Brevet FR2511136A1 — publié le 19830211

L'invention se rapporte à un procédé de conduite d'une installation de haut fourneau pour le traitement de transformation de minerais, notamment de minerais de fer, cette installation comportant un haut fourneau sous contre- pression, des moyens d'épuration du gaz de gueulard, éventuel- lement une installation de récupération d'énergie incluant une turbine à expansion, et un ensemble de réglage de la contre-pression, lequel présente une vanne de réglage de la pression du gaz au gueulard du haut fourneau sous contre- pression, une régulation de la contre-pression, étant effec- tuée avec un dispositif de mesure de la valeur réelle de la pression, un régulateur et un dispositif actionneur position- nant la vanne de réglage,certaines opérations effectuées pendant la marche du haut fourneau (par exemple chargement, changement de réchauffeur du vent, et analogues) provoquant ±àdes instants prédéterminés des pertubations du régime stationnaire ayant pour conséquence des variations du débit de gaz de gueulard Comme on le sait, des considérations d'ordre métallurgique ont depuis peu conduit à opérer, pour la transformation des minerais, avec une pression de gaz accrue dans le haut fourneau, donc avec une plus forte contre-pression au gueulard L'accroissement de pression a des répercussions favorables sur les processus rhéologiques dans le haut fourneau En outre, l'accroissement de pression augmente le temps de séjour des gaz dans le haut fourneau et exerce une influence sur le contexte thermodynamique et sur la cinétique de réaction Par ailleurs, la protec- tion de l'environnement impose de ne pas renoncer aux dispositions visant à l'épuration du gaz de gueulard De plus, pour économiser l'énergie, on s'efforce en général de récupérer son énergie Cette récupération s'effectue à l'aide de turbines à expansion qui entraînent des générateurs d'électricité, des compresseurs, etc La marche-en contre- pression selon les impératifs métallurgiques et physiques, l'épuration des gaz et, éventuellement, la récupération d'énergie, impliquent des impératifs complexes qui, jusqu'à présent, n'ont pas fait l'objet d'une synthèse d'optimalisa- tion suffisante Les mesures et dispositions connues ne sont 251 1136 satisfaisantes quren marche stationnaire La "marche station- naire't est une marche dans laquelle tous les paramètres de fonctionnement peuvent être considérés comme suffisamment constants au cours du temps En fait, les paramètres de marche changent, notamment lors des chargements et des changements de réchauffeur de vent (cowper), ainsi que lors des changements de taux d'apport des combustibles additionnels, des changements de traitement, etc Il en résulte qu'en pratique la marche n'est pas stationnaire Des recherches ont montré que, selon la structure globale de l'installation de haut fourneau, et selon les conditions particulières de la marche, il pouvait y avoir des fluctuations de 15 à 60 % du débit de gaz au gueulard lors des changements de paramètres de marche. Dans le cadre des mesures connues dans la pra- tique, la pression de gaz au gueulard du haut fourneau est maintenue constante Les pertubations mentionnées sont ac- ceptées et ne sont pas supprimées par la régulation La régu- lation de la pression du gaz de gueulard, et par conséquent de la contrepression au gueulard du haut-fourneau, s'effectue par comparaison classique entre valeur réelle et valeur de consigne, et l'intervention réglante s'effectue en fonction des écarts révélés par cette comparaison Dans la plupart des cas, des composants de l'installation d'épuration du gaz de gueulard et/ou des composants de l'installation de récu- pération d'énergie peuvent être considérés comme opérant en tant que vannes de régulation de pression si l'on tient compte aussi des problèmes particuliers de l'épuration du gaz de gueulard ou de la récupération d'énergie. L'invention a pour but de parvenir à un procédé avec lequel les pertubations de la marche stationnaire envisagées plus haut pourront être compensées en quasi-totalité en opé- rant par une technique de régulation, de façon que l'épuration du gaz de gueulard et la récupération d'énergie auront lieu sans altération fonctionnelle par de telles perturbations. En