Brevet FR2465786A1 — publié le 19810327

La présente invention concerne une installation permettant de revaloriser le potentiel énergétique contenu dans une très large fraction des gaz émis par le haut fourneau et destinée à être utilisée dans les cowpers et les centrales thermiques à vapeur, ainsi que celui du gaz émis par les convertisseurs de l'aciérie alimentée en oxygène. En l'état actuel de la technique le gaz de haut fourneau dont le pouvoir calorifique n'a cessé de s'amenuiser dans le temps ne peut être utilisé sans un apport de calories issues de combustibles plus riches : gaz naturel, gaz de cokerie, fuel, charbon. En effet, la température du vent soufflé aux tuyères du haut fourneau atteint et dépasse souvent 1250 " C. Dans ces conditions pour obtenir dans les cowpers une température de combustion suffisante un apport de 9 % environ de gaz naturel à un combustible dont le pouvoir calorifique est de 780 kcal/N/m3 est indispensable. Aux cowpers seul un combustible gazeux peut être utilisé.Dans les chaudières des centrales thermiques qui absorbent llexcédent de gaz non utilisé dans ltusine sidérurgique l'appoint de combustibles nobles : fuel, charbon est nécessaire. L'apport de gaz riche aux cowpers libère une quantité supplémentaire de gaz de haut fourneau utilisée dans la centrale à vapeur dont le rendement thermique est relativement faible. Le rapport de la somme des calories absorbées par le vent et par la centrale sous forme d'énergie électrique et de celles disponibles dans les combus tilles utilisés est médiocre. Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients. Dans celui-ci il est en effet possible d'éviter dans les cowpers l'enrichissement du gaz de haut fourneau, tandis que dans la centrale thermique cet apport n'est utile que lorsque la quantité de gaz de haut fourneau disponible dans l'usine n'est pas suffisante pour faire fonctionner la centrale à plein régime. Le dispositif objet de l'invention comporte essentiellement une turbine à gaz entrainant un compresseur d'air comburant dont le débit est égal à ceux réclamés par les bruleurs des cowpers, de la chambre de combustion de la turbine à gaz, et des chaudières de la centrale thermique à vapeur dont l'alternateur est couplé au réseau. La pression absolue de refoulement de ce compresseur est de 3 à 4 bars valeur compatible avec la tenue des cowpers existants. Contrairement à la disposition classique la période de combustion s'effectue à cette pression qui est sensiblement celle du vent. Il en est de même pour les chaudières du type "vélox ou sural" qui sont conçues pour l'utilisation d'un air comburant sous pression mais qui exigent l'emploi de combustibles liquides ou gazeux. La chambre dé combustion de la turbine à gaz porte les fumées sous pression issues des cowpers et des chaudières à une température de l'ordre de 750" C. Les fumées de 11 échappement de la turbine à gaz dont la température est supérieure à 550 C sont dirigées sur deux récupérateurs de chaleur qui reçoivent l'air comburant et le gaz de haut fourneau sous pression. Ils sont ensuite dirigés vers les utilisateurs définis plus haut, à une température supérieure à 400" C. Les fumées sortant de ces récupérateurs alimentent un économiseur où circule l'eau d'alimentation des chaudières en provenance des condenseurs de la centrale à vapeur. Les deux chaudières de celle-ci alimentent un groupe turbo alternateur dont la partie haute pression reçoit de la vapeur à une pression de l'ordre de 100 bars et une température de 500 C et la partie basse pression de la vapeur resurchauffée à une pression de l'ordre de 10 à 15 bars. Cette vapeur resurchauffée alimente en parallèle une turbine à condensation qui entraine un compresseur axial de gaz de haut fourneau qui fournit le combustible aux utilisateurs déjà désignés. Le débit de ce compresseur est variable et sa vitesse est placée sous le contrôle de sa pression au refoulement qui doit être toujours supérieure de 0, 3 bar environ à celle régnant dans la chambre de combustion de la turbine à gaz. A cet effet une soupape de régulation de pression de vapeur resurchauffée placée à l'admission de la turbine basse pression du groupe principal permet d'obtenir une pression constante dans le collecteur basse pression à l'entrée de la soupape de réglage de la vitesse du groupe turbo compresseur de gaz de haut fourneau. Un détendeur et un désurchauffeur placés sur le collecteur de vapeur haute pression permettent d'alimenter le groupe turbo compresseur de gaz en cas de défaillance du groupe turbo alternateur. Le poids des