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FOUR TUBULAIRE ROTATIF POUR LA CUISSON DES MATIERES PREMIERES
DU'CIMENT ET PROCEDE DE CONDUITE DE CE FOUR.
La présente invention a pour objet un four tubulairè rotatif pour la cuisson de matières préparées ou en vrac, sèches ou à demi-sèches, c' est-à-dire contenantjusqu'à 20 % environ d'eau, et en particulier des matières brutes du ci- ment, ce four étant pourvu, à son extrémité de chargement, d'un dispositif réfrigérant et d'un échangeur de chaleur dans lequel sont montés des organes dans le but de la récu- pération d'au moins 50 % de la chaleur contenue dans la ma- tière frittée.
L'invention a pour but de réaliser une con- sommation moindre de chaleur des fours tubulaires rotatifs à tambour réfrigérant, grâce à une récupération de chaleur simultanée, du côté du chargement et du côté du déchargement
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du four tubulaire rotatif, par des échangeurs de chaleur agissant entre les gaz et la matière cuite.
On connait déjà l'emploi simultané d'un échangeur de chaleur à l'extrémité des gaz résiduaires d'un four tubulai- re rotatif et d'un appareil réfrigérant spécial à l'extrémi- té de déchargement du four tubulaire rotatif. Mais jusqu'à présent, on n'est pas encore parvenu à réaliser dans des fours tubulaires rotatifs à organes métalliques de récupéra- tion par échange de chaleur, une utilisation satisfaisante du pouvoir calorifique du combustible, c'est-à-dire une uti- lisation des fumées jusqu'à une température de 100 environ.
Dans l'exécution des organes d'échange de chaleur en matiè- res céramiques, on peut bien atteindre théoriquement ce ré- sultat, mais le four devient alors beaucoup trop long et trop lourd pour être utilisable pratiquement. Par contre, dans des organes métalliques d'échange de chaleur, on se heurte à l'inconvénient que les organes exposés à l'action des gaz les plus chauds brûlent très rapidement, qu'on tombe au-dessous de la surface nécessaire pour l'échange de cha- leur et que la température des gaz résiduaires ainsi que la consommation de combustible augmente.
On a constaté maintenant que, suivant l'invention, on peut atteindre une température d'environ 100 des gaz rési- duaires et une consommation proportionnellement moindre de combustible, par l'emploi d'organes métalliques d'échange de chaleur, quand on observe simultanément les conditions sui- vantes :
1 - On introduit dans le four la matière préparée ou en vrac, sèche ou tout au moins sèche à demi (jusqu'à une te- neur en eau de 20 % environ);
2 - On emploie un réfrigérant de matière frittée qui transfère au moins 50 % de la chaleur de cette matière à
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l'air de combustion ;
3 - On disposer l'extrémité de chargement du four, un échangeur de chaleur s'étendant au delà de la zône de sécha- ge jusqu'au voisinage de la zône de calcination et constitué par des organes métalliques d'échange de température, en for- me de plaques qui sont disposées à de faibles intervalles les unes derrière les autres, qui se trouvent transversale- ment ou à peu près transversalement par rapport à la direc- tion de l'écoulement des gaz, qui présentent des fentes étroites ou leur équivalent pour le passage des gaz résidu- aires et dont les parties restant entre ces fentes plongent complètement ou à peu près complètement dans la matière.
Les échangeurs de chaleur employés suivant l'invention ont une conductivité élevée et sont constitués par du métal.
Par suite de leur passage par des Voies étroites, les gaz sont animés d'une grande vitesse et d'un mouvement de tour- billon. La transmission de chaleur des gaz résiduaires à la matière qu'il s'agit de cuire a lieu plus rapidement. L'é- changeur de chaleur, à l'extrémité de chargement du four tu- bulaire rotatif, est constitué essentiellement par des pla- ques dentelées, disposées perpendiculairement à l'axe de ro- tation, à faibles intervalles les unes derrière les autres, dont les pointes sont, à chaque rotation, alternativement chauffées sur toute leur surface par les gaz et refroidies , par la matière qu'il s'agit de cuire.
