DEPUIS L'ORIGINE DES FOURS A GAZ
Classification des differents ststemes de fours a gaz
Le nombre de syst^mes de fours d gaz actuellement employes dans rindustrie est tellement considerable, qu'il est indispensable, avant d essayer une th^orie g^n^rale de la question qui nous occupe, d'en faire une classification. Nous en profiterons pour retracer k grands traits le progr^s accompli depuis que Temploi de combustibles gazeux, ou plus exactement la m^tbode de gaz^iiication pr^lable des combustibles, a transform^ le probl^me, ouvrant la porte A des perfectionnements que les foyers a feu direct ne comportaient pas.
§ 1 . Origine et d^Teloppement rapide des fours k gaz. — Les fours k gaz, sans lesquels Fkidustrie moderne n'existerait pas, sont cependant de creation r6cente. C'est aux brevets de Frederick et William Siemens, dont le premier est de 1856, mais plus sp^ialement au c6l6bre brevet de 1861 qu'il faut historiquement faire remonter Torigine de ces fours.
Arch^ologiquement, sans doute, on pent trouver, dans Tindustrie ancienne, des stapes vers le chaufifage au gaz : les gazogenes existaient dans le pays de Galles, depuis qu'on y extrayait la houille, car les m^tallurgistes de cette region n'avaient trouv6 d autre moyen d'utiliser, pour le chaufifage de fours A r^verb^res un pen longs, Tanthracite qu'elle foumit en abondance, que celui de Tentasser sur une couche de 0" 75 d 0™ 80, de fagon d produire de I'oxyde de carbone, allongeant la flamme trop courte du charibon maigre. De m^me I'id^ de chauflFer pr6alablement Fair avant combustion, 6tait realist dans les hauts fourneaux, dans les fours Ponsard et Bkheroux. L'inversiMi elle-m^me, cette id6e fondamentale des r6g6n6rateurs Siemens, avait et6 essay^e dans les premiers moteurs d air ehaud.
20 ETUDE THftORIQUE DE LA RECUPERATION
Mais toutes ces id^es ^parses ne donnaient que des r^sultats insignifiants jusqu'au jour oh Sir William Siemens, joignant d son g^nie d'Ing6nieur une t6nacit6 admirable, r^ussit, api'^ vingt ann6es d'^tudes, d donner du probl^me des fours une solution si parfaite que trente ann^es d^applications n*y ont presque rien ajout6, n'ont, en tout cas, apport6 aucun principe nouveau.
Le four Siemens primitif est trop connu de nos lecteurs pour que nous ayons besoin de le d^crire, ni de reproduire la figure classique par laquelle Tinventeur illustra son premier m^moire. Rappelons seulement que, destine d la fusion de Tacier sur sole, il comportait un r^verbere A voCite tres surbaiss6e ; que les chambres de recuperation etaient au nombrede quatre permettant de chaufifer une partie de Tair et le gaz ; que la distribution altern^e, Vinversion, s*y faisait par des valves; qu'enfin les gazogenes, situ^s en general A une certaine distance du tour, etaient relies d celui-ci par une conduite en tole, en forme de siphon renvers6 (fig. 1), dont les deux branches verticales assuraient le tirage du gazogene.
Ce four se r^pandit d'abord en m^tallurgie ; arrets un instant dans son essor (entre 1867 et 1871), par la d^couverte de I'acier Bessemer, le progres du four Siemens devint rapide a partir de cette derni^re date. II fut essaye vers 1867 pour la glacerie, et r^ussit a Saint- Gobain, mais ne gagna vraiment les industries du verre que quelques ann^es plus tard (1876), lorsque les fours d bassin eurent donn^ de bons r^sultats.
De nos jours, le four d gaz est employ^ en metallurgie, aussi bien dans celle des m6taux autres que le fer, qu'en sid^rurgie, en verrerie, dans Vindustric da gaz, rarement en ceramique, Des efforts sont faits pour en pousser Tapplication d toutes les industries exigeanl des temperatures assez eievees et consommant beaucoup de charbon.