outre, ce procédé devra influencer favorablement le proces- sus métallurgique. Pour atteindre ce but, l'invention préconise que l'on associe abxrites opérations (chargement, changement de réchauffeur d'air, etc) des signaux de commande que l'on envoie à la régulation de la contre-pressîon et que pendant les temps de pertubation, les variations du débit de gaz soient compensées par la régulation de la contre-pression opérant en fonction de ces signaux de commande. L'invention tire parti du fait que les pertu- bations mentionnées, notamment les chargements ainsi que les changements de réchauffeur de vent, sont amorcées par des opérations non passives (dues à des interventions actives) à partir desquelles on peut obtenir sans problème des signaux exploitables en tant que signaux de commande aux fins de parvenir aux résultats visés par l'invention Le procédé selon l'invention utilise de tels signaux pour appliquer avant l'écart de pression dû aux perturbations une gran- deur supplémentaire à la régulation existante de la contre- pression Cette grandeur provoque, à l'intérieur de limites prédéterminées de l'écart de réglage de la pression, un ac- croissement de la contre-pression s'il y a augmentation du débit de gaz, et une diminution de la contre-pression s'il y a diminution du débit de gaz Cette grandeur doit être choisie de façon qu'une régularisation du flux de gaz de gueulard soit atteinte par compression ou par détente du gaz de gueulard Une uniformisation peut en outre être atteinte par l'utilisation d'un régulateur du flux de passage du gaz. L'intervention de ce régulateur est déterminée par les valeurs limites préétablies de l'écart de réglage de la régulation de contre-pression En détail, partant de cette conception de base, l'invention préconise que, selon qu'il y a une augmen- tation ou une diminution du débit de gaz de gueulard, la valeur de consigne de la contre-pression soit respectivement augmentée ou diminuée, le flux de gaz passant dans le haut fourneau étant régularisé par compression ou détente du gaz dans le haut fourneau Un réglage supplémentaire du débit peut être obtenu en appliquant à la régulation de contre- pression la variation du débit de gaz de gueulard, quantité par unité de temps, c'est-à-dire en appliquant la grandeur d F/dt (F désignant le débit de gaz de gueulard, considéré en tant que source de grandeur de réglage supplémentaire), pour éliminer par régulation les perturbations. La description qui va suivre, en regard des des- sins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente le schéma d'une installa- tion de haut fourneau accompagnée de moyens pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 2 est un graphique expliquant le procédé selon l'invention dans le cas d'une pertubation à l'occasion d'un chargement. La figure 3 est un graphique expliquant le pro- cédé selon l'invention dans le cas d'une perturbation à l'oc- casion d'un changement de cowper (réchauffeur d'air). L'installation de haut fourneau représentée sur la figure l opère avec un haut fourneau i à contre-pression. Cette installation possède des moyens 2 d'épuration du gaz de gueulard et une installation 3 de récupération d'énergie, cette installation 3 comportant une turbine à expansion 4. L'installation de haut fourneau comporte un ensemble 5 de réglage de la contre-pression, lequel comporte une vanne ou valve 6 de réglage de pression afin de régler la pression du gaz présent au gueulard 7 du haut fourneau l fonctionnant en contre-pression Cet ensemble 5 comporte aussi une régulation de la contre-pression, dont les moyens sont un dispositif 8 de mesure de la'valeur effective (valeur "réelle") de la pres- sion, un régulateur 9 et un dispositif actionneur 10 posi- tionnant la:;vanne 6 de réglage de pression Certaines opéra- tions effectuées pendant la marche du haut fourneau, telles que par exemple, chargement, changement de réchauffeur d'air (cowper), et des opérations analogues, provoquent à des instants prédéterminés des perturbations du régime station- naire Il en résulte des perturbations du débit de gaz de gueulard du haut fourneau C'est de ces perturbations que l'invention s'occupe, comme expliqué plus en détail dans ce qui suit. Les moyens 2 d'épuration du gaz de gueulard