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La présente invention concerne un brûleur à insufflation perfectionné, particulièrement avantageux lorsqu'il est né- cessaire de réaliser un taux de combustion très élevé, par exemple pour fabriquer du noir de carbone par un procédé qui consiste à faire usage d'une flamme soufflée à grande vitesse et extrêmement turbulente, ainsi qu'il est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2 378 055 du 12 juin 1945.
Le procédé décrit dans ce brevet consiste à projeter un courant violemment turbulent de gaz d'une flamme soufflée, â grande vitesse dans une extrémité d'une chambre oblongue
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he contenant pas d'obstacle, et un ou plusieurs courants d'hydrocarbure gazeux à décomposer pour former le noir de carbone, injectés séparément et avec force dans les gaz bhauds de la flamme soufflée extrêmement turbulente, La flamme soufflée est obtenue de préférence, en refoulant un .mélangé combustible de gaz combustible et d'air par plu- sieurs orifices,-de préférence de section transversale sensiblement constante sur la majeure partie de leur pro- fondeur, et percés dans un bloc de.brûleur d'assez grande épaisseur,
comprise par exemple entre 228 et 304'mm, disposé à l'extrémité d'entrée de la chambre etfaisant.brûler le 'mélange lorsqu'il entre dans la chambre. Un procédé parti- culièrement avantageux de mélange et d'injection du mélange :combustible,dans la chambre consiste à refouler de l'air comprimé par les orifices du brûleur à partir d'une boîte dite à vent entourant l'extrémité d'entrée des orifices du brûleur et à injecter séparément un courant de gaz com- bustible dans chacun des courants d'air à son entrée dans l'orifice du brûleur ou aussitôt après qu'il a traversé l'orifice.
L'invention a pour. objet un appareil perfectionné d'exécution et un procédé perfectionné de misé en train d'une opération telle qu'elle est décrite ci-dessus, ainsi qu'un brûleur perfectionné convenant particulièrement à l'exécution de l'opération, y compris sa mise en train.
Les procédés du type général précité ont été appli- qués avec grand succès à la fabrication de certains types avantageux de noirs de four, et on a obtenu des résultats particulièrement satisfaisants en ce qui concerne la nature et lerendement en noir ainsi obtenu en Injectant le gaz combustible dans les courants d'air comburant au moment où ils passent dans la première portion ou dans la portion moyenne de -l'orifice du brûleur.
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Les grands appareils industriels comportent générale- ment un grand nombre d'orifices de brûleur partant d'une boîte à vent commune et aboutissant dans la chambre de réaction et équipés chacun avec une tuyère ou ajutage dit d'injection faisant arriver le gaz combustible et communi- quant par groupe avec un distributeur commun du gaz combus- tible. Le fonctionnement le plus efficace est généralement obtenu en disposant ces ajutages, en marche normale, à peu près au quart du chemin parcouru dans les orifices du brûleur,en général un peu plus près de leur entrée et en position coaxiale par rapport à ces orifices.
On a constaté qu'on dispose d'une certaine latitude en ce qui concerne la position de l'ajutage par rapport à l'entrée de l'orifice du brûleur; cependant, on réalise le fonctionnement le plus avantageux en ce qui concerne la nature et le rendement du produit en disposant les ajutages dans la position indiquée ci-dessus.
On constate que l'opération précitée s'exécute sans à coups, sans interruptions fréquences, quoiqu'il y ait lieu de régler légèrement de temps en temps la position des ajutages.
Cependant, l'allumage et la mise en train d'un four froid et avant que la face du brûleur et les parois du four soient - chauffés à une température appropriée, donnent lieu à des difficultés considérables. il se produit souvent de petites explosions-qui agitent le four assez violemment et ont tendance à en affaiblir la structure. Il semble qu'étant donné que le four est relativement froid, le mélange comburant qui entre dans le four à grande vitesse fait parcourir au gaz comburant une distance appréciable à partir de la face du bloc du brûleur avant qu'il s'enflamme. La chambre contient en arrière du front de la flamme un volume relativement grand du mélange combustible de gaz combustible et d'air qui
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paraît s'enflammer périodiquement aveo violence.
