Brevet FR2822940A1 — publié le 20021004

Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un nouveau procédé d'injection d'oxygène dans un four, notamment dans un four vertical. Elle concerne également un nouveau type de lance à oxygène permettant d'injecter de l'oxygène dans un four vertical. L'utilisation de l'enrichissement à l'oxygène des fours verticaux équipés d'une ou de plusieurs tuyères est connue. Ces fours sont utilisés dans différents procédés thermiques, comme, par exemple, dans les procédés de fusion des métaux ou de fusion de matériaux minéraux (notamment en vue de la fabrication de la laine de roche), ou dans les procédés de traitement des déchets. Le document FR-2 702 221 décrit par exemple un procédé d'obtention de métal au haut-fourneau ou au cubilot. Les techniques connues d'injection d'oxygène peuvent être divisées en deux grandes familles : l'injection par les lances (différentes versions en sont connues, par exemple par les documents EP-56 644 ou US-5 346 183) et l'enrichissement global. La différence principale entre ces deux familles est le profil de concentration d'oxygène obtenu à l'entrée du four (ou à la sortie de la tuyère). Ces profils sont obtenus par modélisation de l'injection de la même quantité d'oxygène par lance supersonique et par enrichissement global. Ils sont comparés sur la figure 1, sur laquelle la position 0 correspond à l'axe de la tuyère et la position 0,1 m à sa paroi. Le profil d'oxygène est plat pour l'enrichissement global (courbe 1), alors qu'il présente un pic pour l'enrichissement par la lance (courbe 11). Par ailleurs la concentration d'oxygène est beaucoup plus élevée au centre de la tuyère pour l'enrichissement par lance. Chacune de ces deux techniques présente des avantages. Ainsi, la lance supersonique permet une forte augmentation de la température locale sur le parcours du jet d'oxygène. La production est également fortement augmentée pour un taux de coke consommé réduit. L'enrichissement global résulte en une augmentation moins importante de la température, mais avec un volume concerné plus important que pour la lance supersonique. Cette technique autorise également une réduction de la quantité de consommables utilisés (coke ou éléments d'alliage). Par contre, l'augmentation de production est moins nette qu'avec la première technique. Les différentes techniques connues permettent d'obtenir un profil d'oxygène à la sortie de la tuyère similaire à l'un des deux profils présentés sur la figure 1. De plus, chaque procédé assure une amélioration d'un seul paramètre de fonctionnement du cubilot à la fois. Par exemple, les lances d'injection supersonique d'oxygène peuvent aider à mieux utiliser l'énergie au centre du cubilot. Des brûleurs dans la tuyère apportent de l'énergie additionnelle plutôt vers la périphérie du cubilot. Le recyclage des fumées sert à diminuer le volume de ces dernières. Il se pose le problème d'obtenir un profil de concentration en oxygène différent, notamment un profil qui permette de combiner les avantages des deux technologies connues d'injection d'oxygène. Il se pose également le problème d'obtenir une très haute concentration d'oxygène dans l'axe de la tuyère ou sur un rayon plus étendu autour de l'axe de la tuyère. Exposé de l'invention L'invention propose une solution à ces problèmes. Elle concerne un procédé d'injection d'oxygène dans un four comportant l'injection d'un jet central d'oxygène à une première vitesse ou impulsion, et l'injection d'une gaine périphérique d'oxygène à une deuxième vitesse ou impulsion, inférieure à la première. Ainsi, le jet central d'oxygène est protégé, par la gaine périphérique d'oxygène qui l'enveloppe, de l'atmosphère (essentiellement de l'air) située au-delà de la gaine périphérique. Le jet central d'oxygène entraîne l'oxygène qui se trouve autour, dans la gaine ; la dilution du jet central et la diminution de la concentration d'oxygène dans ce jet central sont donc inférieures à ce qu'elles sont dans le cas d'un jet d'oxygène projeté ou injecté dans un environnement comportant essentiellement de l'air. L'invention concerne donc un procédé d'injection ou de projection d'oxygène, dans lequel