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-FOUR A CHAUX VERTICAL. A REGENERATION-DE GAZ'CARBONIQUE.
Depuis la plus haute antiquité, on obtient la chaux en calcinant du calcaire au contact de combustibles solides, tels que bois, charbon de bois, houilles, coke etc...
La chaux obtenue est toujours souillée par les cendres et impu- retés contenues dans les combustibles susditso
En outre, la disposition des fours verticaux et la difficulté de régler convenablement la combustion dans une enceinte fermée et d'accès pres- qu'impossible, entraînent des inégalités de température, dues aux localisa- tions anormales du feu, bien connues des chaufourniers.
Il en résulte un pourcentage d'incuits qui grève lourdement le prix de revient de la chaux obtenue, et nécessite un triage onéreuxo
Les revêtements en produits réfractaire garnissant l'intérieur des cuves des fours à chaux sont exposés à des coups de feu violents qui, ajoutés à l'usure due au frottement continu des morceaux de calcaire, provo- quent la destruction rapide des briques de garnissage
Leur remplacement périodique et fréquent entraîne une dépense considérable et un manque à gagner du fait de l'arrêt prolongé des fours,,
Enfin, la conduite des opérations exige des cuiseurs spéciali- sés, à salaires élevés, et qui deviennent de plus en plus rares, les ou- vriers délaissant progressivement ce dur métier pour des tâches moins mal- saines.
De nombreux usagers ou constructeurs ont essayé d'atténuer ces graves défauts en améliorant les moyens de chargement, de défournement, de manutention générales, parfois même de récupération des chaleurs perdues.
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Dans certaines industries, comme les sucreries par exemple, on recueille le gaz carbonique provenant du calcaire et du combustible, pour 1-'utiliser aux opérations sucrières. - Dans d'autres cas, le gaz carboni- que est capté et comprimé dans des bouteilles, en vue de divers emplois en brasserie, fabrications, industries du froid etc...
D'autre part, pour améliorer ces conditions de cuisson et obtenir des chaux exemptes d'impuretés, certaines firmes ont construit des fours chauffés au gaz ou aux combustibles liquides. - Malheureusement, la consom- mation de ces fours reste très onéreuse et le pourcentage d'incuits fort é- levé.
Malgré ces divers perfectionnements, le processus de la calcina- tion est demeuré immuable en ce sens que la combustion se fait au contact d'une masse calcaire qui dégage environ la moitié de son poids de gaz carbo- nique.
Cette antique méthode qui consiste à brûler du combustible baig- né par un gaz spécifiquement extincteur comme l'est le C02, présente un ca- ractère paradoxal.
Avec cette méthode empirique, la combustion ne peut se faire que grâce à un excès d'air comburant qui apporte l'oxygène nécessaire, mais di- lue considérablement la masse gazeuse en réaction. - Ce processus est irrégu- lier et aléatoire, parce qu'il ne peut être ni contrôlé ni mesuré.
La calcination est plus ou moins bonne, selon la conformation et la conduite plus ou moins heureuse des fours, et les chaufourniers ne savant jamais à l'avance ce que sera le résultat de la cuisson en cours.
En outre, l'excès d'air indispensable en l'occurrence, entrâine ipso-facto une consommation excessive de combustible sans corriger les ir- régularités de cuisson du calcaire, ni supprimer les incuits, ainsi que les risques de détérioration des revêtements intérieurs.
Enfin, le gaz carbonique (002) qui se dégage du calcaire, rencon- tre dans son trajet ascensionnel, les couches supérieures de combustibles, et subit à leur contact une réduction partielle d'où résulte la formation d'oxyde de carbone (CO). - Ce gaz toxique évacué au sommet des fours, corres- pond à une fraction notable de combustible qui est perdue.
Le procédé recommandé jadis par ELDRED, qui.consiste à capter les gaz et vapeurs sortant par le gueulard de chargement, et' à les renvoyer au pied du four, a pu dans certains cas, améliorer le rendement, mais n'a pas donné des résultats suffisants pour en généraliser l'application.
Certains constructeurs "FOURS CHAUDIERE" entr'autres) ont imaginé de placer au centre des fours verticaux une colonne creuse permettant l'aspi- ration des fumées chaudes provenant de la calcination du calcaire, afin de mieux répartir la chaleur dans la masse. - Bien qu'assez logiques, les appli- cations de ce dispositif ne l'ont pas fait adopter par les chaufourniers, par suite de divers inconvénients d'ordre constructif.'
En résumé, et exception faite pour la calcination du calcaire dans des fours tubulaires rotatifs (analogues à ceux qui servent à la fabri- cation des ciments) on doit conclure que la fabrication de la chaux est res- tée depuis des siècles une opération aléatoire et coûteuse.
Par le passé, tant que les combustibles et la main d'oeuvre sont restés d'un prix modéré, les chaufourniers ont pu se résigner à cet état de choses. - Nais a aujourd'hui, le souci d'économiser le combustible et la main d'oeuvre, autant que la nécessité croissante d'obtenir des chaux très pures pour les usages industriels (chaux d'addition d'aciéries basiques, chaux pour les fabrications chimiques, carbure de calcium etc...) exigent de sérieux per-
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fectionnements dans la structure des fours et le procédé de fabrication.