L'invention a pour objet un procédé et un dispoai- tif d'allumage et de mise en}train d'un four froid, qui per- mettent de remédier aux inconvénients du type précité*
Il a été découvert que si, au moment de la mise en train d'un four froid, on injecte le gaz combustible dans les courants d'air en un point voisin de l'extrémité de sortie des orifices du bloc du brûleur, on remédie complètement à cette difficulté. On constate que dans ces conditions le front de la'flamme se trouve à une assez grande'distance en aval'de la face du bloc du brûleur, comme lorsqu'on met le four entrain en disposant les ajutages dans leur 'position dé fonctionnement normale, sans que cependant les =explosions précitées sè produisent.
En se basant sur ces ibservations pour mettre en train un four froid suivant l'invention,on fait avancer les ajutages d'injection du gaz combustible à partir de. leur position de fonctionnement normale dans une position si tuée' au moins à mi-distance des extrémités des orifices et généralement dans une position coïncidant à peu près avec l'extrémité de sortie -des orifices, jusqu'à ce que la face du bloc du brûleur soit chauffée à une température supérieure à la température d'allumage du mélange combustible puis on fait revenir en arrière, de préférence progressivement, les ajutages d'injection dans les orifices du bloc du brûleur, en rapprochant ainsi la flamme. de la face de ce bloc.
Une fois les ajutages d'injection revenus dans leur position de fonctionnement normale, l'opération normale commence*
On obtient suivant l'invention la sécurité et la commodité de fonctionnement d'un brûleur du type à aspira- tion avec le rendement d'un brûleur du type à mélange
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préalable d'air et de gaz, et le brûleur à insufflation de l'invention fonction-ne dans des conditions efficaces sous des chargea comprises entre des limites étendues et avec des proportions d'air et de gaz qu'on n'a pas encore pu obtenir jusqu'à présent.
En faisant avancer suivant l'invention les ajutages d'injection dans leur position de mise en train, il est né- cessire d'éviter de contrarier le courant d'air passent dans les orifices du bloc du brûleur. Le brûleur de l'in- vention comporte une tête perfectionnée qui permet d'exécuter l'opération de mise en train, ainsi que de faire fonctionner le four dans les conditions de marche normale- Le diamètre des ajutages d'injection de l'appareil selon l'invention est sensiblement plus petit que le diamètre minimum des orificesdu bloc du brûleur, et ces ajutages communiquent aveo un distributeur de gaz combustible par des tuyaux ou conduites rigides analogues, d'une longueur sensiblement'plus grande que la profondeur du bloc du brûleur,
de façon à permettre de les faire avancer dans les orifices du bloc dans une position voisine de l'extrémité de sortie sans gêner le distributeur de gaz combustible par le courant d'air venant de la boite à vent ,et arrivant dans les orifices*
Les ajutages et leurs tuyaux de communication sont supportés de préférence seulement par le distributeur de gaz combustible, bien qu'on puisse prévoir des supports additionnels pourvu qu'ils ne gênent pas le libre passage du courant d'air arrivant dans les orifices. Le distributeur de gaz combustible est disposé de préférence dans la boîte à vent'et est construit et disposé de façon à pouvoir venir en avant et en arrière dans la boite à vent pour régler la position des ajutages.
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Le diamètre des orifices du bloo du brûleur ne doit pas dépasser 50 mm et est compris de préférence entre 25 et
41 mm de diamètre intérieur. La longueur des orifices doit être au moins égale à quatre fois leur diamètre et de pré- férenoe cinq à douze fois ce diamètre L'extrémité de sortie des orifices peut être légèrement évasée pour diminuer .légèrement la vitesse au point de combustion, mais il est avantageux qu'une proportion d'au moins 50% de la face du bloo soit formée par une surface plane. La longueur des orifices doit être au moins égale à 100 mm.
