Brevet FR2154324A1 — publié le 19730511

La présente invention - à laquelle a collaboré Monsieur René FELLOUS - a pour objet un procéda de régulation des conditions d'écoulement d'un gaz ou d'un mélarge de gaz ; elle concerne plus particulièrement un procédé et les dispositifs à mettre en oeuvre pour effectuer cette régulation à la sortie d'une tuyère. Bien que, dans la suite de la description, il soit surtout fait mention des applications du procédé de l'invention aux tuyères montées sur des fours à cuve, ces applications particu Pères ne doivent pas être considérées comme des limitations du domaine de l'invention. La quantité de mouvement du vent au niveau de la section de sortie des tuyères dans la cuve d'un four est l'un des paramètres qui conditionnent la marche de ce four. En effet, les Demanderesses ont observé que lorsque, toutes choses étant égales par ailleurs, la quantité de mouvement est supérieure à une valeur optimale, le four fonctionne avec une marche trop "centrale" c'est-à-dire que la pénétration du vent s'effectue trop prcçondément à l'intérieur de la cuve ; inversement, lorsque la quartité de mouvement est inférieure à cette valeur optimale, le four fonctionne avec une marche trop "périphérique". En marche normale et bien établie, la quantité de mouvement du vent dans les tuyères est pratiquement constante. On tend actuellement, pour des raisons économiques, à remplacer une fraction du coke introduit dans les hauts fourneaux par du combustible liquide, ou gazeux, appelé combustible d'appoint. Ce combustible est introduit par des injecteurs dans les tuyères et non directement dans la cuve, cela de façon 9 être dispersé le plus complètement et le plus régulièrement possible dans le vent et à brlier, au moins partiellement, dans la tuyère avant d'atteindre la cuve. La présence de gaz de combustion dans le vent modifie la quantité de mouvement de ce dernier au niveau de la section de sortie de la tuyère dans la cuve. Lorsque le débit d'introduction de combustible d'appoint dans la tuyère et la fraction de combustible brûlé dans la tuyère sont constants, les conditions d'écoulement du vent, et en particulier, la quantité de mouvement, ne varient pas. Mais il est avantageux de pouvoir modifier la quantité de combustible d'appoint introduite, en fonction soit des conditions de marche désirées pour le haut fourneau, soit des disponitilités ou des quantités du combustible d'appoint. Or, la modification de la valeur du débit d'introduction du combustible d'appoint dans les tuyères entrain une modification du débit de quantité de mouvement du vent introduit dans la cuve. Le but de la présente invention est précisément d'assurer le maintien, à une valeur donnée, de la quantité de mouvement du vent au niveau de la section de sortie d'une tuyère, quelle que soit la quantité de comtustible d'appoint introduite, celle-ci pouvant même être nulle. La présente invention a pour objet un procédé de régulation des conditions d'écoulement d'au moins un gaz primaire dans la section de sortie d'une tuyère, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'au moins un gaz secondaire est injecté à proximité de l'extrémité aval de ladite tuyère. Les dispositifs qui seront décrits dans la suite pour la mise en oeuvre de ce procédé sont naturellement compris dans l'invention. L'injection de gaz secondaire conformément à l'invention réalise une striction aérodynamique du gaz primaire. Le gaz secondaire peut être introduit dans la tuyère au moyen d'un faisceau de tubes. le faisceau de tube peut éventuellement- être alimenté en gaz secondaire par une soufflante. Le gaz secondaire peut être de même composition que le gaz primaire ou d'une composition différente, ainsi, il est possible d'utiliser du gaz naturel comme gaz secondaire, à condition que la température d'injection de celui-ci ne soit pas trop élevée. Lorsque les gaz primaire et secondaire sont constitués par du vent de même composition, le tube distributeur alimentant les orifices de soufflage de vent secondaire peut être en relation avec le tube distributeur alimentant les tuyères en vent primaire. Dans une réalisation avantageuse du procédé de l'invention, le débit d'air secondaire est prélevé sur le débit d'air primaire ; le débit total du vent reste ainsi constant. la température d'injection du gaz secondaire est un paramètre qui intervient dans la striction du gaz primaire ; les conditions générales de fonctj.onnement d'un four à cuve montrent qu'il n'y a pas avantage à diminuer la température du vent ; c'est pourquoi on choisira généralement d'injecter le gaz secondaire à la température du gaz primaire ou à une température voisine de celle-ci. La pression d'injection, ainsi que la direction d'injection du gaz secondaire dans la veine de gaz primaire sont des paramètres qui ont une influence sur les conditions d'écoulement. La direction d'injection choisie est généralement voisine de la direction perpendiculaire à la direction d'écoulement de la veine du gaz primaire, mais il est possible d'en choisir une autre. La