Brevet FR2316997A1 — publié le 19770204

L'invention a pour objet un appareil et une installation de détente et d'épuration de gaz chargé de poussières, utilisable dans les installations sidérurgiques, notamment pour l'épuration des gaz de hauts-fourneaux et d'aciériez Les gaz émis dans de telles installations sont normalement très chauds et chargés de pous sières et on est obligé de les soumettre à une épuration soit pour diminuer la pollution avant de les renvoyer à l'atmosphère, soit pour les utiliser dans des installations de récupération de lténer- gie, telles que des turbines de production d'électricité, comme c1 est souvent le cas pour les hauts-fourneaux. Généralement, 11 épuration est produite par la détente du gaz venant du haut-fourneau à une pression relativement importante et débouchant dans une enceinte mise à la pression d'un réseau d'utilisation. Pour favoriser lsépuration on vaporise généralement de l'eau dans le gaz avant la détente, de telle sorte que celle-ci provoque des chocs entre les particules de liquide et de poussière, celles-ci se trouvant alors prises dans les gouttes de liquide et éliminées.Pour augmenter le nombre de gouttes d'eau, on effectue une pulvérisation de celle-ci gracie à une augmentation brusque de la vitesse provoquée par le passage dans une fente en forme de tuyère placée entre la conduite d'évacuation des gaz à la pression du haut-fourneau et l'enceinte de détente. Cependant, il est souvent nécessaire de contr8ler la pression en amont de la fente pour maintenir celle-ci à une valeur désirée, la pression en aval étant le plus souvent donnée par le réseau général d'utilisation0 C'est pourquoi on est ameré à faire varier la perte de charge due au passage dans la fente, et ainsi à faire varier la largeur de la fente. Il en résulte que les conditions d'écoulement changent et notamment la vitesse de passage dans la fente et ainsi la qualité de la pulvérisation. L'invention a~ ##pour objet un nouvel appareil permettant de régler facilement la perte de charge, et par conséquent le débit de gaz en gardant une vitesse de passage optimale pour obtenir une bonne pulvérisation. L'appareil selon l'invention comprend une enceinte, un tube rectiligne placé à l'extrémité de la conduite d'arrivée du gaz chargé de poussières et pénétrant à l'intérieur de 1' enceinte, une pluralité d'orifices ménagés sur une certaine longueur de la paroi du tube et ayant chacun une section en forme de venturi et un moyen de réglage de la longueur de tube munie d'orifices et mise en communication avec la conduite d'arrivée de gaz, un moyen d'injection d'eau dans le gaz étant placé en amont des orifices, Dans un mode de réalisation préférentiel, le moyen de réglage de la longueur du tube munie d'orifices comprend un piston étanche monté coulissant à l'intérieur du tube et dont la position peut être réglée par coulissement dans le tube sur au moins une partie de la longueur munie d'orifices.En outre, les orifices sont constitués de préférence par des fentes allongées ayant chacune une section droite en forme de venturi. L'invention va maintenant être décrite en se référant à des modes de réalisation particuliers, donnés à titre dtexemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés0 La figure i est une vue en élévation d'une installation de détente et d'épuration selon l'invention. La figure 2 est une vue partielle en coupe suivant II-II, figure i. La figure 3 est une vue schématique d'un deuxième type d'une installation selon l'invention. L'installation représentée figure 1 se compose de trois appareils selon l'invention Comme il est possible d'utiliser un seul appareil, la description qui va suivre se rapporte à celui qui est représenté sur la partie centrale de la figure 1. Sur cette figure, on a représenté la conduite d'arrivée de gaz à épurer 1 munie à son extrémité dtun tube 2 pénétrant à l'intérieur d'une enceinte de détente 3. La pression pi dans la conduite d'arrivée i est supérieure à la pression p2 régnant à l'intérieur de l'enceinte et qui est normalement égale à la pression- du réseau d'utilisation du gaz sur lequel est branchée l'enceinte 3. Le tube 2 est fermé à sa partie inférieure par un piston 4 monté coulissant à l'intérieur du tube et il est muni, sur une hauteur (h), d'orifices représentés en coupe sur la figure 2, le coulissement du tube permettant de masquer plus ou moins les orifices. Chaque orifice est en effet formé d'une