Brevet FR2125183A1 — publié le 19720929

La présente invention, pouvant rentrer dans le secteur des ensembles fonctionnels de turbines à gaz, est relative à un procédé et à une installation de récupération d'une partie de l'énergie d'un gaz poussiéreux humide sous pression, par la déten-5 te de ce gaz dans une turbine. l'invention s'applique plus particulièrement à la récupération de l'énergie de détente du gaz de gueulard de haut fourneau. l'exploitation des hauts fourneaux modernes est conduite de telle façon que le gaz sort du gueulard à une pression qui 10 peut, dans certains cas, atteindre plusieurs bars. Ce gaz chaud, humide et poussiéreux doit être détendu et dépoussiéré avant son utilisation oui se fait généralement à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique0 Cette détente peut se faire avec ou sans fourniture de 15 travail mécanique On connaît ui^rocédé permettant de détendre le gaz de 25 gueulard dans une turbine axiale, après son épuration poussée par voie humide. Dans ce procédé, le gaz propre, humide et relativement froid est réchauffé soit par combustion partielle interne, soit par passage dans des échangeurs thermiques, afin que la température du gaz n'atteigne en aucun cas le point de rosée- au 30 cours de la détente, pour éviter toute condensation qui entraînerait une abrasion de la turbine par les gouttelettes d'eau et son colmatage par le dépôt de poussières humides. Le gaz non saturé sortant de la turbine à une température de l'ordre de 45 à 70° 0 doit être encore lavé d'une façon complémentaire pour le 35 débarrasser des poussières résiduaires et -dout abaisser sa température en vue de son utilisation ultérieure» L'apport d'énergie extérieure nécessaire à un échan-geur thermique, ou la consommation d'une partie du gaz avec ou sans diminution du pouvoir calorifique du gaz, enlève une bonne 40 part de l'intérêt économique de cette récupération. On a tenté 71 05402 2125183 de pallier les inconvénients de ce procédé en détendant le gaz après épuration sèche, sans le soumettre à l'épuration humide, pour ne pas avoir à le réchauffer ou à abaisser sa chaleur sensible» Mais, dans ce cas, la turbine de détente reçoit alors un gaz 5 encore relativement chargé en poussières. En outre, on doit procéder à une épuration secondaire du gaz après détente. Dans un autre procédé connu, le gaz épuré à sec est détendu dans une turbine de détente centripète0 Si nécessaire, le gaz y est réchauffé avant détente pour éviter une condensa-10 tion dans la turbine. Ce procédé, qui n'est donc intéressant que si la température du gaz est élevée, nécessite lui aussi une épuration secondaire du gaz détendu, avant utilisation de celui- ci o l'obligation, dans ces deux procédés, de terminer la 15 détente à une température toujours supérieure au point de rosée impose de disposer» à l'entrée de la turbine, d'un gaz à une température de l'ordre de 150°C» Si cette température est normalement obtenue avec certains lits de fusion, on rencontre cependant des cas d'exploi-20 tation où l'on enregistre des températures de gueulard trop, faibles pour que l'on puisse se passer du réchauffage du gaz avant détente, par exemple dans des hauts fourneaux alimentés en minerais de fer de teneur moyenne, ou soufflés au vent enrichi à l'oxygène, avec de forts taux d'injection de fuel, pour lesquels 25 la température du sraz peut descendre jusqu'à 70°C environ à la sortie du gueulard0 Les deux procédés connus sont, dans ce dernier cas, soit inapplicables, soit non rentables» la présente invention a pour but la récupération de 30 l'énergie de détente de gaz de haut fourneau, sans réchauffage de celui-ci et sans abaissement de son pouvoir calorifique, dans les conditions économiques les meilleures. Pour tirer profit du réchauffement relatif du gaz par la condensation, au cours de la détente de celui-ci dans une 35 turbine, d'une partie de l'eau qu'il contient, afin d'éviter tout risque de givrage, et pour obtenir une condensation d"eau suffisante afin d'assurer un lavage efficace des poussières dans la turbine, la présente invention vise à réaliser î - dans un premier stade, l'augmentation du degré de saturation. 40 du gaz t>our amener celui-ci à un état de saturation tel qu'on 71 05402 2125183 soit assuré qu'il ne se produise pas de givrage au cours de la-détente du gaz dans 1b turbine, et aue la Quantité d'eau condensée soit suffisante pour laver efficacement le« poussières déposées; 5 - dans un deuxième =it»de, la détente de ce gaz au moins ^u desré de s^tur^tion obtenu au cours du premier stade, sans aucun réchauffage du gaz ent.