Le diamètre global des ajutages ne doit pas dépasser la moitié de celui des orifices du brûleur, leur diamètre intérieur'doit être compris entre environ 3,1 et 3,9 mm et ils doivent être construits de façon à projeter un cône gazeux de gaz combustible d'un angle au sommet inférieur à 30 et de préférence compris entre 10 et 20
Le brûleur à insufflation de l'invention ne doit pas être confondu aveo les brûleurs du type à aspiration qui* pro jettent un courant de combustible dans et à travers un orifice d'entrée d'air,généralement évasé ou en forme de cloche, communiquant avec l'atmosphère à son extrémité d'entrée et par lequel le courant de combustible aspire la quantité d'air nécessaire à la combustion.
On sait que dans ces brûleurs le rendement de l'aspiration et du mélange est fonction de la position de là tuyère d'arrivée du combustible par rapport à l'orifice d' en trée d'air.
L'invention concerne des perfectionnements à des brû- leurs d'un type complètement différent, dans lequel l'air comburant est refoulé par l'intermédiaire d'une boîte à vent sous une pression supérieure à la pression a tmosphérique, in- dépendamment de l'aspiration exercée par le courant de combustible.
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L'invention est déorite en détail ci-après en tant que , s'appliquant à un appareil comportant trois rangées d'aju- tages d'injection réglables séparément, mais il doit être bien entendu qui'elle n'est pas limitée à cette application et qu'elle s'applique d'une manière générale aux tâtes de brûleurs à insufflation à grande vitesse comportant plusieurs orifices de brûleurs.
Sur les dessins ci-joints, qui représentent une forme de réalisation de l'invention particulièrement avantageuse: la fig 1 est une coupe verticale longitudinale partielle, plus ou moins schématique, d'un four de fabrica- tion de noir de carbone de section rectangulaire et compor- tant une 'tête de brûleur à Insufflation à 39 orifices, la fig. 2 est une coupe verticale à échelle un peu plus grande de la tête de brûleur de la fig 1, suivant la ligne 2-2 de la fig. 3, , la fig. 3 est une vue en bout à plus grande échelle de la tête de brûleur observée dans la direction du four, la fig. 4 est une vue en bout de détail à plus grande échelle du distributeur de gaz combustible, la fig. 5 est une élévation latérale du distributeur de la fig.
4, la fige 6 est une vue en plan du distributeur de la fige 4, la fige 7 est une coupe verticale partielle suivant la ligne 7-7 de la fig. 8 d'une variante de la tête de brûleur comportant un dispositif d'injection du gaz de préparation dans le four, et la fige 8 est une vue en bout du bloo du brûleur de la fige 7, observé à partir de l'extrémité du four,
Suivant la fig. 1, l'appareil comporte une chambre de combustion 1 du four de forme rectangulaire, oblongue dans la sens horizontal, garnie d'un revêtement de briques
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réfraotaires 2. Deux couches extérieures en matière iso- lante 3 et 4 entourent la couche de briques réfractaires 2 et le tout est enfermé dans une enveloppe 5 en tôle métalli- que.
La tête de brûleur à insufflation 6, représentée en détail sur la fige 2, est disposée à l'extrémité antérieure de la chambre l, le bloc du brûleur 7 de la tête 6 ayant , la même surfaoe que la surface .transversale de la chambre et ses dimensionsétant choisies de façon à pouvoir le faire coulisser dans l'extrémité antérieure de la chambre 1, dans laquelle il forme un joint étanche de la manière 'habituelle*
Lors du fonctionnement, on fait passer un mélange de gaz combustible et d'air à grande vitesse dans l'extré- mité d'entrée de la chambre 1 de la manière décrite en détail plus loin; il s'y allume et brûle en y formant une flamme soufflée violemment turbulente.
On fait passer l'hydre 'carbure à décomposer pour former le noir de carbone, appelé gazde préparation, provenant d'une source appropriée et sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, dans un distributeur 8 qui communique avec l'intérieur de la chambre 1 par plusieurs tuyaux 9 qui y pénétrent à travers les parois du four.
Le gaz de fabrication est ainsi refoulé par les tuyaux 9 dans le courant à l'état de turbulence violente des gaz de la flamme soufflée passant dans la chambre, il se mélange rapidement et complètement avec les gaz chauds de la flamme soufflée et se décompose sous l'action de la chaleur contenue dans la flamme*
La longueur de la chambre 1 est assez grande et suffisante pour que le gaz ait le temps de se décomposer, par exemple de 1,82 à 3,0 m, elle est dépourvue d'obstacles et ses dimensions transversales sont sensiblement constantes sur toute sa longueur.
