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PERFECTIONNEMENTS AUX APPAREILS GENERATEURS ET SURCHAUFFEURS DE
VAPEUR.
Cette invention se rapporte de façon générale à un procédé et un appareil perfectionnés pour la production et la surchauffe de vapeur et, plus particulièrement, à un procédé et un appareil de ce genre où la vapeur produite est surchauffée par des surfaces chauffées par convection etc où il est désirable de régler la température de surchauffe sur une gamme de charges, très étendueo
Une chaudière à vapeur moderne, par vapeur, présente un pourcen- tage relativement élevé de sa surface vaporisante sous forme de tubes garnis-' sant les parois du foyer, qui reçoivent pour ainsi dire la totalité de leur chaleur par rayonnement de la zone de combustion à haute température et des produits gazeux de la combustion.
Ces chaudières sont établies de manière à posséder une surface vaporisante suffisante dans les parois du foyer et en avant d'un surchauffeur de vapeur du type à convection pour absorber une grande quantité de la chaleur dégagée dans la chambre à combustion, de telle sorte que la température des gaz de combustion venant en contact avec les tubes du surchauffeur à la charge maximum envisagée en service continu permet de maintenir la température du métal des tubes du surchauffeur dans les limi- tes de sécurité et d'éviter les dépôts de scories sur les tubes de surchauf- feurs lorsqu'il est fait usage d'un combustible donnant des scories.
Dans ces chaudières, les brûleurs sont construits et disposés en des points appro- priés, de manière que les flammes ne frappent pas les parois du foyer et qu'un espace suffisant soit prévu pour assurer une combustion complète à l'in- térieur de la chambre de combustion. Lorsqu'on brûle un combustible donnant des scories et que les constituants incombustibles des cendres doivent être enlevés du fond du foyer à l'état de " cendres sèches ", il est essentiel que les brûleurs soient disposés de manière qu'un nombre suffisant de tubes vapo- risants se trouvent entre la zone de combustion principale et le fond du foyer pour absorber une quantité suffisante de chaleur par rayonnement pour réduire
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la température des gaz dans l'espace situé entre eux,
de telle sorte que les particules de cendres descendantes se solidifient avant d'atteindre le fond du foyer. A l'allure où la chaleur se dégage actuellement dans les chaudières à tubes d'eau, la chambre de combustion est normalement remplie de gaz de combustion à haute température qui se dirigent à une vitesse relativement élevée vers la sortie de la chambre et cèdent leur chaleur à peu près entièrement par rayonnement aux tubes des parois de la chambre de combustion. On a constaté que les températures et les vitesses du gaz étaient légèrement plus faibles dans les angles d'une chambre de combustion rectangu- laire et dans la section inférieure d'un foyer à fond en forme de trémie, par suite de la présence de courants tourbillonnants de faible vitesse en ces en- droits.
Pour d'autres conditions de fonctionnement, l'étendue de la zone de combustion principale dans un foyer chauffé au combustible pulvérisé dépend principalement du type de brûleur choisi parmi les principaux actuellement en usage, c'est-à-dire de l'emploi soit d'un brûleur à turbulence à flamme courte, soit d'un brûleur sans turbulence à longue flamme; Lorsqu'on em- ploie un brûleur à flamme courte, à peu près toute la quantité d'air néces- saire à la combustion est mélangée au combustible pendant ou immédiatement après son introduction dans le foyer, tandis que ¯pour un brûleur à longue flamme l'air comburant est admis de manière à se mélanger graduellement au courant de combustible le long de la trajectoire de sa flamme.
On a reconnu depuis longtemps qu'un appareil utilisant de la vapeur, tel qu'une turbine à vapeur, fonctionne plus efficacement lorsqu'il reçoit la vapeur à une pression et une température constantes ou uniformes sur toute la gamme des charges envisagées. Les chaudières à vapeur peuvent facilement être construites pour produire une température de surchauffe pré- déterminée de la vapeur à une charge donnée.
Dans une chaudière à foyer re- froidi par circulation d'eau, avec surchauffeur du type à convection, suscep- tible de fonctionner sur une gamme de charges relativement étendue, la tem- pérature maximum de la flamme reste sensiblement constante, mais la tempé- rature de surchauffe décroit normalement à mesure que la charge diminue, par suite de la plus faible température des gaz pénétrant dans le surchauffeur et, à un degré moindre, par suite de la réduction du flux des gaz résultant des plus faibles quantités de combustible et d'air fournies aux faibles char- ges.
La température moindre des gaz est due au fait que l'absorption de la chaleur de rayonnement par les tubes d'eau des parois du foyer diminue aux faibles charges, mais non en proportion directe de la variation de la charge vu que la grandeur de la surface absorbant la chaleur du foyer reste constan- te et que l'absorption de la chaleur de rayonnement est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue de la source de rayonnement.
Lorsque la température et la masse des gaz venant en contact a- vec les tubes surchauffeurs diminuent, la température de surchauffe finale tombe progressivement en même temps que la charge. Les chaudières à vapeur fonctionnent actuellement à des températures de surchauffe de la vapeur at- teignant 565 C (1050 F). Au point de vue du rendement et de la conservation de la turbine, il est d'autant plus important de maintenir la température de surchauffe de la vapeur sensiblement constante sur la gamme des charges envisa- gée, que les températures requises sont plus élevées.
Considérant que dans les chaudières à vapeur du genre décrit on pourrait augmenter avantageusement la masse du''flux de gaz, pour maintenir la température de surchauffe, lorsque la charge de la chaudière diminue, on avait déjà proposé précédemment d'envoyer des gaz additionnels dans le foyer, sous la forme soit d'un pourcentage plus élevé d'air comburant en excès admis au foyer, soit de gaz de combustion inertes remis en circulation dans le foyer d'un point du parcours des gaz situé en aval du surchauffeur. Dans les deux cas, on avait estimé qu'un mélange intime d'air ou de gaz additionnels aux gaz engendrés par le combustible fraîchement brûlé pourrait s'effectuer dans le foyer à l'intérieur de la zone de combustion principale ou en aval de cel- le-ci.
Même si cette masse accrue du flux de gaz dans le foyer aux faibles charges pouvait donner lien, à la sortie du foyer, à une température moyenne des gaz inférieurs à la température moyenne des gaz à la pleine charge envi-
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sagée, ce qui dépend du rapport de la surface d'absorption de la chaleur du foyer au volume du foyer, ainsi que du niveau de la température des gaz, l'augmentation de la masse des gaz en circulation sur les tubes du surchauf- feur ferait plus que compenser toute diminution semblable de la tempéra- ture des gaz à la sortie du foyer, ce qui aurait comme résultat', net d'as- surer un plus grand chauffage par convection du surchauffeur et par consé- quent une température de surchauffe plus élevée.
Toutefois, l'emploi d'un plus grand pourcentage d'air en excès que celui nécessaire pour assurer une combustion complète dans la chambre de combustion présenterait l'inconvénient d'augmenter à la fois la perte de cha- leur par la cheminée et la puissance requise de la soufflerie. Si l'introduc- tion se fait directement dans le courant de combustible, la quantité ainsi introduite est limitée par l'effet que produit sur l'allumage du combustible un mélange d'air et de combustible progressivement dilué. L'emploi de gaz iner- tes remis en circulation de la manière proposée jusqu'à présent, pourrait éga- lement avoir des inconvénients notables sur le fonctionnement.
Si les gaz inertes remis en circulation étaient mélangés à l'air comburant et/ou au com- bustible et introduits de cette manière dans le foyer la température maximum de la flamme dans ce dernier serait abaissée par suite du retard subi par l'allumage et la combustion du combustible entrant et de la nécessité de chauf- fer la quantité de gaz ajoutée à la température de la flamme, et si une quan- tité trop grande était remise en circulation de cette manière, le combustible pourrait ne pas s'enflammer.
L'introduction de cet excès d'air additionnel ou de ces gaz remis en circulation par les lumières du brûleur pourrait im- pliquer soit une augmentation considérable de la vitesse du mélange de gaz et de combustible entrant ou une modification des lumières du brûleur en vue de maintenir les mêmes conditions de vitesse à l'entrée, conséquences qui toutes deux ne sont pas désirables. L'introduction de ces gaz remis en cir- culation en un point situé entre la zone de combustion principale et la sor- tie des gaz du foyer n'altère pas la combustion du combustible dans la même mesure, mais offre l'inconvénient de donner lieu à un mélange moindre de gaz remis en circulation et de gaz de combustion à haute température avant qu'ils n'atteignent les -tubes du surchauffeur.
Ces procédés-par recircula- ti'on des gaz ont aussi pour résultat d'exiger une soufflerie de plus grande puissance et de réduire le rendement thermique totale. La chute de rendement thermique total de la chaudière avec recirculation des gaz est moins élevée que lorsqu'on emploie un excès d'air dépassant celui nécessaire pour obtenir une combustion convenable, à cause de la plus grande perte de chaleur dans la cheminée qui résulte de l'augmentation d'air en excès. En raison de l'é- tendue limitée de la gamme des charges sur laquelle ces procédés de réglage sont applicables et de la réduction inhérente du rendement thermique total qui en résultent, les procédés proposés de réglage de la température de sur- chauffe n'ont pas rencontré de succès.