sont constitués, dans le présent exemple, par un dépoussiéreur à sec 11 et une tour de lavage 12 avec laveur 13 à interstice ou passage annulaire L'installation 3 de récupération d'é- nergie comporte une turbine à expansion 4 entraînant un géné- rateur 14 A cette turbine 4 sont associées une conduite d'admission 15, une conduite de sortie 16 et la ou les con- duites de contournement (by pass) 17 habituelles pour comman- der cette turbine 4. L'ensemble 5 de réglage de la contre-pression comporte une boucle ou circuit de régulation 18 dessinée en trait fort Cette boucle de régulation 18 inclut le laveur 13 en tant que vanne 6 permettant de régler la pression du gaz au gueulard 7 du haut fourneau 1 à contre-pression Le dispo- sitif 8 de mesure de la valeur effective de la pression se trouve sur et dans la conduite de gaz 19 du gueulard 7 du haut fourneau La valeur de 2 onsigre est donnée en 20 au régulateur 9, et le moteur effecteur ou actionneur 21 modifie le positionnement du corps ou obturateur intérieur 22 du laveur 13 à passage annulaire En outre, une boucle ou circuit de régulation 23, dessinée en trait ondulé, permet de réguler la pression différentielle sous laquelle le laveur 13 opère en tant que laveur à pression différentielle En tireté, et en trait mixte, on a indiqué la présence de boucles ou cir- cuits de régulation 24, 25, afin de montrer que la régulation de la pression au gueulard 7 du haut fourneau à contre-pression peut aussi être effectuée via la turbine à expansion, 4, ou encore par l'intermédiaire d'autres parties ou modules de l'ins- tallation 3 de récupération d'énergie Jusqu'ici, il s'agit de dispositions connues. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'inven- tion, il est prévu des modules supplémentaires 26, 27 On va d'abord considérer le modale 26: avec lui, s'il y accroisse- ment du débit de gaz de gueulard, la valeur de consigne de la contre-pression est augmentée tandis que, s'il y a diminu- tion du débit de gaz du haut fourneau, cette valeur de consi- gne de la contre-pression est diminuée, et le flux de gaz passant dans le haut fourneau est uniformisé respectivement par compression ou par détente du gaz dans le haut fourneau 1. Le groupe ou module 26 produit, via une ligne 28, une compen- sation de perturbations Par une ligne 29, le module 26 re- çoit des signaux de commande qui sont eux-mêm Wes associés aux opérations liées à l'exploitation du haut fourneau Le groupe 26 a pour effet que, grâce à la régulation de la contre- pression en fonction de ces signaux de commande, les varia- tions du débit de gaz pendant la durée des perturbations sont compensées aussi complètement que 4 rossible Il y a en outre le module ou groupe 27 Celuic Evia les lignes 30, 31, 32, de façon que les variations du débit de gaz de gueulard ou quantité de gaz par unité de temps, c'est-à-dire la grandeur d F/dt, soient appliquées à la régulation de contre-pression afin d'éliminer par régulation les perturbations Cette grandeur est mesurée à l'aide d'un débitmètre 33 La lettre F est utilisée pour désigner le débit de gaz en tant que source de grandeur de commande ou de référence supplémentaire. Le graphique de la figure 2 illustre des condi- tions relatives à des perturbations déclenchées par un char- gement Sur ce graphique, les abcisses correspondent au temps, t Le débit de gaz de gueulard, V, et la pression P sont por- tés en ordonnées La double flèche,&t indique la plage de temps correspondant au chargement Il va de soi que, pendant le chargement, le débit du vent n'est pas changé, puisque les soufflantes continuent à fonctionner. Le graphique de la figure 3 illustre les condi- tions relatives à des perturbations déclenchées par un change- ment de réchauffeur de vent (cowper) Ici, c'est le débit de vent froid qui varie, même si les soufflantes continuent à opérer en régime constant, car les cowpers sont l'objet d'un remplissage Là encore, le temps t correspond aux abcisses, tandis que les ordonnées correspondent au débit V de gaz du gueulard et à la pression P Le temps nécessaire au remplis- sage du réchauffeur de vent est représenté par la double flècheà t. Lors du chargement, l'accroissement de la hauteur de la colonne de matières de la charge et le compactage de cette