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PROCEDE DE PRECHAUFFAGE-D'AIR DE COMBUSTION POUR DES INSTALLATIONS 'DE-
GENERATEURS DE'VAPEUR.
La présente invention est relative à des installations de géné- rateurs de vapeur et se rapporte plus particulièrement à un procédé et à un appareil pour améliorer la combustion dans les foyers de chaudières à vapeur par préchauffage de Pair entretenant la combustion à des températures rela- tivement élevées en utilisant les gaz de combustion comme source de chaleur dans ce buta
Le préchauffeur d'air usuel dans lequel on chauffe l'air entre- tenant la combustion par transmission directe de chaleur des gaz de combustion à travers les parois de conduites dair tubulaires qui comprennent l'échan- geur de chaleur de la structure du préchauffeur,
offre de sérieux inconvé- nientsspécialement dans le cas où on brûle du combustible de mauvaise qua- lité tel que du charbon pulvérisé, des lessives sulfitiques et d'autres combus- tibles désignés comme combustibles riches en poussières. Avec des combustibles de ce genre,, il est difficile d'obtenir une combustion complète.
Par consé- quent,, les gaz de combustion contiennent de grandes quantités de substances solides et gazeuses qui ont tendance à adhérer à une surface quelconque avec laquelle ils viennent en contact et si les gaz de combustion se condensent sur ces surfaces,il se produit une corrosion destructive due aux réactions chi- m.iques qui en résultent entre le condensat et les matières étrangères,
Pour éviter une corrosion destructive de ce genre et maintenir une marche efficaceles surfaces de chauffe doivent être fréquemment net- toyées, mais comme les conduites d9air tubulaires du préchauffeur d'air usuel consistent en structures fixes, étroitement espacées, elles sont très diffi- ciles à maintenir propres.
Bien que ces inconvénients du préchauffeur d'air usuel aient été considérés dans le passé et que des tentatives aient été faites pour les corriger, comme dans le brevet américain de Roe, n l'833'130 délivré le
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24 novembre 1931suivant lequel on fait circuler un véhicule de chaleur ou milieu intermédiaire en relation d9échange de chaleur avec les gaz de com- bustion chauds et Pair à chauffers tous les efforts antérieurs en vue de résoudre le problème ont été loin d'atteindre leur but, spécialement dans le cas où on brûle du combustible de mauvaise qualité.
La présente invention, de même que le brevet de Roe, utilise un véhicule de chaleur intermédiaire et permet ainsi l'emploi de surfaces de chauffe vibrantes dans la conduite des gaz de combustion., de sorte que le problème de maintien des surfaces de chauffe propres est grandement réduit à un minium. En d'autres termes,, les surfaces de chauffe sur lesquelles s'écou- lent les gaz de combustion peuvent consister en serpentins supportés comme on le décrit dans la demande de brevet américain de David Dalin, Serial n 622'832 déposée le 17 octobre 1945,de manière que les tubes puissent âtre facilement soumis à des vibrations pour détacher les matières étrangères qui s'accumu- lent sur eux.
Cependant,11'utilisation exclusive d'un véhicule de chaleur in- termédiaire et l'emploi des surfaces de chauffe vibrantes, dans la conduite des gaz de combustion ne suffisent pas. Pour réaliser son but principal d'a- méliorer la combustion de combustible de qualité pauvre,la présente inven- tion prévoit le chauffage de Pair de combustion à une température très éle- véeet dans le but de réaliser. 11' efficacité, l'invention prévoit en outre l'extraction aussi poussée que possible de l'énergie calorifique des gaz de combustion.
Ces objectifs sont réalisés par un nouveau mode de chauffage de l'air de combustion en deux étagés, en chauffant l'air au préalable par la chaleur extraite des gaz de combustion à la partie la plus froide de la con- duite des gaz de combustion et en le surchauffant par la chaleur extraite d'une zone beaucoup plus chaude de la conduite des gaz de combustion, es- pacée de la première zone d'extraction de chaleur par un élément intermédi- aire d'absorption de chaleur ou un échangeur.
L'invention prévoit encore un autre point important,, qui con- siste dans le réglage de la température des surfaces de chauffe dans la con- duite des gaz de combustion et spécialement de celles qui fournissent la cha- leur du premier étage ou étage de préchauffage de l'air de manière à assu- rer que la température de ces surfaces soit à tout moment supérieure au point de rosée des gaz de combustion qui passent à leur contact.
