Brevet FR2111753A1 — publié le 19720609

i 211,1753 La présente invention concerne d'une part un procédé d'introduction de mazout dans un haut fourneau, ou dans un dispositif analogue, selon lequel du mazout est ajouté dans le courant de l'air de combustion amené par une tuyère à vent et d'autre part, un dispositif pour 5 la mise en oeuvre de ce procédé. Le chargement du mazout utilisé à la place de fractions de coke dans des hauts fourneaux, se fait, jusqu'à présent, par pulvérisation du mazout dans le vent de haut fourneau, c'est-à-dire l'air de combustion amené au haut fourneau, et notamment à l'intérieur des tuyères à vent. 10 L'efficacité de cette adjonction de mazout est cependant considérablement limitée parce qu'au-dessus d'une quantité de mazout déterminée, en général au-dessus de 50 à 100 kg de mazout par tonne de fonte, le rapport de remplacement, c'est-à-dire le rapport entre la quantité de coke remplacée effectivement par l'adjonction de mazout et la quantité de mazout 15 ajoutée au vent baisse de 1,5 jusqu'au-dessus de 1,0 et même plus bas encore et il se produit en même temps une "fumée noire" en raison de laquelle de la suie issue du mazout se dépose de façon indésirable dans le collecteur de poussières de gueulard entraînant une perte de combustible équivalente. On a déjà essayé d'accroître la quantité de mazout susceptible 20 d'être ajoutée efficacement, en mélangeant au mazout des additifs, mais seulement avec un succès limité. Même une meilleure pulvérisation -s utilisée jusqu'à présent de façon exclusive par les buses d'amenée de mazout, n'a pas produit le résultat désiré. Par ailleurs, une telle pulvérisation ou dispersion, c'est-à-dire l'adjonction de mazout au vent de haut fourneau, 25 sous forme d'un nuage de mazout composé de gouttelettes très fines et se formant directement devant la buse à mazout, reste infructueuse, même quand les buses d'amenée de.mazout présentent une ouverture imposant au fluide une composante directionnelle radiale. Gela provient probablement du fait que le vent du haut fourneau a une viscosité relativement importante 30 et comparable à celle du mazout, de sorte que le brouillard de mazout ne peut pas être réparti suffisamment sur la section de passage des tuyères pour qu'il puisse être brûlé complètement dans la zone de la tuyère., en étant réparti de façon homogène. Dans ces procédés connus, le mazout injecté sous forme de brouillard est concentré par le vent de haut fourneau 35 autour de l'axe longitudinal des tuyères, et il n'est pas brûlé complètement _ entre le moment de sa pulvérisation et le moment où il quitte la tuyère, ce qui se produit environ 500 millisecondes plus tard. La combustion diffusée est incomplète, et une grande partie du mazout se transforme simplement en suie dès que l'addition de mazout atteint 50 à 100 kg par tonne de 40 fer brut. COPY 71 37938 2 2111753 L'objectif de l'invention est d'obtenir un rapport de remplacement favorable et d'éviter de plus la formation de fumée noire, c'est-à-dire des pertes en suie inutiles, malgré une adjonction de mazout allant jusqu'à environ 100 kg de mazout par tonne de fonte et même au-delà. 5 Le mazout doit être introduit d'une manière qui assure sa répartition uniforme sur une aussi grande partie que possible de la section de passage des tuyères par un changement essentiel par rapport aux procédés d'injection connus et par l'obtention d'un rapport favorable entre la vitesse d'introduction du mazout et la vitesse du vent. L'invention vise en outre le perfectionnement 10 des lances pour l'introduction de mazout dans un haut fourneau ou dans un four comparable. De façon surprenante, il a été constaté que cet objectif peut être atteint si, conformément à l'invention, le mazout est injecté dans le vent de tuyère, au moyen d'au moins un jet de mazout, à partir de l'axe longi-15 tudinal de tuyère à vent, dans le sens