Brevet FR2508929A1 — publié le 19830107

La présente invention est relative a un procédé pour le fonctionnement d'une installation de réchauffeurs de vent, dans laquelle la chaleur sensible contenue dans le gaz de fumée sortant du réchauffeur de vent est transmise, par un système 5 d'échangeur de chaleur chargé d'un agent liquide de transfert de chaleur, en échange de chaleur indirect, à l'air comburant et/ou au gaz de combustion et est mise à profit pour chauffer ces der- niers. Les réchauffeurs de vent appartenant à une installation de hauts-fourneaux sont alternativement parcourus par le vent de haut-fourneau à réchauffer et par les gaz de fumée à haute température qui sont produits dans les cuves de combustion des réchauffeurs de vent Les gaz de fumée sont, dans ce cas, produits par la combustion de combustibles gazeux et/ou liqui- 15 des Pour un fonctionnement économique des hauts-fourneaux, une température du vent de l'ordre de 1 2500 C est normalement néces- saire En conséquence, la température du gaz de fumée utilisé pour le chauffage du réchauffeur de vent doit être plus élevée en correspondance et atteindre, lors de l'entrée dans le garnis- 20 sage du réchauffeur de vent, de l'ordre de 1 4500 C environ Des températures aussi élevées du gaz de fumée peuvent être attein- tes, par exemple, par la combustion d'un mélange gazeux formé de gaz de gueulard et de gaz de cokerie ou de gaz naturel avec de l'air comburant préchauffé Une combinaison des deux méthodes 25 est cependant possible, c'est-à-dire un faible préchauffage des agents de combustion et l'addition simultanée de gaz de cokerie ou de gaz naturel. Etant donné que le vent de haut-fourneau, envoyé al- ternativement avec du gaz de fumée à travers les réchauffeurs de 30 vent, doit, pour des raisons techniques de fonctionnement, être absolument comprimé à des pressions de l'ordre de 4 à 5 bar, il possède déjà, à l'entrée dans les réchauffeurs de vent, une température relativement élevée, par exemple de 1500 C Cela impli- que naturellement que la température finale du gaz de fumée, 35 lorsque ce dernier quitte le réchauffeur de vent, est également encore relativement élevée C'est ainsi que la température fina- le du gaz de fumée, lorsque celui sort du réchauffeur de vent, atteint 2000 C environ au début de la phase de chauffage et 300 'C 2 environ a la fin de cette dernière A l'époque o le coût de l'énergie était relativement bas, le gaz de fumée était évacué par la cheminée à ces températures, du fait qu'en capital les frais de récupération de l'énergie étaient plus élevés que les 5 économies d'énergie que l'on aurait pu ainsi obtenir. Du fait de la forte augmentation des prix de l'éner- gie, cette image s'est toutefois fondamentalement modifiée ces dernières années En conséquence, on utilise de plus en plus aussi bien de nouvelles installations que des installations déjà 10 existantes équipées de dispositifs de récupération de chaleur. Dans les nouvelles installations, ce problème est nor- malement 'résolu par le fait que les gaz de fumée quittant le ré- chauffeur de vent sont envoyés directement par un échangeur de chaleur pour l'air comburant et le gaz combustible dans lequel, 15 par échange de chaleur indirect, ils cèdent leur chaleur sensible à l'air comburant et au gaz combustible s'écoulant en direc- tion de la cuve de combustion du réchauffeur de vent Dans ce cas, il est également connu, avant leur entrée dans ce qu'on ap- pelle les échangeurs de chaleur, de porter les gaz de fumée à 20 des températures assez élevées, dans une chambre de combustion montée en amont, par combustion de gaz à faible pouvoir calori- fique, pour augmenter davantage de la sorte les températures de préchauffage de l'air comburant et du gaz combustible Ce systè- me présente toutefois l'inconvénient qu'aussi bien l'air comburant et le gaz combustible que le gaz de fumée doivent être en- voyés à travers les mêmes échangeurs de chaleur A cause du grand diamètre que doivent avoir dans ce cas les canalisations de gaz, ce