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Lance d'injection d'un combustible solide pulvérulent dans un four à cuve.
La présente invention porte sur une lance d'injection d'un combustible solide pulvérulent dans un four à cuve.
L'application visée ici est essentiellement, mais pas exclusivement, l'injection de charbon pulvérulent dans un haut fourneau.
On sait que le coût du coke intervient pour une part de plus en plus grande dans le prix de revient de la fonte produite au haut fourneau, notamment en raison du renchérissement des charbons cokéfiables. Depuis plusieurs années, on cherche à remplacer au moins partiellement ce coke par des combustibles auxiliaires, moins chers, que l'on injecte en particulier dans le courant de vent chaud circulant dans les tuyères du haut fourneau. A l'heure actuelle, le charbon pulvérulent est le combustible auxiliaire qui présente le plus grand intérêt économique dans l'optique de son injection au haut fourneau. Cet intérêt est spécialement marqué dans le cas des charbons non cokéfiables.
Conventionnellement, le charbon pulvérulent est injecté dans le courant de vent chaud au moyen d'une lance qui débouche dans la tuyère. Cette lance, appelée aussi canne d'injection, comporte habituellement deux tubes concentriques définissant un passage central, dans le tube intérieur, et un passage périphérique entre le tube intérieur et le tube extérieur. Le passage central sert généralement à l'injection de charbon proprement dite au moyen d'un courant d'azote ou d'air sous pression, tandis que le passage périphérique est habituellement utilisé pour insuffler un gaz oxygéné destiné à favoriser l'inflammation du charbon.
La possibilité d'injecter du charbon pulvérulent dans les hauts fourneaux se heurte cependant actuellement à une limite physique, de l'ordre de 180 kg de charbon par tonne de fonte ; cette limite est notamment due à l'impossibilité d'enflammer et de brûler des quantités plus élevées de charbon dans les conditions actuelles d'injection.
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La présente invention a pour objectif de remédier à cet inconvénient. A cet effet, elle propose une lance d'injection d'un combustible solide pulvérulent dans un four à cuve, grâce à laquelle le combustible solide est plus largement dispersé dans le courant de vent chaud et s'enflamme dès lors plus aisément et plus rapidement.
Conformément à la présente invention, une lance d'injection d'un combustible solide pulvérulent dans une tuyère d'un four à cuve, qui se compose de deux tubes concentriques définissant un passage central dans le tube intérieur et un passage périphérique entre le tube intérieur et le tube extérieur, est caractérisée en ce qu'elle est pourvue, dans la région de son embouchure, de moyens pour disperser le combustible solide pulvérulent dans ladite tuyère.
La lance d'injection de l'invention peut, en principe, véhiculer aussi bien le combustible pulvérulent dans le passage central et un gaz oxygéné dans le passage périphérique que l'inverse. Certaines variantes permettent cependant de mieux disperser le combustible solide pulvérulent s'il est injecté par le tube intérieur que par le tube extérieur, ou inversément.
Habituellement, la lance d'injection est introduite obliquement dans la tuyère. La lance s'étend d'ailleurs de préférence jusqu'à l'axe de la tuyère.
Selon une première forme de réalisation, dans laquelle le combustible pulvérulent est de préférence injecté par le tube intérieur, la lance d'injection est tranchée en biseau à son extrémité de sortie. Lorsque la lance d'injection est mise en place dans la tuyère, sa section de sortie oblique se trouve de préférence dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal de la tuyère et perpendiculaire au plan formé par l'axe de la tuyère et l'axe de la lance d'injection. Par"sensiblement parallèle", il faut entendre que le plan de la section de sortie de la lance peut former, avec l'axe de la tuyère, un angle ne dépassant pas 30 degrés.
L'angle du biseau et l'obliquité de la lance sont de préférence choisis de façon à respecter cette condition.
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De cette manière, les sections de sortie des tubes intérieur et extérieur de la lance d'injection ont une forme elliptique allongée dans le sens de
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l'axe longitudinal de la lance. Dans cette configuration, le jet central de charbon a tendance à éclater latéralement dans le courant de vent chaud qui circule dans la tuyère ; de même, le jet d'oxygène périphérique se détend latéralement et accentue la dispersion du charbon pulvérulent dans le courant de vent chaud.
