EP0275859B1 - Réchauffeur de gaz sous pression - Google Patents
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- EP0275859B1 EP0275859B1 EP87870201A EP87870201A EP0275859B1 EP 0275859 B1 EP0275859 B1 EP 0275859B1 EP 87870201 A EP87870201 A EP 87870201A EP 87870201 A EP87870201 A EP 87870201A EP 0275859 B1 EP0275859 B1 EP 0275859B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
- F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
- F27D99/0001—Heating elements or systems
- F27D99/0033—Heating elements or systems using burners
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B9/00—Stoves for heating the blast in blast furnaces
- C21B9/10—Other details, e.g. blast mains
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
- F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
- F27B3/10—Details, accessories, or equipment peculiar to hearth-type furnaces
- F27B3/26—Arrangements of heat-exchange apparatus
-
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
Definitions
- the present invention relates to a device for heating various gaseous fluids such as air, steam, oxygen, reducing gases, blast furnace gas, etc., to very high temperatures, for example 1400-1500 ° C., under pressure up to 40 bar and continuous supply.
- gaseous fluids such as air, steam, oxygen, reducing gases, blast furnace gas, etc.
- This process is based on the principle of the regenerative exchange of gases by alternating and periodic passage of the gases from the heating phase and the gases to be heated (combustion products from associated burners) over a thermal mass, with a short periodicity.
- the device does not have valves operating at high temperature and provides a continuous flow of hot gas.
- the apparatus comprises a vertical reactor (1) whose walls are internally lined with refractory and insulating materials (2) and containing thermal masses (3), for example spheres in alumina or other suitable forms and materials which transfer heat.
- the reactor is equipped with burners (10) (10 ′) placed on either side of the middle zone.
- a hot gas collection pipe (15) connected to the insulated pipe (6) continuously supplying hot gas under pressure.
- Sealed valves (5) (5 ′) (9) (9 ′) (12) (12 ′) (13) (13 ′) allow gas flows at low temperature to be directed or extracted from one or more other of the cold ends of the reactor; they are controlled by a periodic sequence device.
- regulation and measurement devices control the various flows of gas _ gas to be heated, air and combustible gas, combustion gas _ according to a procedure forming part of the invention.
- the heater object of the invention consisting of a single enclosure, comprises means for putting under identical pressure, on the one hand the gas to be heated and on the other on the one hand, the combustion area, means for controlling on the one hand the flow of the gas to be heated and the flow of combustion air, and on the other hand the flow of the burnt gases so as to avoid pollution of the gas to be heated by the burnt gases without using sealing means; in an advantageous mode, the heater is also provided with means for purging the enclosure of residual combustion gases at the time of the reversals, with means for overpressuring the combustion air; in the event of operation under pressure greater than 2 bars, the heater can advantageously be provided with means for expansion of the burnt gases making it possible to recover the energy.
- the system therefore operates under pressure as follows:
- the gas to be heated under pressure (4), at a controlled flow rate, is directed towards one of the ends of the enclosure (1), for example by opening the valve (5 ′), it passes through the thermal mass (3) where it gradually heats up by taking the heat from this mass.
- the hot gas is collected in the peripheral manifold (15) and is transferred to the hot gas pipe (6) and to use.
- the combustion gases leave the enclosure (1) by means of the open valve (13) and are directed towards the chimney via a flow control means and an expansion turbine (14).
- the upper and lower parts of the enclosure (1) are in direct communication with the central part, without separation of the heating and combustion phases by hot valves.
- there is no mixture of heated gas coming from one side of the enclosure with combustion gas coming from the other side thanks to the fact that the flow of burnt gases extracted from the enclosure is controlled. towards the chimney so that the quantity corresponds to that which results from the combustion of gas and air from the burners.
- the circuits are reversed: the gas to be heated is directed to the other end of the enclosure (1) by opening the valve (5) and closing the valve (5 ′ ); likewise, combustion is started with the burners (10 ′) located in the upper middle part of the enclosure by opening (9 ′) and (12 ′) and closing (9) and (12). In addition, the combustion gases are evacuated from the upper side enclosure by opening (13 ′) and closing (13). It is a cyclic system with continuous production of hot gases.
