Brevet FR2465910A1 — publié le 19810327

La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif qui régularisatltécoulement gazeux dans une installation de captage et dé poussierage de fumées émises par un convertisseur d'aciérie. Une installation connue de captage et dépoussiérage, par voie humide, des fumées émises par un convertisseur d'aciérie à ltoxygène comporte une hotte qui coiffe le convertisseur d'où sortent les fumées. Les fumées ainsi captées sont canalisées dans une cheminée, puis dans une canalisation dans laquelle de lseau est pulvérisée. Elles sont ensuite traitées dans une tour de lavage et de dépoussiérage. Dans cette tour, un ou plusieurs étranglements#type venturi par exemple-provoquent la détente du gaz et une augmentation locale de la vitesse.Ceci entraine une perte de la charge hydraulique, généralement importante, par exemple de tordre de 1000 mm-de colonne d'eau. Les gaz sont ensuite aspirés dans-une canalisation d'évacuation par un ventilateur d'aspiration, le débit étant éventuellement réglé par un organe de réglage du tirage. L'expérience montre que de nombreuses installations réalisées selon la description schématique que l'on vient dtindiquer; sont le siège, dans certaines conditions de marche, dtune pulsation spontanée du débit gazeux qui y circule. La fréquence de cette pulsation est de quelques Hertz. Elle a de fâcheuses conséquences sur le fonctionnement de l'installation, et peut même entraner la mise en vibration des charpentes qui l'environnent. On appellera "fréquence critique'1 de l'installation la fréquence fondamentale de ce régime. Le procédé et le dispositif conformes à l'invention ont pour but d'empecher l'apparition des régimes pulsés susceptibles de se produire dans certaines installations en stabilisant le débit de ltécoulement gazeux. Le procédé selon l'invention consiste à canaliser les fumées, suc- cessivement dans le sens de ltécoulement gazeux, par une hotte de collecte des fumées raccordée à une canalisation aboutissant à au moins un étranglement qui engendre une perte de charge hydraulique importante intervenant dans le dépoussiérage suivie d'une canalisation d'évacuation équipée d'un ventilateur d'aspiration et il est caractérisé par le tait qu'il consiste à provoquer,au débit maximum normal de l'installation, une chute de pression sensiblement égale à la moitié du produit de l'impédance acoustique spécifique de la canalisation par la vitesse de débit moyenne du gaz, cette chute de pression étant localisée dans la canalisation en amont dudit étranglement, sensiblement à un quant de longueur d'onde correspondant à la fréquence fondamentale de l'écoulement en résonance. Le dispositif selon l'invention comporte successivement, dans le sens de l'écoulement gazeux, une hotte de collecte des fumées raccordée à une canalisation aboutissant à une tour de dépoussiérage équipée d'au moins un étranglement qui engendre une perte de charge hydraulique importante intervenant dans le dépoussiérage suivie d'une canalisation d'évacuation équipée d'un ventilateur d'aspiration et il est caractérisé par le fait qu'il comporte, en amont de l'étranglement servant au dépoussièrage, un obstacle de stabilisation traversé par le gaz et créant une perte de charge servant à stabiliser l'écoulement. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à des modes de réalisation donnés à titre d'exemples et représentés par les dessins annexés. La figure 1 représente une installation de captage et dépoussiérage, à simple circuit, de convertisseur d'aciérie munie du dispositif selon l'invention. La figure 2 représente le détail de la réalisation du dispositif de la figure 1. La figure 3 représente une installation de captage et dépoussiérage, à double circuit, de convertisseur d'aciérie équipée du dispositif selon l'invention. La figure 4 représente le détail de la réalisation du dispositif de la figure 3. Les figures 5 et 6 donnent, d'après des calculs théoriques, à la fréquence critique, la valeur de la composante alternative de la pression, en fonction de la durée de transmission du snn comptée depuis l'entrée de l'installation. L'échelle des pressions est logarithmique, et l'unité utilisée, le décibel, est telle que 10 dB correspondent à un rapport égal à 91D soit 3,162. L'unité de ltéchelle des durées est