, for example, in a bundle of relatively closely spaced tubes, since bottom ash accumulated on one tube tends to meet with bottom ash accumulated on an adjacent tube. , so that not only are these surfaces effectively insulated and the heat absorption is reduced, but also the passage between the tubes is obstructed and stops the flow of gas.
As has already been mentioned above, not only do the specific temperatures of initial deformation and of fluidity differ according to the ash of different charcoals, but also the temperature ranges between these specific temperatures vary very notably.
As an example of this state of affairs, relating to specific coal ash, coal ash has a relatively low initial deformation temperature of 2020 F. (1104 C.) and a
<Desc / Clms Page number 6>
relatively low flow temperature of 2420 F (1327 c)., with the intermediate temperature range being 400 F (223 c) Another coal ash has a higher initial strain temperature of 2350 f. (1287 c), and a corresponding higher flow temperature of 2750 F, (1510 c) with an equivalent intermediate temperature range of 400 f (223 c). A third coal ash has a relatively low initial strain temperature of 2180 F.
(1193 C.) and a relatively high flow temperature of 2860 F. (1571 C) with a wider intermediate temperature range between these temperatures, which is 680 F.
(378 c),
Another very important factor in relation to the physical characteristics of coal ash is that selective ash separation occurs throughout the gas flow path. Coal ash is, by its mode of formation, a heterogeneous mixture of different constituents, including oxides, carbonates, sulphides, sulphites, sulphates, silicates and the like of various metals, each of which has its own temperatures. of individual initial strain and fluidity, so that the temperatures determined for any specific coal ash or clinker are compound in nature.
During the passage of the gases through a steam generating unit, the different distinct ingredients of the heterogeneous mixture do not necessarily settle at the same rate; for example the larger and / or denser components tend to settle on the bottom and on the lower walls of the hearth, in the early stages of the gas path, in a greater proportion than some of the less dense ingredients, and this results in a change in the compound temperature for the remaining clinker ingredients at the places
<Desc / Clms Page number 7>
subsequent.
In other words, although an analysis of an ash from a coal and a determination of the initial strain, softening and flow temperatures give these composite figures for the complete heterogeneous mixture originally contained in the coal, the figures thus determinates do not necessarily represent the specific state of the wicked in any place of the path of the gases beyond the hearth but on the contrary, are certainly modified, and temperatures composed other than those of the primitive coal ash prevail in different places .
A boiler installation, described in Patent No. 422,363 by the Applicant and particularly suitable for burning pulverized coals, the ash of which has a wide range of melting temperatures, has been successfully carried out at a steam flow rate of 225,000 pounds (110,925 kilograms) of steam per hour at a vapor pressure of 1260 pounds per square inch (85.7 atmospheres) and at a vapor temperature of 923 F (495 C.), by burning coal pulverized having an initial ash deformation temperature of 2180 F (1193 c) and an ash flow temperature of 2860 F. (1571 C) and releasing, in the primary combustion chamber, 61.800 B. tu
(British thermal units) per cubic foot per hour (556,200 calories per cubic meter per hour). The same steam generator unit was also operated at a rate of 342,000 pounds (154,925 kilograms) of steam per hour at a steam pressure of 1225 pounds per square inch (83.3 atmospheres) and a steam temperature of 910 F . (488 C.), by burning a pulverized coal having an initial ash strain temperature of 2350 F. (1287 C.) and an ash flow temperature of 2680 F (1571 C) and setting free, in the primary combustion chamber 98.
000 B.t.u.
<Desc / Clms Page number 8>
per cubic foot per hour (882,000 calories per cubic meter per hour). By making this steam generator group operate under these two series of conditions, the first series being characteristic for an average speed and the second series being characteristic for a forced mode with, inci- dently coals of different characters, the coal is burnt. sprayed in suspension in the primary combustion chamber using turbulent circulating burners at temperatures significantly above the ash flow temperature, the adiabatic temperature being around 3600 F (1928 c) and the gas temperature leaving the primary combustion chamber being 2920 F. (1604 C) for the medium speed and 2950 F.