-^e le premie1" stade et le second stade. Le degré de saturation du ?az à ce second stade pourra être su-né-rieur à celui du premier stade, n^r suite du refroidissement 10 éventuel du p-ae ent^p ces deux stades, m^is pas inférietir, puisque le faz n'est pqs chauffé; - de Préférence, la saturation du aaz dans un premier stade,avant sa détente, et d=ms un deuxième stade la détente, dans une turbine de détente, du gqz à cet é-fcqt saturé, de façon à tirer le 15 profit maximum du réchauffement, -relatif du gaz, surtout dans le cas de gaz à température relativement faible et pour assurer une condensation abondant*» au cours de la détente, afin d'assurer un lavage correct des poussières oui se déposent dans la turbine: - la saturation du enz au cours de son épurâti^n pa1" voie humide; 20 - une installation pour la mise en oeuvre de l'invention com-or»- nant ; - des moyens d'introduction d'eau dans le gaz; - une turbine de détente, de préférence centripète, accouplée à des moyens d'utilisation de l'énergie mécanique de 25 la -turbine: - d s moyens pour faire circuler le p-az; - un circuit fermé et ealorifugé comprenant des moyens de récupération, dans les moyens d'introduction d'eau dans le gaz, de l'eau en excès non évaporée contenant des 30 poussières et, à la sortie de la turbine, de l'eau de condensation chargée de poussières, des moyens d'épuration de ces eaux oui peuvent comprendre un -ôu plusieurs bassins de décantation, des moyens d'élimination des poussières récupérées, des moyens de recirculâtion de ces 35 eaux vers les moyens d'introduction d'eau dans le gaz et des moyens de compensation des pertes d'eau? - une variante de l'installation, dans laauelle les moyens d'introduction d'eau dans le gaz sont un épurateur par voie humide0 La description qui va suivre en regard du dessin annexé 4( ?onné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre corn- 71 05402 4 2125183 ment l'invention peut être réalisée, les particularités oui ressortant tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de Indite invention,, La figure 1 est un schéma d'installation oour l'appli-5 cation du procédé selon l'invention,, La figure ? montre le principe de la récupération d'énergie selon le procédé à partir du diagramme de l'air humide. Le procédé s'applique à tout gaz humide et poussiéreux sortant d'un réacteur Quelconque marchant à contre-pression. 10 Le nrocéâé, ob.iet de la présente invention, permet de récupérer sans réchauffage préalable une partie de l'énergie de ce gaz, à savoir son énergie de détente, sans risque de colmatage de la turbine par dépôts de poussières humides ou par givrage de l'eau contenue dans le gaz, et d'obtenir à la sortie 15 de la turbine un fas pouvant être immédiatement utilisé sans ou'il soit nécessaire de 1e dépoussiérer ou de le refroidir. Pour ce faire, on introduit de l'eau dans le ^az, après sa sortie dj réacteur, pour l'amener à un état proche de la saturation en vaneur d'eau ou même pour le saturer avant son 20 entrée dans la turbine» Le gaz est ensuite envoyé à une turbine de détente.La détente entraîne un abaissement de la température du gaz, ce qui nrovooue la condensation d'une grosse partie de la vapeur d'eau qu'il contient» Cette eau de condensation abondante qui entraîne 25 les poussières résiduelles du eraz assure un lavage efficace de la turbine et évite tout risaue de colmatage» De plus, l'apport de calories que fournit cette condensation évite tout risaue de givrage à l'intérieur de la turbine ou à la sortie de celle-ci et réduit l'abaissement de température 30 dû à la détente» Sur l'abaque 2 de la figure 2, obtenu à partir du diagramme de l'air humide, on trouve : - la température du gaz en abscisse, - la teneur en eau du gaz en ordonnée, 35 - les courbes isobares P^à Py de saturation du gaz (courbes en trait plein), - les courbes isoenthalpiques E-j_ à E^ du gaz (courbes en pointillé ). Le point D représente l'état initial du gaz avant son 4C entrée dans la turbine» 71 05402 s 212518? le point E est déterminé par l'intersection de l'horizontale DE, teneur en eau du gaz saturé et de la verticale OE, température qu'aurait le gaz après détente s1là était sec» le point F, état final du gaz, est déterminé à partir du point E, 5 en suivant la courbe à enthalpie constante passant par le point E. Il est situé à l'intersection de cette courbe à enthalpie constante et de la courbe de pression finale fixée à l'avance,, FH représente la quantité d'eau condensée pendant la détente et PG- la quantité d'eau restant dans le gaz à l'état de 10 vapeuro ab, différence d*enthalpie entre l'état initial au point D et l'état final au point I1, représente donc l'énergie récupérable au cours de la détente. Après détente à sa sortie de la turbine, le gaz est à 15 une température et présente un taux de poussières suffisamment faibles pour être directement utilisable « la turbine de détente est