Brevet FR2426802A1 — publié le 19791221

La présente invention concerne des perfectionnements aux techniques de récupération de l'énergie de gaz humides et poussiéreux sous pression par dé- tente de ces gaz dans une turbine. L'invention s'applique en particulier à la récupération de l'énergie pneumatique des gaz de gueulard des hauts-fourneaux sidérurgiques a contre pression. On sait que l'exploitation des hauts fourneaux modernes est conduite de façon telle que les gaz sortent du gueulard a une pression qui peut atteindre plusieurs bars. On s'est vite rendu compte de l'utilité de récupérer l'énergie pneumatique considérable de ces gaz par détente dans une turbine après dépous- siérage, plutôt que de la perdre intégralement par laminage dans un organe statique (ou septum valve) comme cela se faisait auparavent. Deux types de difficultés se présentent pour une telle récupération. La première, d'origine mécanique, tient au fait que, mme épurés les gaz conservent un taux de poussières suffisant pour engendrer au niveau de la turbine des risques de colmatage et d'abrasion des aubes. On sait toutefois que ces risques peuvent tre atténués par l'utilisation d'une turbine de type centripète. La seconde difficulté, d'origine thermodynamique cette fois, réside dans un dséquilibrage possible du rotor de la turbine par givrage du gaz humide lors de la détente si celui-ci pénètre trop froid dans la turbine. Dans une certaine mesure, ces deux types de difficultés s'excluent l'une l'autre, car si l'on veut obtenir un gaz bien dépoussiéré, il est nécessaire de le laver (dépoussiérage humide), donc de le refroidir. Inversement, si l'on souhaite utiliser un gaz suffisamment chaud pour empcher le givrage au cours de la detente, il faut éviter le dépoussiérage humide et accepter de ce fait une teneur en poussière plus élevée. Il s'avère cependant qu'en règle générale les installations de dépoussi- rage délivrent un gaz qui, tout en étant convenablement dépoussiéré, présente néanmoins une température suffisamment élevée (de l'ordre de 50 6 60 C) pour pouvoir tre détendu dans une turbine sans risque de givrage. Certaines installations permettent mme de mener l'ëpuration humide par injection d'eau jusqu'à saturation du gaz (B. F. 2 125 183-Wendel-Sidélor, Sofrair), complétée éventuel lement par une pulvérisation d'eau a l'entrée de la turbine (B. F. 2 174 689 Wendel-Sidelor, Sofrair) afin de limiter l'abrasion des aubes et d'obtenir, au niveau de la turbine, un dépoussiérage complémentaire. Toutefois, certaines installations de dépoussiérage abaissent la température du gaz jusqu'à un niveau inférieur au seuil critique. Pour résoudre les problèmes de givrage qui se posent alors lors de la détente, on a recours généralement a un réchauffement préalable du gaz. Celui-ci suivant les cas peut s'effectuer soit par combustion partielle interne, ce qui, en diminuant d'autant le pouvoir calorifique du gaz, pénalise son réemploi ultérieur dans le réseau aval ; soit au moyen d'un échangeur de chaleur prenant par exemple des calories au vent souffle dans le haut fourneau, ce qui impose au premier chef une très bonne épuration préalable du gaz souvent peu compatible avec les capacités des installations de dépoussiérage habituelles. La présente invention a pour but de proposer une solution nouvelle qui ne dégrade pas le pouvoir calorifique du gaz et qui s'accomode d'une épuration de qualité ordinaire. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de récupération de l'énergie pneumatique de gaz humides et poussiéreux, notamment des gaz de hauts fourneaux sidérurgiques a contre pression, par détente dans une turbine, procédé caractérisé en ce que Ton effectue une injection de vapeur d'eau dans le courant gazeux avant son entrée dans la turbine. Conformément a une réalisation de l'invention, la vapeur d'eau est produite par evaporation d'eau par échange de chaleur avec le vent de soufflage du haut fourneau, ce vent étant refroidi en un endroit situé entre la soufflante et les cowpers. Conformément a une autre réalisation, la vapeur d'eau est produite par evaporation d'eau par échange de chaleur avec les fumées perdues aux cowpers. L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé comprenant : -un générateur de vapeur d'eau, -des moyens pour injecter la vapeur d'eau dans le gaz en amont de la turbine, -des moyens de recuperation de 1'eau de condensation chargée en poussières a la sortie de la turbine, -des moyens d'épuration de cette eau, -des moyens de recirculation de l'eau épurée dans le générateur de vapeur, -et des moyens de compensation des pertes d'eau. Selon une variante, le générateur de vapeur d'eau comprend un échangeur dispose sur la conduite de soufflage du vent de haut fourneau, en un endroit situé entre la soufflante et les cowpers. Comme on le comprend la présente invention consiste a introduire de la vapeur d'eau dans le gaz avant sa détente dans la turbine. Un tel moyen remplit simultanément une double fonction : réchauffer le gaz et augmenter son degré d'humidité. Cette vapeur d'eau, constituant en quelque sorte une reserve thermique, se condense en grande partie lors de la détente du gaz dans la turbine et transfère a celui-ci l'énergie calorifique résultante, ce qui permet de réduire son abaissement de température, et d'éviter ainsi tout risque de givrage sur les aubes de la turbine. De plus cette condensation abondante entraîne les poussières contenues initialement dans le gaz, ce qui assure un lavage efficace de la turbine et écarte tout risque de colmatage. En ce qui concerne le mode d'injection de la vapeur dans le courant gazeux, une introduction centrale doit en gnerai tre préférée a une introduction périphérique, laquelle pourrait entraîner une condensation inutile sur la paroi interne de la conduite. Par ailleurs, il est souhaitable de favoriser le mélange gaz-vapeur. Ceci peut se faire de différentes manières, notamment en multipliant les endroits d'introduction de la vapeur par exemple au moyen de plusieurs cannes d'injection ou d'une canne unique présentant plusieurs orifices de sortie repartis sur sa longueur. Une autre façon de procéder, éventuellement complémentaire a celle précitée, consiste a éloigner suffisamment le lieu d'introduction de la vapeur de l'entrée de la turbine de manière a laisser au mélange le temps de se réaliser. Bien entendu d'autres solutions, connues ou non, peuvent également convenir, en particulier celles susceptibles de procurer un brassage gazeux, par exemple une injection hélicoïdale de la vapeur d'eau, etc... La vapeur d'eau utilisée peut avoir des origines diverses et variées. Bien entendu elle peut d'abord tre produite dans une chaudière prévue a cet effet. Cependant pour des raisons économiques, elle sera récupérée de préférence a partir de la vapeur inévitablement perdue dans les circuits classiques d'usines. Si l'invention est appliquée au gaz de gueulard de hauts fourneaux sidérur- giques, une source avantageuse de chaleur pour former de la vapeur d'eau peut résider dans les fumées abondantes qui s'échappent des cowpers a une température supérieure a 200 C. Une autre façon de se procurer de la vapeur consiste a évaporer de 1'eau par échange de chaleur avec le vent destiné a tre soufflé au haut fourneau. Ce vent est alors refroidi entre la soufflante et les cowpers, ce qui procure l'avantage supplémentaire d'améliorer le rendement de ces derniers. Par ailleurs, l'eau condensée dans la turbine peut, après élimination des boues qui y sont contenues, tre réutilisée en circuit fermé pour produire de la vapeur. L'invention sera bien comprise, et d'autres aspects et avantages ressortiront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée a titre d'exem- ple et en référence a la figure unique annexée représentant schématiquement une installation pour