Brevet FR2515326A1 — publié le 19830429

Procédé et appareil pour chauffer de l'air de traitement à des fins industrielles La présente invention concerne un procédé et un appareil pour chauffer des gaz de traitement destinés à des processus industriels à une température souhaitée Particulière Du gaz de traitement, en par- ticulier de l'air chauffé, est utilisé en quantités considérables dans de nombreux Processus industriels Les procédés classiques de chauffage de grands voluoes de gaz, mar exemole au moyen d'échangeurs de chaleur, exigent des investissements considérables. Depuis peu de te-ops, l'industrie a de plus en plus fré- quemrent recours à la comrrbustion de combustibles fossiles tels que du charbon, du coke, du gaz naturel, des huiles, etc Du point de vue de l'environnement et du roint de vue teclnique, cette combustion suscite des difficultés Du point de vue de l'environnement, la production de composés sulfureux provoque l'acidification de 1 'atmosphère et des dé- pôts de fuurme et de suie Des difficultés techniques surgissent, car le soufre doit être exclu dans certains nrocessus, Dar exemple divers pro- cessus d'élaboration du fer et de l'acier A ces difficultés s'ajoutent des facteurs de coût peu favorables car les prix des combustibles fos- siles continuent à augmenter sensiblermnt. Divers procédés ont été proposés pour éviter les difficultés Drécitées L'un de ces procédés a été mis au point dans le domaine de l'élaboration de l'acier en vue d'augmenter la température du gaz de soufflage dans un haut fourneau dans le but d'accroître la production et en même temps de réduire la consommation de coke Dans ce procédé connu, on fait passer le gaz de soufflage ocmolètement ou partiellement à travers un plasma produit au moyen d'un arc électrique dans un générateur de plasma de type connu. Les avantages d'un générateur de plasma résident dans son degré d'efficacité élevé, allant presque jusqu'à 90 % et dans le fait qu'une température extrêmement élevée peut être atteinte, habituellement une température de plus de 3000 C. Dans un plasma produit par un générateur de plasma, certains atomes et certaines molécules sont 15326 ionisés et ces particules ionisées sont extrêmement réactives Lorsqu'un plasma produit à partir d'un flux d'air revient à des conditions normales à une tempéra- ture moins élevée, des oxydes d'azote sont toutefois produits en même temps que de l'azote et de l'oxygène. Les oxydes d'azote sont extrêmement toxiques et entrai- nent la formation d'acide nitrique pouvant détruire l'équipement utilisé. Cependant, dans le procédé connu de chauffage de l'air de soufflage pour des hauts fourneaux, la formation d'oxydes d'azote n'a pas été prise en consi- dération, car le plasma produit est insufflé directe- ment dans le haut fourneau dans lequel lés oxydes d'azote sont automatiquement décomposés pendant leur passage à travers la charge du haut fourneau L'utili- sation d'un générateur de plasma pour chauffer des gaz de traitement est donc, jusqu'à présent, limitée sensiblement à des applications concernant les hauts fourneaux. L'invention a pour but d'éliminer les inconvé- nients précités et de réaliser un procédé et un appa- reil qui permettent de chauffer de l'air de traitement sans pollution et sans formation d'oxydes d'azote, comme décrit plus haut, et qui assure également un chauffage moins onéreux qu'un chauffage classique au moyen de combustibles fossiles Ce but est réalisé conformément à l'invention par un procédé caractérisé en ce qu'une première fraction d'un flux d'air est passée à travers un générateur de plasma et est ainsi chauffée à une température élevée Pour éviter la formation d'oxydes d'azote, on ajoute une matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure (par exemple sous la forme de pétrole, d'une suspension de charbon, de gaz naturel ou de poudre de charbon) au plasma contenant l'oxygène et l'azote ionisés en des quantités telles que lorsque la matière a réagi avec le plasma, le rapport CO+H 2/C 02 +H 20 soit d'au moins 0,1 On mélange ensuite immédiatement le plasma chauffé, avec la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure qu'il contient a une deuxième fraction du flux d'air dans des proportions telles qu'une température souhai- tée prédéterminée soit atteinte dans le mélange d'air final. On a constaté d'une manière étonnante que dans les conditions régnant dans le plasma, l'oxygène réagit plus rapidement avec le carbone qu'avec l'azote et que si la matière carbonée est fournie au plasma en une quantité telle que le rapport CO+H 2/CO 2 +H 20 dans le plasma après la réaction atteigne au moins 041, la production d'oxydes d'azote ne porte que sur des quantités négligeables On peut déterminer la quantité de matière carbonée à ajouter