la période correspondant à la fréquence critique. La figure 5 donne la courbe obtenue lorsque l'installation n'est pas équipée du dispositif selon l'invention, alors que la figure 6 donne celle obtenue lorsque l'installation en est équipée. Chaque figure 1 ou 3 montre une installation de captage et dépoussiérage des fumées sortant d'un convertisseur 1 d'aciérie coiffé par une hotte 21. Le gaz chargé en poussières sortant du convertisseur est canalisé en aval de la hotte dans une canalisation 22 ou cheminée qui se prolonge par une canalisation 23 dans laquelle de l'eau est pulvérisée. Cette pulvérisation provoque en particulier la diminution de la température du gaz et sa saturation en vapeur d'eau. La canalisation 23 débouche au sommet d'une tour de lavage-dépoussiérage humide 5 dans laquelle le gaz chargé en poussières circule de haut en bas. Cette tour comporte des organes d'étranglement 51 constitués par des venturis traversés par le gaz chargé en poussières. La totalité du flux gazeux est assujettie à traverser les étranglements 51 par un flasque 52 qui cloisonne la tour de lavage entre l'entrée et la sortie de ces étranglements venturis. Ces étranglements venturis créent une perte de charge importante qui intervient dans le dépoussiérage des fumées. Le flux gazeux qui traverse ces étranglements venturis est animé d'une grande vitesse de passage.Ces venturis assurent la condensation de l'eau sur les particules très fines de poussières. Les poussières mouillées sont séparées du gaz au bas de la tour de lavage-dépoussiérage en 54. Le gaz épuré est aspiré, dans une canali- - sation 61, par un ventilateur 62. Le réglage du débit est assuré par un organe de réglage du tirage 63. Le gaz épuré est rejeté, en aval du ventilateur 62, dans une cheminée 64. Unetelle installation qui est connue en soi présente une longue canalisation ouverte à une extrémité constituant ltentréiqui se termine par un obstacle formé par les étranglements Si à une certaine distance de cette entrée. Sur le plan acoustique, cette canalisation se comporte comme un tqau sonore. La colonne gazeuse qu'elle renferme peut entrer en re- sonance pour peu qu'elle soit couplée avec un excitateur sonore convenable. Ltexpérience montre que des phénomènes excitateurs de l'onde sonore existent : tourbillons à l'entrée de la hotte, ou encore phénomènes thermiques liés à la combustion du gaz entrant dans la hotte. La hauteur de son émis est imposée par les caractéristiques du résonateur, ici la colonne gazeuse comprise entre la hotte, qui joue le role dtextrémité ouverte, et l'obstacle acoustique formé par les étranglements venturis Si qui joue le rôle d'extrémité fermée. On a étudié,dans le cadre de l#inventio#,les phénomènes acous tiquçs présents dans de telles installations, et c'est ainsi quton a pu met.re- en évidence l'existence d'une fréquence critique pour laquelle l1instal- lation est le siège d'un régime stationnaire de vibration. Dans ces conditions, la valeur de la pression ou de la vitesse,telle qu'on peut lten- registrer par exemple, intègre une composante correspondant à ltécoulement gazeux et une composante alternative due au phénomène acoustique mentionné ci-dessus. La figure 5 donne le diagramme cette composante alternative de pression depuis l'entrée jusqu'aux étranglement venturis de la tour de lavage.On peut constater sur la figure 5 que cette dernière zone est un ventre de pression, et qu'elle est précédée d'un noeud de pression, un quart de longueur d'onde en amont comme il est habituel dans ce genre de phénomène. Une étude des vitesses au lieu des pressions, montre, comme il est habituel également, qu#'à un ventre de pression correspond un noeud de vi- tesse et vice-versa. On appelle impédance acoustique spécifique en un point donné le rapport des amplitudes de l'onde élémentaire de pression et de celle de vitesse associée. On entend par-élémentaire, l'une des deux composantes de llon- de globale observée : soit incidente, soit réfléchie. Ici, et en première approximation, l'impédance acoustique spécifique ne dépend que des caractéristiques locales du fluide. Le-procédé selon l'invention consiste à insérer, au point correspondant au noeud de pression observé à la fréquence critique, un obstacle ou étranglement dont la résistance acoustique est égale à l'impédance