Ce rapide d6veloppement s'explique en partie par les avantages inherents d I'emploi de combustibles gazeux : r^glage facile de la combustion qui pent etre parfaite sans exces d'air, possibility d'avoir de longues flammes et partant de grands fours, emploi de combustibles de qualite inferieure.
II tient aussi a la perfection du four Siemens et k cette idee de la
Premier gazt^ne Siemens a grille incline, a siphon.
D, wjllecleur recueillanl le gai d'une batterie de gazogenes ; — II, tube en forme de siphon icnversA conduisaat le gai au Ibai et ossunint le lirage iln ^quogi-ne.
r6g6n6ration qui r^alisait a la fois la haute temperature et i'^conomie.
Mais, lorsqu*on suit les transformations successives qui ont am6lior6 la solution premiere, et qu'on voit progresser les uns apr6s les autres tous les organes de ce four primitif, il est ais^ de constater que Tun des plus grands m^rites des fours a gaz est d'avoir distingu6 les differentes fonctions que comporte reparation de chauffage industriel et affects d chacune d'elles un organe special d'autant plus facile A surveiller que la fonction qu'il doit accomplir est plus ^l^mentaire. Get avantage des fours a gaz a 6t6 souvent perdu de vue ; en tout cas, on n'en tire pas, dans la pratique, tout le parti possible, en exergant un contrdle et une surveillance m^thodiques beaucoup plus faciles que dans les anciens appareils ; nous croyons utile d'y insister.
Dans I'industrie primitive, et actuellement encore dans toutes les industries qui n'ont pas modifie leurs antiques m^thodes de chauffage, tout etait confondu. Les vieux fours d pots de verrerie dont on pent encore voir quelques specimens, en sont un exemple frappant : ils se composent d*une enceinte d pots au-dessus du foyer d grille, sans chemin^e, le tirage n'^tant assur6, le plus souvent, que par la hauteur suivant laquelle on entassait un combustible de premiere quality (*). Dans ces conditions, la conduite du feu 6tait uu veritable art et les maitres de verrerie savent les difficultes quelle comportait; la valeur qu'avait pour eux un bon maitre fondeur, auquel ils s'en remettaient le plus souvent d'une fagon complete, 6tait inestimable.
De nos jours, dans un four de verrerie d gaz ou dans un four d acier, la grille, le laboratoire, la chemin^e et le nouvel organe destine d la recuperation de la chaleur, sont compietement distincts. Chacun pent etre surveilie et, lorsque ce contr6le est exerc^ d'une fagon m^thodique, il est souvent facile, sans le secours d'un aussi habile ouvrier, d'^viter les accidents, de d^m^ler la cause de ceux qui peuvent se produire. L'art du maitre fondeur, parfois si difficile d rencontrer, a fait place a la science de ring6nieur qu'il est toujours possible d'acquerir.
(1) Lachemin6e qui surmonte ces fours de verrerie n'est qu'une hotte servant il'^vacuation dos fum^es, mais presque sans action sur le four.
La distinction des organes a encore eu Tavantage d'ouvrir largement la porta aux progr^s. Tandis que, dans I'ancienne industrie,les formes de fours se transmettaient par tradition sans que, le plus souvent, on os&t changer quoique ce fAt d un appareil, de crainte d'un ^hec, de nos jours, les inventeurs se sont attaches d am61iorerun 4 un tousles organes, et ont pu le faire presque sans risque. C'est ainsi que, peu k pen, sans nouvelle grande d6couverte, les fours k gaz se sont perfectionn^s.
Ce sont ces ameliorations que nous allons passer en revue, organepar organe. Leur Enumeration est la seule classification que nous puissions donner, en attendant qu'une th6orie de la combustion nous aitpermis de tracer la seule classification rationnelle, celle qui sera bas6e sur Tutilisation de la chaleur ou le rendement de chaque systeme.
