Brevet FR2234047A1 — publié le 19750117

La présente invention concerne l'atomisation d'un fluide et elle concerne plus particulièrement l'atomisation des fluides tels que le fuel-oil pour leur injection dans les hauts-fourneaux ou autres appareils analogues. Pour la fabrication classique du fer dans un haut-fourneau, le four est chargé avec un mélange de minerai de fer, de sinter et de coke, avec de la pierre à chaux et si on le désire du spath-fluor. Essentiellement le processus mis en oeuvre repose sur la réduction du minerai de fer par le carbone et par l'oxyde de carbone, ce dernier étant produit par réaction entre le coke et l'air soufflé à la partie inférieure du haut- fourneau par l'intermédiaire de tuyères. le processus de réduction nécessite, et s effectue à, une température élevée qui est maintenue par la combustion du coke avec de l'air préalablement chauffé envoyé à force dans le haut-fourneau au doyen des tuyères. Plus récemment on a injecté dans les hauts-fourneaux des qualités appropriées de pétrole destiné à agir de façon prédominante en tant que charge d'alimentation efficace pour augmenter la vitesse de réduction sans qu'il soit nécessaire de charger le haut-fourneau avec du coke supplémentaire. Un procédé d'injection de pétrole largement utilisé dans un haut-fqurneau implique l'injection de pétrole pur à travers un tuyau de faible section qui traverse la paroi du conduit de la tuyère; on a cependant constaté que ce procédé limitait de manière sévère la quantité de pétrole susceptible d'entre injectée sans affecter de fa çon nuisible le rendement du haut-fourneau. Il a été proposé d'augmenter l'admission de pétrole en tant que charge d'alimentation chimique d'un haut-fourneau, en incorporant initialement le pétrole dans une émulsion constituée par des gouttelettes d'eau dans un support de pétrole et en injectant ensuite 1' émulsion dans le haut-fourneau, d'une façon commode au moyen des tuères. L'influence sur l'émulsion de la température à l'intérieur des tuyères et ensuite à l'intérieur du haut-fourneau lui-même provoque une évaporation rapide des gouttelettes d'eau qui est accompagnée d'une désintégration rapide du support de pétrole pour produire l'atomisation. lie pétrole ainsi atomisé peut s'évaporer plus rapidement dans le haut-fourneau que le pétrole pur antérieurement injecté et ceci augmente la vitesse de réaction du pétrole pendant le fonc tionnement du haut-fourneau. Dans la demande de brevet anglais N 3 586/73 on a décrit et revendiqu un procédé pour roduire une émulsion d'eau dans du pétroue destine, entre autres, à hêtre injectée dans un haut-fourneau. Dans ce procédé l'émulsion est initialement produite dans une enceinte telle que, par exemple, une chambre de lance en injectant de la vapeur et du pétrole indépendamment dans la chambre dans des conditions qui produisent la condensation de la vapeur sous forme de gouttelettes dans le pétrole. L'émulsion ainsi produite est ensuite injectée depuis la chambre, au moyen d'un tuyau de distribution, dans un ensemble de tuyères de haut-fourneau afin de produire l'atomisation. Dans la disposition proposée dans la demande de brevet précitée, une chambre est prévue pour l'injection émulsion dans chaque ensemble de tuyères du haut-fourneau. Cette disposition non seulement nécessite un agencement compliqué de tuyaux pour la distribution indépendante du fuel-oil et-de la vapeur aux différentes chambres et de tuyaux de distribution utilisés, mais crée des difficultés supplémentaires pour l'équIlibrage des débits de distribution du pétrole et de la vapeur dans les chambres ainsi que pour l'équilibrage des débits de distribution de l'émulsion injectée dans chaque ensemble de tuyères à partir dés tuyaux de distribution associés. l'un des buts de l'invention est de réduire les inconvénients des dispositifs de la technique antérieure. L'invention a pour objet un procédé pour produire plusieurs jets d'un fluide non acqueux atomisé qui consiste à introduire le fluide et de la vapeur, à des températures et des pressions choisies, dans une chambre qui est reliée à plusieurs orifices