La présente invention comprend un procédé et un appareil per- fectionnés pour régler la température de surchauffe, par la recirculation de gaz.de combustion relativement froids dans une chambre de combustion à re- froidissement par circulation de fluide, d'une installation de production et de surchauffe de vapeur du genre décrit, où les caractéristiques désa- ventageuses des systèmes antérieurs de recirculation des gaz dans le but considéré sont partiellement sinon largement évités tout en permettant d'at- teindre un degré plus élevé de réglage sur une gamme de charges étendue.'
Suivant cette invention,
on introduit un courant de gaz inertes en recircula- tion dans le foyer en un ou plusieurs points tels qu'une couche ou un lit épais de gaz à une température sensiblement inférieure à celle des produits gazeux de la combustion qui sont engendrés s'intercale entre la zone de combustion principale et une surface notable des tubes vaporisants des parois de la chambre de combustion susceptibles.de recevoir de la chaleur princi- palement par rayonnement de la zone de combustion principale.
Cette couche intercalée de gaz à une température relativement basse agit de manière à réduire sensiblement l'absorption de chaleur transmise par rayonnement à la surface des parois de la chambre de combustion ainsi protégée et à laisser par
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conséquent une quantité de chaleur majorée d'une manière correspondante dans les gaz quittant la chambre de combustion pour le chauffage ultérieur par convection des tubes du surchauffeur.
Contrairement aux sytèmes antérieurs consistant à diluer d'une manière intensive ou à mélanger l'air comburant avec des gaz inertes remis en circulation, ce qui donne lieu naturellement à un retard de la combustion ét à un allongement de la flamme, la présente invention comprend l'introduc- tion de gaz en recirculation dans la chambre de combustion de telle manière que ces gaz tendent à circuler-le long de la surface des parois de la chambre de combustion à des vitesses qui retardent, plutôt qu'elles ne favorisent, le mélange avec les gaz de combustion à haute température fraîchement dévelop- pés.
Il en résulte une inflammation et une combustion stables du combustible entrant, sans réduction de la température maximum de la flamme ni réduction du degré de propagation de la flamme. '
La quantité de chaleur rayonnée par un courant de gaz à haute température est en fonction non seulement de sa température mais aussi de la superficie de la source de rayonnement. Lorsqu'une recirculation des gaz est appliquée suivant 1'invention , les gaz de combustion fraîchement engen- drés s'accroissent des gaz remis en circulation dans un périmètre de circula- tion de section transversale plus faible que s'il n'y avait pas recirculation, sur la majeure partie de la trajectoire du flux de gaz dans la chambre de combustion.
Il en résulte que le parcours des gaz à haute température entre les brûleurs et la sortie des gaz de la chambre de combustion se fait en moins de temps, par suite de la vitesse accrue des gaz et de la possibilité d'une certaine réduction de la longueur moyenne du parcours des gaz dans la chambre de combustion, mais sans qu'il y ait une diminution du rendement des brûleurs, à cause de l'absence d'un mélange appréciable de gaz en recirculation avec des gaz de combustion fraîchement engendrés avant que la combustion ait été réellement achevée.
L'intercalation d'une couche épaisse de gaz en recirculation à température relativement basse entre la zone de combustion principale et une grande aire des parois tubulaires de la chambre de combustion, jointe à une diminution notable du périmètre de rayonnement de la zone de combustion prin- cipale, donne lieu à une augmentation considérable de la température moyenne des gaz quittant la chambre de combustion en comparaison de la température des gaz à la sortie de la chambre de combustion pour la même charge sans re- circulation.
Par conséquent, on permet aux tubes du surchauffeur de venir en contact avec une plus grande masse de gaz à une plus haute température que sans la recirculation et on obtient une température de vapeur surchauffée no- tablement plus élevée. L'élévation de la température de surchauffe dépend de la quantité de gaz remise en circulation. Comparé aux systèmes de recir- culation des gaz antérieurs, le présent procédé donne lieu à une plus grande augmentation de la température de surchauffe pour une quantité donnée de gaz remis en circulation. Le présent procédé permet ainsi le réglage de la tem- pérature de surchauffe sur une gamme étendue de charges de la chaudière sans nuire au rendement de la combustion ni à la stabilité de la flamme.
Le présent procédé de recirculation des gaz est spécialement indiqué et particulièrement utile pour les brûleurs à turbulence à flamme cour- te. Dans ces brûleurs la combustion est largement terminée et la températu- re maximum du foyer est atteinte déjà à quelques pieds seulement de la lumiè- re du brûleur. Le courant de gaz de combustion à haute température engendrés rapidement se dilate ou se déploie de manière à remplir la chambre de combus- tion et rayonne de la chaleur aux parois de la chambre de combustion.
Lors- qu'on applique la recirculation des gaz, cette dilatation des gaz ne peut pas se faire dans la même mesure par suite de la déviation et du resserrement des gaz en recirculation qui forment une couche épaisse de gaz à basse températu- re entre une partie de la superficie des parois du foyer et les gaz déployés.
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L'invention est propre non seulement à maintenir la température de surchauffe uniforme ou sensiblement uniforme sur une gamme étendue de charges, mais aussi à augmenter les températures de surchauffe pendant les périodes de mise en marche à faible charge lorsqu'il n'est pas désirable de soumettre certaines parties de la turbine à des températures de vapeur in- férieures à une valeur minimum prédéterminée.
La présente invention comprend le procédé de réglage de la tem- pérature de la vapeur surchauffée qui consiste à retirer un courant de gaz froids d'un parcours de gaz allant d'une chambre de combustion du généra- teur de vapeur tubulaire jusqu'én un point situé au-delà d'une partie au moins des surfaces de chauffe de la vapeur disposée dans ce parcours et à u- tiliser le courant de gaz pour séparer la zone de combustion principale de la chambre de combustion d'une aire de la surface vaporisante susceptible de recevoir la chaleur principalement par rayonnement de cette zone, de maniè- re à réduire l'absorption de chaleur par cette aire et augmenter la tempé- rature de la vapeur surchauffée.
L'invention comprend aussi un groupe générateur surchauffeur de vapeur comportant une chambre de combustion pourvue de dispositifs brûleurs de combustibles fluides,un surchauffeur de vapeur disposé dans un parcours du flux de gaz partant de la chambre de combustion,et un dispositif de re- circulation pour retirer des gaz du parcours du flux en aval du surchauffeur et les introduire dans la chambre de combustion d'une manière propre à faire circuler un courant de gaz entre la zone de combustion principale et une aire adjacente de la surface des parois avec laquelle sont conjugués des tubes vaporisants.
L'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple, avec ré- férence aux dessins annexés,dans lesquels
Fig. 1 est une vue en élévation de côté, partiellement en coupe, d'une installation de chaudière à vapeur susceptible de fonctionner suivant l'invention ;
Fig. 2 est une coupe transversale horizontale à plus grande échel- le suivant le plan multiple de la ligne 2-2 de la Fig. 1 ;
Fig. 3 est une vue schématique indiquant les conditions ou l'al- lure de la circulation des gaz dans la chambre de combustion de la Fig. 1 sans recirculation des gaz du foyer;
Fig. 4 est une vue en coupe horizontale montrant schématiquement les conditions de la circulation des gaz de la chambre de combustion au niveau de la ligne 4-4, Fig. 3;
Fig. 5 est une vue semblable à la Fig. 4 représentant schémati- quement les conditions de la circulation des gaz au niveau de la ligne 5-5 de la Fig. 3;
Fig. 6 est une vue semblable à la Fig. 3, montrant les conditions de la circulation des gaz de la chambre de combustion, avec recirculation des gaz suivant l'invention;
Figs. 7 et 8 sont des vues semblables aux Figs. 4 et 5 respec- tivement, montrant les conditions de la circulation des gaz aux niveaux des lignes 7-7 et 8-8 de la Fig. 6, et
Fig. 9 est une vue semblable, à la Fig. 1, montrant un type dif- férent dé brûleur et un autre dispositif pour l'introduction des gaz remis en circulation.
Sur les Figs. 1 et 2 des dessins, le groupe générateur et sur- chauffeur de vapeur possède une chambre de combustion allongée verticalement 10, de coupe transversale rectangulaire, dont les parois avant et arrière 9 et 11 sont garnies de tubes vaporisants verticaux 12 et 41 respectivement.
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Les parois latérales qui se font face 17 (Fig. 2) sont pourvues de tubes de paroi semblables reliant directement des collecteurs supérieurs et inférieurs 13 et 15 respectivement. Les parties des tubes des parois avant et latéra- les situées au niveau des brûleurs sont d'une forme de construction à pointes recouverte de réfractaire,comme c'est représenté sur la Figo 2. Tous les tubes de parois sont raccordés au système de circulation qui comprend un corps cylindrique supérieur de vapeur et d'eau 16 et un corps cylindrique inférieur d'eau 18 raccordés entre eux par des faisceaux 20 et 22 de tubes vaporisants.
