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-FOUR A CHAUX VERTICAL. A REGENERATION-DE GAZ'CARBONIQUE.
Depuis la plus haute antiquité, on obtient la chaux en calcinant du calcaire au contact de combustibles solides, tels que bois, charbon de bois, houilles, coke etc...
La chaux obtenue est toujours souillée par les cendres et impu- retés contenues dans les combustibles susditso
En outre, la disposition des fours verticaux et la difficulté de régler convenablement la combustion dans une enceinte fermée et d'accès pres- qu'impossible, entraînent des inégalités de température, dues aux localisa- tions anormales du feu, bien connues des chaufourniers.
Il en résulte un pourcentage d'incuits qui grève lourdement le prix de revient de la chaux obtenue, et nécessite un triage onéreuxo
Les revêtements en produits réfractaire garnissant l'intérieur des cuves des fours à chaux sont exposés à des coups de feu violents qui, ajoutés à l'usure due au frottement continu des morceaux de calcaire, provo- quent la destruction rapide des briques de garnissage
Leur remplacement périodique et fréquent entraîne une dépense considérable et un manque à gagner du fait de l'arrêt prolongé des fours,,
Enfin, la conduite des opérations exige des cuiseurs spéciali- sés, à salaires élevés, et qui deviennent de plus en plus rares, les ou- vriers délaissant progressivement ce dur métier pour des tâches moins mal- saines.
De nombreux usagers ou constructeurs ont essayé d'atténuer ces graves défauts en améliorant les moyens de chargement, de défournement, de manutention générales, parfois même de récupération des chaleurs perdues.
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Dans certaines industries, comme les sucreries par exemple, on recueille le gaz carbonique provenant du calcaire et du combustible, pour 1-'utiliser aux opérations sucrières. - Dans d'autres cas, le gaz carboni- que est capté et comprimé dans des bouteilles, en vue de divers emplois en brasserie, fabrications, industries du froid etc...
D'autre part, pour améliorer ces conditions de cuisson et obtenir des chaux exemptes d'impuretés, certaines firmes ont construit des fours chauffés au gaz ou aux combustibles liquides. - Malheureusement, la consom- mation de ces fours reste très onéreuse et le pourcentage d'incuits fort é- levé.
Malgré ces divers perfectionnements, le processus de la calcina- tion est demeuré immuable en ce sens que la combustion se fait au contact d'une masse calcaire qui dégage environ la moitié de son poids de gaz carbo- nique.
Cette antique méthode qui consiste à brûler du combustible baig- né par un gaz spécifiquement extincteur comme l'est le C02, présente un ca- ractère paradoxal.
Avec cette méthode empirique, la combustion ne peut se faire que grâce à un excès d'air comburant qui apporte l'oxygène nécessaire, mais di- lue considérablement la masse gazeuse en réaction. - Ce processus est irrégu- lier et aléatoire, parce qu'il ne peut être ni contrôlé ni mesuré.
La calcination est plus ou moins bonne, selon la conformation et la conduite plus ou moins heureuse des fours, et les chaufourniers ne savant jamais à l'avance ce que sera le résultat de la cuisson en cours.
En outre, l'excès d'air indispensable en l'occurrence, entrâine ipso-facto une consommation excessive de combustible sans corriger les ir- régularités de cuisson du calcaire, ni supprimer les incuits, ainsi que les risques de détérioration des revêtements intérieurs.
Enfin, le gaz carbonique (002) qui se dégage du calcaire, rencon- tre dans son trajet ascensionnel, les couches supérieures de combustibles, et subit à leur contact une réduction partielle d'où résulte la formation d'oxyde de carbone (CO). - Ce gaz toxique évacué au sommet des fours, corres- pond à une fraction notable de combustible qui est perdue.