fente 5 de longueur égale à (h) et dont la section droite, comme on le voit sur la figure 2, est profilée en forme de venturi comprenant un convergent 51, un col resserré 52, et un diffuseur divergent 53. la largeur du col 52 est calculée pour donner au gaz une vitesse suffisante, compte tenu des pressions pi et p2, pour assurer une excellente pulvérisation de l'eau injectée à l'entrée du tube 2 par un injecteur 21. Etant donné que la pression p2 est déterminée norma lement par les conditions d'utilisation du gaz, la hauteur maximale (h), le nombre de fentes 5, et la largeur des orifices, sont calculés en fonction de la pression maximale pi en amont des orifices pour que la perte de charge provoquée par le passage dans les fentes amène la détente désirée de pi à p2. Lorsque pi varie, on fait varier également la hauteur du piston 4 de façon à masquer une certaine partie de la hauteur (h). Ainsi, dans 11 exemple représenté, le piston 4 est monté à llex*ré- mité de la tige d'un vérin 40 qui est asservi au moyen d'un régulateur 41 à une mesure de la pression pi effectuée en 42 dans la conduite 1. De la sorte, si pi varie la hauteur ouverte des fentes varie également de façon que le débit de gaz passant dans une unité de hauteur de fentes reste constant. Ainsi, la vitesse de passage du gaz dans les fentes reste donc constante et on est str que la pulvérisation s'opère toujours dans d'excellentes conditions. ainsi, on peut atteindre dans le col 52 des vitesses de l'ordre de 300 m/s qui assurent une pulvérisation de l'eau en gouttelettes très fines. On voit que la disposition qui vient d'être décrite permet de varier le débit de gaz en gardant une forse optimale de la fente permettant de garantir une bonne pulvérisation. On peut en particulier calculer le profil du venturi pour arriver à une augmentation très sensible de la différence des pressions pi dans la conduite 1 et p3 dans le col du venturi pour une même perte de charge totale. En outre, la forme de venturi, grace au diffuseur 53, permet de récupérer une grande partie de lténergie ayant servi à mettre le gaz en vitesse. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2b, les venturis ont leurs axes orientés suivant les directions passant à des distances égales de l'axe du tube, chaque venturi faisant ainsi un angle A avec la direction radiale à l'entrée du venturi. Il en résulte un mouvement de rotation du gaz qui favorise l'élimi- nation des gouttelettes chargées de poussière par centrifugation, et ainsi améliore l'épuration. D'autre part, une aspersion d'eau dans l'enceinte 3 au moyen de conduites 31 augmente également 1' épuration et assure le lavage des parois, l'eau chargée de poussières étant éliminée par une conduite 32. Dans certains modes de réalisation, le piston 4 ne pourra pas etre actionné par un vérin 40 placé à l'extérieur. C'est le cas, par exemple, de l'appareil constituant la partie supérieure de l'installation représentée sur la figure 3. Dans ce cas, le vérin 40 est remplacé par une capacité ménagée à la parti inférieure du tube 2. A cet effet, le tube 2 est fermé par un fond 21 et le piston 4 est muni à sa partie inférieure d'un prolongement cylindrique 43 dont le diamètre est légèrement inférieur à celui du tube 2, de telle sorte que le piston puisse coulisser à l'intérieur du tube 2, ce faible jeu ne laissant passer qu'un débit de fuites négligeable. La capacité comprise entre la partie inférieure du prolongement 43 et le fond 21 est mise en communication avec une conduite d'eau sous pression 44 qui longe extérieurement le tube 2. La hauteur du prolongement cylindrique 43 est supérieure à la hauteur des fentes 5 de telle sorte que l'étanchéité du vérin reste assurée lorsque le piston 4 est en position haute, les fentes étant alors complètement fermées. Inversement, le tube 2 est prolongé en dessous du niveau inférieur des fentes 5 d'une hauteur au moins égale à celle du piston 4 et de son prolongement inférieur de telle sorte que la hauteur totale des fentes puisse être ouverte, dans la position basse représentée sur la figure. Comme dans le cas de la figure 1, la hauteur du piston qui règle la perte de charge du gaz à travers les orifices 5 peut etre régulée en fonction de la pression qui doit être maintenue en amont du piston, par exemple su moyen d'un régulateur 41 qui reçoit une information sur la pression pi grace à une prise de pression 42 et module la pression d'eau dans