Suivant une caractéristique particulière, la section de sortie du tube intérieur est aplatie dans le sens perpendiculaire à la direction du grand axe de la section de sortie elliptique et une partie de la section de sortie du passage périphérique est obturée. De préférence, le tube intérieur est aplati de façon à diviser la section de sortie du tube extérieur en deux parties disposées respectivement en amont et en aval du tube intérieur par rapport au sens de circulation du vent chaud dans la tuyère.
Cette disposition a pour effet d'étaler le jet de charbon pulvérisé sortant par le tube intérieur aplati et d'accroître encore sa dispersion sous l'action du jet d'oxygène accéléré par la sortie étranglée du tube extérieur.
Dans une autre forme de réalisation, le tube intérieur est, au moins dans sa portion d'extrémité, appliqué contre la surface intérieure du tube extérieur. Les deux tubes sont fermés à leur extrémité et il est prévu, dans la portion d'extrémité précitée de la lance d'injection, au moins deux ouvertures latérales, constituant des orifices de sortie respectivement pour le tube intérieur et pour le tube extérieur.
Ces ouvertures ont de préférence la forme de fentes longitudinales ; elles sont avantageusement opposées diamétralement l'une à l'autre. Leur longueur peut être différente, la fente du tube extérieur étant généralement plus longue que la fente commune aux deux tubes intérieur et extérieur.
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Bien entendu, chacune de ces ouvertures latérales pourrait être constituée par une série de trous, disposés de manière appropriée, sous la seule condition qu'ils forment les orifices de sortie des tubes respectifs.
En position d'utilisation, c'est-à-dire introduite obliquement dans une tuyère à vent chaud, sensiblement jusqu'à l'axe de celle-ci, la lance d'injection est disposée de telle façon que l'ouverture commune des tubes intérieur et extérieur soit orientée vers l'amont tandis que l'ouverture du tube extérieur est orientée vers l'aval par rapport au sens de circulation du vent chaud dans la tuyère.
Le tube intérieur sert à l'injection du charbon, qui est ainsi introduit transversalement et dispersé dans le courant de vent chaud ; le charbon dispersé est entraîné dans le vent chaud et il entre alors en contact avec l'oxygène injecté par la face aval de la lance.
Dans une seconde forme de réalisation, destinée plus particulièrement à insufffler un gaz oxygéné par le tube intérieur, la lance d'injection comporte, dans ledit tube intérieur, une tige centrale qui se prolonge audelà de la section de sortie de la lance et qui est pourvue, à son extrémité, de moyens de déviation dudit gaz oxygéné. La position de cette tige peut être réglable, notamment en fonction du débit de gaz oxygéné.
Ces moyens de déviation peuvent être constitués par un cône creux, avec des surfaces de guidage, un disque plan perpendiculaire à l'axe de la tuyère ou éventuellement incliné par rapport à celui-ci, ou par tout autre moyen permettant de dévier le gaz oxygéné à travers le jet périphérique de combustible solide pulvérulent.
Il s'est également avéré intéressant de profiler intérieurement l'extrémité du tube intérieur en forme de tuyère de Laval. Cette disposition permet d'augmenter le vitesse de sortie du gaz oxygéné et donc d'accentuer l'effet de dispersion du combustible solide pulvérulent à la sortie de ce tube.
L'invention sera maintenant décrite de manière plus détaillée, en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels la
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Fig. 1 illustre la position d'une lance d'injection conforme à l'inven- tion dans une tuyère de haut fourneau ; la Fig. 2 montre la section de sortie de cette lance, suivant une variante de réalisation ; la Fig. 3 montre la structure de la portion d'extrémité d'une autre variante de réalisation de la lance d'injection suivant l'invention ; et la Fig. 4 représente une lance d'injection pourvue, à sa sortie, de moyens de déviation du gaz oxygéné.
Les figures sont des représentations schématiques, sans échelle particulière, dans lesquelles on n'a pas reproduit les éléments, tels que les moyens de refroidissement, qui ne sont pas nécessaires pour la compréhension de l'invention. Les mêmes éléments sont désignés par les mêmes repères numériques dans toutes les figures.