§ 2. Description et role des organes essentiels des fours a fai. —
Actuellement, dans le cas le plus g6n6ral, un four d gaz comporte les organes distincts suivants :
1° Le foyer gazogene dans lequel s'effectue la combustion incomplete du charbon donnant des gaz combustibles, au moyen d'une premiere admission d'air : Voir primaire.
Get oi^ane pent avoir son autonomie complete et posseder un appareil de tirage propre : siphon Siemens, injecteur ou autre dispositif ; il pent, au contraire, etre etroitement lie au four et dependre de sa cheminee ;
2« Les organes (^inversion, clapet ou cloche, permettant de diriger d'un c6te ou de Tautre les fumees ou les gaz de combustion. Ces organes n'existent pas toujours, par exemple dans les fours k recuperation par courants paralieies en sens inverse.
Lorsqu'ils existent (dans les fours Siemens) ils servent de limite exacte entre les chambres de recuperation et la cheminee d'une part^ les chambres et le gazogene d'autre part. Gette exacte delimitation des chambres et du gazogene que nous donnons ici comme une definition, nous semble la plus rationnelle tant au point de vue theorique qu'd celui du contr61e pratique des fours*
II ne faut pas, en effet, dans une etude de four, limiter le gazogene d Tenceinte m^me ou se fait la gaz^ification, mais y comprendre, quelles que soient leurs longueurs, tous les tuyaux et carneaux, allant jusqu'd Tentr^e des chambres de recuperation. Organe de production du combustible gazeux, et devant le fournir non seulement riche en calories, mais aussi chaud que possible, le gazogene est, en quelque sorte, responsible jusqu*au moment oil il le livre d I'organe de recuperation.
G'est dans cette acception etendue, mais nettement deiinie que nous entendrons toujours le mot gazogene ;
3^ Les organea de r4cup&ration de la chaleur ou r^g^nerateurs, gr4ce auxquels la chaleur entrainee par les produits de combustion est utilisee et ramenee, en quelque sorte, dans le laboratoire.
Ces chambres de recuperation commencent d la valve de distribution oil linit le gazogene et se terminent exactement a I'entree dans le four, par les lunettes ou la combustion commence; elles comprennent done tous les carneaux d'arrivee de Tair et du gaz ;
4'* Le laboratoire ou four proprement dit, oh s'efifectue Toperation industrielle et oil s'acheve la combustion par un nouvel afflux d'air, Vair secondaire.
Le four est limite par les lunettes d'admission et d'echappement, en dega ou au deld desquelles sont les chambres de recuperation ;
5® La chemirUey ou les organes de tirage en faisant fonction, destines d revacuation des fumees dans Tatmosphere, assurant, en outre, la circulation des divers courants gazeux, soit seulement depuis le laboratoire jusqu*d la base de la cheminee, en passant a travers les chambres, soit quelquefois depuis le gazogene.
Get organe commence d la sortie des chambres de recuperation, c'est-d-dire, ainsi que nous Tavons vu, d la valve d'inversion.
La cheminee est compietee, en tant qu'agent de tirage, par un certain nombre de registres commandant les differents carneaux d'echappement ou meme d'admission. Ces organes de reglage, qui sont repartis dans tous les points du four, sont d'une extreme importance et, en general, un four sera d'autant plus reglable qu'il en possedera davan-
tage. Pour en bien montrer Tutilit^, resunions les diff^rents courants gazeux que comporte un four d gaz complet :
1® On admet sous le gazogene une certaine quantity d'air qu'il peut 6tre utile de doser par un registre ou un injecteur : c'est Voir primaire;
2^ En traversant le gazogene, cet air gaz^ifie le combustible en un melange d'oxyde de carbone, d'acide carbonique inevitable, de gaz distilie de houille (form^ne) et d'hydrog^ne : c'est le gaz de gazogene;
3 ' A I'entrde du four, ce gaz rencontre un nouvel afflux d'air qu'il est indispensable de doser exactement : c'est Vair secondaire;
4<> Les produits de combustion se partagent en deux courants. Tun dirig^ vers la chambre de recuperation a gaz, I'autre vers la chambre de recuperation d air. II importe beaucoup de pouvoir regler cette repartition qui commande seule la temperature de regime des chambres ;
5<> Enfin ces deux courants se reunissent k la base de la cheminee, pour etre envoyes dans Tatmosphere, et il est utile de pouvoir regler, independamment de tout autre, le tirage de la cheminee qui agitseul sur la pression dans I'interieur du four ou laboratoire.