En résumé, par conséquent, le but et l'objectif de la présente invention consistent à créer un procédé et un appareil d'utilisation de la chaleur contenue dans les gaz de combustion au préchauffage de Pair de com- bustion à une température suffisamment élevée pour permettre de brûler de façon satisfaisante du charbon de mauvaise qualité et du charbon ayant une teneur élevée en humiditép et de réaliser cette transmission de chaleur des gaz de combustion à l'air de combustion par l'intermédiaire du fluide de- chau dière contenu dans 1?installation de génération de vapeur d'une manière pro- pre à assurer l'extraction de la quantité maximum d'énergie calorifique des gaz de combustion sans qu'il n'y ait aucun danger de
condensation des gaz de combustion sur les surfaces d'extraction de la chaleur au contact desquelles ils s'écoulent, malgré une teneur possible élevée en SO2 et SO3 dans les gaz, dont la présence tend à abaisser le point de rosée,des gaz et aboutit du reste à un problème de corrosion très sérieux.
En ayant en vue les buts ci-dessus ainsi que d9autres, qui appa- raitront au cours de la description, l'invention réside dans le procédé nou- veau et la suite des opérations substantiellement telles que décrites dans ce qui suit et plus particulièrement définies dans les revendications en annexe, étant bien entendu que des modifications peuvent être apportées à la réalisa- tion précise de l'invention ici décrite,, pourvu quelles rentrent dans le do- maine des revendications.
Les dessins en annexe illustrent deux exemples complets d'appli- cation du procédé de l'invention, mis au point de façon correspondant au pro- cédé le meilleur prévu jusqu'à présent pour Inapplication pratique des prin-
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cipes de l'invention.
Sur ces dessins :
La figure 1 est une vue schématique représentant le procédé préféré de préchauffage de l'air de combustion qui pénètre dans le foyer d'une installation de génération de vapeur, et la figure 2 est une vue schématique semblable à la figure 1 mais représentant un procédé légèrement modifiée
En se référant à présent plus particulièrement aux dessins en annexe, sur lesquels les mêmes chiffres indiquent les mêmes pièces, le chiffre 5 désigne le foyer dune installation de génération de vapeur munie de surfa- ces de génération de vapeur ou de tubes de chaudières (non représentés) et comprenant le dôme de vapeur usuel 6 qui y est associé.
Le foyer est muni d'une grille 7 à sa partie inférieure, destinée à supporter un lit de combustible en combustion, et possède une entrée 8 située sur le coté du four à une certaine distance au-dessus de la grille et qui sert au chargement dans le foyer de bois ou autre combustible solide devant être brûlé sur la grille 7. Une paire d'orifices d'alimentation 9 placés sur le côté du foyer à une distance appropriée au-dessus de la grille servent à l' injection de charbon pulvérisé ou d'autre combustible riche en poussière à l'intérieur du foyer, tandis que des orifices'd'alimentation additionnels 10 placés en-dessous des orifices pour le charbon pulvérisé servent à l'injec- tion de lessive sulfitique ou de substances analogues à l'intérieur du foyer.
L'air de combustion primaire est introduit dans le foyer par une conduite 12 qui débouche à 1?intérieur du foyer par une ouverture 13 de la paroi latérale du foyer dans une région voisine de la grille 7. Un ventilateur 14 est prévu auprès de centrée de la conduite pour insuffler l'air dans le foyer.
Les gaz de combustion sortant du foyer sont conduits de sa partie supérieure par un passage ou conduite à gaz de combustion 15,et lors de leur passage à travers cette conduite, ils passent au contact d'un certain nom- bre d9échangeurs de chaleur 16 dans lesquels on fait circuler du fluide des chaudières. Ainsi, un surchauffeur primaire 17 est placé dans la partie la plus chaude du passage des gaz de cheminée voisine de son entrée et un surchauf- feur secondaire 18 est disposé immédiatement en aval. Le dispositif suivant dans la série est un économiseur 19 et derrière l'économiseur se trouve un échangeur de chaleur primaire 20.
Il est important de remarquer que l'économiseur 19 est placé entre 1?échangeur de chaleur primaire 20 et les surchauffeurs 17-18. Ceci as- sure-une différence de température déterminée entre les deux zones d'où les surchauffeurs et l'échangeur de chaleur primaire tirent leur chaleur et du fait que 1?échangeur de chaleur primaire 20 est disposé plus en aval, les gaz de combustion qui viennent en contact avec lui sont notablement plus froids que ceux qui passent au-dessus des surchauffeursmais ils contiennent-encore une grande quantité d'énergie calorifique qui doit en être extraite si on veut éviter des pertes.