Le mélange ainsi obtenu des gaz de la flamme soufflée, du gaz de fabrication et de ses produits de décomposition continue à passer dans la chambre à grande
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@ et forte turbulence, puis arrive dans une chambre dans laquelle il se refroidit sous l'action d'un ou plu- sieurs dispositifs d'arrosage, tels que 11,, puis passe dans une installation de séparation (non représentée) dans laquelle on recueille le noir de carbone à partir des gaz sortant du four. La chambre 10 est également garnie d'un revêtement en briques réfraotaires 10a et est enfermée dans une enveloppe en tôle métallique 12.
La tête de brûleur 6, représentée en détail sur la fig.2, est fixée sur le four par une plaque an té- rieure métallique 13 qui, de son côté, est fixée sur l'enveloppe métallique 5 du four par des cornières 14.
Le bloc du brûleur 7 est en matière réfractaire ;et est traversé par plusieurs orifices de brûleur 15 sensiblement cylindriques, légèrement évasés à leur extré- mité de sortie, construits et disposés de façon à laisser subsister entre eux une assez grande face 16 du bloc du brûleur. Les orifices du brûleur comportent à leur extré- mité d'entrée des tubes métalliques 17 lestement évasés leur extrémité d'entrée et maintenus en place dans les orifices du brûleur par une plaque métallique 18 sur la- quelle ils sont fixés par exemple par soudure. Les tubes 17 sont aussi cimentés de préférence dans les orifices du brû- leur de façon à former un joint étanche'.
Il doit être bien entendu que lorsqu'il sera question d'orifices des brû- leurs ou du bloc du brûleur, cette expression désigne non seulement les tubes métalliques 17, mais encore les orifices proprement dits 15 qui traversent le bloc.
Les orifices du brûleur débouchent à leur extrê mité d'entrée dans la boite à vent 19. L'air entretenant la combustion est refoulé sous une pression supérieurs à la pression atmosphérique dans l'extrémité d'entrée de la boîte vont par une tubulure d'admission 20 qui se raccorde avec
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une soufflan te ou appareil analogue et un débitmètre (non représentés) au moyen de brides 21. L'air est ainsi refoulé à grande vitesse dans les orifices respectifs-dû brûleur. Pour assurer une répartition plus uniforme de l'air comburant, la boîte à vent contient plusieurs ailettes 22 et des registres de réglage 23 qui dirigent le courant d'air uniformément dans les zones supérieure et inférieure de la boîte à vent.
La boîte à vent contient aussi trois distributeurs 24 de gaz combustible, supportés par des chariots 25 et des rails 26. Une série de tubes 27 se dirigent en aval à partir des distributeurs respectifs-, suivant l'axe des orifices .du brûleur et se terminent chacun à leur extrémité de sortie =par un ajutàge 28. Les 'tubes 27 sont sensiblement plus longs . due les orifices du brûleur, de sorte qu'on peut faire 'avancer les distributeurs-respectifs dans une position dans laquelle les ajutages se trouvent à l'extrémité de. sortie des orifices du brûleur ou à leur voisinage, sans que les distributeurs contrarient sensiblement le courant arrivant dans les orifices du brûleur et y passant.
Les. distributeurs 24 peuvent rouler librement en avant et en arrière sur les rails 26 au moyen des chariots 25 qui sont équipés avec des galets à gorge 29, tout en restant horizontaux et sans subir aucune torsion -susceptible de les désaxer par rapport aux orifices du brûleur . Les tubes 27 doivent être assez rigides pour ne pas s'affaisser ni se désaxer par rapport- à l'axe des orifices du brûleur.
¯. Chacun. des distributeurs se rapoorde à un tuyau 30 d'arrivée du gaz combustible, qui se dirige en arrière en passant à travers les ailettes et la paroi postérieure de la boîte à vent dans un presse-garniture 31. De préfé- rence, le tuyau 30 comporte en dehors de la boite à vent une graduation qui, en coopération avec un repère 32, permet de déterminer facilement la position des ajutages par rapport
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aux orifices du brûleur. L'extrémité d'entrée du tuyau 30 se raccorde à une source de.gaz combustible sous pression par un tuyau flexible 33 qui permet de faire aller et venir le tuyau 30.