couplée avec des moyens permettant de récupérer l'énergie mécanique qu'elle fournit. la description de l'application particulière du proeé-20 dé au gaz de gueulard de haut-fourneau, représentée schématique-ment sur la figure 1, permettra de mieux comprendre l'invention,, la soufflante 11 fournit le vent nécessaire au haut-fourneau 1, le débit étant réglé par l'appareil de consigne 12. Dans tine première étage, on introduit de l'eau dans 25 le gaz après sa sortie du haut-fourneau 1 et son passage dans le pot à poussièreso Cette introduction d'eau est conduite de telle façon que le gaz se trouve avant son entrée dans la turbine dans un état proche de la saturation ou à saturation, c'est-à-dire à une 30 température un peu sunérieure ou égale à celle du point de rosée» Il est particulièrement intéressant de tirer profit d'une épuration par voie humide du gaz pour assurer cette introduction d'eau. On utilise donc un épurateur humide 2, et on règle l'épuration de telle façon aue le gaz sorte partiellement dépous-35 siéré, pratiquement saturé et à une température un peu supérieure ou égale à celle du point de rosée. Dans une seconde étage, une fraction du gaz est détendue directement par le by-pass 15, contrôlé par le régulateur de pression 7, ou septum valve, destiné à régler, selon l'usage, la 40 contre-pression au gueulard du haut-fourneau lo 71 05402 6 2125183 La plus grande partie du gaz est envoyée directement à la turbine de détente 8, par l'intermédiaire d'une vanne de réglage 9» La turbine de détente est accouplée à des moyens 20 de récupération de l'énergie mécanique fournie par la détente du 5 gaz. Du fait de la diminution d'enthalpie du gaz pendant la détente, il se produit un§ébondante condensation d'eau dans la turbine, Cette eau entraîne une grande partie des poussières qui restaient dans le gaz après l'épuration humide, 10 Le gaz étant pratiquement saturé à son entrée dans la turbine, la quantité d'eau qui se condense permet une épuration finale du gaz suffisante pour une utilisation ultérieure directe, et un lavage abondant et permanent de la turbine, ce qui évite tout risque de colmatage par dépôt de poussières humides0 15 On pourrait éventuellement prévoir un pulvérisateur à l'entrée de la turbine, comme connu en soi, à titre de sécurité, pour le cas où, pour une raison ou pour une autre, cette condensation ne serait pas suffisante pour assurer un lavage efficace de la turbine. Ce pulvérisateur pourrait servir à augmenter la quan-20 tité d'eau assurant ce lavage» L'énergie calorifique due à la condensation de l'eau au cours de la détente est transférée au gaz qui se détend, et elle permet de diminuer 3on abaissement de température et d'éviter tout risque de givrage dans la turbine ou à la sortie de celle-ci0 25 De la même façon, l'énergie pneumatique de la vapeur d'eau contenue dans le gaz est libérée au cours de la condensation et recueillie en même temps que l'énergie fournie par la détente du gaz. L'eau de condensation recueillie à la sortie de la tur-30 bine est chargée de poussières. Elle est envoyée par l'intermédiaire de la canalisation 10 à un bassin de décantation 4, La déconcentration de l'eau est produite par une purge 17 évacuant la totalité des poussières recueillies. L'eau est reprise dans ce bassin de décantation 4 par une pompe 3 et sert à alimenter l'é-35 purateur humide 2 par l'intermédiaire des conduites 5-6. Notamment, si la turbine est associée à un pulvérisateur d'eau préalable, celui-ci sera alimenté par la même pompe 3(par 18), Le réseau d'eau de lavage est donc pratiquement en circuit fermé. Un apport d'eau 14 permet de compenser les pertes d'eau entraînées 4C par les poussières humides éliminées par la purge 17 et par la 71 05402 2125185 saturation du gaz auittant l'installation. Lors du passage du gaz dans 1'épurâteur humide 2, il se produit un abaissement de température dû à 1'évaporation de .l'eau d'appoint permettant, d'atteindre la saturation. Il n'en ré-5 suite pas une perte de calories, mais un «impie échange calorifi-aue enï^e le gaz et l'eau ainsi évaporée. Cet abaissement de température doit être aussi réduit oue possible, afin que la quantité d'eau vapeur contenue dans le gaz soit suffisante pour qu'à la détente, la condensation se produise sans descendre à des 10 températures trop basses pouvant faire craindre le givrage. Pour cette raison, il est nécessaire de réduire les pertes calorifiques de l'ensemble du circuit d'eau de lavage. On voit donc que le procédé selon l'invention est particulièrement intéressant. La première étape associe la satura-15 tion du gas à son épuration humide. Le dépoussiérage par voie humide permet une épuration plus fine eue le dépoussiérage par voie sèche. Il abaisse sensiblement la température du gaz tout en augmentant son taux d'humidité, ce qui le rendait difficilement applicable dans les pro-20 cédés connus« La seconde étape du procédé, à savoir la détente d'un gaz humide à température relativement faible, exerce une action de dépoussiérage sans mise en oeuvre de moyens supplémentaires, La condensation aui se produit au cours de la d.