- the internal volume on one side of the enclosure is filled with combustion gases which must be purged to avoid sending this gas, on inversion, to the manifold. hot gas.
- injecting is carried out for a very short time, for example 0.5 to 5 seconds depending on the pressure level, and by a conduit and a valve connected to the burners (10) (10 ′) a certain amount of cold gas to be heated.
- This purge gas thus eliminates, before inversion of the system, the residual burnt gases. In the case of air heating, this procedure is simplified by purging with combustion air, closed burner gas (12 ′) or (12).
- the volume of gas to be heated contained in the upper (or lower) part of the enclosure can be recovered at the time of the inversion by sending it, for a few seconds, to a reservoir (16) at localized reduced pressure. in the chimney circuit before opening the valve (13 ′) or (13) after the burners start, this in the case where the gas to be heated has a high economic value, for example hydrogen or reducing gas.
- the central part of the enclosure is also provided with additional thermal masses placed between the burners, playing a role of temperature stabilization.
- the device which is part of the family of regenerative systems, operates at constant pressure in the two zones of the enclosure, which improves the resistance to high thermal and dynamic stresses of these systems.
- the pressurized gas reheating device which is the subject of the present invention has a short cycle operation (1 to 5 minutes), which greatly limits the volume of thermal masses and the cost of the system.
- the purge devices are such that they prevent mixing of the gases to be heated and the combustion gases at the time of reversal.
- the heater can heat all types of gas, including combustible or reactive gases (hydrogen, reducing gases, blast furnace gas, ...) at high temperatures inaccessible to conventional processes.
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Description
- La présente invention est relative à un dispositif de chauffage de fluides gazeux divers tels que air, vapeur, oxygène, gaz réducteurs, gaz de haut fourneau, etc., jusqu'à des températures très élevées, par exemple 1400-1500°C, sous pression allant jusqu'à 40 bars et en fourniture continue.
- Elle est destinée à des applications telles que fours industriels de traitement thermique, élaboration de gaz de synthèse, injection de gaz réducteurs en fours à cuve ou réchauffeur de vent (cowper) ou de gaz de haut fourneau.
- Ce procédé est basé sur le principe de l'échange régénératif des gaz par passage alterné et périodique des gaz issus de la phase chauffage et des gaz à réchauffer (produits de combustion issus de brûleurs associés) sur une masse thermique, avec une périodicité courte. L'appareil ne comporte pas de vannes fonctionnant à température élevée et fournit un débit continu de gaz chaud.
- Le procédé de réchauffage d'air par échange régénératif est bien connu dans l'industrie depuis très longtemps. On connaît par exemple les cowpers, les fours de fusion de verre, les fours Martin-Siemens, etc...
- D'autres systèmes ont déjà été proposés pour réchauffer des fluides gazeux. On connaît notamment un procédé de réchauffage régénératif de gaz réformé destiné à l'injection dans les fours à cuve décrit dans le brevet belge n° 755.952 du 9/9/1970, de même qu'un dispositif de chauffage de fluides gazeux décrit dans le brevet belge n° 767.786 du 27/5/1971. Ces deux systèmes comportent deux chambres garnies de matériaux d'échange de chaleur à fonctionnement continu pour le réchauffage de gaz réformés; ces chambres ne sont pas pourvues de vannes chaudes séparant les deux chambres et la séparation des phases est assurée par une légère différence de pression entre celles-ci.
- Un autre procédé a été décrit dans le brevet anglais n° 1,288,167 du 25/2/1970, comportant un système d'échange régénératif cyclique à deux cuves pour le réchauffage de vapeur en continu. Ce système comporte des vannes de séparation des deux réacteurs du côté chaud. Ces réacteurs fonctionnent à pression différente (phase combustion, phase réchauffage de la vapeur) et comportent un dispositif d'équilibrage des pressions au moment des inversions afin d'assurer la continuité du débit de vapeur.
- Les divers procédés de réchauffage de gaz à haute température par échange régénératif existant à ce jour comportent des inconvénients et notamment:
- la présence nécessaire de vannes ou dispositifs de séparation des réacteurs côté haute température, ce qui limite pour raisons technique et de sécurité les applications et le niveau thermique (impossiblité d'application aux gaz inflammables, emploi restreint aux basses pressions, fuites aux joints,...)