Dans ce but, les soussignés, se basant sur une longue pratique du chauffage industriel, préconisent un nouveau système de four à chaux verticale dont ils revendiquent la paternité, et dont l'originalité leur paraît suffisante pour justifier le brevet d'invention.
Avant d'aborder la description du procédé et du système de four, qui est représenté au dessin schématique ci-joint., il est utile de rappe- ler les conditions physico-chimiques de la calcination des calcaires :
Suivant l'état granulométrique et la composition des calcaires, la dissociation a lieu entre 900 et 1100 . - Toute température supérieure est superflue et même nuisible, car'elle peut provoquer la surcuisson et la fusion de la matière avec accrochage aux parois.
Sous l'influence de la chaleur,on obtient environ 500 K de chaux (Ca 0) et 450 K de gaz carbonique (002) soit un volume de 225 mè- tres cubes par tonne de calcaire enfourné.
Cette énorme quantité de gaz C02, ajoutée à celle des gaz prove- nant de la combustion avec excès d'air (002 + 02 + Az) et à la quantité de vapeur d'eau contenue dans le calcaire venant de carrière, représente un volume considérable à évacuer à la partie supérieure du four.
Au curplus, il convient de répéter que, par suite d'une combus- tion défectueuse, ces gaz contiennent une quantité parfois excessive d'o- xyde de carbone (CO) qui est toxique à faible dose, et correspond à une quan- tité notable de combustible incomplètement brûlé.
Quant aux fours verticaux existants, chauffés au gaz au moyen de brûleurs placés à la périphérie, ils ne parviennent pas à cuire convenable- ment la zone centrale du calcaire et donnent encore beaucoup d'incuits, pro- venant surtout du centre de la masse,difficile à atteindre par les flammes des brûleurs extérieurs.
Ceci posé, voici la description du système de four approprié au procédé préconisé et représenté aux dessins schématiques ci-joint.
Folios I, II et II.Figures de I à VIII.
La section horizontale du four est circulaire.
Le profil vertical est constitué par deux troncs de cône accolés par leurs bases et ne diffère pas beaucoup des profils usuels des fours à chaux existants. La fig. I, folio I, est une coupe verticale centrale.
Au centre se trouve une colonne creuse en réfractaire spécial (0) fig. I et III, destinée à recevoir le combustible (coke, anthracite ou charbons maigres exempts de goudrons ou autres impuretés).
Au .sommet de cette colonne creuse se trouve une trémie (1) figo I, distribuant le combustible en marche continue.
Au pied de la colonne se trouve une fermeture (2) fig. I, avec dispositif mécanique pour l'évacuation des cendres dans un petit wagonnet basculant de type usuel.
Le calcaire brut en morceaux d'environ 10 cm. est amené au ni-, veau de la plate-forme (recette) supérieure du four par un élévateur (29), fig. I et II, (chaîne à godets ou autre appareils de type connu) qui déver- se la matière dans un distributeur horizontal circulaire (3) fig. I et II, répartissant uniformément et continuellement les charges par une série d'o- rifices verticaux (4) fig. I et II pratiqués dans le plafond du four.
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Il en résulte que la masse de clacaire en traitement est accumu- lée suivant une section de forme annulaire localisée entre le revêtement pé- riphérique et la colonne centrale contenant le combustible.
A la partie supérieure du four se trouvent des orifices (5) fig. I et II, aboutissant à une tuyauterie (6) fige I et III, destinés à aspirer les gaz et vapeurs dégagés par la calcination et à les envoyer soit à la che- minée (7) fige I et II, soit à une conduite d'aspiration (8) fig. I, aboutis- sant au ventilateur d'une station d'épuration du C02 indépendante du four.
A la partie inférieure du four,il existe un blindage métallique (20) fige I, interne, de forme tronçonique, qui reçoit la chaux en voie de refroidissement. la face externe de ce blindage bon conducteur thermique, est lé- chée par l'air nécessaire à la combustion des brûleurs. Cet air comburant se réchauffe dans son mouvement ascensionnel au contact du blindage métallique et aboutit par des conduits (25) fige I et VI, dans une chambre de combustion annulaire (9) fige I et V, accolée extérieurement à la base du cône supérieur dans la région où s'opère la calcination du calcaire.
Cet air comburant est soufflé par une série de tubulures (24) fig.
VII, greffées sur une tuyauterie nourrice circulaire (23) fige I et VII, ali- mentée par un ventilateur centrifuge (22) fig. I, placé au niveau du sol.
Dans la chambre de combustion (9) fig. I et V, a lieu le mélange de l'air réchauffé et du gaz combustible distribué par des tubulures d'adduc- tion verticales (12) fig. I et V.
Ces tubulures sont alimentées par une tuyauterie nourrice circu- laire (il) fig. I et V, qui est raccordée à un ventilateur centrifuge (17) fig. I, aspirant le gaz au sommet de la colonne centrale et le refoulant vers les brûleurs.