Les tubes 12 et 14 se déchargent dans le corps cylindrique 16 et sont pourvus à leurs extrémités inférieures de collecteurs 82 et 80 respectivement, raccor- dés d'une manière connue au corps cylindrique 18. Dans le parcours des gaz partant de la chambre de combustion se trouvent des groupes de tubes d'écran recourbés 14a formant les prolongements des tubes de parois arrière 14. Un type de surchauffeur suspendu chauffé par convection, et constitué par deux faisceaux de tubes 24 et 26 est placé dans le parcours du courant de gaz entre les tubes d'écran et le faisceau vaporisant 20, les tubes d'écran étant aménagés pour protéger les tubes de surchauffeur contre le rayonnement de la chambre de combustion.
Dans cet exemple, les tubes de surchauffeur re- çoivent la chaleur des gaz par rayonnement et le courant des gaz chauds leur transmet la chaleur par-convection, mais la transmission par convection est prédominante à cause du faible espacement latéral des tubes et de la tempé- rature relative des gaz. Si le surchauffeur était situé dans une zone où la température des gaz est plus élevée et si l'espacement latéral était plus grand, la proportion de chaleur transmise par rayonnement en comparaison de la chaleur transmise par convection serait plus grande. La vapeur passe de la chambre de vapeur du corps cylindrique 16 par les tubes 28 et le faisceau de tubes 24 au collecteur intermédiaire 32 et de là par le faisceau de tubes 26 au collecteur de sortie 34 du surchauffeur.
La chambre de combustion 10 est chauffée par deux rangées de brû- leurs disposés horizontalement 36 et 38 à des niveaux différents pour diriger l'air et le combustible en ignition dans les proportions voulues du mélange à travers les lumières de brûleurs correspondantes 37 et 39.respectivement., dans la chambre de combustion. Les brûleurs sont représentés comme fonction- nant au charbon pulvérisé amené des pulvériseurs (non représentés), en sus- pension dans l'air comburant primaire, par des tuyaux d'alimentation des brûleurs, 40 et 42, respectivement. L'air comburant secondaire chauffé est amené sous une pression positive d'une boîte à vent 44 entourant les lumiè- res de brûleurs 37, 39.
La chambre de combustion représentée est du type à parois refroi- dies par circulation d'eau et à fond en trémie, la paroi arrière 11 de la chambre et la paroi arrière inclinée 48 de la trémie étant garnies de tubes 14 disposés suivant une construction tube à tube. Entre la paroi arrière 48 et la paroi avant inclinée 52 du fond en forme de trémie 50 se trouve une gorge 54 à travers laquelle les résidus solides incombustibles de la combus- tion passent dans un cendrier fermé 57 présentant des parois 56 et 58 en re- gard l'une de l'autre.
Les brûleurs à combustible pulvérisé 36 et 38 sont des brûleurs à haute capacité du type à turbulence à flamme courte. Ces brûleurs déchar- gent le combustible pulvérisé et l'air comburant en mélange intime dans le foyer par les lumières de brûleurs correspondantes ménagées dans la paroi avant. Les mélanges de combustible et d'air sont enflammés immédiatement à leur entrée dans la chambre de combustion et les mélanges d'air et de com- bustible en ignition se meuvent vers la paroi arrière de la chambre de com- bustion à une vitesse notable, mais les dimensions de l'avant à l'arrière de celle-ci sont déterminées de telle fagon que même si l'ontriduction du combus- tible et de l'air se fait à la vitesse maximum, les produits de la combus- tion ne frappent sous aucune mesure appréciable la paroi arrière 11 de la chambre de combustion.
Bien que les mélanges de combustible et d'air en ignition se
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dilatent considérablement lors de l'inflammation, leur vitesse d'introduc- tion ne se dissipe pas rapidement, de telle sorte que la section centrale de la chambre de combustion, c'est-à-dire la zone de combustion principale, peut être considérée comme remplie d'un courant dilaté de combustible en ignition, d'air et de produits de la combustion, animé d'umeevitesse notable qui sous l'action du tirage du foyer s'élève en tournant vers la sortie 45 dès-gaz de la chambre à combustion au niveau du corps cylindrique à eau 18.
Les parois de la chambre de combustion formées par des rangées de tubes vaporisants, absorbant la chaleur du combustible en ignition et des gaz de chauffe engendrés qui leur est transmise par rayonnement, il est né- cessaire de placer les brûleurs 36 et 38 à des hauteurs suffisamment au- dessous de la sortie des gaz 45 de la chambre de combustion pour que les gaz soient refroidis à un degré suffisant pour éviter la formation de scories sur les tubes d'écran 14 et les tubes de surchauffeur 26 et 24. r
Les brûleurs sont aussi placés à une distance suffisante au- dessus du,fond en trémie refroidi par circulation d'eau 50 pour que les par- ticules de cendre en fusion qui se séparent du courant de combustible en ig- nition et tombent sur le fond,
passent au travers d'une zpne de gaz à plus faible température pour être refroidies à une température de solidification afin de pouvoir être enlevées à l'état sec. Bien que le courant principal de produits gazeux à haute température de la combustion se développe au- dessus de cette zone, le courant de gaz ne passe pas directement au travers de celle-ci, la chambre de la trémie étant remplie de courants de gaz tour- billonnants à faible vitesse. Toutefois, les gaz de la trémie transmettent une chaleur considérable qui est absorbée par les tubes vaporisants garnis- sant les parois de la trémie.
Le courant de gaz de chauffe quittant la chambre de combustion par la sortie 45, circule au travers des tubes d'écran 14a et des faisceaux de tubes de surchauffeur 26 et 24, ainsi qu'au travers des faisceaux tubu- laires à chicanes 20 et 22 de la chaudière. Les gaz quittent le faisceau 22 de la chaudière à la partie supérieure de celle-ci et la majeure partie des gaz passe comme c'est indiqué par les flèches 62 et 64 à un réchauffeur d'air du type à récupération 60 d'où les gaz passent dans un appareil assurant le tirage tel qu'un ventilateur de tirage induit et/ou une cheminée (non re- présentée), pour la décharge dans l'atmosphère.
Un système de recirculation des gaz, opérable pour ramener dans la chambre de,combustion une partie des gaz inertes quittant le faisceau 22 de la chaudière est constitué par une conduite verticale 63, une soufflerie de recirculation 66, et des conduites de refoulement montées en série 68, 69 et 70, la conduite 70 s'étendant le long et à peu près d'un bout à l'autre d'un côté de la gorge 54 de la trémie et étant pourvue de passages de refou- lement du flux menant entre les extrémités inférieures espacées 74 et 76 des tubes 14 dans la gorge 54. Le conduit 68 contient un registre de réglage et d'arrêt 90 qu'on peut actionner au moyen d'un bras extérieur 92 relié par une tringle 94 et un bras 96 à un appareil approprié de commande par force motri- ce 98, comme c'est indiqué.
Le conduit 68 est aussi pourvu d'un côté, entre le registre 90 et la chambre de combustion, d'unellumière 84 dans laquelle est placé un registre de tout type approprié 86 sollicité élastiquement.
Figs. 3 à 5 des dessins montrent l'allure générale du courant des gaz du foyer lorsque la chaudière fonctionne de la manière habituelle à une charge fractionnelle;, les brûleurs inférieurs 38 étant les seuls en ser- vice. Comme c'est indiqué par les flèches sur la Fig. 3 et sur les vues en coupe transversale des Figs. 4 et 5, le courant principal des produits gazeux à haute température de la combustion se déploie rapidement dans la majeure partie de la chambre de combustion au-dessus du niveau de la trémie, en rem- plissant pratiquement la totalité du volume de la chambre de combustion, sauf dans les angles et la trémie, de gaz à grande vitesse s'élevant vers la sortie de gaz 45 de la chambre à combustion.
La vitesse des gaz le long des parois de celle-ci et dans les angles est réduite par l'effer retarda-
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teur des parois sur le flux. La section transversale occupée par le courant de gaz à grande vitesse aux niveaux des brûleurs et de la sortie des gaz de la chambre de combustion;, c'est-à-dire dans la zone de combustion principale, est ainsi approximativement celle indiquée par les lignes en traits interrom - pus sur les Figs. 4 et 5 respectivement. Des courants de gaz chauds en tour- billonnement, comme c'est indiqué par les flèches sur la Fig. 3, tendent à s'établir à l'intérieur de la trémie 50 et provoquent un transfert de chaleur aux tubes d'eau qui garnissent les parois de la trémie 48 et 52, de même que les parties des parois latérales 17 formant les extrémités de la trémie 50.
