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PROCEDE D'UTILISATION DU POUVOIR CALORIFIQUE DES GAZ DE REACTION
DEVELOPPES DANS DFS FOURS DE REDUCTION ELECTRIQUES FERMES.
L'invention concerne, un procédé d'utilisation du pouvoir calori- fique des gaz de réaction dans les fours de réduction électriques fermés en vue du traitement préalable des matières premières c'est-à-dire de la charge, par une combustion,, réglée d'une manière nouvelle, des gaz de ré- action, directement au-dessus du foyer du fouro
Les gaz de réaction qui s'échappent du foyer dans les procédés de réduction exécutés dans des fours électriques possèdent un pouvoir calo- rifique élevécela sous la forme des gaz de réaction proprement dits et obtenus à l'état chaud (généralement du CO),
ainsi que sous la forme de la chaleur de combustion de quantités entraînées de poussière carboniques de silicium ou d'autres poussières métalliques ayant subi le traitement réducteur. Dans le procédé du four à carbure par exemplel'énergie néces- saire pour la production du carbure proprement dit énergie rapportée au ki- logramme de carbure pur et qui est représentée généralement par l'électricité, s'élève à 1687 Kcal
Par comparaison, on consomme pratiquement environ 4,37 kilowatt-heures,,c'est-à-dire 3750 "
D'autre part et en se rapportant toujours au kilogramme de carbure pu ,
le foyer ouvert laisse échapper en perte par exemple 1955 " à savoir
Pouvoir calorifique des gaz de réaction propre- ment dits 1352 "
Pouvoir calorifique de la poussière carbonique 603 "
Ces quantités d'Énergie qui s'échappent du foyer et qui représen- tent des valeurs importantes par rapport à l'économie d'ensemble, représen- tent généralement de nos Jours une perte sèche.
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LJ}éq'.1i-vent de la chaleur de combustion est même neutralisée par le fait que l'on aspire au dessus du foyer un excès dair de 20 à 50 fais" cette quantité d'ait servant à évacuer la chaleur en question. Les tâches d'entretien de,l'équipe du four se trouvent ainsi facilitées On a en outre essayé dlincorpo-rcr au four des systèmes de canaux: refroidis à l'eau, dré- vaGUer par ceux-ci au moins une partie des gaz de réaction et de brûler ces derniers en un point éloigné de l'équipe du four. Ensuite,cette masse de gaz,, par exemple les deux tiers de la quantité globale était refroidie en
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dehors du four., débarasséo des poussières et dirigée vers des points d'uti- lisation situés en dehors du four.
Ceci avait fatalement pour effet de ré- duire l'enthalpie du gaz et le pouvoir calorifique des poussières de celui- ci et donc de rendre ce dernier plus pauvre en énergie. De plus,, le prix payé par les consommateurs de ce gaz était incomparablement plus bas que celui déboursé pour le même nombre de calories par les exploitants du four sous forme d'énergie électrique.
Pour cette raisons on a essayé depuis longtemps dutiliser ces gaz pour le réchauffage de la charge du fouren faisant en sorte que les flammes qui en résultaient braient en un endroit quelconque et sans réglage par exemple de façon à chauffer les trémies de mélange On réalisait ainsi des économies tellement insignifiantes que ces solutions ne se sont pas im- plantées dans la pratique. On a proposé de nos jours de munir de tels fours d'un couvercle en forme de chaudière et d'utiliser la chaleur de combustion
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développée sous cette chaudière y a la génération de vapeur utilisable industiellement.
Ces suggestions ne tenaient pas compte du fait que vu l'ad- mission insuffisamment réglée de Pair d'une part, et du mélange d'autre part, il s'établissait entre ces deux éléments une réaction chimique nuisi-
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ble, et que, de cette façon.)! 9 l' a,: d'admission attaquait dangereusement le carbone de la charge et plus spécialement celui de l'éleetrodes cela aussi dans le cas d'électrodes Soderberg entourés de chemises en t81eo En outre, la vapeur ne peut être que rarement utilisée directement pour la marche d'un four.
Sa transformation en énergie électrique donne lieu ultérieure- ment à la perte des 3/4 de la chaleur perdue récupérée au prix de tant de peine.
Les procédés visant à obturer de tels òurs d'une fagon tant soit peu hermétique et de mettre en valeur, en dehors du foursla quantité globa- le du gaz développée sont fatalement rendus peu économiques en raison de leur dépréciation mentionnée plus haut et due à l'épuration,ainsi que par la moins-value quils subissent lorsqu'ils sont livrés à un consommateur ex- terne.
Dans un grand nombre de procédés au four de réductionsla tempe- rature et l'irrégularité de la marche du procédé sont si importantes que
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de tels fours ne peuvent être exploités qu"au prix de précautions spéciales, par exemple en utilisant des charges soigneusement tamisées et donc plus caf- leuseso Malgré ces mesures, on n's.
pas pu éviter dans ces procédés des per- turbations parfois lourdes de conséquencestant qu'on n'a pas eu recours à l'obturation hermétique du fours en acquérant ainsi la possibilité de procé- der à tout moment à un réglage de la marche proprement dite du procédé
Contrairement à ces procédés connus, l'invention suit une toute autre voie Elle part de la constatation- qu'il est nécessaire de surveiller toujours exactement la marche dufour et d'agir immédiatement sur celle-ci aussitôt que des irrégularités se produisent. Il est donc nécessaire d'as- surer une communication constamment ouverte entre l'atmosphère extérieure et l'espace intérieur, générateur de gazdu four.