système exige d'implanter les échangeurs de chaleur au voisinage immédiat des réchauffeurs de vent, de même qu'il 30 entraîne la mise en place d'une canalisation exactement adaptée à ce système En conséquence, il convient de préférence seule- ment pour les installations nouvelles Lors du réaménagement d'installations anciennes déjà existantes, il nécessite par con- tre la plupart du temps de nombreuses et coûteuses transformations des canalisations et, de plus, les conditions locales de place rendent aussi souvent impossible un tel réaménagement. Spécialement pour le réaménagement d'installations anciennes, on a en conséquence développé un système d'échangeurs 3 de chaleur dans lequel l'échangeur de chaleur pour le gaz de fu- mée et l'échangeur de chaleur pour l'air comburant, ainsi que l'échangeur de chaleur pour le gaz combustible, sont séparés les uns des autres et sont reliés entre eux par un agent liquide ap- 5 proprié de transfert de chaleur qui est mis en circulation Dans ce cas, la chaleur sensible du gaz de fumée sortant du réchauf- feur de vent est d'abord tranmise à l'agent liquide de transfert de chaleur, par exemple un alkyl-biphényle, qui à son tour, dans l'échangeur de chaleur pour l'air comburant et le gaz combusti10 ble, la cède à ces derniers Un système de ce genre convient excellemment pour une implantation après coup dans une installa- tion déjà existante, du fait que les échangeurs de chaleur sont implantés séparément l'un de l'autre dans les tubulures existan- tes ou peuvent être montés en by-pass par rapport à celles-ci et 15 qu'il permet en général d'éviter alors de nombreux travaux de réaménagement des canalisations. La quantité de chaleur contenue dans le gaz de fumée sortant du réchauffeur de vent, ainsi que la température du gaz de fumée, ne permettent, par leur nature, que de préchauffer les 20 agents de combustion jusqu'à une température déterminée, par exemple jusqu'à 1500 C Si toutefois, ce que l'on recherche de plus en plus, on utilise du gaz de gueulard en tant que gaz combustible, ces températures de préchauffage ne suffisent alors plus pour atteindre dans la cuve de combustion la haute tempéra- 25 ture de combustion désirée, de 1 450 *C par exemple Lorsqu'on u- tilise le système précédemmment décrit, on doit donc en général mélanger encore au gaz de gueulard un combustible-de pouvoir ca- lorifique plus élevé tel que, par exemple, du gaz de cokerie ou du gaz naturel ou du fuel-oil pour pouvoir atteindre les tempé- 30 ratures élevées de combustion souhaitées Cela est toutefois in- désirable du fait que le gaz de gueulard, en tant que produit associé à la production de la fonte, est la plupart du temps abondamment disponible et à bon prix, tandis que le combustible de plus grand pouvoir calorifique à ajouter doit, en tant qu'é- 35 nergie étrangère, être acheté en plus, ce qui coute cher, ou être prélevé à une autre possibilité économique d'utilisation, à l'intérieur ou à l'extérieur du complexe sidérurgique. 4 L'invention a en conséquence pour objet de développer un procédé aussi simple que possible pour le fonctionnement d'une installation de réchauffeurs de vent, qui permette dans le gaz combustible la substitution totale des combustibles de haut pou- 5 voir calorifique par des gaz à faible pouvoir calorifique, comme le gaz de gueulard, par exemple Un autre objet de l'invention est de donner à ce procédé une structure telle qu'il permette de résoudre le problème consistant, malgré les grandes différences de température du gaz de fumée au début et à la fin de la phase 10 de chauffage, à obtenir une température de préchauffage aussi uniforme que possible du gaz combustible et/ou de l'air combu- rant En outre, le procédé conforme à l'invention doit pouvoir ê- tre mis en oeuvre dans des installations déjà existantes de ré- chauffeurs de vent, si possible sans grands travaux de transfor- 15 mation ni interruptions du fonctionnement. Le procédé du type indiqué au début et servant à la solution de ce problème est, conformément