(1621 C.) for the forced diet.
In other words, the gases leaving the primary combustion chamber are at temperatures above the flow temperature of the ash, thus allowing some of the ash, which has been released by the coal to the molten state during combustion of the combustible material, to separate in the primary combustion chamber and to be removed in a liquid state. Combustion in the primary combustion chamber is substantially complete.
In order to achieve vapor temperatures of this order, the superheating surface must receive gases at relatively high temperatures. However, to limit the cost of constructing the superheater, it is advantageous to employ narrow and closely spaced superheater tubes. The distribution of the contact of the steam and the gas with the elements of the superheater must be substantially uniform to avoid overheating these elements. These desiderata make it necessary to reduce the * high temperatures of the gases leaving the primary combustion chamber to a range of temperatures for which the gases can safely come.
<Desc / Clms Page number 9>
in contact with the elements of the superheater and which is still high enough to produce the desired heating effect.
At the same time, the suspended clinker particles must be removed or their temperature must be lowered below the initial deformation temperature of the clinker before they reach the closely spaced superheater tubes, in order to prevent bottom ash from letting it go. 'plastic state, corresponding to the temperature range between the initial deformation and fluidity temperatures, come into contact with the superheater tubes and adhere to them so as to reduce the transmission of heat to these tubes and accumulate at such point that the gas passage is obstructed.
For these reasons, on leaving the primary combustion chamber, the hot gases and the clinker particles remaining in suspension therein are caused to pass through an elongated narrow passage which is substantially unobstructed, or the free passage ", in which the temperatures of the gases. and bottom ash are lowered, primarily by absorption of radiant heat, by the fluid-cooled passage walls.
In the first branch or section of this passage, arranged vertically in view of the circulation from bottom to top of the hot gases, the bottom ash separating in this branch, which are still above the temperature of plasticity of the ash , descend along the walls of this branch of the passage towards its bottom from where they are discharged by a bottom ash outlet together with the liquid bottom ash separated in the primary combustion chamber itself. During the circulation of the gases in the next branch or descending branch of the passage, the temperature of the gases is lowered still further by crossing the range of plasticity between the temperatures of fluidity and of initial strain.
The bottom ash that
<Desc / Clms Page number 10>
come into contact with the walls of this branch of the passage are in a sticky or semi-sticky state and they can thus adhere to the walls and create a spongy accumulation therein. However, the construction of the walls of this part of the passage is such that they have an essentially smooth surface, so that a cleavage plane is formed between the surface of the wall and the clinker therein, d 'where it follows that the accumulated clinker tends to tear off and fall to the bottom of this branch of the passage not only under the effect of gravity acting on the accumulated mass itself and assisted by the cleavage plane helping the chew to tear off the walls,
but again as a result of the sweeping effect of the gases descending vertically at high speed.
Further on, the surfaces of this portion of the passage are made more readily accessible for cleaning, so that these surfaces can be maintained in a relatively clean condition despite the fact that the clinker contained in the gases is in. the range of plasticity and tends to accumulate on the surfaces of the passage;
the heat is thus transmitted from the gases and the clinker particles in suspension to the water tubes constituting the walls or boundaries of the passage, so as to ensure a high rate of heat transmission and, conversely, a rapid lowering of the temperature both gas as slag in suspension, so that when the gases leave this part of the passage, the slag particles remaining in suspension cool to a solid or dry state, below the initial deformation temperature of the clinker.
The length, cross section and effective heat absorbing area of this "free passage" of the steam generator unit are advantageously proportioned so as to ensure a lowering of the temperature of the gases below the temperature range. wanted
<Desc / Clms Page number 11>
so that the slag in suspension is in the solid state, at a temperature below the initial deformation temperature, when the gases enter the convection section containing the closely spaced superheater tubes of the steam generator group.