D'autre part la qùanti- té considérable d'énergie des gaz de réaction et des poussières contenues dans ceux-ci doit être transformée en chaleur directement au dessus du foyer cela de telle façon que cette récupération de chaleur bénéficie directement à la charge et remplace une quantité notable de !-énergie électrique coûteuse La Poussière carbonique doitdans ce cas,être brûlée ou gazéifiée directe- ment au dessus du foyer et il convient d'empêcher qu'elle ne s'échappe en pure perteen tant que poussières vers des zones plus froides ou à l'air
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libre.
Il convient cependant de veiller tout, particulièrement à ce que ce
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phénomènes de oco-bustîon intéressent exclusivement les gaz de réaction per- dus et les poussières y eontenues, mais non l'air d'admission ou 1-'acide carbonique développé et le carbone de la charge ou celui de l'électrodeo De plusil ne faut pas que la vitesse d'écoulement plus rapide, qui se pré- sente dans des zones particulières de 1-'espace intérieur du four ait pour
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effet d-arracher à celui-ci une quantité supplémentaire de fines particules de mélange; au contraire.\! on doit seefforcer à conduire la charge en de- hors du courant gazeux de telle façon que l'on puisse travailler aussi avec les calibres fins.
Ces derniers sont généralement moins coûteux etde
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plus, ils, élèvent les e;oeîiffiGients de transmission de chaleur et améliorent les effets physico-chimiques utiles de la récupération de la chaleur, con- tribuant ainsi à une marche rapide et économique du procédé selon l'inven- tion.
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A cette fin, les élee.tB'edes selon l'invention sont entourées d'un. bi-cône qui se forme automatïquementg à la manière d'un sablier. La charge de matières premières glisse vers le bas le long d'un entonnoir en acier réfractaire qui entoure les électrodes entièrement ou partiellement,
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la charge se déplaçant vers 1-I'électrode en une couche mince et au fur et à mesure de la consommation.') de façon à former un cône supérieurs pour
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eonstituer, à partir d'un point d'étranglement, un cône inférieur diver- geant vers le bas .
Par conséquente ce cane de mélange inférieur recouvre, à une hauteur et en une épaisseur réglables, la zône de réaction propre- ment dite qui se situe au dessous des électrodes Les gaz ascendants ren- contrent donc un obstacle uniforme sous l'aspeet du cône de mélange infé- rieur et s'échappent le long de Paire extérieure de celui-ci.,en un courant égal,';
vers l'espace intérieur du four. Conformément à l'invention, l'air comburant est aspiré radialement de 1-'extérieur vers cet endroit pré-
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cis de 1-'espace intérieur du four, c9 est=à=dire entre les deux cônes du mélange formé autour des électrodex9 de telle façon qu'il s9établit un es- pace de flammes de forme déterminée Cet espace de flammes est séparé de la surface du cône de mélange inférieur par la couche, des gaz de réac- tion ascendants D'antre part.: il est en contacta avec cession de cha- leuravec l'entonnoir métallique sur lequel repose le cône de mélange supérieur mais n' entre pas en contact avec la charge même.
La température de la chambre de combustion qui est située,de la façon indiquée plus hautdirectement au-dessus du foyer,, est si élevée que les particules de poussière carbonique des gaz de réaction s'y gazéifient immédiatement A cette fins on peut éventuellement prévoir une admission supplémentaire
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d'oxygène pur en des points déteI'1D.iD,Éis de façon à régler la température. Selon l'invention, Pécoulement des gaz de combustion d9une party et ce- lui de la charge qui descend en glissant vers la chambre de réaction,, d'autre part est conçu de façon que les deux courants ne se "heurtent" pas
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mécaniquement mais s9effleurent mutuellement de sorte que les fines parti- cules des charges ne soient entraînées par le courant de gaz.
Selon l'invention, la partie supérieure du four est obturée à l'aide d'un couvercle Celui-ci constitue la limite supérieure de la chambre de combustion et est établi généralement d'après les principes con- nus des surfaces rayonnantes des chambres de combustion,, de sorte qu'il absorbe aussi peu de chaleur que possible et qu'il réfléchit celle-ci vers la chambre de combustion et contre le o8ne supérieur de la charge.
Ge couvercle est traversé aussi bien par les gaines d'électrodes qui y sont montées à joint hermétique et coulissant afin de permettre le réglage
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de la puissance électrique abc#bée ainsi que par les organes d'amenée de là chargée cela de telle façon ql1en"modif'iaIlt la position en hauteur de l'entonnoir ou de l'étrangiLenent du bic5ns3 on puisse modifier le recou- vrement de la zone de réaction et de la sortie des gaz de réaction,,mais aussi la position du cône supérieur absorbant la chaleur par rapport au
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four ou au système d Ci admission d'aira L21évacuation des gaz est assurée par une cheminée disposée d'une façon symétriqueo Dans les fours à courant, triphasée cette cheminée est située généralement dans l'axe du four -.
dans les fours à électrodes en ligne, elle
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se trouve par exemple au milieu'entre chaque paire d'électrodes. Selon l'invention, ces cheminées sont caractérisées en ce que la charge descend vers le four par ces cheminées dans des canaux séparés par des cloisons métalli- ques du courant de gaz de combustion ascendant dans ces mêmes cheminées.
La charge absorbe de la chaleur des gaz évacués mais n'est pas directement léchée ou partiellement entraînée vers la sortie par ceux,6-ci. Comme l'in- vention vise à transférer à la charge des quantités d"énergie relativement importantes en utilisant l'espace et le trajet disponibles., on allonge au possible ce contre-courant entre les gaz de fumée qui s'évacuent et la char- ge qui arrive. Ainsi, par exemple, on prévoit, dans un canal horizontal d' échappement de gaz, un système de transport intérieur commandé par vibra- tions, une vis transporteuse,, un tube transporteur rotatif, etc.