Ia combustion doit être complète dans la chambre de combustion (9) et y produire des gaz à haute température (environ 1300 ) qui sont com- posés principalement de CO2 et d'azote neutre contenu dans le gaz combusti- ble sans excès d'air.'
Ces gaz très chauds pénètrent à l'intérieur du four par des fen- tes ou créneaux (13) fig. I et V, pratiqués sur le pourtour du revêtement réfractaire périphérique et sont aspirés par d'autres fentes (14) fig' I et IV du même genre ménagées dans la paroi circulaire de la colonne centrale décrite ci-dessus.
Au cours de leur trajet centripète, depuis la périphérie vers la colonne centrale, les gaz susdits traversent la masse de calcaire par les interstices existants entre les morceaux et leur communiquent la température nécessaire à leur calcination (de 900 à 1100 suivant nature des calcaires).
L'épaisseur relativement faible de la masse facilite le passage des gas chauffants provenant des brûleurs et accélère la calcination d'une manière uniforme en vue de supprimer les incuits.
Le gaz carbonique C02 provenant de la dissociation se mélange aux gaz chauffants et est aspiré en partie par les orifices (14) de la colonne centrale, l'excédent étant aspiré vers le haut du four en traversant et en échauffant progressivement la masse calcaire descendante.
La fraction de gaz C02 qui pénètre dans la colonne centrale entre en contact avec les morceaux de coke préalablement portés au rouge par com- bustion partielle à la base dans le région de calcination (15) fige I.
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Il doit se produire alors entre le 002 provenant du calcaire et le coke incandescent, la réaction classique et bien connue qui régit le fonctionnement des gazogènes à gaz,pauvre (gaz à 1-'air) et a pour symboles : gaz carbonique COZ + C (carbone du combustible) = 2 CO (oxyde de carbone).
Il résulte de cette réaction que le C02 produit par le four se transforme par régénération en oxyde de carbone combustible et monte en cet état au sommet de la colonne centrale où il est aspiré par une conduite (16) fig. I et II raccordée au ventilateur (17) placé au niveau du sol.
Mais avant d'arriver au ventilateur susdit, le gaz CO traverse d'abord un dépoussiéreur cylindro-conique (18) fig. I de type connu, et en- suite un laveur épurateur cylindrique que dig I genre Scrubber, type usuel.
A sa sortiele gaz épuré et refroidi passe dans le ventilateur (17) qui le refoule vers la chambre de combustion (9) par la conduite (21), fig. I et VI.
L'évacuation continue de la chaux par le cône inférieure (20) se fait par un collecteur mécanique rotatif de forme annulaire (28) fig. I et VIII.
Par un mécanisme approprié et de type connu, le collecteur sus- dit déverse la chaux dans un chenal (goulotte) incliné (10) fig. I et VIII dont l'extrémité munie d'une fermeture articulée surplombe le wagonnet bas- culant récepteur, s'il ne s'agit que d'un four., ou bien une courroie trans- porteuse de type usuel s'il s'agit de récolter la chaux de plusieurs fours placés côte-à-côte en batterie.
D'autre part, à la base de la colonne centrale existent des con- duits verticaux (27) fig. I et VII, destinés à amener de l'air comburant dans la région où s'opère la combustion du coke, c'est-à-dire un peu en-des- sous du niveau de la zone de calcination du calcaire.
Ces conduits verticaux pratiqués dans l'épaisseur de la paroi de la colonne,sont raccordés par des tubulures métalliques verticales gref- fées sur une conduite nourrice circulaire (26) fige I et VII, recevant l'air soufflé par le ventilateur déjà cité (22).
Cet air comburant s'échauffe dans, son ascension au contact de la paroi de la colonne centrale qui se trouve enrobée par la chaos en voie de refroidissement et par les cendres de coke descendantes.
De la conjugaison des dispositifs ci-dessus, il résulte que la récupération des calories contenues dans la chaux est aussi complète que possible.
Quant à la récupération du gaz CO2 provenant d'une part du cal- caire calciné et d'autre part de la combustion des gaz chauffants, elle est complète par captation à la partie supérieure du four au moyen des orifices et conduites décrits plus haut.
Du fait que le calcaire est échauffé et porté à la température de dissociation au moyen de la chaleur sensible de gaz incombustibles, il n'existe plus aucun risque d'explosion à l'intérieur du four.
On supprime ainsi les causes de déflagations qui constituent un grave inconvénient des fours verticaux existants, chauffés uniquement par des brûleurs à gaz répartis à la périphérie de la zone de cuisson.
Dans ces fours, il arrive parfois que, par une défectuosité des brûleurs , le mélange gaz et air se fait d'une manière irrégulière, et la combustion a lieu tant bien que mal dans la masse du calcaires.
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Si, par un mauvais réglage, les brûleurs laissent passer un excès de gaz imbrûlé, l'accumulation de celui-ci dans le four peut provo- quer des explosions. En tous cas, cet inconvénient se traduit par une con- sommation exagérée de gaz combustible toxique, évacuéen pure perte par la cheminée.
