CHAPITRE VI
DeUXIEME GROIIPE DE FOURS A GAZ. GAZ A L*EAU. G.^Z MIXTE.
§ 1. Reactions de combustion. — La production du gaz d Teau Iheo-
rjque CO + H' est impossible sans Tintervention d'une source de
chaleur ext^rieureau gazogene, ce qui, industriellement, est peu rea-
' Jisable. Le gaz a Teau d'industrie est done toujours un gaz m61ang6
d oxyde de carbone ou gaz mixte.
Les reactions de gaz6ifi cation et de combustion dans un four d gaz mixte se font comma suit :
Brtilons notre unit6 (12 grammes) de carbone; une fraction m du combustible est gaz6ifi6 par Feau :
wi[C + H«0] = m[CO + H^], [1]
avec absorption de [58,2 — 29,4]m = 28^ 8 m.
Le reste du combustible est br£il6 par Fair :
( I — m) [C + 2 Az« + Va 0*] = (1 — m) [CO + 2 Az*] , [2] avec d^gagement do (\ — - m) 29,4 calories.
Lc melange de ces deux gaz a la composition :
CO + wH« + (1 — m)2 AzS [3]
et brtilera dans le four par Tair secondaire en donnant des fum6es dont la composition sera :
CO* + 2Az« + w[H*0 + 2Az«] + (1 — wi)2Az«
= C0« + 4Az* + wiH«0. [4]
La proportion m suivant laquelle les reactions de gazeification [1] et [2] interviennent est arbitrairc, au moins entre certaines limites, et ne depend que de la quantity d'eau inject^e sous la grille, dont on est mailre ; suivant que la proportion de gaz a Teau sera plus ou
moins grande, la temperature du gaz mixte sera plus ou moins basse. Cette temperature ne peut cependant etre abaissee au del^ d'une certaine limite, sinon le gazogene s'^teindrait et Texperience a montr^ qu'au-dessous de 600>, la combustion du carbone k I'air s'arrete.
II s'ensuit que la temperature d'un gaz mixte sera loujours comprise enlre 600*^ et la temperature de gazeification supposee faite k Fair sec (1 32liP par exemple si lair primaire est froid), et qu'elle pourra osciller arbitrairement entre ces limites, la oosnposition du gaz sabissant uoe variation correspondante.
Pratiquement, lorsque le gaz k Feau est avantageux, on aura presque toujours inter^l k en produire le plus possible, c'est-^-dire a se rapprocher de la limite de 600® : c'est done cette temperature limite que nous adopterons pour nos calculs.
Ce point etant fixe, il devient possible de calculer m, c'est-^-dire la composition du gaz. Supposons, par exemple, Tair primaire froid; il suflira d'exprimer que lachaleur degagee par la combustion enoxyde de carbone par lair de (1 — m) de carbone, diminuee de la chaleur absorbee par la gazeification par I'eau de m, donne assez de calories pour porter le gaz produit a 60{>^.
— 28,8 m + 29,4 (1 — m) > C^(m [CO + H2] + ( I - m) [CO + 4Az2]) . Le calcul montre que pour m = ^ cette condition est plus que
remplie, en sortequ'avec ^ de gaz k I'eau et ^ de gaz k I'air, la tem-
perature se maintiendra un peu superieure k 600^*, et le gazogene k gaz mixte pourra fonctionner de fagon satisfaisante. Ce resultat est remarquablement d'accord*avec la pratique qui a etabli, depuis la generalisation du gaz k I'eau, que le meilleur efFetqu'on en peut obtenir est
atteint en envoyant au gazogene la vapeur d'eau correspondant au
^ du combustible.
Si Tair primaire est chauffe, la chaleur latente contenue dans cet air vient s'ajouter aux 29<^*^4 que produit la combustion du carbone, et la valeur de m est accrue d'autant. Aux temperatures de 1 OOO^ et 1 500°, qui nous interessent, le chaufFage de I'air primaire permettrait
de gazAifier par la vapeur d'eau (') 48 '/o et 34 Vo da combustible en maintenaQt le gazogene i 600>.
