Brevet FR2106395A1 — publié le 19720505

i 2106395 La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif pour le chauffage de gaz et en particulier de gaz réformés destinés à l'injection dans des fours à cuve tels que par exemple des hauts fourneaux. Il a déjà été préconisé d'injecter des gaz réformés dans un haut fourneau 5 dans le but principal de réduire la consommation de coke, ce combustible devenant de plus en plus coûteux à la suite de la pénurie croissante de charbons à coke. L'injection de gaz réformés a été également préconisée pour augmenter les possibilités de réglage de la marche du haut-fourneau et d'automation d'un tel 10 réglage. A cette fin, on effectue de telles injections dans la partie supérieure des étalages et/ou par les tuyères principales. Par l'expression "gaz réformé", il faut entendre tout fluide hydrocarboné ayant subi un traitement de conversion oxydante et/ou de cracking thermique, dont le résultat est un mélange gazeux contenant des proportions importantes d'hydro-15 gène et/ou d'oxyde de carbone. Ce traitement est effectué dans un dispositif approprié extérieur au four à cuve. Les gaz réformés doivent avoir une température suffisante, de l'ordre de 1000°C à 1400°C, au moment de leur injection pour ne pas provoquer un refroidissement dans la marche du four. 20 Quand le gaz réformé est obtenu par oxydation partielle, la chaleur de réac tion est généralement suffisante pour que ledit gaz réformé puisse être injecté dans le four à cuve sans qu'il soit nécessaire de le réchauffer au préalable. Mais dans tous les autres cas, une telle température d'injection pose comme problèmes non seulement celui de la rentabilité du chauffage destiné à porter les 25 gaz à des températures aussi élevées et/ou à maintenir ces températures, mais également celui de la sécurité à cause de la présence d'hydrogène qui, à ces températures, constitue un mélange détonant au contact de 1'air- La présente invention a pour objet de résoudre ces problèmes d'une façon très simple et très économique. 30 Le procédé pour le chauffage de gaz, notamment de gaz réformés destinés à l'injection dans des fours à cuve, objet de la présente invention est essentiellement caractérisé en ce que Ton fait subir aux gaz plus ou moins froids un traitement de pré-chauffage en les faisant passer dans un ëchangeur de chaleur composé de deux cellules couplées de telle sorte que quand l'une est en régime d'accumula-35 tion de chaleur, l'autre est en régime de chauffage du gaz et vice-versa, les dites deux cellules étant reliées entre elles par une de leurs extrémités et les dits gaz étant introduits froids dans la cellule en régime de chauffage, à l'extrémité de cette cellule opposée à celle où est réalisée la liaison avec l'autre cellule, et extraits chauds à l'autre extrémité. COFY 71 32232 2 2106395 Suivant l'invention, dans la partie de l'échangeur de chaleur où est réalisée la liaison entre les deux cellules, on ménage une sortie des gaz chauds, commune aux deux cellules, et on maintient dans la cellule en régime d'accumulation de chaleur une pression très légèrement inférieure à celle qui règne dans la cel-5 Iule en régime de chauffage du gaz, ce qui permet de supprimer toute vanne sur le trajet de sortie des gaz chauds. Au point de vue sécurité, la disposition décrite ci-dessus est très intéressante, car l'absence de vannes sur le trajet de sortie des gaz chauds élimine tout danger de fuite d'hydrogène qui, à cette température, de l'ordre de 1000°C à 10 1400°C, constitue un mélange détonant au contact de l'air. Egalement suivant l'invention, le régime d'accumulation de chaleur de chacune des deux cellules est assuré par le fonctionnement d'au moins un brûleur disposé dans les cellules, à proximité des extrémités où lesdites cellules sont reliées entre elles ; ces brûleurs sont avantageusement alimentés d'une part par 15 exemple en gaz naturel et d'autre part en air, de façon à obtenir une combustion avec grand excès d'air. Dans un but de sécurité, au moment d'inverser le régime d'une cellule pour passer du chauffage des gaz à l'accumulation de chaleur, il est avantageux de purger la cellule après avoir fermé la vanne d'entrée de gaz froid et avant de 20 mettre le brûleur en marche. Encore, suivant l'invention, on utilise avantageusement des cellules équipées intérieurement d'un ruchage en briques réfractaires. La figure 1 donnée en annexe représente à titre d'exemple non limitatif un échangeur de chaleur composé de deux cellules 1 et 2 disposées côte à côte, et 25 reliées entre elles, à la partie supérieure de l'échangeur, par une conduite utilisée pour la sortie des fluides gazeux chauds provenant de l'une ou de l'autre cellule. Ces deux cellules sont équipées intérieurement d'un ruchage en briques réfractai res, non représenté, analogue à celui des cowpers. 