Brevet FR2472731A1 — publié le 19810703

Cette invention est relative à des perfectionnements apportés aux fours de traitement thermique et en particulier aux cowpers, utilisés comme on le sait pour le chauffage du vent souf flé sous pression dans un haut fourneau. L'augmentation de la température et de la pression du vent soufflé dans les hauts fourneaux modernes de forte capacité amène des complications dans la balance énergétique de l'usine sidérurgique. En effet, l'amélioration du rendement de la réaction tend à produire un gaz dont le pouvoir calorigique inférieur est très faible, par exemple de l'ordre de 700 mth/Nm3. En même temps pour atteindre une température de flamme de 1600au environ, qui est nécessaire à l'obtention d'un vent chauffé à 12500, il faut disposer d'un gaz présentant un pouvoir calorifique inférieur d'environ 1450 mth/Nm3.Si à cet effet on utilise un mélange de gaz de haut fourneau et de gaz de cokerie comprenant environ 20% de gaz de cokerie, 60% de la quantité de chaleur cédée au vent proviendra du gaz de cokerie donc de thermies à haut niveau, plus facilement utilisables dans des fours. Rarallèlement, malgré les perfectionnements déjà apportés aux cowpers qui permettent d'atteindre un rendement net de l'ordre de 92%, on chute en rendement brut, pour obtenir 78 à 82% environ, par suite de l'augmentation de la température du vent froid au cours de la compression. Sur une unité fonctionnant à une pression de 4,5 b, la température du vent est de l'ordre de 2400 C, ce qui représente une température moyenne de sortie des fumées de près de 3000C entraînant une perte thermique im- portante. Dans le meilleur des cas, le gaz de haut-fourneau non brt- lé dans les cowpers est utilisé dans les centrales thermiques avec un rendement au plus égal à 30%, sinon il est brûlé à la torchère Certaines améliorations ont été apportées à la mise en oeuvre des cowpers. Pour diminuer la consommation de gaz riche on peut préchauffer l'air et éventuellement le gaz de combustion alimentant les régénérateurs. Les quelques réalisations actuelles utilisent le préchauffage de l'air seul à une température assez élevée de l'ordre de 700 à 8000C, ce qui en traSne l'utilisation d'un appareillage assez lourd. En général on utilise des cowpers spécialement conçus à cet effet ou plus souvent des cowpers déjà disponibles, provenant d'une installation récupérée.On peut également mettre en oeuvre des réchauffeurs métalliques. Malgré ces améliorations, les pertes à la cheminée demeurent, l'utilisation de récupérateur sur les fumées étant insuffisantes pour supprimer l'enrichissement. Les solutions actuelles, malgré les perfectionnements qui y ont été apportés, ne permettent pas un préchauffage convenable du gaz, soit qu'i;n'Y ait pas étanchéité complète entre les fluides réchauffeurs tournants), soit qu'il y ait des restrictions d'emploi : poussières, corrosions, condensations (réchauffeur à plaques à courants croisés). Il en résulte que l'utilisation de la chaleur des fumées ne peut qu'être partielle. La présente invention se propose d'améliorer le rendement thermique des installations de réchauffage de vent en réalisant l'échange de chaleur en deux phases - à l'aide de cowpers traditionnels mais dont les paramètres ont été modifiée et - en utilisant un échangeur annexe dans lequel s'effectue l'épuisement des fumées. A cet effet cette invention concerne des perfectionnements apportés aux cowpers, alimentés en air et en gaz de hautsfourneaux préchauffés afin d'obtenir la température de flamme souhaitée, ces perfectionnements étant caractérisé en ce que la température de sortie des fumées est choisie comprise entre 4000 et 5000C et de préférence entre 400 et 4250C et en ce que la chaleur de ces fumées est récupérée dans des échangeurs du type caloduc afin de préchauffer l'air et le gaz de combustion du haut fourneau alimentant le cowper. Selon l'invention, la température de préchauffage est limitée à environ 6000C afin d'utiliser un vannage non refroidi. Ainsi qu'on le comprend on optimise la batterie de cowpers en fractionnant l'échange entre l'empilage de briques du cowper et les fumées et vent d'une part, et entre le récupérateur des fumées et l'air et le gaz de chauffage d'autre part. L'originalité du procédé selon l'invention réside essentiellement dans le choix d'une température de sortie des fumées supérieure à celle-actuellement utilisée, cette augmentation de température modifiant les conditions de l'échange thermique et permettant de réduire la surface de chauffe des cowpers.Etant donné que dans la seconde étape du procédé selon l'invention, on récupère la chaleur des fumées, cette modification ne diminue pas le rendement global mais élimine par contre l'investissement à consentir pour les cowpers proprement dits, ce qui permet de financer partiellement les échangeurs complémentaires utilisés selon l'invention pour récupérer la chaleur des fumées. Il est évident que la chaleur des fumées est insuffisante pour préchauffer l'air et le gaz à la température requise. Il est donc nécessaire dtaåouter à ces fumées, les fumées provenant de la combustion de gaz de hauts-fourneaux pour assurer le complément de réchauffage. Les gaz de hauts fourneaux ne contenant pratiquement pas de soufre, la température des fumées peut descendre jusqu'à 1000C environ. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut la récupération de la chaleur des fumées s'effectue, selon l'invention, en utilisant des échangeurs particulièrement performants: les caloducs. On sait qu'un caloduc est généralement constitué par un tube métallique (Al, Cu, Acier) formant une enceinte fermée, le plus souvent cylindrique, dont les parois intérieures sont tapissées d'une structure capillaire et qui contient une substance caloriporteuse dont la nature et la quantité sont choisies de manière à ce que, dans les conditions opératoires souhaitées, elle puisse se trouver à l'état d'équilibre liquide-vapeur, la phase liquide saturant au mieux la structure capillaire. Le fonctionnement est le suivant -. si une différence de température existe entre les extrémités du caloduc, le fluide caloriporteur s'évapore dans la zone chaude et se condense dans la zone froide. L'évaporation et la condensation se font à la meme température de sorte que l'énergie absorbée à une extrémité est restituée quasi intégralement à l'autre extrémité. La vapeur circule au centre et le liquide est ramené par la structure capillaire vers la zone d'évaporation et le régime s'établit. Cet appareil entièrement statique permet de transférer des flux allant jusqu'à plusieurs kW/cm2 et assure une étanchéité parfaite entre les deux flux gazeux. Le procédé selon l'invention peut s'appliquer dans tous les cas d'utilisation 10 Cowpers existants On récupère la chaleur des fumées pour diminuer la quantité de gaz d'enrichissement et réduire la consommation thermique globale. 20) Dopage des cowpers Si l'on veut augmenter la capacité des cowpers existants (température et/ou débit) en utilisant la tôlerie et tout ou partie du ruchage existant, on peut changer les paramètres de marche, ctest-à-dire les températures de fumées en tête et au pied. Les échangeurs à caloducs récupèrent la chaleur des fumées pour préchauffer l'air et le gaz de combustion, permettant ainsi de maintenir le rendement tout en diminuant la consommation de gaz riche. 30) Batterie neuve Dans ce cas, on dimensionnera la batterie de cowpers en tenant compte des échangeurs à caloduca épuisant les fumées. l'installa- tion pourra être conçue pour ne pas utiliser d'autre gaz que le gaz RF et permettra-de maintenir le rendement avec de très hautes températures de vent pour un investissement global inférieur à celui d'une batterie équivalente de conception classique. De plus, la consommation thermique globale sera diminuée (rendement net amélioré-) D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin qui en illustre divers -exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.Sur le dessin - la figure 1 est un schéma de principe d'une installation selon l'invention - la figure 2 est un schéma du réglage du réchauffage air et gaz d'une installation comportant deux lignes air et gaz - les figures 3 et 4 représentent respectivement les configu rations utilisées pour trois et quatre cowpers. En se référant à la figure 1 on voit que l'air et le gaz de combustion alimentant les cowpers 10 sont réchauffés dans un échangeur 12 du type caloduc récupérant la chaleur des fumées des cowpers. La chaleur de ces fumées étant insuffisante pour préchauffer l'air et le gaz à la température requise (environ 6000 C) on leur ajoute les fumées provenant de la combustion de gaz de hauts-fourneaux pour assurer le complément de réchauffage. A cet effet l'installation comporte un brûleur 14. Sur le schéma de la figure 2 on peut voir comment s'effectue le réglage du réchauffage air et gaz d'une installation comportant deux cowpers 10I, 10II, à l'aide d'une batterié d'échangeurs du type caloduc 121, 122, 123, 124, ces caloduca étant alimentés par un brûleur 14 lui-même alimenté par les fumées 16 en provenance des cowpers et par des gaz de hauts-fourneaux. Sur le schéma de la figure 3 on a représenté la configuration pour une installation comportant trois cowpers 10I, 1011 et 1OIII et sur la figure 4 celle pour une installation à quatre cowpers 10I, 1OII' lOIII, 10IV . Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples décrits ou représentés ici mais qu'elle en englobe toutes les variantes. De même le procédé de récupération proposé à titre d'exemple pour les cowpers n ' est pas limitatif et peut autre appliqué à de nombreux autres types de fours tels que par exemple (fours pits, fours poussant, de forge, de verrerie ...). REVENDICATIONS 1.- Perfectionnements apportés aux fours de traitement thermique et notamment aux cowpers en vue d'en améliorer le rendement thermique, caractérisés en ce que la température de sortie des fumées du four est choisie supérieure à celle généralement utilisée et en ce que l'on récupère la chaleur des fumées dans des échangeurs du type caloduca afin de préchauffer l'air et le gaz alimentant le four. 2.- Perfectionnements selon la revendication 1 appliqués à l'amélioration thermique des cowpers, caractérisés en ce que la température de sortie des fumés est comprise entre 400 et 5000C et de préférence entre 400 et 4250 C, la chaleur des fumées étant récupérée dans lesdits caloducs pour préchauffer l'air et le gaz de combustion de haut-fourneau alimentant les cowpers. 3.- Perfectionnements selon la revendication 2, caractérisés en ce que le préchauffage de l'air et du gaz de haut-fourneau alimentant le cowper est limité à 6000 C. 4.- Perfectionnements selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce que l'on augmente la capacité des cowpers existants, température et/ou débit, et l'on modifie les paramètres de marche, c'est-à-dire les températures de fumées en tête et au pied, les caloducs récupérant la chaleur des fumées pour préchauffer l'air et le gaz de combustion, permettant ainsi de maintenir le rendement-tout en diminuant la consommation de gaz riche.