Si, de mdme, on chauffait la vapeur d'eau, on accroUrait la proportion de gaz k I'eau (').
§ 2. Premier cas : Simple rteopmUoB par I'alr secondaire. — Ce cas
eal r^is4 dans les fours de la Comp^nie Parisienne du Gaz, les
Fig. 1. — Four a lailon a gaz m[\te, J simple recuperation, S r^uperaleurs Lencauchei.
nigmes que nous avons dejfl rencontre avec le gaz iH'air et qui fonc-
{DLucakul permetlani de d^ietminec la proportion de gaz & I'eau dans lecosdii [liaulTage de I'alr primairese fait comnie cl-de£su3 :
— i9,i- s8,jni-)-(i — m)Ci™['/,0< + sAi'):=(^[CO-)-mH' + (l — m)iAi']
fB,« ^
tionnent tant6t d Tair avec cendrier ouvert et tirage naturel, tantdt avec eau sous la grille avec cendrier ferme a tirage naturel, tantdt avec injection de vapeur par Koerting.
On rencontre 6galenient des fours de verrerie d bassin des syst^mes Siemens, Gobbe, Radot-Lencauchez employant un gaz mixte.
Enfin, la m6lallurgie du cuivre en ofFre d'assez nombreux exemples, appliques en particulier par la Soci^t^ des Metaux.
Nous donnons ici (fig. 1), k titra d'exemple de four a simple recuperation a gaz mixte, un four k laiton de la Society des Metaux avec r6cup6rateur a courants parall^les en sens inverse. Les gazogenes de ce four donnent un gaz mixte contenant environ 12 Vo d'hydrogene. La temperature de regime y est inferieui*e a 1 000*.
Calculous Tutilisation de la chaleur, en admettant, comme nous
sommes en droit de le faire, une production de ^ gaz d Teau. Les
reactions du gazogene sont :
I [C + 1 02 + 2Az»] = I [cO + 2Az»] .
La composition du gaz est :
La quantity d'air secondaire n^cessaire i sa compositioD est :
|o> + 2Az> + io>+|Az%
Pour combustion Pour combuslion
de CO , i „.
de -H»
Celte quantity est, on le voit, sup^rieure de ^ a celle que comporte
un four a gaz d Tair.
La composition des fum^es est :
C0« + 4Az* + \ H*0
dont la chaleur d'tJchaufFement, est plus grande que dans le cas de
gaz a I'air, de toute la chaleur d'^chauffement de la vapeur d'eau (*).
Le tableau ci-dessous resume le calcul d'utilisation de la chaleur :
Tableau de calcul des chaleurs utilised et perdue dans un four d gaz a Veau,
a simple recuperation par Vair secondaire.
Chaleur disponiblc : 97«"'6.
Calories emporl^es par les produits \ 4 Az»
de combuslion ) 1
( - 0« + 2Az« . . .
Calories r^up^r6cs par I'air secon- > 2
daire porl6 de i 1 000 ou 1 S0D«. ) ^ ^, , 2
Chaleur oerdue oar les fum^es (F — R)
F — R Perte «>/o = P
' 97,6 Chaleur utilis^e ou renicment U
Le fait le plus saillant resultant de" ce calcul, rapproch^ du cas correspondant du gaz d Tair, est le peu d'avantage du gaz a Teau dans les fours d simple recuperation : Tam^lioration de recuperation, resultant de la plus forte proportion d'air secondaire, est compensee par la perte de calories qu'entraine la vapeur d'eau dont la chaleur specifique est tres eievee. Ainsi d 1 SOQo on ne gagne que S'^^d; 4 1 000' 0<»i 8 seulement.
