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WO 94/10519 PGT/FR93/01025
2.~2b~a~~
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Procédé et régénérateur pour le réchauffage de gaz
La présente invention concerne un procédé de réchauffage de gaz dans un
régénérateur avec une masse d'accumulation de chaleur constituée de
matière en vrac disposée en anneau entre deux grilles cylindriques
coaxiales, une chambre de collecte chaude, entourée par la grille chaude
interne, pour les gaz chauds et une chambre de collecte froide, enfermée
entre la grille froide externe d'une part et la paroi extérieure du
régénérateur d'autre part, pour les gaz froids, ainsi qu'un régénérateur
de ce type.
Dans un tel régénérateur, les gaz chauds respectivement les gaz froids
sont conduits en direction radiale à travers la masse d'accumulation de
.chaleur, au contraire des réchauffeurs d'air par ailleurs usuels, et en
fait pendant la phase de réchauffage, depuis la chambre de collecte chaude
à l'intérieur du régénérateur vers la chambre de collecte froide externe,
et en sens contraire lors du soufflage froid du régénérateur. Les gaz à
réchauffer peuvent égaiement être des mélanges gazeux, qui contiennent
aussi des parts de vapeurs, en particulier de vapeur d'eau.
Un régénérateur de ce type est décrit dans le brevet US-A-2.272.108. La
réalisation quantitative, mais non présentée ici de l'exemple d'appli-
cation qui y est donné, montre qu'un régénérateur conforme à la descrip-
tion de ce brevet des Etats-Unis ne fonctionnerait absolument pas dans la
pratique, Une évaluation qualitative fait en outre apparaître que ia
vitesse de gaz choisie pour la traversée de la couche d'accumulation de -
chaleur a été choisie beaucoup trop faible et en outre que la taille
précitée des grains de la matière en vrac de la masse d'accumulation de
chaleur est trop grande. Ces valeurs conduisent ainsi à une perte de
charge du gaz beaucoup trop faible dans le lit de matière. Ainsi la
pression du gaz diminue avec la hauteur dans la chambre de collecte
froide, tandis que cet effet, connu également sous le nom de "effet de
cheminée", est négligeable dans la chambre de collecte chaude. Dans
l'exemple d'application, la différence de pression provoquée par cet
"effet de cheminée" est un multiple de la perte de charge dans le lit de
matière, avec la conséquence qu'au chauffage du régénérateur, les gaz de
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chauffage ne circuleraient que dans la région haute à travers le lit de
matière,
tandis que dans la région inférieure il faut même s'attendre à un reflux. En
marche au vent chaud, donc pendant le soufflage froid, les conditions
s'inversent, c'est-à-dire que seule la région inférieure du lit de matière
serait
s exposée. Ces résultats conduisent forcément à la conclusion que le
régénérateur
décrit dans le brevet US-A-2.272.108 serait entièrement défaillant.
L'invention a de ce fait pour objet d'améliorer le procédé mentionné dans
l'introduction ainsi que le régénérateur décrit plus haut, en évitant les
inconvénients engendrés par l'effet de cheminée et en particulier en
augmentant
to la puissance du régénérateur pour une hauteur de construction nettement
moindre de celui-ci.
Tout particulièrement, l'invention concerne un procédé de réchauffage d'un gaz
dans un régénérateur avec une masse d'accumulation de chaleur constituée de
matière en vrac disposée en anneau entre deux grilles cylindriques coaxiales,
t s une chambre de collecte chaude, entourée par une desdites grilles
cylindriques
coaxiales définies et une grille chaude interne, pour des gaz chauds et une
chambre de collecte froide, enfermée entre l'autre desdites grilles
cylindriques
coaxiales définies et une grille froide externe d'une part et une paroi
extérieure
d'une enceinte du régénérateur d'autre part, pour des gaz froids, selon lequel
2o a) durant une phase dite de chauffage, on fait circuler un gaz de chauffage
de
collecte chaude vers la chambre de collecte froide, au travers de la masse
d'accumulation de chaleur afin de chauffer cette dernière,
b) durant une phase dite de soufflage froid, on fait circuler ledit gaz à
réchauffer de la chambre de collecte froide vers la chambre de collecte
chaude,
2s au travers de la masse d'accumulation de chaleur, de manière à réchauffer
le
gaz,
caractérisé en ce que
OPchaud - ~f froid ~ 5 P.g.H
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où
- ~P~ha"a représente la perte de charge du générateur à la fin de ladite phase
de
chauffage;
- tlPfro;a représente la perte de charge du générateur en début de ladite
phase de
s chauffage;
