Brevet FR2893122A1 — publié le 20070511

Procédé d'injection supersonique d'oxygène dans un four La présente invention concerne un procédé d'injection supersonique d'oxygène dans un four de fusion notamment un four vertical, dans lequel on charge les matières premières telles que coke et ferraille, par le haut et dans lequel la combustion des matériaux combustibles est réalisée par injection d'air, généralement préchauffé, qui vient réagir avec le coke, la combustion ayant été initiée à l'aide de brûleurs de préchauffage. Ces fours sont notamment des fours de type cubilot qui comportent un anneau torique placé à la base du cubilot dans lequel on injecte le vent préchauffé par échange thermique avec les gaz de combustion, au travers d'une multitude de tuyères reliées à cet anneau torique. Pour améliorer le fonctionnement des fours de type cubilot, ou augmenter leur production, il est connu d'injecter de l'oxygène au moyen de lances supersoniques placées au centre de chaque tuyère. Un des avantages de cette technologie est la pénétration de l'oxygène au centre du cubilot grâce à la forte vitesse d'injection de l'oxygène. Cependant, en cas de faible débit d'oxygène, la pression de l'oxygène dans les lances diminue, il en résulte une diminution de la vitesse de l'oxygène injecté dans le cubilot, (vitesse qui devient subsonique), la pénétration de l'oxygène au centre du cubilot étant alors moindre qu'à fort débit d'oxygène (avec une pression amont de l'ordre de 8 à 10x105 Pascal dans le cas du cubilot). Pour obtenir une forte vitesse d'oxygène, les lances sont généralement dimensionnées pour une pression de service de 9 x105 pascal environ (en amont du dispositif convergeant/divergeant, constituant la buse d'injection supersonique placée à l'extrémité de la lance). Cependant cette pression n'est obtenue qu'au débit nominal de l'installation : elle n'est que de 4,5x105 pascal pour un fonctionnement à 60 % du nominal. Pour remédier à ce problème, il a déjà été proposé de faire fonctionner toutes les lances de manière alternative soit en alternant les régimes marche et arrêt , soit en alternant un débit faible avec un débit fort . Dans ces deux cas, le débit maximum est obtenu à la pression de service des lances. On limite ainsi le fonctionnement des lances à basse pression qui conduit à une faible vitesse d'injection de l'oxygène. Ces techniques connues présentent cependant les inconvénients suivants . -complexité de la mise en oeuvre (prix de l'installation) - fiabilité des électrovannes soumises à un nombre très important de cycles d'ouverture / fermeture - connaissance du débit moyen consommé difficile à établir, ce qui ne facilite pas la comparaison de ces techniques par rapport à un débit stable - réglage non continu du débit global, mais par palier de débit Une alternative consiste à faire fonctionner un nombre croissant de lances, en fonction du débit afin de maintenir la pression la plus stable possible dans les lances. On évite ainsi les basses pressions de fonctionnement lorsque le débit d'oxygène est faible. Cependant, il existe en général une dissymétrie d'injection d'oxygène, préjudiciable au bon fonctionnement du cubilot. Dans tous les cas, les solutions décrites ci-dessus 5 nécessitent en outre l'implantation d'un automatisme complémentaire. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent d'éviter ces inconvénients. Le procédé de l'invention est 10 caractérisé en ce que l'oxygène total nécessaire au fonctionnement du four est injecté à l'aide de deux circuits distincts : - un premier circuit comprenant au moins une buse 15 d'injection supersonique d'oxygène ; - un second circuit comprenant des moyens d'injection complémentaire d'oxygène, le second circuit étant connecté au premier circuit par des moyens sensibles à la pression, tels qu'un déverseur (ou plus 20 généralement des moyens régulateurs de pression amont), de manière à obtenir une pression d'oxygène stable dans le premier circuit dès que le débit maximum de celui-ci est atteint. 