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Mémoire descriptif déposé à l'appui de la demande de brevet d'invention pour "Procédé de chauffage d'air de traitement dans des buts indus- triels" formée par : la société dite : SKF Steel Engineering AB PO Box 202 S-813 00 HOFORS, Suède Priorité : le 28 mars 1983, Suède, n 83 01 698-0 Inventeurs : Sven Santén, Ham mrvägen, 21, S-813 00 HOFORS
Göran Mathisson, Hammarvägen, 1, S-813 OO HOFORS
Jan Thrnblom, Borgvagen, 29, S-813 00 HOFORS
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Procédé de chauffage d'air de traitement dans des buts industriels
La présente invention se rapporte à un procédé de chauffage d'air de traitement, à une température pouvant être prédéterminée, dans des buts industriels.
La consommation de gaz de traitement, en particulier de l'air à haute température, est considérable dans de nombreux procédés industriels. Les méthodes conventionnelles de chauffage d'importantes quantités de gaz, comme l'utilisation d'échangeurs de chaleur, nécessitent des investissements trop importants et la combustion de combustibles fossiles comme le charbon, le coke, le gaz naturel, le mazout et autres est par conséquent devenue plus usuelle ces dernières années. Tant d'un point de vue écologique que technique, une telle combustion pose des nroblèmes.
Du point de vue écologique, principalement du fait des impuretés de soufre ainsi libérées, qui ont pour résultat une acidification et des dépôts de fumée et de suie, et du point de vue technique parce que le soufre n'est pas permis dans certains procédés comme divers procédés de fabrication du fer et de l'acier. Il y a également l'aspect prix, car le prix des combustibles fossiles a excessivement augmenté.
Les problèmes ci-dessus ont bien entendu attiré de nombreux experts dans ce domaine. Un certain nombre de méthodes ont également été développées dans la fabrication de l'acier pour augmenter la température du gaz du gueulard dans un haut fourneau avec pour objet l'augmentation de la production et en même temps la réduction de la consommation de coke. Dans cette méthode connue, le gaz du gueulard est totalement ou partiellement conduit à travers un plasma, produit dans un générateur de plasma d'un type connu, à l'aide d'un arc électrique. L'avantage d'un générateur de plasma réside dans son degré élevé d'efficacité, atteignant presque 90 %, et dans le fait que l'on peut obtenir une température extrêmement élevée, habituellement supérieure à 30000C.
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Dans un plasma produit dans un générateur de plasma, un certain nombre d'atomes et de molécules sont ionisés, et ces particules ionisées sont extrêmement réactives. Cependant, quand un écoulement d'air de plasma gazeux passe à des conditions normales à une plus basse température, on obtient des oxydes d'azote ainsi que de l'azote et de l'oxygène. Comme on le sait, les oxydes d'azote sont extrêmement toxiques et provoquent la formation d'acide nitrique qui peut détruire l'équipement de traitement.
Avec la méthode précédemment connue de chauffage de l'air du gueulard pour un haut fourneau, la formation d'oxydes d'azote n'a pas été prise en considération, car le plasma gazeux produit est soufflé directement dans le haut fourneau quand les oxydes d'azote sont automatiquement désintégrés pendant le passage à travers la charge dans le haut fourneau.
La présente invention a pour objet l'élimination des inconvénients ci-dessus mentionnés, en procurant un procédé de chauffage d'air de traitement, sans que l'air de traitement ne soit contaminé et sans la formation cidessus mentionnée d'oxydes d'azote, et qui ait également pour résultat un chauffage à meilleur marché en comparaison à un chauffage conventionnel au moyen de combustibles fossiles.
Cela est obtenu, selon l'invention, avec la méthode décrite dans l'introduction, principalement par le fait qu'un écoulement de gaz ne contenant ni azote libre ni oxygène libre, est forcé à traverser un générateur de plasma et y est chauffé à une haute température et que le plasma gazeux ainsi formé est mélangé à un écoulement d'air de traitementen des proportions telles qu'une température soit atteinte, qui peut être prédéterminée, dans l'écoulement gazeux résultant.
