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BREVET BELGE Appareil pour la réalisation de réactions chimiques dans un courant de réactifs gazeux.
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La présente invention concerne les appareils pour la réalisation de réactions chimiques dans un courant de réactifs gazeux et, essentiellement, pour la combustion des constituants entrant dans la composition de mélanges gazeux à bas pouvoir calorifique, notamment pour unités à turbine à gaz.
On connaît déjà des appareils pour la combustion des constituants entrant dans la composition de mélanges gazeux à bas pouvoir calorifique. Ces appareils reposent sur l'un des doux principes suivants: élévation du niveau de température de la combustion (on sait en effet que le niveau de température in- fluence très fortement la vitesse de la majorité des réactions chimiques) ou utilisation de catalyseurs.
On peut citer comme exemple de dispositif connu fonc- tionnant selon le principe de l'élévation du niveau de température, la chambre de combustion d'une unité à turbine à gaz utilisant la méthane qui se dégage dans les mines de charbon. Ladite chambre, destinée à brûler le méthane mélangé à l'air d'aération des mines de charbon, constitue un récupérateur fixe à corps de remplissage céramiques comprenant deux colonnes à clapets de dérivation en forme de champignon, munis d'une commande pneumatique aux extrémités, côté basses températures des co- lonnes et une chambre de réaction de jonction aux extrémités des colonnes, coté hautes températures.
La chambre fonctionne de la manière suivante. Le mélange de méthane et d'air traverse le clapat approprié, se dirige vers le bas de la colonne et, en remontant, prélève la chaleur sur, les corps de remplissage céramiques. A la sortie de la colonne, la température s'élève jusqu'au niveau requis et le méthane subit une oxydation intensive. Cette oxydation s'a- chève dans la chambre de réaction. Ensuite le gaz chaud des-
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cend par une autre colcnne en cédant sa chaleur aux corps de remplissage céramiques; après un laps de temps, l'une des co- lonnes est refroidie par le gaz froid alors que l'autre colonne est réchauffée par le gaz chaud. A un certain moment, le sens d'écoulement est renversé par l'inversion des clapets et le cycle se renouvelle.
La chambre qui vient d'être décrite présente un grand nombre d'inconvénients dus essentiellement à deux particula- rités de construction: la mise en oeuvre d'un récupérateur fixe fonctionnant par cycles et la présente d'une chambre de réaction séparée. Les renversements périodiques du sens d'écoulement des gaz obligent à utiliser un mécanisme à clapets fonctionnant à hautes températures, qui est peu sûr et compliqué en service, surtout dans les cas où il s'agit de faire passer de grands débits gazeux comme dans une unité à turbine à gaz.
Au moment de l'inversion des clapets, la température du gaz et son débit changent, aussi est-on obligé de prévoir une rampe de dériva- tion du gaz où l'on insère une chambre de combustion du type ordinaire servant à régler la température du processus par admission dans la chambre d'une quantité de combustible complé- mentaire. Le méthane mélangé à l'air qui traverse cette chambre auxiliaire du type ordinaire (à peu près la moitié de son débit total) ne peut être brûlé dans ce mélange et est rejeté dans l'atmosphère, ce qui compromet l'efficience de l'utilisation du méthane des mines.
Le caractère cyclique de la marche du récupérateur explique aussi la baisse du coefficient d'échan- ge enth les produits de la combustion et le gaz froid, étant donné que cette grandeur diminue à mesure que le cycle s'allon- ge, tandis que le mécanisme à clapets, vu les particularités de sa construction ne peut garantir une durée de cycle suffisam- ment courte (c'est-à-dire qu'il ne peut assurer une rapidité
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suffisante des inversions pendant un temps prolongé). Le cycle à période longue, à son tour, exige une masse considé- rable de corps de remplissage accumulateurs de chaleur pour éviter les variations sensibles de la température des gaz et des corps de remplissage pendant le cycle.
L'utilisation d'une chambre séparée contribue à aug- menter considérablement ,Les dimensions de l'unité entière et de la surface d'échange de chaleur avec le milieu ambiant. La structure d'un appareil comportant une chambre séparée avec une unité à turbine à gaz est incommode.
Le but de la présente invention est d'éviter les in- convénients susdits.
La présente invention vise à créer un appareil pour la réalisation de réactions chimiques dans un courant de réac- tifs gazeux, de préférence pour la combustion des.constituants des mélanges gazeux à bas pouvoir calorifique d'unité à tur- bine à gaz, ledit appareil étant compact, fonctionnant en con- tinu, aisément réglable et économique.