L'échangeur de chaleur primaire 20 comprend un groupe de serpen- tins dont les extrémités opposées sont raccordées respectivement aux tubulu- res d'entrée et de sortie 21 et 22, et qui sont suspendus de manière à pou- voir être facilement soumis à des vibrations. On peut appliquer un mode de sus- pension des serpentins quelconque approprié mais celui représenté et décrit dans la demande déposée citée plus haut est préférable. Le fluide de la chau- dière qui circule à travers les serpentins de l'échangeur de chaleur primaire 20 et qui les chauffe est, conformément au procédé de la présente invention, à l'état liquide (eau) et constitue un véhicule intermédiaire de chaleur ou milieu au moyen duquel la chaleur est transmise indirectement des gaz de com- bustion à Pair de combustion qui traverse la conduite 12.
Dans ce buts un échangeur de chaleur secondaire 24 est disposé
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à l'intérieur de la conduite 12 et est parcouru par le fluide chauffé venant de 1-1*échangeur de chaleur primaire à travers lequel il circule. L'échangeur de chaleur secondaire 24 peut être de toute construction appropriée, mais com- prend d'habitude une série de conduites ou tuyauteries reliant respectivement les tubulures d'entrée et de sortie 25 et 26. La tubulure d'entrée 25 est rac- cordée à la tubulure extérieure 22 de l'échangeur de chaleur primaire 20 par une conduite d'alimentation 27, et la tubulure de sortie 26 de l'échangeur de chaleur secondaire est raccordée à un accumulateur 28 par une conduite 29.
L' accumulateur comprend une conduite 30 menant d'un point situé en-dessous de son niveau d'eau normal à l'entrée d'une pompe 31 dont le refoulement est rac- cordé à la tubulure d'entrée 21 de l'échangeur de chaleur primaire 20 par une conduite 32.
La pompe 31 fait ainsi circuler le fluide liquide de la chaudière chauffé dans 1-'échangeur de chaleur primaire 20 à travers l'échangeur de cha- leur secondaire 24 pour réaliser ainsi une transmission indirecte de chaleur des gaz de combustion résiduaires à l'air de combustion pour chauffer ce der- nier.
Bien qu'il soit désirable d'extraire la plus grande quantité pos- sible de 1?énergie calorifique des gaz de combustion, il est important que la température du.liquide qui circule à travers l'échangeur de chaleur primaire et par conséquent de ses surfaces de chauffe, soit maintenue de façon sûre au- dessus du point de rosée des gaz de combustion qui passent à leur contact.
Dans ce but,une conduite de dérivation 33 raccorde la sortie de l'échangeur de chaleur primaire., en particulier la conduite 27, à l'entrée de la pompe en passant par une vanne 34 réglée par un thermostat, qui règle le débit de la conduite 33 et dont l'élément de réglage 35 répondant à l'action thermique est disposé sur la conduite 32 entre le refoulement de la pompe 31 et la tubulure d'entrée 21 de l'échangeur de chaleur primaire 20.
Chaque fois que la tempéra- ture du fluide retournant à l'échangeur- de chaleur primaire est inférieure à une valeur déterminée, l'élément répondant à Inaction thermique 35 fonctionne pour ouvrir la vanne 34 et permet ainsi au fluide chauffé dans la conduite 27 de passer en dérivation par rapport à l'échangeur de chaleur secondaire 24 et de s'écouler directement à l'entrée de la pompe pour se mélanger au fluide plus froid venant de l'accumulateur et augmenter ainsi la température du fluide qui retourne à 19'échangeur de chaleur primaire. De cette manière., la température du fluide qui pénètre dans 19'échangeur de chaleur primaire et par conséquent celle de ses surfaces de chauffeest maintenue au-dessus du point de rosée des gaz de combustion qui viennent en leur contact.
Une conduite 36 reliant l'accumulateur 28 au dame de vapeur 6 sert,par condensation de vapeur dans la conduite 36, à maintenir une alimen- tation convenable de fluide de chaudière dans le système de préchauffage de l'air qui vient d'être décrit et fournit également une issue au circuit qui autrement est fermé.
La température de l'air chauffé par son passage sur l'échan- geur de chaleur secondaire 24 peut être suffisamment élevée pour être appli- quée à des foyers brûlant des combustibles de qualités relativement bonnes, mais elle est trop basse pour vaincre l'objection de combustion incomplète dans le cas des combustibles de qualités inférieures mentionnés plus haut et de combustibles à haute teneur en humidité. En conséquence, le procédé de la présente invention prévoit un chauffage ou surchauffage supplémentaire de l'air qui traverse la conduite 12 à une température au moins comprise entre 200 à 300 Go Dans ce but,
un surchauffeur à air 40 est disposé dans la con- duite 12 au voisinage du foyer pour former un second étage de chauffage de l'air. Ce surchauffeur d'air,de même que le réchauffeur du premier étage (1' échangeur de chaleur 24) reçoit sa chaleur indirectement des gaz de combustion, mais par l'intermédiaire de la vapeur surchauffée beaucoup plus chaude venant du surchauffeur 17.