la conduite 44 en agissant sur une vanne de régulation 45 placée sur une conduite de dérivation 46 qui débouche dans ltenceinte 3. Ainsi, il est possible de garder constamment en pression la conduite 44, d'alimentation en eau pour la régulation 44.Comme précédemment, une aspersion d'eau au moyen de rampes 31 assure le lavage des parois, l'eau chargée de poussières se rassemblant dans la partie inférieure de ltenceinte 3 en forme d'entonnoir d'où elle est évacuée par une conduite 32. et le tube 2 contenant le piston 4 est longé par la conduite 44/constitue un ensemble indépendant muni d'une bride de fixation sur une bride correspondante ménagée sur l'enceinte 3. D'autre part, la conduite d'arrivée de gaz 1 se termine par un coude démontable. De la sorte, après avoir démonté le coude, il est facile de démonter en bloc le tube et le piston pour inspection et réparation éventuelle des pièces usées. Cette possibilité d'inspection des éléments d'usure sans avoir besoin de pénétrer à l'intérieur du réservoir 3 constitue un avantage important de l'appareil selon ltinvention. Tel qu'il vient dtetre décrit, dans deux exemples de réalisation, 11 appareil selon l'invention est utilisable dans tous les cas où on doit effectuer une détente et une épuration des gaz, notamment avec contrôle de la pression d1alimentation0 C1 est notamment le cas dans les hauts fourneaux et dans les aciéries pour l'épuration humide des gaz de convertisseur. Cependant, dans le cas des gaz de hauts-fourneaux, cette première détente ne sera généralement pas suffisante pour amener le gaz au degré d'épuration voulu. En outre, il faut tenir compte du fait que l'énergie des gaz de hauts-fourneaux est généralement récupérée dans des appareils tels que les turbines. C'est pourquoi l'invention a également pour objet une installation d'épuration plus complète fourée d'un ensemble d'appareils semblables à celui qui vient d'être décrit. Les figures 1 et 3 représentent deux exemples de telles installations. l'installation représentée figure 1 comprend trois appareils identiques à celui décrit précédemment. L'enceinte 3 du premier appareil est reliée par une conduite 36 à un tube 61 pénétrant dans l'enceinte 6 du second appareil et par une conduite 37 à un tube 71 pénétrant dans l'enceinte 7 du second appareil. Comme indiqué précédemment, le tube 61 est muni à sa partie inférieure de fentes 65 plus ou moins fermées par un piston 64, et le tube 71 est muni de fentes 75 masquées par un piston 74. Grâce aux pistons 64 et 74, il est donc possible de régler les pressions dans les tubes 61 et 71.D'autre part, l'enceinte 6 est reliée à enceinte 7 par une conduite 67 sur laquelle est branchée à un appareil de récupération d'énergie telle qu'une turbine 66, en aval de laquelle est placée une vanne. i1 enceinte 7 est elle-mezze mise à la pression du réseau général par une conduite 76. Le fonctionnement de l'installation est le suivant : Le gaz venant du haut-fourneau est à une pression relativement importante, par exemple 2 bars. il subit une première détente avec épuration en passant dans les fentes 5 et se trouve dans 1' enceinte 3 à une pression légèrement inférieure, par exemple 1,9 bar, qui s'exerce dans les deux tubes 61 et 71. La pression à l'interieur de l'enceinte 7 est celle du réseau général vers lequel est évacué le gaz, elle pourra etre assez faible, par exemple de 0,1 bars.Ainsi, le débit dans les fentes 75 sera assez faible, le piston 74 étant généralement en position haute0 La plus grande partie du débit passera, au contraire, dans la conduite 36, munie d'une vanne 360, pour passer à travers les fentes 65 jusqu'à l'enceinte 6 avec une nouvelle épuration, mais une assez faible perte de pression de façon à garder la plus grande partie de l'énergie du gaz, La pression à l'intérieur de l'enceinte 6 pourra ainsi être peu inférieure à celle régnant dans le tube 61, par exemple 1,8 bar. Le gaz passera alors par la conduite 67 et l'appareil 66 jusqu'à l'enceinte 7 qui le trouve à une pression beaucoup plus faible, et la turbine 66 bénéficiant d'une chute de pression importante pourra récupérer la plus grande partie de l'énergie du gaz. On voit que, la pression dans l'enceinte 7 étant en pratique constante, c'est le piston 74 qui déterminera principalement la pression dans l'enceinte 3. te piston 4 permettra de moduler la perte de charge pour contrôler la pression pi dans le tube 1, et le piston 64 contrôlera