Brevet FR2131868A1 — publié le 19721117

La présente invention concerne de nouveaux procédé etdispositif pour améliorer la combustion dans les hauts-fourneaux et plus particulièrement des procédé et appareil pour améliorer la combustion.en avant des tuyères. I1 est bien connu d'injecter dans les hauts-fourneaux des combustibles liquides tels que les huiles lourdes, des combustibles gazeux tels que les gaz naturels, des combustibles solides tels que le charbon et des combinaisons de ceux-ci, au moyen des tuyères ou des porte-vent. Il est évident qu'une telle injection a pour but d'économiser le coke qui est un combustible onéreux en engendrant des gaz réducteurs tels que CO et H2 en avant des tuyères par combustion de ces différents combustibles. Dans un tel cas, l'enrichissement du vent en oxygène a également e été utilise en combinaison avec la dite injection. Comme exemple le plus perfectionné de ce type de conduite des hauts-fourneaux on peut citer le procédé Texaco qui a e été décrit dans le brevet américain N 2.837.419. Conformément à ce brevet, le procédé de conduite est caracterisé en ce qu'une partie du gaz réducteur nécessaire pour le haut-fourneau est engendrée dans un générateur de gaz indépendant et il est dans de nombreux cas souhaitable d'engendrer ltensemble des gaz réducteurs dans ce générateur de gaz. Ce générateur de gaz réducteur est exploité à une température qui se trouve dans la gamme comprise entre environ 1100 et 16500C et ensuite les dits gaz réducteurs sont introduits dans la partie inférieure du haut-fourneau.De ce fait, une partie ou la totalité du coke necessaire pour l'exploitation du haut-fourneau conventionnel peut être économisée. On comprendra toutefois que de nombreux inconvaiients sont constatés dans l'un ou l'autre des procédés du fait que les gaz réducteurs sont engendrés en un point en avant des tuyères ou dans un générateur de gaz indépendant. A savoir, les inconvm ients du premier procédé sont les suivants: 1.- Lorsque l'importance de l'injection de combustible est supérieure à la limite théorique, la consommation de coke tend à staccroftre de façon inverse. 2.- Dans le procédé d'injection de combustible par les tuyères, on doit ajouter de l'oxygène et la température du vent chaud doit être accrue en fonction de l'injection du dit combustible parce que la température de combustion théorique s'abaisse avec la dite injection de combustible. 3.- Si on accroît seulement la quantité de combustible injectee par la tuyère sans addition d'oxygène et sans élévation Ge la température du vent chaud, le taux de substitution du coke s'abaisse et alors les conditions d'exploitation du haut-fourneau se & ériorent. I1 est inutile de dire qu'il en résulte une combution défectueuse. il est bien connu que la quantité de combustible injecté nécessaire qui est susceptible de maintenir un fonctionnement stable du dit haut-fourneau est d'environ 50kg par tonne de fonte dans le cas de lthuile lourde. Les inconvénients du second procédé mentionné sont les suivants : l.- Un générateur de gaz séparé est nécessaire pour produire les gaz réducteurs. Il est inévitable que le dit appareil présente des dimensions importantes, ce qui entraîne en conséquence un coût plus élevé et nécessite des opérations complexes. 2.- La plupart des matériaux réfractaires du revêtement du dit générateur se détériorent rapidement à température élevée. Fn conséquence, la température des gaz réducteurs est plus faible que celle de la zone de combustion en avant des tuyères. Il sera nécessaire d'injecter ces gaz en un point au-dessus des dites tuyères. En conséquence, il est évident que d'autres dispositifs d'injection doivent être prévus en supplément des tuyères. 3.