pression d'injection du gaz secondaire a une influence sur le diamètre, après striction, et sur la vitesse, après striction, de la veine de gaz primaire. La position des injecteurs de gaz secondaire doit être située entre le niveau d'introduction de combustible d'appoint et le plan de sortie de la tuyère ; il est avantageux que les injecteurs soient le plus près possible du plan de sortie de la tuyère, mais pratiquement cette exigence ne peut pas toujours être satisfaite. les injecteurs de gaz secondaire, peuvent, par exemple, être répartis en couronne autour de la tuyère. Ils peuvent aussi se trouver seulement dans la partie supérieure de la tuyère : cette disposition élimine le risque d'obstruction des orifices inférieure par le laitier. Une autre possibilité pour éliminer ce risque consiste à ne jamais interrompre le soufflage de gaz secondaire de striction et à maintenir le débit de gaz secondaire à une valeur au moins égale à une valeur minimale. Il est nécessaire, dans cette dernière occurrence, de donner à la tuyère un diamètre supérieur à celui qu'elle aurait si le gaz secondaire de striction n'était pas introduit en permanence. Le dessin annexé représente schématiquement, à titre d'exemple non limitatif, une réalisation de l'invention. Sur ce dessin La figure 1 représente, en coupe longitudinale, une tuyère munie d'un dispositif répondant à l'invention La figure 2 est une représentation très schématique, en coupe longitudinale, d'une tuyère comportant les notations utilisées dans le calcul qui sera exposé dans la suite de la description. Avec référence à la figure t Une tuyère 1, comportant une chambre 2, dont les parois métalliques sont réfrigérées par une circulation d'eau, est placée dans l'épaisseur de la paroi 3, d'un four. La pièce métallique 4, est également refroidie par un dispositif, qui n'est pas représenté. La face interne de la tuyère est recouverte par un matériau réfractaire 5. La tuyère comporte un dispositif d'injection 6, du combustible d'appoint ainsi que le dispositif pour provoquer la striction aérodynamique du vent. Ce dernier dispositif est constitué par un faisceau de cylindres creux 7 ; une extrémité de chacun de ces cylindres débouche en 7a, dans la tuyère 1, perpendiculairement à l'axe X-X du poite-vent ; l'autre extrémité de chacun desdits cylindres est reliée, en 7b à un distributeur de gaz secondaire 8, commun à l'ensemble des cylindres, et qui, dans exemple du dessin, a la forme d'un tore. Dans ce qui suit on désigne par Q, le débit en masse U, la vitesst lu vent dans la tuyère, avant striction, et , le diamètre de la tuyère. i l'on suppose, tout d'abord, qu'en l'absence de combustible d'appoint, la quantité de mouvement optimale, à la sortie d'une tuyère, soit égale à Qo.Uo, cette valeur de la quantité de mouvement conditionne la valeur du diamètre Dode idite tuyère. Mais la quantité de mouvement dépend également des conditions d'introduction du vent dans la tuyère : température, pression et masse volumique du vent. Si l'on suppose, d'autre part, qu'en présence de la quantité maximale de combustible d'appoint, compatible avec une bonne marche du haut fourneau, et en l'absence de gaz secondaire de striction du jet de gaz primaire, l'obtention de la quantité de mouvement o.Uo entraîne l'adoption d'une tuyère de diamètre D, [DDo} 7Do| le procédé de l'-invention permet, avec la tuyère de diamètre D, l'ob- tention, à la sortie de la tuyère, d'un vent dont la quantité de mouvement est constamment égale à Qo.Uo, et cela quelle que soit la quantité de combustible d'appoint introduite, cette quantité pouvant même autre nulle.Ce résultat est obtenu en réglant les caractéristiques d'écoulement du vent par une striction plus ou moins importante du gaz primaire par le gaz secondaire. La quantité de mouvement du vent avant striction (Q.U) dépend, d'une part, des conditions d'introduction du vent primaire dans la tuyère, et, d'autre part, de la quantité de combustible d'appoint introduite et brûlée entre l'entrée de la tuyère et le col de striction. Sur la figure 2 - pi, Qi, Ti, i désignent respectivement la pression, le débit en masse, la température et la masse volumique du vent à l'entrée de la tuyère - D désigne le diamètre de la tuyère 1. - Q, p, U, T , désignent respectivement le débit en masse, la pression, la vitesse et la masse volumique du vent dans la tuyère, avant striction - Qx, Ux, désignent respectivement le débit en masse et la vitesse du fluide de striction dans la section de sortie de la tuyère. - Qs, Us, désignent respectivement le débit 3n masse et la vitesse du vent après striction dans la section de sortie de la tuyère 1. - pc, désigne la pression dans le plan de section de sortie de la tuyère. La somme des quantités de mouvement du gaz de striction et du vent après strict ion doit être égale à la quantité de mouvement optimale : (1) Qx.Ux + Qs.Us = Qo.Uo D'autre part, on doit avoir entre les débits la relation suivante : (2) Qo = Qx + Qs L'application du théorème des quantités de mouvement permet d'écrire (3) Qx.Ux + Qs.Us - QU = (p - p ).S S, désigne la surface de la tuyère, et est donc égal à 1I-D- Or, Q = Qs 4 La relation (3) peut s'écrire (4) Qx.Ux + Q.