Ce dernier chiffre est particulierement interessant, car il concerne les fours d cornues d gaz : on peut en deduire qu'il n'y a pas dans ces
(1) Gette chaleur n'cst nuUement n^ligeable, puisque r^chauflement du volume mol6culalre de vapeur d'eau de ^ 1 000* absorbe 11 calories, et de ^ 1 500° 18 calories.
82 iStude theorique de la recuperation
fours, grand avantage d marcher avec gaz k Teau plutdt qu'avec gaz 4 Tair. Nous retrouvons ainsi par la Iheorie Texplication et la confirmation d'un fait qu'une longue experience a d6ja 6tabli.
On peut enfin conclure, au point de vue pratique que, dans ce cas d'op6rations industrielles k 1 OOO® et au-dessous, il est inutile d'employer le gaz mixte et m6me que cette pratique est souvent nuisible comme grevant le codt de construction des fours et compliquant les gazogenes, sans profit.
§ 3. Deuxieme cas : Double recnp6ratioii par Tair secondaire et le gaz.
— Ce cas est le plus important de la th^orie du chauffage par gaz a Teau. La plupart des fours Siemens, fours a acier, fours de verrerie, emploient un gaz plus ou moins enrichi d'hydrog^ne, soit qu'ils aient des gazogenes ouverts avec cendrier noy6 d'eau, soit qu'ils possedent des Koerting injectant de la vapeur dans un cendrier ferm6.
La suppression du siphon dans les nouveaux fours accentue encore cette tendance ^ Temploi de Teau, puisque cet auxiliaire abaisse la temperature du gaz et permet ainsi ^ la chambre de recuperation du gaz de remplir son r61e, tout en enrichissant le gaz, ce que le siphon ne faisait pas.
L'examen de ce cas est, enfin, d'un grand int^r^t pratique, car dans les fours a deux groupes de chambres, il serait souvent facile de passer du gaz a Fair a un gaz mixte, par des transformations insignifiantes du gazogene ; il est done utile de connaitre I'avantage qu'on en peut tirer.
Nous donnons ici (fig. 2), comme example de four k double recuperation, a gaz mixte, un four de verrerie k bassin de 150 tonnes, dont les gazogenes Siemens sont k cendrier noye d'eau donnant un gaz tenant de 8 k 10 °/o d'hydrog^ne. La temperature de regime y est de 1 450°.
La gazeification et la recuperation par Fair secondaire se font ici de la meme fagon que dans le cas precedent ; il n'y a done, pour avoir la valeur de la chaleur utilisee, qu'd ajouter les calories recuperees par le gaz porte de 600® d la temperature de regime 1 000° ou 1 oOO». Nous avons ainsi immediatement le tableau suivant :
Fig. i. — Four de vcrrerie a bassin, k double recuperation, sjsl^ine Siei
Tableau de calcul des chakurs utilise et perdue dans les fours d double ricup^ation^ d gaz mixte.
Chaleur totale disponihle : OT*'*' 6.
1 GOO*
Calories emoort^es par les fum6es F
— r6cuD6r6es oar I'air seconaire
— ■ r6cupdr6e8 par Je gaz ( CO + - H» + - Az« J port6 de 600® k 1 000* ou i 500®
Chaleur totale r^cuu6r6e R
Chaleur oerdue oar les fum^cs F — 11
Chaleur perdue '/o = P
97,6 chaleur utilised ou rendement U
L'avantage resultant de Temploi de gaz mixle est ici Evident : dans un four a 1 OOQo I'^conomie sera de 84,8 — 75,7 = 9,1 Vo ; ^ 1 500o elle atteint 84,3 — 66,3 = 18 Vo et peut r^aliser une diminution de pr^s
de ^ de la consommaiion de combustible. Plus la temperature sera
(^lev6c, plus r^conomie sera grande.
II y a done un int6r6t de premier ordre, dans les fours a double rdcup^ration, a employer du gaz d Teau, et, dans les li mites que pre-
sente Tindustrle, I'tonomie pourra varier de 7^ d t de combustible.