Au point de vue de sa structurele surchauffeur à air 40 peut être de toute construction appropriée mais de même que 19échangeur de cha- leur 24,, il comprend de préférence un groupe de tubes ou de serpentins dont
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une extrémité est raccordée à une tubulure dentrée commune 41 et dont les extrémités opposées sont raccordées à une tubulure commune de sortie 42. Une conduite 43 raccorde directement la tubulure d'entrée 41 à la tubulure de sor- tie 44 du surchauffeur 17 de manière que de la vapeur surchauffée venant du surchauffeur primaire 17 passe par sa propre pression à travers les serpentins du surchauffeur d'air 40.
La tubulure d'entrée 45 du surchauffeur primaire 17 est raccor- dée par une conduite 46 au dôme de vapeur 6 qui alimente le surchauffeur en vapeur; et bien que la pression et la température de la vapeur surchauffée di- minuent naturellement pendant qu'elle traverse le surchauffeur d'air 40, cette perte est récupérée en chauffant à nouveau la vapeur dans le surchauffeur se- condaire 18 et dans ce but la tubulure de sortie 42 du surchauffeur à air 40 est raccordée au moyen dune conduite 48 à la tubulure d'entrée 49 du surchauf- feur secondaire 18.
La tubulure de sortie 50 du surchauffeur secondaire peut être raccordée à un ou plusieurs endroits auxquels on doit utiliser la vapeur surchauffée
La réalisation modifiée de l'invention illustrée sur la figure 2 diffère de celle de la figure 1 principalement en ce que la vapeur d'eau surchauffée utilisée dans le second étage de préchauffage de l'air de combus- tion est condensée pendant qu'elle circule à travers le surchauffeur à air 40. Par conséquent, la vapeur surchauffée cède sa chaleur d'évaporation à l'air de combustion et élève ainsi la température de 15'air à un degré convenablement élevé. De marne une partie seulement de la vapeur surchauffée sortant du sur- chauffeur primaire 17 est utilisée au chauffage de Pair de combustion.
La tubulure de sortie 44 du surchauffeur 17, outre quelle est raccordée à la tubulure dentrée 41 de l'échangeur de chaleur 40, porte une conduite 43' abou- tissant à un ou plusieurs endroits auxquels la vapeur surchauffée doit être utilisée. Le condensat sortant de la tubulure de sortie 42 de 1?échangeur de chaleur 40 est amené à un réservoir 52 par une conduite 54.
Une pompe 55 et une conduite 56 venant du refoulement de la pompe fait passer le condensat de l'accumulateur à la tubulure d'entrée 57 de l'économiseur 19' placé dans la conduite des gaz de combustion entre l'échangeur de chaleur primaire 20 et une section de production de vapeur 18' qui correspond en position au surchauffeur de vapeur secondaire 18 de la réalisation de la figure 1. Lors de son passage à travers 1?économiseur 19', le condensat est du reste réchauffé avant qu'il ne retourne au dôme de vapeur par une conduire 58 menant de la tubulure de sortie 59 à l'économiseur.
Les serpentins de production de vapeur 18' sont parcourus par du fluide de chaudière venant directement du dôme de vapeur ou y retournant au moyen dune pompe 60 et de conduites respectives d'alimentation et de re- tour 61 et 62 raccordées aux tubulures d'entrée et de sortie 63 et 64 des serpentins de production de vapeur 18'.
Le système de circulation du véhicule de chaleur liquide au moy- en duquel le préchauffage d9air initial ou de premier étage est effectué est semblable à celui représenté sur la figure 1 excepté que l'accumulateur 28 n' est pas raccordé. au dôme de vapeur mais quau lieu de. cela;, une vanne de sé- curité 65 est montée au sommet de 13accumulateur pour relâcher une pression excessive du système.
Le système étant fermé excepté en ce qui concerne l'ou- verture possible de la vanne de détente, le remplissage du liquide de circu- lation qui s'y trouve est rarement nécessaire, mais, quand c'est nécessaire;, du liquide peut y être introduit par une conduite d'alimentation 66 munie d' une vanne appropriée 67 et apte à être reliée à une source appropriée d'eau chaude comme, par exemplePeau d'alimentation dans le dôme de vapeur.