Quant à la question des induits, il est facile de comprendre pourquoi dans ces fours ancien système, la zône centrale du calcaire ne reçoit pas la chaleur suffisante et nécessaire pour la calcination complè- te.
Ce défaut est du au fait que les gaz chauds provenant des brûleurs ont une tendance naturelle - et fâcheuse - à cheminer vers le haut en lon- geant la paroi interne où ils trouvent un passage plus facile que dans la masse calcaire.
De ces conditions défectueuses, il résulte que dans ces fours, pour calciner le centre de la masse, il faut la surchauffer à sa périphé- rie, (d'où surcuisson et accrochages) ou bien ralentir considérablement la descente du calcaire, ce qui diminue la productivité des fours.
Le résultat final du nouveau système préconisé ci-dessus, basé sur des calculs thermo-chimiques et sur l'établissement d'un bilan thermi- que facilement contrôlable, comporte les-avantages suivants :
1 ) - Une économie de combustible que l'on peut évaluer en prati- que industrielle à lamoitié de la quantité de houille ou de coke consommés dans les anciens fours existants, qu'il soient chauffés au gaz ou par contact direct de combustibles solides avec les morceaux de calcaire.
Les meilleurs fours verticaux' connus exigent actuellement encore une consommation d'environ 200 K de coke par tonne de chaux.
L'économie réalisée par le nouveau système susdit serait donc d'une centaine de kilos de combustible dont il est facile de chiffrer la valeur à la tonne de chaux.
2 ) - La disparition pratiquement complète des incuits et des sur- cuits par suite de la répartition uniforme de la chaleur dans toute la masse de calcaire et le maintien à niveau permanent de la zone de dissociation.
3 ) - Une économie sur les dimensions et la structure des fours.
4 )- L'obtention d'une chaux extra-pure du fait que le calcaire n'est en contact qu'avec des gaz lavés et épurés.
5 ) - La préservation et la très longue durée des revêtements en réfractaires spéciaux qui, dans les fours actuellement en service sont rapi- dement détruits.
D'où une économie considérable par la suppression des réparations fréquentes et du manque à gagner dû aux arrêts prolongés des fours
6 ) - La facilité et la régularité de marche du nouveau système proposé; qui, grâce à des appareils et moyens de contrôle ou de mesure, per- met un fonctionnement automatique.
Cet accroissement de sécurité supprime la main d'oeuvre spéciali- sée,coûteuse et difficile à recruter, qu'exigeaient les anciens systèmes.
7 ) - la consommation de force motrice nécessaire au fonctionne- ment des divers appareils (élévateur, distributeur, collecteur, ventilateur, etc...) est très réduite relativement à la production.
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On peut évaluer à une douzaine de kilowatts-heure la consomma- tion d'électricité par tonne de chaux défournée.
8 ) - La possibilité de capter et d'utiliser à des usages indus- triels le gaz CO2 excédentaire.
Parmi les utilisations déjà connues et pratiquées dans certaines industries, on peut envisager le chauffage de fours, séchoirs et foyers di- vers, installés dans le voisinage de fours à chaux, par la régénération du 002 dans des gazogènes à coke de type spécial et d'une conception analogue à celle de la colonne centrale décrite ci-dessus.
Comme première application, on peut citer le séchage et l'échauf- fement préalable (en hiver surtout) du calcaire humide ou congelé, venant de carrière, avant son introduction dans le four.
Cette dessication préalable du calcaire dans des silos appropriés, permettrait de supprimer la présence de vapeur d'eau inutile ou nuisible dans les gaz à évacuer, tout en améliorant le bilan thermique général.
9 ) - La complication apparente de la structure du nouveau systè- me proposé serait largement compensée par la simplicité du fonctionnement, et, si le coût des installations peut paraître élevé par comparaison, la som- me des avantages énumérés ci-dessus permettrait un amortissement rapide du capital investi.
Les dépenses d'installation devraient comprendre la construction d'un petit gazogène à coke destiné à l'allumage et à la mise en service du four.
Ce gazogène serait arrêté ou mis en veilleuse sans dépense appré- ciable dès que le cycle normal de chauffage du four serait établi.
Le dispositif d'épuration du gaz, dépoussiéreur (18) et laveur (19), déjà prévu, pour le four, servirait pour le gazogène au moment du démarrage.
Ce gazogène ne serait pas nécessaire si l'on peut disposer dans les environs des fours, d'une source de gaz de cokeries, de gaz de hauts-four- neaux, de gaz de pétrole ou même de gaz naturel méthane.
Du point de vue constructif, le nouveau système en question ne né- cessite aucun organe ou appareil présentant des difficultés particulières de réalisation, d'entretien ou de bonne conservation.
La structure générale est constituée par des ossatures, blindages et mécanismes de types connus et de fabrication courante
Dans certains cas, pour des raisons d'économie, une bonne partie des charpentes métalliques peut être remplacée par du'béton armé.
Les produits réfractaires et isolants qui constituent les revête- ments intérieurs n'étant plus soumis à des températures excessives et ne pré- sentant aucun danger d'altération chimique, peuvent être de qualité courante et d'un prix modéré.