Aux termes de l'invention on résout le problème posé en exécutant l'échangeur de chaleur dans l'appareil pour la combustion des constituants de mélanges gazeux à faible pou- voir calorifique, sous la forme d'un récupérateur tournant comportant des corps de remplissage avec conduits pour le passage des gaz.
Il est avantageux de réaliser les corps de remplis- sage du récupérateur sous la forme d'une ceinture au moins, la chambre de réaction devant être constituée par la surface in- terne de cette ceinture. Il est utile d'orienter les conduits de la ceinture vers la chambre de réaction, de préférence dans les directions radiales.
Pour mieux faire comprendre l'invention, cette dernière
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est illustrée par des exemples de réalisation et par des dessins, parmi lesquels: , la fig. 1 représente, le schéma de construction de l'appareil suivant l'invention, vue en coupe verticale; la fig. 2 représente.l'appareil en coupe vue d'en haut; la fig. 3 (a, b. c) donne les exemples do réalisation du bloc de la ceinture de corps de remplissage céramiques; la fig. 4 (a, b, c et d) fournit des exemples d'assom- blage de la ceinture de corps de remplissage céramiques com- posée de blocs isolés; la fig.'5 est une variante de l'appareil suivant la fig. 1 dans le schéma d'une unité à turbine à turbine à gaz;
la fig. 6-a est un diagramme qualitatif de l'évolution des températures des gaz dans la chambre de réaction de l'unité; la fig. 6-b est une vue schématique de l'appareil re- présenté sur les fig. 1 et 2.
Comme le montrent les fig. 1 et 2, l'appareil pour la combustion des constituants de mélanges gazeux à faible pouvoir calorifique contenant un comburant qui ne s'enflamme pas sous les conditions de départ, est dans l'exemple considéré d'unité à turbines à gaz alimentée en air d'aération des mines, un échangeur de chaleur réalisé sous la forme d'un récupérateur tournant 1.
Ce récupérateur tournant 1 comprend le corps 2 et les corps de remplissage à conduits 3 comprenant une cein- ture métallique extérieure 4 et une ceinture céramique inté- rieure 5.-
La surface de la ceinture céramique intérieure 5 des corps de remplissage forme la chambre de réaction A dans laquelle intervient essentiellement la combustion des constituants;
l'oxydation des constituants combustibles peut intervenir partiel-
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lement dans les conduits 3 des corps de remplissage)* La ceinture céramique intérieure 5 des corps de remplissage cot assemblée en blocs perforés 6. Les blocs 6 de la ceinture céramique dos corps de remplissage 5, afin de prévenir leurs déplascements mutuels, sont comprimés par des ressorts refroi- dis à l'air 7. Le corps 2 est muni d'un couvercle extérieur 8 sur lequel vient se fixer le couvercle 9 de la chambre de ré- action A.
Dans la partie inférieure du corps 2 et dans le cou- vercle extérieur 8 sont prévues des pipes 10 et 11 pour l'arrivée do l'air de refroidissement prélevé en aval du compresseur (non représenta sur le dessin) de l'unité à turbine à gaz. La rota- tion du récupérateur 1 est réalisée au moyen d'un plateau cir- culaire 12, relié par l'arbre 13 au mécanisme d'entraînement (non représenté sur le dessin). Pour l'arrivée du combustible de démarrage et du combustible auxiliaire (éventuellement né- cessaire), des collecteurs d'injecteurs 14 sont installés, Pour la traversée des collecteurs d'injecteurs 14 le couvercle 9 et les isolants 15 sont percés de trous 16. Le combustible est admis aux collecteurs d'injecteurs 14 par la tuyauterie 17.
Le couvercle extérieur 8 est rattaché au corps 2 par des gou- jons 18. Sur l'arbre 13 du plateau 12 est prévu le dispositif d'étanchéité'19. L'étanchéité axiale est réalisée par des pans 20 sertis dans le corps 2 (ou dans la bague spéciale). Pour le passage de l'air de refroidissement, le couvercle 9 de la chambre de réaction A, le plateau tournant 12 ainsi que l'iso- lant 15 sont percés de trous 21. Les flèches sur les fig. 1 et 2 représentent le sens de l'écoulement gazeux. Les lettres B et C indiquent respectivement les secteurs d'arrivée et de dé- part du récupérateur (analogues au point de vue usage aux colonnes de récupération du prototype décrit plus haut).