L'écoulement gazeux chauffé dans le générateur de plasma se compose de préférence de vapeur d'eau. De façon assez surprenante, on a trouvé qu'il ne se formait pas d'oxyde d'azote, même dans la zone de mélange lorsque le plasma gazeux chaud produit par la vapeur est mélangé à l'air.
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Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, la vapeur utilisée dans le générateur de plasma est produite, totalement ou partiellement, à l'aide des pertes d'eau de refroidissement du générateur de plasma.
L'invention sera mieux décrite ci-après en se référant aux dessins joints montrant certaines applications de l'invention, à titre d'exemple, sur les dessins :
La Figure 1 montre une vue schématique d'un moyen selon l'invention ;
La Figure 2 montre une vue schématique d'une installation de nodulisation avec une grille de convoyeur pourvue du moyen pour produire l'air chaud proposé selon l'invention ; et
La Figure 3 montre une vue en coupe faite suivant la ligne III-III à travers le moyen selon la Figure 2.
La Figure 1 montre ainsi schématiquement un générateur de plasma désigné en 1. Le générateur de plasma 1 est pourvu d'un conduit d'alimentation 2 d'un écoulement de gaz à chauffer, consistant de préférence en vapeur d'eau.
Lors du passage par l'arc électrique produit dans le générateur de plasma, le gaz atteint l'état de plasma et il se forme un"plasma gazeux". Immédiatement après le générateur de plasma,'en regardant dans la direction de l'écoulement, se trouve une tuyère 3 refroidie à l'eau avec des lances 4 pour l'alimentation en toute matière supplémentaire. Le volume de l'air à chauffer est ajouté au plasma gazeux à température extrêmement élevée, immédiatement après la tuyère, cela étant fait par une entrée 7 conduisant à ce qui peut être appelé une zone de mélange ou de réaction 8.
Les pièces en métal du générateur de plasma sont refroidies à l'eau, et environ 15 % de la puissance d'entrée du générateur de plasma s'échappent sous forme de pertes dans l'eau de refroidissement. En construisant le générateur de plasma de façon à pouvoir élever la pression et la température, l'eau de refroidissement peut être utilisée pour la production de vapeur dans un échangeur de
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chaleur. La pression de la vapeur à faire passer par le générateur de plasma doit de préférence être de 3 à 4 bars, donnant une température d'environ 1200C, et les canaux de refroidissement du générateur de plasma doivent ainsi être construits pour permettre au moins ces conditions, ce qui ne pose aucun problème.
La Figure 2 montre l'utilisation de l'invention dans une installation de nodulisation avec une grille de convoyeur. Dans l'installation de nodulisation montrée ici, une bande de convoyeur sans fin 11 comprenant un grand nombre de chariots 12 reliés ensemble et se déplaçant sur des rails. Les chariots sont destinés au transport des concentrés agglomérés de minerai de fer"granules", à travers un four 13. Les granules sont emmenés continuellement aux chariots 12 par un tamis à rouleaux 14. Les chariots 12 passent par deux zones de séchage 15,16, une zone de préchauffage 17, une zone d'agglomération 18 avec deux zones de post-agglomération 18a, 18b et deux zones de refroidissement 19,20 dans l'ordre mentionné. Les fonds de ces chariots 12 permettent le passage de l'air et peuvent avoir la forme de grilles ou de mailles.
L'air de refroidissement d'une autre partie du procédé peut être utilisé comme air de traitement pour l'installation de nodulisation. L'air est fourni par un ventilateur de refroidissement 21, auquel cas il est d'abord soufflé dans les zones de refroidissement 19,20. Une petite quantité d'air traverse la dernière zone de refroidissement 20, est amenée, par un ventilateur 22 séchant l'air, à la première zone de séchage 15 pour s'écouler, vers le haut, à travers la couche de granules dans les chariots, et à travers un ventilateur d'échappement 23 vers une cheminée 24.
La plus grande partie de l'air attiré est conduite vers le haut, dans un tuyau ou abat-vent 25, et ensuite il redescend à travers des canaux 25a, 25b vers des brûleurs 26,27 agencés dans la zone de préchauffage 17 et la zone d'agglomération 18, respectivement. Une distribution appropriée peut être effectuée par quatre paires de brûleurs
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dans la zone de préchauffage et sept paires de brûleurs dans la zone-d'agglomération.