Il apparaît aisément aux gens de métier d'après la description précédente faite en se référant aux dessins en annexe, que le procédé de l' invention permet le chauffage de 1?air de combustion à la haute température exigée pour brûler de façon satisfaisante du combustible de mauvaise qualité ou du combustible à haute teneur en humidité,et qu'il extrait également l'é- nergie calorifique maximum des gaz de combustion sans qu'il n'y ait de danger
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de produire une corrosion destructive des surfaces de chauffe au contact des- quelles passent les gaz de combustion et qui se produirait si on laissait les gaz de combustion se condenser sur ces surfaces.
L'explication du succès de 1?invention sera peut-être plus ai- sément appréciée si on considère les valeurs suivantes de la température qu' on atteint dans une installation type de cette invention. La température des gaz de combustion dans une installation type de ce genre à l'entrée de la con- duite des gaz de combustion, est dgenviron 1000 G et la température de la va- peur surchauffée sortant du surchauffeur primaire 17 est d'environ 400 C.
Etant donné cette température élevée de la vapeur surchauffée,, l'air de combustion déjà chauffé lors de son passage par le réchauffeur d'air de premier étage, c'est-à-dire 1-9*échangeur de chaleur 24, est aisément chauffé par le surchauf- feur à une température suffisamment élevée pour assurer une combustion rapide et complète de pratiquement n'importe quel combustible pouvant être chargé dans le foyer.
Pour les combustibles mentionnés ici;, l'air de combustion doit être chauffé entre 200 C et 300 C,et comme on le dit, ce résultat est aisé- ment atteint,, En élévant la température de l'air de combustion à cette valeur, la température de la vapeur surchauffée est abaissée proportionnellement et, dans la réalisation de la figure 1, on la réchauffe à environ 425 C ou 450 G par son passage à travers le surchauffeur secondaire 18.
Sur la réalisation de 1?invention correspondant à la figure 2 on laisse la vapeur surchauffée se condenser pendant qui!elle chauffe l'air de combustion pour assurer ainsi davantage 1-l'élévation de la température de Pair à la valeur désirée à la sui- te de la cession par la vapeur de sa chaleur d'évaporation.
Lors du surchauffage et du réchauffage de la vapeur dans la réa- lisation de la figure 1 et lors du surchauffage de la vapeur et du chauffage du;fluide de chaudière dans la section 18' de la réalisation de la figure 2, la température des gaz de combustion est réduite de sa valeur initiale de 1000 G à environ 650 C, et par son passage sur l'économiseur, la température des gaz de combustion est encore réduite davantage jusque 250 C à 300 C.
Par conséquent. la température des gaz de combustion qui fournit la source de cha- leur nécessaire au premier étage de préchauffage de l'air est considérablement inférieure à celle qui règne dans la zone qui fournit la chaleur du second é- tage ou de surchauffe de Pair;. et finalement., lors de son passage à travers 15'échangeur de chaleur primaire 20, la température des gaz de combustion est encore réduite davantage à environ 125 C. Il est évident diaprés cela que la quantité maximum d'énergie calorifique est extraite des gaz de combustion et qu'en même temps la température de l'air de combustion est portée à la valeur élevée désirée.
On remarquera également que l'espacement des deux zones qui servent de sources de chaleur au premier et au second étage de préchauffage de Pair au moyen des surfaces d'échange de chaleur intermédiaires, constitue une caractéristique importante de l'invention.
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COMBUSTION AIR PREHEATING PROCESS FOR 'DE-
STEAM GENERATORS.
The present invention relates to installations for steam generators and relates more particularly to a method and to an apparatus for improving the combustion in the furnaces of steam boilers by preheating air maintaining combustion at relative temperatures. high using flue gases as a heat source in this buta
The usual air preheater in which the air supporting combustion is heated by direct heat transfer from the combustion gases through the walls of tubular air ducts which include the heat exchanger of the preheater structure,
offers serious drawbacks especially in the case of burning poor quality fuel such as pulverized coal, sulphite lyes and other fuels referred to as dusty fuels. With fuels of this kind, it is difficult to achieve complete combustion.
Therefore, flue gases contain large amounts of solid and gaseous substances which tend to adhere to any surface with which they come in contact and if the flue gases condense on these surfaces a build-up occurs. destructive corrosion due to the resulting chemical reactions between the condensate and foreign matter,
To avoid such destructive corrosion and maintain efficient operation the heating surfaces should be cleaned frequently, but since the tubular air lines of the conventional air preheater consist of fixed, closely spaced structures, they are very difficult to clean. keep clean.
Although these drawbacks of the conventional air preheater have been considered in the past and attempts have been made to correct them, as in the U.S. Patent to Roe, No. 833,130 issued on
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November 24, 1931 Following which a heat vehicle or intermediate medium is circulated in relation to heat exchange with the hot combustion gases and even to heaters, all previous efforts to solve the problem have been far from reaching their goal, especially in the case of burning poor quality fuel.
