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L'invention est relative à un procédé et à des dispositifs de com- bustion convenant à la mise en oeuvre de ce procédé, ce dernier comprenant la combustion partielle pour la gazéification d'un combustible (combustion à laquelle l'invention s'applique tout particulièrement) en vue d'obtenir un gaz combustible ; elleconcerne également certains procédés et fours mé- tallurgiques ainsi qu'un procédé et une chambre de combustion pour brûler du combustible afin d'obtenir des produits de combustion gazeux et chauds que l'on peut utiliser par exemple comme fluide actif dans des turbines à gaz et elle peut même s'étendre aux foyers de chaudières à vapeur. L'inven- tion concerne des réactions effectuées à des températures élevées et des ap- pareils convenant à ce sujet.
Pour gagner du temps (en accélérant les réactions), pour réduire les frais, pour améliorer la nature du procédé et pour d'autres raisons, il est souvent désirable de travailler à une température supérieure à 1200 et même,si possible, au-dessus de 2000 . Ainsi, pour obtenir une combustion efficace de certains combustibles et, plus particulièrement, pour faciliter les réactions faiblement exothermiques pour la gazéification de combustibles solides et liquides avec de la vapeur d'eau et des gaz contenant de l'oxy- gène, il est extrêmement important de maintenir les températures au-dessus de 1200 et on obtient généralement un gain continuel dans la vitesse de réaction quand la température augmente jusqu'au moins 1800 .
L'invention a pour but de permettre ces températures élevées tout en évitant un transfert considérable de la chaleur à la paroi de chambre de combustion. Plus la chambre de combustion est petite, plus les pertes dues à ce transfert sont importantes. Pour réduire le transfert, une paroi métallique peut être munie d'un revêtement réfractaire et calorifuge, mais si la réaction produit des scories chaudes, celle-ci attaquent et usent les matières réfractaires par érosion. On ne connaît actuellement aucun produit réfractaire qui résite longtemps à des températures très élevées en combi- naison par exemple avec l'attaque de cendres ou de scories chaudes et liqui- des de charbon.
Des parois métalliques non calorifugées doivent être refroi- dies extérieurement, par exemple refroidies à l'eau, en vue d'éviter le sur- chauffage et la perte de chaleur correspond alors à une proportion considé- rable de la chaleur totale dégagée. Les scories, obtenues à partir du com- bustible, forment une couche sur cette paroi métallique, cette couche étant solide du côté adjacent à la paroi mais à l'état fondu sur sa surface in- terne. Cette couche de scories est un bon calorifuge mais si la température est très élevée, les scories fondues s'écoulent et l'épaisseur de la cou- che reste ainsi généralement inférieure à 7,5 mm. Malgré la faible conduc- tibilité des scories, une telle couche calorifuge très mince permet encore un transfert de la chaleur à un degré très élevé aux parois.
L'invention consiste, d'une manière générale, à maintenir, par un effet centrifuge, une couche épaisse d'une matière calorifuge partiellement fondue comme un revêtement sur les parois de la chambre de combustion. Plus particulièrement et conformément à l'invention, la chambre, qui entoure 1' espace dans lequel a lieu une réaction à température élevée, est rotative et ses parois ont une forme telle qu'elles soient propres à retenir une cou- che épaisse de matières fondues, ladite chambre comprenant des moyens d'en- traînement propres à la faire tourner autour de son axe à une vitesse telle que l'on obtienne la création de la force centrifuge nécessaire à former et à maintenir l'épaisseur voulue de cette couche.
Jusqu'ici, la couche de @ scories avait une épaisseur de quelques millimètres alors que dans le dis- positif, établi selon l'invention, cette épaisseur est de plusieurs centi- mètres, généralement de l'ordre de 30 cm. Il est donc possible de travail- ler à des températures supérieurs à 1200 ou 1500 dans une chambre dont les
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parois portent un revêtement de cendres fondues de charbon, la couche for- mée ayant une épaisseur de l'ordre de 30 cm et sa surface interne étant à l'état de fusion et à une température qui n'est pas beaucoup inférieure à la température de réaction alors que sa surface externe est à l'état solide et à une température comparativement faible.
L'invention consiste, en outreà effectuer une réaction à une tem- pérature élevée dans un espace entouré d'une couche épaisse, qui tourne et est maintenue en place par un effet centrifuge, en une matière calorifuge qui est à l'état fondu tout au moins du côté de sa face interne.