à l'invention, caractéri- sé par la fait que l'agent de transfert de chaleur, utilisé pour la transmision de chaleur entre l'échangeur de chaleur pour le 20 gaz de fumée et l'échangeur de chaleur pour l'air comburant et/ou le gaz combustible, subit un chauffage complémentaire dans un au- tre échangeur de chaleur chauffé avec des gaz à faible pouvoir calorifique, comme par exemple le gaz de gueulard, ledit agent de transfert de chaleur étant chauffé jusqu'à une température ren- 25 dant possible un préchauffage tel des agents de combustion (air comburant et/ou gaz combustible) qu'il puisse y avoir dans le gaz combustible une substitution complète des combustibles à fort pouvoir calorifique par des gaz à faible pouvoir calorifique. Cela veut dire que le procédé conforme à l'invention 30 permet d'effectuer le chauffage de l'installation de réchauffeurs de vent avec du gaz à faible pouvoir calorifique On envisage à cet effet, comme on l'a déjà exposé, en particulier le gaz de gueulard Toutefois, il est naturellement possible aussi d'utili- ser un autre gaz à faible pouvoir calorifique dans la mesure oh 35 ce pouvoir calorifique n'est pas inférieur à 2 500 k J par mètre cube normal. Dans la mise en oeuvre du procédé conforme à l'inven- 5 tion, il est avantageux, de préférence, de porter l'agent trans- fert de chaleur à une température de 220 à 3000 C. En ce qui concerne l'échangeur de chaleur utilisé pour le chauffage complémentaire de l'agent de transfert de chaleur, 5 il est avantageusement constitué par un four tubulaire chauffé par la combustion d'un courant partiel d'air comburant et de gaz combustible dérivé de la conduite correspondante de l'installation. Il y a lieu de veiller, lors de la mise en circulation 10 de l'agent de transfert de chaleur dans l'échangeur de chaleur pour le gaz de fumée, à ne pas aller au-dessous du point de ro- sée desdits gaz de fumée et de n'envoyer l'agent de transfert de chaleur aux autres échangeurs de chaleur qu'à une température de 100 à 150 C au moins. 15 Il est par ailleurs avantageux de prévoir pour l'agent de transfert de chaleur, dans son circuit, un récipient servant d'accumulateur de chaleur. D'autres caractéristiques et avantages du procédé con- forme à l'invention ressortiront de la description qui va suivre 20 en regard du dessin annexé dont la figure unique représente, schématiquement et simplement à titre d'exemple, un schéma d'é- coulement qui, naturellement, ne montre que les parties de l'ins- tallation absolument indispensables pour expliquer le procédé, les installations annexes et autres du complexe sidérurgique n'é25 tant pas représentées. L'installation de réchauffeurs de vent qui se trouve illustrée sur le schéma est constituée par trois réchauffeurs 1 avec les cuves de combustion 2 afférentes Dans ce cas, il peut s'agir de constructions normales de réchauffeurs de vent telles 30 qu'elles sont généralement usuelles dans la technique Par la conduite 10, on délivre à l'installation environ 67 000 mètres cubes normaux par heure d'air comburant et, par la conduite 11, 100 000 mètres cubes normaux par heure de gaz de gueulard en tant que gaz combustible Dans la conduite 10, on dispose alors 35 l'échangeur de chaleur 5 pour l'air comburant et, dans la condui- te 11, l'échangeur de chaleur 2 pour le gaz combustible Dans ces échangeurs de chaleur, on préchauffe chaque fois l'air comburant 6 et le gaz combustible jusqu'à 2500 C environ Les agents de com- bustion parviennent à cette température, par les conduites de dé- rivation 12 17 dans les cuves de combustion 2 des réchauffeurs de vent 1, dans lesquelles la combustion a lieu Les gaz de-fumée 5 sortant des réchauffeurs de vent 1 à une température de l'ordre de 200 à 300 C O sont soutirés par les conduites 18 à 23 qui débou- chent dans la conduite collectrice 24 de gaz de fumée conduisant à la cheminée 3 Sur le trajet de la conduite collectrice 24 de gaz de fumée est disposé l'échangeur de chaleur 6 pour ledit gaz, 10 échangeur dans lequel les gaz de fumée