la pression en amont de la turbine 66. Bien entendu, chacun des appareils assurera une épuration du gaz, et on voit que de la sorte le gaz rassemblé dans l'enceinte 7 et évacué par la conduite 76 aura subi deux épurations successives. Le mode de réalisation représenté sur la figure 3 permet d'obtenir pratiquement le meme résultat avec une installation plus simple et plus compacte. Dans ce cas, les trois enceintes sont superposées pour constituer une même colonne. Le premier appareil a été décrit précédemment. Il se différencie des autres essentiellement par le remplacement du vérin 40 de commande du piston 4 par une enceinte alimentée en fluide sous pression. Cependant, la partie inférieure de l'enceinte 3, en forme d'entonnoir, est traversée par un tube 38 dont les bords supérieurs 380 sont placés nettement au-dessus du niveau de la conduite d'évacuation 32 de telle sorte que seuls les gaz passent par le tube 38, liteau chargée de poussières étant rassemblée à la partie inférieure de l'entonnoir et évacuée par la conduite 32. Le tube 38 est muni, en dessous de la partie inférieure de l'entonnoir 30, de fentes 85 en venturi, qui le mettent en communication avec une enceinte cylindrique 8 placée dans le prolongement de enceinte 3. L'enceinte 8 surmonte elle-meme une troisième enceinte 9 dans laquelle pénètre le tube 38. La partie inférieure du tube 38 est reliée par l'intermédiaire d'un joint à soufflet 381 à un tube 92 muni de fentes en forme de venturi 95 et fermé à sa partie inférieure par un piston 94 actionné par un vérin 940 placé à l'extérieur de l'enceinte 9. La partie inférieure de l'enceinte 9 débouche dans des conduites 932 d'évacuation de l'eau chargée de poussières, les gaz étant évacués par une conduite 96 vers un réseau général d'évacuation. Les enceintes 8 et 9 sont reliées par une conduite 89 sur laquelle est placée une turbine de récupération d'énergie 86, précédée éventuellement d'un séparateur d'eau 860, la conduite 89 étant munie, en anont et en aval de la turbine, de vannes 890. A l'intérieur du tube d'évacuation des gaz 38 sont placées des rampes dtaspersion d'eau, respectivement 821, en amont des fentes 85 et 921 en amont des fentes 95. D'autre part, d'autres rampes d'aspersion d'eau 68 à l'intérieur de l'enceinte 8 et 69 à la partie supérieure de l'enceinte 9 permettent de laver les parois et dtévacuer l'eau chargée de poussières par les conduites 832 et 932. On voit que, tout en étant plus compacte, l'installation qui vient d'être décrite, permet un fonctionnement analogue à la précédente. En effet, le gaz est détendu et épuré une première fois en passant dans les fentes 5. Si l'on suppose que la-pres- sion du réseau général s'exerçant à l'intérieur de l'enceinte 9 est de 0,1 bar, le piston 94 permet de régler la pression dans l'enceinte 3, par exemple à 1,9 bar. Du fait de la perte de charge occasionnée par 1' épuration dans les fentes 85 et qui, dans ce cas, ne peut être réglée, la pression dans 1' enceinte 8 sera par exemple de 1,8 bar. On dispose encore d'une chute de pression importante pour la récupération d'énergie par la turbine 86. D'autre part, le piston 5 permet de régler la pression du gaz dans la conduite d'arrivée 1 à la valeur désirée, par exemple 2 bars. On voit que dans ce cas, le gaz subit encore deux épurations successives, dans les fentes 5 du premier appareil et respectivement dans les fentes 85 pour le debit passant dans la turbine et 95 pour celui qui est rejeté directement dans l'enceinte 9-et sert seulement au contrôle des pressions. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails des modes de réalisation qui n' ont été décrits qu'à titre d'exemples, mais elle en englobe au contraire toute les variantes, spécialement celles qui n'en différeraient que par l'emploi de moyens équivalents. C'est ainsi que l'on pourrait imaginer d'autres moyens du contr8le du débit de gaz passant par les fentes 5. D'ailleurs il est bien évident que celles-ci pourraient avoir d'autres formes, l'important étant de disposer d'une pluralité d'orifices en forme de venturi dont un certain nombre peuvent être masqués. En particulier, on~a utilisé, dans les exemples représentés, des fentes parallèles à l'axe du tube, mais il serait possible de réaliser des fentes ayant la forme de secteurs se trouvant dans des plans perpendiculaires à l'axe du tube, le piston ayant alors pour objet de masquer un certain nombre de ces fentes