H est la hauteur du régénérateur, p est la densité du gaz à la température de
20°C et g est l'accélération de la pesanteur
en ce que le débit du gaz durant la phase chauffage est >_ 300m3N/h.m2 de la
surface de la grille chaude à la pression normale ; et
~ o en ce que la taille des grains de la matière en vrac est choisie
inférieure à
1 Smm.
L'invention concerne également un générateur convenant pour la mise en
oeuvre du procédé précédemment défini, comprenant une masse d'accumulation
de chaleur constituée de matière en vrac disposée en anneau entre deux grilles
~ s cylindriques coaxiales (4, 5), comprenant une grille chaude interne (4) et
une
grille froide externe (5), une chambre de collecte chaude (6), entourée par la
grille chaude interne (4), pour des gaz chauds et une chambre de collecte
froide
(8), enfermée entre la grille froide externe (5) d'une part et une paroi d'une
enceinte (2) du générateur d'autre part, pour les gaz froids, caractérisé en
ce
2o que le diamètre extérieur de la masse annulaire d'accumulation de c h a 1 e
ur est
au maximum le double du diamètre intérieur, et en ce que la taille des grains
de
la matière en vrac est choisie inférieure à 15 mm.
La mise en oeuvre de ce procédé conforme à l'invention a montré que,
contrairement aux réchauffeurs d'air connus, il s'établit dans la matière en
vrac
2s une distribution de température entièrement différente, car elle est
essentiellement linéaire dans ceux-ci tandis que dans le procédé proposé elle
est au contraire en forme de S. Cette distribution en S de la température,
représentée dans la Fig. l, comporte en premier lieu (avantage que la chute de
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température du vent chaud pendant le soufflage froid est très faible, et par
ailleurs que la variation de la température moyenne de l'ensemble du lit de
matière est au contraire très élevée avec environ 600°C. Dans les
réchauffeurs
d'air connus jusqu'ici, la variation de la température moyenne ne vaut au
s contraire qu'environ 100°C, d'où il résulte que la distribution en S
de la
température emmagasine environ six fois plus d'énergie thermique que la
distribution linéaire de la température. Ce résultat permet de réduire à
environ
un sixième la masse d'accumulation de chaleur.
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Cette solution entraîne également que l'effet de cheminée décrit plus haut
perd de l'importance et même qu'il peut être supprimé. Il est avantageux
que la différence ~~° constituée de DPe~,~d (chute de pression du
régénérateur
à la fin de la phase de chauffage) et AP,~o,a (chute de pression du régénéra-
s teur avant ie début de la phase de chauffage) soit grande par rapport à
p.g.H. Quantitativement, il conviendrait de chercher à atteindre
Q 2p
= 10 à 2Q.
p . g . H
Dans une autre mise en oeuvre avantageuse du procédé, la phase froide,
c'est-à-dire le soufflage froid, ést exécutée avec une surpression.
Dans cette forme de fonctionnement, nécessaire par exemple lors de
l'application du procédé au réchauffage de vent de haut fourneau, le débit
de gaz à réchauffer augmente dans le rapport P/Po, sans que le transfert
de 'chaleur se dégrade. Si l'on produit par exemple un vent de haut
fourneau sous une pression de 5 bar, le débit peut atteindre 5000 m'N/h.mz,
respectivement 2500 kW/m2. Avec un régénérateur ayant une surface de gri l le
de 20 m2, on peut produire un débit de vent chaud de 100.000 m3N/h.
Le chauffage de la masse d'accumulation de chaleur ne sera au contraire
effectué qu'à la pression normale, pour des raisons économiques, et pour
cette raison trois régénérateurs doivent être chauffés simultanément,
tandis qu'un quatrième régénérateur se trouve en cours de soufflage froid.
Avantageusement, la taille des grains de la matière en vrac est choisie
inférieure à 15 mm.
Dans une autre mise en oeuvre avantageuse du procédé, en marche à charge
partielle, la phase de chauffage est conduite à pleine puissance, et des
pauses sont observées après la phase de soufflage froid.