- Lorsque des dispositifs d'injection sont prévus audessus et indépendamment des tuyères, le débit des gaz réauc- teurs tend à être disproportionné et, en conséquence, il se produit un accroissement de la perte calorifique. Ainsi il est indiscutable que ltefficacité d'utilisation du dit gaz réducteur et des dits combustibles se trouve de toutes facons réduite. En conséquence, la présente invention a pour but d'éliminer les inconvm ients ci-dessus mentionnés. Les caractéristiques résident dans l'addition des combustibles, pulvérisés par de l'oxygène ou par de l'air enrichi en oxygène, à l'air de combustion injecté dans le haut fourneau, un mouvement tourbillonnaire rotationnel étant imparti au dit oxygène ou air enrichi en oxygène et à l'air de combustion respectivement. Un objet de la présente invention est de fournir un procédé de conduite et un appareil de combustion améliorés pour les hauts-fourneaux qui sont susceptibles d'assurer l'efficacité maximale d'utilisation des gaz réducteurs et des combustibles injectés. Un objet supplémentaire de la présente invention est de fournir un procedi? de conduite et un appareil de combustion améliorés pour les hauts-fourneaux dans lesquels la température de combustion qui convient la mieux en avant des tuyères et une combustion complète, peuvent être maintenues facilement et avec un haut degré de stabilité. Un autre objet de la présente invention est de fournir un procédé de combustion amélioré assurant un bon refroidissement des tuyères et canalisations porte-vent. D'autres objets et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels Fig, 1 est une vue schématique en coupe de l'appareil conforme à l'invention et de son mode de fonctionnement; Fig. 2 est une vue en coupe agrandie d'un brûleur pour addition de combustibles liquides; Fig. 3 est une vue en plan d'un mode de réalisation modifié illustrant la construction des canalisations porte-vent; Fig. 4 est une vue en élévation latérale de figure 3; Fia. 5 est une vue en coupe par V-V de figure 3. Avec référence à la figure 1, la référence 1 désigne une partie des étalages du haut-fourneau. La tuyère 2 est montée sur les dits étalages 1 et la canalisation porte-vent 3 débouche dans la dite tuyère 2. L'appareil conforme à la présente invention est caractérisé en ce qu'unie lame hélicofdale 4 est fixée sur la face interne de la dite canalisation porte-vent 3 cette lame hélicoidale 4 donnant un mouvement-de rotation au vent chaud. Dans la dite canalisation porte-vent 3 est inséré un brûleur 5 et une autre lame hélicoidale 10 est également fixée à l'intérieur du dit brûleur 5. Ceci constitue une autre caractéristique de la présente invention. Avec un tel dispositif un mouvement de rotation ou tourbillonnaire est facilement imparti au vent constitué par de l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène. La caractéristique d'un tel brûleur 5 est représentée dans la figure 2. La référence 6 désigne le corps du brûleur. La structure du dit corps 6 comporte trois passages, à savoir autour d'un tube d'alimentation du combustible liquide 9 se trouvant au centre, sont formés respectivement un tube 7-8 d'alimentation en oxygène ou en air enrichi en oxygène et ensuite une canalisation de circulation 12-13 pour un agent de refroidissement, comme illustré dans la figure 2. La lame hélicordale 10 ci-dessus mentionnée doit être fixée sur la face interne du dit tube 8 dt alimentation en oxygène et autour du dit tube 9 d'alimentation en combustible.Lorsque le brûleur est constitué comme mentionné ci-dessus, le flux tourbillonnaire du dit oxygène est introduit dans la canalisation porte-vent 3 en même temps que se produit la pulvérisation du combustible. Dans un tel cas > un mouvement tourbillonnaire de même sens que celui du gaz chaud dans la canalisation porte-vent est imparti au dit flux d'oxygène. La partie de sortie du brûleur doit être conçue de manière à assurer une expansion du courant tourbillonnaire d'oxygène. En conséquence, cette partie de sortie est conformée comme une tuyère du type connu sous le nom de tuyère de Laval. Avec un tel moyens on peut atteindre facilement pour le dit écoulement une vitesse supersonique.Toutefois, la partie divergente de la tuyère utilisée dans la présente invention diffère de celle de la tuyère du type Laval par le fait