Les arrivées de combustible et d'air comburant aux chaudières du type représenté sont réglées d'une manière connue suivant les conditions de charge de la chaudière pour assurer le degré désiré de cession de chaleur dans la chambre de combustion pour satisfaire à la demande de vapeur. Il est bien connu que les surchauffeurs à convection du genre considéré présentent une courbe "montante" de température de surchauffe lorsque la charge augmente, mais la réduction de la température de surchauffe lorsque la charge diminue peut être entièrement ou partiellement compensée par l'action variable du dis- positif de recirculation des gaz inertes décrit-.
Pour des charges fraction- nelles,on peut employer l'une ou l'autre des rangées de brûleurs, bien que pour les charges les plus faibles il soit préférable, du point de vue du ré- glage de la surchauffe, de faire fonctionner la rangée supérieure de brûleurs 36, seule.
Lorsque les brûleurs 38 sont seuls en fonction et que les gaz de chauffe de la chaudière sont envoyés dans le réchauffeur d'air, la souffle- rie de recirculation 66 peut être actionnée pour retirer une partie des gaz de la sortie des gaz de la chaudière, comme c'est indiqué par la flèche 65 et la refouler par les conduits de refoulement 68, 69, 70 lorsque le registre 90 est ouvert. Les gaz inertes remis en circulation sont refoulés par la soufflerie dans l'étranglement de la trémie à la base de la chambre de combus- tion, et pénètrent dans cet étranglement à une vitesse juste suffisante pour assurer une répartition uniforme sur toute la longueur de celui-ci.
Les gaz à faible vitesse remis en circulation s'élèvent dans la trémie divergente et suppriment la tendance des gaz de combustion à haute température fraîchement produits à former des courants tourbillonnants circulant dans la zone de la trémie. L'introduction continue des gaz inertes plus froids modifie l'al- lure de la trajectoire parcourue par le courant de produits delà combus- tion à haute température engendrés par le combustible fraîchement brûlé, lors- que le courant de gaz circule vers la sortie des gaz de la chambre de combus- tion.
Les Figs. 6 à 8 représentent schématiquement l'allure générale du courant de gaz dans la chambre de combustion lorsque la chaudière fonction- ne avec recirculation de gaz relativement froids. Comme c'est indiqué par les flèches en traits interrompus sur la Fig. 6, les gaz remis en circulation refoulés par la soufflerie de recirculation s'élèvent à travers l'étrangle- ment de la trémie et se déploient dans cette dernière qui s'évase de bas en haut pour couvrir les parois 48 et 52 de la trémie et la partie des parois latérales 17 situées dans la trémie d'une épaisse couche de gaz relativement froids, continuellement renouvelée,qui se déplace de bas en haut. L'épais- seur de la couche de gaz remise en circulation est difficile à mesurer, mais en général une couche de 12 à 30 " d'épaisseur est considérée comme désirable.
L'introductim continue de gaz en recirculation supprime la tendance des gaz chauds à produire des courants tourbillonnants le long des surfaces de délimi- tation du courant de gaz principal et la masse de gaz en recirculation res- serre le courant de produits de combustion fraîchement engendrés, de bas en haut vers l'intérieur. La vitesse des gaz remis en circulation au moment de leur introduction est suffisamment faible, et maintenue telle par la forme divergente de la trémie, pour éviter pratiquement dans la zone de la trémie du foyer le mélange des produits de combustion fraîchement engendrés avec les gaz remis en circulation.
Il se produit une diffusion graduelle des courants gazeux le long de leurs surfaces de délimitation, mais un mélange appréciable
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des courants gazeux à haute et basse températures ne semble pas avoir lieu avant que les courants de gaz niaient parcouru la majeure partie du trajet des gaz dans la chambre à combustion.
Les gaz remis en circulation sont.refoulés de la zone de la tré- mie par l'introduction de quantités additionnelles de gaz remis en circula- tion. Ils s'élèvent à côté du courant de gaz à haute température provenant du fonctionnement des brûleurs, qui se déplace à grande vitesse horizontale- ment et de bas en haut, et, comme c'est représenté sur les Figs. 7 et 8 ils tendent à embrasser une majeure partie de la périphérie (indiquée en traits interrompus sur les Figs. 7 et 8) du courant des gaz à haute température.
Le courant des gaz à haute température tend ainsi à se concentrer ou se res- serrer dans une partie plus faible de la section transversale de la chambre de combustion que s'il n'y avait pas recirculation,comme sur les Figs. 4 et 5, par suite de la présence de la couche de gaz à basse température en recirculation circulant à la périphérie.
Ce resserrement des produits de la combustion à haute tempéra- ture fraîchement engendrés, en un courant de plus faible section transver- sale est considéré comme ayant deux effets réducteurs sur la transmission de leur chaleur aux tubes des parois de la chambre de combustion. En'pre- mier lieu, du fait que la section transversale utile du flux est moindre, la vitesse moyenne du gaz dans la chambre de combustion sera plus élevée pour une allure déterminée de la combustion. En second lieu, comme la périphérie du rayonnement du courant des gaz chauds est réduite, il y aura une réduc- tion de la transmission de chaleur de la zone de combustion principale au courant enveloppant de gaz à basse température et finalement aux parois de la chambre de combustion.
Gomme le courant central de gaz chauds provenant du combustible en ignition est la seule source de chaleur ajoutée à un niveau de température sensiblement supérieur à celui des tubes de la paroi recevant de la chaleur, il se produit une réduction considérable de la transmission de chaleur par rayonnement aux parois lorsque le courant central à vitesse plus élevée présente un périmè- tre plus faible. Une réduction de la chaleur transmise aux parois de la trémie et aux parois verticales de 1 a chambre de combustion donne lieu à une plus grande teneur en chaleur une température plus élevée des gaz quit- tant la chambre de combustion, de telle sorte que l'augmentation désirée du chauffage des tubes du surchauffeur par convection et par rayonnement des gaz est facilement réalisée.
L'installation de chaudière à vapeur représentée possède une capacité de production de vapeur maximum indiquée de 62500 Kg env. (160.000 livres) de vapeur par heure à une température de surchauffe de l'ordre de 4800C env. (900 F) et à une pression de 46 Kg/cm2 env. (660 livres par pouce carré). Des essais effectués pendant le fonctionnement de cette installa- tion ont montré que pour un débit de vapeur de 31,250 Kg env. (80.000 livres) de vapeur par h., c'est-à-dire 50% de la pleine charge, la température de la vapeur surchauffée n'était que de 400 C env. (750 F) lorsque seule la ran- gée inférieure de brûleurs 38 était en service et que le fonctionnement avait lieu de la manière habituelle,sans recirculation des gaz.
Des essais ont établi qu'avec la recirculation des gaz suivant l'invention, la tempéra- ture de la vapeur surchauffée pouvait s'élever à 480 C env. (900 F) par l'ap- plication d'une recirculation de 28% approximativement du poids des gaz engen- drés par la combustion du combustible, lorsqu'on ne mettait en service que les brûleurs inférieurs seulement et que la charge était la même.
Lorsqu'on n'utilisait que les trois brûleurs supérieurs 36, pour la même charge, la température de la vapeur surchauffée sans recirculation des gaz était de 430 C env. (810 F). On a trouvé qu'une recirculation des gaz moindre que celle nécessaire lorsqu'on n'emploie que la rangée inférieure de brûleurs pouvait facilement élever la température de la vapeur surchauffée à 4800 C env. (9000F).
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Le fonctionnement de l'installation avec et sans recirculation des gaz à des charges beaucoup plus faibles que dans les exemples cités ci- dessus a prouvé que le procédé qui fait l'objet de l'invention est efficace pour atteindre la température de surchauffe désirée avec un débit de vapeur très faibleen mettant en service l'une ou l'autre rangée de brûleurs.
Mê- me dans ces conditions de faible chargeg la flamme est stable et la détermi- nation de la température par les procédés de mesure habituels ne montre aucun changement appréciable des températures de la flamme par suite de l'emploi de gaz remis en circulationo
Le registre 86, soumis à une force de rappel élastique et monté dans la lumière 84 de la paroi latérale du conduit 68 en un point situé entre le registre 90 et les ouvertures de décharge du conduit de refoulement 70 dans la chambre de combustion est avantageux pour maintenir des conditions satis- faisantes dans le système de recirculation des gaz lorsqu'il n'est pas utili- sé, par exemple pendant les fortes charges, quand la température de surchauf- fe désirée peut être atteinte sans recirculation des gaz.
Dans ces conditions, lorsque la soufflerie 66 n'est pas actionnée et que le registre 90 se trouve dans une position fermée pour éviter un retour du flux de gaz dans les con- duits 70, 69, 68 et 63, la pression absolue sur le côté soufflerie du regis- tre 90 correspond à celle qui règne dans le cas où la conduite 63 est raccor- dée à la sortie des gaz du faisceau 22 de la chaudière. Le registre 86 est construit de telle manière que lorsque la pression dans le conduit est supé- rieure à une pression prédéterminée par rapport à la pression qui règne dans l'étranglement de la trémie à la base de la chambre de combustion, il est maintenu dans une position fermée.