Selon l'invention cet échange thermique dans la partie verticale de la cheminée est notablement renforcé par la prévision d'un trajet particulier allongé de la charge et des gaz sous la forme d'une double hélice en tôle réfractai- reo Les deux milieux pénètrent dans le four ou quittent celui-ci en traver- sant cette double hélice en contre-courant.
Dans tous ces dispositifs d'amenée de la charge dans le rayon d'action des gaz de combustion, l'invention vise particulièrement à ce que., dans l'application de la technique opératoire, l'effet produit dans la char- ge sous 1-'action du chauffage ne soit pas freiné, mais au contraire favori- sé par le fait que les produits gazeux qui se forment peuvent s'échapper aisément et sans entrave. Donc la charge glisse en couche mince sur les cônes supérieurs à travers la zone d'influence de la chambre de combustion.
Dans l'échangeur de chaleur en double hélice,ainsi que dans le système transporteur horizontal prévu dans l'intérieur du canal des gaz, la hauteur de la couche, et dpnc la résistance à l'écoulement des produits gazeux qui se développent dans la masse de la charge, peuvent être influencées par la vibration et maintenues à une valeur réduite L'invention vise en outre à maintenir la chute de température entre la chambre de combustion d'une part et la charge d'autre part, à une valeur aussi élevée que possible,, afin de transmettre à la charge rapide- ment une quantité de chaleur maximum. A cette fin.. et selon l'invention, la charge est introduite dans la chambre de combustion du four à l'état essen- tiellement non préparé et ne subit un, traitement préalable que dans celui-ci.
Ainsi, par exemple pour la préparation du carbure, on introduit dans le four du calcaire au lieu de chaux. On exécute des opérations de grillage ou de calcination dans le four Au lieu du coke,on introduit dans le four, selon les circonstances, du charbon brut, le processus de distilla- tion ou de gazéification étant dans ce cas, accompli dans le four même.
Le produit de distillation qui se forme dans les couches supérieures de la charge peut être évacué du four comme tels tandis que le coke continue à descendre vers la zone de réaction du procédé principal.
Lorsque des procédés de réaction qui étaient exécutés à ce j ours par voie électrique sont mis en oeuvre conformément à l'invention,le traitement préalable efficace de la charge peut se faire sentir en partie jusqu'à un stade avancé de la réduction, en d'autres termes, on obtient - une réduction sensible de la consommation d'énergie électrique. Celle-ci sert en partie uniquement à l'allumage et à la stabilisation des niveaux de température du procédé tandis que la fraction principale de l'énergie nécessaire est fournie par la récupération des gaz de réaction, conformé- ment à 1-'invention.
Ainsi, par exemple, un four à fonte électrique, qui consomme pratiquement 2.480 KWH par tonne de fonte doit employer 1.686 kWh pour la réaction utile proprement dite D'autre part,, le pouvoir calorifique des gaz de réaction qui se forment représente, également rapporté à la tonne de fonte et après conversion, 1965 kWh.
Le facteur déterminant est représenté ici par le fait que le ni- veau de température de la réduction se situe, dans ce casau dessous de celui de la zone de combustion, de sorte que de l'énergie de la combustion peut être apportée directement au processus de réduction.
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Un four de réduction électrique produisant du ferrosilioium a 75 % nécessite théoriquement pour 1.000 Kg de ce produit,une énergie réductrice correspondant à environ 5 millions de kcal, essentiellement sous la forme électrique. En regard de ceci, on effectue de nos jours,
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dans des foyers ouverts la transformation inutile ci-aprèsg toujours rapportée au 10000 kg
Pouvoir calorifique du gaz de réaction CO env.
2.490.000 kcal
Pouvoir calorifique des poussières perdues
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de Si env. 5 0000 koa7 Doncapport d'énergie total à la
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chambre de combustion 075 e000 kcal soit, environ 75 % de l'énergie théoriquement requise pour la réduction.
Ces chiffres ne peuvent représenter qu'un faible aspect des
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possibilités d'éconatie et du domaine d'application de 1-'invention. Il va de soi que le rendement de la récupération de l'énergie calorifique
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dans la chambre de combustion selon 15invention doit être considéré comme en tenant compte des circonstances particulières de telles chambres. Ce- pendant le mode opératoire selon l'invention peut bénéficier de tous les perfectionnements techniques appliqués couramment lors de l'établissement de telles chambres de combustions dans le cas de chaudières à vapeur par exemple, sans qu'il soit nécessaire d'en faire mention spécialement.
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Dans le cas du four de fusion éleotrique!1 on se trouve en outre en présence de la tâche consistant à pouvoir à tout moment, parfaitement observer et travailler le "lit de combustible!! représenté dans ce cas par le cône de mélange inférieur recouvrant la zone de réaction Dans ce but et selon l'inventionsla communication représentée par l'orifice d'admission d'airs entre l'intérieur du four et l'atmosphèresest conformée sciemment
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d'une manière particulière L admission d'air peut, dans ce case être as- surée par le tirage naturel de la cheminéeou par un ventilateur avec ou sans réglage.
Dans les fours de réduction électriques selon l'invention, on
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tirera parti des possibilités de réchauffage d'air qui s 9 oîirent et l'on réalisera des températures de combustion plus élevées dans la chambre de combustion grâce à . 3.r.troduaton de l'air réchauffé. Par exemple, les gaines des électrodes peuvent être refroidies avec de l'air qui sera en- suite introduit dans la chambre de combustion.