acoustique spécifique. Ce faisant, on réduit considérablement le taux d'onde stationnaire, comme on peut le vérifier sur la figure 6 qui montre une nette diminution de l'amplitude de l'oscillation de pression due au phénomène acoustique, par rapport au diagramme de la figure 5. Pour la mise en oeuvre du procédé, il faut en premier lieu déterminer la fréquence critique de l'installation. Ceci peut être fait expérimentalement en enregistrant la pression ou encore théoriquement en étudiant la propagation du son dans l'installation considérée. Connaissant la fréquence critique et la célérité du son dans la zone en amont des étranglements venturis localisés dans la tour de lavage, on en déduit par une relation bien connue, la longueur d'onde correspondante, et et par suite la distance théorique optimum à laquelle il faut placer l'ostacle stabilisateur. Cet emplacement optimum se situe à un quart de longueur-d'onde en amont des étranglements venturis, c'est-à-dire à un noeud de pression et il nta pas besoin d'être respecté avec une grande précision. L'ostacle stabilisateur est ensuite déterminé par #la perte de charge hydraulique qu'il entraîne lorsque l'installation est traversée par son débit maxium normal (on laisse en général de c#té les pointes exceptionnelles de débit de faible durée). On utilise la règle suivante, valable lorsque ltécoulement est turbulent : la perte de charge hydraulique, exprimée en unité de pression, doit être sensiblement égale, en système d'unités cohérentes, à la moitié du produit de l'impédance a coustique spécifique de la canalisation juste en amont de cet obstacle par de débit la vitesse/du courant gazeux. Ces deux grandeurs sont évaluées juste en amont de l'obstacle stabilisateur et la vitesse de débit est une valeur moyenne pour une section droite de la canalisation.On rappelle que l'impédance acoustique spécifique est égale au produit de la célérité du son par la masse volumique du gaz. La réalisation pratique de l'obstacle sera guidée par les conditions particulières de conception et d'exploitation de l'installation. La figure 1 donne un exemple d'implantation de l'obstacle stabilisateur repéré 4 qui est représenté plus en détail sur la figure 2. Il est constitué d'une grille à barreaux, disposée à la partie supérieure c'est-àdire à l'entrée de la tour de lavage-dépoussiérage 5. De préférence, cette grille est montée du coté amont de la virole 53 de la tour de lavage-dépoussiérage. Cette virole a une forme divergente dans le sensd'écoulement des fumées et elle est logée à la partie supérieure de la tour de lavage-dépoussiérage 5. Les barreaux 41 constituant la grille ont chacun une section droite demi-circulaire, les surfaces convexes demi-cylindriques étant tournées du coté amont par rapport au sens d'écoulement des fumées.Ces barreaux provoquent un rétrécissement progressif de la veine gazeuse à l'entrée de la virole divergente 53, l'élargissement étant au contraire brutal. L'installation représentée par la figure 3 comporte un circuit principal canalisant les fumées émises pendant ltélaboråtion de l'acier, entre le convertisseur et la tour de lavage-dépoussiérage. Ce circuit principal est semblable à celui qui a été décrit en se référant à la figure 1. L'installation comporte par ailleurs un circuit secondaire canalisant, entre le convertisseur 1 et la tour de lavage-dépoussiérage 5, les fumées émises pendant le chargement de la fonte. Ce circuit secondaire comporte un capuchon auxiliaire 31 placé au-dessus de la position inclinée du convertisseur. Ce capuchon 31 est raccordé à une cheminée 32 qui débouche au-dessus d'une cloche d'obturation 71 montée au sommet de la tour de lavage-dépoussiérage humide 5.Parallèlement le circuit principal 21-22-23 se raccorde à la tour de lavage-dépoussiérage 5 à travers un organe 72 d'obturationdu débit. Les deux organes 71 et 72 sont comman- dés de façon opposée : en période normale, la cloche 71 obture le circuit secondaire, pendant que l'organe 72 est au contraire grand ouvert, et lors de l'enfournement la situation inverse est réalisée : ltorgane 72 est fermé mais la cloche 71 est levée, ce qui force alors la totalité du débit aspiré à passer par le circuit secondaire. L'organe 72 est constitué par exemple par un papillon ou par un jeu de ventelles pivotantes