Les diverses surfaces métalliques, placées les unes derrière les autres, de cet échangeur de chaleur sont disposées avec un décalage les unes par rapport aux autres de manière à réaliser un mouvement comportant des chocs et des tourbillons. L'échangeur de cha- leur peut à'cet effet être disposé également à l'extérieur du four tubulaire rotatif et cela indépendamment de celui-ci.
Par la partie médiane des surfaces métalliques qui peuvent
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par exemple présenter la forme de plaques dentelées, on peut réaliser une cheminée auxiliaire qui, en vue du réglage des gaz qui la traversent, peut être munie de papillons ou de soupapes appropriées. Les dents des plaques ou surfaces de l'échangeur de chaleur peuvent aussi être placées oblique- ment par rapport à la surface des plaques. Les plaques peu- vent aussi être planes ou, pour augmenter par exemple leur surface, recevoir une forme ondulée.
La partie la plus chaude de l'échangeur de chaleur peut aussi être pourvue de formations, en languettes, en bourre- lets, etc., qui sont fixées sur la paroi du four tubulaire rotatif. Pour éviter que la poudre brute ne s'agglomère ou ne se cuise avec formation de croûtes sur les pièces montées dans l'échangeur de chaleur, on peut prévoir dans celui-ci des organes de broyage tels que des disques, des boulets, etc. On introduit dans le four tubulaire rotatif la matière brute à l'état sec ou à l'état semi-humide ; on peut aussi simplement donner à cette matière, par exemple aux matières brutes du ciment, la forme de petites billes avant leur in- troduction.
Mais, sans modifier l'esprit de l'invention, on peut aussi former d'une autre façon les échangeurs de chaleur. Au lieu de constituer l'échangeur de chaleur par des éléments d'échange de température en forme de plaques métalliques dis- posées, à peu d'intervalle, les unes derrière les autres, transversalement ou à peu près transversalement par rapport à la direction du courant des gaz, il peut y avoir avantage à former ces plaques individuelles suivant une spirale ou suivant une ligne hélicoïdale. A leur tour, on dispose alors ces spires en spirale ou en hélice autour d'un tube central de déplacement des gaz pourvu d'organes de réglage appropriés pour l'évacuation des gaz.
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Lorsque l'échangeur de chaleur est constitué par exem- ple par des spires en forme de spirale, il en résulte l'avan- tage important que, précisément vers l'extrémité de charge- ment du four, c'est-à-dire là où les quantités importantes de chaleur sont employées pour chasser l'eau et pour être absorbées, il se trouve également, en réalité, plus de cha- leur à cause de la surface de chauffe accrue. En raison du petit pas des spires individuelles, toute la chaleur des gaz résiduaires est absorbée, à l'extrémité de chargement du four, par cette surface de chauffe accrue et est cédée à la matière, destinée à être cuite, qui doit être chauffée.
Il faut y ajouter que la matière chemine plus lentement à tra- vers le four et que les gaz, qui s'écoulent en sens contrai- re à celui de cette matière, est aussi évacué plus lentement dans les spires en spirale ou en hélice. Il en résulte éga- lement un échange de chaleur plus actif entre la matière qu'il s'agit de cuire et les gaz.
L'expérience a démontré que les plaques entières, dis- posées à peu de distance l'une derrière l'autre, ou les dif- férents filets de l'échangeur de chaleur exécuté suivant une spirale ou une hélice sont encore susceptibles de perfection- nement, en ce qu'elles ne doivent pas nécessairement être des plaques entières, mais qu'elles peuvent être constituées par des portions seulement de plaques individuelles ou par des plaques ajourées. Ces portions de plaques ou ces plaques ajourées se trouvent de nouveau dans une position transver- sale ou à peu près transversale à la direction du courant des gaz ; elles plongent entièrement ou presque entièrement dans la matière, et elles présentent des fentes pour le pas- sage des gaz.
Grâce à cette forme des plaques, l'installa- tion complète du four devient moins coûteuse et plus légère, sans que l'échange efficace et rapide de chaleur entre la
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matière qu'il s'agit de cuire et les gaz en souffre le moin- dre préjudice. Le dessin annexé représente, à titre d'exem- ples, divers modes d'exécution de l'invention.