Le procédé recommandé jadis par ELDRED, qui.consiste à capter les gaz et vapeurs sortant par le gueulard de chargement, et' à les renvoyer au pied du four, a pu dans certains cas, améliorer le rendement, mais n'a pas donné des résultats suffisants pour en généraliser l'application.
Certains constructeurs "FOURS CHAUDIERE" entr'autres) ont imaginé de placer au centre des fours verticaux une colonne creuse permettant l'aspi- ration des fumées chaudes provenant de la calcination du calcaire, afin de mieux répartir la chaleur dans la masse. - Bien qu'assez logiques, les appli- cations de ce dispositif ne l'ont pas fait adopter par les chaufourniers, par suite de divers inconvénients d'ordre constructif.'
En résumé, et exception faite pour la calcination du calcaire dans des fours tubulaires rotatifs (analogues à ceux qui servent à la fabri- cation des ciments) on doit conclure que la fabrication de la chaux est res- tée depuis des siècles une opération aléatoire et coûteuse.
Par le passé, tant que les combustibles et la main d'oeuvre sont restés d'un prix modéré, les chaufourniers ont pu se résigner à cet état de choses. - Nais a aujourd'hui, le souci d'économiser le combustible et la main d'oeuvre, autant que la nécessité croissante d'obtenir des chaux très pures pour les usages industriels (chaux d'addition d'aciéries basiques, chaux pour les fabrications chimiques, carbure de calcium etc...) exigent de sérieux per-
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fectionnements dans la structure des fours et le procédé de fabrication.
Dans ce but, les soussignés, se basant sur une longue pratique du chauffage industriel, préconisent un nouveau système de four à chaux verticale dont ils revendiquent la paternité, et dont l'originalité leur paraît suffisante pour justifier le brevet d'invention.
Avant d'aborder la description du procédé et du système de four, qui est représenté au dessin schématique ci-joint., il est utile de rappe- ler les conditions physico-chimiques de la calcination des calcaires :
Suivant l'état granulométrique et la composition des calcaires, la dissociation a lieu entre 900 et 1100 . - Toute température supérieure est superflue et même nuisible, car'elle peut provoquer la surcuisson et la fusion de la matière avec accrochage aux parois.
Sous l'influence de la chaleur,on obtient environ 500 K de chaux (Ca 0) et 450 K de gaz carbonique (002) soit un volume de 225 mè- tres cubes par tonne de calcaire enfourné.
Cette énorme quantité de gaz C02, ajoutée à celle des gaz prove- nant de la combustion avec excès d'air (002 + 02 + Az) et à la quantité de vapeur d'eau contenue dans le calcaire venant de carrière, représente un volume considérable à évacuer à la partie supérieure du four.
Au curplus, il convient de répéter que, par suite d'une combus- tion défectueuse, ces gaz contiennent une quantité parfois excessive d'o- xyde de carbone (CO) qui est toxique à faible dose, et correspond à une quan- tité notable de combustible incomplètement brûlé.
Quant aux fours verticaux existants, chauffés au gaz au moyen de brûleurs placés à la périphérie, ils ne parviennent pas à cuire convenable- ment la zone centrale du calcaire et donnent encore beaucoup d'incuits, pro- venant surtout du centre de la masse,difficile à atteindre par les flammes des brûleurs extérieurs.
Ceci posé, voici la description du système de four approprié au procédé préconisé et représenté aux dessins schématiques ci-joint.
Folios I, II et II.Figures de I à VIII.
La section horizontale du four est circulaire.
Le profil vertical est constitué par deux troncs de cône accolés par leurs bases et ne diffère pas beaucoup des profils usuels des fours à chaux existants. La fig. I, folio I, est une coupe verticale centrale.
Au centre se trouve une colonne creuse en réfractaire spécial (0) fig. I et III, destinée à recevoir le combustible (coke, anthracite ou charbons maigres exempts de goudrons ou autres impuretés).
Au .sommet de cette colonne creuse se trouve une trémie (1) figo I, distribuant le combustible en marche continue.