La chaleur des produits éva- cués libérés lors du soutirage peut servir en partie à réchauffer l'air comburante Comme des particules provenant de l'évaporation et de la disso-
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ciation sont généralement entraînées avec les vapeurs ou fumées de soutira.ge:! et comme ces particules représentent également des substances chimiques de
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valeur il est ressmmandé selon l'invention de ramener plus spécialement les vapeurs de soutirage vers le four en tant qu'air comburant.
La Fig.1 représente une coupe verticale d'un four triphasé
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selon l'invention j la Fig. 2 est une vue en plan correspondante.
On a représente ici un four symétrique à électrodes en trian- gle. Les fours triphasés à électrodes en lignes ou les fours monophases devront subir des modifications en. conséquence. Dans ces dessins? 1 dé-
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signe la cuve du four;
2, 3 et 4a les électrodes de charbon, e'est-àrdire les électrodes dites de Soderbergo 5 désigne les chemises métalliques qui entourent les électrodes de toute part et qui pénètrent profondément dans la
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zone des gaz de réaction, chemises appartenant aux gaines d9éleotrodes Cel- les-ci comportent a leur extrémité supérieure les dispositifs qui reçoivent le courant de service du transformateur,,qui l'envoient vers le base le long
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des gaines, à 1-' aide de conducteurs métalliques.1J pour le transmettre à l'ex- trémité inférieure des électrodes. Partant de ces extrémités inférieures
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des colonnes de charbon des éleatrodess le courant de service est communi- qué à la zone de réaction 6 située au dessous des électrodes.
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La charge est introduite à l'extrémité supérieure des tubes ou conduits verticaux de chargement 7 et glisse vers le bas dans ceux-ci.
Ces tubes se terminent à leur extrémité inférieure par des goulottes 8 en forme d'entonnoirs, en acier spécial réfractaire. Par conséquent, la chargée en glissant vers le bas sous couche mince dans ces entonnoirs, forme un cône de mélange supérieur autour des électrodes. Partant du point d'étranglement, le plus étroit situé au voisinage des électrodes, la charge tombe librement autour de ces électrodes en formant autour de celle-ci le talus conique inférieur 9. -On obtient ainsi le bi-cône selon l'invention.
Comme les tubes de chargement 7, dont les extrémités infé- rieures 8 présentent la forme d'entonnoirs, traversent la taque 10 du four à joint hermétique et à coulissement et peuvent se déplacer vertica- lement, on a la possibilité de régler la position du bi-cône dans le four par rapport à la sone de réaction 6, et donc l'épaisseur de la couche de ma- tières premières qui recouvre cette zone.
Il en résulte la possibilité, très importante pour la marche du procédé, de régler la sortie des gaz à la surface du cône inférieur 9. La paroi du four présente sur sa périphérie des ouvertures 11 pour l'admission d'air comburante Celles-ci correspon- dent à peu près aux ouvertures que l'on prévoit généralement pour les cham- bres de combustion habituelles des foyers de chaudières et qui permettent d'observer et d'entretenir la chambre de combustion et le lit de combustible.
Conformément à l'invention, ces ouvertures sont disposées de telle façon que l'air comburant détermine au dessus du cône inférieur 9, qui émet des gaz, un espace de flammes qui rayonne de la chaleur vers la face inférieure métal- lique du cône supérieur 8. La quantité et l'orientation de l'air entrant peuvent être modifiées de la manière habituelle. En général,, l'entretien du processus de combustion au-dessous de la voûte 10 du four est conforme aux conditions et méthodes habituelles applicables au foyer d'une chambre de combustion, pour autant que les prescriptions du procédé selon l'invention ne spécifient rien de particulier à ce sujet. La cheminée pour l'évacua- tion des gaz est constituée par un tube 12 situé au centre du four, fixe 1 et 2.
Ce tube se prolonge à l'extérieur par un conduit 13 par exempleg lequel peut éventuellement être horizontal et se raccorder, de la façon connue en soie à un ventilateur non représenté. Afin d'assurer une trais- mission thermique favorable entre la charge introduite également au centre d'une part, et le courant des gaz de combustion qui s'évacuent à contre- courant de la charge, d'autre part, une partie de la charge est introduite, en 14 par exemple.,dans un dispositif transporteur 15 monté à vibrations dans le tube d'évacuation des gaz 13 et qui la dépose dans le tube d'amenée central èt vertical 16, en une couche dont l'épaisseur peut être déterminée par le réglage du mouvement d'avancement.
La charge quitte ce tube en bas, par exemple ici également, en passant par des goulottes métalliques 17 en forme d'entonnoirs et arrive jusqu'aux électrodes.. pour former un bi- cône dans l'axe du four, fig. la L'espace ainsi formé peut être alimenté, à l'aide d'un tube d'amenée spécial, par exemple, en air comburant ou en oxy- gène, qui subiront une transformation selon l'invention, pour être finale- ment évacués.
Ce processus est indiqué dans la fig. 1 d'une manière schémati- que seulement. Une fois modifié d'une façon appropriée, il est tout aussi bien applicable dans les fours précités à électrodes en ligne, où les élec- trodes sont disposées côte à cote. Dans la fig. 2, on a indiqué en pointil- lé, en ce qui concerne l'électrode 2, les directions d'écoulement de l'air pénétrant par les orifices d'admission d'air affectés à cette électrode et qui se dirige vers la cheminée centrale 12 en passant le long du cône supé- rieur.