Lorsque la pression au registre 86 est égale ou inférieure à la pression prédéterminée., la pression atmosphérique sur- monte la sollicitation à laquelle le registre est soumis et ouvre ce dernier, de telle sorte que l'air atmosphérique est aspiré par la lumière 84 dans le conduit 68. Cette introduction automatique d'air atmosphérique à une tempé- rature relativement basse aura pour effet de faire circuler dans le conduit 68, la soufflerie 66 et le conduit 63, un flux d'air froid plutôt que du gaz venant de l'étranglement de la chambre de combustion, dans le cas où le registre 90 n'est pas étanche aux gaz lorsqu'il est fermé.
On peut faire varier le degré de refoulement des gaz en recircu- lation en réglant la position du registre 90. Ceci peut être effectué à la main par le préposé au service suivant les indications sur la température de sortie de la vapeur surchauffée. Toutefois, le dispositif de commande 98 du registre est susceptible d'être raccordé à un appareil-de mesure auto- matique de la température de la vapeur (non représenté), de telle sorte que le degré de recirculation des gaz peut être réglé automatiquement suivant la température de surchauffe de la vapeur.
Si la température de surchauffe tend à tomber à la suite d'une réduction de la charge, la position du regis- tre serait ainsi réglée automatiquement pour permettre la mise en recircu- lation d'une plus grande quantité de gaz et vice versao
Bien que l'augmentation de la température de surchauffe de la vapeur par la remise en circulation de gaz dans la chambre de combustion soit d'une grande valeur au point de vue du réglage de la température de surchauffe dans la gamme normale des charges de la chaudière, l'invention offre aussi un avantage particulier pour la mise en marche de générateurs de vapeur lorsqu'on désire allumer une chaudière et fournir un débit rela- tivement faible de vapeur à une température minimum prédéterminée.
Comme l'introduction de gaz en recirculation suivant l'invention n'altère pas le fonctionnement des brûleurs,, on peut employer le procédé considéré pour un très faible débit de vapeur de la chaudière. Un faible débit de vapeur est tout ce qui est habituellement nécessaire pour mettre en marche et amener gra- duellement à la vitesse de régime la machine motrice desservie par la chau- dière. Lorsqu'une machine motrice non en service comme? par exemple une turbine à vapeur, a été maintenue à une haute température, il n'est pas dé- sirable d'introduire de la vapeur à faible surchauffe pour amener la turbine à la vitesse voulue.
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L'adoption de l'invention permet la fourniture de la vapeur à une température relativement élevée même si le débit descend à un pourcentage de 5à 20 % du débit de vapeur à pleine charge de la chaudière.
Fige 9 montre une disposition différente où les gaz remis en cir- culation peuvent être introduits effectivement pour régler la surchauffe sui- vant l'invention. La chaudière à vapeur et la chambre de combustion sont du même type général que celles représentées sur la Fig. 1, comportant une cham- bre de combustion entièrement refroidie par circulation d'eau, avec fond en forme de trémie pourvu de tubes d'eau garnissant les parois inclinées de la trémie. Deux rangées de brûleurs 136, 138 du type à tubes transversaux à tur- bulence débitent le combustible et l'air de combustion vers l'arrière dans la chambre de combustion.
Les brûleurs sont établis dans la paroi avant verticale ¯en un point situé à une certaine distance au-dessus du bord supé- rieur de la paroi avant inclinée 152 de la trémieo Les tubes 112 de la paroi avant de la trémie sont espacés entre eux, de telle sorte que les espaces in- ter-tubes en regard du conduit des gaz en recirculation 170 constituent des lumières d'entrée pour les gaz remis en circulation qui, soumis à un réglage par le registre ou volet 190,sont refoulés par la soufflerie de recircula- tion 1660 Un conduit 163 relie la sortie des gaz de la chaudière à l'entrée de la soufflerie 166, tandis que le registre ou volet de réglage 190 et le registre ou volet d'air atmosphérique 186 sont établis entre la soufflerie et les lumières qui s'ouvrent dans la chambre de combustion.
L'aire des lumières d'introduction des gaz, telle qu'elle est déterminée par leurs longueurs et la largeur de l'espace entre tubes est suffisante pour que les gaz débités par les lumières pénètrent dans la cham- bre de combustion à une vitesse relativement faible à l'état non mélangé avec l.es gaz développés par la combustion directe du combustible. Les gaz remis en circulation ainsi introduits se déploient dans la trémie, en mainte- nant une couche de gaz relativement froids entre la zone de combustion prin- cipale et les parois dela trémie, tandis que les gaz venant de la zone de la trémie circulent de bas en haut et à travers la chambre de combustion d'une façon semblable dans l'ensemble au.flux de gaz indiqué sur les Figso 6 à 8.
Bien que l'invention ait été représentée dans son application . avec des brûleurs à combustible pulvérisé, elle peut également être employée en combinaison avec d'autres brûleurs à combustible fluide, tels que des brû- leurs à mazout ou des brûleurs à gaz.
L'introduction considérée d'un ou de plusieurs courants de gaz inertes à basse température en recirculation dans la chambre de combustion d'une manière évitant le mélange des courants tant avec l'air comburant se- condaire qu'avec le mélange de combustible et d'air injecté par la lumière des brûleurs est particulièrement importante du point de vue du rendement et de la stabilité de fonctionnement des brûleurs. On évite la dilution de l'air comburant par des gaz inertes en recirculation et par conséquent le re- tard de la combustion et l'allongement de la flamme. Le retard de la combus- tion et l'allongement de la flamme dans une chambre de combustion donne lieu normalement à une réduction du rendement de la combustion par suite de pertes plus élevées en charbon non brûlé, particulièrement dans les cendres volantes.
Le présent procédé d'introduction de gaz en recirculation ne nécessite aucune modification ni réglage des brûleurs, tant lorsque la recirculation des gaz est appliquée que lorsqu'elle ne l'est pas.
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IMPROVEMENTS TO GENERATORS AND SUPERHEATERS OF
STEAM.
This invention relates generally to an improved method and apparatus for the production and superheating of steam and, more particularly, to such method and apparatus where the produced steam is superheated by surfaces heated by convection etc. it is desirable to regulate the superheating temperature over a very wide range of loads.
A modern steam boiler, using steam, has a relatively high percentage of its vaporizing surface in the form of tubes lining the walls of the hearth, which receive virtually all of their heat by radiation from the combustion zone. high temperature and gaseous products of combustion.
These boilers are set up so as to have sufficient vaporizing surface in the walls of the fireplace and in front of a convection type steam superheater to absorb a large amount of the heat released in the combustion chamber, so that the temperature of the combustion gases coming into contact with the superheater tubes at the maximum load envisaged in continuous service allows the temperature of the metal of the superheater tubes to be kept within safety limits and to prevent slag deposits on the tubes of superheaters when a fuel which gives off slag is used.
In these boilers the burners are constructed and arranged at suitable points so that the flames do not strike the walls of the firebox and sufficient space is provided to ensure complete combustion inside the stove. combustion chamber. When burning a fuel which produces slag and the incombustible constituents of the ash are to be removed from the bottom of the hearth as "dry ash", it is essential that the burners are arranged so that a sufficient number of tubes vaporizers are located between the main combustion zone and the bottom of the fireplace to absorb a sufficient amount of radiant heat to reduce
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the temperature of the gases in the space between them,
so that the descending ash particles solidify before reaching the bottom of the hearth. At the current rate at which heat is released in water-tube boilers, the combustion chamber is normally filled with high temperature combustion gases which flow at a relatively high velocity towards the outlet of the chamber and give way. heat almost entirely by radiation to the tubes of the walls of the combustion chamber. The temperatures and gas velocities were found to be slightly lower in the corners of a rectangular combustion chamber and in the lower section of a hopper-bottom hearth, due to the presence of currents. low speed swirls in these places.
For other operating conditions, the extent of the main combustion zone in a fireplace heated with pulverized fuel depends mainly on the type of burner chosen from among the main ones currently in use, i.e. on the use either a short-flame swirl burner, or a long-flame non-turbulence burner; When a short flame burner is used, almost all the air necessary for combustion is mixed with the fuel during or immediately after its introduction into the firebox, while ¯ for a long flame burner combustion air is admitted so as to gradually mix with the fuel stream along the path of its flame.
It has long been recognized that an apparatus using steam, such as a steam turbine, operates most efficiently when it receives steam at constant or uniform pressure and temperature over the full range of loads contemplated. Steam boilers can easily be constructed to produce a pre-determined superheat temperature of the steam at a given load.
In a furnace cooled by circulating water, with a convection type superheater, capable of operating over a relatively wide range of loads, the maximum temperature of the flame remains substantially constant, but the temperature. The superheat temperature normally decreases as the load decreases, as a result of the lower temperature of the gases entering the superheater and, to a lesser degree, as a result of the reduction in gas flow resulting from the lower amounts of fuel and heat. air supplied at low loads.