Au pied de la colonne se trouve une fermeture (2) fig. I, avec dispositif mécanique pour l'évacuation des cendres dans un petit wagonnet basculant de type usuel.
Le calcaire brut en morceaux d'environ 10 cm. est amené au ni-, veau de la plate-forme (recette) supérieure du four par un élévateur (29), fig. I et II, (chaîne à godets ou autre appareils de type connu) qui déver- se la matière dans un distributeur horizontal circulaire (3) fig. I et II, répartissant uniformément et continuellement les charges par une série d'o- rifices verticaux (4) fig. I et II pratiqués dans le plafond du four.
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Il en résulte que la masse de clacaire en traitement est accumu- lée suivant une section de forme annulaire localisée entre le revêtement pé- riphérique et la colonne centrale contenant le combustible.
A la partie supérieure du four se trouvent des orifices (5) fig. I et II, aboutissant à une tuyauterie (6) fige I et III, destinés à aspirer les gaz et vapeurs dégagés par la calcination et à les envoyer soit à la che- minée (7) fige I et II, soit à une conduite d'aspiration (8) fig. I, aboutis- sant au ventilateur d'une station d'épuration du C02 indépendante du four.
A la partie inférieure du four,il existe un blindage métallique (20) fige I, interne, de forme tronçonique, qui reçoit la chaux en voie de refroidissement. la face externe de ce blindage bon conducteur thermique, est lé- chée par l'air nécessaire à la combustion des brûleurs. Cet air comburant se réchauffe dans son mouvement ascensionnel au contact du blindage métallique et aboutit par des conduits (25) fige I et VI, dans une chambre de combustion annulaire (9) fige I et V, accolée extérieurement à la base du cône supérieur dans la région où s'opère la calcination du calcaire.
Cet air comburant est soufflé par une série de tubulures (24) fig.
VII, greffées sur une tuyauterie nourrice circulaire (23) fige I et VII, ali- mentée par un ventilateur centrifuge (22) fig. I, placé au niveau du sol.
Dans la chambre de combustion (9) fig. I et V, a lieu le mélange de l'air réchauffé et du gaz combustible distribué par des tubulures d'adduc- tion verticales (12) fig. I et V.
Ces tubulures sont alimentées par une tuyauterie nourrice circu- laire (il) fig. I et V, qui est raccordée à un ventilateur centrifuge (17) fig. I, aspirant le gaz au sommet de la colonne centrale et le refoulant vers les brûleurs.
Ia combustion doit être complète dans la chambre de combustion (9) et y produire des gaz à haute température (environ 1300 ) qui sont com- posés principalement de CO2 et d'azote neutre contenu dans le gaz combusti- ble sans excès d'air.'
Ces gaz très chauds pénètrent à l'intérieur du four par des fen- tes ou créneaux (13) fig. I et V, pratiqués sur le pourtour du revêtement réfractaire périphérique et sont aspirés par d'autres fentes (14) fig' I et IV du même genre ménagées dans la paroi circulaire de la colonne centrale décrite ci-dessus.
Au cours de leur trajet centripète, depuis la périphérie vers la colonne centrale, les gaz susdits traversent la masse de calcaire par les interstices existants entre les morceaux et leur communiquent la température nécessaire à leur calcination (de 900 à 1100 suivant nature des calcaires).
L'épaisseur relativement faible de la masse facilite le passage des gas chauffants provenant des brûleurs et accélère la calcination d'une manière uniforme en vue de supprimer les incuits.
Le gaz carbonique C02 provenant de la dissociation se mélange aux gaz chauffants et est aspiré en partie par les orifices (14) de la colonne centrale, l'excédent étant aspiré vers le haut du four en traversant et en échauffant progressivement la masse calcaire descendante.
La fraction de gaz C02 qui pénètre dans la colonne centrale entre en contact avec les morceaux de coke préalablement portés au rouge par com- bustion partielle à la base dans le région de calcination (15) fige I.