Sur ce dessin, la figure 1 est une coupe longitudinale d'une installa- tion de four tubulaire rotatif suivant l'invention, la figure 2 est une coupe à travers le réfrigérant, la figure 3 est une coupe transversale, à plus grande échelle, de l'échangeur de chaleur, suivant la ligne C-D de la figure 1, la figure 4 est une coupe transversale de l'échangeur de chaleur suivant la ligne A-B de la figure 1, les figures 5 et 6 sont des formes d'exécution modifiées, la figure 7 est un four tubulaire rotatif à échangeur de chaleur en forme de spirale ou d'hélice, la figure 8 est un mode d'exécution du four tubulaire rotatif dans lequel les plaques individuelles de l'échangeur de chaleur sont. constituées par des portions seulement de plaques, et la figure 9 est une de ces portions de plaque indivi- due l le .
Sur la figure l, on a désigné par 1 le four tubulaire rotatif pourvu à son extrémité inférieure d'un brûleur 2 et d'un réfrigérant 3. On peut disposer également le réfrigé- rant au-dessous du four tubulaire rotatif. Le four est monté, à la façon connue, sur des anneaux de roulement 4. L'estrade de service est désignée par 5. Une partie importante de l'in- vention consiste dans l'échangeur de chaleur 6, qui est dis- posé à l'extrémité de chargement du four tubulaire rotatif 1 et qui sert à transmettre la chaleur des gaz de combustion à la matière qu'il s'agit de cuire. Cet échangeur de chaleur est constitué par exemple par deux parties dont l'une est un échangeur A-B de chaleur rayonnante (figures 1 et 4) et l'au-
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tre est l'échangeur de chaleur de convection, très actif, C-D (figure 3).
L'échangeur de chaleur rayonnante est cons- titué par des matériaux céramiques ou par des plaques de mé- tal coulées, des languettes, des bourrelets, etc. rapportés sur la paroi du four, tandis que l'échangeur de chaleur de . convection est .constitué avec avantage par des tôles métal- liques minces ou des plaques minces 7. Ces tôles ou plaques sont disposées en grand nombre très près les unes des autres.
Les gaz résiduaires s'écoulent par des fentes pour se jeter contre l'anneau dentelé de la plaque suivante. A cet effet, on décale des plaques dentelées les unes par rapport aux au- tres de façon à forcer les gaz résiduaires à s'écouler sui- vant un long chemin en zig-zag à travers l'échangeur de cha- leur. Il en résulte des heurts et des tourbillons qui favo- risent la transmission de chaleur. Pendant que le four tour- ne, les dents se déplacent à travers le courant de gaz chaud et s'échauffent. En continuant de tourner, elles plongent ensuite dans la matière plus froide et cèdent leur chaleur.
Toute la section du courant de gaz est remplie, dans l'échangeur de chaleur complètement efficace, par des orga- nes d'échange de chaleur. Les gaz heurtent le noyau inté- rieur 9 (figure 3) des plaques d'échange de chaleur ; ils ne peuvent ensuite pas se diriger plus loin dans la direction axiale. Le gaz qui s'écoule vers l'extrémité supérieure est- forcé de balayer la partie active de l'échangeur de chaleur et d'abandonner ici beaucoup de chaleur. Sur la figure 3, on a désigné par 10 la matière de charge qui se retourne par suite de la rotation du four et dans laquelle les dents des plaques 7 plongent complètement à chaque tour. Afin que la matière qu'il s'agit de cuire puisse aisément se déplacer plus loin à travers les fentes étroites entre les dents, on peut incliner un peu celles-ci.
L'échangeur de chaleur peut
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aussiêtre employé tel quel comme réfrigérant de matière frittée auquel on fait affluer les quantités d'air les plus petites possible pour refroidir cette matière. Par le chauf- fage préalable de l'air à la température la plus élevée pos- sible et par suite de la faible quantité de gaz résiduaires qui en résulte, on parvient, à l'aide de l'échangeur de cha- leur de convection décrit plus haut, à transmettre à la ma- tière qu'il s'agit de cuire jusqu'à environ 70 % de la cha- leur contenue dans ces gaz.