25 Dans le premier circuit, on dispose à l'intérieur de chaque tuyère une lance supersonique dont le dimensionnement est prévu pour un fonctionnement à la pression optimum donnant la vitesse maximum d'oxygène (soit 9 bars relatif pour une vitesse de mach 2,1 environ), cette pression étant atteinte 30 pour une fraction du débit maximum total. Dans le second circuit, l'oxygène complémentaire pour atteindre le débit total est injecté. Ce second circuit injectera l'oxygène dans le cubilot par un second point d'injection, différent du point d'injection des lances supersoniques. La vitesse d'injection sur ce second circuit sera moindre, mais le temps d'utilisation de ce second circuit sera faible comparé au temps d'utilisation du premier circuit. De préférence, ce second circuit sera directement alimenté par un piquage sur le premier circuit au moyen d'un déverseur (ou un régulateur de pression disposé en amont de la buse supersonique). Ainsi la pression dans le premier circuit sera stable dès que le débit maximum du premier circuit sera atteint. De préférence, le premier circuit est dimensionné de manière à obtenir une vitesse d'injection supersonique de l'oxygène dès qu'une fraction du débit total maximum d'oxygène, par exemple 60 % en volume, est atteinte. Selon une variante de réalisation, le procédé de l'invention est caractérisé en ce que l'oxygène du deuxième circuit est injecté dans le vent du cubilot ou concentriquement autour du jet d'oxygène supersonique, ou directement dans au moins une des tuyères d'injection du vent, de préférence à une vitesse subsonique. L'invention concerne également un appareil de mise en oeuvre de ce procédé, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection d'oxygène ayant un débit maximum, un premier circuit comportant au moins une buse d'injection supersonique d'oxygène, un second circuit d'injection complémentaire d'oxygène, les premier et second circuits étant connectés aux moyens d'injection d'oxygène, des moyens sensibles à la pression, tel qu'un déverseur (ou régulateur de pression amont), étant interposés entre les 5 2893122 moyens d'injection d'oxygène du premier circuit et du second circuit. De préférence également, le premier circuit comporte une pluralité de groupes d'au moins une lance d'injection de comburant, chaque 5 groupe de lance étant activé successivement afin de maintenir une injection supersonique de comburant dans le premier circuit lors de l'augmentation de débit de comburant du premier circuit. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de 10 réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent - La figure 1, un schéma d'un cubilot et de son système d'alimentation en comburant (vent chaud) selon l'art antérieur. 15 - La figure 2 un schéma de principe d'injection de comburant selon l'invention. - La figure 3, les courbes de débit du comburant dans les différents circuits. - La figure 4,.un exemple de réalisation de la figure 2. 20 - La figure 5, une vue en coupe schématique d'une buse d'injection de comburant et son système d'injection d'oxygène supersonique La figure 6, les courbes de débit de comburant dans un système multi-lances fonctionnant par palier. 25 La figure 1 représente un schéma d'un cubilot 1 selon l'art antérieur. Les matières métalliques 5, le coke 4, etc.. sont introduits par l'ouverture 2 ((mcouches successives) située au sommet de ce cubilot. A proximité du sommet 2 se trouve un circuit de récupération 3 des gaz chauds. 30 La boite à vent 6 est alimentée en 7 en air préchauffé au contact de fumées issues de 3, le vent étant distribué par l'intermédiaire des canalisations, telles que 18 à une pluralité de buses telles que 8 et 9 à la partie basse du haut fourneau. Le métal fondu est récupéré en 11, puis 12, alors que le laitier est récupéré en 10. La figure 2 représente un schéma de principe du système selon l'invention. Le débit total d'oxygène 21 est régulé par les moyens de régulation de débit 22, de manière à obtenir un enrichissement de X % en oxygène (vol.) du vent chaud du cubilot. Le premier circuit (26) correspond au circuit d'injection supersonique d'oxygène. Le deuxième circuit(27) correspond au circuit de débit complémentaire d'oxygène à basse vitesse En aval du point 28, on retrouve le premier circuit 26 d'injection d'oxygène 24 : le circuit 1 est alimenté en oxygène, la pression de 9 x105 pascal maximum est atteinte avec un débit maximum Q1 en fonction du diamètre des buses supersoniques placées à l'extrémité des lances. (Q1 = débit de chaque lance x nb de lances). On retrouve également le deuxième circuit 27 connecté au point commun 28 par un déverseur 23 (réglé par exemple pour une pression amont de 9 bar) et une canalisation 25. Ce deuxième circuit permet de compléter le débit d'oxygène nécessaire au fonctionnement du cubilot au-delà du débit Q1. 