L'dconomie de v qui peut 6tre r6alis6e dans les fours k acier (1 800°)
explique la tr^s grande favour qu'a rencontr^e le gaz d Teau t son originc, et dans une certaine mesure les illusions qui ont pu naitre de la prdiendue transformation de Teau en combustible. Aussi est-il int^ressant de retrouver, par le calcul, les r^sultats que la pratique avait donnas; mais pour 6viter de nouvelles erreurs sur Temploi du gaz a Teau, il convient de ne pas perdre de vue que leconomie r^sulte uniquement d'une meilleure recuperation.
La recuperation par Fair est accrue de ^ par I'augmentation ^qui-
valente deTair secondaire; la recuperation par le gaz est facilitee par Tabaissement dc temperature de ce gaz de 1 350^ d 600®, et c'est ce double resultat qui pent faire gagner jusqu'a 23 Vo de combustible, sur les calories qui se perdraient t la cheminee.
§ 4. Troisieme cas : Double recuperation par I'air primaire et Tair secondaire; chauffage de Tair total. ~ L'industrie actuelle ne donne pas d'exemple complet d'application de ce systeme, par la raison dejd enoncee de reievation excessive de la temperature sous la grille des gazogenes; mais on a tente une application partielle pour le chauffage des fours d cornues. D'autre part, le nouveau four Siemens fonctionne partiellement d'apr^s ce systeme, car dans beaucoup d'usines on insuffle sous la grille de ce four, en memo temps que beaucoup d'air froid, un peu d'air chaud, et de la vapeur d'eau, de fagon d mainlenir sous la grille une temperature d'environ 500«.
L'examen de ce cas est done utile tant au point de vuc de la critique du nouveau four Siemens que pour examiner les progr^s qui pourraient etre accomplis dans la voio des fours a double recuperation par Fair total, primaire et secondaire.
Nous donnons ici (fig. 3) le dessin schematique du four h cornues k gaz systeme Klonne, d'apr^s le dessin du brevet anglais Henry. On pent y voir que la recuperation se fait par le systeme des courants paralleles en sens inverse, au moyen de deux recuperateurs, Tun pour Tair primaire, I'autre pour Fair secondaire.
Rappelons que, par le fait du chauffage de Fair primaire d 1 000° ou \ 500°, la proportion de gaz d I'eau pent etre portee a 48 Vo et 54 Vo, en maintenant d 600® le gazogene. Le calcul fait d'apres ces donnees, et qu'il est sans interet de reproduire ici dans tons ses details, donne les resultats suivants indiques dans le tableau ci-apres.
On voit, par ce tableau, que Tulilisation de la chaleur est excel lente, d toutes temperatures, aussi bonne et parfois meilleure qu'avec la double recuperation par Fair et le gaz.
F[G. 3. — Four k coi'nues, sjsl^me KlOnne.
Tableau de cakul des chaleurs perdue it utilisee dans les foun
a double recuperation, par Vair total avec gaz a Veau,
en supposant le gazoghie maintenu d €00".
Chaleur disponlble : 97«»' 6.
Calories emDort6es pour les fum^es F
Calories r6cuD^r^3 par I'air total R
Chaleur perdue par les fum^s F — R
, F — R ^ Perte •/© ■ — p
Chaleur utilisee ou readement U
C'est un r6sultal int^ressantetqui nous semble de nature d diriger les progr^s d venir vers cette solution encore peu essay 6e. La recuperation par Fair total a, en effet, Tavantage de r6duire les quatre chambres des fours Siemens a une seule paire dechambresconjugu6es, d'oii Ton puiserait a la fois Fair primaire et I'air secondaire, at de simplifier beaucoup la construction des fours.