Les fig. 3-a, 3-b et 3-c représentent des exemples d'exécution d'un bloc de ceinture céramique 5 de corps de rem-
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plissage. La fig. 3-a représente un bloc avec ccnduits 3 ra- diaux et des faces cylindriques. Pour faciliter la fabrica- tion, les axes des conduits 3 peuvent être rendus parallèles comme indiqué sur la fig. 3-b. On peut, dans ce même but, réaliser un bloc ayant des faces planes (fig. 3-c). Le bloc peut être monolithe ou assemblé à partir des tubes réfractaires rendus solidaires par du ciment réfractaire.
Les fig. 4-a, 4-b, 4-c et 4-d représentent les versions possibles de montage des blocs céramiques perforés 6 dans la ceinture 5. Les fig. 4-a et 4-b représentent le schéma d'as- semblage de la ceinture céramique 5, exécutée suivant la version des fig. 3-a et 3-b, alors que les fig. 4-c et 4-d montrent sché- matiquement l'assemblage de la ceinture céramique 5, exécutée d'après la version de la fig. 3-c. Pour faciliter l'échange des blocs hors d'usage, ces derniers ne sont réunis entre eux que par frottement mutuel ; augmenter la force de frottement un effort complémentaire est créé en comprimant les blocs avec des ressorts refroidis à l'air 7.
La fig. 5 représente schématiquement une variante de l'appareil suivant la fig. 1 dans une unité à turbine à ga z.
Dans cette version, le récupérateur 1 est logé dans une enveloppe 22 à travers laquelle passe l'air arrivant du compresseur par la pipe 23 (la compresseur n'est paa représenté sur le dessin). Les produits de la combustion sortent dans la turbine (non représentée sur le dessin) par la pipe 24. Les flèches indiquent le sens d'écoulement des gaz.
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Le principe de fonctionnement de l'appareil (fig. 1 et 2) est illustré par le diagramme de la fig. 6 (a et b). Ici, on a porté en ordonnées la température des gaz et on abscisses le chemin parcouru par les gaz à travers l'appareil. Pour plus de clarté, on a représenté de façon schématique sur la fig. 6-b
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l'appareil des fig. 1 et 2. Le sens de l'écoulement gazeux est indiqué par des flèches. L'air sortant du compresseur de l'unité à turbine à gaz 'arrive dans le secteur d'entrée B'du récupérateur 1 (fig. 1 et 2) et sa température dans les con- duits 3 des corps de remplissage monte jusqu'à la valeur à la- quelle les constituants du mélange brûlent rapidement (section ab du diagramme).
Cette température pour les mélanges méthane/ air pauvres est d'environ 800 C (suivant la durée de séjour du mélange combustible dans la chambre de réaction A). La combustion intervient essentiellement dans la chambre de réaction A (section bc du diagramme) et partiellement dans les conduits 3 des corps de remplissage (fig. 1 et 2). La combustion des gaz entraîne une nouvelle élévation de la température du mélange et crée une chute de température indispensable pour le fonctionnement de l'échangeur. Ensuite les produits de combustion arrivent dans le secteur de sortie c ( section cd de la fig. 6a) du récupérateur 1 (fig. 1 et 2) et, en se refroidissant dans les conduits3 des corps de remplissage (fig. 1 et 2), élèvent la température de ces derniers.
La chaleur accumulée au cours de ce stade par les corps de remplissage, grâce à la rotation continue du récupérateur 1, est transmise aux gaz qui arrivent dans la chambre de réaction A. Ainsi,a lieu une récupération continue de la chaleur de combustion des gaz ainsi que du com- bustible auxiliaire.
Pour protéger le métal contre l'action des hautes tem- pératures, une partie du mélange gazeux de départ relativement froid (près de 3% environ du débit global) évite les conduits 3 des corps de remplissage et passe par les pipes 10 et 11 (fig.
1 et 2) et les trous 21 directement dans la chambre de réaction A. Le combustible de démarrage et le combustible auxiliaire (éventuellement n6cessaire) sont admis par les collecteurs re-
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froidie à l'eau des injecteurs 14 dans la chambre de réaction A. Dans ce cas, le champ de températures uniformes est gréé grâce à la disposition et le nombre des injecteurs.
L'appareil décrit pour la combustion des constituants de mélanges gazeux à bas pouvoir calorifique ne présenta pas les inconvénients propres à des appareils analogues avec récupéra- teure à dapets et chambre de réaction séparée.