The present invention, like the Roe patent, uses an intermediate heat vehicle and thus allows the use of vibrating heating surfaces in the flue gas line, so that the problem of keeping the heating surfaces clean is greatly reduced to a minimum. In other words, the heating surfaces over which the combustion gases flow may consist of coils supported as described in the United States patent application of David Dalin, Serial No. 622,832 filed October 17. 1945, so that the tubes can easily be subjected to vibrations to loosen the foreign material which accumulates on them.
However, the exclusive use of an intermediate heat vehicle and the use of vibrating heating surfaces in the combustion gas line is not sufficient. To achieve its main purpose of improving the combustion of lean grade fuel, the present invention provides for heating the combustion air to a very high temperature and for the purpose of realizing. 11 'efficiency, the invention further provides for the extraction as far as possible of the heat energy of the combustion gases.
These objectives are achieved by a new method of heating the combustion air in two stages, by preheating the air by the heat extracted from the combustion gases at the coldest part of the combustion gas pipe. and superheating it with heat extracted from a much hotter area of the flue gas line, spaced from the first heat extraction area by an intermediate heat absorption element or exchanger.
The invention provides yet another important point, which consists in the control of the temperature of the heating surfaces in the combustion gas duct and especially of those which supply the heat of the first stage or stage of the combustion. preheating the air so as to ensure that the temperature of these surfaces is at all times above the dew point of the combustion gases which pass in contact with them.
In summary, therefore, the object and object of the present invention is to provide a method and an apparatus for using the heat contained in the flue gases to preheat the combustion air to a temperature sufficiently high to. enable poor quality coal and coal with a high moisture content p to be satisfactorily burned and to achieve this heat transfer from the combustion gases to the combustion air by means of the flue gas contained in 1 - installation for generating steam in a manner suitable for ensuring the extraction of the maximum amount of heat energy from the combustion gases without any danger of
condensation of the combustion gases on the heat extraction surfaces in contact with which they flow, despite a possible high content of SO2 and SO3 in the gases, the presence of which tends to lower the dew point, of the gases and results in moreover to a very serious corrosion problem.
Having in view the above objects as well as others, which will become apparent during the description, the invention resides in the new process and the sequence of operations substantially as described in what follows and more particularly defined. in the appended claims, it being understood that modifications may be made to the precise embodiment of the invention described herein, provided they come within the scope of the claims.
The accompanying drawings illustrate two complete examples of application of the process of the invention, developed corresponding to the best process heretofore provided for the practical application of the principles.
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principles of the invention.
On these drawings:
Figure 1 is a schematic view showing the preferred method of preheating the combustion air entering the hearth of a steam generating plant, and Figure 2 is a schematic view similar to Figure 1 but showing a process slightly modified
Referring now more particularly to the accompanying drawings, on which the same numbers indicate the same parts, the number 5 designates the hearth of a steam generation installation fitted with steam generation surfaces or boiler tubes (not shown) and comprising the usual vapor dome 6 associated therewith.
The hearth is provided with a grate 7 at its lower part, intended to support a bed of burning fuel, and has an inlet 8 located on the side of the furnace at a certain distance above the grate and which is used for charging. into the fireplace of wood or other solid fuel to be burned on the grate 7. A pair of feed holes 9 placed on the side of the fireplace at a suitable distance above the grate are used for the injection of pulverized coal or other dusty fuel into the interior of the firebox, while additional feed ports 10 placed below the pulverized charcoal ports serve for the injection of sulphite or similar substances. inside the fireplace.
The primary combustion air is introduced into the fireplace through a duct 12 which opens into the interior of the fireplace through an opening 13 in the side wall of the fireplace in a region adjacent to the grate 7. A fan 14 is provided near the center. of the duct to blow air into the fireplace.
The combustion gases leaving the furnace are conducted from its upper part through a passage or combustion gas pipe 15, and as they pass through this pipe they pass in contact with a number of heat exchangers 16 in the combustion chamber. which circulate fluid from the boilers. Thus, a primary superheater 17 is placed in the hottest part of the chimney gas passage adjacent to its inlet and a secondary superheater 18 is placed immediately downstream. The next device in the series is an economizer 19 and behind the economizer is a primary heat exchanger 20.
It is important to note that the economizer 19 is placed between the primary heat exchanger 20 and the superheaters 17-18. This ensures a determined temperature difference between the two zones from which the superheaters and the primary heat exchanger derive their heat and because the primary heat exchanger 20 is disposed further downstream, the combustion gases. which come into contact with it are notably colder than those which pass over the superheaters, but they still contain a large quantity of heat energy which must be extracted from them if losses are to be avoided.