The lower temperature of the gases is due to the fact that the absorption of the radiant heat by the water tubes of the walls of the hearth decreases at low loads, but not in direct proportion to the variation of the load since the magnitude of the The heat-absorbing surface of the home remains constant and the absorption of radiant heat is proportional to the fourth power of the absolute temperature of the radiant source.
As the temperature and mass of the gases coming into contact with the superheater tubes decrease, the final superheat temperature gradually drops along with the load. Steam boilers currently operate at steam superheat temperatures of up to 565 C (1050 F). From the point of view of the efficiency and conservation of the turbine, it is all the more important to keep the superheating temperature of the steam substantially constant over the range of loads envisaged, the higher the temperatures required.
Considering that in steam boilers of the type described one could advantageously increase the mass of the gas flow, to maintain the superheating temperature, when the boiler load decreases, it was previously proposed to send additional gases into the hearth, in the form either of a higher percentage of excess combustion air admitted to the hearth, or of inert combustion gases recirculated in the hearth from a point in the gas path located downstream of the superheater. In both cases, it was felt that an intimate mixing of air or gases additional to the gases generated by the freshly burnt fuel could take place in the hearth within the main combustion zone or downstream from it. - this one.
Even if this increased mass of the gas flow in the hearth at low loads could give a link, at the outlet of the hearth, to an average temperature of the gases lower than the average temperature of the gases at approximately full load.
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wise, which depends on the ratio of the heat absorption area of the hearth to the volume of the hearth, as well as the level of the gas temperature, the increase in the mass of the gases circulating on the tubes of the superheater would more than compensate for any similar decrease in the temperature of the gases leaving the furnace, resulting in ', net of providing greater convection heating of the superheater and hence a superheat temperature higher.
However, the use of a greater percentage of excess air than that necessary to ensure complete combustion in the combustion chamber would have the disadvantage of increasing both the heat loss through the chimney and the combustion chamber. required blower power. If the introduction is made directly into the fuel stream, the quantity thus introduced is limited by the effect produced on the ignition of the fuel by a mixture of air and progressively diluted fuel. The use of recirculated inert gases in the manner heretofore proposed could also have significant disadvantages in operation.
If the recirculated inert gases were mixed with the combustion air and / or the fuel and introduced in this way into the hearth, the maximum temperature of the flame in the latter would be lowered as a result of the delay undergone by the ignition and combustion of the incoming fuel and the need to heat the amount of gas added to the temperature of the flame, and if too much is recirculated in this manner, the fuel may not ignite.
The introduction of this additional excess air or these recirculated gases through the burner ports could imply either a considerable increase in the speed of the incoming gas and fuel mixture or a modification of the burner ports in view. to maintain the same entry speed conditions, both of which are undesirable consequences. The introduction of these gases re-circulated at a point situated between the main combustion zone and the gas outlet of the furnace does not alter the combustion of the fuel to the same extent, but has the disadvantage of giving There is less mixing of recirculated gas and high temperature flue gas before they reach the superheater tubes.
These gas recirculation processes also result in requiring a higher power blower and reducing overall thermal efficiency. The drop in total thermal efficiency of the boiler with gas recirculation is less than when an excess of air is used exceeding that necessary to obtain a suitable combustion, because of the greater heat loss in the chimney which results from the increase of excess air. Due to the limited range of loads over which these control methods are applicable and the resulting inherent reduction in total thermal efficiency, the proposed superheat temperature control methods have not been used. not met with success.
The present invention includes an improved method and apparatus for controlling the superheat temperature, by recirculating relatively cold combustion gases through a circulating fluid cooled combustion chamber of a production plant and steam superheating of the kind described, where the disadvantageous characteristics of prior gas recirculation systems for the intended purpose are partially if not largely avoided while still allowing a higher degree of control to be achieved over a wide range of loads . '
According to this invention,
a stream of inert gases in recirculation is introduced into the furnace at one or more points such as a layer or a thick bed of gas at a temperature substantially lower than that of the gaseous products of combustion which are generated is inserted between the main combustion zone and a substantial area of the vaporizing tubes of the walls of the combustion chamber capable of receiving heat mainly by radiation from the main combustion zone.
This interlayered layer of gas at a relatively low temperature acts to significantly reduce the absorption of heat transmitted by radiation to the surface of the walls of the combustion chamber thus protected and to be left behind.
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consequently a correspondingly increased amount of heat in the gases leaving the combustion chamber for the subsequent convection heating of the superheater tubes.
Unlike previous systems consisting of intensively diluting or mixing the combustion air with recirculated inert gases, which naturally results in a retardation of the combustion and an extension of the flame, the present invention comprises the introduction of recirculating gases into the combustion chamber in such a manner that these gases tend to flow along the surface of the walls of the combustion chamber at rates which retard, rather than promote, the mixture with freshly developed high temperature combustion gases.
This results in stable ignition and combustion of the incoming fuel, without reducing the maximum flame temperature or reducing the degree of flame propagation. '
The amount of heat radiated by a high temperature gas stream is a function not only of its temperature but also of the surface area of the radiation source. When gas recirculation is applied in accordance with the invention, the freshly generated combustion gases increase from the recirculated gases within a circulating perimeter of smaller cross section than if there were no recirculation gases. recirculation, over most of the path of the gas flow in the combustion chamber.
As a result, the passage of the gases at high temperature between the burners and the exit of the gases from the combustion chamber takes place in less time, owing to the increased speed of the gases and the possibility of some reduction of the gas. average length of the path of the gases in the combustion chamber, but without there being a reduction in the efficiency of the burners, due to the absence of an appreciable mixture of recirculating gases with freshly generated combustion gases before the combustion has actually been completed.
The intercalation of a thick layer of recirculating gas at relatively low temperature between the main combustion zone and a large area of the tubular walls of the combustion chamber, together with a noticeable reduction in the contours of the main combustion zone. - cipale, gives rise to a considerable increase in the average temperature of the gases leaving the combustion chamber in comparison with the temperature of the gases leaving the combustion chamber for the same charge without recirculation.
Therefore, the superheater tubes are allowed to come into contact with a greater mass of gas at a higher temperature than without the recirculation and a significantly higher superheated vapor temperature is obtained. The rise in the superheating temperature depends on the quantity of gas recirculated. Compared to prior gas recirculation systems, the present process results in a greater increase in superheat temperature for a given amount of recirculated gas. The present process thus permits control of the superheat temperature over a wide range of boiler loads without adversely affecting combustion efficiency or flame stability.
The present gas recirculation process is specially indicated and particularly useful for short flame swirl burners. In these burners combustion is largely complete and the maximum firebox temperature is already reached just a few feet from the burner light. The rapidly generated high temperature combustion gas stream expands or expands to fill the combustion chamber and radiates heat to the walls of the combustion chamber.
When gas recirculation is applied, this gas expansion cannot be done to the same extent due to the deflection and constriction of the recirculating gases which form a thick layer of low temperature gas between a part of the area of the walls of the fireplace and the gases deployed.
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The invention is suitable not only for maintaining the superheat temperature uniform or substantially uniform over a wide range of loads, but also for increasing the superheat temperatures during periods of low load start-up when it is not desirable. to subject certain parts of the turbine to steam temperatures below a predetermined minimum value.
The present invention includes the method of controlling the temperature of the superheated steam which comprises removing a stream of cold gas from a gas path from a combustion chamber of the tubular steam generator to a chamber. point beyond at least a portion of the heating surfaces of the steam disposed in this path and using the gas stream to separate the main combustion zone of the combustion chamber from an area of the surface vaporizer capable of receiving heat mainly by radiation from this area, so as to reduce the absorption of heat by this area and increase the temperature of the superheated steam.
The invention also comprises a steam superheater generator unit comprising a combustion chamber provided with fluid fuel burners, a steam superheater disposed in a path of the gas flow leaving the combustion chamber, and a recirculation device. to remove gases from the path of the flow downstream of the superheater and introduce them into the combustion chamber in such a manner as to circulate a current of gas between the main combustion zone and an adjacent area of the surface of the walls with which are conjugates vaporizing tubes.
The invention will be described below, by way of example, with reference to the accompanying drawings, in which
Fig. 1 is a side elevational view, partially in section, of a steam boiler installation capable of operating according to the invention;
Fig. 2 is a horizontal cross section on a larger scale taken along the multiple plane of line 2-2 in FIG. 1;
Fig. 3 is a schematic view indicating the conditions or the pace of the gas flow in the combustion chamber of FIG. 1 without gas recirculation from the fireplace;
Fig. 4 is a horizontal sectional view schematically showing the conditions of the flow of gases from the combustion chamber at line 4-4, FIG. 3;
Fig. 5 is a view similar to FIG. 4 schematically showing the conditions of gas circulation at the level of line 5-5 of FIG. 3;
Fig. 6 is a view similar to FIG. 3, showing the conditions of the circulation of the gases of the combustion chamber, with recirculation of the gases according to the invention;
Figs. 7 and 8 are views similar to Figs. 4 and 5 respectively, showing the conditions of gas flow at lines 7-7 and 8-8 of FIG. 6, and
Fig. 9 is a view similar to FIG. 1, showing a different type of burner and another device for introducing recirculated gases.