30 A Ta partie supérieure de chaque cellule est situé un brûleur 3, 4 alimenté par une canalisation de gaz naturel 5, 6 et d'air 7, 8 ; ces canalisations sont munies des vannes 9, 10, 11, 12. A la partie inférieure de chacune des cellules 1 et 2, se trouve une canalisation 13, 14 d'entrée du fluide gazeux à préchauffer. Ces canalisations 13 et 14 35 sont également munies de vannes 15 et 16. Cette partie inférieure de chacune des cellules 1 et 2 est pourvue d'autre part d'une conduite 17, 18 de sortie des fumées de combustion reliant le corps de chaque cellule à la cheminée, non représentée. Chacune des conduites 17 et 18 est équipée d'une vanne 19, 20. 71 32232 3 2106395 Les cellules 1 et 2 sont reliées l'une à l'autre à leur partie supérieure par un tuyau 21 sur lequel est branchée la conduite 22 de sortie du gaz chauffé. Une installation du genre de celle qui vient d'être décrite offre l'avantage d'une-sécurité meilleure à celle des cowpers dans le cas notamment où les 5 gaz à chauffer contiennent de l'hydrogène ; elle présente en outre des avantages de compacité et d'économie. Au passif de cette installation toutefois, on doit relever l'existence d'un certain espace mort par exemple dans les chambres de combustion, ce qui est pré^ judiciable lorsque l'on doit périodiquement procéder à la purge des cellules. 10 Une variante particulièrement intéressante du second objet de la présente invention, en l'occurrence des dispositifs utilisés pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, offre, vis-à-vis de l'installation qui vient d'être décrite plus haut les avantages d'un espace mort réduit, d'une exploitation plus simple, et d'une économie de gaz de purge. 15 Le dispositif à deux cellules qui constitue cette variante avantageuse du second objet de la présente invention, est caractérisé en ce que les deux cellules de l'échangeur de chaleur sont disposées l'une à la suite de l'autre dans une même enceinte ; dans ce cas, les fluides gazeux à chauffer sont introduits dans les cellules du côté des extrémités de l'enceinte commune aux deux cellules 20 et les gaz chauffés sont extraits par les extrémités des cellules situées du côté de la zone médiane de ladite enceinte commune. Le dispositif de chauffage des cellules est disposé dans la partie des cellules situées dans ladite zone médiane de l'enceinte. La figure 2 donnée en annexe représente à titre d'exemple non limita- 25 tif un échangeur de chaleur composé de deux cellules,conforme à cette variante de l'invention. Les deux cellules 1 et 2, sont identiques et de dimensions relativement faibles ; leur longueur est de Tordre de 3 mètres et leur section transversale d'environ lm xlm. 30 Ces deux cellules disposées Tune en face de l'autre contiennent des maté riaux réfractaires en vrac. A l'extrémité A, A' de chaque cellule 1, 2, disposée dans la partie médiane de l'enceinte commune, sont situés deux brûleurs 3, 4, 3', 4' alimentés par des canalisations de gaz naturel 5, 6 et d'air 7, 8 ; ces canalisations sont munies 35 de vannes doubles 9, 10, 11 et 12. A la partie B, B' de chacune des cellules qui se trouve à l'extrémité de l'enceinte commune sont disposées les canalisations d'entrée des fluides gazeux à chauffer 13, 14 ; ces canalisations 13 et 14 sont également munies de vannes doubles 15 et 15. 71 32232 4 2106395 Ces extrémités B, B1 de chacune des cellules sont pourvues d'une conduite 17 et 18 de sortie des fumées de combustion reliant le corps de chaque cellule à la cheminée. Chacune des conduites 17 et 18 est équipée d'une vanne 19, 20. Les cellules sont reliées l'une à l'autre à leur extrémité A, A' par un conduit 21 sur lequel est branché la conduite 22 de sortie du gaz chauffé. Pour mettre la cellule 1 en régime d'accumulation de chaleur, on ouvre les vannes 9 de gaz naturel et 11 d'air afin d'alimenter les brûleurs 3 et 4. Les fumées de la combustion sortent de l'extrémité B de la cellule 1 par la conduite 17 dont la vanne 19 est ouverte et sont dirigées vers la cheminée. La vanne 15 d'entrée de gaz froid dans l'extrémité B de la cellule 1 est évidemment fermée pendant toute la durée de l'acummulation de chaleur dans ladite cellule 1. Simultanément, les vannes 10 et 12 de gaz naturel et d'air,destinées à l'alimentation des brûleurs 3' et 4' de la cellule 2,sont fermées. La vanne 16 de la canalisation 14 d'entrée du gaz à chauffer dans la partie B1 de la cellule 2 est ouverte et ce gaz traverse l'empilage de matériaux réfrac-taires de ladite cellule 2. Après s'être échauffé au contact des dits réfractai-res, le gaz sort par les conduits 21 et 22. La cellule 2 est dite en régime de chauffage du gaz. Il est à noter que la combustion effectuée par les brûleurs 3 et 4 dont est équipée la cellule 1 est réglée de telle sorte que la pression régnant dans la dite cellule 1 ne