de sortie indépendants pour l'émission de jets, les orifices de sortie étant agencés de façon à maintenir à-l'intérieur de la chambre une pression qui permet la condensation dans le fluide d'au moins une partie de la vapeur injectée de telle sorte que des variations de température etjou de pression dans l'émission de chacun des orifices de sortie favorisent une évaporation du condensat dans le fluide suffisamment rapide pour produire l'atomis-ation du fluide. Dans le cas où le fluide est du pétrole destiné à hêtre utilisé en tant que charge d'alimentation chimique dans un haut-fourneau, le pétrole avec la. vapeur sont injectés de façon commode dans une cham bre indépendante unique dans laquelle la vapeur se condense pour former une émulsion avec le pétrole. D'une façon appropriée, la chambre est reliée à un conduit continu circonférentiel qui entoure le haut-fourneau dans une zône appropriée qui est celle des ensembles de tuyères1 et qui agit comme un collecteur pour répartir uniformémentl'émulsion à plusieurs tubes de distribution qui agissent de façon efficace pour infecter 1' émulsion dans le gaz projeté dans les ensembles de tuyères. D'une façon commode les tubes effectuent la projection dans les ensembles de tuyères suivant une direction inclinée par rapport au sens de 1' écoulement du gaz dans celles-ci et se terminent par des orifices de sortie étranglée qui conservent dans le système une pression suffisante pour maintenir la condensation de la vapeur dans le pétrole. De préférence chaque orifice de sortie est constitué par une buse conformée de façon particulière telle qu'un venturi, et adaptée pour produire une caractéristique d'éjection nécessaire. L'invention évite la nécessité de prévoir des conduites d'alimentation indépendantes pour distribuer la vapeur et le fuel-oil à plusieurs tuyaux de distribution ayant chacun leur propre chambre de mélange et grâce au collecteur, assure une répartition uniforme de l'émulsion à chacun des orifices de sortie de telle sorte que chaque ensemble de tuyères reçoit à peu près la meme quantité de fuel-oil pour l'atomisation. Ceci assure à son tour que la réaction du pétrole dans le haut-fourneau s'effectue de façon homogène dans la tota lité -du volume du haut-fourneau. Pour améliorer encore la vitesse de réaction du pétrole à l'intérieur du haut-fourneau, l'air soufflé à travers les ensembles de tuyères peut être enrichi avec de l'oxygène, de façon commode en injectant de l'oxygène pur dans le haut-fourneau. le jet peut être enrichi à une concentration quelconque d'oxygène pouvant atteindre jusqu'à 40 %. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparai- tront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, dans lequel la figure e unique est une vue schématique d'un dispositif destiné à produire une émulsion d'eau dans du pétrole et à injecter cette émulsion dans la partie inférieure d'un haut-fourneau par l'intermédiaire des tuyères de celui-ci. Suivant l'exemple d'exécution représenté, le fluide, qui est dans ce cas du fuel-oil, et la vapeur sont introduits respectivement par des tuyaux 6 et 7 dans une chambre de condensation 1 qui est reliée à un conduit circonférentiel continu 2. le conduit z entoure le haut-fourneau 3 et agit comme un collecteur pour répartir uniformément l'émulsion de vapeur condensée et de fluide formée dans la chambre 1 dans une série de tubes de distribution 4 destinés à injecter une émulsion dans les tuyères 5 du haut-fourneau. Dans la chambre 1 qui présente une configuration analogue à celle représentée dans la demande de brevet anglais 3 856/73, la vapeur se condense pour former une émulsion de gouttelettes d'eau dans le pétrole. L'émulsion-ainsi formée sort de la chambre 1 par un tuyau de sortie 8 et est amenée au moyen d'un certain nombre de tuyaux de distribution 9 au conduit 2. les tuyaux 9 sont agencés autour du conduit 2 de telle sorte que la pression de distribution de l'émulsion au conduit 2 soit égalisée. Ce résultat est obtenu en disposant les tuyaux 9 à des intervalles égaux autour de la périphérie du conduit 2 comme représenté sur le dessin. le