Le seul point délicat dans toute la construction est la réalisa- tion de la colonne centrale de régénération. En raison de ses dimensions et des contacts qu'elle doit subir tant à l'intérieur qu'à l'extérieur, il est indispensable de l'exécuter avec des blocs de forme spéciale en réfractaires à haute résistance mécanique et chimique, voire même avec des métaux réfrac- taires .
Les progrès récents réalisés dans la fabrication des produits ré-
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fractaires spéciaux permettent d'obtenir couramment les éléments néces- saires à une structure stable et durable.
Le régime thermique du four ne devant pas dépasser 1100 centi- grades, il est évident que les réfractaires susdits ne seront pas exposés à des épreuves excessives ou dangereuses.
Enfin, toutes les opérations étant mécanisées, mesurées et con- trôlées rationnellement, on peut conclure que la présente invention constitue un progrès réel sur les antiques procédés toujours en usage, en donnant tou- tes garanties de sécurité et de salubrité,, tant aux Industriels qu'à leur per- sonnel ouvrier.
REVENDICATIONS.
1 ) Four à chaux chauffé par régénération du gaz carbonique C02 dégagé par le calcaire en voie de calcination.
2 ) Four à chaux au moyen de gaz chauds dont la combustion est complète avant de quitter la chambre de combustion extérieure au four pour entrer en contact avec la masse de,calcaire à calciner.
3 ) Four à chaux muni d'une colonne centrale en réfractaire (ou autres matériaux) fonctionnant comme un gazogène et correspondant à la re- vendication n 1.
4 ) Four à chaux de section horizontale annulaire réduisant l'é- paisseur de la masse calcaire à calciner pour accélérer et uniformiser la calcination à température constante et contrôlable.
5 ) Four à chaux récupérant les calories emportées par la chaux en voie de refroidissement, par réchauffage de l'air comburant nécessaire aux brûleurs à gaz.
6 )Four à chaux dont le chargement est assuré par une série d'or%1- ces répartis à la périphérie de la cuve, ces orifices étant eux-mêmes ali- mentés par un distributeur mécanique circulaire répartissant le calcaire d'u- ne manière continue et uniforme sur toute la surface annulaire du four.
7 ) Four à chaux dont le défournement est assuré par un collecteur rotatif continu déversant la chaux lentement sans chocs ni poussières., par une goulotte placée au-dessus d'un wagonnet basculant ou d'une courroie transpor- teuse.
8 ) Four à chaux permettant de capter le gaz carbonique (C02) ex- cédentaire et de l'envoyer vers une station d'épuration en vue de son utili- sation industrielle (sucreries, usines frigorifiques, industries chimiques etc ... )
9 ) Four à chaux inexplosible par suite de l'absence de gaz déto- nants dans la masse calcaire et dans le vide sous-jacent au sommet du four.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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- VERTICAL LIME OVEN. A REGENERATION-OF CARBONIC GAS.
Since ancient times, lime has been obtained by calcining limestone in contact with solid fuels, such as wood, charcoal, coal, coke etc ...
The lime obtained is always soiled by the ashes and impurities contained in the aforesaid fuels.
In addition, the arrangement of the vertical ovens and the difficulty of properly regulating the combustion in a closed enclosure and almost impossible to access, lead to temperature inequalities, due to the abnormal locations of the fire, well known to boiler makers.
This results in a percentage of incuits which places a heavy burden on the cost price of the lime obtained, and requires expensive sorting.
The linings of refractory products lining the inside of lime kiln tanks are exposed to violent gunshots which, added to the wear due to the continuous friction of the pieces of limestone, provoke the rapid destruction of the lining bricks.
Their periodic and frequent replacement entails a considerable expense and a loss of earnings due to the prolonged shutdown of the ovens.
Finally, the conduct of operations requires specialized cooks, with high salaries, and which are becoming increasingly rare, the workers gradually abandoning this hard profession for less unhealthy tasks.
Many users or builders have tried to mitigate these serious defects by improving the means of loading, unloading, general handling, sometimes even recovery of lost heat.
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In some industries, such as sugar factories, carbon dioxide is collected from limestone and fuel for use in sugar operations. - In other cases, the carbon dioxide is captured and compressed in bottles, with a view to various uses in brewing, manufacturing, cold industries, etc.
On the other hand, to improve these firing conditions and obtain lime free from impurities, some firms have built furnaces heated with gas or liquid fuels. - Unfortunately, the consumption of these ovens remains very expensive and the percentage of incuits very high.
Despite these various improvements, the calcination process has remained immutable in the sense that combustion takes place in contact with a limestone mass which gives off about half of its weight of carbon dioxide.
This ancient method which consists in burning fuel bathed in a specifically extinguishant gas such as C02, presents a paradoxical character.
With this empirical method, combustion can only take place thanks to an excess of combustion air which supplies the necessary oxygen, but considerably reduces the mass of gas in reaction. - This process is irregular and random, because it cannot be controlled or measured.
The calcination is more or less good, according to the conformation and the more or less happy behavior of the furnaces, and the boiler makers never know in advance what will be the result of the cooking in progress.