On constate que le courant d'air ou de gaz de combustion s'écoule le long des organes de support métalliques de la charge, sans entrer en contact direct avec celle-ci? c'est-à-dire, sans les remuero
Dans les fig. 1 et 2, l'indice 18 désigne le trou de coulée pour le produit chaud et liquide sortant du four et 19, un dispositif d'évacua- tion pour les mélanges d'air et de vapeurs de soutirage, qui se forment im- médiatement au dessus du trou de coulée. Vu leur teneur en oxygène réchauf- fé et en produits provenant du four et se présentant sous une forme pulvéri-
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sée, ces mélanges peuvent être ramenés en vue de leur utilisations dans la chambre de combustion:') conformément à l'invention.
Dans la fig.1, 1-'indice 20 désigne un système de refroidis- sement à air prévu, pour la. gaine de l'électrode 3. ce qui suggère l'emploi de cet air réchauffé en vue de la combustion des gaz de réaction selon l'invention.
La figo 3 montre schématiquement un échangeur de chaleur éta- bli sous la forme d'une double hélice et pouvant être utilisé au lieu du tube vertical 16 de la fig.1. L'échangeur 21 se situe tue donc dans l'intérieur de la cheminée tubulaire 12. Cet échangeur est par exemple supporté à son extrémité supérieure par un système vibrateur 22 solidaire du bâtiment. Par suite des oscillations produites par le vibrateur, la charge glisse vers le bas le long d'un trajet hélicoïdal 23, en formant une couche d'épaisseur réglable,, pour aboutir à l'entonnoir de déversement 17.
Lors de ce trajet, les produits gazeux qui se dégagent de la chargée peuvent aisément refluer vers le haute Les gaz'de fumée sont évacués,, jusqu'à leur sortie du fours par l'hélice 24, où ils sont séparés par une cloison métal- lique de la charge, à laquelle ils cèdent cependant leur chaleur
La fig. 4 représente la manière, conforme à l'invention, dont les gaz de fumée et la charge peuvent être dirigés côte à côte et à contre- courant dans le canal horizontal d'évacuation de gaz 13.
Les gaz de fumée montent dans la cheminée 12 et quittent celle-ci par le prolongement latéral horizontal 13,au bout duquel ils sont déviés vers le haut, par exemple. La charge venant de la trémie-magasin 29 glisse par le couloir 28 pour tomber sur un transporteur 25 suspendu à vibrations en 26 à l'in- térieur du tube d'évacuation des gaz L3 et entraîné dans un mouvement vibratoire par le mécanisme à impulsions 27. La charge se déplace sur le transporteur en une couche variable avec la nature des vibrations, pour atteindre l'extrémité opposée du transporteur,d'où elle tombe dans le canal de mélange vertical 16, pour pénétrer ensuite en 17 dans le four pro- prement dite en formant un double cône.
Les vapeurs qui se dégagent de la charge dans le transporteur 25 sous l'influence du chauffages se dirigent vers le haut, dans la direc- tion de la flèche en passant par 1-'espace 30 du transporteur à vibrations, pour s'évacuer à l'extérieur par le conduit fixe 31.
Les Figo 1 - 4 montrent uniquement des applications de prin- cipe de l'invention.9 pratiquées à l'aide de fours fonctionnant conformé- ment à celles-ci sans prétendre épuiser l'ensemble des possibilités tech- niques de détail qui soffrent grâce à cette invention.
REVENDICATIONS
1.- Procédé d'utilisation du pouvoir calorifique des gaz de ré- action développés dans des fours de réduction électriques fermés en vue de la préparation de la charge caractérisé en ce que les électrodes sont . entourées d'un bi-cône de déversement formé par le mélange réactionnel se dirigeant vers le 'baset en ce que l'air comburant est introduit d'une manière réglable dans l'angle d'étranglement du bi-cône de façon que l'o- xygène de l'air? n-attaque pas le carbone du mélange ou de l'électrode.
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METHOD OF USING THE HEATING POWER OF THE REACTION GASES
DEVELOPED IN DFS CLOSED ELECTRIC REDUCTION OVENS.
The invention relates to a method of using the calorific value of the reaction gases in closed electric reduction furnaces for the pre-treatment of the raw materials, that is to say the feed, by combustion. regulated in a new way, the reaction gases, directly above the hearth of the oven.
The reaction gases which escape from the furnace in the reduction processes carried out in electric furnaces have a high calorific value in the form of the reaction gases themselves and obtained in the hot state (generally CO),
as well as in the form of the heat of combustion of entrained quantities of silicon carbon dioxide or other metal dust which has undergone the reducing treatment. In the process of the carbide furnace, for example, the energy necessary for the production of the actual carbide, energy related to the kilogram of pure carbide and which is generally represented by electricity, amounts to 1687 Kcal.
By comparison, one consumes practically about 4.37 kilowatt-hours, that is to say 3750 "
On the other hand and always referring to the kilogram of pu carbide,
the open hearth lets escape in loss for example 1955 "namely
Calorific value of the reaction gases proper 1352 "
Calorific value of carbon dioxide 603 "
These quantities of Energy which escape the hearth and which represent important values in relation to the overall economy, generally represent today a dead loss.
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LJ} éq'.1i-vent of the heat of combustion is even neutralized by the fact that one sucks above the hearth an excess of air of 20 to 50 do "this quantity of air serving to evacuate the heat in question. The maintenance tasks of the furnace team are thus facilitated. In addition, an attempt has been made to incorporate duct systems in the furnace: water-cooled, draining at least part of the gases through them. reaction and burn them at a point away from the furnace team. Then this mass of gas, for example two-thirds of the total quantity was cooled by
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outside the oven., free of dust and directed to the points of use located outside the oven.
This inevitably had the effect of reducing the enthalpy of the gas and the calorific value of the dust thereof and therefore making the latter poorer in energy. In addition, the price paid by consumers of this gas was incomparably lower than that paid for the same number of calories by the operators of the furnace in the form of electrical energy.