The general object of the present invention is to provide an improved construction of a steam-generating unit of the type described, which is distinguished more particularly by an improved arrangement of the elements subjected to pressure, which should make it possible to reduce its pressure. - if the necessary number of bodies and collectors, to increase the flow rate in the steam-generating section, to make the surface more accessible for cleaning and dismantling, to give an advantageous shape. tageuse .at the support of the steam generator group and, in general, improve operation while significantly reducing construction and assembly costs.
In accordance with the present invention, a water tube boiler of the kind comprising a hearth or combustion chamber, a convection section laterally spaced from the hearth and an inverted U-shaped connecting passage, substantially unobstructed and heated by radiation. ,. which comprises a rising branch and a falling branch, the ends of which are respectively connected to the lower parts of the hearth and of the convection section, the front, rear and side walls of the hearth and of the branches of the radiated passage. - being formed by groups of vertical tubes or inclined on the vertical.,
is characterized in that the groups of tubes included respectively in the front and rear walls of the hearth or combustion chamber are independently connected to an upper body.
In one embodiment of the invention, the tubes
<Desc / Clms Page number 12>
of the group included in the front wall lead continuously from a lower distributor to the upper body and are also included in the bottom and in the top of the hearth or combustion chamber. The tubes of the group included in the rear wall of the fireplace or combustion chamber are inclined across the bottom of the first branch of the radiation passage towards the fireplace and are inclined in the opposite direction to the upper part of the branch, while their upper ends are connected to the upper body on the side thereof opposite to the side where the tubes included in the front wall are connected.
A group of tubes included in the rear wall of the second branch of the radiation passage extends from the bottom up, along an inclined wall, from one side of an ashtray located at the bottom of this branch to at the rear wall of the convection section, is across the entrance of this section, to the rear wall of the second leg of the radiation passage. In fact, the latter group leads continuously from a lower distributor to the upper body and is included in the sky of the two branches of the beam passage.
The upper body is arranged above this sky, and the groups of interfering tubes included in the walls of the hearth or vaporization chamber and of the branches of the radiation passage are supplied at their lower ends by related distributors connected to the upper body by outer descending tubes.
Advantageously, an unobstructed connection is provided between the lower end of the second branch of the radiation passage and an ashtray.
In addition, advantageously, a burner is disposed near the front wall in the sky of the hearth or combustion chamber. the length of which is notably greater than its depth between the front and rear walls.
<Desc / Clms Page number 13>
Preferably, the rear wall of the convection section is constructed in panels or the like to allow easy access to the tube bundles of the convection section.
The invention will be described below, by way of example, with reference to the attached partially schematic drawings, in which:
Fig. 1 is a diagram showing the relationship between the temperatures of the gases and the ash in a steam generating unit to a point where the gases and the clinker particles which are in suspension therein are at a temperature lower than the initial deformation temperature of the clinker;
Fig. 2 is a vertical section of a steam generator assembly constructed in accordance with the invention;
Fig. 3 is a horizontal section taken along line 3-3 of FIG. 2;
Fig. 4 is a horizontal section of one of the outer walls of the primary combustion chamber;
Fig. 5 is a horizontal section of one of the partitions;
Fig. 6 is a section similar to FIG. 2, showing an alternative construction.
In order that the improvements on which the present invention is based may be better understood, the relation which exists between the temperature of the gases and the temperature of the ash in a steam generating unit has been shown on rod 1 in a diagram. of the form described in Applicant's Patent No. 422,363, operating at a moderate rate of 225,000 pounds (110,925 kilograms) of steam per hour at a steam pressure of 1260 pounds per square inch (85.7 atmospheres) and a vapor temperature of 923 F. (495 C.).
<Desc / Clms Page number 14>
On the abscissa of the diagram is plotted the area of the steam generator group, over which the gases pass, each division representing 500 square feet (46.45 square meters). At the top of the diagram are marked additional divisions which divide this surface into a zone 1 corresponding to the primary combustion chamber from where the gases are sent through the screen for the slag in the combustion chamber, a zone B corresponding to the first branch of the free passage, a zone C corresponding to the second branch of the free passage and a zone D corresponding to the cavity located below the superheater, the latter being the first bundle of tubes of the group, heated by convection.