Rapproche de la m^me double r6cup6ration par I'air total avec gaz a Fair, le cas que nous studious pr^sente une inferiority assez sensible, et qu'il etait facile de pr^voir, puisque la vapeur d'eau emporte d la cheminee, sans compensation, toute la chaleur n^cessaire d son echauffement jusqu'd la temperature de regime du four. II ne faudrait pas en conclure que le gaz d Teau est sans interet avec la recuperation par Fair total ; sans cet auxiliaire, le gazogene alimente d'air tres chaud atteindrait, on le salt, une temperature excessive : la vapeur d'eau, par sa decomposition, permet de refroidir le gazogene d 600°, et ramene le probleme d la seule question de conservation de la grille ou a la realisation d'un gazogene a fusion de cendres. L'inferiorite est done plus apparente que reelle.
II nous semble qu'il y a la, surtout aux temperatures moyennes, une solution du probieme de la recuperation qui pourraitetre feconde; et elle ne parait pas irrealisable, puisque, par exemple, il sufQrait,
dans le four Siemens nouvelle disposition, de remplacer le gazogene Siemens par un gazogene d Fair chaud pour avoir imm^diatement un four a double recuperation par Fair total (*).
§ 5. Quatrleme cas : Triple recuperation par Tair primaire, I'air se- Gondaire et le gaz. — La triple recuperation par Fair primaire, Fair sccondaire et le gaz n'a pas eie realisee industriellement, d notre connaissance. Elle comporterait trois recuperateurs, le troisidme recueillant par le chauffage de Fair primaire la chaleur restant disponible dans les fumees d la sortie des deux premieres chambres, et que nous avons vu etre de 15,2 Vo i 1 00O> et de 45,8 Vo d 1 500o.
Ce systeme n'est applicable qu'avec une gazeification a Feau qui, en abaissant la temperature du gaz, permet la recuperation apres Ic chauffage de Fair primaire ; malgre la complication des trois chambres, il presente un reel interet, car son rendement, evidemment superieur d celui du four Siemens, et le plus eieve que Fon connaisse, atteint la limite compatible avec les principes de la recuperation. Cette limite est meme, en quelque sorte, depassee en ce sens que la masse des gaz recuperants est superleure d celle des fumees : Fair envoye au gazogene apres avoir beneficie d'un premier echauffement dans la troisieme chambre, transforme en gaz a Feau, se trouve refroidi assez pour participer une seconde fois a la recuperation; les fumees, au contraire, ne traversent qu'une fois les recuperateurs et leur chaleur d'echauffement est evidemment inferieure d la somme des chaleurs d'echaufifement de Fair total etdugaz; la limite de recuperation est depassee au point de vue des masses de gaz. Dans ces con^ ditions, on pourrait, par un calcul irraisonne, conclure d une recuperation parfaite, d un rendement de 100 Vo? landis qu'ii y a toujours une legere perie resultant dc ce qu'au-dessous de 600<> il ne reste
(1) Bien des tentatives ont d6ja 6t6 failes dans ce sens et nous devons signaler en parliculier celle de F. Siemens qui a tent6 de substituer a son gazogene k grille un gazogene k talus d'6boulement, sans barreaux. Mais nous ne croyons pas qu'il y ait encore de solution complete du probleme, car les temperatures les plus 61ev6es dont nous ayons connaissance dans les cendriers de gazogenes sont 400<* a 450<>. Au delk de ces temperatures, les gazogenes fonctionnent mal ; il y a encore fort k gsgner pour atteindre la r6cup^ralioD par I'air primaire, qu'on ne doit consid^rer comme complete qu'i partir de l 000* mesur4s sous la grille ou dans le cendrier.
plus en presence des fum^es que Fair total, dont la chaleur d*6chauffement est moindre.
Tableau de calcul des chalew, s perdue el ulilisde dans les fours a triple recuperation, a gaz mixte.
Calorics disponiblcs : 97"' 6.
Rdcupdration de
Calorics emporl^es par les fum^ F. .