deux écoulements coaxiaux d'oxygène à deux vitesses ou impulsions différentes sont injectés ou projetés. Selon cette technique, la concentration en oxygène obtenue selon l'axe central est plus élevée qu'avec la technique antérieure de la lance supersonique. En particulier, cette technique d'injection permet d'obtenir, dans le jet central, une concentration massique en oxygène d'au moins 55 % en sortie d'une tuyère. L'invention concerne donc également un procédé pour injecter un jet d'oxygène dans un four à l'aide d'une tuyère, ledit jet ayant une concentration massique d'oxygène, à la sortie de la tuyère, d'au moins 55 %, le jet étant projeté à une première vitesse et étant gainé par un jet périphérique d'oxygène, projeté à une deuxième vitesse, inférieure à la première. En outre cette technique permet d'obtenir, en sortie de tuyère, à une distance de l'axe de la tuyère égale à 5% du diamètre de la tuyère, ou sur un diamètre qui représente 10% du diamètre de la tuyère, une concentration massique en oxygène d'au moins 50 %. De préférence, la vitesse du jet central est comprise entre 0,5 et 2 fois la vitesse du son (0,5 à 2 Mach). De préférence encore, la vitesse du jet ou de la gaine périphérique est comprise entre 60 et 240 m/s. Selon un autre aspect, l'invention a aussi pour objet un procédé d'injection d'oxygène dans un four à l'aide d'une lance s'étendant suivant une direction, caractérisé en ce que l'oxygène est d'abord émis de manière radiale ou perpendiculaire par rapport à la direction de la lance, puis est dirigé vers le four. L'invention concerne également un procédé d'injection d'oxygène dans un four à l'aide d'une lance située dans une tuyère ayant un axe central, caractérisé en ce que l'oxygène est d'abord émis de manière radiale ou perpendiculaire par rapport à l'axe de la tuyère, puis est dirigé vers le four. Ainsi, on obtient en sortie de lance ou de tuyère un profil de concentration en oxygène nettement plus large qu'avec la technique et la lance supersonique, et avec des concentrations plus élevées que celles obtenues par la technique d'enrichissement global. En particulier, cette technique d'injection permet d'obtenir, dans le jet central, une concentration massique en oxygène d'au moins 35 % en sortie d'une tuyère. L'invention concerne donc également un procédé pour injecter un jet d'oxygène dans un four à l'aide d'une tuyère ayant un axe central, ledit jet ayant une concentration massique d'oxygène, à la sortie de la tuyère, d'au moins 35 %, l'injection ayant lieu d'abord de manière radiale ou perpendiculaire par rapport à l'axe de la tuyère, puis selon l'axe de la tuyère. En outre cette technique permet d'obtenir, en sortie de tuyère, à une distance de l'axe de la tuyère égale à 25% du diamètre de la tuyère, ou sur un diamètre qui représente 50 % du diamètre de la tuyère, une concentration massique en oxygène d'au moins 25 %. L'invention concerne également une lance de projection d'oxygène comportant des moyens pour diriger un jet d'oxygène central suivant une direction de projection et des moyens pour former une gaine d'oxygène périphérique autour du jet central. L'invention concerne également une lance de projection d'oxygène présentant une direction d'extension, comportant des moyens pour diriger un jet d'oxygène suivant une direction radiale ou sensiblement perpendiculaire à la direction de la lance. Elle concerne enfin une tuyère d'injection d'oxygène présentant un axe central, comportant une lance située dans la tuyère, et comportant en outre des moyens pour diriger l'oxygène d'abord suivant une direction radiale ou perpendiculaire par rapport à l'axe de la tuyère, puis selon l'axe de la tuyère. Brève description des figures Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 représente les concentrations d'oxygène à la sortie d'une tuyère, en enrichissement global et avec lance supersonique, - les figures 2 et 3 représentent deux modes de réalisation de lances selon l'invention, - la figure 4 représente des résultats obtenus, d'une part, selon les techniques connues et, d'autre part, avec des lances selon l'invention, - les figures 5 et 6 représentent des profils de vitesse et de concentration obtenus en sortie de tuyère avec une lance selon l'invention, - la figure 7 représente schématiquement une tuyère dans un cubilot. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 2 représente schématiquement une lance 2 selon la présente invention. Elle comporte un conduit central 6 et un conduit périphérique 8. De l'oxygène est injecté dans ces deux conduits par une extrémité de la lance. L'oxygène est par exemple injecté en parallèle dans les deux conduits, par un système d'alimentation commun, puis régulé pour chaque conduit par des moyens de régulation spécifiques à chaque conduit. Ainsi sont produits deux jets d'oxygène, un jet central 10, à une première vitesse, et un jet périphérique 12, à une deuxième vitesse, inférieure à la première. Selon un exemple, la vitesse de chaque jet est régulée par variation de pression. Pour des vitesses de l'ordre de deux fois la vitesse du son, on peut utiliser une régulation par buses convergentesdivergentes. Selon l'invention, les deux jets sont donc injectés de manière à ce que le jet central 10 soit en contact avec, et/ou entraîne, le fluide du jet périphérique 12. La dilution de l'oxygène du jet central 10 est donc moindre que celle d'un jet unique entouré d'air, et ce d'autant plus que la concentration en oxygène du jet périphérique 12 est élevée. De préférence, on choisit un jet périphérique de concentration supérieure à celle du jet central. On peut choisir un jet périphérique de concentration supérieure à 80 %, mais l'effet de gainage et d'entraînement décrit cidessus se produit aussi pour des concentrations inférieures à 80%, par exemple comprises entre 50% et 80%. La figure 3 représente schématiquement un autre type de lance 20 selon la présente invention. Des orifices 22,24, pratiqués dans le corps de la lance permettent une projection d'oxygène perpendiculairement ou de manière sensiblement perpendiculaire à l'axe XX'de la lance 20. L'écoulement d'air 25, qui correspond à l'air s'écoulant dans une tuyère dans laquelle est située la lance 20, permet de former, en sortie de tuyère, un jet d'oxygène. On obtient alors un profil d'injection en oxygène, en sortie de tuyère, plus large que celui obtenu avec la lance de la figure 2. La figure 4 rassemble les profils obtenus par les techniques connues (lance supersonique : courbe Il, enrichissement global : courbe 1) et ceux obtenus par injection avec une lance telle que celle de la figure 2 (courbe III) et avec une lance telle que celle de la figure 3 (courbe IV). Ces différents profils ont été évalués à l'aide de la même modélisation. Il apparaît clairement qu'avec une lance du type de celle de la figure 2, une très haute concentration peut être obtenue dans l'axe de la lance et de la tuyère (courbe lit). Avec une lance du type de celle de la figure 3 une concentration élevée en oxygène peut être obtenue sur un rayon étendu (courbe IV) autour de l'axe de la tuyère. Le profil III, ou l'utilisation de la lance de la figure 2, permet d'obtenir une concentration massique d'oxygène au centre du jet, à la sortie de la tuyère, d'au moins 55 % et d'au moins 50 % sur un diamètre qui représente 10 % du diamètre de la tuyère. Le profil IV, ou l'utilisation de la lance de la figure 3, permet d'obtenir une concentration massique d'oxygène au centre du jet, à la sortie de la tuyère, d'au moins 35 %, et d'au moins 25 % sur un diamètre qui représente 50 % du diamètre de la tuyère. Par rapport au profil Il (lance supersonique), le profil III de la figure 4, grâce à ses valeurs de concentration d'oxygène plus élevées, permet d'obtenir de meilleures performances en termes d'augmentation de la température locale, d'augmentation de la production et de diminution du taux de coke. Le profil de concentration d'oxygène IV de la figure 4 est fondamentalement différent de ceux obtenus par lance supersonique ou par enrichissement global ; il est deux fois plus large que celui obtenu par lance supersonique et la concentration massique d'oxygène obtenue est plus élevée que celle obtenue par enrichissement global (environ 46 % par rapport à environ 26 % au centre). Par rapport à cette dernière technique, l'injection avec une lance du type