Onvoit, par Id, I'importance de la multiciplite des registres.
Les premiers fours Siemens n'en possedaient que deux ou trois ; un four recent n'en presente pas moins de quatre : deux d I'admission, deux d rechappement. C'est un premier progres d signaler avant de decrire les ameliorations des divers organes.
§ 3. Modifications et perfectionnements apport^s depnis Torigine aux differents organes des fours k gai. — i^ Gazogenes. — La question des gazogenes est celle qui a ete le plus etudiee depuis I'origine, non seulement par les grands constructeurs, mais par beaucoup d'inventeurs desireux d'apporter un element de nouveaute dans les fours.
Sans insister sur la question de forme des appareils de gazeification, qui sera traitee plus tard, rappelons seulement que le gazogene d grille inclinee Siemens (fig. i), a fait place presque parLout d des gazogenes d grille horizontale tel que celui du nouveau four Siemens (hg. 2).
^6 ETUDE THEORIQLE DE LA RECUPERATION
La grille inclin^e avail Tavantage, en r^partissant le charbon suivant
un talus d'^boulement parall^le d la poitrine du gazogene, de faciliter
son egale repartition en une couche ^paisse, de boucher, k chaque char-
gement, les trous (brdlages) que la combustion avail pu produire et
d'exiger de moins bons ouvriers gaziers; telle 6tait, du moins, rid6e du constructeur.
La gi-ille horizontale, sur laquelle on entasse une couche de combustible de 0™80 ^ i™ 10 a besoin d'etre fr^quemment piqu^e au ringau: et le gazier qui en est charge doit etaler son charbon a chaque charge et boucher les trous i mesure qu'ils se produisent; mais elle a un rendement beaucouppluselev6a6galit6 de volume du gazogene. Aussi se r^pand-elle tous les jours davantage.
Signalons encore les tentatives de gazogenes sans grilles, tr6s int6ressantes puisqu'elles permettraient de chauffer Fair primaire, ce dernier desideratum du probleme des fours. Les aci^ries de Saint- Chamond poss6dent des gazogenes d poitrine ouverte sans grille, ou le charbon se place suivant le talus d'^boulement, mais on ne semble pas les pr6f6rer aux gazogenes k grille. La plus heureuse tentative de ^zog^ne sans grille est le gazogene Taylor a sole tournante, mais Fair et la vapeur d'eau qu'on y injecte ne peuvent 6tre chauff^s ou n'ont 6t6 jusqu'ici chauff^s qu'd 400 degr^s environ. Enfin, rappelons I'idee de gazogene a fusion de cendres d'Ebelmen, id6e bien s^uisante, mais qui n'a rcQU que peu d'application.
C'est surtout en perfectionnant les methodes de gaz6ification que les inventeurs ont cherch6 d obtenir un gaz plus riche que le gaz Siemens.
On salt que le gaz Siemens contient environ 5 ®/o d'acide carbonique. Cette proportion vraiment ^lev^, qui abaisse beaucoup le <;alorique latent, est due, en partie, a la dissociation de Toxyde de carbone dont nous avons parl6, et parait difficile a 6viter; bien des inventeurs ont cependant tent6 de la r^uire.
En outre, le gaz Siemens produit par I'air, comporte un poids d'azote •qui n'est que nuisible d toutes les reactions de combustion. Aussi a-ton, depuis longtemps, song^ k ^liminer cet azote en gaz6ifiant le carbone par un gaz autre que Fair, la vapeur d'eau ou m^me Tacide car-
I'.^ttt lis".'
28 KTLDE THEORIQLE DE LA RECUPERATION
bonique r6agissant sur le carbone au rouge d*apr6s les ructions connues :