en observant les bilans de matières, les volumes d'air a l'entrée et à la sortie ainsi que la température étant connus. L'invention se rapporte également à un appa- reil pour chauffer un gaz de traitement à une tempéra- ture souhaitée prédéterminée, comprenant un générateur de plasma destiné à produire un plasma au moyen d'un arc électrique, une entrée pour un premier flux d'air en vue de former le plasma et une entrée pour le deuxième flux d'air à chauffer par le plasma L'appa- reil est en substance caractérisé par une tuyère disposée dans la zone dans laquel-le le plasma sort du générateur de plasma, des lances destinées à introduire de la matière contenant du carbone et/ou un hydrocar- bure dans le plasma et une zone de réaction disposée immédiatement derrière la tuyère L'entrée pour le deuxième flux d'air à chauffer par le plasma s'ouvre dans la zone de réaction. Le plasma est de préférence mis en rotation dans le générateur de plasma afin de réduire l'usure des électrodes Suivant une forme d'exécution préférée de l'invention, la tuyère est pourvue d'entrées tangen- tielles pour la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure, les entrées étant orientées de façon que la matière carbonée soit entraînée en rotation dans un sens opposé au sens de rotation du plasma Un mélange soigné est ainsi réalisé et les conditions de réaction sont dès lors rendues plus favorables. Pour mieux comprendre l'invention, on se référera à la description suivante d'une forme d'exécu- tion donnée, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig 1 est une vue schématique d'un généra- teur de plasma conforme à l'invention; la Fig 2 est une vue en coupe suivant la ligne Il-II de la Fig 1 illustrant la tuyère refroidie a l'eau; la Fig 3 est une vue schématique d'une installation de pelletisation à grille droite pourvue du dispositif de production d'air chaud conforme à l'invention, et la Fig 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV du dispositif représenté sur la Fig 3. La Fig 1 illustre schématiquement un généra- teur de plasma désigné en 1 Le générateur de plasma 1 est pourvu d'un conduit d'entrée 2 pour une première fraction de flux d'air qui doit être chauffée Ce flux d'air peut être constitué en partie ou complètement par de l'air recyclé utilisé précédemment dans le même processus, par exemple de l'air de refroidissement ou autre Lorsque l'air franchit l'arc électrique produit dans le générateur de plasma, il passe à l'état de plasma et du plasma gazeux est formé Immédiatement après le générateur de plasma, dans le sens de l'écou- lement de l'air, se trouve une tuyère refroidie à l'eau 3 comportant des lances 4 destinées à fournir la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure et éventuellement de l'eau pour empêcher la formation d'oxydes d'azote qui sinon serait inévitable La deuxième fraction de flux d'air est introduite par l'entrée 7, immédiatement après la tuyère, dans le plasma extrêmement chaud L'orifice de l'entrée 7 s'ouvre dans une zone pouvant être qualifiée de zone de mélange ou de réaction 8. La Fig 2 est une vue en coupe transversale suivant la ligne II-II de la Fig 1 de la tuyère destinée à fournir la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure au plasma Comme le montre la flèche plus épaisse 5 du dessin, le plasma tourne Les lances 4 sont disposées en substance tangentiellement, de telle sorte que la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure soit amenée à tourner dans le sens opposé, indiqué par la flèche 6 Un mélange intime de l'additif et du plasma est ainsi obtenu et la formation d'oxydes d'azote peut donc être réduite au minimum, pourvu que des quantités suffisantes de la matière carbonée soient ajoutées Des exemples de matières carbonées adéquates sous ce rapport sont le pétrole, les hydrocarbures, les suspensions de charbon, les poudres de charbon, etc La Fig 3 illustre l'application de l'inven- tion à une installation de pelletisation comportant un four à grille droite L'installation de pelletisation représentée ici est pourvue d'un transporteur sans fin 11 comprenant un grand nombre de chariots 12 reliés les uns aux autres et roulant sur des rails conçus pour transporter des concentrés de minerais de fer agglo- mérés, connus sous le nom de pellets, à travers un four 13 Les pellets sont continuellement amenés aux cha- riots 12 par une table à rouleaux 14 Les chariots traversent successivement deux zones de séchage 15, 16, une zone de préchauffage 17, une zone de frittage 18 avec deux zones de post-frittage 18 a, 18 et deux zones de refroidissement 19, 20 Les surfaces inférieures des chariots 12 sont perméables à l'air et peuvent avoir la forme, par exemple, de grilles ou de réseaux. De l'air provenant d'une autre