l'application du procédé selon l'invention en vue de la récupération de l'énergie pneumatique des gaz de gueulard de hauts fourneaux sidérurgiques. L'installation de la figure peut tre décomposée en trois sous-ensembles fonctionnels distincts. Le premier sous-ensemble, désigné par la référence générale A constitue l'unité de production de la fonte. Il comprend le haut fourneau 1 et ses annexes"amont"pour le soufflage du vent et"aval"pour le dépoussiérage du gaz de gueulard. Les annexes"amont"comprennent, dans le sens du soufflage indiqué par les flèches, une soufflante 2 dont le débit de vent est réglé par un appareil de consigne non représenté, et une batterie de cowpers 3. Les annexes de dépoussiérage du gaz de gueulard sont composées, de façon classique, par un pot a poussières 4 suivi d'un laveur 5 par pulvérisation d'eau. Le second sous-ensemble, désigné par la référence B, constitue l'unité de récupération de l'énergie de pression des gaz. Cet ensemble est alimenté en gaz dépoussiéré en A par la conduite 6 et les relâche dans les circuits d'utili- sation ultérieure par la conduite de sortie 7. Il comprend essentiellement une turbine centripète 8 placée en parallèle avec un organe statique de laminage, ou septum-valve 9, servant a réguler la contre pression au gueulard du haut fourneau. La turbine 8 est encadrée par deux vannes d'arrt 10 et 11, et se trouve accouplée a une unité 12 de récupération de l'énergie. En principe toute machine tournante peut convenir, par exemple un groupe électrogëne ou un turbocompresseur fonctionnant en série avec la soufflante 2. Enfin, le dernier sous-ensemble, désigné C, constitue conformément a une réalisation de l'invention, une installation en circuit fermé pour la production et l'introduction de vapeur d'eau dans le gaz. Cet ensemble comprend : -un générateur de vapeur 13 monté sur la canalisation 14 de transport du vent entre la soufflante 2 et la batterie de cowpers 3 -des moyens pour introduire la vapeur dans le gaz, constitués par une canne d'injection 16 traversant la conduite de gaz 17 en amont de la turbine 8, et débouchant sensiblement dans la zone centrale de la veine gazeuse en écoulement, -des moyens de récupération et d'épuration de 1'eau de condensation a la sortie de la turbine, constitués par un bassin de décantation 18 alimenté en eau sale par la conduite 19, et évacuant d'une part les boues par la purge 20 et de l'eau épurée par la sortie 21, -des moyens pour recirculer t'eau épurée dans le générateur 13, constitués par une pompe 22, -et des moyens pour compenser les pertes d'eau constitués par une conduite 23 d'amenée en eau d'appoint, piquée sur Ta canalisation 21 en amont de la pompe. Le gaz de gueulard lave et refroidi en B passe pour une fraction dans le by-pass 9 où il est détendu directement, et pour sa majeure partie dans la conduite 17 par l'intermédiaire de la vanne de réglage 10. LA, il est réchauffe et humidifié par injection de vapeur d'eau en amont de la turbine 8 au moyen de la canne 16. Du fait de la chute d'enthalpie du gaz pendant la détente dans la turbine 8, il s'y produit une abondante condensation d'eau qui entraîne, par la conduite 19, une grande partie des poussières contenues dans le gaz après l'épuration humide en B. De plus, l'apport de calories résultant de cette condensation, réduit la chute de température due a la détente et écarte tout danger de givrage a l'intérieur de la turbine. De la mme façon, l'énergie pneumatique, de la vapeur d'eau contenue dans le gaz est libérée au cours de la condensation et recueillie conjointement a l'énergie fournie par la détente du gaz. Le tableau suivant montre un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, conformément a sa forme de réalisation représentée sur la figure. -Débit du vent : 120.000 Nm3/h -Temp. du vent : 136 C -Débit du gaz : 170.000 Nm3/h -Débit de vapeur : 3.400 kg/h -Temp. de la vapeur : 135 C Gaz