Cette mise en oeuvre du procédé permet de travailler avec la puissance
étranglée désirée, et l'équilibre thermique des deux phases est alors
établi par les pauses après le soufflage froid, et aussi d'utiliser pour
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,~
- le chauffage du régénérateur un brûleur qui ne présente qu'une gamme de
réglage très limitée, contrairement aux brûleurs utilisés jusqu'â présent
dans les réchauffeurs de vent conventionnels.
L'autre objectif fixé à l'invention est, dans un régénérateur destiné à ,
la mise en oeuvre du procédé, atteint par le fait que le diamètre exté-
rieur de la masse annulaire d'accumulation de chaleur est au maximum le
double du diamètre intérieur.
Cette réalisation de l'épaïsseur de la couche d'accumulation de chaleur
influence la grandeur ~2~ déjà explicitée plus haut. Cette grandeur est en
fait petite pour un rapport des diamètres plus grand que celui qui est
cité. Des calc!ils et des essais ont montré que ce rapport ne devrait pas
dépasser sensiblement la valeur de 2.
De manière avantageuse, le régénérateur est chauffé avec un brûleur à
prémélange.
L'utilisation d'un tel brûleur garantit que la chambre de collecte chaude
du régénérateur suffit entièrement comme chambre de combustion et que la
combustion se déroule non seulement sans bruit mais aussi sans pulsations.
Par ailleurs, la taille du régénérateur n'est pas influencée de maniëre
défavorable par l'utilisation d'un tel brûleur à prémélange.
Un exemple de réalisation du brûleur est représenté dans la big. 2 et sera
expliqué en détail ci-dessous.
Le régénérateur 1 destiné à la mise en oeuvre du procédé de l'invention
présente une enceinte 2 ayant ia forme d'un cylindre dressé, qui peut par
exemple être soutenu au moyen de piliers 3.
L'espace intérieur de l'enceinte 2 est essentiellement divisé par deux
grilles 4 et 5 de forme cylindrique et disposées concentriquement à
distance l'une de l'autre, en une chambre de collecte chaude 5 cylindrique
interne, une chambre annulaire intermédiaire 7 contenant la masse d'accu-
mulation de chaleur constituée de matière en vrac, et une chambre de
collecte annulaire externe froide $ formée par la paroi de l'enceinte 2
avec la grille 5.
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Dans la région de pied 9 maçonnée de l'enceinte 2, on a prévu des arrivées
pour les gaz de chauffage, qui sont produits par un brûleur à prémé-
lange 11, qui à son tour est alimenté par un tube de mélange gaz - air 12.
5 La chambre de collecte interne chaude 6 se termine dans la région supé
rieure de l'enceinte 2 du régénérateur 1 par une sortie de vent chaud 13,
la chambre de collecte externe 8 est raccordée à une cheminée 14 d'évacua
tion des gaz brûlés, de laquelle les gaz de chauffage peuvent s'échapper
après qu'ils soient passés à travers l'agent d'accumulation de chaleur
10 dans la chambre intermédiaire 7.
Le tube de mélange gaz - air 12 est raccordé à un ventilateur I5, qui
produit aussi bien l'air pour la phase de chauffage que pour la phase de
soufflage froid. Dans la phase de chauffage, l'air est conduit par le tube
de mélange gaz - air 12 et mélangé avec du gaz de chauffage, qui a été
introduit par l'injecteur de gaz 16 dans le tube de mélange gaz - air 12.
Après l'achèvement de la phase de chauffage, les vannes 17, 18 et 19 sont
fermées, la vanne 20 ainsi que la sortie 13 sont au contraire ouvertes,
de sorte que la phase de soufflage froid peut alors commencer. Après
l'achèvement de la phase de soufflage froid, les raccords ouverts sont à
nouveau fermés et les vannes antérieurement fermées sont ouvertes, de
sorte Que la phase de chauffage peut recommencer.
La matière en vrac de la masse d'accumulation de chaleur se compose d'une
charge de granules avec une taille de grains qui n'excède pas 15 mm, et
le diamètre extérieur de la masse annulaire d'accumulation de chaleur
n'est pas supérieur au double du diamètre intérieur.