25 Dans l'exemple de la figure 2, le circuit 26 réalise l'injection de comburant par lances supersoniques. Le dimensionnement est prévu pour un fonctionnement à la pression optimum donnant la vitesse maximum d'oxygène (soit 9 bars relatifs pour une vitesse de mach 2,1 environ). 30 La figure 3 illustre la répartition des débits entre le premier circuit (supersonique) et le second circuit (complément) ainsi que l'évolution de la pression dans les lances supersoniques. La pression de 9 bars est atteinte20 dès que l'on atteint le débit de 360 Nm/h (débit déterminé par le choix de la taille de l'injecteur supersonique). Le four de type cubilot à vent chaud travaille à l'optimum lorsque la production et les paramètres de marche sont stables. Ainsi la consommation d'oxygène est généralement stabilisée. Le débit d'oxygène peut être augmenté de manière temporaire 10 lors du redémarrage ou lors d'une augmentation ponctuelle de production, généralement pour des durées assez courtes. Avec le système des lances supersoniques à fonctionnement continu, les lances sont dimensionnées pour le débit 15 maximum. Dans le cas général du fonctionnement stabilisé, la vitesse de l'oxygène est beaucoup plus faible qu'espéré avec le système supersonique. (Dans l'ensemble du texte, sauf cas particulier, le terme oxygène désigne un comburant en général, c'est à dire habituellement un gaz contenant 20 d'au moins 21 % vol. d'oxygène jusqu'à 100 % d'oxygène pur). Dans le système selon l'invention, la vitesse de l'oxygène injecté est supersonique dès qu'une fraction significative 25 du débit est atteinte (par exemple 60 % du débit maximum). Au delà de ce débit, le complément d'oxygène est détourné vers le second circuit d'injection, ce second circuit n'étant utilisé que de manière transitoire : le fait d'avoir une plus faible vitesse donc une efficacité moindre 30 de cette fraction du débit d'oxygène devient secondaire face à l'avantage d'injecter en permanence 60 % (cas de marche exceptionnelle) ou 90 à 100 % (cas de marche normal) du débit d'oxygène utilisé à très haute vitesse. Cette solution présente l'avantage d'une mise en oeuvre simple et d'une transparence totale pour l'opérateur qui peut toujours régler le débit total d'oxygène de manière continue. De plus, aucun automatisme supplémentaire n'est introduit. La courbe 30 représente le débit d'oxygène dans le premier circuit sous forme d'injection supersonique. Ce débit 10 plafonne vers 350Nm3/h correspondant à la pression maximale atteinte dans 21, soit environ 9 x105 pascal (courbe 31 en bar avec 1 bar environ égal à 105 pascal). L'augmentation de débit (courbe 32) de débit est alors réalisée via le circuit 2 (27). 15 On définit ainsi sur la figure 3 une zone de fonctionnement normal 33 (injection supersonique d'oxygène via 26) et une zone de fonctionnement exceptionnelle correspondant au démarrage de l'installation, à une forte production 20 transitoire, etc... via les circuits 26 et 27. La figure 4 décrit un exemple de mise en oeuvre du schéma de principe de la figure 2. 25 Le comburant passe successivement à travers un filtre 40, un débitmètre 41, une vanne de sécurité 42, une vanne proportionnelle 43 dont la sortie est reliée au point 47 où se séparent les canalisations 45 du premier circuit (26) et 46 du deuxième circuit (27) qui alimente le déverseur 44. 30 La figure 5 est une vue en coupe de la buse d'injection 8, modifiée selon l'invention.5 La canalisation d'oxygène 16 traverse la veine de vent chaud venant de 14 pour se terminer à proximité de l'extrémité de la tuyère 15 par une buse d'injection supersonique 17 (convergent/divergent). La figure 6 illustre la répartition du débit entre le premier circuit 26 et le second circuit 27, dans le cas où le premier circuit 26 est composé de trois groupes de lances avec ouverture successive des groupes par palier de débit. Afin d'augmenter la flexibilité de la technique, on utilise n groupes de lances (par exemple trois groupes de lances) s'ouvrant les unes après les