fumées admises à la turbine à gaz varie dans le même sens que le débit de gaz de haut fourneau disponible dans l'usine. Lorsque celui-ci diminue la température des fumées à l'entrée des récupérateurs augmente à cet instant un papillon placé à la sortie des fumées alimentant le récupérateur disposé sur le circuit de gaz de haut fourneau se ferme sous l'effet de l'augmentation de température de ce dernier. Celle de l'air comburant augmente. Si le débit de gaz de haut fourneau est nul une vanne placée à l'aval du papillonde réglage se ferme. Le débit de gaz de haut fourneau aux chaudières est placé sous le contrôle de la pression de vapeur et de la pression de gaz à l'admission du turbo compresseur. Lorsque celle-ci diminue un bruleur spécial alimenté en combustible de remplacement se met en service, tandis que la vitesse du groupe turbo compresseur diminue. Aux faibles charges un dispositif de sécurité réduit la température des fumées à l'admission de la turbine à gaz si la température de fluides à son échappement atteignait des valeurs dangereuses pour la tenue du matériel, la variation de vitesse du groupe turbo compresseur de gaz de haut fourneau permet aux faibles charges d'améliorer le rendement thermique de la turbine à gaz : pour 1 kg d'air utilisé le poids des fumées est de 2, 24 kg lorsqu'on utilise du gaz de haut fourneau et de 1, 07 kg lorsquton utilise du gaz naturel ce qui explique la diminution du taux de détente dans la turbine à gaz lors dlune réduction de débit de gaz de haut fourneau disponible. A la pleine charge de l'installation le rendement thermique global qui inclut le chauffage des cowpers est de 0, 62 pour le procédé envisagé et de 0, 47 pour l'installation classique qui doit faire appel à près de 40 % de calories issues de combustibles nobles. Lorsque la production de fonte est réduite de moitié et que la puissance fournie par les chaudières reste constante par un apport de combustibles nobles ces chiffres sont respectivement de 0, 55 et 0, 395 pour les rendements et de 36, 5 % et 66 % pour les calories nobles. La présence d'un groupe turbo compresseur d'air alternateur commun aux chaudières et aux cowpers, le choix de générateurs de vapeur fonctionnant sous pression, la part d'énergie électrique fournie par la turbine à gaz contribuent à réduire le coût des investissements par kwh fourni. La combustion sous pression des cowpers améliore la distribution des fumées dans le ruchage, contribue à réduire le taux d'imbrulés des combustibles nobles injectés aux tuyères du haut fourneau pendant les inversions des cowpers, de réduire les pertes de vent pendant ces mêmes périodes et par là d'augmenter la production de fonte et de diminuer la puissance électrique absorbée par la soufflante par tonne de fonte produite. Toutefois l'étan- chéité des vannes des différents circuits des fluides désservant les cowpers devra être assurée quelque soit le sens de la différence de pression de ces fluides sur les opercules de ces vannes. La présence de filtres à poussières à l'aspiration du turbo compresseur de gaz de haut fourneau et sur le circuit des fumées des cowpers est indispensable. La fraction utilisable du gaz émis par les convertisseurs à oxygène circule dans un laveur alimenté en eau fraiche prélevée sur l'alimentation des condenseurs des groupes précédents, ceci afin de réduire la quantité de vapeur d'eau contenue dans 1 kg de gaz issu de l'appareillage de traitement des gaz à la sortie du convertisseur, puis stockée dans un gazomètre de faible capacité. Des appareils de mesure permettant le contrôle du débit d'oxygène et de la teneur en oxyde de carbone dans le gaz donnent les ordres d'ouverture et de fermeture des vannes placées à l'admission du gazomètre et de la cheminée existante. Ce gaz est utilisé dans une chaudière classique (15 bars 350"C - 450"C) qui débite dans le collecteur de vapeur basse pression resurchauffée cité précé demment. Le débit de gaz placé sous le contrôle de niveau du gazomètre est sensiblement constant. La présence de cette chaudière qui peut être alimentée en secours par des combustibles nobles ap porte un élément de sécurité en cas de défaillance du groupe turbo alternateur principal.Enfin la chaleur absorbée par les tubes écrans de protection de la hotte et de la cheminée peut être fournie sous forme de vapeur à la partie basse pression du groupe turbo alterna teur principal en aval de l'organe de réglage de pression de vapeur resurchauffée. Ces chaudières timbrées à 30 bars fonctionnent en parallèle avec un accumulateur d'eau chaude. Tous les dispositifs