conduit 2 lui-même consiste en un tuyau en forme d'anneau qui comporte autour de sa périphérie à des intervalles également espacés, un certain nombre de tubes de distribution 4, dirigés radialement vers l'intérieur, dans lesquels passe ensuite l'émulsion. Chacun des tubes 4 effectue la projection à travers les parois latérales d'un tuyau 10 d'alimentation de la tuyère correspondante et dans l'intérieur de celui-ci à son extrémité interne vers une tuyère classique immergée 5. Chaque tube 4 fait un angle aussi faible que possible avec l'axe du tuyau 10 d'alimentation de sa tuyère, par exemple un angle de 17 , et est aussi proche que possible de la tuyère 5 de façon à empêcher le pétrole atomisé de frapper la paroi opposée du tuyau 10.Chaque tube de distribution 4 comporte une buse de sortie 11 ayant orifice d'une dimension plus faible que le diamètre interne du tube de façon à faire apparaitre un effet d' étranglement du type venturi afin de conserver dans le système une pression élevée suffisante pour maintenir la condensation de la vapeur à l'intérieur de la chambre 1 et pour procurer les caractéristiques nécessaires d'éjection. Cette pression élevée astreint la vapeur pénétrant dans la chambre 1 à se condenser en gouttelettes d'eau formant ainsi une émulsion lorsque la température et le pression de la vapeur pénétrant dans la chambre 1 sont choisies de façon appropriée. Par exemple on a trouvé que la condensation et le mélange se produisent si le pétrole est distribué à une texpérature de 900C et à une pression de 8,4 bars et la vapeur a une température de 185 OC et sous une pression de 8,4 bars, lorsque le diamètre interne de chaque tube 4 est de 7 mm, et que la dimension de l'orifice de chaque buse 11 est de 5 mm Quand à l'ambiance ou-l'environnement dans lequel l'émulsion est injectée depuis la buse il a une température et/ou une pression relativement réduites, lz vapeur condensée dans l'émulsion se vaporise suffisamment rapidement pour atomiser le pétrole en un fin brouillard. Lors du fonctionnement du haut-fourneau 3, de l'air pré-chauffé jusqu'à 8000C d'une façon classique est envoyé jusqu'à une conduite principale de soufflage (non représentée) et pénètre dans chaque tuyau 10 d'alimentation de tuyère. L'air de soufflage peut être enrichi avec de l'oxygène qui constitue 25% du volume de l'air soufflé afin d'améliorer la réactivité du pétrole. l'air chaud soufflé rencontre l'émulsion qui sort de chaque buse Il et la température élevée de cet air soufflé que l'émulsion rencontre dans le tuyau 10 d'alimentation, évapore la plus grande partie des gouttelettes d'eau presqu instantanément. la dilatation explosive en volume qui se produit par suite de cette évaporation astreint le pétrole à s'atomiser en un très fin brouillard.Toutes les gouttelettes d'eau restantes sont évaporées dans la tuyère 5 elle-même ou dans le haut-fourneau 3. On a constaté dans un haut-fourneau classique que le débit massinue du pétrole entrant, avec l'injecteur de vapeur et de pétrole, peut en moyenne être plus du double de celui injecté avec-du pétrole pur sans affecter de façon nuisible le fonctionnement efficace du haut-fourneau. Avec la fabrication plus élevée du fer l'augmentation en kilogrammes de pétrole injecté par tonne de métal chaud est augmentée d'environ 75 On a également trouvé que même avec ce débit plus élevé d'injection du pétrole, l'entrainement de carbone vers l'installation d'éEura- tion du gaz est minimal. En utilisant l'invention our l'injection de pétrole dans des hauts-fourneaux on résoud le problème du retour de flammes rencontré normalement avec l'injection de pétrole raffiné. Ce phénomène se produit lorsque le pétrole émis à faible vitesse depuis la périphérie supérieure du tube de distribution est entraîné dans la région de basse pression dans ie courant produit par le tube. Le pétrole passe dans le raccord tuyau~d'alimentation/tuyau de distribution et provoque une très forte sortie de flammes du haut-fourneau. On a également constaté que l'invention résolvait le problème du refroidissement du creuset que l'on rencontre normalement avec