charge du fait de l'impact sur la zone de fusion provo- quent un accroissement de la résistance à l'écoulement du gaz. La fourniture de vent reste quasiment constante car les souf- 2511 136 fiantes, sont régulées pour une allure constante. Avec la régulation qui est aujourd'hui habituelle pour les hauts fourneaux (maintien de la constance de la pres- sion au gueulard), chaque chargement donne lieu à une chute rapide du débit de gaz. Avec la régulation selon l'invention (illustrée par le graphique selon la figure 2), on provoque, un peu avant de commencer un chargement, une augmentation déterminée de la valeur de consigne de la contre-pression (voir domaine Bl sur la figure 2) Il en résulte la formation d'un certain potentiel de réserve avant le chargement. Au moment o le chargement commence, la variation de la quantité de gaz par unité de temps (c'est-à-dire la dérivée d F/dt) est appliquée, en tant que signal de réglage. Le résultat avantageux est qu'en plus de la ré- gularisation ("lissage") du débit de gaz due à l'accumulation préalable, l'effondrement du débit de gaz auquel il y a lieu de s'attendre avec la régulation habituelle est notablement atténué A titre de comparaison, l'effondrement du débit de gaz et la chute de pression, habituels dans l'art antérieur, sont représentés en trait interrompu sur les figures 2 et 3. Lors du changement de cowper, il se produit une chute du débit de vent Les répercussions du changement de préchauffeur de vent sur la marche du haut fourneau sont sen- siblement plus faibles que celles survenant lors du chargement. C'est pourquoi, pour la régulation de compensation des pertur- bations en cause, on utilise seulement le signal de la varia- tion du débit de gaz du haut fourneau par unité de temps c'est-à-dire la dérivée d F/dt L'avantage, par rapport à la régulation de pression habituellement pratiquée, est que les perturbations sont décelées plus tôt et que la sensibilité est meilleure, le résultat étant que les chutes de pression et de débit du gaz sont moindres (voir figure 3). Les avantages obtenus sont notables Pour obtenir du gaz de gueulard épuré à 5 mg/Nm 3 il faut débit abso- lument constant de ce gaz une pression différentielle AP= 2000 mm de hauteur d'eau Avec les conditions très fluctuantes que l'on rencontre avec la régulation de haut fourneau telle qu'habituellement partiquée, des écarts de valeur de consigne, atteignant 300 mm de hauteur d'eau, apparaissent aux laveurs 13 sous pression différentielle, car les dispositifs de la- vage 13 à passage annulaire même ceux connus comme rapides - ne permettent pas le rattrapage spontané, par régulation, des perturbations Toutefois, pour être assuré de toujours obtenir à coup sur la valeur garantie, 5 mg/Nm 3, il faut une valeur de consigne de pression différentielle de 2300 mm d'eau. Avec la régulation de contre-pression selon l'invention, les fluctuations du débit de gaz sont, par contre, "lissées", c'est-à-dire atténuées, à un point tel qu'il suffit d'une valeur de consigne de 2 100 mm d'eau pour la pression différentielle. Il en résulte que, si l'on utilise une ou des turbines à expansion 4 pour la détente du gaz de gueulard du haut fourneau, on peut disposer, pour une telle turbine à expansion 4, d'un gaz ayant une pression d'admission qui est de 200 mm d'eau plus élevée Le gain de puissance que l'on peut ainsi obtenir est de l'ordre de 1 %. Le procédé de l'invention aboutit à un accrois- sement de puissance de la turbine à expansion 4 La caracté- ristique de débit traversant d'une turbine à expansion 4 prend une allure équivalant à celle d'une conduite tubulaire, c'est- à-dire que, pour une température d'entrée constante et une contrepression ou pression de sortie constante, il y a pour une pression déterminée à ltentrée un seul débit ou flux traversant. Si le débit de gaz offert excède le débit nominal d'étude de la turbine, l'excédent de débit doit alors être dérivé, avant la turbine, en le faisant passer par une dévia- tion (conduite de by-pass) 17, et il est perdu pour la pro- duction d'énergie. Si le débit de gaz offert est inférieur au débit nominal,-il faut alors prendre des mesures appropriées pour l'adapter à la caractéristique de la turbine 4. Pour cela, deux possibilités: a) On