ou encore par un registre guillotine. L'organe 72 d'obturation du circuit principal est placé sensiblement un quart de longueur d'onde en amont des étranglements-venturis 51 de la tour de lavage-dépoussiérage 5. D'autre part, la perte de charge introduite par cet organe, lorsqutil est grand ouvert, et que l'installation est parcourue par son débit maximum normal, doit être sensiblement égale à la moitié du produit de l'impédance acoustique spécifique par la vitesse du gaz, ces deux grandeurs étant exprimées dans un système dtunités cohérentes et évaluées juste en amont de l'obstacle. La figure 4 donne le détail de ltimplantation du dispositif 72 d'obturation. A l'intérieur de la canalisation 23 est logée une virole 73 ayant la forme d'un convergent par rapport au sens d'écoulement des fumées.L'organe 72 d'ob du coté de turation, ici un papillon, est monté/la petite base du tronc de cone formé par la virole 73, de.faSon à pouvoir l'obturer complètement dans une position, ou au contraire, n'offrir qutun faible obstacle dans sa position orthogonale. Le diamètre de la partie rétrécie peut êre déterminé par un homme de l'art, compte tenu de la condition de perte de charge indiquée et de la connaissance des caractéristiques aérauliques du papillon. On notera que cette disposition présente l'avantage annexe de permettre l'utilisation d'un papillon de diamètre plus faible que celui de la canalisation 23, d'où une réduction du coût de organe Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du#cadre de l'invention imaginer des variantes et des perfectionnements de détails et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. Un obstacle de stabilisation de type quelconque pourrait être utilisé à condition de provoquer une chute de pression répondant à la définition donnée précédemment et à condition d'être placé sensiblement à un quart de longueur d'onde en amont des étrangements venturis de la tour de lavage-dépoussiérage. REVENDICATIONS 1.- Procédé de stabilisation de l'écoulement gazeux dans une installation de captage et dépoussiérage des fumées, consistant à canaliser les fumées successivement dans le sens de l'écoulement gazeux par une hotte de collecte des fumées raccordée à une canalisation aboutissant à au moins un étranglement qui engendre une perte de charge hydraulique importante intervenant dans le dépoussiérage suivie d'une canalisation d'évacuation équipée d'un ventilateur d'aspiration, caractérisé par le fait qu'il consiste à provoquer, au débit maximum normal de l'installation, une chute de pression sensiblement égale à la moitié du produit de l'impédance acoustique spécifique de la canalisation par la vitesse de débit moyenne du gaz, cette chute de pression étant localisée dans la canalisation en amont dudit étranglement, sensiblement à un quart de longueur d'onde correspondant à la fréquence fondamentale de l'écoule- ment en résonance. 2.- Dispositif de stabilisation de l'écoulement gazeux dans une installation de captage et dépoussiérage comportant successivement, dans le sens de ltécoulement gazeux, une hotte de collecte des fumées raccordée à une canalisation aboutissant à une tour de dépoussiérage équipée d'au moins un étranglement qui engendre une perte de charge hydraulique importante intervenant dans le dépoussièrage suivie d'une canalisation d'évacuation équipée dtun ventilateur d'aspiration, caractérisé par le fait qu'il comporte, en amont de ltétranglement servant au dépoussiérage, un obstacle de stabilisation traversé par le gaz et créant une perte de charge servant à stabiliser l'écoulement. 3.- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'obstacle de stabilisation est constitué par une grille de barreaux demi-cylindriques parallèles dont les surfaces convexes sont tournées du coté amont par rapport au sens de l'écoulement du gaz. 4.- Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que la grille est disposée à l'entrée d'une virole divergente montée dans la tour de dépoussiérage. 5.- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'obstacle de stabilisation est constitué par un organe d'obturation du débit. 6.- Dispositif selon la revendication 5 caractérisé par le fait que ltorgane d'obturation du débit est monté à la sortie d'une virole convergente par rapport au sens d'écoulement des fumées.