partie du processus (par exemple de l'air de refroidissement) peut être utilisé comme air de traitement pour l'ins- tallation de pelletisation L'air est fourni par un ventilateur de refroidissement 21 et est tout d'abord refoulé dans les zones de refroidissement 19, 20 Une petite fraction de l'air traverse la dernière zone de refroidissement 20, est refoulée par le ventilateur d'air de séchage 22 dans la première zone de séchage 15 et remonte à travers la couche de pellets contenues dans les chariots, puis est aspirée par un ventilateur aspirant 23 dans une cheminée 24 La fraction majeure restante de l'air aspiré est introduite dans un conduit ou une hotte 25, après quoi elle s'écoule vers le bas par des pipes 25 a, 25 b vers la zone de préchauffage 17 et vers les brûleurs 26 et 27 disposés dans la zone de frittage Un système adéquat peut comprendre quatre paires de brûleurs dans la zone de préchauffage et sept paires de brûleurs dans la zone de frittage. Une faible fraction de l'air de refroidis- sement s'écoule vers le bas a travers les chariots dans la deuxième zone de post-frittage 18 b, de sorte que le processus de frittage est terminé, même dans les couches inférieures des pellets contenus dans les chariots. Un ventilateur de récupération 28 est disposé en dessous des zones de frittage 18 a, 18 b, l'air étant refoulé par ce ventilateur par une conduite 29 vers la 15326 deuxième zone de séchage 16 Après avoir traversé les chariots remplis de pellets, il est ensuite éjecté par la cheminée avec l'air provenant de la zone de frit- tage, par un ventilateur d'évacuation ou d'échappement. Si le procédé conforme à l'invention est appliqué dans une telle installation de pelletisation, six des paires de brûleurs dans la zone de frittage sont de préférence remplacés par des générateurs de plasma conçus conformément aux Fig 1 et 2 pour réa- liser le chauffage nécessaire de l'air sans formation d'oxydes d'azote L'air d'atomisation normalement utilisé pour les brûleurs à mazout est suffisant pour alimenter les générateurs de plasma conformes à l'in- vention Aucune autre modification du processus ou de l'appareil, telle que l'installation de ventilateurs ou de compresseurs supplémentaires, n'est requise Cela étant, si le chauffage de l'air de traitement est effectué dans l'installation de pelletisation de la manière proposée par l'invention, seule l'installation des brûleurs à plasma et de l'équipement électrique qui y est associé est nécessaire. La Fig 4 est une vue en coupe transversale de l'appareil représenté sur la Fig 3 suivant la ligne IV-IV traversant la zone de frittage Elle montre que les chariots 12 comportent des roues 31 roulant sur des rails 32 L'air, chauffé à environ 900 C, s'écoule à partir de la hotte 25 vers le bas par les pipes 25 a et b jusqu'au voisinage des brûleurs 26 et 27 o il est chauffé et pénètre ensuite dans la zone 33 du four pour descendre à travers les chariots remplis de pellets La Fig 4 montre donc un système équipé des générateurs de plasma conformes à l'invention et représentés sur la Fig 1 Le fonctionnement de l'installation ressortira clairement de l'exemple décrit ci-après. Les spécialistes comprendront que la forme d'exécution décrite ici n'est que l'une des nombreuses applications techniques possibles du procédé et de l'appareil nouveaux pour éviter la formation d'oxyde d'azote dans un générateur de plasma. L'invention sera illustrée davantage au moyen de l'exemple suivant avec référence à l'installation de pelletisation représentée schématiquement sur les Fig 3 et 4. EXEMPLE - On suppose que la production dans l'instal- lation de pelletisation est de 420 tonnes de pellets par heure De l'air déjà utilisé dans le processus, a une température d'environ 900 'C, est utilisé comme air d'admission On sait qu'une température de 1 3000 C est requise pour le processus de frittage réel Cependant, les pellets entrants ne doivent pas être soumis à une augmentation de température soudaine allant jusqu'à 1.300 'C L'installation est par conséquent conçue, comme cela ressort de la description détaillée qui précède, pour utiliser un air de séchage à une tempéra- ture d'environ 2500 C dans une première zone de séchage, après quoi la température de l'air est progressivement accrue dans les zones de préchauffage suivantes Des zones de post-frittage sont disposées en aval des zones de frittage E Lles sont nécessaires pour laisser le temps aux pellets du fond de se fritter C'est donc dans la zone de frittage réel que les brûleurs à mazout connus doivent être remplacés par les générateurs de plasma conformes à l'invention. Avec la capacité de production mentionnée plus haut, un apport d'énergie atteignant 39 MW est requis, ce qui correspond à 3,4 tonnes de mazout par heure pour chauffer