For this reason, attempts have been made for a long time to use these gases for heating the load in the furnace by ensuring that the resulting flames bray in any place and without adjustment, for example, so as to heat the mixing hoppers. savings so insignificant that these solutions have not been implemented in practice. It has now been proposed to provide such furnaces with a cover in the form of a boiler and to use the heat of combustion.
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developed under this boiler is the generation of steam that can be used industrially.
These suggestions did not take into account the fact that, in view of the insufficiently regulated admission of air on the one hand, and of the mixture on the other hand, a harmful chemical reaction was established between these two elements.
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ble, and that, that way.)! 9 the inlet a ,: dangerously attacked the carbon of the charge and more especially that of the electrodes that also in the case of Soderberg electrodes surrounded by t81eo jackets In addition, the steam can only rarely be used directly for the operation of an oven.
Its transformation into electrical energy subsequently results in the loss of 3/4 of the waste heat recovered at the cost of so much trouble.
The processes aiming to seal off such doors in a somewhat hermetic manner and to enhance, outside the furnace, the overall quantity of gas developed are inevitably made uneconomical because of their depreciation mentioned above and due to the purification, as well as by the loss in value that they suffer when they are delivered to an external consumer.
In a large number of furnace processes the temperature reductions and the irregularity of the process run are so great that
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such ovens can only be operated at the cost of special precautions, for example by using carefully sieved loads and therefore no longer coffee. Despite these measures, we do not.
In these processes, disruptions which are sometimes serious in consequence have not been avoided in these processes, but no recourse has been had to the hermetic sealing of the furnace, thus acquiring the possibility of proceeding at any time to an adjustment of the actual rate. of the process
Contrary to these known methods, the invention follows a completely different path. It starts from the observation that it is necessary to always precisely monitor the progress of the oven and to act immediately on it as soon as irregularities occur. It is therefore necessary to ensure a constantly open communication between the exterior atmosphere and the interior space, generator of gas in the furnace.
On the other hand, the considerable quantity of energy of the reaction gases and of the dust contained in them must be transformed into heat directly above the hearth, in such a way that this heat recovery directly benefits the load and replaces a significant amount of expensive electrical energy The carbon dioxide must in this case be burned or gasified directly above the hearth and it is necessary to prevent it from escaping in waste as dust towards more areas. cold or in the air
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free.
However, special care should be taken to ensure that this
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oxidation phenomena concern exclusively the lost reaction gases and the dust contained therein, but not the intake air or the carbonic acid developed and the carbon of the load or that of the electrode. The faster flow rate, which occurs in particular areas of the interior space of the furnace, must not have the effect of
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the effect of stripping therefrom an additional quantity of fine particles of mixture; on the contrary.\! an effort must be made to conduct the charge outside the gas stream in such a way that it is also possible to work with fine gauges.
These are generally less expensive and
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moreover, they increase the efficiency of heat transmission and improve the useful physicochemical effects of heat recovery, thus contributing to a rapid and economical operation of the process according to the invention.
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To this end, the élee.tB'edes according to the invention are surrounded by a. bi-cone which forms automatically like an hourglass. The raw material charge slides down along a refractory steel funnel which surrounds the electrodes fully or partially,
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the charge moving towards the electrode in a thin layer and as it is consumed. ') so as to form an upper cone for
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From a constriction point, form a lower cone that diverges downwards.
Consequently, this lower mixing tube covers, at an adjustable height and thickness, the actual reaction zone which is located below the electrodes. The rising gases therefore encounter a uniform obstacle under the aspeet of the cone of lower mixture and escape along the outer pair thereof., in an equal current, ';
towards the interior of the oven. According to the invention, the combustion air is drawn in radially from the outside towards this pre-
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cis of 1-interior space of the furnace, c9 is = to say between the two cones of the mixture formed around the electrodexes9 in such a way that a flame space of determined shape is established This flame space is separated from the surface of the lower mixing cone by the layer of ascending reaction gases On the other hand: it is in contact with heat transfer with the metal funnel on which the upper mixing cone rests but does not enter in contact with the load itself.
The temperature of the combustion chamber which is located, as indicated above directly above the hearth, is so high that the carbon dioxide particles of the reaction gases immediately gasify there. additional admission
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of pure oxygen at points deteI'1D.iD, Éis so as to regulate the temperature. According to the invention, the flow of the combustion gases from one party and that of the charge which slides down towards the reaction chamber, on the other hand is designed so that the two streams do not "collide" with each other.
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mechanically but brush against each other so that the fine particles of the charges are not entrained by the gas stream.
According to the invention, the upper part of the furnace is closed off with a cover. This constitutes the upper limit of the combustion chamber and is generally established according to the known principles of the radiating surfaces of the combustion chambers. combustion, so that it absorbs as little heat as possible and reflects it towards the combustion chamber and against the upper o8ne of the load.
The cover is also crossed by the electrode sheaths mounted therein with hermetic and sliding seal to allow adjustment.
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of the electric power abc # open as well as by the supply organs from there loaded this in such a way that by "modifying the height position of the funnel or of the strangulation of the bic5ns3 one can modify the covering of the reaction zone and the reaction gas outlet ,, but also the position of the upper cone absorbing the heat with respect to the
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furnace or to the air intake system Ci The evacuation of gases is ensured by a chimney arranged symmetrically. In current furnaces, three-phase this chimney is generally located in the axis of the furnace -.
in in-line electrode furnaces, it
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is for example in the middle between each pair of electrodes. According to the invention, these chimneys are characterized in that the charge descends towards the furnace via these chimneys in channels separated by metal partitions from the flow of combustion gas ascending in these same chimneys.