- le fonctionnement des deux phases du procédé régénératif à deux pressions différentes pour raison énergétique, ce qui donne des contraintes dynamiques et thermiques importantes dans les matériaux et appareils;
- un cycle long lié à la durée de vie des vannes d'inversion à haute température, d'où l'importance des masses thermiques d'échange de chaleur et le coût élevé du système;
- la présence de plusieurs réacteurs raccordés par des conduites et vannes résistant à haute température, d'où la présence de contraintes permanentes en dilatation.
- La présente invention, constituée par un réchauffeur de gaz à très haute température et sous pression, remédie aux inconvénients cités ci-dessus:
- Elle permet le réchauffage de gaz divers, air, vapeur, gaz réducteurs, hydrogène, gaz de haut fourneau.
- Elle comporte une seule enceinte comportant deux zones internes fonctionnant à la même pression, le système est continu.
- La consommation d'énergie pour la compression de l'air de combustion est négligeable et indépendante de la pression grâce à la récupération par turbine de détente de l'énergie contenue dans les gaz brûlés.
- Elle permet de réchauffer des gaz à des pressions pouvant atteindre 40 bars (gaz de synthèse).
- Elle présente un cycle très court qui permet une diminution considérable des masses en jeu et de l'investissement.
- La description qui suit est destinée à mettre en évidence les caractéristiques de l'invention. (Figure unique).
- L'appareil comporte un réacteur vertical (1) dont les parois sont garnies intérieurement de matériaux réfractaires et isolants (2) et contenant des masses thermiques (3), par exemple des sphères en alumine ou autres formes et matériaux appropriés transférant la chaleur.
- Le réacteur est équipé de brûleurs (10) (10′) placés de part et d'autre de la zone médiane. Au centre du réacteur se trouve un conduit de collecte des gaz chauds (15), raccordé à la canalisation (6) isolée débitant en continu le gaz chaud sous pression.
- Des vannes étanches (5) (5′) (9) (9′) (12) (12′) (13) (13′) permettent aux flux gazeux à température faible d'être dirigés ou extraits de l'une ou l'autre des extrémités froides du réacteur; elles sont contrôlées par un dispositif à séquence périodique.
- Enfin des dispositifs de régulation et de mesure contrôlent les différents flux de gaz _ gaz à réchauffer, air et gaz combustible, gaz de combustion _ suivant une procédure faisant partie de l'invention.
- Vis-à-vis des réalisations connues de réchauffeur régénératif de gaz, le réchauffeur objet de l'invention, constitué d'une seule enceinte, comprend des moyens pour mettre sous pression identique, d'une part le gaz à chauffer et d'autre part l'aire de combustion, des moyens pour contrôler d'une part le débit du gaz à chauffer et le débit d'air de combustion, et d'autre part le débit des gaz brûlés de façon à éviter la pollution du gaz à réchauffer par les gaz brûlés sans mettre en oeuvre des moyens d'obturation; dans une modalité avantageuse, le réchauffeur est également pourvu de moyens pour purger l'enceinte des gaz de combustion résiduels au moment des inversions, de moyens de surpression de l'air de combustion; en cas de fonctionnement sous pression supérieure à 2 bars, le réchauffeur peut avantageusement être pourvu de moyens de détente des gaz brûlés permettant de récupérer l'énergie.
- Le système fonctionne dès lors sous pression de la façon suivante: Le gaz à réchauffer sous pression (4), à débit contrôlé, est dirigé vers l'une des extrémités de l'enceinte (1), par exemple par ouverture de la vanne (5′), il traverse la masse thermique (3) où il s'échauffe progressivement en prélevant la chaleur de cette masse.
- A la partie médiane du réacteur, le gaz chaud est recueilli dans le collecteur périphérique (15) et est transféré vers le conduit de gaz chaud (6) et vers l'utilisation.