Bien que la masse d'accumulation de chaleur de ce régénérateur soit
réduite environ au sixième de la masse d'accumulation de chaïeur des
réchauffeurs d'air usuels et à circulation verticale utilisés jusqu'à
présent, la même quantité d'énergie thermique est accumulée; ceci résulte
de ia distribution en S de la température suivant la Fig. 1. Cette distri-
bution de la température se distingue fondamentalement de celle des
réchauffeurs d'air connus, où elle est essentiellement linéaire. La
distribution en S de la température offre deux avantages décisifs par
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rapport à la distribution linéaire, d'une part la chute de température du
vent chaud pendant la phase de soufflage froid est très faible, et d'autre
part la variation de ia température moyenne de l'ensemble du lit de
matière est très élevée, de l'ordre de 600'C. La distribution en S de la
température dépend cependant aussi non seulement de la taille de grain ,
prescrite de la charge de granules mais aussi d'un débit minimal déterminé
de gaz. Ce débit minimal correspond à une puissance de 300 m'N/h.mz.
Celle-ci correspond, pour une température de vent de 1200~C, à une
puissance spécifique de 150 kW/mZ, sous laquelle il ne faut pas descendre.
Lorsque la puissance augmente, le profil en S de ia température est de
plus en plus clairement relevé. Un point de fonctionnement particulière-
ment avantageux est apparu pour une capacité de débit de 1000 m'N/h.m2, une
perte de charge de 1000 à 1600 Pascal. Un accroissement du débit jusqu'à
2000 m'N/h.mz est possible sans diminution du transfert de chaleur en
tenant compte d'une perte de charge de 3000 à 5000 Pascal. Cette limite
de puissance est applicable â une marche à la pression normale.
Le fonctionnement sous pression accrue a montré le résultat surprenant,
que le débit peut encore étre augmenté, en fait proportionnellement à la
pression absolue, sans que les données du transfert de chaleur se
dégradent. Si l'on produit par exemple un vent de haut fourneau à 5 bar,
le débit peut atteindre 5000 m'N/h.m~, respectivement 2500 kW/m2. On peut
ainsi produire un débit de vent chaud de 100.000 m'N/h avec un régénérateur
ayant une surface de grille de 20 mz.
Du fait que le chauffage du régénérateur est à vrai dire généralement
conduit à la pression normale, trois générateurs doivent être chauffés
simultanément, de sorte que quatre régénérateurs sont nécessaires au total
pour assurer un fonctionnement continu en vue de la production de gaz
chauds. Ces régénérateurs présentent seulement un diamètre de 4 m pour
une hauteur de 5 m, alors que les réchauffeurs d'air de même puissance
utilisés jusqu'à présent présentent un diamètre de 8 m et une hauteur de
30 m.
Une marche à charge partielle n'est à vrai dire réalisable qu'en effec-
tuant la phase de chauffage à pleine puissance, mais il faut cependant
éventuellement insérer des pauses après la phase de soufflage froid. Ceci
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résulte du fait qu'en raison de la petite taille du régénérateur,
l'utilisation d'un brûleur usuel pour le chauffage du régénérateur n'est
pas possible, parce qu'un tel brûleur présente un volume de construction
plus grand que le régénérateur lui-même. On utilise dès lors un brûleur
dit à prémélange, dans lequel le gaz de chauffage et l'air de combustion
sont intimement mélangés l'un avec l'autre à froid, avant l'allumage, et
ne sont enflammés qu'après leur mélange. Pour une marche sûre d'un tel
brûleur à prémélange, ii est nécessaire de ne pas descendre en dessous
d'une vitesse minimale des gaz, pour éviter ainsi sûrement un retour de
flanane du mélange. I1 en résulte qu'un tel brûleur à prémélange ne
possède qu'une gamme de réglage très limitée.
Les pauses qui sont dès lors nécessaires dans une marche à charge
.
partielle sont de préférence observées après le soufflage froid du
régénérateur.
Enfin, il est encore apparu lors du fonctionnement d'un tel régénérateur
que la température du vent chaud ne se situait que 20'C en dessous de la
température théorique de flamme et qu'elle restait largement constante
pendant toute la phase au vent. Cela signifie que, même dans le cas d'une
chute de la température, on a atteint une amélioration par un facteur 10,
exactement cortune cela est le cas pour la taille. Le rendement thermique
a été porté de 65 % pour les réchauffeurs d'air conventionnels à 95 % pour
le régénérateur conforme à l'invention.