(Us - U) = (p - p ).S La relation (1) peut s'écrire, en remplaçant Qx.Ux par sa valeur tirée de la relation (4). (5) Q.(U - Us) + (p - ces + Qs.Us = Qo.Uo Or Q = Qs Donc (6) Q.TT + (p - p ) .S = Qo.Uo Or Q.U = .S.U2 Da relation -6) peut donc s'écrire (7) #.S.U2 + pc (p - 1).S = Qo.Uo pc qui peut également être écrite L'exemple d'application ci-après fait ressortir les avantages du procédé de l'invention : Cet exemple est relatif à une mise en oeuvre du procédé dans laquelle les gaz primaire et secondaire sont de même nature. le gaz secondaire est introduit à une pression égale à la pression d'introduction du gaz primaire dans la tuyère. D'autre part, le débit total de vent est constant, c est-à-dire que le débit de gaz secondaire est prélevé sur le débit de gaz primaire. La quantité de mouvement Qo.Uo optimale dans la section de sortie d'une tuyère d'un haut fourneau, est égale à 33kg poids lorsque le débit en masse Qo est égal à 2kg/s. les conditions d'introduction du vent dans une tuyère lorsqu'il n'y a introduction ni d'un combustible d'anpoint, ni d'un gaz secondaire de striction de la veine principale, sont les suivantes: Ti = 73 K pi = 200 pièzes absolus. Dans ces conditions, la pression pc mesurée au nez de la tuyère dans la cuve vaut pc = 190 pièzes absolus. Si l'on considère le cas dans lequel le gaz secondaire est du vent de même nature que le gaz primaire, la pression d'introduction du gaz secondaire de striction est égale à pi (soit 200 pièzes absolus). il est intéressant de déterminer le diamètre qu'il faut donner à une tuyère munie d'un dispositif de striction conforme à l'invention pour que la quantité de mouvement optimale soit conservée, lorsque du combustible d'appoint est introduit Si l'on impose U = 100 m/s, on a : p = pi - + N u2, or, 0t 8 = 0,55 kg/m3. D'où : p = 197,5 pièzes absolus. L'équation (8) permet de calculer S : on trouve S = 254cm2, ce qui correspond à un diamètre de 18cm. La relation Q = 5.S.IT conduit à la valeur de Q : on trouve Q = 1,40 kg/s. La relation (2)permet de calculer Qx puisque Q = Qs, et Qo = 2 kg/s. On trouve Qx = 0,6 kg/s La relation (1) permet alors de calculer Ux ; on trouve Ux = 103 m/s. Le débit de gaz secondaire est nul lorsque la quantité maximale de combustible d'appoint compatible avec l'installation est brûlée. Ce débit est maximum lorsque le combustible d'appoint n'est paF injecté dans la tuyère. Entre ces deux extrêmes, la striction du gaz primaire est réglée par un dispositif de b-pass permettant de prélever une fraction du gaz primaire et d'utiliser cette fraction comme gaz secondaire de striction. REVENDICATIONS 1.- Procédé d régulation des conditions d'écoulement d'au moins un gaz primaire dans la section de sortie d'une tuyère, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'au moins un gaz secondaire est injecté à proximité de l'extrémité aval de ladite tuyère. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que le gaz secondaire est injecté perpendiculairement à la direction de déplacement du gaz primaire, ou dans une direction sensiblement perpendiculaire. 3.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le gaz secondaire est introduit en plusieurs points simultanément. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en outre en ce que les points d'introduction du gaz secondaire sont répartis régulierement en couronne autour de la tuyère. 5.- dispositif selon la revendication 3, caractérisé en outre en ce que les points d'introduction du gaz secondaire sont situés dans la partie supérieure de la tuyère. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à5, caractérisé en outre en ce que le gaz secondaire est acheminé auxx lieux d'introduction dans la tuyère, par un tube distributeur relié, d'une part à une soufflante de gaz et, autre part, à différents tubes creux alimentant les points d'introduction. 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en outre en ce que le gaz secondaire est acheminé aux lieux d'introduction dans la tuyère par un tube distributeur relié, d'une part, au dispositif d'introduction du gaz primaire dans la tuyère et, d'autre part, à différents tubes creux alimentant les points d'introduction. 8.- Application des dispositifs selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, aux tuyères des fours à cuve,ladite application étant caractérisée en ce que le gaz secondaire est de même nature que le gaz primaire. 9.- Application des dispositifs selon l'une quelconque des revendications 3 à 7 aux tuyères de fours à cuve, ladite application étant caractérisée en ce que le gaz secondaire est un gaz combustible. 10.- Application selon la revendication 8, caractérisée en outre en ce que le gaz primaire et le gaz secondaire sont introduits à 19 même température dans la tuyère. 11.- Application conforme à l'une des revendications 8 et 10 caractérisée en outre en ce que le débit de gaz secondaire est prélevé sur le débit de gaz primaire.