Une petite quantité de l'air de refroidissement est obligée de descendre à travers les chariots dans la zone de post-agglomération 18b, de façon que le processus d'agglomération soit accompli même dans les couches les plus basses des granules dans les chariots.
Un ventilateur de récupération 28 est agencé endessous des zones d'agglomération 18a, 18b, l'air étant alors amené, par un tuyau 29, à la seconde zone de séchage et ensuite, après passage à travers les chariots remplis de granules, il est soufflé vers l'extérieur à travers la cheminée en même temps que l'air provenant de la zone d'agglomération.
Quand on utilise le procédé selon l'invention dans une telle installation de nodulisation, six des paires de brûleurs dans la zone d'agglomération sont de préférence remplacées par les générateurs de plasma conçus selon la Figure 1. Le chauffage nécessaire de l'air est ainsi obtenu sans formation d'oxydes d'azote.
Le volume de l'air d'atomisation normalement utilisé pour les brûleurs à mazout est suffisant pour une utilisation dans les générateurs de plasma selon l'invention.
Aucune autre conversion du procédé, comme une installation de ventilateurs compresseurs supplémentaires n'est par conséquent requise si l'air de traitement pour l'installation de nodulisation est chauffé à la façon proposée selon l'invention. La seule chose requise est l'installation des brûleurs à plasma selon l'invention, avec leur équipement électrique et accessoires, ainsi que la connexion à une source de vapeur d'eau ou autre gaz.
La Figure 3 montre une vue en coupe transversale faite à travers le moyen de la Figure 2, suivant la ligne III-III à travers la zone d'agglomération. On peut voir ici que les chariots 12 se déplacent, par des roues 31, sur des rails 32. L'air chauffé à 900 C descend de l'abat-vent 25, par les canaux 25a et 25b jusqu'à la région des brûleurs
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où il est chauffé, il entre dans la zone du four 33 et descend à travers les chariots remplis de granules. La Figure 3 montre l'agencement utilisant le générateur de plasma selon la Figure 1. La fonction de l'installation deviendra plus claire en se référant à l'exemple décrit ci-après.
Il faut observer que l'application de l'invention décrite ici représente seulement l'une des nombreuses applications techniques que l'on peut réaliser grâce au fait que le problème de la formation des oxydes d'azote a été résolu de façon satisfaisante.
L'invention sera mieux illustrée par un exemple en se référant à l'installation de nodulisation montrée schématiquement sur les Figures 2 et 3.
EXEMPLE
La production de l'installation de nodulisation est supposée être de 420 tonnes de granules/heure. L'air utilisé précédemment dans le procédé, ayant une température d'environ
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900 C, est utilisé initialement. Comme on le sait, il faut une température d'environ 1300 C pour le procédé réel d'agglomération. Cependant, les granules qui entrent peuvent ne pas être soumis à une augmentation brusque de la température jusqu'à 1300 C. Le moyen est ainsi conçu, comme cela est clair par la description détaillée qui précède, afin d'utiliser de l'air de séchage à une température d'environ 250 C dans une première zone de séchage, la température de l'air étant graduellement accrue dans des zones de pré- chauffage.
Des zones de post-chauffage sont agencées après la zone d'agglomération, donc même les granules les plus bas 1 ont le temps de s'agglomérer. C'est donc dans la zone réelle d'agglomération qu'il faut remplacer les brûleurs à mazout précédents par les générateurs de plasma proposés selon l'invention.
La puissance nécessaire pour la capacité de production mentionnée est de 39 MW, correspondant à 3,4 tonnes de mazout/heure pour chauffer environ 70.000 Nm3 air/ heure.
L'installation du four à convoyeur dans l'exemple
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a onze paires de brûleurs, sept d'entre eux dans la zone d'agglomération. Dans cette application de l'invention, les six dernières paires de brûleurs sont de préférence remplacées par six générateurs de plasma connectés par paires.
Le volume de gaz traversant les générateurs de plasma pour produire le plasma gazeux ne constitue généralement qu'environ 10 % du volume de l'air de traitement finalement utilisé pour l'agglomération. La température de départ de cet écoulement gazeux n'est par conséquent pas critique.