In addition, the excess air essential in this case, ipso facto leads to an excessive consumption of fuel without correcting the irregularities of calcareous firing, nor eliminating the vents, as well as the risks of deterioration of the interior linings.
Finally, the carbon dioxide (002) which is released from the limestone, meets in its upward path, the upper layers of fuels, and undergoes on contact a partial reduction resulting in the formation of carbon monoxide (CO). . - This toxic gas evacuated at the top of the furnaces corresponds to a significant fraction of fuel which is lost.
The process previously recommended by ELDRED, which consists of capturing the gases and vapors leaving the loading throat, and returning them to the foot of the furnace, could in certain cases improve the output, but did not give sufficient results to generalize its application.
Some manufacturers (“FOURS CHAUDIERE” among others) have imagined placing a hollow column in the center of the vertical furnaces allowing the suction of the hot fumes coming from the calcination of the limestone, in order to better distribute the heat in the mass. - Although quite logical, the applications of this device have not made it adopted by the heating operators, owing to various constructive drawbacks.
In summary, and with the exception of the calcination of limestone in rotary tube furnaces (analogous to those used in the manufacture of cements) we must conclude that the manufacture of lime has remained for centuries a random operation and expensive.
In the past, as long as fuel and labor have remained at a moderate price, the heating workers have been able to resign themselves to this state of affairs. - Today, Nais is concerned with saving fuel and labor, as well as the growing need to obtain very pure lime for industrial uses (addition lime for basic steelworks, lime for chemical manufacturing, calcium carbide etc ...) require serious per-
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features in the structure of the ovens and the manufacturing process.
To this end, the undersigned, basing themselves on a long practice of industrial heating, recommend a new vertical lime kiln system, the paternity of which they claim, and the originality of which seems to them sufficient to justify the patent for invention.
Before approaching the description of the process and of the furnace system, which is represented in the attached schematic drawing, it is useful to recall the physicochemical conditions of calcination of limestones:
Depending on the granulometric state and the composition of the limestones, the dissociation takes place between 900 and 1100. - Any higher temperature is superfluous and even harmful, because it can cause overcooking and melting of the material with sticking to the walls.
Under the influence of heat, approximately 500 K of lime (Ca 0) and 450 K of carbon dioxide (002) are obtained, ie a volume of 225 cubic meters per tonne of limestone in the oven.
This enormous quantity of CO2 gas, added to that of the gases coming from combustion with excess air (002 + 02 + Az) and to the quantity of water vapor contained in the limestone coming from the quarry, represents a volume considerable amount to vent at the top of the oven.
In addition, it bears repeating that, as a result of defective combustion, these gases contain a sometimes excessive quantity of carbon dioxide (CO) which is toxic in low doses, and corresponds to a quantity noticeable incompletely burnt fuel.
As for the existing vertical furnaces, heated with gas by means of burners placed at the periphery, they do not manage to properly cook the central zone of the limestone and still give many incuits, coming mainly from the center of the mass. difficult to reach by the flames of the outer burners.
Once this has been done, here is the description of the furnace system suitable for the recommended process and shown in the attached schematic drawings.
Folios I, II and II. Figures I to VIII.
The horizontal section of the oven is circular.
The vertical profile consists of two truncated cones joined together by their bases and does not differ much from the usual profiles of existing lime kilns. Fig. I, folio I, is a central vertical section.
In the center is a hollow column in special refractory (0) fig. I and III, intended to receive the fuel (coke, anthracite or lean coals free of tar or other impurities).
At the top of this hollow column is a hopper (1) Figo I, distributing the fuel in continuous operation.
At the foot of the column is a closure (2) fig. I, with mechanical device for evacuating the ashes in a small tilting wagon of the usual type.
Raw limestone in pieces of about 10 cm. is brought to the level of the upper platform (recipe) of the oven by an elevator (29), fig. I and II (bucket chain or other device of known type) which discharges the material into a circular horizontal distributor (3) fig. I and II, distributing the loads uniformly and continuously through a series of vertical openings (4) fig. I and II performed in the ceiling of the oven.
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As a result, the mass of clacaire under treatment is accumulated in an annular section located between the peripheral lining and the central column containing the fuel.
At the top of the oven there are holes (5) fig. I and II, leading to a pipe (6) freezes I and III, intended to suck the gases and vapors released by the calcination and to send them either to the chimney (7) freezes I and II, or to a pipe d suction (8) fig. I, leading to the fan of a C02 treatment plant independent of the furnace.
At the lower part of the furnace, there is a metal shield (20) freezes I, internal, of sectional shape, which receives the lime in the process of cooling. the external face of this shielding, which is a good thermal conductor, is released by the air necessary for the combustion of the burners. This combustion air heats up in its upward movement in contact with the metal shielding and ends up through conduits (25) freezes I and VI, in an annular combustion chamber (9) freezes I and V, contiguous externally to the base of the upper cone in the region where the calcination of the limestone takes place.
This combustion air is blown through a series of pipes (24) fig.