In Figs. 1 and 2 of the drawings, the steam generator and superheater has a vertically elongated combustion chamber 10 of rectangular cross section, the front and rear walls 9 and 11 of which are lined with vertical vaporizing tubes 12 and 41 respectively.
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The facing side walls 17 (Fig. 2) are provided with similar wall tubes directly connecting upper and lower manifolds 13 and 15 respectively. The portions of the front and side wall tubes located at the burners are of a spiked construction covered with refractory as shown in Figo 2. All the wall tubes are connected to the circulation system. which comprises an upper cylindrical body of steam and water 16 and a lower cylindrical body of water 18 connected together by bundles 20 and 22 of vaporizing tubes.
The tubes 12 and 14 discharge into the cylindrical body 16 and are provided at their lower ends with manifolds 82 and 80 respectively, connected in a known manner to the cylindrical body 18. In the path of the gases leaving the combustion chamber There are groups of curved screen tubes 14a forming the extensions of the rear wall tubes 14. A type of suspended superheater heated by convection, and consisting of two bundles of tubes 24 and 26 is placed in the path of the gas flow between the screen tubes and the vaporizing bundle 20, the screen tubes being arranged to protect the superheater tubes against radiation from the combustion chamber.
In this example, the superheater tubes receive heat from the gases by radiation and the hot gas stream transmits heat to them by convection, but convection transmission is predominant due to the narrow lateral tube spacing and temperature. - relative erasure of gases. If the superheater were located in an area where the gas temperature is higher and the side spacing was greater, the proportion of heat transmitted by radiation compared to heat transmitted by convection would be greater. The vapor passes from the vapor chamber of the cylindrical body 16 through the tubes 28 and the tube bundle 24 to the intermediate manifold 32 and from there through the tube bundle 26 to the outlet header 34 of the superheater.
The combustion chamber 10 is heated by two rows of burners arranged horizontally 36 and 38 at different levels to direct the air and the ignited fuel in the desired proportions of the mixture through the corresponding burner ports 37 and 39. respectively., in the combustion chamber. The burners are shown to operate on pulverized coal supplied from the atomizers (not shown), suspended in the primary combustion air, through feed pipes to the burners, 40 and 42, respectively. The heated secondary combustion air is brought under positive pressure from a vent box 44 surrounding the burner lights 37, 39.
The combustion chamber shown is of the type with walls cooled by circulating water and with a hopper bottom, the rear wall 11 of the chamber and the inclined rear wall 48 of the hopper being lined with tubes 14 arranged in a tube construction. tube. Between the rear wall 48 and the inclined front wall 52 of the hopper-shaped bottom 50 is a groove 54 through which the noncombustible solid residues of the combustion pass into a closed ashtray 57 having walls 56 and 58 in return. keep each other.
The pulverized fuel burners 36 and 38 are high capacity burners of the short flame swirl type. These burners discharge the atomized fuel and the combustion air in intimate mixture into the hearth through the corresponding burner ports provided in the front wall. The fuel and air mixtures are ignited immediately upon entering the combustion chamber, and the ignited air and fuel mixtures move towards the rear wall of the combustion chamber at a noticeable speed, but the dimensions from the front to the rear thereof are determined in such a way that even if the fuel and air are reduced to maximum speed, the products of the combustion do not hit the rear wall 11 of the combustion chamber to no appreciable extent.
Although mixtures of fuel and ignited air are
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expand considerably upon ignition, their rate of introduction does not dissipate quickly, so that the central section of the combustion chamber, i.e. the main combustion zone, can be considered as if filled with an expanded stream of ignited fuel, air and combustion products, animated by a noticeable velocity which, under the action of the fireplace draft, rises while turning towards the gas outlet 45 of the combustion chamber at the level of the cylindrical water body 18.
The walls of the combustion chamber formed by rows of vaporizing tubes, absorbing the heat of the igniting fuel and the generated heating gases which is transmitted to them by radiation, it is necessary to place the burners 36 and 38 at heights sufficiently below the gas outlet 45 of the combustion chamber so that the gases are cooled to a sufficient degree to prevent the formation of slag on the screen tubes 14 and the superheater tubes 26 and 24. r
The burners are also placed a sufficient distance above the water-cooled hopper bottom 50 so that the molten ash particles which separate from the igniting fuel stream and fall to the bottom. ,
pass through a lower temperature gas zone to be cooled to a solidification temperature so that they can be removed in the dry state. Although the main stream of high temperature gaseous products of combustion develops above this zone, the gas stream does not pass directly through it, the hopper chamber being filled with streams of gas tower. - ridges at low speed. However, the gases from the hopper transmit considerable heat which is absorbed by the vaporizing tubes lining the walls of the hopper.
The stream of heating gas leaving the combustion chamber through outlet 45 circulates through screen tubes 14a and superheater tube bundles 26 and 24, as well as through baffle tube bundles 20 and 22 of the boiler. The gases leave the bundle 22 of the boiler at the top of the latter and most of the gases pass as indicated by arrows 62 and 64 to a recovery type air heater 60 hence the The gases pass through a draft device such as an induced draft fan and / or a chimney (not shown), for discharge into the atmosphere.
A gas recirculation system operable to return to the combustion chamber a portion of the inert gases leaving the bundle 22 of the boiler is constituted by a vertical pipe 63, a recirculation blower 66, and discharge pipes connected in series. 68, 69 and 70, the conduit 70 extending along and nearly end to end of one side of the groove 54 of the hopper and being provided with discharge passages for the flow leading between the spaced lower ends 74 and 76 of the tubes 14 in the groove 54. The conduit 68 contains an adjustment and stop register 90 which can be actuated by means of an outer arm 92 connected by a rod 94 and an arm 96 to a suitable power control apparatus 98, as indicated.
The duct 68 is also provided on one side, between the register 90 and the combustion chamber, with a light 84 in which is placed a register of any suitable type 86 resiliently biased.
Figs. 3 to 5 of the drawings show the general pattern of the gas flow from the fireplace when the boiler is operated in the usual manner at fractional load, with the lower burners 38 being the only ones in use. As indicated by the arrows in Fig. 3 and in the cross-sectional views of Figs. 4 and 5, the main stream of the high temperature gaseous products of combustion is rapidly deployed through most of the combustion chamber above the level of the hopper, filling substantially the entire volume of the combustion chamber. combustion, except in the corners and the hopper, of gas at high speed rising towards the gas outlet 45 of the combustion chamber.
The speed of the gases along the walls thereof and in the corners is reduced by the effer retarda-
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tor of the walls on the flow. The cross section occupied by the high velocity gas stream at the burners and at the gas outlet of the combustion chamber;, that is to say in the main combustion zone, is thus approximately that indicated by the broken lines in Figs. 4 and 5 respectively. Swirling hot gas streams, as indicated by the arrows in FIG. 3, tend to settle inside the hopper 50 and cause heat transfer to the water tubes which line the walls of the hopper 48 and 52, as well as the portions of the side walls 17 forming the ends of the hopper. the hopper 50.
The supplies of fuel and combustion air to boilers of the type shown are regulated in a known manner according to the load conditions of the boiler to ensure the desired degree of heat transfer in the combustion chamber to satisfy the demand for steam. . It is well known that convection superheaters of the kind under consideration exhibit a "rising" superheat temperature curve as the load increases, but the reduction in the superheat temperature as the load decreases can be fully or partially compensated by the variable action. of the inert gas recirculation device described.
For fractional loads, either row of burners can be used, although for the weaker loads it is preferable, from the point of view of superheat control, to operate the heater. upper row of burners 36, alone.
When the burners 38 are alone in operation and the heating gases from the boiler are sent to the air heater, the recirculation blower 66 can be actuated to remove part of the gases from the boiler gas outlet. , as indicated by the arrow 65 and discharge it through the delivery ducts 68, 69, 70 when the register 90 is open. The recirculated inert gases are forced by the blower into the throttle of the hopper at the base of the combustion chamber, and enter this throttle at a speed just sufficient to ensure a uniform distribution over the entire length of that -this.
The recirculated low velocity gases rise in the divergent hopper and suppress the tendency of the freshly produced high temperature combustion gases to form vortex streams circulating in the hopper area. The continuous introduction of cooler inert gases alters the course of the path traveled by the stream of high temperature combustion products generated by the freshly burnt fuel, when the gas stream circulates towards the outlet of the fuel. gas from the combustion chamber.
Figs. 6 to 8 schematically show the general shape of the gas flow in the combustion chamber when the boiler is operating with recirculation of relatively cold gases. As indicated by the arrows in broken lines in FIG. 6, the recirculated gases discharged by the recirculation blower rise through the throttle of the hopper and deploy into the latter which widens from bottom to top to cover the walls 48 and 52 of the hopper and the part of the side walls 17 located in the hopper of a thick layer of relatively cold gas, continuously renewed, which moves from bottom to top. The thickness of the recirculated gas layer is difficult to measure, but in general a layer 12 to 30 "thick is considered desirable.