Sortie Après épuration Aprës injection pPrès turbine du gueulard humide vapeur Pression (absolue) 3 bars 2, 8 bars 2, 8 bars 1,2 bars Température 90 C 20 C 60 C 20 C Teneur 3 3 3 3 vapeur d'eau 30 g/Nm 7 g/Nm (sature) 27 g/Nm 16 g/Nm (saturé) Teneur en 3 3 3 3 poussières 10 g/Nm 50 mg/Nm 50 mg/Nm 5-10 mg/Nm Dans la détente de ce gaz l'énergie récupérée est de 82 kg par Nm3 de gaz soit pour 170.000 Nm3/h, environ 3.900 kw. Il est a noter qu'il est généralement souhaité de remonter la température du gaz avant détente jusqu'à 60 C environ. Compte tenu de la variation de pression lors de la détente, une telle température correspondrait dans le cas d'un gaz sec a une température de sortie voisine de 0 C. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter a l'exemple décrit. L'invention s'applique en effet de façon générale a tout gaz humide et poussiereux sous pression dont Ta détente dans une turbine risquerait de procurer soit un givrage de 1'eau contenue, car le niveau de température avant détente serait trop bas, soit un colmatage de la turbine car le rapport entre la teneur en poussières et l'eau condensée serait trop faible, soit encore ces deux inconvénients a la fois. Bien entendu la quantité de vapeur injectée par m3 de gaz n'est pas limi- tative, toute augmentation de cette quantité allant dans le sens d'un réchauf- fement du gaz et d'un accroissement de son degré de saturation. A titre indicatif, un gaz a 60 C et sous 2,8 bars de pression absolue est saturé avec environ 70 g de vapeur d'eau par Nm. Il est a craindre toutefois qu'une telle façon d'opérer conduise a un surcroît de puissance au niveau de la turbine. Aussi est-il preferable économiquement de régler l'injection de vapeur en fonction des caractéristiques de la turbine dont on dispose. REVENDICATIONS 1. Perfectionnement au procédé de récupération de l'énergie pneumatique de gaz humides et poussiéreux par détente dans une turbine, caractérisé en ce qu'on effectue une injection de vapeur d'eau dans le courant gazeux avant son entrée dans la turbine. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz humide et poussiereux est du gaz de gueulard de hauts fourneaux sidérurgiques, travaillant en contre pression, et précédemment épuré dans une installation de dépoussiérage humide classique. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'injection de vapeur d'eau s'effectue sensiblement dans l'axe de la conduite de transport du courant gazeux. 4. Installation pour la mise en oeuvre du procède selon l'une quelconque des revendications 1,2,3 caractérisée en ce qu'elle : -un générateur de vapeur d'eau, -des moyens pour introduire la vapeur d'eau dans le courant gazeux en amont de la turbine, -des moyens de récupération et d'épuration de l'eau de condensation à la sortie de la turbine et chargée de poussière. -des moyens de recirculation de l'eau épurée dans le générateur de vapeur, -et des moyens de compensation des pertes d'eau. 5. Installation selon la revendication 4 caractérisée en ce que les moyens pour introduire la vapeur d'eau dans le courant gazeux sont constitués par au moins une canne d'injection traversant la conduite de transport du courant gazeux et débouchant sensiblement selon l'axe de ladite conduite. 6. Installation selon les revendications 4 ou 5 pour la récupération de l'énergie pneumatique des gaz de gueulard de hauts fourneaux sidérurgiques travaillant en contre pression, caractérisée en ce que le générateur de vapeur d'eau comprend un échangeur disposé sur la canalisation de transport du vent de haut fourneau en un endroit situé entre la soufflante et les cowpers. 7. Installation selon les revendications 4 ou 5 pour la récupération de l'énergie pneumatique des gaz des gueulards de hauts fourneaux sidérurgiques travaillant à contre pression, caractérisée en ce que le générateur de vapeur d'eau comprend un échangeur disposé a la sortie des fumées des cowpers.