que la surface de la section de la dite partie divergente croît de manière discontinue. La position dans laquelle la surface de la dite section commence à croître de façon discontinue doit être choisie dans une partie comprise entre 60 à 90 de la longueur de divergence idéale. Une telle tuyère produit une surexpansion, assure un écoulement à contre-courant intense et stable dans et autour de la sortie de la dite tuyère et contribue efficacement à engendrer des gaz réducteurs et-à stabiliser une flamme courte. Un tel type de tuyère est une caractéristique supplémentaire de la présente invention. Ainsi lorsque le flux tourbillonnaire d'oxygène ou d'air enrichi en oxygène dans lequel le combustible liquide est pulvérisé est introduit dans l'autre flux tourbillonnaire du vent chaud, le combustible pulvérisé s'allume et un écoulement à contrecourant est créé à l'emplacement en avant des tuyères 11 en combinaison avec le flux à contre-courant ci-dessus mentionné qui se trouve souflé dans et autour de la sortie de la dite tuyère du brûleur. Avec un tel écoulement a' contre-courant, la réaction de gazéification et de réduction est rapidement accélérée. Ainsi une caractéristique du procédé de la présente invention réside en ce que le flux tourbillonnaire d'oxygène ou d'air enrichi en oxygène dans lequel le combustible est pulvérisé, est introduit dans un autre flux tourbillonnaire de vent chaud à une vitesse supersonique.Dans un tel cas, si le rapport entre la quantité de combustible injectée, la quantité du vent chaud et la quantité d'oxygène est choisi de manière adéquate, un gaz réducteur ayant une température équivalente à la température de combustion théorique à ltemplacement en avant des tuyères, peut être obtenu facilement. Le taux N du mouvement tourbillonnaire des flux tourbillonnaires ci-dessus mentionnés doit être choisi dans la gamme de 0,9 à 1,5 respectivement et il est donné par la formule suivante: ne N - Uz (I) dans laquelle N : le taux du mouvement tourbillonnaire ue : le taux du débit dans la direction circonférentielle de la canalisation d'alimentation Uz : le taux du débit dans la direction axiale de la canalisation d'alimentation. Le point ci-dessus est une autre caractéristique du procédé objet de l'invention. Des mises en oeuvre réelles ont confirmé qu'un tel écoulement tourbillonnaire qui a une vitesse supersonique assure un effet de refroidissement remarquable à la fois pour le porte-vent et pour le brûleur. Le flux tourbillonnaire ci-dessus mentionné peut également être réalisé au moyen d'un autre appareil. La figure 3 illustre un mode de réalisation modifié. A savoir comme illustré dans les figures 3, 4 et 5 les tubes d'aliméntatzon lN provenant de la canalisation circulaire de vent chaud 15 sont raccordés sur la canalisation porte-vent 3 selon une direction tangentielle qui contacte le cercle au droit de l'orifice de la dite canalisation d'alimentation, Le taux du mouvement tourbillonnaire dans un tel cas doit être choisi dans la gamme de 0,9 à 1,5 et il est donné par la formule suivante N = Sin a/2A2 (l/Al + Cos a/2A2) (Il) dans laquelle A1 : la surface de la section de soufflage de la canalisation porte-vent 3 A2 est la section de soufflage de la canalisation d > alimentation 16 et &alpha; l'angle formé entre les axes de la canalisation d' alimentation 16 et de la canalisation porte-vent 3. La composition du gaz réducteur qui est engendré avec le procédé et l'appareil ci-dessus mentionnés est fixée par le rapport entre le débit d'oxygène total et le débit du combustible et varie avec la nature du dit combustible, comme cela est bien connu. Lorsque le procédé de l'invention est appliqué au procédé d' injection de gaz réducteur, la température de combustion peut Cotre contrôlée par le taux d'enrichissement en oxygène sur la ose des facteurs constitués par la nature du combustible, la quantité de combustible par tonne de fonte la température du vent chaud et l'humidité du vent. Autre part, lorsque le procédé de l'invention est appliqué