transversales, Enfin, on a cité deux applications importantes de l'appareil et de l'installation selon l'invention mais de tels appareils pourraient recevoir évidemment d'autres applications. REVENDICATIONS 10/ Appareil de détente et d'épuration de gaz chargé de poussières comprenant une conduite d'arrivée du gaz, un moyen d'injection d'eau dans la conduite et un moyen de pulvérisation de l'eau injectée par passage du gaz dans au moins une fente resserrée formant tuyère, caractérisé par le fait qu'il comprend une enceinte, un tube rectiligne placé à l'extrémité de la conduite et pénétrant à Itintérieur de l'enceinte, une pluralité ('1 orifices ménagés sur une certaine longueur de la paroi du tube et ayant chacun une section en forme de venturi et un moyen de réglage de la longueur de tube munie d'orifices et mise en communication avec la conduite d'arrivée de gaz, le moyen d'uljection d'eau dans le gaz étant placé en amont des orifices. 20/ Appareil de détente selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen de réglage de la longueur du tube munie d'orifices comprend un piston étanche monté coulissant à l'intérieur du tube et un moyen de réglage de la position du piston par coulissement dans le tube sur su moins une partie de la longueur du tube munie d'orifices. 3o/ Appareil de détente selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les orifices sont constitués par des fentes allongées ménagées sur la périphérie du tube parallèlement à l'are de celui-ci et ayant chacune une section droite en forme de venturi. 40/ Appareil de détente selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les orifices sont constitués par des fentes allongées en forme de secteurs superposés suivant des plans perpendiculaires à l'axe du tube et dont les sections par des plans passant par l'axe du tube ont la forme de venturis. 50/ Appareil de détente selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le tube est prolongé jusqu'à 1' extérieur de 1' enceinte et que le moyen de réglage de la position du piston est un vérin. 60/ Appareil de détente selon la revendication 2 caractérisé par le fait que le tube est vertical, pénètre par la partie supérieure de enceinte et débouche - à l'intérieur de celle-ci et que le moyen de réglage de la position du piston est constitué par une admission de fluide dans une chambre ménagée à l'extrémité du tube entre un fond de fermeture du tube et la partie inférieure du piston. 70/ Appareil de détente selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que les orifices en forme de venturis ont leurs axes orientés suivant des directions radiales rayonnantes autour de l'axe du tube. 80/ Appareil de détente selon l'une des revendications i à 3, caractérisé par le fait que les orifices en forme de venturi ont leurs axes orientés suivant des directions passant à des distances égales de l'axe du tube et sont régulièrement répartis sur la périphérie du tube. 90/ Appareil de détente selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen d'asservissement du moyen de réglage de la longueur ouverte de tube à une pression du gaz mesurée en un point de l'appareile 100/ Installation de détente et d'épuration de gaz caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins deux appareils selon la revendication 1 disposés en série, l'enceinte du premier appareil débouchant dans une conduite reliée au tube muni d'orifices du second appareil. 110/ Installation de détente selon la revendication caractérisée par le fait que la conduite de liaison entre la première enceinte et le tube du second appareil est munie sur sa périphérie d'une série d'orifices en forme de venturis débouchant dans une enceinte intermédiaire reliée à l'enceinte du second appareil par une conduite de dérivation sur laquelle est branché un appareil de récupération de lténergie du gaz passant dans ladite conduite de idriyation. 120/ Installation de détente selon la revendication caractérisée par le fait qu'elle comprend trois appareils selon la revendication 1, que l'enceinte du premier appareil débouche dans deux conduites reliées respectivement chacune au tube muni d'orifices de l'un des deux autres appareils, l'une desdites conduites étant munie d'une vanne et l'enceinte de l'appareil dans lequel débouche cette dernière conduite étant reliée à l'enceinte du troisième appareil par une conduite sur laquelle est branché un appareil de récupération de l'énergie du gaz.