Calorics pouvant ^tre r6cup^r6es par I'air total
Calories pouvant ^tre r6cup6r6es par Ic gaz
Total
Exc^dcnt de la chaleur d'^chauffemcnl des gaz r^cup^ranls sur celle des fum^es
Exc^deiit de la chaleur d'^chaufTement des fum^es sur les gaz r<k:up6rants, perte F — R
Peite Vo P
Chaleur utilis^e U
FOUR A i 000»
48 Vo de gaz k I'eau
52 Vo de gaz k I'air
Gaz :
CO+0,48H« + 1,0Uz«
Fum6es:
CO«+4Az» + 0,48U«O
FOUR A i 500"
54 o/o de gaz k I'oau 46 Vodegaz^Tair.
CO + 0,54H«-fO,92Az«
Fum^es :
CO« + Uz« + 0,54ll«O
1 OOO* h 600*
Aa,o 7,8
(1) La limitede r^cup^ratioa est d6pass6e de 3"'3 enlie 1 000<* et 600® ; la rC>cup6ratlon est parfaite.
(2) La limite de r6cup6ratioD ^lant d6pass6e entre i 500*> et 600^ la recuperation e»t parfaite.
Pour calculer I'utilisatioQ de la chaleur dans ce four, il faut done fraclionner la recuperation en deux 6tapes : la premidfe entre la
lemperature de regime du four et 600^^, qui est parfaite, et oCi la limitc de recuperation etant d6pass6e, les gaz recup6rants ne pourront atteindre la temperature dcs fumees; la seconde entre 600^ et 0<*, qui sera limitee par la diff<5rence des chaleurs d'echauffement des fumees et de Fair, et par consequent incomplete.
Le tableau ci-dessus risume cette discussion.
Deux resullats reraarquables se deduisent inimediatement de Texamen du tableau : le rendement eleve du systeme de triple recuperation, et le peu d influence de la temperature sur Tutilisation de la chaleur. Les fours conslruits sur ce type convienncnt done surtout aux tr^s hautes temperatures, et dans ce cas I'economie resultant de leur emploi pourra atteindre 10 % du combustible bruie.
Enfin, il est un cas particulier ou la triple recuperation presentera
un avanlage plus grand encore que cette economie de j- : c'est celui
ou les fumees contiennent, outre les produits de combustion, des gaz degages du laboratoire, eau, acide carbonique, acide suUureux, emportant eux-memes des calories. Dans tous les systemes precedemment etudies ces calories sont entierement perdues, puisqueles produits de combustion ont deja une chaleur d'echauffement sui.erieure d celle des gaz recuperants : avec la triple recuperation on pourra, au contraire, les ramener dans le four.
Les fours de vcrreric sont Texemple le plus interessant de cette recuperation suppiementaire utilisant la chaleur emporiee par Facide carbonique et I'eau des 11 ts de fusion.
Les matieres preniiijres composant le verre tiennent jusqu'd 45 % de matieres volaliles, tandis que lahouille necessaire a la fusion n'est pas superieure, dans certains fours, a 60 Vo du poids de verre fondu; les produits volatils degages dans les laboratoires ont done une masse comparable a celle des produits de combustion, et le rapport peut
parfois atteindre -^, correspondant a peu pr^s a une perte de calories
de-«7r de la chaleur tolale disponible. Recuperer ces calories perdues
est un avantagc appreciable qui pourra porter a i5 Vo I'economie
totale resultant de la triple recuperation : on ne saurait done trop recommander ce syst^me dans les grands fours d bassin de verrerie et nous estimons at environ 1 tonne de houille par jour reconomie realisable dans un grand four produisant de lb d 20 tonnes de verre.
En resume, le gaz ^ Teau, dont nous venons d'examiner toutes les applications possibles, n'a d'interet pour les fours ^ simple recuperation que s'il s'agit d'industries d temperatures eievees; il est tr^s avantageux dans le cas de double recuperation; enfin, il donnerait avec la triple recuperation le rendement maximum obtenu jusqu'ici dans les fours et, mieux encore, une solution a peu pr^s parfaite du probieme de Tutilisation complete de la chaleur d toutes temperatures.
