Brevet FR2002766A1 — publié le 19691031

la présente invention est relative u un procédé- pour l'injection de combustible liquide dans un four à cuire « Il est bien connu que l'injection de combustible liquide dans un four à. cuve, et spécialement dans un haut fourneau, permet, dans 5 de bonnes conditions d'utilisation, d'abaisser sensiblement la aise au mille de coke et de contribuer à la régulation de la marche du haut fourneau. Toutefois, au moyen des injecteurs de combustibles classiquement utilisés au haut fourneau on se borne le plus souvent à assurer 10 1'introduction d'un jet plus ou moins compact de fuel oil dans le courant de vent chaud, la dispersion de ce jet de fuel dans le courant n'étant en général pas remarquable, de même que sa pulvérisation. Par ailleurs, la quantité de fuel réellement utilisable par ce 15 procédé est relativement faible. On constate en effet, qu'au-delà d'un certain débit, rapidement atteint, le jet de fuel ne se disperse plus guère, et que le fuel ne brûle plus avant de quitter la zone de combustion du haut fourneauj en outre, le degré de pulvérisation du fuel est tributaire du débit du vent chaud. 20 Afin de pouvoir tirer le maximum d'avantages de cette injection tout en remédiant aux inconvénients ci-dessus indiqués, on a déjà proposé de préchauffer le combustible et même de faire débuter sa combustion un peu avant son entrée dans le fourneau. On a également déjà proposé de pulvériser le combustible et de le mélanger à un gaz 25 oxydant afin de favoriser la combustion de l'un par l'autre. Certaines de ces méthodes ont cependant comporté encore quelques inconvénients, notamment l'apparition d'un cracking dans des conditions qui conduisaient à une obstruction des injecteurs. D'autres parmi ces méthodes nécessitaient des dispositifs à haute pression pour obtenir 30 une bonne pulvérisation du combustible. D'a.utres encore, qui permettaient une combustion partielle du combustible avant son entrée dans le fourneau, exigeaient un temps de rétention assez long du comburant et du combustible dans la tuyère d'injection, la même demandere sse, acns un brevet précédent, a elle-même d.-'jà décrit un -^ro cédé 35 destiné à éliminer la plupart de ces incouvénisnts de façon très av;. ut ageuse . la présente invention a également pour objet un procédé permettant, a&ns des conditions encore plus intéressantes, d'échapper aux divers défauts ci-avant énumérés» 1 ORK31HAL 69 04929 2002766 le procédé objet de la présente invention est essentiellement caractérisé en ce su'on introduit un jet de combustible liquide dans uns chambre où. il est sortais à une opération de détente, en ce qu'on introduit également dans cette chambre un jet de gaz comprimé qui 5 pulvérise le combustible et se mélange avec lui, en ce que le mélange ainsi constitué est introduit dans, une seconde chambre, ou successivement dans plusieurs chambres dans chacune desquelles il est soumis à l'action d'un ou plusieurs jets de gaz comprimé pouvant contenir de l'oxygène, qui parfont la pulvérisation du combustible en 10 s'incorporant au mélange déjà constitué, lequel est ensuite dirigé dans un convergent-divergent au sortir duquel il est soumis à l'action d'un fluide gazeux chaud oxydant, dans une proportion telle que tout le combustible présent dans le mélange soit pratiquement brûlé avant d'être introduit avec le fluide dans un four à cuve, par unedes 15 tuyèresdu dit four, les dites-chambres étant à cet effet, disposées aussi près que possible de la dite tuyère. le- procédé ci-dessus, assure un rendement calorifique élevé de la combustion et accroît la longévité du dispositif dans lequel la combustion prend naissance et se développe» Par ailleurs, le degré 20 de pulvérisation du combustible, et partant, l'homogénéité et la finesse du mélange combustible-gaz comprimé sont particulièrement élevés. Suivant une variante avantageuse du procédé de l'invention, le ou les jets de gaz comprimé sont préchauffés avant d'entrer dans les 25 chambres de mélange, ce qui permet un commencement de gazéification du combustible, le préchauffage étant réalisé de préférence au moyen du fluide gazeux oxydant et chaud, lequel est lui-même, de préférence, le vent chaud. Suivant une autre variante avantageuse de ce procédé, la teneur 30 en oxygène des jets de gaz comprimé est d'autant plus élevée qu'ils sont relatifs à des chambres qui,- au point de vue fonctionnement, précèdent de plus près le convergent-divergent, le jet de gaz comprimé relatif à la chambre précédant immédiatement le dit convergent étant sensiblement plus riche en oxygène que les jets relatifs