Brevet FR2602628A1 — publié le 19880212

Procède pour surchauffer en continu de grands volumes de gaz La presente invention concerne un procéde de surchauffage continu de grands volumes de gaz Dans de nombreux procédés industriels, il est nécessaire de surchauffer des gaz a une température elevée, sans modifier la composition chimique du gaz Un exemple d'un procéde de ce type est constitué par la production de fonte dans un haut fourneau De l'air chauffe à 1000-1200'C (air souffle est utilisé dans ce procedé L'air est chauffé par combustion et échange calorique indirecte a travers des briques réfractaires. La temperature maximale qui peut être atteinte par ce procédé est d'environ 1300'C et elle est 10 limitee par des problemes materiels et la temperature d'echappement des gaz de combustion Cette limite s'applique pratiquement à tout chauffage indirecte de gaz par échange calorique. Dans les haut fourneaux par exemple. il serait extrêmement interessant d'augmenter encore la temperature de l'air fourni Une temperature superieure d'air souffle permettrait d'utiliser plus de charbon ou de mazout. à la place du coke plus coûteux, réduisant ainsi les coûts de production Un procede permettant d'augmenter la temperature de l'air souffle consiste a utiliser un générateur de plasma Dans un générateur de plasma. le 20 gaz est chauffe par un arc électrique à des températures extrêmement élevees - 3000 à 10 000'C -,voir brevet US 4 596 019. Le fait de mélanger de l'air souffle chauffe de maniere classique avec de l'air chauffé au plasma dans des proportions appropriées permet d'obtenir des températures d'air soufflé élevées Un des inconvénients de ce procédé consiste en ce que puisque les générateurs de plasma classiques exigent que les gaz a chauffer soient introduits a basse temperature (inferieure a 100'C). de l'énergie électrique va etre utilisée pour chauffer l'air dans l'intervalle de temperature ou un chauffage par combustion aurait ete possible L'air produit dans le procède peut souvent être utilise pour la combustion. ce qui permet de réduire le coût du chauffage par rapport a un chauffage par énergie électrique. En conséquence, la plus grande partie possible de l'energie fournie devrait être obtenue par combustion Toutefois. la methode utilisée jusqu'à present pour surchauffer l'air souffle avec des générateurs de plasma implique la fourniture d'une quantite inutilement elevee d'énergie sous la forme d'électricite. Ceci s'explique par le calcul suivant: Exemple 1000 m3 d'air souffle doivent être chauffés à 1500'C. Un équipement classique, ayant la forme de récuperateurs, donne une température de 1100'C Le mélange avec un gaz chauffe dans un générateur de plasma est suppose produire une température de 1500'C. A 1100'C, l'enthalpie de I m3 d'air est de 0.427 kWh / m3 et à 1500' C. l'enthalpie est de 0,585 kWh/ m3 Ainsi, 158 kWh sont necessaires pour élever la temperature de 1000 md'air de 1100 a 1500'C. Avec un rendement de 85% pour les deux recupérateurs et le gênerateur de plasma. 186 kWh d'électricité doivent être fournis et 502 kWh doivent être apportes par combustion. Etant donne que l'air traversant le generateur de plasma arrive à 20' C. on obtient plutôt ce 20 quisuit: quantite temp. enthalpie rend. énergie neces m3 'C kWh/m3 % kWh recuperateurs 923 1100 0.427 85 464 gaz plasma 77 - 2.5 85 226 1000 1500 0,585 85 690 Le tableau montre que 38 kWh de chauffage au gaz doivent être remplaces par du chauffage électrique et la consommation d'électricité est de 22% superieure a celle dans le cas ou l'electricite seule est utilisee pour elever la temperature du gaz de 1100 à 1500'C Conformément à la présente invention, il s'est avéré possble de surchauffer du gaz chaud par chauffage au plasma, sans les inconvénients mentionnes ci-dessus A cet effet. l'invention propose d'utiliser le procede décrit en introduction, essentiellement par chauffage d'un courant gazeux dans un conduit cylindrique. à l'aide d'un arc électrique généré entre deux electrodes disposes dans le conduit et espacées axialement l'une de l'autre, le gaz etant introduit dans le conduit a une vitesse de 15 - 100 m/s et fourni avec 10 une quantité d'énergie de 0,1 - 0,5 kWh/m3 On constate avec surprise qu'un arc electrique stable est ainsi obtenu, si l'on provoque la rotation du gaz à chauffer dans le conduit avec l'arc. L'invention est encore caracterisee en ce que la temperature initiale du gaz est de 100 - 1300' C, 800 - 1200'C ou 800 - 1100'C; que le gaz est introduit a 15 une vitesse de 20 - 60 m/s et avec un débit de 10 m3/s; que le gaz est chauffé à 1500'C et qu'il est introduit tangentiellement au conduit L'invention sera mieux comprise a l'aide de la description ci-apres. en regard du dessin unique annexé,e. dans lequel la figure représente un dispositif selon l'invention. Le dispositif représenté comprend un conduit I à travers lequel s'écoule le gaz a chauffer. Ce conduit est relie tangentiellement. a travers un ou plusieurs conduits. à un conduit dans lequel sont disposés deux ou plusieurs électrodes 3,4 refroidies à l'eau, ayant par exemple la forme d'anneaux. Les électrodes 3.4 sont reliées à une source de courant 5 et la formation d'un arc 25 est provoquee entre les electrodes 3,4. La combustion de l'arc est obtenue par exemple en utilisant un fil métallique mince pour court-circuiter les électrodes. Le diametre du fil est choisi de façon que le fil fonde lorsque l'intensité du courant dépasse 1500 A. On s'est aperçu que l'intensité du courant devait être superieure a 1000 A pour obtenir un arc stable. La distance entre les électrodes doit être telle qu'une chute de tension appropriée soit obtenue. La chute de tension doit être de 15 - 40 V/cm, suivant l'intensité du courant et le debit gazeux. Des exemples de distances d'électrodes appropriees sont compris entre 0,5 et 2 m. Des distances inferieures a 0.5 m sont bien entendu possibles, mais souvent sans intéret, car elles conduiraient a une tension d'arc relativement faible. D'autre part. si la distance separant les électrodes est superieure à 2 m, l'intensité du courant, les caractéristiques de la source de courant et le debit gazeux doivent être soigneusement ajustés pour assurer un arc stable. La composition du gaz à. chauffer affecte également la stabilite de l'arc. Un arc est nettement moins stable dans l'hydrogène par exemple que dans l'air Les conduits I et 2 sont dimensionnés de façon à obtenir un débit dans le sens longitudinal des conduits d'environ 15 - 40 m/sec, de préférence 20 - 30 m/sec. REVENDICATIONS 1. Procédé pour surchauffer en continue des volumes importants de gaz, caractérisé en ce qu'un courant gazeux est chauffé dans un conduit cylindrique à l'aide d'un arc électrique produit entre deux électrodes disposées dans le conduit et séparées axialement l'une de l'autre, le gaz étant introduit dans 5 le conduit à une vitesse de 15 - 100 m/s et fourni avec une quantité d'énergie de 1,0- 0,5 kWh/m3. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz introduit présente une température initiale de 100 - 1300 C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz introduit 10 présente une température initiale de 800- 1200 C. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz introduit présente une température initiale de 800 - 1100 C. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que le gaz est introduit à une vitesse de 20- 60 m/s. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que le gaz est introduit avec un débit de 10-50 m3/s. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que le gaz est chauffé à 1500 C. & Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en 20 ce que le gaz est introduit tangentiellement dans le conduit.