L'expression "chambre de combustion" à été utilisée, pour définir l'invention, pour désigner la cuve dans laquelle la réaction chimique pro- ductrice de chaleur, par exemple une combustion ou une combustion partielle, a lieu= Les scories peuvent être des cendres fondes produites par la combustion du combustible. Toutefois, quand la réaction ne produit aucune matière pro- pre à former une couche calorifuge sur les parois, des cendres ou des galets en une matière réfractaire peuvent être introduits dans la chambre dans laquelle ils sont fondus par la chaleur. Certains procédés, plus spéciale- ment des procédés métallurgiques, par lesquels on n'obtient pas la forma- tion de cendres peuvent néanmoins produire une couche qui se forme sur la paroi et se solidifie partiellement, en vue d'assurer le calorifugeage.
A défaut d'un terme plus adéquat, on a adopté l'expression "scories" pour définir l'invention, cette expression visant n'importe quelle substan- ce, obtenue par la réaction, pour former une couche calorifuge sur les parois ainsi que les scories ou analogues introduites séparément dans la chambre.
Les dessins ci-ànnexés montrent, à titre d'exemple, une construc- tion particulière d'une chambre de combustion rotative à cyclone pour la combustion ou la gazéification de charbon pulvérisé.
Les figures 1 et 2 montrent, respectivement en mi-coupe verticale et en mi-coupe horizontale suivant II-II figure 1, une chambre de combus- tion établie conformément à l'invention.
La figure 3 montre un détail vu suivant la flèche III de la figure 1.
Sur les dessins, la chambre de combustion comprend un cylindre mé- tallique vertical 1 qui est ouvert à la partie centrale de sa paroi supé- rieure, la paroi supérieure la, orientée vers l'intérieur, étant suffisam- ment large pour retenir les scories afin que la couche formée ait l'épais- seur désirée à la partie supérieure (cette épaisseur pouvant être de plu- sieurs centimètres). Le bord interne de la paroi supérieure la comporte un rebord axial 1b. La paroi inférieure 1c avec ouverture centrale (cette paroi pouvant avoir la forme d'un paraboloïde mais étant montrée comme étant ccni- que), du cylindre susdit, a une section transversale allant en diminuant vers son extrémité inférieure. Cette chambre 1, en partie cylindrique et en partie conique, peut tourner autour de son axe.
A cet effet, le cylindre est supporté par un palier de butée radial, avec billes, établi autour de sa face externe, comme décrit en détail ci.-après, Le cylindre 1 est entouré d'une enveloppe extérieure 2 qui supporte le pa- lier. La partie supérieure de l'enveloppe 2 est fermée en partie, excepté aux endroits où se trouvent nécessairement les entrées d'air et de combusti- ble ainsi que la sortie des gaz, par un couvercle supérieur 3, circulaire et fixe, et par une plaque supérieure 4, circulaire, fixe et avec ouverture centrale, Au cylindre 1 sont soudés, en des points répartis le long de sa périphérie, des supports 5, faisant saillie vers l'extérieur et formés par des tôles découpées. Ces supports portent un anneau extérieur 6 formant un
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chemin de roulement du palier.
Des billes 7 sont logées entre l'anneau ex- térieur 6 et le chemin de roulement intérieur 8 pour centrer et supporter la chambre de combustion. Le chemin de roulement intérieur 8 est monté sur un anneau de support 9 fixé sur des consoles 10 logées dans l'enveloppe 2.
Pour faire tourner la chambre, un moteur électrique ou autre 11 entraîne, par un accouplement 12, l'arbre 13 qui pénètre dans l'enveloppe 2 par le presse-étoupe 14 et porte un pignon 15 engrenant avec une couronne dentée 6a fixée autour du cylindre 1. La couronne dentée 6a est montée comme faisant partie intégrante du chemin de roulement extérieur 6.
Un tube de sortie 16 est monté sur la plaque supérieure 4 et est supporté par celle-ci, ce tube 16 traversant la partie centrale de la plaque supérieure 4 et pénétrant à l'intérieur de la chambre de combustion pour servir à l'évacuation des produits gazeux. L'espace, autour du tune 16, forme un passage d'entrée annulaire pour l'air comburant admis par l'entrée 4b (figure 2). Des ailettes 22 sont fixées sur le tube 16 et sont disposées en couronne autour de celui-ci, ces ailettes étant inclinées de manière telle que l'air admis forme un tourbillon, comme visible sur la vue partielle, en dé- veloppement, de la figure 3. Sur le tube 16 est fixé un tube 23, ( de préfé- rence deux tubes 23) qui entoure ledit tube 16 et sert à l'admission de com- bustible véhicule par de l'air.
Chaque tube 23 est également incliné, comme visible sur la figure 3, de manière à constituer une entrée inclinée par la- quelle le combustible est admis en formant un tourbillon. Un joint à laby- rinthe est formé par une chicane cylindrique 4a. portée par la plaque 4 et par une chicane analogue Id fixée sur la paroi supérieure de la chambre 1.