Chacun des distributeurs 24 comporte aussi une tige 34 'dirigée en arrière et permettant de régler la position des distributeurs. De préférence, les tiges 34 comportent un filetage 35 passant dans un élément fileté complémentaire 36 et elles sont munies de volants à main 37 qui permettent de les faire tourner. L'extrémité intérieure de la tige 34 est ainsi accouplée avec un raccord 38, lui-même réuni à un bras 39 fixé sur le distributeur, par exemple par sou- dure
Les registres 23 sont supportés par des arbres 40 'qu'on peut faire tourner au moyen de volants à main 41 (fig.S) pour régler la position des registres.
On accède facilement à l'intérieur de la boite à vent en démontant son extrémité d'entrée fixée sous forme amovible, par exemple par des brides 42 sur le reste de la boite à vent. L'ensemble de la boite à vent est fixée sous forme amovible sur la plaque antérieure du four par des brides 43 qui supportent aussi la plaque 18.
Suivant la varian te de la tête du brûleur des fig. 7 et
8, le gaz de fabrication est injecté dans le four par des tuyaux d'injection 44 qui traversent le bloc du brûleur et arrivent dans la chambre du four dans une direction parallèle à celle des orifices du brûleur. Les tuyaux 44 sont disposés été préférence de façon à être entourés par les orifices du brûleur (fig. 8), de sorte que le courant injecté de gaz de fabrication est entouré par une gaine sensiblement uniforme de flammes soufflées.
Les tuyaux 44 doivent être en matière réfractaire et sont montés de préférence dans le bloc du brûleur de façon à y recevoir un mouvement en avant et en arrière et à pouvoir régler ainsi la position de leur
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extrémité de sortie par rapport à la face du bloc du brû- , leur, Les extrémités d'entréedes tuyaux 44 se raccordent par d,es tuyaux 45 avec le distributeur 46 de gaz de fabrica- tion,également disposé dans la boîte à vent et communi- quant par un tuyau 47 avec une source de gaz de fabrication sous pression. Les tuyaux 44 et 45 sont réunis de préférence par un accouplement à coulisse qui permet de régler la posi- tion des premiers,.
Les autres éléments de la tête du brûleur de la fige 7 sont à peu près identiques à ceux de la fig. 2 et sont .désignés par les mânes références.
Les dispositifs à ailettes et registres représentés' peuvent être remplacés par d'autres dispositifs connus des- tinés à assurer une répartition uniforme de l'air dans la boîte à vent, par exemple des chicanes ou des plaques perforées. Quoiqu'un dispositif de cette nature soit avan- tageux en particulier dans des installations de grandes dimensions qui comportent plusieurs orifices de brûleur, on peut parfois le supprimer, surtout dans des installations de dimensions' moindres.
De même, d'autres dispositifs peuvent servir à suppor.. ter les distributeurs du gaz combustible. Cependant, il est avantageux qu'ils soient supportés sous forme rigide,, quoi- que réglable, pour maintenir les ajutages aveo précision dans l'axe des orifices du brûleur.
Il n'est pas non plus nécessaire d'évaser les orifi- ces du brûleur à leurs extrémités, ainsi qu'il est représenté.
Mais il est important qu'ils soient assez longa et avan- tageux que leur section soit constante sur la majeure partie de leur. longueur.
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Une autre caractéristique très avantageuse de la tête du brûleur de l'invention' consiste à disposer ses orifices de façon à laisser subsister une surface relativement plane d'assez grande étendue sur la face de sortie du bloo du brûleur, généralement d'au moins 50% environ, ainsi qu'il a déjà été dit. Le brûleur de l'invention convient particu- lièrement à de très grandes vitesses dans les orifices du brûleur et on a constaté qu'on obtient une flamme beaucoup constante et régulière en marche normale en laissant suls- sister une surface plane étendue entré les extrémités de sor- tie des orifices du brûleur.