collectés, soit globale- ment environ 160 000 mètres cubes normaux par heure subissent un refroidissement jusqu'a présenter une température de 150 'C envi- ron Dans le cas des échangeurs de chaleur qui sont représentés sur le dessin, il s'agit de ce que l'on appelle des échangeurs de 15 chaleur à tubes, dans le système tubulaire desquels s'écoule un agent liquide de transfert de chaleur tel que, par exemple, un alkyl-biphényle La chaleur récupérée dans l'échangeur de chaleur 6 pour le gaz de fumée est alors transmise, par l'agent de trans- fert de chaleur et par l'intermédiaire de la conduite 25, au sys- 20 tème tubulaire de l'échangeur de chaleur 4 pour le gaz combusti- ble et au système tubulaire de l'échangeur de chaleur 5 pour l'air comburant En ces endroits, l'agent de transfert de chaleur subit un refroidissement correspondant, tout en assurant simulta- nément le préchauffage des agents de combustion L'agent de 25 transfert de chaleur refroidi est soutiré par la conduite 26 et renvoyé, par la pompe foulante 7, dans le système tubulaire de l'échangeur de chaleur 6 pour le gaz de fumée, échangeur dans le- quel il subit un nouveau chauffage Par suite, le circuit de l'a- gent de transfert de chaleur se trouve fermé. 30 Dans le procédé conforme à l'invention, le chauffage de l'agent de transfert de chaleur et par suite le préchauffage des agents de combustion n'ont toutefois pas lieu de façon incontrô- lée et seulement jusqu'à la valeur que permettent le pouvoir ca- lorifique et la température des gaz de fumée dans l'échangeur 6, 35 qui leur est destiné Le procédé conforme à l'invention prévoit au contraire que l'agent de transfert de chaleur subisse dans la conduite 25, par suite de l'interposition d'un autre échangeur de 7 de chaleur, réalisé dans le cas sous la forme d'un four tubulaire 8, un chauffage complémentaire jusqu'à 300 *C environ L'agent de transfert-de chaleur est envoyé dans ce cas à travers le système de tubes du four tubulaire 8 chauffé quant à lui par combustion 5 d'un courant partiel de l'air comburant et du gaz combustible. Pour délivrer l'air comburant qui est nécessaire à cet effet, ainsi que pour délivrer le gaz combustible nécessaire, sont pré- vues les conduites 27 et 28, qui, dans le cas présent, sont déri- vées derrière l'échangeur de chaleur 5 pour l'air comburant, d'u- 10 ne part, et derrière l'échangeur de chaleur 4 pour le gaz combus- tible, d'autre part, depuis les conduites 10 et 11, respective- ment Cela revient à dire qu'on utilise, dans le cas présent, de l'air comburant préchauffé et du gaz combustible préchauffé Il est cependant également possible de chauffer le four tubulaire 8 15 avec des agents de combustion froids dérivés alors des conduites 10 et 11 en amont des échangeurs de chaleur indiqués Les gaz de fumée qui se forment lors du chauffage du four tubulaire 8 sont soutirés par la conduite 29 conduisant à la cheminée 3 ou envoyés à l'air libre par une cheminée distincte. 20 Pour éviter d'aller au-dessous du point de rosée et em- pêcher par suite des corrosions dans l'échangeur 6 pour les gaz de fumée, il est prévu, entre la conduite 26 et la conduite 25, une conduite by pass 30, de sorte que l'agent de transfert de chaleur peut être mis en circulation dans l'échangeur de chaleur 25 6 pour les gaz de fumée Dans ce cas, l'agent de transfert de chaleur n'est alors soutiré par la conduite 25 que lorsqu'il a atteint une température de 100 *C au moins Le réglage correspon- dant peut être entrepris par le robinet 31 à trois voies. On peut en outre, dans la conduite 25, intercaler le 30 réservoir 9 dans lequel on peut introduire, par la conduite 35, pour la position correspondante des vannes 32 à 34, de l'agent liquide de transfert de chaleur, pour le soutirer ensuite par la conduite 36 A l'aide de l'agent de transfert de-chaleur éventuellement emmagasiné dans le réservoir, il est possible 35 d'obtenir une certaine accumulation de chaleur De ce fait, on peut emmagasiner l'apport calorifique élevé que le gaz de fumée offre à