The charge absorbs heat from the exhaust gases but is not directly licked or partially drawn towards the outlet by them. As the invention aims to transfer relatively large amounts of energy to the load using the available space and path, this counter-current between the exhausted flue gases and the tank is extended as much as possible. In this way, for example, in a horizontal gas exhaust channel, there is provided an internal transport system controlled by vibrations, a conveyor screw, a rotating conveyor tube, etc.
According to the invention this heat exchange in the vertical part of the chimney is notably reinforced by the provision of a particular elongated path of the charge and of the gases in the form of a double helix made of refractory sheet. The two media penetrate into the furnace or leave it by crossing this double helix in counter-current.
In all these devices for bringing the charge into the range of action of the combustion gases, the invention is particularly aimed at ensuring that, in the application of the operating technique, the effect produced in the charge under The action of the heating is not slowed down, but on the contrary favored by the fact that the gaseous products which form can escape easily and without hindrance. So the charge slides in a thin layer on the upper cones through the zone of influence of the combustion chamber.
In the double helix heat exchanger, as well as in the horizontal conveyor system provided in the interior of the gas channel, the height of the layer, and dpnc the resistance to the flow of gaseous products that develop in the mass of the load, can be influenced by the vibration and kept at a reduced value The invention further aims to keep the temperature drop between the combustion chamber on the one hand and the load on the other hand, at such a high value as possible, in order to rapidly transfer the maximum amount of heat to the load. To this end, and according to the invention, the charge is introduced into the combustion chamber of the furnace in the essentially unprepared state and only undergoes pretreatment there.
Thus, for example for the preparation of carbide, limestone is introduced into the furnace instead of lime. Roasting or calcining operations are carried out in the furnace Instead of coke, raw coal is introduced into the furnace, depending on the circumstances, the distillation or gasification process being in this case carried out in the furnace itself. .
The distillation product which forms in the upper layers of the feed can be discharged from the furnace as such as the coke continues to flow down to the reaction zone of the main process.
When reaction processes which have hitherto been carried out electrically are carried out in accordance with the invention, the effective pretreatment of the charge may be felt in part up to an advanced stage of reduction, in particular. In other words, we obtain - a significant reduction in the consumption of electrical energy. This serves in part only for the ignition and stabilization of the temperature levels of the process while the major fraction of the energy required is provided by the recovery of the reaction gases, according to the invention.
So, for example, an electric smelting furnace, which consumes practically 2,480 kWh per ton of cast iron must employ 1,686 kWh for the actual useful reaction On the other hand, the calorific value of the reaction gases which are formed represents, also reported per ton of cast iron and after conversion, 1965 kWh.
The determining factor is represented here by the fact that the temperature level of the reduction is, in this case, below that of the combustion zone, so that energy from the combustion can be supplied directly to the process. reduction.
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An electric reduction furnace producing 75% ferrosilioium theoretically requires for 1,000 kg of this product, a reducing energy corresponding to approximately 5 million kcal, essentially in the electrical form. In view of this, we perform nowadays,
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in open hearths the unnecessary transformation belowg always referred to 10,000 kg
Calorific value of reaction gas CO approx.
2,490,000 kcal
Calorific value of lost dust
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of Si approx. 5 0000 koa7 So total energy input to the
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combustion chamber 075 e000 kcal or about 75% of the energy theoretically required for reduction.
These figures can only represent a small aspect of the
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possibilities of economy and of the field of application of the invention. It goes without saying that the efficiency of the recovery of heat energy
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in the combustion chamber according to the invention must be considered taking into account the special circumstances of such chambers. However, the operating mode according to the invention can benefit from all the technical improvements commonly applied during the establishment of such combustion chambers in the case of steam boilers for example, without it being necessary to mention it. specially.
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In the case of the electric melting furnace! 1 we are also faced with the task of being able at all times, perfectly to observe and work the "fuel bed !! represented in this case by the lower mixing cone covering the reaction zone For this purpose and according to the invention the communication represented by the air inlet port between the interior of the furnace and the atmosphere is consciously formed
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in a particular way The air intake can, in this box be ensured by the natural draft of the chimney or by a fan with or without regulation.
In the electric reduction furnaces according to the invention, it is
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will take advantage of the available air reheating possibilities and will achieve higher combustion temperatures in the combustion chamber thanks to. 3. introduction of heated air. For example, the sheaths of the electrodes can be cooled with air which will then be introduced into the combustion chamber.
The heat of the evacuated products released during drawing off can be used in part to heat the combustion air Like particles from evaporation and dissolution
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ciation are generally entrained with the vapors or fumes of racking. and since these particles also represent chemicals of
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According to the invention, it is recommended that the draw-off vapors more especially be returned to the oven as combustion air.
Fig. 1 shows a vertical section of a three-phase furnace
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according to the invention; FIG. 2 is a corresponding plan view.
Here we show a symmetrical furnace with triangular electrodes. Three-phase in-line electrode furnaces or single-phase furnaces will have to undergo modifications in. result. In these drawings? 1 dice
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sign the oven bowl;
2, 3 and 4a the carbon electrodes, i.e. the so-called Soderbergo electrodes 5 designates the metal jackets which surround the electrodes on all sides and which penetrate deeply into the
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reaction gas zone, jackets belonging to the electrode sheaths These comprise at their upper end the devices which receive the operating current from the transformer, which send it towards the base along
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sheaths, with 1- 'metallic conductors.1J to transmit it to the lower end of the electrodes. From these lower extremities
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from the carbon columns of the electrodes the operating current is communicated to the reaction zone 6 located below the electrodes.
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The load is introduced at the upper end of the vertical loading tubes or conduits 7 and slides down into them.