From this diagram it appears that the primary combustion chamber measures on its walls approximately
1800 square feet (167.22 square meters) of gas exposed area, the first branch of free passage 1100 square feet (102.19 square meters), and so on. The ordinate of the diagram shows temperatures from 1600 to
3100 F (871 to 1704 C), each division representing 100 F.
(55.5 c)
On the y-axis are marked the deformation temperature, the softening temperature and the ash flow temperature of a sample from the coal laboratory, which are respectively 2180, 2250 and 2860 F. ( 1193, 1232 and 1571 C.), these temperatures having been determined by means of a laboratory sample of coal ash as described above.
The corresponding temperatures determined for samples of clinker taken from various places of the group, situated in the gas path, are also indicated in the diagram, and lines are drawn which connect the equivalent temperatures between them, Thus,: the line E relates
<Desc / Clms Page number 15>
at the initial deformation of the clinker, line F at the softening temperature of the clinker and line G at the fluidity temperature of the clinker It should be noted that, as specified above, these temperatures are not constant and vary due to the selective separation of the various amounts of the distinct constituents of the heterogeneous mixture.
The hatched area between the lines of initial strain temperature and flow temperature thus plotted represents the varying range of plasticity or "stick" temperatures of the clinker at various locations in the steam generator group.
In zone A, corresponding to the primary combustion chamber, the adiabatic temperature, which is of the order of 3600 F (1982 C) is not shown, but the temperature of the gases leaving the primary combustion chamber. - mayor, which is determined using an optical pyrometer, is 29200F. (1604 C.) or, in other words, above the melt point.
It is advantageous to maintain this temperature in the primary combustion chamber not only to facilitate the removal of some of the separated bottom ash in the molten state, but also to ensure substantially complete combustion, and The water-cooled walls of the hearth are constructed to ensure this condition, for example by employing locally distributed pin tubes, lined with refractory, as shown in fig. 4.
In the first and second branches of the free passage, the rapidly decreasing temperature of the gases, determined with the aid of optical pyrometers and high-speed thermoelectric couples, is clearly indicated by the respective lines H and J, and these lines also show that the temperature of the gases definitely falls below the initial deformation temperature, indicated by line E,
<Desc / Clms Page number 16>
before the gases leave the second branch C of the free passage and enter the cavity located below the superheater, so that the clinker particles contained in the gases cools definitively in the solid state when they come into contact with the first bundle of tubes, or superheater, arranged above the cavity.
The steam generator group shown in figs. 2-5 has a frame divided into a primary combustion chamber 10 and a laterally spaced convection section 11 connected to the primary combustion chamber by a substantially unobstructed, vertically extending intermediate passage or "free passage" which comprises ascending 12 and descending branches 13. The primary combustion chamber 10 has a rectangular horizontal cross section and is delimited by a front wall 15, opposed side walls 16, an inclined sky 17 and a bottom 18. The combustion chamber combustion is separated from the rising branch 12 of the passage, except at the lower part of its rear face, by a partition 20 descending from the rear end of the canopy 17 of the combustion chamber.
The rising and falling branches are separated, except at their upper ends, by a partition 21 rising from the bottom of the boiler frame.
The descending branch 13 and the convection section 11 are also separated from each other, except at their lower ends, by a partition 22 descending above the frame of the boiler. The rear face of the convection section is formed by a paneled wall 23 and the tops of the branches are closed by a sky 24. Preferably, the group has the same width everywhere, as shown in FIG. 3. With this division of the boiler frame, the heating gases leaving the combustion chamber 10 through the lower part of its rear face, travel from bottom to
<Desc / Clms Page number 17>
up the branch 12, from top to bottom the branch 13 and from the bottom up the convection section 11 whose upper end is connected to a suction fan (not shown).