étrangle la pression en amont de la machine, jusqu'à 2511 136 ce que la pression d'entrée et le débit de gaz soient adaptés à la caractéristique de la turbine (régulation par étrangle- ment). b) On diminue les sections d'écoulement de la turbine 4, jusqu'à ce que la pression d'entrée et le débit de gaz soient aup e: adaptés (régulation des/directrices, régulation de groupes de tuyères). Ces deux types d'intervention, ainsi que l'éjec- tion sans utilisation d'une quantité partielle de gaz (si l'offre de gaz est trop abondante) conduisent à des pertes, ainsi que la régulation dans le cas d'une offre de gaz insuf- fisante. Avec une turbine à expansion 4 ayant une puis- sance nominale d'environ 9 MW (débit nominal de gaz: 360 000 Nm 3/h, pression nominale 3,0 bar à l'admission, 1,1 bar à la sortie), on obtient en régulant selon l'invention un accroissement de puissance moyenne disponible qui est de 2,8 % dans le cas d'une régulation des aubes directrices et de 4,5 % dans le cas d'une régulation par étranglement, ces valeurs d'accroissement étant exprimées par rapport à ce que l'on obtient avec la régulation de pression habituellement prati- quée dans l'art antérieur. Enfin, on obtient une amélioration des conditions dans le haut fourneau à contre-pression 1 L'atténuation des fluctuations de débit du gaz conduit à une régularisation du flux de gaz traversant la colonne de matières en fusion, avec ce résultat que le gaz est mieux utilisé qu'avant pour la ré- duction, ce qui permet une économie de coke réducteur La diminution de la quantité de coke est de l'ordre de 0,5 %. REVENDICATIONS 1 Procédé de conduite d'une installation de haut fourneau pour le traitement de transformation de minerais, notamment de minerais de fer, cette installation comportant un haut fourneau ( 1) sous contre-pression, des moyens ( 2) d'épuration du gaz de gueulard, éventuellement une installa- tion ( 3) de récupération d'énergie incluant une turbine à expansion ( 4), et un ensemble ( 5) de réglage de la contre- pression, lequel présente une vanne ( 6) de réglage de la pres- sion du gaz au gueulard du haut fourneau sous contre-pression, une régulation de la contre-pression étant effectuée avec un dispositif ( 8) de mesure de la valeur réelle de la pression, un régulateur ( 9) et un dispositif actionneur ( 10) position- nant la vanne de réglage ( 6), certaines opérations effectuées pendant la marche du haut-fourneau (par exemple chargement, changement de réchauffeur du vent, et analogues) provoquant à desinstants prédéterminés des perturbations du régime stationnaire ayant pour conséquence des variations du débit de gaz de gueulard, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on associe auxdites opérations des signaux de commande que l'on envoie à la régulation de la contre-pression, et par le fait que, pendant les temps de perturbation, les variations du débit de gaz sont compensées par la régulation de la contre- pression opérant en fonction de ces signaux de commande. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que, selon qu'il y a un accroissement ou une diminution du débit de gaz de gueulard, la valeur de consigne de la contre-pression est respectivement augmentée ou diminuée, le flux de gaz passant dans le haut fourneau étant régularisé par compression ou détente du gaz dans le haut-fourneau. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la variation du débit de gaz de gueulard (c'est-à-dire la grandeur d F/dt) est appliquée à la régulation de contre-pression pour éliminer, par régulation, les perturbations. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, dans lequel les perturbations sont dé- clenchées par un chargement, caractérisé par le fait que les signaux de commande sont envoyés, avec un intervalle de temps prédéterminé précédant le début du chargement, à la régulation de la contre-pression, la valeur de consigne de l'ensemble de réglage de la contre-pression étant ainsi augmentée. 5 Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les perturbations sont déclenchées par un changement de réchauffeur du vent, caractérisé par le fait que seule la variation du débit de gaz de gueulard (c'est-à-dire la gran- deur d F/dt_) est appliquée pour éliminer par régulation - les perturbations.