radial par rapport à la tuyère, ou transversalement à l'écoulement du vent de tuyère, le rendement obtenu étant optimal si l'on injecte avec le mazout jusqu'à 15% en poids, de préférence jusqu'à 10% en poids d'eau ou de vapeur d'eau. Par les termes, injection du mazout dans le sens radial, on 20 doit comprendre que le mazout est injecté et réparti transversalement au courant de vent suivant une section transversale beaucoup plus large que dans les procédés connus. En outre, on définit par injection du jet de mazout le fait que le jet de mazout sortant de la buse à mazout n'est pas dispersé par le vent du haut fourneau en un nuage de mazout ou en fines gouttelettes 25 directement devant la buse, ce qui se produit lorsque la vitesse de sortie du mazout est trop faible par rapport à la vitesse du vent, mais au contraire que la cohésion intérieure de chaque jet de mazout reste en grande partie encore maintenue à une distance assez éloignée de la buse pour obtenir transversalement au courant de vent, une répartition maximale de mazout. De cette 30 . manière seulement, on peut répartir le mazout le plus largement possible sur le vent de haut fourneau, vent qui à environ 12503 à 1300°C présente une viscosité relativement grande. En raison de la répartition du mazout sur une large surface de répartition, conformément à l'invention, on évite aussi une surconsommation en combustible qui peut résulter d'un abaissement de la tempé-35 rature de creuset du haut fourneau. Cette bien meilleure répartition de mazout est assurée, par le procédé conforme à l'invention, surtout déjà à l'intérieur de la tuyère à vent ou peu avant son embouchure, car la possibilité d'un mélange quelconque se produisant plus profondément dans le crauset 71 37938 3 2111753 est limitée à cause de la viscosité relativement élevée des gaz de fumée dans le haut fourneau. Pour maintenir refermés en cohésion les jets de mazout jusqu'à une distance la plus éloignée possible devant la buse à mazout, il est essentiel qie l'injection se produise à une vitesse relati-5 vement élevée, d'au moins 20 m/s environ, par rapport à la vitesse du vent de haut fourneau laquelle est environ dix fois plus élevée (200 m/s). De cette manière les jets de mazout ne se pulvérisent que lors d'un accroissement supplémentaire de leur vitesse, dû à la vitesse du vent, de sorte que la transformation du mazout pulvérisé par l'oxygène se produit après 10 un mélange intime qui s'étend sur une grande partie de la section jdu courant. La valeur de 20 m/s pour la vitesse d'injection initiale du mazout dépend cependant aussi d'autres facteurs du fonctionnement du haut fourneau; c'est pourquoi l'invention couvre également les modifications rendues nécessaires par des conditions normales d'exploitation d'un haut fourneau. 15 Malgré le refroidissement provoqué au début dans la zone « marginale du courant par cette injection de mazout conforme à l'invention en raison du cracking du mazout, on réduit un accroissement trop élevé de température se produisant, dans certaines circonstances, à l'intérieur de la tuyère et se propageant également aux parois de tuyère en ajoutant, de préfé-20 rence de l'eau ou de la vapeur d'eau au mazout. Ainsi, s'ajoute encore à 1'action de la vapeur d'eau ou de la vapeur surchauffée agissant en tant qu'accélérateur tfe combustion, le refroidissement produit lors d'une adjonction de mazout, répartie beaucoup plus uniformément sur toute la section transversale de la tuyère à vent qui a une action bien plus grande lors de 25 l'injection que dans les procédés d'injection connus. Etant donné que le procédé conforme à l'invention repose essentiellement sur une meilleure répartition radiale du mazout injecté, on peut aussi obtenir les avantages ainsi prodiitssi l'on injecte le mazout radialement de biais contre l'écoulement du vent de tuyère. 