Dans la Fig. 1, on a représenté une tuyère 1 avec son busillon la, destinés à un haut fourneau non représenté, dans lesquels un courant de vent chaud circule dans le sens des flèches. Une lance d'injection pénètre obliquement dans la tuyère 1 ; elle se compose de deux tubes concentriques, illustrés dans la vue A-A, à savoir un tube intérieur 2, qui définit un passage central, et un tube extérieur 3, qui définit un passage périphérique. Ces deux tubes se prolongent jusqu'à l'axe de la tuyère, où leur extrémité est tranchée en biseau par un plan axial de la tuyère, perpendiculaire au plan formé par l'axe de la tuyère 1 et l'axe de la lance d'injection. Les sections de sortie des tubes 2 et 3 sont ainsi des ellipses ayant des axes communs, comme le montre la vue B-B de la Fig. 1.
Une variante particulière de l'invention est illustrée dans la Fig. 2, où l'on n'a représenté que l'extrémité de sortie de la lance d'injection. Cette Fig. 2 correspond à la vue B-B de la Fig. 1, mais elle montre deux particularités importantes.
Le tube intérieur 2 est, au moins dans sa portion d'extrémité, apalti jusqu'à ce qu'il divise en deux parties la sections de sortie du tube extérieur 3. De plus, une de ces deux parties, à savoir la partie amont, est fermée par une plaque 4.
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Dans cette configuration de la sortie de la lance d'injection, le tube intérieur aplati 2 émet un jet de charbon bien dispersé qui traverse ensuite le jet d'oxygène sortant de la partie libre de la sortie du tube extérieur 3.
La Fig. 3 illustre la variante de réalisation dans laquelle le tube intérieur 2 est appliqué contre la surface intérieure du tube extérieur 3 dans la partie d'extrémité de la lance d'injection.
Une vue en coupe axiale montre que l'extrémité du tube intérieur 2 est déportée pour s'appliquer, sur une longueur L, contre le tube extérieur 3.
L'extrémité de la lance d'injection est fermée par une plaque 5.
Dans la partie de paroi commune de longueur L des tubes intérieur 2 et extérieur 3, il est prévu une ouverture en forme de fente longitudinale 6, qui constitue un orifice de sortie pour le charbon circulant dans le tube intérieur 2. Diamétralement opposée à la fente 6, une seconde ouverture en forme de fente longitudinale 7 est prévue dans la paroi du tube extérieur 3 où elle constitue un orifice de sortie de l'oxygène circulant dans ce tube extérieur.
La vue en coupe A-A montre la position relative des tubes intérieur 2 et extérieur 3, ainsi que des fentes 6 et 7, dans la partie d'extrémité de la lance d'injection.
Dans la Fig. 4, on a représenté une autre variante de la présente lance d'injection, dans laquelle le passage central sert de préférence à l'injection du gaz oxygéné et le passage périphérique à l'injection du charbon pulvérisé. Le tube intérieur 2 est avantageusement profilé intérieurement en tuyère de Laval au voisinage de son extrémité de sortie, comme cela est représenté en trait mixte dans la figure.
Dans le passage central, et de préférence suivant l'axe longitudinal du tube intérieur 2, est disposée une tige 8, munie à son extrémité extérieure d'un dispositif de déviation du gaz oxygéné insufflé par le tube intérieur 2. Dans l'exemple représenté, ce dispositif de déviation est un cône creux 9, dont le profil intérieur est arrondi pour assurer un guidage
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efficace du gaz oxygéné.
Le cône 9 peut être plus ou moins ouvert, éventuellement jusqu'à former un disque plan tout en conservant un profil courbe de raccordement à la tige 8.
Avec une telle lance, le jet central de gaz oxygéné est dévié radialement et fait éclater le courant de charbon pulvérisé sortant du passage périphérique ménagé entre le tube intérieur 2 et le tube extérieur 3.
Pour éviter tout obstacle à la dispersion du charbon pulvérisé, les moyens de déviation tels que le cône creux 9 sont disposés de préférence dans le prolongement du tube intérieur 2.
L'invention n'est pas limitée aux dispositifs particuliers qui viennent d'être décrits et illustrés. Sans sortie du cadre de l'invention, l'homme du métier pourra imaginer d'autres variantes des moyens destinés à répartir le charbon et l'oxygène dans le vent chaud.