Brevet FR2108856A1 — publié le 19720526

La présente invention concerne l'introduction au haut fourneau d'un combustible auxiliaire liquide en remplacement d'une partie du coke utilisé comme agent réducteur. Le remplacement, au moins partiel, du coke métallurgique utilisé dans le 5 haut fourneau en tant qu'agent de réduction des minerais de fer constitués par des oxydes, fait l'objet de nombreuses recherches menées par les sidérurgistes. Cependant, ce problème devient de plus en plus aigu en raison des difficultés d'approvisionnement en coke. On a donc cherché à remplacer au maximum ce coke par un combustible auxiliaire bon marché susceptible de donner, par 10 combustion, des gaz réducteurs, ou susceptible d'être transformé en gar réducteurs sous l'effet de la chaleur. Les voies de recherches prospectées se sont limitées soit à l'adjonction, aux tuyères équipant les hauts fourneaux, de dispositifs d'injection de combustible liquide tel que le fuel oil, soit au montage, parallèlement à ces tuyères, de brûleurs destinés à assurer la cnmbus-15 tion du fuel oil. Ces recherches ont permis de réaliser des dispositifs autorisant dans une certaine mesure l'injection de fuel oil dans le haut fourneau. Toutefois, l'expérimentation a rapidement fait, apparaître une limitation à ces techniques en ce qui concerne les quantités de fuel oil susceptibles d'être injectées avec efficacité. On constate en effet une dégradation très rapide 20 du taux de remplacement du coke par le fuel dés que l'on augmente la quantité de fuel injecté. On entend par taux de remplacement la quantité de coke économisée par l'emploi de l'unité de masse du combustible auxiliaire. On s'est, vite rendu compte que cette limitation provenait d'une mauvaise combustion entraînant la formation de carbone suie qui reste îmbrûlé en raison de l'atmos-25 phère réductrice dans le haut fourneau. Afin de mieux exposer les problèmes de l'injection, on expliquera d'abord rapidement les phénomènes qui se produisent lorsque l'on injecte du fuel oil dans un haut fourneau. Par suite de l'é-chauffement du combustible injecté par le vent chaud et de la présence d'oxygène, le combustible peut subir les transformations suivantes : vaporisation 50 en hydrocarbures lourds qui subissent ion cracking en hydrocarbures légers, décomposés à leur tour en hydrogène, et parfois en carbone suie. Ces transformations imputables à l'échauffement aboutissent à des produits qui se trouvent mis en présence d'oxygène en quantité plus ou moins importante, et sont de ce fait susceptibles de brûler en donnant CO, COg, H^, H^O. Au nez des tuyères 35 où l'on trouve une atmosphère oxydante, la combustion a lieu presque uniquement en COg et HgO, mais, par suite de la présence à la périphérie de coke à haute température, donc actif, l'environnement devient réducteur et les gaz quittent cette zone de combustion sous forme de CO et H^. On doit cependant distinguer deux cas de combustion : le premier correspondant à la combustion 4() des hydrocarbures en CO et H2 sans formation de carbone suie ; c'est l'idéal 70 36906 2 2108856 théorique dont on cherche à se rapprocher. Dans le deuxième cas le cracking des hydrocarbures aboutit à la formation de carbone suie avant que la combustion ne soit totale. Une partie du fuel oil sort donc de la zone de combustion sous forme d'hydrogène et de carbone suie. Ce deuxième cas est celui que l'on 5 rencontre en pratique lorsque l'on essaie d'augmenter les quantités de fuel oil injectées au moyen des dispositifs connus. On comprend donc que le taux de remplacement ne peut être élevé que dans la mesure où la formation de carbone suie est évitée, c'est à dire pour une combustion totale avant cracking. Les principales conditions indispensables 10 pour obtenir une combustion complète sont l'obtention du meilleur mélange possible air/combustible et la stabilisation de la flamme. Or, il s'avère qu'aucune des techniques expérimentées, que ce soit des brûleurs annexes avec pulvérisation mécanique du fuel, ou par ion fluide auxiliaire, ou bien des tuyères avec mise en rotation du vent pour assurer le mé-15 lange comburant/combustible, ne permet d'obtenir cette combustion complète de quantités importantes de fuel. Le demandeur s'est engagé dans une voie différente et a repensé le problème dans l'optique de la mise en oeuvre de tuyères de hauts fourneaux spécialement conçues pour résoudre ce problème, et basées sur le principe de l'écoulement supersonique des fluides avec utilisation des 20 propriétés des ondes de choc pour pulvériser le fluide. Le but de l'invention est donc de fournir un procédé permettant d'introduire dans un haut fourneau des quantités de combustible auxiliaire liquide aussi proches que possible des quantités théoriques, et un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé. 25 A cet effet, l'objet de l'invention est un procédé pour introduire dans un haut fourneau un combustible auxiliaire liquide, en remplacement du coke utilisé en tant qu'agent réducteur, et dans lequel on réalise la combustion du combustible auxiliaire dans les tuyères, procédé