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Il doit se produire alors entre le 002 provenant du calcaire et le coke incandescent, la réaction classique et bien connue qui régit le fonctionnement des gazogènes à gaz,pauvre (gaz à 1-'air) et a pour symboles : gaz carbonique COZ + C (carbone du combustible) = 2 CO (oxyde de carbone).
Il résulte de cette réaction que le C02 produit par le four se transforme par régénération en oxyde de carbone combustible et monte en cet état au sommet de la colonne centrale où il est aspiré par une conduite (16) fig. I et II raccordée au ventilateur (17) placé au niveau du sol.
Mais avant d'arriver au ventilateur susdit, le gaz CO traverse d'abord un dépoussiéreur cylindro-conique (18) fig. I de type connu, et en- suite un laveur épurateur cylindrique que dig I genre Scrubber, type usuel.
A sa sortiele gaz épuré et refroidi passe dans le ventilateur (17) qui le refoule vers la chambre de combustion (9) par la conduite (21), fig. I et VI.
L'évacuation continue de la chaux par le cône inférieure (20) se fait par un collecteur mécanique rotatif de forme annulaire (28) fig. I et VIII.
Par un mécanisme approprié et de type connu, le collecteur sus- dit déverse la chaux dans un chenal (goulotte) incliné (10) fig. I et VIII dont l'extrémité munie d'une fermeture articulée surplombe le wagonnet bas- culant récepteur, s'il ne s'agit que d'un four., ou bien une courroie trans- porteuse de type usuel s'il s'agit de récolter la chaux de plusieurs fours placés côte-à-côte en batterie.
D'autre part, à la base de la colonne centrale existent des con- duits verticaux (27) fig. I et VII, destinés à amener de l'air comburant dans la région où s'opère la combustion du coke, c'est-à-dire un peu en-des- sous du niveau de la zone de calcination du calcaire.
Ces conduits verticaux pratiqués dans l'épaisseur de la paroi de la colonne,sont raccordés par des tubulures métalliques verticales gref- fées sur une conduite nourrice circulaire (26) fige I et VII, recevant l'air soufflé par le ventilateur déjà cité (22).
Cet air comburant s'échauffe dans, son ascension au contact de la paroi de la colonne centrale qui se trouve enrobée par la chaos en voie de refroidissement et par les cendres de coke descendantes.
De la conjugaison des dispositifs ci-dessus, il résulte que la récupération des calories contenues dans la chaux est aussi complète que possible.
Quant à la récupération du gaz CO2 provenant d'une part du cal- caire calciné et d'autre part de la combustion des gaz chauffants, elle est complète par captation à la partie supérieure du four au moyen des orifices et conduites décrits plus haut.
Du fait que le calcaire est échauffé et porté à la température de dissociation au moyen de la chaleur sensible de gaz incombustibles, il n'existe plus aucun risque d'explosion à l'intérieur du four.
On supprime ainsi les causes de déflagations qui constituent un grave inconvénient des fours verticaux existants, chauffés uniquement par des brûleurs à gaz répartis à la périphérie de la zone de cuisson.
Dans ces fours, il arrive parfois que, par une défectuosité des brûleurs , le mélange gaz et air se fait d'une manière irrégulière, et la combustion a lieu tant bien que mal dans la masse du calcaires.
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Si, par un mauvais réglage, les brûleurs laissent passer un excès de gaz imbrûlé, l'accumulation de celui-ci dans le four peut provo- quer des explosions. En tous cas, cet inconvénient se traduit par une con- sommation exagérée de gaz combustible toxique, évacuéen pure perte par la cheminée.
Quant à la question des induits, il est facile de comprendre pourquoi dans ces fours ancien système, la zône centrale du calcaire ne reçoit pas la chaleur suffisante et nécessaire pour la calcination complè- te.