Viewed along the length of the frame, the combustion chamber is relatively narrow and the canopy 17 is pierced with one or more burner openings 25 arranged transversely to the part of the canopy directly adjacent to the front wall. 15. A windbox 26 receiving air flow from a forced draft fan (not shown) opens into the burner opening 25. A number of pulverized charcoal burners 27 of a swirl type. suitable are mounted in the windbox 26 so as to deliver streams of primary air and suspended pulverized coal, up and down through the corresponding burner openings, into the combustion chamber 10.
The narrowness of the combustion chamber and the disclosed arrangement of the charcoal burners with respect to the front wall of the combustion chamber and to the gas outlet results in efficient use of the substantially entire volume of the combustion chamber. primary. The incoming fuel ignites rapidly and flows up and down in a stream which tends to bathe the front wall 15 as it descends, as the gases travel to the gas outlet below the lower end of the fuel. partition 20. The primary combustion chamber 10 is fully fluid cooled, as described below, to allow. It is up to its walls to tolerate the maintenance, in this chamber, of a usual average temperature above the fluidity temperature of the ash.
The molten clinker particles separating in the primary combustion chamber on the top, the walls and the bottom thereof in the molten state are removed through one or more clinker discharge holes 28 made in the partition 21 a little above the bottom level-
<Desc / Clms Page number 18>
of the primary combustion chamber and of the branch 12 of the radiation passage. The clinker passing through the clinker outlet (s) 28 falls into the ashtray 42 filled with water located below the descending branch 13 of the radiation passage.
The vertical branches 12 and 13 of the free passage, arranged downstream of the combustion chamber looking in the direction of gas flow, are relatively narrow along the length of the frame, but their height is such that the total length of the path of the gas. gases flowing through them in series, compared with the degree of cooling produced by the specific construction of the fluid-cooled walls employed, is sufficient to ensure that the gases entering from the primary combustion chamber 10 into the first branch 12 of the free passage, which contain clinker particles in suspension and which have a temperature above the range of plasticity, are cooled, before they leave the bottom of the second branch 13 of the free passage,
at a temperature at which the particles still in suspension are below their plasticity or "sticking" temperature. On entering the first branch 12, where they circulate from bottom to top, the clinker particles, which are above their temperature of: fluidity, adhere to the walls of the branch of the passage and descend along these walls on the bottom 18 common to the primary combustion chamber 10 and to the branch 12 of the passage to be discharged from there, together with the molten bottom ash separated in the primary combustion chamber, through the bottom ash outlet hole 28.
Passing from the top of branch 12 into the second branch 13 of the open passage, where the gases flow from top to bottom, the clinker particles contained in the
<Desc / Clms Page number 19>
gases have a temperature in the lower end of the plasticity or "stick" range between the initial strain and fluidity temperatures. The tubes of the screen interposed between the first and the second branches of the free passage are spaced between them., In their part forming a screen, by a sufficient distance so that any clinker which may accumulate on them does not accumulate. to an extent such as to impermissibly throttle the gas passage section.
The walls delimiting this second branch of the free passage are constructed so as to present to the circulation of gas a cold and essentially smooth surface, since the adhesive nature of the clinker necessarily results in the clinker sticking to these surfaces and s 'accumulate there, and that the smooth shape of the surfaces constitute a natural plane of cleavage helping the accumulations to separate under the inaction of their own weight.
In addition, the downward flow of gases facilitates and assists the removal of clinker from the walls, this clinker being collected in the dry ash discharge chamber located immediately below the second branch of the passage and the convection section, from which the jaw is also discharged in a solid and dry state. Neither branch of the passage is obstructed by bundles of tubes or similar obstructions, so that the clinker accumulations which occur there must necessarily appear on the walls of the passage, where they can be easily removed, and there is thus no tendency to obstruct the gas flow.