Par une entrée 3a est admis de l'air refroidisseur qui s'écoule dans l'enve- loppe extérieure 2 vers la sortie d'air 2c. La pression d'air dans l'envelop- pe 2 peut être suffisante pour qu'elle empêche toute fuite appréciable dans l'enveloppe par le joint à labyrinthe.
La partie inférieure 2a de l'enveloppe, qui entoure la partie cor- respondante 1c de la chambre 1, a une forme conique. Un tube 17, pour la sortie des scories, est fixé au bord inférieur de la partie lc et un tube enveloppant correspondant 18 est fixé au bord inférieur de la partie infé- rieure 2a de l'enveloppe de manière à former un joint hydraulique en plon- geant dans l'eau contenue dans un collecteur de scories fixe 19, monté sur le bâti 20. On admet que la pression, régnant dans la chambre de combustion, est assez faible pour que le collecteur 19 puisse être ouvert à l'air libre et qu'il ne soit donc pas nécessaire d'avoir recours à un collecteur fermé muni de moyens pour enlever, par pompage, les scories recueillies.
L'enve- loppe 2 et le moteur 11 sont supportés par des montants faisant partie d' une structure portante 21 fixée au bâti 20. Un tube 24 (figure 2) s'étend vers le bas à côté du tube de sortie 16 et permet T'introduction, quand ce- la est nécessaire, de moyens propres à allumer le combustible contenu dans la chambre la
Pendant le fonctionnement, du charbon pulvérisé ou broyé ou tout autre combustible, véhicule par de l'air comprimé, pénètre dans la chambre 1 par les tubes 23 et forme un tourbillon autour de l'axe vertical de la chambre 1. L'alimentation principale d'air comburant se fait dans la cham- bre, suivant un tourbillon orienté dans le même sens, par l'entrée d'air 4b et cet air se mélange au combustible. Le mélange est allumé dans la chambre.
Le courant d'air, dans lequel brûle le combustible, se déplace à l'intérieur de la chambre suivant un tourbillon en spirale vers la sortie centrale for- mée par le tube 16. Les particules de cendres fondues, ainsi formées, sont projetées vers l'extérieur par la force centrifuge et forment une couche S sur les parois du cylindre 1. Cette couche peut être à l'état solide au contact de ces parois mais sa surface interne S1 reste à l'état fondu. Si le
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cylindre 1 était immobile, conformément à la pratique antérieure, la masse totale des scories fondues s'écoulerait vers le fond et tomberait dans le collecteur 19.
En faisant tourner le cylindre 1 à l'aide du moteur 11, con- formément à l'invention, les scories liquides s'étalent par l'effet de la force centrifuge, de la manière bien connue pour un liquide contenu dans un récipient tournant autour d'un axe vertical, en formant ainsi une couche dont la face interne S a la forme d'un paraboloide, La partie intérieure lc retient les scories et permet la formation d'une couche épaisse. Le bord supérieur la, orienté vers l'intérieur, est suffisamment large pour pouvoir retenir les scories afin que la couche S ait l'épaisseur voulue, celle-ci pouvant être de plusieurs centimètres.
Si le diamètre du pourtour interne du bord supérieur la est, par exemple, égal à 90 cm et si la hauteur du paraboloïde doit être de 90 cm, le cylindre 1 doit tourner à une vitesse qui ne dépasse pas de beaucoup un tour par seconde. Ces dimensions, ainsi que celles du cylindre sont choisies de manière telle que la couche ait 1' épaisseur voulue, en concordance avec le calorifugeage que l'on désire ob- tenir. Pour faciliter la formation rapide du diamètre interne nécessaire de l'espace de combustion, des scories fondues, préparées à l'avance, peuvent être versées dans la chambre. De préférence, on munit la chambre 1 d'un re- vêtement initial, en ciment ou toute autre matière réfractaire, dont l'épais- seur est inférieure à l'épaisseur totale désirée.
La couche de scories, qui se forme, peut attaquer cette matière et peut la remplacer graduellement jusqu'à ce que l'épaisseur totale du revêtement soit constituée par des scories. Quand la couche, ayant l'épaisseur voulue, est formée, les scories en excédent et à l'état liquide coulent dans l'eau contenue dans le collec- teur 19 et la vapeur d'eau, ainsi produite, pénètre dans la chambre 1. Dans le cas où la combustion dans la chambre ne forme pas une quantité apprécia- ble de scories, une certaine quantité de matières propres à former dès sco- ries, par exemple des cendres ou galets réfractaires, peut être introduite par l'entrée 4b ou avec le combustible, ces matières fondant en faisant brû- ler une certaine quantité de combustible.