auxiliaires de la disposition classique : aéro réfrigérants, pompes de circulation, traitement des eaux d'alimentation sont supprimés. La pompe d'extraction d'eau condensée de la bache alimentaire alimente lséconomiseur, les réchauffeurs placés sur les soutirages du groupe principal à vapeur et le dégazeur commun à toutes les unités de production de vapeur qui possèdent chacune leurs pompes alimentaires. L'eau d'alimentation de la chaudière haute pression transite à travers des réchauffeurs alimentés par les soutirages de la partie haute pression du groupe principal. A titre d'exemple une aciérie qui consomme 10 000 '1 jour de fonte pour une production annuelle de 3 600 000 tonnes d'acier et dont la quantité de gaz de haut fourneau disponible est de 645 000 N/m3/h la puissance disponible sur la turbine à gaz est de 35 600kw, la puissance fournie par la chaudière principale est de 82 500 kw, la puissance absorbée par le groupe turbo compresseur de gaz de haut fourneau est de 27 700 kw. La chaudière basse pression alimentée en gaz d'aciérie fournit 22 300 kw et celle alimentée par les tubes écrans de la hotte et de la cheminée coiffant les convertisseurs 17 400 kw. Le débit et la température du vent sont : 560 000 N/m3/h et 1250O C. En cas d'incident sur le réseau l'énergie disponible de l'installation est capable d'alimenter une très large fraction de la puissance exigée dans l'usine et la présence de la chaudière basse pression permet un démarrage facile de l'installation. Le dispositif objet de l'invention peut être utilisé en siaérur- gie ou aans toute industrie qui dispose de débits importants de gaz à faible pouvoir calorifique. REVENDICATIONS 1) Dispositif permettant de revaloriser le potentiel énergétique du gaz de haut fourneau utilisé aux cowpers et dans la centrale thermique à vapeur et du gaz d'aciérie émis par les convertisseurs à oxygène sans faire appel, à plein régime, à des combustibles nobles caractérisé par le fait qu'il comporte une turbine à gaz attelé à un alternateur et à un compresseur axial fournissant l'air comburant sous pression aux cowpers, aux chaudières d'une centrale thermique à vapeur et à sa propre chambre de combustion. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la chambre de combustion de la turbine à gaz recoit les fumées sous pression issues des cowpers et des chaudières pour les porter à une température de l'ordre de 750" C. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que les fumées issues de la turbine à gaz à faible rapport de détente circulent à travers des récupérateurs de chaleur alimentés en air comburant, en gaz de haut fourneau et en eau d'alimentation des chaudières de la centrale thermique. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ces chaudières alimentent en vapeur surchauffée et resurchauffée un turbo alternateur dont la partie basse pression est munie d'un organe de réglage permettant de maintenir constante la pression de vapeur resurchauffée. 5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que le collecteur de vapeur resurchauffée alimente une turbine à vapeur à condensation attelé à un compresseur axial de gaz de haut fourneau fournissant le combstible aux cowpers aux chaudières et à la chambre de combustion de la turbine à gaz à une pression variable toujours supérieure à celle des fumées admises à la turbine à gaz. 6) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que lorsque la quantité de gaz de haut fourneau disponible diminue la totalité de l'air comburant fourni aux utilisateurs désignés est utilisé en faisant appel à des combustibles nobles aux chaudières et à la chambre de combustion. 7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait qu'un papillon placé à la sortie du récupérateur alimenté en gaz de haut fourneau permet de régler la température de celui-ci lorsque son débit diminue. 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les gaz utilisables émis par les convertisseurs à oxygène de l'aciérie sont dirigés vers une chaudière classique fournissant sa vapeur au collecteur de vapeur resurchauffée, après passage dans un laveur alimenté en eau fraiche provenant des eaux de circulation des condenseurs de la centrale thermique et dans un gazomètre de faible capacité. 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les tubes écrans placés sur la hotte et la cheminée coiffant les convertisseurs fournissent en parallèle avec un accumulateur d'eau chaude de la vapeur à la partie basse pression du turbo alternateur en aval de la soupape de réglage de la pression de vapeur resurchauffée.