Pour mettre en train un four froid, suivant l'inven- tion, on fait avanoer les distributeurs de gaz combustible ;'dans une position dans laquelle les ajutages 28 se trouvent à l'extrémité de -sortie des orifices du brûleur ou à son 'voisinage, et au moins au-delà de la moitié de leur lon- gueur. On arrive à ce résultat en faisant tourner les vo- lants à main 37, la position des ajutages étant indiquée par l'échelle graduée du tuyau 30. L'air est refoulé sous pression dans la boîte à vent par la tubulure d'entrée 20 et 'le gaz combustible arrive sous pression par le tuyau 30 dans les distributeurs 24.
On allume le mélange comburant arrivant dans la chambre du four par les orifices du brûleur par un dispositif habituel (non représenté) et il brûle pendant que les ajutages sont en position avancée, jusqu'à ce que les parois du four et la fa ce du bloo du brûleur soient chauffées à haute température.
Une fois le four chauffé à haute température, on fait revenir en arrière les distributeurs et les ajutages qui y sont fixés, de préférence très progressivement, jusqu'à ce que les flammes sortant par les orifices du brûleur soient revenues en contact avec la face du bloo du brûleur. fine fois le réglage des flammes ainsi réalisé, on injecte le gaz de fabrication dans la chambre par les tuyaux d'injeo-
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tion 9 de la fig. 1 ou 44 de la fig. 7 il se mélange rapidement avec les gaz chauds, à l'état de très forte turbulence, des flammes soufflées et se décompose en formant le noir de carbone.
On a constaté-'que le four à insufflation décrit ci-des- sus est susceptible de fonctionner sans à coups et d'une manière efficace'avec un débit choisi de façon à dégager jusqu'à environ 30 millions de calories au moins par heure
3 , .. et par m. du volume de la chambre de combustion Même en faisant fonctionner le four avec un débit aussi grand, la position des ajutages n'a pas une valeur extrêmement cri- tique, mais elle doit être réglée de façon à réaliser un mé- lange préalable aussi efficace que possible de l'air et du .gaz combustible passant'par les orifices du brûleur. Le rapport entre la vitesse du gaz combustible et la vitesse de l'air dans la section réduite des orifices du brûleur est de préférence d'environ 6 : 1, la vitesse de l'air . étant d'environ 24 à 30 m par seconde.
Si l'on désire faire fonctionner le four avec un débit aussi considérable, le diamètre des orifices du brûleur ne doit pas dépasser environ 25 à 41 mm et les orifices doivent être répartis sur la face du bloc du brûleur de façon à laisser subsister une surface plane étendue sur cette face entre et autour de l'extrémité de sortie des orifices du brûleur, de préférence égale ou supérieure à 50% de la surface totale du bloc. De préférence, cette surface plane est légèrement rugueuse et poreuse. On a constaté que les conditions précitées contribuent notable- ment à.. retenir le front des flammes contre la face du bloc du brûleur lorsque le four fonctionne à pleine charge.
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L'invention permet aussi de régler la position des , ajutages pendant la marche normale du four. En général, pendant la marche normale, les ajutages se trouvent à l'entrée des orifices du brûleur ou au voisinage de cette entrée, mais pas à une distance de cette entrée supérieure à la moitié environ de la longueur des orifices. On dispose d'une certaine latitude à cet égard, ainsi qu'il a déjé été dit, mais en marche normale de production du noir de car- bone par le procédé décrit ci-dessus, les ajutages n'oc- cupent que rarement, sinon jamais, une posi tion située au-delà de la moitié de la longueur des orifices du brûleur.
L'invention a été décrite en tant que .s'appliquant à 'une tête de brûleur à utiliser dans un four de section rectangulaire, mais il doit être bien entendu qu'elle s'applique facilement à des têtes de brûleurs de fours de 'section circulaire et que ces brûleurs doivent être , considérés comme en faisant partie.
De plus, quoique le brûleur perfectionné de l'inven- tion ait été. décrit en tant que s'appliquant particuliè- rement à la production du noir de carbone, il doit être bien entendu qu'il n'est pas limité à cette application.