The primary heat exchanger 20 comprises a group of coils, the opposite ends of which are connected to the inlet and outlet tubes 21 and 22, respectively, and which are suspended so as to be easily subjected to stress. vibrations. Any suitable coil suspension method can be applied, but that shown and described in the application cited above is preferable. The boiler fluid which circulates through the coils of the primary heat exchanger 20 and which heats them is, according to the process of the present invention, in the liquid state (water) and constitutes an intermediate heat carrier. or medium by means of which heat is transmitted indirectly from the combustion gases to the combustion air which passes through line 12.
For this purpose a secondary heat exchanger 24 is arranged
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inside the pipe 12 and is traversed by the heated fluid coming from 1-1 * primary heat exchanger through which it circulates. The secondary heat exchanger 24 may be of any suitable construction, but usually comprises a series of conduits or pipes connecting the inlet and outlet pipes 25 and 26, respectively. The inlet pipe 25 is connected. corded to the outer pipe 22 of the primary heat exchanger 20 by a supply pipe 27, and the outlet pipe 26 of the secondary heat exchanger is connected to an accumulator 28 by a pipe 29.
The accumulator comprises a pipe 30 leading from a point located below its normal water level to the inlet of a pump 31, the discharge of which is connected to the inlet pipe 21 of the exchanger. primary heat 20 through a pipe 32.
The pump 31 thus circulates the liquid fluid from the boiler heated in the primary heat exchanger 20 through the secondary heat exchanger 24 to thereby effect an indirect transmission of heat from the waste combustion gases to the air. combustion chamber to heat it.
While it is desirable to extract as much heat energy as possible from the flue gases, it is important that the temperature of the liquid circulating through the primary heat exchanger and therefore its heating surfaces, is kept securely above the dew point of the combustion gases which pass in contact with them.
For this purpose, a bypass line 33 connects the outlet of the primary heat exchanger, in particular the line 27, to the inlet of the pump, passing through a valve 34 regulated by a thermostat, which regulates the flow rate of the pipe 33 and of which the adjustment element 35 responding to the thermal action is arranged on the pipe 32 between the discharge of the pump 31 and the inlet pipe 21 of the primary heat exchanger 20.
Whenever the temperature of the fluid returning to the primary heat exchanger is lower than a determined value, the thermal inaction responsive element 35 operates to open the valve 34 and thus allows the heated fluid in line 27 to release. switch to bypass with respect to the secondary heat exchanger 24 and flow directly to the inlet of the pump to mix with the cooler fluid coming from the accumulator and thus increase the temperature of the fluid which returns to 19 ' primary heat exchanger. In this way, the temperature of the fluid which enters the primary heat exchanger and therefore that of its heating surfaces is kept above the dew point of the combustion gases which come into contact with them.
A pipe 36 connecting the accumulator 28 to the steam lady 6 serves, by condensation of steam in the pipe 36, to maintain a suitable supply of boiler fluid in the air preheating system which has just been described. and also provides an outlet for the circuit which is otherwise closed.
The temperature of the air heated by its passage over the secondary heat exchanger 24 may be high enough to be applied to stoves burning fuels of relatively good quality, but it is too low to overcome the objection. incomplete combustion in the case of lower grade fuels mentioned above and fuels with high moisture content. Accordingly, the method of the present invention provides for additional heating or superheating of the air which passes through line 12 to a temperature of at least between 200 and 300 GB. For this purpose,
an air superheater 40 is disposed in the duct 12 in the vicinity of the hearth to form a second air heating stage. This air superheater, like the first stage heater (heat exchanger 24) receives its heat indirectly from the flue gases, but through the much hotter superheated steam from superheater 17.
Structurally, the air superheater 40 may be of any suitable construction, but like the heat exchanger 24, it preferably comprises a group of tubes or coils of which
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one end is connected to a common inlet pipe 41 and the opposite ends of which are connected to a common outlet pipe 42. A pipe 43 directly connects the inlet pipe 41 to the outlet pipe 44 of the superheater 17 so that superheated steam from the primary superheater 17 passes by its own pressure through the coils of the air superheater 40.
The inlet pipe 45 of the primary superheater 17 is connected by a pipe 46 to the steam dome 6 which supplies the superheater with steam; and although the pressure and temperature of the superheated steam naturally decreases as it passes through the air superheater 40, this loss is recovered by reheating the steam in the secondary superheater 18 and for this purpose outlet pipe 42 of the air superheater 40 is connected by means of a pipe 48 to the inlet pipe 49 of the secondary superheater 18.