consistant à souffler le vent nécessaire à la marche du haut fourneau dans les tuyères comportant un 30 convergent/divergent, à régler les conditions de soufflage du vent pour porter momentanément ce dernier à une vitesse supersonique dans la tuyère, et provoquer la formation d'une onde de choc dans le divergent où l'on injecte le combustible auxiliaire en vue d'utiliser la variation brutale de pression et lés turbulences dues à l'onde de choc pour pulvériser le combustible et le mé-35 langer au vent, et finalement à brûler le mélange obtenu. L'invention a également pour objet une tuyère de haut fourneau pour réaliser l'injection d'un combustible auxiliaire liquide dans le vent soufflé, et sa combustion complète comprenant un convergent, un col sonique et un divergent pour porter le vent à une vitesse momentanément supersonique, et com-40 prenant en outre les moyens pour injecter le combustible liquide dans le vent 70 36906 3 2108856 en amont de l'onde de choc. Le but de l'invention est donc de fournir un procédé permettant d'introduire dans un haut fourneau des quantités aussi élevées que possible de combustible auxiliaire liquide et d'obtenir par sa combustion des gaz dont la te-5 neur en CO et Hg est maximale. Un autre but de l'invention est de fournir une tuyère de haut fourneau pour la mise en oeuvre du procédé. L'invention concerne enfin un haut fourneau destiné à la production de la fonte liquide dont les organes pour souffler le vent sont constitués par 10 des tuyères ayant un profil adapté pour porter le vent à une vitesse momentanément supersonique et comportant des moyens d'injection du combustible liquide. Comme on le comprend, l'invention consiste à modifier complètement les conditions traditionnelles de soufflage du vent au haut fourneau et à leur sub-15 stituer des normes nouvelles spécifiquement étudiées pour favoriser l'introduction de quantités élevées de fuel oil. Le demandeur a en effet pensé que l'on pouvait obtenir les conditions de combustion indispensables (énoncées plus haut) pour atteindre un taux de remplacement élevé par l'emploi de tuyères du type à onde de choc, mais il a éga-20 lement imaginé de remplacer l'ensemble des tuyères classiques d'un haut fourneau par des tuyères réalisées selon ce principe. On comprend que l'on aboutit ainsi à une conception d'ensemble orientée vers l'obtention d'un taux de remplacement aussi élevé que possible, et portant à la fois sur les conditions de soufflage du vent et sur la conception des tuyères. 25 Une tuyère pour la mise en oeuvre du procédé comprend un profil intérieur étudié de manière à constituer un convergent suivi d'un col sonique prolongé par un diveinent. Lorsque l'on alimente cette tuyère avec un gaz dont la pression est déterminée en fonction des caractéristiques de la tuyère, le gaz est accéléré jusqu'à atteindre une vitesse supersonique, puis il se forme une on-30 de de choc avec chute de pression brutale avec retour de 1*écoulement en régime subsonique. La présence de cette onde de choc a deux effets bénéfiques : d'une part, elle est susceptible de provoquer une pulvérisation extrêmement fine du combustible et son mélange homogène dans "le gaz comburant, et d'autre part, elle provoque un accrocnage de la flamme à ce niveau, d'où une bonne 35 stabilité de celle ci. De plus, la formation d'une onde de choc produit une zone de turbulence qui favorise largement l'homogénéisation carburant/comburant . L'invention sera d'ailleurs mieux comprise grâce à la description qui suit, donnée en regard de la planche de dessin unique sur laquelle la figure repré-40 sente schématiquement, vu en coupe, un modèle de tuyère de haut fourneau. Sur 70 36906 2108856 la figure unique, on a représenté une vue schématique en coupe d'une tuyère de haut fourneau permettant l'injection de fuel oil. On voit que la tuyère est constituée d'un corps métallique 1 dont le profil intérieur forme un convergent 2, un coi sonique 3 et un divergent 4 qui débouche dans le haut four-5 neau. L'extrémité du divergent qui est en contact avec la zone chaude du haut fourneau est refroidie par une chambre à eau annulaire 5• L'entrée du divergent est raccorde par un embout 6 sur l'organe d'alimentation en vent chaud provenant des récupérateurs de chaleur. L'alimentation de la tuyère en fuel est assurée par une conduite 7 dé-1C bouchant dans une chambre annulaire 8 d'où sont issus des canaux 9 Qui débouchent dans la tuyère au niveau du col sonique 3« En 10 on a schématisé la position de l'onde de choc dans la tuyère. Il est bien entendu que cette vue n'est qu'un schéma de principe, et que les rapports entre les différentes parties de la tuyère et entre leurs sections ne sont pas respectées pour faci-15 liter la représentation. D'ailleurs, il est évident qu'une telle tuyère doit être calculée en fonction de différents paramètres imposés par le haut fourneau. C'est ainsi que pour un haut fourneau déterminé fonctionnant dans des conditions données, existent des grandeurs imposées comme la température génératrice, autrement dit la température du vent introduit dans le divergent 20 (c'est sensiblement la température au niveau de la circulaire), la pression statique d'éjection (pression dans le haut fourneau au niveau des tuyères), et le débit massique de chaque tuyère. A partir de ces données, l'homme de l'art peut, au moyen de formules classiques en physique des fluides, calculer un profil de tuyère adapté, et dé-25 finir la pression génératrice nécessaire pour réaliser un régime supersonique dans la tuyère et la formation de l'onde de choc. Afin de vérifier les possibilités de cette technique, le demandeur a procédé à des essais sur modèle réduit de tuyère en réalisant la combustion de fuel domestique dans une enceinte et en prenant l'analyse des gaz réduits com-30 me critère pour tester la qualité de la combustion. Pour ces essais, on a pris comme référence une tuyère de haut fourneau dans laquelle on souffle 10 000 m^/h de vent, et on a réalisé une tuyère à l'échelle de 1/5 avec, dans le cas présent, une pression d'éjection de 1 bar. On a donc soufflé dans cette tuyère, pour respecter l'échelle, 150 Nm^/h de vent porté à 600°C, et on a éjec-35 té des quantités croissantes de fuel domestique en contrôlant continûment l'analyse des gaz de combustion, et en surveillant l'apparition de carbone suie qui est, comme on l'a dit plus haut, l'obstacle majeur à l'injection de grosses quantités de fuel avec un taux de remplacement avantageux. Ces essais ont montré que l'on pouvait injecter jusqu'à 170 g de fuel * 40 par Nm d'air sans apparition de carbone suie, celui-ci ne se manifestant que 70 36906 s 2108856 légèrement au dessus de cette valeur. Ce résultat met en évidence l'intérêt incontestable de cette technique, puisque l1on peut presque doubler la quantité stoechiométrique -correspondant à la quantité de fuel que l'on peut brûler par Nm5 d' air avec formation de 3 5 COg et H^O- qui est de 90 g par Nm , tout en réalisant une combustion sans formation de carbone suie. Ce fait se trouve confirmé par les résultats de l'analyse des gaz secs de combustion obtenus dont la composition est la suivante : CO =19$ 10 co2 = Wf> Hg = 12* N2 - 65* (Humidité =8*) On obtient un gaz riche en CO et en H2 sans carbone suie, dont la com-15 position est très proche de la composition théorique qui permet d'obtenir un taux de remplacement égal à l'unité. Pour mieux préciser l'intérêt du procédé, on comparera maintenant les possibilités offertes par celui-ci aux meilleurs résultats pratiques actuellement connus, en distingant le cas du chargement du haut fourneau en mine-20 rai pauvre (minerai lorrain) de celui du chargement en minerai riche. Pour une marche en minerai pauvre, on peut injecter actuellement 130 à l60 kg par tonne de fonte, et pour une marche en minerai riche 100 à 120 kg de fuel par tonne de fonte. La mise en oeuvre du procédé objet de l'invention permet de porter respectivement ces valeurs à 270 kg par tonne de fonte dans 25 le premier cas, et à 190 kg par tonne de fonte dans le second, soit une augmentation substantielle (80# de la quantité de fuel injecté). Etant donné les quantités de coke industriel utilisé dans les hauts fourneaux, on imagine facilement l'intérêt économique d'une telle élévation des quantités de fuel injectées. On peut, en outre, ajouter que les tuyères pour la mise en oeuvre 30 du procédé sont d'une conception mécanique simple, qu'elles ne comportent aucun organe en mouvement, ce qui garantit une grande fiabilité. Il est bien entendu que les exemples qui viennent d'être décrits ne sont nullement limitatifs, et que l'on pourrait imaginer bien des variantes ou modifications de détail, de même qu'employer des moyens équivalents, sans pour 35 autant sortir du domaine de la présente invention. 70 36906 ~ 6 2108856 REVENDICATIONS I. Procédé pour introduire dans un haut fourneau un combustible auxiliaire liquide en remplacement d'une partie du coke utilisé au haut fourneau en tant qu'agent réducteur, dans lequel on réalise la combustion du combus- 5 tible auxiliaire dans les tuyères, caractérisé en ce que l'on souffle le vent nécessaire à la marche du haut fourneau dans les tuyères comportant un convergent divergent, que l'on règle les conditions de soufflage du vent pour porter momentanément ce dernier à une vitesse supersonique dans la tuyère et provoquer la formation d'une onde de choc dans le divergent, en ce que l'on 10 injecte le combustible auxiliaire dans le vent porté à vitesse supersonique pour pulvériser le combustible et le mélanger au vent, et en ce que l'on réalise la combustion du mélange dans la tuyère. II. Tuyère de haut fourneau pour réaliser l'injection d'un combustible auxiliaire liquide dans le vent soufflé et sa combustion, caractérisé en ce 15 qu'elle est formée d'un convergent, d'un col sonique et d'un divergent en vue de porter le vent à une vitesse momentanément supersonique, et en ce qu'elle comprend des moyens pour injecter le combustible liquide en amont de l'onde de choc. III. Haut fourneau destiné à la production de fonte liquide, caractéri-20 sé en ce que les organes pour souffler le vent sont constitués par des tuyères selon la revendication II. f