autres comme expliqué ci- après. Au delà du débit maximum du premier groupe de lances, le fonctionnement des lances (circuit 1) en service sera toujours supersonique. Le circuit 2 réalise l'injection de comburant en dilution dans le vent du débit complémentaire A (différence entre le débit total A+B et le débit des lances en services B). La vitesse d'injection du comburant de ce second circuit est moindre, mais la fraction de débit de ce second circuit est faible (15 % en moyenne). Le circuit 2 est directement alimenté par un piquage sur le circuit 1 au moyen d'un déverseur. Ainsi la pression dans le circuit 1 est stable dès que le débit maximum du premier groupe de lances est atteint. Dans l'exemple de la figure 6, les différentes zones numérotées de 1 à 4 correspondent au fonctionnement suivant .30 - Fonctionnement non supersonique (débit inférieur à 500 Nm/h) : o zone 1 : premier groupe de lances et débit nul dans circuit 2. - Fonctionnement supersonique (débit entre 500 et 1100 Nm3/h) . o zone 2 : premier groupe de lances courbe 60 (palier) plus débit dans circuit 2 (rampe 61 sur la figure) ce qui au total donne le débit A + B de la figure 6. o zone 3 : le premier et le deuxième groupes de lances du circuit 1 fonctionnent auxquels on ajoute un débit sous forme de rampe (61) dans le circuit 1. Lorsque dans la zone 3 le débit constant du circuit 1 (60) et croissant du circuit 2 (61) ont atteint 900Nm3/h, alors le troisième groupe de lance supersonique est activé, le débit du circuit 2 repasse à zéro et on se trouve alors dans la zone 4. o zone 4 : les trois groupes de lances du circuit 1 sont activés avec un débit croissant dans le circuit 2. (Les courbes 64 et 63 (ou C et D) représentent le débit d'air du vent enrichi respectivement à 3 % et 2 % vol. d'oxygène). 25 Le débit d'air correspondant à un enrichissement de 2 % (courbe D) et de 3 % (courbe C) est donné sur la figure 6. Un enrichissement de 3 % permet de diminuer le taux de coke. Par rapport au fonctionnement selon l'art antérieur, 30 le débit d'air est réduit de 10 à 15 %, cette baisse étant compensée par le débit supplémentaire d'oxygène et la diminution du débit de coke. 15 20 Revendications 1 - Procédé d'injection supersonique d'un comburant et notamment d'oxygène dans un four, notamment de type cubilot, caractérisé en ce que l'oxygène total nécessaire au fonctionnement du four est injecté à l'aide d'au moins deux circuits distincts : - un premier circuit(26) comprenant au moins une tuyère d'injection supersonique d'oxygène ; - un second circuit(27) comprenant des moyens d'injection complémentaire d'oxygène, le second circuit étant connecté au premier circuit par des moyens sensibles à la pression, tels qu'un régulateur de pression amont, de manière à obtenir une pression d'oxygène stable dans le premier circuit dès que le débit maximum de celui-ci est atteint. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier circuit est dimensionné de manière à obtenir une vitesse d'injection supersonique de l'oxygène dès qu'une fraction du débit total maximum d'oxygène, par exemple 60 % en volume, est atteinte. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'oxygène du deuxième circuit est injecté dans le vent du cubilot ou concentriquement autour du jet d'oxygène supersonique ou directement dans au moins une des tuyères d'injection du vent, de préférence à une vitesse subsonique. 4 - Appareil de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection de comburant, notamment d'oxygène ayant un débit maximum, un premier circuit comportant au moins une buse d'injection supersonique d'oxygène, un second circuit d'injection complémentaire d'oxygène, les premier et second circuits étant connectés aux moyens d'injection d'oxygène, des moyens sensibles à la pression, tels qu'un déverseur ou un régulateur de pression amont, étant interposés entre les moyens d'injection d'oxygène du premier circuit et du second circuit. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en le premier circuit comporte une pluralité de groupes d'au moins une lance d'injection de comburant, chaque groupe de lance étant activé successivement afin de maintenir une injection supersonique de comburant dans le premier circuit lors de l'augmentation de débit de comburant du premier circuit.