aux 35 autres chambres» De cette façon, la combustion du combustible ne peut produire de dégagement intense de chaleur dans les premières chambres de mélange, ce oui évite tout risque de destruction de celles-ci par élévation anormale de la. température; ls combustion se développe surtout BAO ORIGINAL 69 04929 3 2002766 dans la dernière chambre, ce qui présente moins de risque de destruction, puisque les gaz produits par la combustion, s'échappent immédiatement par le convergent-divergent en emportant leurs calories avec eux sans pratiquement leur laisser le temps d'élever la 5 température des parois de la dite chambre. La présente invention a également pour objet m dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus décrit. Ce dispositif est schématiquement représenté sur le dessin joint à la présente description. 10 Sur ce dessin, donné à t±tre d'exemple, et non à l'échelle, la section droite d'une canalisation circulaire de haut fourneau est représentée en 1. Une dérivation 3-4 de cette canalisation est raccordée par la tuyère 17 à la paroi 2 d'un haut fourneau et permet ainsi au vent chaud d'être insufflé dans le fourneau par l'orifice 18. 15 La portion horizontale 4 de la dérivation entoure un injecteur de combustible constitué comme suit : une canalisation à combustible 5 débouche par des orifices 7 dans une chambre 6 de détente où le combustible est pulvérisé au moyen de jets de gaz comprimé. Le mélange ainsi constitué est conduit de la chambre 6 à une seconde chambre 20 8 où il est soumis également à l'action des jets de gaz comprimés. Ces gaz sont amenés par la conduite 10 alimentée en 11, ils pénétrai dans les chambres par les orifices 12 et 13; un orifice 9 permet la communication entre les chambres 6 et 8; la chambre 8 débouche dans un convergent-divergent 14/15 disposé lui-même en face de l'orifice 25 18 pratiqué dans la paroi du fourneau. Une buselure convergente 16 déplaçable axialement permet le réglage de la longueur de la flamme. Le dispositif objet de la présente invention est essentiellemert caractérisé en ce qu'il comporte : 30 liquide dans une chambre 6 par au moins un orifice 7» b) une ou plusieurs chambres 8 se faisant suite l'une l'autre, la première de ces chambres communiquant avec la chambre 6 par l'orifice 9, les dites chambres communiquant successivement entre elles par un ou plusieurs orifices analogues à 9 de telle façon que le 35 combustible pénétrant dans la chambre 6 par la canalisation 5 traverse successivement toute la chambre 6 puis la ou les chambres 8 en passant au-travers des orifices 9; c) une seconde canalisation 10 alimentée en t1 et débouchant de préférence tangen.tielle.nent dans les dites chambres 5 et 8 par des a) une première canalisation 5 destinée à amener du.combustible 69 04929 4 2002766 orifices appropriés 12, respectivement 13, cette seconde canalisation étant destinée à amener un gaz comprimé aux dites chambres,, les orifices 12 étant orientés de façon à ce que les jets, de gaz comprimé qu'ils conduisent rencontrent et pulvérisent le ou les jets de 5 combustibles pénétrant dans la chambre 6, les orifices 13 étant o-rientés de façon à ce que les jets de gaz'qu'ils: conduisent rencontrent dans la chambre 8 le mélange combustible-gaz comprimé provenant de la chambre 6 ; d) un convergent-divergent 14/15 obturant la dernière chambre 8 10 de telle façon que le combustible ët le gaz comprimé ne puissent quitter cette chambre qu'en passant au-travers du dit convergent -divergent; e)-une canalisation 4 destinée à amener un fluide gazeux chaud et oxydant au fourneau, la dite canalisation étant raccordée au 15 fourneau, par exemple,par l'intermédiaire d'une-tuyère d'injection de vent chaud 17, le convergent-divergent étant disposé de façon à déboucher de façon étanche'à l'intérieur de la dite canalisation 4» Suivant une modalité avantageuse du dispositif de l'invention, la dernière chambre, c'est-à-dire celle précédant immédiatement le 20 convergent-divergent, est munie d'un dispositif particulier d'alimentation en un gaz riche en oxygène, le dit dispositif pouvant déboucher dans la dite chambre par exemple par les orifices 13 ou par des orifices particuliers» Egalement suivant l'invention, le dispositif comporte une buse-25 lure tronconique disposée dé façon convergente à la sortie du convergent - divergent 14/15» mais de façon à laisser, un espace libre entre le dit convergent-divergent et elle-même,» la dite buselure étant déplaçable sensiblement suivant l'axe de l'injecteur ce qui - présente l'avantage de permettre le réglage de la longueur de la 30 flamme sortant du dit injecteur.