au procédé d'injection de combustible, la composition recherchée pour le gaz réducteur peut être obtenue en contrôlant le taux de la quantité totale d'oxygène par rapport à la quantité de combustible. En conséquencea quel que soit le procédé ci-dessus mentionné qui est utilisé, il est possible d'obtenir une température de combustion réelle qui corresponde à la température de combustion théorique en avant des tuyères. Les résultats de mises en oeuvre réelles dans des hautsfourneaux conventionnels sont donnés ci-après. Exploitation usuelle Exploitation se- Exploitation avec Exploitation avec sans injection d' lon l'art anté- injection de com- injection de gaz huile lourde rieur avec in- bustible conforme réducteur conforjection d'huile à l'invention me à l'invention lourde Taux d'accroissement de la fonte en % - 10,2 32,2 38,6 Abaissement de la mise au mille du coke kg/ tonne de fonte - 60 215 Combustible à injecter - Huile lourde C Huile lourde C Huile lourde C Combustible injecté (kg/tonne) de fonte - 60 220 280 Taux d'enrichissement en oxygène (%) 0 0 37 42 Température de combustion théorique en ( C) 2093 1974 2100 2100 Agent de pulvérisation - - oxygène pur oxygène pur Taux du mouvement tourbillonnaire de l'agent de pulvérisation - - 1,3 1,3 Taux du mouvement tourbillonnaire du vent. - - 1,3 1,3 D'après le tableau ci-dessus, on comprendra que lteffet obtenu par le procédé de la présente invention est bien supérieur à celui de l'art anterieur. I1 est utile de mentionner spéciale~ ment que les résultats sont meilleurs lorsque le procédé de l'invention est appliqué au procédé de soufflage de gaz réducteur. I1 est inutile de dire que les dits résultats sont basés sur le fait que les inconvénients ci-dessus mentionnés du procédé antérieur de soufflage de gaz réducteurs sont éliminés par le procédé de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Un procédé de combustion pour haut-fourneau caractérisé en ce que l'on injecte un vent chaud auquel est imparti un mouvexent tourbillonnaire dans la canalisation porte-vent et on introduit, dans la canalisation porte-vent, de I'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène auquel est imparti un mouvement tourbillonnaire à l'aide d'un brûleur dans lequel on introduit du combustible. 2.- Un procédé de combustion selon la revendication 1 caractérisé en ce que le taux du mouvement tourbillonnaire du vent chaud et d l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène est choisi dans une gamme allant de 0,9 à 1,5. 3.- Un procédé de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les combustibles ajoutés sont pulvérisés et reçoivent un mouvement tourbillonnaire dans le brûleur. 4.- Un dispositif de combustion pour haut-fourneau carac crise en ce qu'il comporte une canalisation porte-vent pour le vent chaud dans laquelle est montée, à l'intérieur du tube, une lame hélicoîdale et un brûleur pour les combustibles qui est inséré dans la canalisation, une autre ailette hélicoîdale étant fixée à l'intérieur du passage pour oxygène ou l'air enrichi en oxygène de ce brûleur, autour du passage central pour les combustibles. 5,- Un dispositif de combustion selon la revendication 4 caractérisé en ce que la partie -t sQrtie du brûleur est du type divergents la surface de la section de a partie divergente croissant de maniere discontinue. 6.- Un dispositif de combustion selon la revendication 5 caractérisé en ce que la partie dans laquelle la surface de la section croit de façon discontinue est située à 60 à 905 de la longueur de la partie divergente. 7,- Un dispositif de combustion selon la revendication 4 caractérisé en ce que la structure assurant le mouvement tourbillonnaire pour le vent chaud est constituée par des tubes a'alimen- tation partant de la canalisation circulaire de vent chaud et ahoutissant à la canalisation porte-vent fixés sur cette canalisation porte-vent selon une direction tangentielle qui contacte le cercle au droit du débouché du tube d'alimentation dans la canalisation porte-vent.