Ce défaut est du au fait que les gaz chauds provenant des brûleurs ont une tendance naturelle - et fâcheuse - à cheminer vers le haut en lon- geant la paroi interne où ils trouvent un passage plus facile que dans la masse calcaire.
De ces conditions défectueuses, il résulte que dans ces fours, pour calciner le centre de la masse, il faut la surchauffer à sa périphé- rie, (d'où surcuisson et accrochages) ou bien ralentir considérablement la descente du calcaire, ce qui diminue la productivité des fours.
Le résultat final du nouveau système préconisé ci-dessus, basé sur des calculs thermo-chimiques et sur l'établissement d'un bilan thermi- que facilement contrôlable, comporte les-avantages suivants :
1 ) - Une économie de combustible que l'on peut évaluer en prati- que industrielle à lamoitié de la quantité de houille ou de coke consommés dans les anciens fours existants, qu'il soient chauffés au gaz ou par contact direct de combustibles solides avec les morceaux de calcaire.
Les meilleurs fours verticaux' connus exigent actuellement encore une consommation d'environ 200 K de coke par tonne de chaux.
L'économie réalisée par le nouveau système susdit serait donc d'une centaine de kilos de combustible dont il est facile de chiffrer la valeur à la tonne de chaux.
2 ) - La disparition pratiquement complète des incuits et des sur- cuits par suite de la répartition uniforme de la chaleur dans toute la masse de calcaire et le maintien à niveau permanent de la zone de dissociation.
3 ) - Une économie sur les dimensions et la structure des fours.
4 )- L'obtention d'une chaux extra-pure du fait que le calcaire n'est en contact qu'avec des gaz lavés et épurés.
5 ) - La préservation et la très longue durée des revêtements en réfractaires spéciaux qui, dans les fours actuellement en service sont rapi- dement détruits.
D'où une économie considérable par la suppression des réparations fréquentes et du manque à gagner dû aux arrêts prolongés des fours
6 ) - La facilité et la régularité de marche du nouveau système proposé; qui, grâce à des appareils et moyens de contrôle ou de mesure, per- met un fonctionnement automatique.
Cet accroissement de sécurité supprime la main d'oeuvre spéciali- sée,coûteuse et difficile à recruter, qu'exigeaient les anciens systèmes.
7 ) - la consommation de force motrice nécessaire au fonctionne- ment des divers appareils (élévateur, distributeur, collecteur, ventilateur, etc...) est très réduite relativement à la production.
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On peut évaluer à une douzaine de kilowatts-heure la consomma- tion d'électricité par tonne de chaux défournée.
8 ) - La possibilité de capter et d'utiliser à des usages indus- triels le gaz CO2 excédentaire.
Parmi les utilisations déjà connues et pratiquées dans certaines industries, on peut envisager le chauffage de fours, séchoirs et foyers di- vers, installés dans le voisinage de fours à chaux, par la régénération du 002 dans des gazogènes à coke de type spécial et d'une conception analogue à celle de la colonne centrale décrite ci-dessus.
Comme première application, on peut citer le séchage et l'échauf- fement préalable (en hiver surtout) du calcaire humide ou congelé, venant de carrière, avant son introduction dans le four.
Cette dessication préalable du calcaire dans des silos appropriés, permettrait de supprimer la présence de vapeur d'eau inutile ou nuisible dans les gaz à évacuer, tout en améliorant le bilan thermique général.
9 ) - La complication apparente de la structure du nouveau systè- me proposé serait largement compensée par la simplicité du fonctionnement, et, si le coût des installations peut paraître élevé par comparaison, la som- me des avantages énumérés ci-dessus permettrait un amortissement rapide du capital investi.
Les dépenses d'installation devraient comprendre la construction d'un petit gazogène à coke destiné à l'allumage et à la mise en service du four.
Ce gazogène serait arrêté ou mis en veilleuse sans dépense appré- ciable dès que le cycle normal de chauffage du four serait établi.