de celle de la figure 3 permet d'obtenir une forte augmentation de la température dans un volume plus grand, une augmentation de la production plus importante et une forte diminution de la quantité de consommables. De plus, un profil de concentration d'oxygène tel que celui de la courbe IV permet d'obtenir simultanément une diminution du volume des fumées produites par un four vertical et une augmentation de l'énergie utile au centre du four et sur sa périphérie. Le profil de concentration III peut être utilisé en cas de besoin de forte augmentation de production et le profil IV en cas de besoin de forte diminution de la quantité de consommables. Dans le cas de la lance de la figure 2, les vitesses et la fraction molaire d'oxygène obtenus à la sortie d'une tuyère sont portés respectivement en figures 5 et 6. Sur ces figures, l'abscisse représente l'écart par rapport à l'axe de la tuyère, -0,1 et 0,1 correspondant aux parois de la tuyère. Les 5 courbes correspondent à 5 cas dont chacun est défini par un couple de vitesses : vitesse au centre (jet central 10, vitesse en Mach, 1 Mach étant pris égal à 300 mis) et vitesse en périphérie (ou gaine 12, vitesse en mis). Ces différents couples sont rassemblés dans le tableau suivant : Cas Vitesse au centre Vitesse en périphérie (en Ma) (en m/s) A 1 120 B 0, 5 120 C 2 120 D 1 240 E 1 60 Le cas A est celui pour lequel la courbe III de la figure 4 est tracée. Les résultats obtenus montrent que la vitesse optimale au centre se situe à 1 Ma et que sa diminution ou augmentation (par exemple à 0,5 Ma (cas B) ou à 2 Ma (cas C)) a comme conséquence la diminution de la concentration de l'oxygène dans l'axe de la tuyère à sa sortie. Par contre, l'influence de la vitesse en partie périphérique de la lance est plus importante ; la variation de la vitesse entre 60 m/s et 240 mIs résulte en une diminution de la concentration d'oxygène dans l'axe de la tuyère, à sa sortie et par rapport au cas de base (120 m/s), de seulement 5 %. Avantageusement, la vitesse du jet central sera donc comprise entre 0,5 Ma et 2 Ma, tandis que celle du jet périphérique sera comprise entre 60 m/s et 240 m/s. Une tuyère selon l'invention comporte une lance selon l'un ou l'autre des modes de réalisation décrits ci-dessus. La figure 7 représente schématiquement une lance 2,20 dans une tuyère 34 d'un haut-fourneau ou cubilot, un tel haut-fourneau ou cubilot étant décrit par exemple dans le document FR-2 702 221. La paroi et l'axe du cubilot sont désignés respectivement par les références 30 et 32. Un flux ou courant d'air chaud 38 circule dans la tuyère. Les différents profils des figures 5 et 6 sont obtenus à la sortie de la tuyère, désignée par la référence 36. REVENDICATIONS 1. Procédé d'injection d'un jet d'oxygène dans un four à l'aide d'une lance (20) s'étendant suivant une direction (XX'), caractérisé en ce que l'oxygène est d'abord émis de manière radiale ou perpendiculaire par rapport à la direction de la lance, puis est dirigé vers le four. 2. Procédé d'injection d'un jet d'oxygène dans un four à l'aide d'une lance (20) située dans une tuyère (34) ayant un axe central, caractérisé en ce que l'oxygène est d'abord émis de manière radiale ou perpendiculaire par rapport à l'axe de la tuyère, puis est dirigé vers le four. 3. Procédé selon la revendication 2, le jet d'oxygène présentant une concentration massique d'au moins 35 % en sortie (36) de tuyère. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, l'oxygène ayant, en sortie de tuyère, et sur un diamètre autour de l'axe de la tuyère qui représente 50 % du diamètre de la tuyère, une concentration massique en oxygène d'au moins 25 %. 5. Lance de projection d'oxygène, présentant une direction d'extension (XX'), comportant des moyens (22,24) pour diriger un jet d'oxygène suivant une direction radiale ou sensiblement perpendiculaire à la direction de la lance. 6. Tuyère d'injection d'oxygène (34) présentant un axe central, comportant une lance (20) située dans la tuyère, comportant en outre des moyens (22,24) pour diriger l'oxygène d'abord suivant une direction radiale ou perpendiculaire par rapport à l'axe de la tuyère, puis selon l'axe central de la tuyère.