30 De manière analogue, et suivant une variante de construction des tuyères à vent, il peut être avantageuxjd'injecter le mazout de façon uniformément répartie sur la section transversale de tuyère à partir du pourtour de la tuyère et radialement vers l'intérieur de cette dernière, bien que l'injection radialement vers l'extérieur depuis le centre des 35 tuyères à vent soit bien plus avantageuse. Une mise en oeuvre avantageuse préférée du procédé est obtenue à l'aide d'un dispositif ou d'une lance à buses d'injection de mazout, lance dont la tête à buses est disposée dans la zone de l'axe longitudinal d'une tuyère à vent. Cette lance est caractérisée en ce que la tête à buse 40 présente plusieurs buses réparties sur son pourtour et orientées dans le sens 71 37938 4 2111753 radial par rapport à la tuyère à vent ou sous un angle fortement incliné par rapport à l'écoulement du vent de tuyère ou encore suivant une orientation à composante essentielle radiale. Dans ce cas, les diverses buses à mazout, ayant de préférence 5 une longueur notable dans le sens du jet, peuvent communiquer avec une chambre de répartition centrale dans laquelle est montée une buse d'écoulement de mazout orientée dans le sens axial et devant laquelle est prévu un compartiment de turbulence, de sorte qu'un tourbillonnement du mélange mazout-eau ou mazout-vapeur se produit à l'intérieur de la chambre de répar-10 tition. Un tel refroidissement de la lance d'injection de mazout est très essentiel pour le fonctionnement parce que sinon, en peu de secondes, la température âevée du vent de haut fourneau conduit facilement à une décomposition du mazout à l'intérieur de la lance et par conséquent à 15 l'engorgement de la buse à mazout. Lorsque la chambre de répartition est prolongée axialement, les différentes buses peuvent aussi Être réparties sur une distance axiale assez grande, grâce à quoi, au lieu d'un plan d'injection radial seulement relativement plat, on peut constituer une zone d'inaction axialement élargie, 20 zone dans laquelle, de plus, les diverses buses peuvent encore injecter sous des angles d'injection différents. Dans ce cas, les axes longitudinaux des diverses buses ou leurs sens d'injection peuvent aussi s'entrecouper, de sorte que la turbulence et la pulvérisation du mazout se trouvent renforcées par l'influence cinétique réciproque des jets de sortie de mazout. Avec des 25 buses réparties axialement, la tête à buses est uniquement plus longue de sorte qu'aucune atteinte additionnelle quelconque n'est portée à la section d'écoulement libre dans la tuyère à vent. On obtient un refroidissement supplémentaire de l'extrémité antérieure de la lance à injection de mazout si le flux de mazout sortant 30 d'une buse d'écoulement de mazout et pénétrant dans le compartiment de turbulence est dirigé contre la paroi intérieure de l'extrémité antérieure (dans le sens du vent) de la chambre de répartition. En outre, la constitution simple de la lance à injection de mazout, conforme à l'invention, permet un mode de construction grâce 35 auquel on peut facilement et rapidement changer la lance dans la tuyère à vent. Les caractéristiques conformes à l'invention ne se limitent du reste pas aux hauts fourneaux, mais jeuvent au contraire s'appliquer à tous les cas analogues. 2111753 71 37938 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de différents exemples de réalisation, description se référant aux dessins annexés sur lesquels .