These tubes end at their lower end with chutes 8 in the form of funnels, made of special refractory steel. Therefore, the charged by sliding down under thin layer in these funnels, forms an upper mixing cone around the electrodes. Starting from the constriction point, the narrowest located in the vicinity of the electrodes, the charge falls freely around these electrodes, forming around the latter the lower conical slope 9. -The bi-cone according to the invention is thus obtained.
As the charging tubes 7, the lower ends 8 of which have the shape of funnels, pass through the plate 10 of the hermetically sealed and sliding furnace and can move vertically, it is possible to adjust the position of the tube. bi-cone in the oven with respect to the reaction zone 6, and therefore the thickness of the layer of raw materials which covers this zone.
This results in the possibility, which is very important for the operation of the process, of regulating the outlet of the gases at the surface of the lower cone 9. The wall of the furnace has openings 11 on its periphery for the combustion air intake. They correspond approximately to the openings which are generally provided for the usual combustion chambers of boiler stoves and which allow the observation and maintenance of the combustion chamber and the fuel bed.
According to the invention, these openings are arranged such that the combustion air determines above the lower cone 9, which emits gases, a flame space which radiates heat towards the metallic underside of the upper cone. 8. The amount and direction of incoming air can be changed in the usual way. In general, the maintenance of the combustion process below the vault 10 of the furnace is in accordance with the usual conditions and methods applicable to the hearth of a combustion chamber, insofar as the requirements of the process according to the invention do not specify. nothing special about it. The chimney for the evacuation of the gases consists of a tube 12 located in the center of the furnace, fixed 1 and 2.
This tube is extended to the outside by a duct 13, for example, which may optionally be horizontal and be connected, in the known silk fashion, to a fan, not shown. In order to ensure a favorable thermal transfer between the charge also introduced in the center on the one hand, and the flow of combustion gases which evacuate against the current of the charge, on the other hand, a part of the charge is introduced, at 14 for example., in a conveyor device 15 mounted with vibrations in the gas discharge tube 13 and which deposits it in the central and vertical supply tube 16, in a layer whose thickness can be determined by the adjustment of the forward movement.
The charge leaves this tube at the bottom, for example here also, passing through metal chutes 17 in the form of funnels and arrives as far as the electrodes .. to form a bi-cone in the axis of the furnace, fig. The space thus formed can be supplied, using a special supply tube, for example, with combustion air or oxygen, which will undergo a transformation according to the invention, in order to be finally evacuated. .
This process is shown in fig. 1 schematically only. Once appropriately modified, it is equally applicable in the above-mentioned in-line electrode furnaces, where the electrodes are arranged side by side. In fig. 2, the directions of flow of the air entering through the air intake openings assigned to this electrode and which goes towards the central chimney have been indicated in dotted lines with regard to electrode 2. 12 passing along the upper cone.
It is observed that the current of air or combustion gas flows along the metal support members of the load, without coming into direct contact with the latter? that is to say, without stirring them
In fig. 1 and 2, the index 18 designates the tap hole for the hot and liquid product leaving the furnace and 19, an evacuation device for the mixtures of air and draw-off vapors, which form immediately. above the taphole. In view of their content of reheated oxygen and of products coming from the oven and presented in a pulverized form.
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Sée, these mixtures can be returned for use in the combustion chamber: ') according to the invention.
In fig.1, numeral 20 denotes an air cooling system provided for the. sheath of the electrode 3, which suggests the use of this heated air for the combustion of the reaction gases according to the invention.
Figo 3 shows schematically a heat exchanger established in the form of a double helix and which can be used instead of the vertical tube 16 of fig.1. The exchanger 21 is therefore located inside the tubular chimney 12. This exchanger is for example supported at its upper end by a vibrator system 22 integral with the building. As a result of the oscillations produced by the vibrator, the load slides down along a helical path 23, forming a layer of adjustable thickness, to end at the discharge funnel 17.
During this journey, the gaseous products which are released from the charge can easily flow back upwards. The smoke gases are evacuated, until they leave the furnace by the propeller 24, where they are separated by a metal partition - lique of the load, to which they nevertheless give up their heat
Fig. 4 shows the way, according to the invention, in which the flue gases and the load can be directed side by side and countercurrently in the horizontal gas discharge channel 13.
The flue gases rise in the chimney 12 and leave it via the horizontal lateral extension 13, at the end of which they are deflected upwards, for example. The load coming from the hopper-magazine 29 slides through the passage 28 to fall on a conveyor 25 suspended by vibrations at 26 inside the gas discharge tube L3 and driven in a vibratory movement by the impulse mechanism. 27. The load moves on the conveyor in a variable layer with the nature of the vibrations, to reach the opposite end of the conveyor, from where it falls into the vertical mixing channel 16, to then enter at 17 in the pro oven. - previously said by forming a double cone.
The vapors which evolve from the charge in the conveyor 25 under the influence of the heaters are directed upwards in the direction of the arrow through the space 30 of the vibration conveyor to be discharged at the bottom. the outside via the fixed duct 31.
Figs 1 - 4 show only applications of the principle of the invention. 9 practiced with the aid of furnaces operating in accordance with them without claiming to exhaust all the technical possibilities of detail which are offered thanks to them. to this invention.
CLAIMS
1.- Method of using the calorific value of the reaction gases developed in closed electric reduction furnaces for the preparation of the charge, characterized in that the electrodes are. surrounded by a bi-discharge cone formed by the reaction mixture heading downwards and in that the combustion air is introduced in an adjustable manner into the throttle angle of the bi-cone so that the air oxygen? does not attack the carbon of the mixture or the electrode.