In addition, the vertical position of these branches of the free passage is extremely favorable to the removal of the clinker separated therein - in the molten state in the first branch of the passage and in the solid or spongy state in the second branch of the passage. The walls of
<Desc / Clms Page number 20>
two passages lend themselves to the installation of cleaning devices such as steam blowers or similar devices, with a view to facilitating and accelerating the removal of clinker accumulations from these walls, should this prove necessary, and the elimination of the insulating clinker layer has the effect of improving the conditions of heat transmission and ensuring that the heat absorbed by the walls, taken to the gases,
is sufficient to establish the desired temperature conditions at the exit of the second branch of the free passage and at the entrance of the closely spaced tube bundles of the convection section.
The steam generating surface of the group is confined mainly to the primary combustion chamber and the free passage, where: the heat absorption tubes are heated mainly by radiation and are as far as possible arranged vertically, and all the bodies , manifolds and down fittings are fitted outside the path of the heating gases. As shown in the drawings, a body of steam and water 30 is arranged transversely to the group directly above the partition 20 and above sky level 24. The body 30 is supported by the steel frame, rising above it, by means of U-shaped suspension rods 31. A body of water 32 extending in a horizontal direction is disposed transversely to the group below the riser 12 of the passageway. radiation.
The steam generator tubes comprise a row of tubes 33 extending from body 32 to body 30 along the bottom 18, the front wall 15, the ceiling 17 and the front wall of the rising branch 12 of the radiation passage, and this row of tubes is suspended from body 33 via rods 33a A second row of tubes 34 runs from body 32 to body 30 across the lower end of the tube.
<Desc / Clms Page number 21>
the rising passage branch 12, along the partition 20 and along the front wall of the passage branch 12. The inclined portions 34a of the tubes, arranged across the lower part of the rising passage branch, are bent and spaced so as to constitute an inclined screen cooled by fluid,
extending from the bottom of the combustion chamber to the lower end of the partition 20. The portions 34a of the tubes and their higher portions which constitute the partition 20, are lined with pins and refractory to the extent desired to ensure the most efficient functioning of the group. The upper portions 34b of most tubes 34 are angled rearwardly across the upper portion of passage leg 12 to facilitate their connection to the opposite side of body 30.
A third row of steam generator tubes 35 rises vertically from the body 32 along the partition 21, and the portions 35a of the tubes, located above the upper end of the partition, are angled and arranged so as to constitute a screen between the upward 12 and downward passage branches 13 The tubes 35 are also lined with metal pins and refractory material, as shown in fig.5, so as to constitute the partition 21. The partition 21 is extended down behind the body 32 to the front wall of the ashtray 42 arranged below the downward passage branch 13.
A fourth row of tubes 36 rises from manifold 37 and runs along the sloping lower portion of wall 23, across the lower end of the convection section, along bulkhead 22, and along the sky. 24, to the body 30. The inclined lower parts of the tubes '56 are covered with blocks to form an inclined hopper bottom ending in the ashtray 42. The parts 36a of the tubes 36, arranged across the lower end of the section convection
<Desc / Clms Page number 22>
rising, are angled and spaced so as to form an inclined screen across the lower end of the convection section between the rear wall 23 and the lower end of the partition 22.
The parts of the tubes 36, located above the screen, are lined with pins and refractory material, as shown in fig.5 so as to constitute the partition 22. The side walls of the combustion chamber 10 are formed each by a row of tubes 40 furnished with pins over part of their surface, which are arranged between an upper manifold 38 and a lower manifold 69. The side walls of the passage branches 12 and 13 are formed by similar tubes 40a arranged between upper collectors 41, adjacent to body 30, and collectors 39. Tubes 43 constituting the opposed side walls of the convection section are arranged between collectors 39 and upper collectors 44.
The manifolds 38, 41 and 44 are connected to the upper body 30 by upright tubes 45 suspended from the steel frame extending above them and they in turn support the side walls of the upper body from above. group.