La figure 6 indique un moyen d'empêcher une surchauffe accidentelle de l'échangeur de chaleur. On conduit à travers le noyau des plaques dentelées un tuyau de raccordement 16 d'une cheminée auxiliaire. Par une position convenable des papillons 17, on peut conduire à la cheminée auxiliaire tout le gas ou une partie du gaz.
Sur les figures 1, 5 et 6, on a désigné par 18 une souf- flerie destinée à produire un tirage relativement faible qui suffit pour aspirer les gaz résiduaires à travers l'échan- geur de chaleur, tandis qu'on a désigné par 19 le moteur qui commande la soufflerie. L'ouverture 20 sert à l'introduction de la matière qu'il s'agit de cuire.
L'application décrite d'un chauffage préalable de l'air à une haute température au moyen d'un échangeur de chaleur actif dans lequel sont montées des pièces pour l'échange de chaleur, permet une faible consommation de chaleur en même temps qu'une petite installation et de faibles frais de fa- brication, parce que le four entier peut être construit sur une terre plane et que l'énergie nécessaire pour produire le tirage est faible.
La figure 7 montre un exemple d'exécution modifié dans l'esprit général de l'invention. Le four tubulaire rotatif 1 est construit ici également à la façon connue et roule sur
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une couronne 4. L'échangeur de chaleur de convection est constitué, dans cet exemple, par des spires individuelles 21 enroulées en spirale ou en hélice, en tôle métallique mince, ces spires individuelles entourant l'organe 16 de déplace- ment des gaz, qui, ici également, affecte la forme d'un tube.
Pour l'écoulement des gaz, on a disposé au pourtour des spi- res individuelles 21 de cette hélice ou spirale, des fentes ou des ouvertures étroites disposées comme dans l'échangeur de chaleur constitué par des plaques individuelles. Ces fen- tes ou ouvertures individuelles des spires 21 sont, avec avantage, décalées les unes par rapport aux autres. Il s'en- suit que les gaz viennent se jeter contre les spires indivi- duelles, de sorte que des heurts ont lieu et que des tour- billons se forment, ces heurts et ces tourbillons favorisant la transmission et l'échange de chaleur. Les parties forte- ment chauffées des spires individuelles 21 plongent ensuite, pendant la rotation du four, dans la matière, qu'il s'agit de cuire et qui est plus froide, et lui cèdent leur chaleur.
Les figures 8 et 9 représentent également un four tubu- laire rotatif d'une construction connue. L'échangeur de cha- leur proprement dit, servant à transmettre la chaleur des gaz résiduaires à la matière qu'il s'agit de cuire, est de nou- veau disposé à l'extrémité de chargement 22 de ce four tubu- laire 1. Il est constitué ici également par un grand nombre de tôles métalliques minces 23, disposées les unes derrière les .autres, qui ne constituent pas des plaques entières, mais des portions de plaque seulement ou des plaques ajourées tel- les que celle que représente la figure 9. Le gaz qui s'écou- le vers la partie supérieure est forcé, dans ce mode d'exécu- tion de l'échangeur de chaleur, de passer par la partie effi- cace de celui-ci.
Ici également, les différentes portions de plaque 23 plongent, au cours de la rotation du four, dans la
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matière et lui cèdent la chaleur qu'elles ont absorbée. Les portions de plaque 23 présentent une ou plusieurs fentes ou ouvertures 24 et elles sont montées sur un tube commun 25 qui forme aussi un tuyau d'évacuation des gaz ou un organe de déplacement des gaz. Des dispositifs de réglage convena- bles peuvent être montés dans cet organe de déplacement des gaz pour qu'ils laissent éventuellement s'échapper du four un excès de chaleur et pour écarter ainsi cet excès de cha- leur des parties métalliques. L'échangeur de chaleur peut, dans ce mode d'exécution et également dans les autres modes d'exécution, être assemblé et enlevé en un seul bloc.
Dans ce cas, il est porté à ses deux extrémités par des croix de fixation appropriées.