The continuous introduction of recirculating gas suppresses the tendency of hot gases to produce swirling currents along the boundary surfaces of the main gas stream and the mass of recirculating gas constricts the stream of freshly generated combustion products. , from bottom to top inwards. The speed of the gases recirculated at the time of their introduction is sufficiently low, and maintained such by the divergent shape of the hopper, to practically avoid in the zone of the furnace hopper the mixing of the freshly generated combustion products with the returned gases. in circulation.
There is a gradual diffusion of gas streams along their boundary surfaces, but appreciable mixing
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gas streams at high and low temperatures did not appear to occur until the gas streams had traveled most of the gas path in the combustion chamber.
The recirculated gases are forced out of the hopper area by the introduction of additional amounts of recirculated gas. They rise alongside the high temperature gas stream from the operation of the burners, which moves at high speed horizontally and up and down, and, as shown in Figs. 7 and 8 they tend to embrace a major part of the periphery (shown in broken lines in Figures 7 and 8) of the high temperature gas stream.
The high temperature gas stream thus tends to concentrate or constrict in a smaller part of the cross section of the combustion chamber than if there was no recirculation, as in Figs. 4 and 5, due to the presence of the low-temperature recirculating gas layer circulating at the periphery.
This constriction of the freshly generated high temperature combustion products into a stream of smaller cross-sectional area is believed to have two reducing effects on the transmission of their heat to the tubes of the combustion chamber walls. First, because the useful cross section of the stream is smaller, the average gas velocity in the combustion chamber will be higher for a determined rate of combustion. Second, as the radiant periphery of the hot gas stream is reduced, there will be a reduction in the heat transfer from the main combustion zone to the enveloping stream of low temperature gases and ultimately to the walls of the chamber. combustion.
Since the central stream of hot gases from the igniting fuel is the only source of heat added at a temperature level significantly higher than that of the heat-receiving wall tubes, there is a considerable reduction in heat transmission through the heat. radiation to the walls when the central current at higher speed has a smaller perimeter. A reduction in the heat transmitted to the walls of the hopper and to the vertical walls of the combustion chamber results in a greater heat content at a higher temperature of the gases leaving the combustion chamber, so that the heat is removed from the combustion chamber. The desired increase in heating of the superheater tubes by convection and gas radiation is easily achieved.
The steam boiler installation shown has a maximum indicated steam production capacity of approx. 62,500 kg. (160,000 pounds) of steam per hour at a superheat temperature of around 4800C approx. (900 F) and at a pressure of 46 Kg / cm2 approx. (660 pounds per square inch). Tests carried out during the operation of this installation have shown that for a steam flow rate of 31.250 Kg approx. (80,000 pounds) of steam per hour, i.e. 50% of full load, the temperature of the superheated steam was only approx. 400 C. (750 F) when only the lower burner row 38 was in service and operation was in the usual manner, with no gas recirculation.
Tests have established that with the recirculation of the gases according to the invention, the temperature of the superheated steam can rise to approx. 480 ° C. (900 F) by the application of a recirculation of approximately 28% of the weight of the gases generated by the combustion of the fuel, when only the lower burners were put into service and the load was the same .
When only the three upper burners 36 were used, for the same load, the temperature of the superheated steam without gas recirculation was approx. 430 C. (810 F). It has been found that less gas recirculation than required when using only the lower row of burners can easily raise the temperature of the superheated steam to approx. 4800 C. (9000F).
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The operation of the installation with and without gas recirculation at much lower loads than in the examples cited above has proved that the process which is the subject of the invention is effective in reaching the desired superheating temperature with a very low steam flow by switching on one or the other row of burners.
Even under these low load conditions the flame is stable and the determination of the temperature by the usual measuring methods shows no appreciable change in the flame temperatures as a result of the use of recirculated gas.
The register 86, subjected to an elastic restoring force and mounted in the opening 84 of the side wall of the duct 68 at a point located between the register 90 and the discharge openings of the discharge duct 70 in the combustion chamber is advantageous for maintain satisfactory conditions in the gas recirculation system when not in use, for example during heavy loads, when the desired superheat temperature can be reached without gas recirculation.
Under these conditions, when the blower 66 is not actuated and the register 90 is in a closed position to prevent a return of the gas flow in the conduits 70, 69, 68 and 63, the absolute pressure on the the blower side of register 90 corresponds to that which prevails in the case where pipe 63 is connected to the gas outlet of bundle 22 of the boiler. Register 86 is constructed in such a way that when the pressure in the duct is greater than a predetermined pressure relative to the pressure in the throat of the hopper at the base of the combustion chamber, it is maintained in a closed position.
When the pressure in the register 86 is equal to or less than the predetermined pressure, the atmospheric pressure increases the load to which the register is subjected and opens the latter, so that the atmospheric air is sucked by the port 84 in. duct 68. This automatic introduction of atmospheric air at a relatively low temperature will have the effect of circulating in duct 68, blower 66 and duct 63, a flow of cold air rather than gas coming from the duct. 'throttling of the combustion chamber, in the event that damper 90 is not gas-tight when closed.
The degree of discharge of the recirculating gases can be varied by adjusting the position of damper 90. This can be done by hand by the service attendant following the instructions for the outlet temperature of the superheated steam. However, the control device 98 of the damper can be connected to an automatic vapor temperature meter (not shown), so that the degree of gas recirculation can be automatically adjusted according to the overheating temperature of the steam.
If the superheat temperature tends to drop as a result of a reduction in the load, the position of the damper would thus be automatically adjusted to allow the recirculation of a greater quantity of gas and vice versa.
Although the increase of the superheat temperature of the steam by recirculating gas in the combustion chamber is of great value from the point of view of controlling the superheat temperature within the normal range of the loads of the combustion chamber. Boiler, the invention also offers a particular advantage for starting up steam generators when it is desired to light a boiler and provide a relatively low flow rate of steam at a predetermined minimum temperature.
As the introduction of gas in recirculation according to the invention does not affect the operation of the burners, the process considered can be used for a very low flow rate of steam from the boiler. A low flow of steam is all that is usually necessary to start up and gradually bring up to operating speed the prime mover served by the boiler. When a prime mover not in service like? eg a steam turbine, has been maintained at a high temperature, it is not desirable to introduce low superheat steam to bring the turbine to the desired speed.
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Adoption of the invention allows the supply of steam at a relatively high temperature even if the flow rate drops to a percentage of 5-20% of the full load steam flow rate of the boiler.
Fig. 9 shows a different arrangement where the recirculated gases can be effectively introduced to control the superheat according to the invention. The steam boiler and the combustion chamber are of the same general type as those shown in Fig. 1, comprising a combustion chamber completely cooled by circulating water, with a hopper-shaped bottom provided with water tubes lining the inclined walls of the hopper. Two rows of turbo-charged cross-tube type burners 136, 138 deliver fuel and combustion air rearward into the combustion chamber.
The burners are established in the vertical front wall ¯ at a point some distance above the upper edge of the inclined front wall 152 of the hopper o Tubes 112 of the front wall of the hopper are spaced apart from each other, such that the inter-tube spaces facing the recirculating gas duct 170 constitute inlet ports for the recirculated gases which, subjected to adjustment by the register or flap 190, are discharged by the blower of recirculation 1660 A duct 163 connects the gas outlet of the boiler to the inlet of the blower 166, while the damper or adjustment flap 190 and the damper or atmospheric air flap 186 are established between the blower and lights that open in the combustion chamber.
The area of the gas introduction ports, as determined by their lengths and the width of the space between tubes is sufficient for the gases delivered by the ports to enter the combustion chamber at a speed relatively low in the unmixed state with the gases developed by direct combustion of the fuel. The recirculated gases thus introduced expand into the hopper, maintaining a relatively cool layer of gases between the main combustion zone and the walls of the hopper, while the gases from the hopper area circulate from side to side. bottom up and through the combustion chamber in a manner similar in general to the gas flow shown in Figs 6 to 8.
Although the invention has been shown in its application. with pulverized fuel burners it can also be used in combination with other fluid fuel burners, such as oil burners or gas burners.
The considered introduction of one or more streams of inert gases at low temperature recirculating in the combustion chamber in a manner which avoids mixing of the streams both with the secondary combustion air and with the fuel mixture and of air injected by the burner lumens is particularly important from the point of view of the efficiency and the operational stability of the burners. The dilution of the combustion air by inert gases in recirculation and consequently the retardation of combustion and the extension of the flame is avoided. The retardation of combustion and the extension of the flame in a combustion chamber normally results in a reduction in combustion efficiency as a result of higher losses of unburnt coal, particularly in fly ash.
The present method of introducing gas into recirculation does not require any modification or adjustment of the burners, both when gas recirculation is applied and when it is not.
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