soit que très légèrement inférieure à celle régnant dans la cellule 2. Il en résulte une faible perte de gaz chauds.mais elle est largement compensée par la possibilité d'éliminer toute vanne sur les tuyaux 21 et 22 de sortie des gaz chauds. Cette absence de vanne est en outre une mesure de sécurité, car elle supprime tout risque de fuite d'hydrogène et donc d'explosion. Bien entendu, pendant toute la durée du chauffage du fluide gazeux dans la cellule 2, la vanne 20 montée sur la conduite 18 reliant la partie inférieure de la cellule 2 à la cheminée, est fermée. Sur la figure 2 ci-annexée est également représenté le schéma des dispositifs de régulation des différents débits de gaz naturel, d'air, de fumées de combustion et du fluide gazeux à chauffer. Les dispositifs de régulation utilisés consistent notamment en enregistreur contrôleur de débit (FRC1 pour l'air, FRC2 pour le gaz naturel, FRC3 pour les fumées), reliées entre eux par un sommateur S qui tient également compte d'un certain débit de fuite introduit en F. C'est cet ensemble de contrôle qui permet notamment la régulation de la différence de pression devant régner entre les cellules. Grâce à l'installation de régulation qu'il est avantageux, suivant l'invention* d'utiliser pour assurer le fonctionnement correct de l'échangeur de chaleur 71 32232 5 2106395 à deux cellules, on peut par exemple maintenir le débit de gaz à chauffer à une valeur constante pendant toute la durée d'un cycle ; on peut également suivant une autre modalité opératoire intéressante maintenir constant le débit des gaz chauffés, par modification appropriée du débit des gaz avant réchauffage. 5 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation re présentés, elle est susceptible de nombreuses autres varanties accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées, sans que Ton ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 71 32232 6 2106395 REVENDICATIONS 1.- Procédé pour le chauffage de gaz, notamment de gaz réformés chauds destinés à l'injection dans un four à cuve, caractérisé en ce que Ton fait subir aux gaz plus ou moins froids, un traitement de préchauffage en les faisant 5 passer dans un échangeur de chaleur composé de deux cellules, couplées de telle sorte que quand Tune est en régime d'accumulation de chaleur, l'autre est en régime de chauffage du gaz et vice-versa, les dites deux cellules étant reliées entre elles à une de leurs extrémités, les dits gaz étant introduits froids dans la cellule en régime de chauffage, à l'extrémité de cette cellule opposée à 10 celle où est réalisée la liaison à l'autre cellule, et extraits chauds à l'autre extrémité. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la partie de l'échangeur de chaleur, où est réalisée la liaison entre les deux cellules, on ménage une sortie des gaz chauds, commune aux deux cellules et on maintient 15 dans la cellule en régime d'accumulation de chaleur, une pression très légèrement inférieure à celle qui règne dans la cellule en régime de chauffage du gaz, ce qui permet de supprimer toute vanne sur le trajet de sortie des gaz chauds. 3.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le régime d'accumulation de chaleur de chacune des deux cellules est assuré par le 20 fonctionnement d'au moins un brûleur disposé dans les cellules à proximité des extrémités où les dites cellules sont reliées entre elles, les dits brûleurs étant alimentés d'une part par exemple en gaz naturel et d'autre part en air. 4.- Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, au moment d'inverser le régime d'une cellule pour passer du chauffage 25 de gaz à l'accumulation de chaleur, on purge la cellule après avoir fermé la vanne d'entrée de gaz froid de la dite cellule et avant de mettre le brûleur en marche. 5.- Dispositif à deux cellules pour le chauffage de gaz, notamment de gaz réformés destinés à être injectés dans un four à cuve, caractérisé en ce que 30 les deux cellules de l'échangeur de chaleur, dont une est en régime de chauffage des fluides gazeux pendant que l'autre est en régime d'accumulation de chaleur, sont disposées Tune à la suite de l'autre dans une même enceinte, en ce que les gaz à chauffer sont introduits dans les cellules du côté des extrémités de l'enceinte commune aux deux cellules, en ce que les gaz chauffés sont extraits par 35 les extrémités des cellules situées du côté de la zone médiane de ladite enceinte commune, et en ce que le dispositif de chauffage des cellules est disposé dans la partie des cellules situées dans la dite zone médiane de l'enceinte. 6.- Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les deux 71 32232 7 2106395 cellules sont reliées dans la zone médiane de l'enceinte, par un conduit qui assure l'évacuation des gaz chauffés alternativement dans Tune ou l'autre des deux cellules.