L'utilisation du récupérateur tournant permet de sa passer du mécanisme à clapets et d'une chambra du type ordinaire fonctionnant en parallèle, étant donné que le transfert de cha- leur est réalisé par déplacement en continu des corps de rem- plissage réchauffés à la rencontre de l'écoulement des gaz froids.
L'ensemble du mélange air/méthane traverse la chambre, et le méthane est utilisé en totalité. La régulation aisée de la vi- tesse de rotation permet d'utiliser des corps de remplissage légers et d'avoir un coefficient d'échange élevé, voisin du théorique. La vitesse de rotation du récupérateur n'est limitée que par la valeur limite du transfert mécanique de la masse des gaz.
L'orientation des conduits des corps de remplissage dans la chambre intérieure de la ceinture des corps de rem- plissage permet d'intégrer le réçupérateur et la chambre de- réaction dans une unité compacte, la zone la plus chaude, la chambre de réaction, étant bien isolée contre les déperditions de chaleur vers le milieu.ambiant.
La mise en oeuvre du métal en tôles dans la zone des corps de remplissage à température relativement basse permet d'en réduire les dimensions et de mettre en oeuvre des dispositifs d'étanchéité simples et fiables,
L'appareil en question est aisément intégrable avec d'autres éléments d'une unité à turbines à gaz comme le montre
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l'exemple de la fig. 5. Grâce au fait que, dans ce cas, le récupérateur est soufflé par un écoulement relativement froid, le procédé d'intégration en question permet de réduire au minimum les déperditions de chaleur et d'utiliser un acier or- dinaire peu onéreux comme matière pour le corps.
L'exécution concrète de la chambre se prête à la rotation du corps ou de certains éléments du corps par rapport aux corps de remplissage fixes. Dans ce cas, tous les avan- tages acquis sont conservés.
Dans certains cas, pour obtenir la température des gaz requise à le. sortie de l'appareil ou pour créer une chute de températures, il peut être nécessaire d'injecter un combustible auxiliaire. Ce combustible peut être admis directement dans la chambre de réaction.
L'appareil en question peut être utilisé non seulement comme chambre de combustion pour unité à turbine à gaz utilisant le méthane contenu dans l'air d'aération des mines, mais encore pour la combustion des constituants de tout mélange gazeux ne s'enflammant pas dans les conditions initiales et contenant un comburant. On peut citer comme exemple, l'utilisation de l'appareil en question pour la. combustion des matières nocives contenues dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, dans les gaz résiduels des fours, des appareils des industries chimiques, etc.
Le réchauffage* de l'appareil froid peut être réalisé non seulement par admission de combustible dans la chambre de réaction, mais par n'importe quel autre procédé, notamment par admission des produits de la combustion d'une chambre de com- bustion auxiliaire dans la chambre de réaction ou à l'entrée de l'appareil au moyen de réchauffeurs électriques.
Dans le cas où l'appareil est utilisé pour l'épuration
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des gaz d'échappement des moteurs à explosion, on peut prévoir l'admission d'une certaine quantité d'air à l'entrée de l'appa- reil fournie par une soufflante séparée.
La mise en oeuvre de l'appareil en question peut fournir des avantages économiques substantiels. C'est ainsi, qu'une unité à turbine à gaz implantée au voisinage d'un siège d'extraction et équipée de la manière décrite de façon à utiliser comme combustible le méthane de mine mélangé à l'air d'aération peut produire de l'énergie électrique en quantités dépassant de plusieurs fois les besoins propres du siège d'extraction et de satisfaire de loin les besoins de ce siège d'extraction et des corons en chaleur pour le chauffage du puits d'extraction et pour les besoins domestiques.
Il est avantageux d'utiliser l'appareil en question pour la mise en oeuvre du "Procédé d'utilisation du méthane des mines comme combustible pour unité à turbine à gaz" suivant notre demande de brevet déposée simultanément avec la présente demande.
REVENDICATIONS 1.- Appareil pour réalisation de réactions chimiques dans un courant de réactifs gazeux, essentiellement pour la com- bustion des constituants de mélanges gazeux à bas pouvoir calori- fique, notamment pour unité à turbine à gaz brûlant le méthane des mines, comprenant un échangeur de chaleur, une chambre de réaction et un système de démarrage, caractérisé en ce que l'échan- geur est réalisé sous forme de récupérateur (1) comportant des corps de remplissage à conduits (3) pour le passage du mélange
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