* 5 - la figure 1 montre schématiquement" l'injection du mazout conforme à l'invention, à l'intérieur de la tuyère à vent d'un haut fourneau, ladite tuyère étant représentée en coupe'longitudinale; - la figure 2 représente, à plus grande échelle, la coupe longitudinale d'une tête à buses conforme à l'invention; et 10 - la figure 3 représente schématiquement une tête à buses modifiée, munie de buses ayant des axes d'inclinaisons différentes. Suivant la figure 1, une lance à buses 10 ayant un diamètre intérieur d'environ 6 à 8 mm, par exemple, pénètre dans une tuyère à vent 11 refroidie, par exemple, à l'eau, et par laquelle on insuffle dans le 15 creuset d'un haut fourneau un vent 12 préchauffé par exemple à 1000°C ou davantage et ayant une vitesse de 200 à 320 m/s, par exemple. Par la lance à buses 10 est amené du mazout 13 ainsi que, par une conduite 15, réglée, par exemple, par une soupape à pointeau 14,de l'eau ou de la vapeur d'eau 16 en quantités variables suivant le mode de fonctionnement du haut 20 fourneau, eau ou vapeur d'eau qui de toute façon est disponible sous une pression de 6 atmosphères par exemple, pour le préchauffage indispensable du mazout. La quantité d'eau ou de valeur d'eau ajoutée au mazout 13 peut être dosée différemment suivant le mode de fonctionnement du haut fourneau. En général, il suffit d'un pourcentage allant jusqu'à 15% 25 en poids d'eau ou de vapeur d'eau par rapport à lâ, quantité de mazout. Cependant, dans des conditions normales, on obtient une efficacité optimale avec des additions d'eau ou de vapeur d'eau allant jusqu'à 10% en poids, de telles additions assurant la stabilisation de l'accroissement de température lié normalement à l'insertion de mazout. 30 Le mazout 13 est injecté dans le vent 12 à travers la tête à buses 1, sous un angle de 90° (flèche a) transversalement au sens d'écoulement, la direction d'injection du mazout pouvant aissi s'écarter d'un certain angle de la direction radiale de 90° vers l'avant (flèche Jd) ou vers l'arrière (flèche £) suivant les flèches indiquées schématiquement 35 sur la figure 1. La lance à buses 10, ou la tête à buse 1, n'a pas besoin d'être centrée exactement sur l'axe longitudinal L, mais peut au contraire aussi être décalée par rapport à cet axe en correspondance avec le sens optimal d'écoulement du vent de haut fourneau. On peut, de plus, prévoir plusieurs têtes à buses 1 réparties radialement. 71 37938 6 2111753 La tête à buses 1, représentée à plus grande échelle sur la figure 2 est reliée de façon détachable dans la zone 7 à la lance 10 et possède par exemple un certain nombre de buses individuelles 2, par exemple six ou huit ou douze, qui sont dirigées radialement vers l'extérieur, ont 5 un diamètre de 3 mm, par exemple et une longueur axiale notable et grâce auxquelles on peut injecter environ 260 kg de mazout par tuyère à vent et tête à buses et ceci pour une surpression d'environ 3 atmosphères dans la lance à buses 10 par rapport à la pression de vent, et pour une viscosité de 15 centistockes et une vitesse de sortie d'environ 20 à 25 m/s. La dis-10 tance entre la tête à buses 10 et l'embouchure antérieure de la tuyère à vent s'élève à 250 mm par exemple, pour un diamètre moyen de la tuyère à vent de 200 à 300 mm. La tête à buses 1 possède une chambre centrale de répartition 3 avec laquelle communiquent les buses 2 et dans laquelle peut pénétrer 15 une buse d'écoulement de mazout 4, qui dirige le mazout 13 en vue de son refroidissement contre l'extrémité antérieure 6 de la chambre de répartition 3. Devant la buse d'écoulement de mazout 4, se crée de ce fait, en même temps une zone dite compartiment de turbulence 5, à partir de laquelle le mazout 13 est éjecté à travers les buses 2. 20 On peut aussi employer une tête à buses prolongée axiale ment la (figure 3) à l'aide de laquelle le mazout parvient dans le vent de haut fourneau 12 par l'intermédiaire d'une zone d'injection 17 s'étendant dans le sens axial de la tuyère à vent. Dans ce cas, l'angle d'injection des diverses buses peut aussi être dirigé obliquement suivant les flèches d, e et 25 f de la figure 3, en particulier aussi, de biais, l'un à l'encontre de l'autre, de sorte qu'en même temps est rendue plus uniforme la répartition du mazout sur la section de la tuyère et est améliorée la pulvérisation du mazout se produisant après la répartition. En