As shown in the drawings, bodies 30 and 32 and manifolds 37, 38, 39, 40 and 44 are located outside the path of the heating gases. The flow of fluid through the steam generating elements described is aided by the elevated position of the body 30 and by the exterior location of the various fittings supplying the steam generating elements.
As shown in Fig. 3, large vertical pipes 46 disposed on the outer side of the side walls 16 descend from the body 30. The tubular fittings leading to the body 30 are preferably mounted on the opposite sides of the body, in such a manner. that the water contained at the bottom of the body, into which the vertical pipes 46 open, is relatively calm. The
<Desc / Clms Page number 23>
collectors 39 are fed by vertical pipes 46 via tubes 47, collector 37 via outer tubes 48 and body 32 via outer tubes 49.
The construction described is intended to release a greater quantity of heat per running meter of hearth than the group described in Applicant's Patent No. 422,363, so that the temperature in the primary combustion chamber is higher. Consequently.
However, the final temperature of the gases entering the convection section must be substantially the same, and in the construction according to the invention the free passage branches are for this purpose notably higher to ensure a greater absorption of heat in these. parts of the group.
The construction according to the invention avoids any possibility that the lower end of the descending passage branch becomes clogged with accumulations of clinker deposited from the walls of the branch, since the tubular screen 36a is arranged across the entrance to the convection section and thus leaves a free space between the downward passage branch and the ashtray both below the downward passage branch and below the convection section .
The relatively large, fluid-cooled cavity which is thus formed in this part of a group has the effect of further lowering the temperature of the gases and constitutes a large gas reversal chamber, in which the suspended clinker particles can. separate and where the gases can enter the convection section more evenly. Tubular screen 36a constitutes the final cooling zone preceding the entry of gases into the convection section.
The group convection section is used ex-
<Desc / Clms Page number 24>
exclusively to house the auxiliary heating surfaces of the group. As shown in the drawings, the incoming heating gases first come into contact with the steam superheater consisting of vertically spaced tubing sections 51 connected in series, which are disposed between an inlet manifold 52 and the steam manifold. outlet 53 mounted on the outside of the rear wall 23. The adjacent tubes of the lower section of the superheater are arranged in bundled rows to allow greater transverse spacing between adjacent tubular coils of the sections of the superheater located above the first section.
The superheater coils are supported at their inner ends by the bulkhead tubes 36, in a well known manner, and at their outer ends by a transverse beam 54 through the manifold 52 and tube engaging members.
A number of economizer sections 60, connected in series and traversed from top to bottom, are disposed in the convection section above the superheater sections. The coils of the economizer are also supported at their inner ends by the tubes 36 and at their outer ends they are supported by the tubes of the superheater arranged along the rear wall. A bypass passage 70 containing an additional economizer surface 71 is provided to one side of the convection section to allow the temperature of the superheater to be regulated, as described in Applicant's Patent No. 422,363.
The panel construction of wall 25 and the absence of down tubes and other heat absorbing tubes on this wall facilitate inspection, repair and reinstallation of the auxiliary heating surface contained within. the convection section.
<Desc / Clms Page number 25>
The construction variant of a steam generator shown in fig. 6 is particularly intended for the production, at high capacity, of steam under high pressure and at a high temperature, of about 950 F. (510 c). For units of this type it may be advantageous to heat the chamber. steam after a predetermined passage through an associated turbine.
In fig.6, the heat absorption surface constituting the side walls of the downward passage branch 13 and the partition 22 is used as a steam heater.
As shown in the drawings, the steam to be reheated is delivered to the ashtray manifold 37 'and passes through the ashtray tubes 36', the screen tubes 36a and the bulkhead tubes 22 to an upper manifold 80. The steam reheated then passes to the manifolds 41 'of the side walls from where: it descends through the tubes 40' of the side walls into the outlet manifolds 42 '.
Although the boiler constructions described above and shown in the accompanying drawings are particularly suitable and useful for burning pulverized coal forming slag, it is obvious that other fluid fuels can also be burned therein, such as oil or gas.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.