Les particules de scories, ainsi formées, et qui sont assemblées sont projetées par la force centrifuge sur la paroi de la chambre pour constituér la couche épaisse S par suite de la rotation de?la chmabre. Suivant une variante, on peut recouvrir la paroi de la chambre avec du ciment ou tout autre matériau, comme expliqué plus haut, qui fond à la température de combustion. L'air refroidisseur, pénétrant dans l'enveloppe extérieure 2 par l'entrée 3a et tourbillonnant autour de la chambre de combustion, refroidit la face externe de la paroi de la chambre et maintient les paliers froids. L'air passe entre la paroi de la chambre et la paroi 2e, qui l'entoure, vers la sortie 2c.
Une certaine quantité de scories est probablement recueillie dans le tube de sortie 16 en formant une couche ayant une épaisseur comparativement faible mais, de toute façon, l'intérieur de ce tube 16 devient très chaud et sert au transfert de la cha- leur à l'air d'admission, coomparativement froid, qui passe autour de sa face externe.
L'invention n'est nullement limitée à la disposition montrée.
Ainsi, l'agencement peut être tel que les scories en excédent puissent être expulsées, par l'effet de la force centrifuge, hors de la partie supérieure de la chambre de combustion au lieu d'être déchargées par le fond. Les sco- ries peuvent déborder par-dessus le bord supérieur d'une manière continue ou d'une manière intermittente au cours d'une accélération temporaire du cy- lindre rotatif et cela, de préférence, d'une manière telle que les scories projetées par-dessus ce bord, se solidifient en petits morceaux. Ces scories tombent dans un collecteur établi à la partie supérieure de l'enveloppe ex- térieure 2. Quand les scories sont projetées par-dessus la partie supérieure, le fond de la chambre de combustion peut être complètement fermé.
Il se forme
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alors une couche calorifuge épaisse entre l'espace de combustion et le fond de la chambre.
L'invention n'est pas limitée à l'usage d'une chambre à cyclone ou à tourbillon mais peut également être appliquée à une chambre traversée par un courant d'un bout à l'autre. Dans ce cas, le cylindre rotatif verti- cal est ouvert à ses deux extrémités mais comporte à chaque extrémité un bord, orienté vers l'intérieur et tel que la, ce bord ayant une largeur suf- fisante pour que la couche de scories ait l'épaisseur désirée. Le cylindre est supporté par un palier analogue à celui décrit plus haut. L'air et le combustible sont introduits dans la chambre par des entrées ménagées dans une plaque de fond fixe autour de laquelle tourne l'extrémité inférieure du cylindre. Les gaz s'échappent par l'extrémité supérieure et ouverte du cylindre.
Les scories se déposent sur la face interne du cylindre, comme décrit plus haut. L'excédent des scories, provenant de la couche épaisse, peut tomber du fond du cylindre ou peut être projeté, par un effort centri- fuge, par-dessus le bord supérieur du cylindre dans l'enveloppe extérieure pour être recueilli et enlevé de la manière déjà décrite. L'air comburant peut former un tourbillon, ce qui a tendance à projeter les cendres vers l'extérieur sur la paroi de la chambre. Suivant une variante, les entrées d'ai: et de combustible peuvent être ménagées dans la paroi supérieure et la sortie des gaz dans le fond de la chambre.
Il est à noter que cette dernière disposition peut être modifiée de manière telle que la chambre de combustion soit horizontale et tourne autour d'un axe horizontal. Pour que la couche de scories ait un diamètre interne de 60 cm, la vitesse de la chambre doit seulement être de 60 t/m et cette vitesse peut se réduire à 35 t/m seulement dans le cas d'un diamè- tre intérieur de 180 cm.
Pour chacune des dispositions, décrites plus haut, le moteur 11 et le pignon 15 peuvent être supprimés et la chambre de combustion peut tourner par l'effet de l'air d'admission, ou le cas échéantpar celui des gaz sor- tants, agissant sur des ailettes, des aubages de turbine ou analogues, so- lidaires de la chambre rotative,
Il resulte de ce qui précède que les dispositions décrites peuvent être adaptées à l'usage de la chambre pour diverses réactions qui se font à une température élevée et dégagent-de la chaleur.
Ainsi, l'invention peut être appliquée à un procédé à température élevée pour lequel un traitement chimique fait intervenir au moins un produit, qui peut être le produit que l'on désire obtenir par ce procédé, qui est calorifuge et fond à la tempéra- ture de réaction, la couche qui entoure la chambre de combustion étant alors constituée par ce produit.