outre, le groupe de buses situé à l'avant peut avoir un sens d'injection dirigé vers l'arrière pour compenser l'in-30 fluence de la vitesse de vent. Dans tous les cas, chaque jet est tout d'abord orienté radialement et est ensuite dévié axialement suivant une courbe à peu près parabolique, après avoir couvert, sur sa trajectoire dirigée radialement vers l'extérieur, une distance correspondant environ à 2/3 du rayon intérieur de 35 la tuyère. La vitesse initiale des jets de mazout est calculée de manière que ces jets n'atteignent pas la paroi interne des tuyères. La dispersion ou pulvérisation des jets se produit globalement dans la zone où ils sont déviés axialement. 71 37938 7 2111753 Le réglage de l'arrivée de mazout peut se faire par modification de la pression d'arrivée; il est cependant plus avantageux d'effectuer ce réglage en échangeant la tête à buses 1, ce pour quoi l'on peut tenir en réserve des têtes à buses pour 50 kg/h ou 60 kg/h de mazout, de sorte que l'on peut aussi maintenir la caractéristique optimale d'injection lorsque est modifiée la valeur absolue de la quantité de mazout amenée. Une autre possibilité d'améliorer l'uniformité de l'injection de mazout consiste à constituer systématiquement de façon différente les diamètres des diverses buses, de sorte que, par exemple, un groupe de buses balaye une zone d'injection plus étroite d: un autre groupe de buses balaye une zone d'injection plus large. Enfin on peut encore obtenir l'uniformité de l'injection de mazout en établissant sur le pourtour de la tête à buses 1 deux groupes de buses espacés axialement et décalés angulairement l'un par rapport à 1'autre. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans que l'on sorte pour cela du cadre de l'invention. 71 37938 8 2111753 REVENDICATIONS 1. Procédé d'introduction de mazout dans un haut fourneau, dans lequel du mazout est ajouté dans le courant de l'air de combustion amené par une tuyère à vent, procédé caractérisé en ce que le mazout est injecté dans le vent de tuyère, au moyen d'au moins un jet de mazout à vitesse d'écoulement 5 élevée, à partir de l'axe longitudinal de la tuyère à vent, et suivant un sens radial par rapport à la tuyère ou transversalement à l'écoulement du vent de tuyère. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on injecte avec le mazout jusqu'à 15% en poids, de préférence jusqu'à 10% en poids 10 d'eau ou de vapeur d'eau. 3. Procédé selon revendication 1 ou 2, caractérisé par la combinaison des caractéristiques suivantes: a) on injecte le mazout dans le vent de tuyère à partir de l'axe longitudinal de tuyère à vent et suivant le sens radial par rapport 15 à la tuyère ou transversalement à l'écoulement de vent de tuyère. b) on injecte avec le mazout jusqu'à 15% en poids, de préférence jusqu'à 10% en poids d'eau ou de vapeur d'eau. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on injecte le mazout radialement et de biais, contre 20 l'écoulement de vent de tuyère. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, et comportant pour l'injection du mazout une tête à buses imontée dans la zone de l'axe longitudinal d'une tuyère à vent, caractérisé en ce que la tête à buses présente plusieurs buses réparties sur son pour- 25 tour et orientées radialement par rapport à la tuyère à vent ou sous un angle fortement incliné par rapport à l'écoulement du vent de tuyère. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les buses communiquent avec une chambre centrale de répartition dans laquelle est montée une buse d'écoulement de mazout orientée dans le sens axial, et 30 devant laquelle se trouve un compartiment de turbulence. 7. Dispositif selon revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'embouchure de la buse d'écoulement est située en face de la paroi intérieure de l'extrémité antérieure de la chambre de répartition, extrémité vue dans le sens du vent.