des débits excessifs d'injection de combustible pur. L'invention présente un certain nombre d'avantages supplémentaires par rapport au procédé classique d'injection de pétrole pur en plus-de ceux déjà indiqués. Tout d'abord l'énorme dilatation en volume à peu près instantanée de la vapeur condensée lorsqu'elle se vaporise à son injection dans le haut-fourneau produit des gouttelettes de pétrole très finement atomisées. En second lieu la dilatation de la vapeur condensée dans le tuyau d'alimentation de la tuyère provoque une désintégration des gouttelettes de pétrole avant l'injection dans. le haut-fourneau et enfin le mélange pétrole/vapeur condensée supprime le blocage et la carbonisation des embouts d'extrémité des lances d'injection. En dehors des avantages pratiques, on notera également les économies obtenues en réduisant la quantité de coke nécessaire pour fabriquer du fer et en la remplaçant par le pétrole, moins cher. Bien que l'invention ait été décrite en référence à des perfec tionnemeXe à la fabrication du fer dans un haut fourneau, elle peut également être appliquée à l'affinage des métaux non ferreux tels que le cuivre, et aux cas dans lesquels il est souhaitable de remplacer le coke par un combustible moins coûteux, soit pour obtenir une combustion améliorée, par exemple dans les bouilleurs, soit en tant que charge d'alimentation chimique. Revendications 1 - Procédé pour produire plusieurs jets 'un fluide non aqueux atomisé, caractérisé en ce que le fluide et de la vapeur sont introduits à des températures et des pressions choisies dans une chambre qui est reliée à plusieurs orifices de sortie indépendants pour 1' émission des Jets, les orifices de sortie étant agencés de façon à maintenir à l'intérieur de la chambre une pression qui permet la condensation dans le fluide d'au moins une partie de la vapeur injectée, de telle sorte que des variations de la température et/ou de la pression de l'émission de chacun des orifices de sortie favorisent une évaporation du condensat dans le fluide suffisamment rapide pour produire une atomisation du fluide. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices de sortie sont disposés radialement sur un collecteur continu circonférentiel. 3 - Procédé suivant la revendication 2,caractérisé en ce que le collecteur est alimenté à partir d'un conduit continu circonférentiel relié à la chambre. 4 - Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le collecteur et le conduit sont reliés entre-eux par des conduits espacés circonférentiellement ayant un écartement à peu près uniforme et tendant à produire une égalisation de la pression. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les orifices de sortie sont à peu près uniformément espacés sur la périphérie du collecteur. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide est du fuel-oil capable de produire dans la chambre une émulsion qui est atomisée aux orifices de sortie. 7 - Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'émulsion est injectée dans les tuyères d'un haut-fourneau. 8 - Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le collecteur entoure le haut-fourneau dans la zone des tuyères de celui-ci. 9 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les orifices de sortie sont disposés respectivement aux extrémités de tubes disposés radialement, qui font saillie dans les tuyères en faisant un angle par rapport au sens du jet de gaz dans celles-ci. 10 - Procédésuivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'air projeté par les tuyères est enrichi avec de l'oxygène. 11 - Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la concentration de l'oxygène dans l'air projeté enrichi peut s'élever jusqu'à 40 %. 12 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque orifice de sortie comprend un venturi adapté pour produire les caractéristiques désirées d'éjection. 13 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que le pétrole et la vapeur sont distribués à la chambre sous une température de 900C et une pression de 8,4 bars et une température de 18500 et une pression de 8,4 bars, respectivement.