Le dispositif d'épuration du gaz, dépoussiéreur (18) et laveur (19), déjà prévu, pour le four, servirait pour le gazogène au moment du démarrage.
Ce gazogène ne serait pas nécessaire si l'on peut disposer dans les environs des fours, d'une source de gaz de cokeries, de gaz de hauts-four- neaux, de gaz de pétrole ou même de gaz naturel méthane.
Du point de vue constructif, le nouveau système en question ne né- cessite aucun organe ou appareil présentant des difficultés particulières de réalisation, d'entretien ou de bonne conservation.
La structure générale est constituée par des ossatures, blindages et mécanismes de types connus et de fabrication courante
Dans certains cas, pour des raisons d'économie, une bonne partie des charpentes métalliques peut être remplacée par du'béton armé.
Les produits réfractaires et isolants qui constituent les revête- ments intérieurs n'étant plus soumis à des températures excessives et ne pré- sentant aucun danger d'altération chimique, peuvent être de qualité courante et d'un prix modéré.
Le seul point délicat dans toute la construction est la réalisa- tion de la colonne centrale de régénération. En raison de ses dimensions et des contacts qu'elle doit subir tant à l'intérieur qu'à l'extérieur, il est indispensable de l'exécuter avec des blocs de forme spéciale en réfractaires à haute résistance mécanique et chimique, voire même avec des métaux réfrac- taires .
Les progrès récents réalisés dans la fabrication des produits ré-
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fractaires spéciaux permettent d'obtenir couramment les éléments néces- saires à une structure stable et durable.
Le régime thermique du four ne devant pas dépasser 1100 centi- grades, il est évident que les réfractaires susdits ne seront pas exposés à des épreuves excessives ou dangereuses.
Enfin, toutes les opérations étant mécanisées, mesurées et con- trôlées rationnellement, on peut conclure que la présente invention constitue un progrès réel sur les antiques procédés toujours en usage, en donnant tou- tes garanties de sécurité et de salubrité,, tant aux Industriels qu'à leur per- sonnel ouvrier.
REVENDICATIONS.
1 ) Four à chaux chauffé par régénération du gaz carbonique C02 dégagé par le calcaire en voie de calcination.
2 ) Four à chaux au moyen de gaz chauds dont la combustion est complète avant de quitter la chambre de combustion extérieure au four pour entrer en contact avec la masse de,calcaire à calciner.
3 ) Four à chaux muni d'une colonne centrale en réfractaire (ou autres matériaux) fonctionnant comme un gazogène et correspondant à la re- vendication n 1.
4 ) Four à chaux de section horizontale annulaire réduisant l'é- paisseur de la masse calcaire à calciner pour accélérer et uniformiser la calcination à température constante et contrôlable.
5 ) Four à chaux récupérant les calories emportées par la chaux en voie de refroidissement, par réchauffage de l'air comburant nécessaire aux brûleurs à gaz.
6 )Four à chaux dont le chargement est assuré par une série d'or%1- ces répartis à la périphérie de la cuve, ces orifices étant eux-mêmes ali- mentés par un distributeur mécanique circulaire répartissant le calcaire d'u- ne manière continue et uniforme sur toute la surface annulaire du four.
7 ) Four à chaux dont le défournement est assuré par un collecteur rotatif continu déversant la chaux lentement sans chocs ni poussières., par une goulotte placée au-dessus d'un wagonnet basculant ou d'une courroie transpor- teuse.
8 ) Four à chaux permettant de capter le gaz carbonique (C02) ex- cédentaire et de l'envoyer vers une station d'épuration en vue de son utili- sation industrielle (sucreries, usines frigorifiques, industries chimiques etc ... )
9 ) Four à chaux inexplosible par suite de l'absence de gaz déto- nants dans la masse calcaire et dans le vide sous-jacent au sommet du four.
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