- Pendant cette opération de chauffage de gaz dans la zone supérieure de l'enceinte, on procède simultanément à la fourniture de chaleur à la masse thermique logée dans la zone inférieure de l'enceinte. Pour cela, on procède à la combustion de gaz (11) et d'air (7) en débit contrôlé dans les brûleurs (10) placés en périphérie de la zone médiane inférieure de l'enceinte (1) au moyen des vannes (12) et (9) ouvertes. La combustion se développe dans la masse thermique en face des brûleurs (10) et les gaz de combustion traversent l'enceinte (1) depuis la partie médiane vers le bas en réchauffant les masses thermiques (3) dont la température très élevée au centre est progressivement abaissée vers les extrémités de l'enceinte.
- Les gaz de combustion quittent l'enceinte (1) au moyen de la vanne (13) ouverte et sont dirigés vers la cheminée via un moyen de contrôle de débit et une turbine de détente (14).
- Selon l'invention, les parties supérieure et inférieure de l'enceinte (1) sont en communication directe à la partie centrale, sans séparation des phases chauffage et combustion par vannes chaudes. Il n'y a toutefois pas mélange de gaz réchauffé en provenance d'un côté de l'enceinte avec du gaz de combustion issu de l'autre côté grâce au fait que l'on contrôle le débit des gaz brûlés extraits de l'enceinte vers la cheminée de telle sorte que la quantité correspond à celle qui résulte de la combustion du gaz et de l'air issus des brûleurs.
- Après un temps normalement compris entre 1 et 5 minutes, les circuits sont inversés: on dirige le gaz à réchauffer vers l'autre extrémité de l'enceinte (1) par ouverture de la vanne (5) et fermeture de la vanne (5′); de même on démarre la combustion aux brûleurs (10′) situés dans la partie médiane supérieure de l'enceinte par ouverture de (9′) et (12′) et fermeture de (9) et (12). De plus, les gaz de combustion sont évacués de l'enceinte côté supérieur par ouverture de (13′) et fermeture de (13). Il s'agit d'un système cyclique avec production continue de gaz chauds.
- Au moment de l'inversion du système, le volume interne d'un côté de l'enceinte est rempli de gaz de combustion qu'il est nécessaire de purger pour éviter d'envoyer ce gaz, à l'inversion, dans le collecteur de gaz chaud. A cet effet, de suite après la fermeture des vannes (9) et (12) fermées préalablement à l'inversion, on injecte pendant un temps très court, par exemple 0,5 à 5 secondes suivant le niveau de pression, et par un conduit et une vanne raccordés aux brûleurs (10) (10′) une certaine quantité de gaz froid à réchauffer. Ce gaz de balayage élimine ainsi, avant inversion du système, les gaz brûlés résiduels. En cas de réchauffage d'air, cette procédure est simplifiée par purge à l'air de combustion, gaz brûleur fermé (12′) ou (12). De même, on peut récupérer le volume de gaz à réchauffer contenu dans la partie supérieure (ou inférieure) de l'enceinte au moment de l'inversion en l'envoyant, pendant quelques secondes, dans un réservoir (16) à pression réduite localisé dans le circuit de la cheminée avant l'ouverture de la vanne (13′) ou (13) après le démarrage des brûleurs, ceci dans le cas où le gaz à réchauffer a une valeur économique élevée, par exemple hydrogène ou gaz réducteur.
- La partie centrale de l'enceinte est également garnie de masses thermiques supplémentaires placées entre les brûleurs, jouant un rôle de stabilisation de température.
- L'appareil, qui fait partie de la famille des systèmes à régénération, fonctionne à pression constante dans les deux zones de l'enceinte, ce qui améliore la résistance aux contraintes thermiques et dynamiques élevées de ces systèmes.
- Le dispositif de réchauffage de gaz sous pression qui fait l'objet de la présente invention a un fonctionnement à cycle cour (1 à 5 minutes), ce qui limite fortement le volume de masses thermiques et le coût du système.
- Son fonctionnement est possible sous des pressions allant jusqu'à 40 bars, car les parties de l'enceinte sont sous pression constante, sans effet de dilatation différentielle.
- Les dispositifs de purge sont tels qu'ils évitent le mélange des gaz à réchauffer et des gaz de combustion au moment de l'inversion.
- Enfin, le réchauffeur permet de réchauffer tous types de gaz, y compris les gaz combustibles ou réactifs (hydrogène, gaz réducteurs, gaz de haut fourneau,...) à haute température inaccessible aux procédés conventionnels.
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