The outlet pipe 50 of the secondary superheater can be connected to one or more places where the superheated steam is to be used.
The modified embodiment of the invention illustrated in Figure 2 differs from that of Figure 1 mainly in that the superheated steam used in the second stage of preheating the combustion air is condensed while it is being used. circulates through the air superheater 40. Consequently, the superheated steam transfers its heat of evaporation to the combustion air and thereby raises the temperature of the air to a suitably high degree. De marl only part of the superheated steam exiting the primary superheater 17 is used for heating the combustion air.
The outlet pipe 44 of the superheater 17, in addition to being connected to the inlet pipe 41 of the heat exchanger 40, carries a line 43 'leading to one or more places where the superheated steam is to be used. The condensate leaving the outlet pipe 42 of the heat exchanger 40 is supplied to a tank 52 through a line 54.
A pump 55 and a pipe 56 coming from the discharge of the pump pass the condensate from the accumulator to the inlet pipe 57 of the economizer 19 'placed in the combustion gas pipe between the primary heat exchanger 20 and a steam generating section 18 'which corresponds in position to the secondary steam superheater 18 of the embodiment of FIG. 1. As it passes through the economizer 19', the condensate is moreover reheated before it is released. returns to the vapor dome via a conduit 58 leading from the outlet port 59 to the economizer.
The steam production coils 18 'are traversed by the boiler fluid coming directly from the steam dome or returning to it by means of a pump 60 and respective supply and return pipes 61 and 62 connected to the inlet pipes. and outlet 63 and 64 of the steam production coils 18 '.
The liquid heat vehicle circulation system through which the initial or first stage air preheating is effected is similar to that shown in Figure 1 except that the accumulator 28 is not connected. to the steam dome but that instead of. This, a safety valve 65 is mounted at the top of the accumulator to relieve excessive pressure from the system.
As the system is closed, except for the possible opening of the expansion valve, it is seldom necessary to fill the circulating liquid in it, but, when necessary, liquid can be used. be introduced there by a supply pipe 66 provided with an appropriate valve 67 and capable of being connected to an appropriate source of hot water such as, for example, feed water in the steam dome.
It will readily be apparent to those skilled in the art from the foregoing description made with reference to the accompanying drawings, that the process of the invention allows the heating of the combustion air to the high temperature required to satisfactorily burn fuel. of poor quality or fuel with a high moisture content, and that it also extracts the maximum heat energy from the flue gases without any danger
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to produce destructive corrosion of the heating surfaces in contact with which the combustion gases pass and which would occur if the combustion gases were allowed to condense on these surfaces.
The explanation of the success of the invention will perhaps be more readily appreciated if one considers the following values of the temperature which is achieved in a typical installation of this invention. The temperature of the combustion gases in a typical installation of this kind at the inlet of the combustion gas pipe is about 1000 G and the temperature of the superheated steam leaving the primary superheater 17 is about 400. vs.
In view of this high temperature of the superheated steam, the combustion air already heated when passing through the first stage air heater, i.e. 1-9 * heat exchanger 24, is easily heated by the superheater to a temperature high enough to ensure rapid and complete combustion of virtually any fuel that may be loaded into the fireplace.
For the fuels mentioned here ;, the combustion air must be heated between 200 C and 300 C, and as we say, this result is easily achieved ,, By raising the temperature of the combustion air to this value , the temperature of the superheated steam is lowered proportionally and, in the embodiment of Figure 1, it is reheated to about 425 C or 450 G by its passage through the secondary superheater 18.
In the embodiment of the invention corresponding to Fig. 2 the superheated steam is allowed to condense during which it heats the combustion air to thereby further ensure the elevation of the air temperature to the desired value at the following time. - you of the transfer by the vapor of its heat of evaporation.
When superheating and reheating the steam in the embodiment of Figure 1 and when superheating the steam and heating the boiler fluid in section 18 'of the embodiment of Figure 2, the gas temperature of combustion is reduced from its initial value of 1000 G to approximately 650 C, and by its passage on the economizer, the temperature of the combustion gases is further reduced to 250 C at 300 C.
Therefore. the temperature of the combustion gases which provides the heat source necessary for the first stage of preheating the air is considerably lower than that prevailing in the zone which supplies the heat of the second stage or of air superheating ;. and finally., on passing through the primary heat exchanger 20, the temperature of the combustion gases is further reduced to about 125 C. It is evident from this that the maximum amount of heat energy is extracted from the gases. temperature and at the same time the temperature of the combustion air is raised to the desired high value.
It will also be noted that the spacing of the two zones which serve as heat sources for the first and the second air preheating stage by means of the intermediate heat exchange surfaces, constitutes an important characteristic of the invention.
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