la fin de la phase de chauffage du réchauffeur de vent et 8 2508929 le transférer au début de la phase de chauffage, lorsque l'ap- port calorifique du gaz de fumée est particulièrement minime. Cette uniformisation du transfert de chaleur conduit non seule- ment à une uniformisation du préchauffage des agents de combus- 5 tion, mais agit également favorablement sur le fonctionnement du four tubulaire 8 Etant donné que, dans ce cas, l'agent de trans- fert de chaleur peut être introduit à température relativement constante dans le four tubulaire 8, il n'est pas nécessaire de surdimensionner ce dernier, comme cela serait autrement nécessai- 10 re dans certains cas Naturellement, le réservoir 9 est pourvu, sur sa face externe, d'une isolation thermique Les vannes 37 à 48 servent à l'inversion des réchauffeurs de vent de la phase de chauffage à la phase de préchauffage du vent, et inversement. En résumé, on peut dire qu'en utilisant le procédé con- 15 forme à l'invention, on peut élever suffisamment la température de l'agent de transfert de chaleur et par suite la température de préchauffage des agents de combustion pour qu'il soit possible de renoncer l'utilisation de gaz à pouvoir calorifique élevé ou de fuel-oil pour le chauffage des réchauffeurs de vent 1 Lorsqu'on 20 met en oeuvre le procédé conforme à l'invention, il n'y a pas de modifications notables à apporter aux conduites déjà existantes de gaz, d'air et de gaz de fumée Le four tubulaire 8 peut, sans transformations quelconques et sans interruptions du fonctionne- ment, être adjoint à l'installation déjà existante L'implanta- 25 tion du four tubulaire 8 peut, dans ce cas, avoir éventuellement lieu largement à l'extérieur de l'installation proprement dite de réchauffage du vent. REVENDICATIONS 1 Procédé pour le fonctionnement d'une installation de réchauffeurs de vent, dans laquelle la chaleur sensible conte- nue dans le gaz de fumée sortant du réchauffeur de vent est transmise, par un système d'échangeur de chaleur chargé d'un a- 5 gent liquide de transfert de chaleur, en échange de chaleur indi- rect, à l'air comburant et/ou au gaz de combustion et est mise à profit pour chauffer ces derniers, ledit procédé étant caractéri- sé par le fait que l'agent de transfert de chaleur, utilisé pour la transmission de chaleur entre l'échangeur de chaleur pour le 10 gaz de fumée et l'échangeur pour l'air comburant et/ou le gaz combustible, subit un chauffage complémentaire dans un autre é- changeur de chaleur chauffé avec des gaz a faible pouvoir calori- fique, comme par exemple le gaz de gueulard, ledit agent de transfert de chaleur étant chauffé jusqu'a une température ren- 15 dant possible un préchauffage tel des agents de combustion (air comburant et/ou gaz combustible) qu'il puisse y avoir dans le gaz combustible une substitution complète des combustibles à fort pouvoir calorifique par des gaz à faible pouvoir calorifique. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par 20 le fait que l'agent de transfert de chaleur est, de préférence, porté à une température de 220 à 300 'C. 3 Procédé selon les revendications 1 et 2, caractéri- sé par le fait que l'échangeur de chaleur utilisé pour le chauf- fage complémentaire de l'agent de transfert de chaleur est cons- 25 titué par un four tubulaire chauffé par la combustion d'un courant partiel d'air comburant et de gaz combustible dérivé cha- que fois de la conduite afférente de l'installation. 4.Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé par le fait que l'agent de transfert de chaleur est mis en 30 circulation de telle sorte dans l'échangeur de chaleur pour le gaz de fumée que l'on n'aille pas au-dessous du point de rosée du gaz de fumée et qu'il n'est envoyé aux autres échangeurs de cha- leur qu'à une température de 100 à 1500 C au moins. 5 Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que dans le circuit de l'agent de transfert de chaleur est Incorporé un réservoir servant d'accumulateur de chaleur pour ledit agent de transfert de chaleur.