approximativement 70 000 Nm 3 d'air par heure. Suivant l'invention, le plasma produit dans le brûleur à plasma doit recevoir suffisamment de matière conte- nant du carbone et/ou un hydrocarbure pour empêcher la formation d'oxydes d'azote, le rapport CO+H 2/C 02 +H 20 étant supérieur à 0,1 après la réaction On a constaté que la chaleur fournie provient pour plus de 25 % de la réaction de la matière carbonée et que pour les 75 % restants, de chaleur fournie est d'origine électrique. Le four à transporteur de cet exemple comporte onze paires de brûleurs, sept étant placés dans la zone de frittage Dans cette application de l'invention, six des dernières paires de brûleurs sont de préférence remplacées par six générateurs de plasma raccordés par paires Normalement, l'air d'atomisation déjà introduit pour la combustion du mazout suffit pour alimenter les générateurs de plasma en air La première fraction du flux d'air traversant le générateur de plasma pour produire le plasma ne représente en général qu'environ % de l'air de traitement finalement obtenu qui est utilisé pour le frittage La première fraction de flux d'air peut, de préférence, être à la température ambiante à son entrée dans les générateurs de plasma. Pour assurer le succès du processus dans des installations exigeant des investissements aussi élevés que des installations de pelletisation, il est souhai- table ou même nécessaire que les perfectionnements puissent être apportés moyennant un minimum de modifi- cations de l'équipement existant On atteint ce résul- tat dans le cas présent dans lequel seuls les brûleurs à mazout doivent être remplacés par les générateurs de plasma, auxquels s'ajoutent l'équipement électrique associé et certains accessoires mineurs. Bien que l'énergie nécessaire soit en sub- stance la même avec les brûleurs à plasma et les brûleurs à mazout, l'efficacité du brûleur à plasma est plus élevée que celle du brûleur à mazout Il est plus important encore de noter que l'invention permet de remplacer des combustibles fossiles, dont les prix ont augmenté extrêmement rapidement, par de l'énergie électrique beaucoup moins onéreuse. il R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé pour chauffer de l'air de traite- ment a des fins industrielles à une température prédé- terminée, -caractérisé en ce qu'on fait passer une première fraction du flux d'air à travers un générateur de plasma et on chauffe donc ladite fraction à une température suffisamment élevée pour provoquer l'ioni- sation de l'azote et de l'oxygène dans cette fraction et ainsi former un plasma, on ajoute immédiatement après au plasma, une matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure en une quantité suffisante pour que, lorsque la matière réagit avec le plasma, le rapport CO+H 2/C 02 +H 20 soit au moins de 0,1, évitant ainsi en substance la formation d'oxydes d'azote; et immédia- tement ensuite, on mélange au plasma, avec la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure qu'il contient, une deuxième fraction d'air dans une propor- tion telle que la température prédéterminée soit atteinte dans le mélange d'air final. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait tourner le plasma à sa sortie du générateur de plasma et on injecte la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure dans le plasma, d'une manière telle que la matière soit amenée a tourner dans un sens opposé à celui du plasma. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on introduit la deuxième fraction du flux d'air dans une zone de réaction formée immédia- tement après le point ou la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure est injectée dans le plasma. 4. Appareil pour chauffer de l'air de traite- ment à des fins industrielles à une température prédé- terminée, caractérisé en ce qu'il comprend un généra- teur de plasma pour produire un plasma au moyen d'un arc électrique, le générateur de plasma comportant une entrée pour une première fraction de flux d'air des- tinée à former le plasma, une tuyère-pi'aeëe dans la zone o le plasma sort du générateur de plasma, la tuyère comportant des lances pour admettre de la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure dans le plasma, une zone de réaction disposée immédiatement après la tuyère et une deuxième entrée pour une deuxième fraction de flux d'air à chauffer par le plasma, -la deuxième entrée s'ouvrant dans la zone de réaction. 5. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour faire tourner le plasma à sa sortie du générateur, les sorties des lances étant disposées en substance tangen- tiellement dans la tuyère, de manière à imprimer à la matière contenant du carbone et/ou un hydrocarbure, une rotation dans un sens opposé à celui de la rotation du plasma.