- ' ' Suivant une variante plus avantageuse encore du dispositif de l'invention, la canalisation' à combustible 5 est disposée à l'intérieur de-la canalisation à gaz comprimé 10, elle—même disposée à 1' intérieur de la canalisation à fluide gazeux oxydant, et chaud 4® 3'5 Cette disposition: permet au gaz comprimé d'être réchauffé par le fluide gazeux oxydant et chaud, tout en protégeant le combustible contre tout effet de cracking éventuël dû à un échauffement intempestif. -Par ailleurs, le -gaz comprimé refroidit la paroi interne de la canalisation 10 qu'il protège ainsi contre les effets dûs à la Sao QftfâîMÂL 69 04929 ' 5 2002766 température du dit fluide. les indications numériques ci-après données à titre d'exemple, permettent de mieux se readre. compte des avas-ta^es parti culièrement intéressants du brûleur faisant l'objet de la présente invention» 5 On a réalisé un injecteur à fuel liquide c, nforme à celui décrit dans la présente invention et capable d'injecter dans un fourneau industriel 300 kg/h de fuel extra-lourd, chauffé à 100° G; cet in- 2 v jecteur fonctionne sous une pression de fuel, de 9 kg/cm à l'entrée le gaz comprimé servant a pulvériser et gazéifier le fuel est injec- 2 *5 10 té à 6 -tg/cm. au débit de 300 13m /h, le ve: a chaud est amené à la 2 tuyere du haut fourneau sous une pression variant de 1 a 1,2 irg/cm . Un tel brûleur a été soumis à un test de laboratoire, qui a per mis d'en contrôler les caractéristiques de fonctionnement. Au cours de ce test, le brûleur a été placé dans un four électrique tubulaire 1 5 chauffé à 900° G pour simuler les conditions thermiques existant à l'intérieur d'un busillon (tuyère) de haut fourneau. De l'air comprimé circulait dans une gaine protégeant extérieurement le brûleur, cet air s'échauffait tout en protégeant le brûleur, et, une fois en contact avec le fuel-oil dans la chambre de mélange, provoquait non 20 seulement une dispersion fine du fuel-oil, mais également un échauffement et une gazéification de celui-ci, de sorte qu'à la sortie du brûleur, le combustible se présentait non seulement sous forme d'une gerbe de fines gouttelettes, mais également sous forme d'un brouillard dense de fuel-oil gazéifié; ce mélange s'inflammait instantané-25 ment au contact d'une flamme ou même d'une barre d'acier chauffée au rouge, la flamme de combustion du fuel-oil restait bien stable, même en l'absence d'une flamme au d'un point chaud d'allumage. Ira forme de la flamme de combustion était allongée, ce qui était favorable à l'utilisation de ce brûleur au haut fourneau; en outre, la flamme 30 était brillante et son aspect indiquait une bonne combustion. Après l'essai préliminaire, le brûleur faisant l'objet de la présente invention a été introduit dans un busillon de haut fourneau Ses performances ont été comparées à celles drinjecteurs classiques dont étaient équipés les autres busilions du même fourneau. A ces 35 tuyères,équipées d1injecteurs classiques, il n'a pas été possible d'observer de flamme de combustion; le combustible était en fait toujours liquide et inorûlé lorsqu'il entrait dans la sone de combustion à l'intérieur du fourneau. Par contre, i- la tuyère équipée du nouveau brûleur, il a été possible d'observer une flamme de com- A e(k0o^6,wNAL 69 04929 b 2002766 ■bu.sti.on du fuel, déjà à l'intérieur de le. tuyère, c'est-à-dire avant la zone de co^L>ustion du coke dans le fourneau. A ce nouveau brûleur le débit de fuel-oil a pu être porté à une valeur 30 % plus élevée ou'aux injecteurs classiques,, 5 La combustion rapide du combustible liquide atteinte ~rs.ee au brûleur de la présente invention permet en outre d'injecter utilement des quantités plus importantes de combustible liquide, sans que la combustion du combustible soit affectée par les variations normales de marche du fourneau, c'est-à-dire par les variations norma-10 les du débit de vent chaud aux tuyères individuelles. ■ 0e résultat constitue un avantage particulièrement important du procédé du dispositif de l'invention; il contribue en effet à réduire de façon substantielle la mise au mille de coke» Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode 15 de réalisation décrit, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans s'écarter pour cela de l'esprit de 1'inv ent ion. BAD ORIGINAL 69 04929 ' ' '2007766 HEVE3DI CREIONS L'invention a pour objet : 1. Un procédé pour l'injection de combustible dans un four à cuve, caractérisé en ce qu'on introduit un jet de combustible li-5 quide dans une chambre où il est soumis à une opération de détente, en ce qu'on introduit également dans