étente favorise la 25 bonne marche de la turbine et donc la récupération d'énergie. L'épuration secondaire qui se produit en même temps que la récupération d'énergie peut donc être considérée comme peu coûteuse, et le gaz à la sortie est directement utilisable sans qu'il soit nécessaire de pratiquer une nouvelle épuration. Une 30 épuration humide ayant pou-»" rôle d'augmenter le taux d'humidité du gaz, associé à une turbine, dont le rôle est de récupérer l'énergie de détente, suffit donc à épurer le saz de façon satis-faisanté. Il est important de remarquer que le procédé selon 35 l'invention s'applique particulièrement à un gaz dont la température, dé;jà relativement faible à la sortie du gueulard, se trouve encore abaissée avant son entrée dans la turbine par suite de son épuration humide. Il n'est pas nécessaire de réchauffer le gaz,ni par combustion interne, ni par passage dans un échangeur thermique, 40 II n'y a donc ni diminution du pouvoir calorifique du gaz, ni 71 05402 3 2125183 apport d'énergie extérieure, La température optimum du ras avant son entrée dans la turbine est d'environ 60°C„ Malgré cette faible température, les risques de colma-5 tage dans la turbine ou à la sortie oe celle-ci par des poussières ou uar le givre n'existent pas. En Particulier, dqns le cas de l'exploitation du mz de haut-fourneau, une variation éventuelle de la température du g-az de gueulard n'interviendra pas pur la marche de 1 a turbine et n1empêchera pas son bon fonction-10 nement. Le tableau suivant nont^e un exemple de réalisation particulière du procédé selon l'invention, consistant à récupérer l'énergie de détente d'un gaz de haut-fourneau marchant à contre-pression au geulard, ^^ Ayant épuration humide : 350 000 NmVh 2 bars effectifs 90°0 33 g/Wm3 20 - Teneur en poussières : 10 g/Nm3 - Débit - Pression - Température - Teneur en eau - Teneur en poussières Après épuration humide et avant turbine : 25 - Pression - Température - ^eneur en gaz - Teneur en poussières Apr è s turbin e : - Pression - Température - Teneur en psu - Teneur en poussières 1,85 bars effectifs 60°0 srae saturé de l'ordre de 200 mg/Nm3 0,2 bar effectif 34 ,5°G era7, saturé 30 - Teneur en poussières : 3 à 10 me-/ïïm3 Dans la détente de ce gaz, l'énergie récupérée est d'environ 66 kj par kg de gaz, soit pour un débit dp ^50 000 Wm3/h environ 8 370 W0 Le procédé selon l'invention ne nécessité en outre 35 aucun apport d'énergie extérieure et ne provoque pas de détério-ration du pouvoir calor-ificrue interne du fraz. 71 05402 2125183 HKVFNjDIC •" T IONS 1„ Procédé de récupération d'énergie d'un gaz humide poussiéreux sous? pression, par détente dans mie turbine, caractérisé en ce sue : 5 - on élève, dans un premier stade, le degré de saturation dix fTas par év?poration d'eau, - et l'on détend ce iras aans un deuxième stade, .-^lors qu'il présente au moi is le degré de saturation obtenu après le premier stade. ^0 2e Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le jaz est saturé en eau dans le premier stade et ou'il est détendu à l'état saturé dans le deuxième stade. 3. Procédé selon la revendication ?, caractérisé en ce nue la saturation en eau du gaz se fait au cours de son épuration par voie humide. 4. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une auelconoue des revendications 1 à 3, caractérisé3 en ce au'elle comprend en combinaison : - des moyens d'introduction d'eau dans le sas, 20 ~ ,i;lrie turbine de détente de préférence centripète, accouplée à des moyens d'utilisation de l'énergie m=caniaue de 1** turbine, - des moyens pour faire circuler le gaz, - un circuit d'eau fermé et calorifusé comprenant des 25 moyens de récupération, dans les moyens d'introduction d'eau dans le gaz, de l'eau en excès non évaporée, et de l'eau de condensation à la sortie de 1^ turbine, chargées de poussiè^es, des moyens d'épuration de ces eaux, des moyens d'élimination des poussières récupérées, des moyens de recirculation de ces eaux 30 vers les moyens d'introduction d'eau dans le gaz et des moyens de compensation des pertes d'eau» 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce aue les moyens d'introduction d'eau dans le gaz sont un épura-teur de gaz par voie humide, et au'un pulvérisateur d'eau, placé 35 .iuste en amont de la turbine, est associé à celle-ci comme connu en soi, l'épurateur et le pulvérisateur étant alimentés séparément en eau»