VII, grafted onto a circular feed pipe (23) figs I and VII, supplied by a centrifugal fan (22) fig. I, placed at ground level.
In the combustion chamber (9) fig. I and V, the heated air and the combustible gas are mixed through vertical intake pipes (12) fig. I and V.
These pipes are supplied by a circular feed pipe (il) fig. I and V, which is connected to a centrifugal fan (17) fig. I, sucking the gas at the top of the central column and pushing it back to the burners.
Combustion must be complete in the combustion chamber (9) and produce high temperature gases (around 1300) there which are mainly composed of CO2 and neutral nitrogen contained in the combustible gas without excess air. . '
These very hot gases enter the interior of the oven through slots or crenellations (13) fig. I and V, made on the periphery of the peripheral refractory lining and are sucked through other slots (14) Fig 'I and IV of the same type provided in the circular wall of the central column described above.
During their centripetal path, from the periphery to the central column, the aforementioned gases pass through the mass of limestone through the interstices existing between the pieces and communicate to them the temperature necessary for their calcination (from 900 to 1100 depending on the nature of the limestones).
The relatively small thickness of the mass facilitates the passage of the heating gases from the burners and accelerates the calcination in a uniform manner in order to suppress the leaks.
The carbon dioxide CO 2 coming from the dissociation mixes with the heating gases and is sucked in part through the orifices (14) of the central column, the excess being sucked up towards the top of the furnace while passing through and gradually heating the descending limestone mass.
The fraction of CO2 gas which enters the central column comes into contact with the pieces of coke previously heated to red by partial combustion at the base in the calcination region (15) freezes I.
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There must then occur between the 002 coming from the limestone and the incandescent coke, the classic and well-known reaction which governs the operation of gas generators, lean (1-air gas) and has for symbols: carbon dioxide COZ + C (fuel carbon) = 2 CO (carbon monoxide).
The result of this reaction is that the CO 2 produced by the furnace is transformed by regeneration into combustible carbon monoxide and rises in this state to the top of the central column where it is sucked in by a pipe (16) fig. I and II connected to the fan (17) placed at ground level.
But before reaching the aforementioned fan, the CO gas first passes through a cylindrical-conical dust collector (18) fig. I of known type, and then a cylindrical scrubber scrubber that dig I type Scrubber, usual type.
At its exit, the purified and cooled gas passes through the fan (17) which delivers it to the combustion chamber (9) via the pipe (21), fig. I and VI.
The continuous evacuation of lime by the lower cone (20) is done by a rotary mechanical collector of annular shape (28) fig. I and VIII.
By an appropriate mechanism and of known type, the aforementioned collector discharges the lime into an inclined channel (chute) (10) fig. I and VIII, the end of which is fitted with an articulated closure overhangs the receiving tilting wagon, if it is only an oven., Or else a conveyor belt of the usual type if it is involves collecting lime from several kilns placed side by side in battery.
On the other hand, at the base of the central column there are vertical conduits (27) fig. I and VII, intended to bring combustion air to the region where the coke combustion takes place, that is to say a little below the level of the limestone calcination zone.
These vertical ducts, made in the thickness of the wall of the column, are connected by vertical metal pipes grafted onto a circular feed duct (26) figs I and VII, receiving the air blown by the fan already mentioned (22 ).
This combustion air heats up in its ascent in contact with the wall of the central column which is coated by the cooling chaos and by the descending coke ash.
From the combination of the above devices, it follows that the recovery of the calories contained in the lime is as complete as possible.
As for the recovery of the CO2 gas originating on the one hand from the calcined limestone and on the other hand from the combustion of the heating gases, it is completed by capturing the upper part of the furnace by means of the orifices and conduits described above.
Due to the fact that the limestone is heated and brought to the dissociation temperature by means of the sensible heat of incombustible gases, there is no longer any risk of explosion inside the furnace.
This eliminates the causes of deflagations which constitute a serious drawback of existing vertical ovens, heated only by gas burners distributed around the periphery of the cooking zone.
In these furnaces, it sometimes happens that, by a faulty burners, the gas and air mixture is irregular, and combustion takes place somehow in the mass of limestone.
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If, through improper adjustment, the burners allow excess unburned gas to pass through, the accumulation of this in the furnace can cause explosions. In any case, this drawback results in an exaggerated consumption of toxic fuel gas, evacuated in pure loss through the chimney.
As for the question of the armatures, it is easy to understand why in these old system furnaces, the central limestone zone does not receive the sufficient heat necessary for complete calcination.
This defect is due to the fact that the hot gases coming from the burners have a natural - and unfortunate - tendency to travel upwards along the internal wall where they find an easier passage than in the limestone mass.
From these defective conditions, it results that in these furnaces, to calcine the center of mass, it is necessary to overheat it at its periphery (hence overcooking and sticking) or else considerably slow down the descent of the limestone, which decreases the productivity of the ovens.
The final result of the new system recommended above, based on thermochemical calculations and on the establishment of an easily controllable heat balance, has the following advantages:
1) - A fuel economy that can be evaluated in industrial practice at half the quantity of hard coal or coke consumed in the old existing furnaces, whether they are heated by gas or by direct contact of solid fuels with pieces of limestone.