cette chambre un jet de gaz comprimé qui pulvérise le combustible et se mélange avec lui, en ce que le mélange ainsi constitué est introduit dans une seconde chambre, ou successivement dans plusieurs chambres dans chacune des-10 quelles il est soumis à l'action d'un ou plusieurs jets de gaz com-" primé pouvant contenir de l'oxygène, qui parfont la pulvérisation du combustible en s1 incorporant au mélange déjà constitué, lequel est ensuite dirigé dans un convergent-divergent au sortir:duquel il est soumis à l'action d'un fluide gazeux chaud oxydant, dans une 15 proportion telle que tout le combustible présent dans le mélange soit pratiquement brûlé avant d'être introduit avec le fluide, dans un four à cuve, par une des tuyères du dit four, les dites chambres étant à cet effet disposées aussi près que possible de la dite tuyère» 20 2. Un procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le ou les jets de gaz comprimé sont préchauffés avant d'entrer dans les chambres de mélange, ce qui permet un commencement de gazéification du combustible, le préchauffage étant réalisé de préférence au moyen du fluide gazeux oxydant et chaud, lequel est lui-même, de 25 préférence, le vent chaud» 3» Un procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la teneur en oxygène des jets de gaz comprimé est d'autant plus élevée qu'ils sont relatifs à des chambres qui, au point de vue fonctionnement, précèdent de plus près le convergent -30 divergent, le jet de gaz comprimé relatif à la chambre précédant immédiatement le dit convergent, étant sensiblement plus riche en oxygène que les jets relatifs aux autres chambres. 4» Un dispositif pour la mise en oeuvre des procédés décrits dans l'une ou l'autre des revendications 1 à 3» caractérisé en ce 35 qu'il comporte : a) une première canalisation 5 destinée à amener du combustible liquide dans une chambre 6 par au moins un orifice 7; b) une ou plusieurs chambres 8 se faisant suite l'une l'autre, la première de ces chambres communiquant avec la chambre 6 par 1' 11 BAD ORIGINAL 69 04929 8 200/766 orifice 9, les dites chambres communiquant successivement entre jolies par un ou plusieurs orifices analogues à 9, de telle façon qae le combustible pénétrant dans la chambre 6 par la canalisation 5 traverse successivement toute la chambre 6,puis la ou les chambres 5 8 en passant au-travers des orifices 9; c) une seconde canalisation 10 alimentée en 11 et débouchant de préférence tangentiellement dans les dites chambres 6 et 8 par des orifices appropriés 12, respectivement 13» cette seconde canalisation étant destinée à amener un gaz comprimé aux dites chambres, 10 les orifices 12 étant orientés de façon, à ce que les jets de gaz comprimé qu'ils conduisent rencontrent et pulvérisent le ou les jets de combustibles pénétrant dans la chambre 6, les orifices 13 étant orientés de façon à ce que les jets de gaz qu'ils conduisent rencontrent dans la chambre 8; le mélange combustible-gaz comprimé prove-15 nant de la chambre 6; d) un convergent-divergent 14/15 obturant la dernière chambre 8 de telle façon que le combustible et le gaz comprimé ne puissent quitter cette chambre qu'en passant au-travers du dit convergent- • divergent 20 e) une canalisation 4 destinée à amener un fluide gazeux chaud et oxydant au fourneau, la dite canalisation étant raccordée au. fourneau, par exemple par l'intermédiaire d'une tuyère d'injection de vent chaud 17, le convergent-divergent étant disposé de façon à déboucher de façon étanche à l'intérieur de la dite canalisation 4« 25 5« Un dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce quaola dernière chambre, c'est-à-dire celle précédant immédiatement le convergent-divergeni, est munie d'un dispositif particulier d' alimentation en un gaz riche en oxygène, le dit dispositif pouvant déboucher dans, la dite chambre par exemple par'les orifices 13 ou 3 0 par des orifices particuliers. 6» Un dispositif suivant l'une.ou l'autre des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte unebuselure tronconique disposée de façon convergente à la sortie du convergent-divergent 14/ 15, mais de façon à laisser un espace libre entre le dit convergent 35 divergent et elle-même, la dite buselure étant déplaçable sensiblement suivant l'axe de 1'injecteur® 7« Un dispositif suivant l'une ou l'autre des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la canalisation à combustible 5 est disposée à l'intérieur de la canalisation à gaz comprimé 10, elle-même 40 disposée à l'intérieur de la canalisation à fluide gazeux oxydant et chaud 4. 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