The best known vertical kilns currently still require a consumption of about 200 K coke per tonne of lime.
The saving achieved by the new aforementioned system would therefore be around a hundred kilos of fuel, the value of which can easily be calculated per tonne of lime.
2) - The practically complete disappearance of incuits and overheats as a result of the uniform distribution of heat throughout the mass of limestone and the maintenance of the dissociation zone at a permanent level.
3) - Savings on the dimensions and structure of the ovens.
4) - Obtaining an extra-pure lime due to the fact that the limestone is only in contact with washed and purified gases.
5) - The preservation and very long life of the special refractory linings which, in the furnaces currently in service, are rapidly destroyed.
From where a considerable saving by the elimination of the frequent repairs and the loss of profit due to the prolonged shutdowns of the furnaces
6) - The ease and regularity of operation of the new proposed system; which, by means of control or measuring devices and means, allows automatic operation.
This increased security eliminates the specialized, expensive and difficult to recruit manpower required by the old systems.
7) - the consumption of motive power necessary for the operation of the various devices (elevator, distributor, collector, fan, etc.) is very low relative to production.
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Electricity consumption per ton of lime discharged can be estimated at a dozen kilowatt-hours.
8) - The possibility of capturing and using excess CO2 gas for industrial purposes.
Among the uses already known and practiced in certain industries, one can envisage the heating of furnaces, dryers and various hearths, installed in the vicinity of lime furnaces, by the regeneration of 002 in coke gasifiers of special type and 'a design similar to that of the central column described above.
As a first application, mention may be made of the prior drying and heating (especially in winter) of wet or frozen limestone, coming from a quarry, before its introduction into the kiln.
This prior desiccation of the limestone in appropriate silos would make it possible to eliminate the presence of unnecessary or harmful water vapor in the gases to be evacuated, while improving the general thermal balance.
9) - The apparent complication of the structure of the proposed new system would be largely offset by the simplicity of operation, and, if the cost of the installations may appear high by comparison, the sum of the advantages listed above would allow a depreciation. fast invested capital.
Installation costs should include the construction of a small coke generator for ignition and commissioning of the furnace.
This gasifier would be stopped or put on the back burner without appreciable expense as soon as the normal heating cycle of the furnace was established.
The gas purification device, dust collector (18) and scrubber (19), already provided for the furnace, would be used for the gasifier at the time of start-up.
This gasifier would not be necessary if a source of coke oven gas, blast furnace gas, petroleum gas or even methane natural gas could be available in the vicinity of the ovens.
From a construction point of view, the new system in question does not require any organ or device presenting particular difficulties in construction, maintenance or good conservation.
The general structure consists of frames, shields and mechanisms of known types and of current manufacture
In certain cases, for reasons of economy, a good part of the metal frames can be replaced by reinforced concrete.
The refractories and insulators which constitute the interior linings, no longer subjected to excessive temperatures and presenting no danger of chemical deterioration, can be of ordinary quality and of a moderate price.
The only delicate point in the whole construction is the realization of the central regeneration column. Due to its dimensions and the contacts that it must undergo both inside and outside, it is essential to carry it out with specially shaped blocks of high mechanical and chemical resistance refractories, or even with refractory metals.
Recent advances in the manufacture of re-branded products
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special fractals commonly provide the elements necessary for a stable and durable structure.
Since the thermal regime of the furnace should not exceed 1100 centigrade, it is evident that the above refractories will not be exposed to excessive or dangerous tests.
Finally, all the operations being mechanized, measured and rationally controlled, it can be concluded that the present invention constitutes real progress on the ancient processes still in use, by giving full guarantees of safety and health, both to industrialists. than to their workers.
CLAIMS.
1) Lime kiln heated by regeneration of carbon dioxide C02 released by limestone in the process of calcination.
2) Lime kiln by means of hot gases whose combustion is complete before leaving the combustion chamber outside the kiln to come into contact with the mass of limestone to be calcined.
3) Lime kiln fitted with a central column in refractory (or other materials) functioning as a gasifier and corresponding to claim no. 1.
4) Lime kiln with an annular horizontal section reducing the thickness of the limestone mass to be calcined in order to accelerate and standardize the calcination at a constant and controllable temperature.
5) Lime kiln recovering the calories carried away by the cooling lime, by reheating the combustion air necessary for the gas burners.
6) Lime kiln, the loading of which is ensured by a series of or% 1- these distributed around the periphery of the tank, these orifices being themselves supplied by a circular mechanical distributor distributing the limestone from a continuous and uniform manner over the entire annular surface of the oven.
7) Lime kiln, the discharge of which is ensured by a continuous rotary collector discharging the lime slowly without shocks or dust., By a chute placed above a tilting wagon or a conveyor belt.
8) Lime kiln to capture excess carbon dioxide (C02) and send it to a purification plant for industrial use (sugar factories, refrigeration plants, chemical industries, etc.)
9) Lime kiln that cannot be exploded due to the absence of explosive gases in the limestone mass and in the underlying void at the top of the kiln.
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