Une condition pour un développement réussi du traitement dans des installations nécessitant de si importantes sommes d'investissement comme installation de nodulisation réside évidemment dans le fait que toute amélioration peut être obtenue avec l'interruption minimum de l'équipement existant. Cette condition est remplie dans le cas présent où les unités formant brûleurs à mazout ont seulement à être remplacées par des générateurs de plasma avec un équipement électrique pour l'alimentation en courant et certains accessoires mineurs.
L'énergie requise pour les générateurs de plasma et les brûleurs à mazout est sensiblement équivalente. Cependant, l'efficacité des brûleurs à plasma est plus importante que celle des brûleurs à mazout. Cependant, le facteur important est le suivant : le combustible fossile dont le prix augmente extrêmement rapidement, peut, selon l'invention, être remplacé par l'électricité qui est considérablement moins chère.
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Descriptive memorandum filed in support of the invention patent application for "Process air heating process for industrial purposes" formed by: the company known as: SKF Steel Engineering AB PO Box 202 S-813 00 HOFORS, Sweden Priority: March 28, 1983, Sweden, n 83 01 698-0 Inventors: Sven Santén, Ham mrvägen, 21, S-813 00 HOFORS
Göran Mathisson, Hammarvägen, 1, S-813 OO HOFORS
Jan Thrnblom, Borgvagen, 29, S-813 00 HOFORS
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Process air heating process for industrial purposes
The present invention relates to a process air heating process, at a temperature which can be predetermined, for industrial purposes.
The consumption of process gases, particularly high temperature air, is considerable in many industrial processes. Conventional methods of heating large quantities of gas, such as the use of heat exchangers, require too much investment and the combustion of fossil fuels such as coal, coke, natural gas, fuel oil and others is by therefore become more common in recent years. Both from an ecological and technical point of view, such combustion poses nroblems.
From an ecological point of view, mainly due to the sulfur impurities thus released, which result in acidification and deposits of smoke and soot, and from a technical point of view because sulfur is not allowed in certain processes such as various iron and steel manufacturing processes. There is also the price aspect, because the price of fossil fuels has increased excessively.
The above problems have of course attracted many experts in this field. A number of methods have also been developed in the manufacture of steel to increase the temperature of the gas in the blast furnace in a blast furnace with the aim of increasing production and at the same time reducing the consumption of coke. In this known method, the gas from the mouth is wholly or partially conducted through a plasma, produced in a plasma generator of a known type, using an electric arc. The advantage of a plasma generator lies in its high degree of efficiency, reaching almost 90%, and in the fact that one can obtain an extremely high temperature, usually above 30000C.
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In a plasma produced in a plasma generator, a number of atoms and molecules are ionized, and these ionized particles are extremely reactive. However, when a flow of gaseous plasma air changes to normal conditions at a lower temperature, nitrogen oxides are obtained as well as nitrogen and oxygen. As is known, nitrogen oxides are extremely toxic and cause the formation of nitric acid which can destroy processing equipment.
With the previously known method of heating the blast furnace air for a blast furnace, the formation of nitrogen oxides was not taken into account, since the gaseous plasma produced is blown directly into the blast furnace when the oxides nitrogen are automatically disintegrated during the passage through the charge in the blast furnace.
The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks, by providing a process air heating process, without the process air being contaminated and without the above mentioned formation of nitrogen oxides. , and which also results in cheaper heating compared to conventional heating using fossil fuels.
This is obtained, according to the invention, with the method described in the introduction, mainly by the fact that a gas flow containing neither free nitrogen nor free oxygen, is forced to pass through a plasma generator and is heated therein to at a high temperature and that the gas plasma thus formed is mixed with a flow of process air in proportions such that a temperature is reached, which can be predetermined, in the resulting gas flow.
The heated gas flow in the plasma generator preferably consists of water vapor. Surprisingly, it has been found that nitrogen oxide does not form, even in the mixing zone when the hot gas plasma produced by the vapor is mixed with air.
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According to another preferred embodiment of the invention, the steam used in the plasma generator is produced, totally or partially, using the losses of cooling water from the plasma generator.
The invention will be better described below with reference to the accompanying drawings showing certain applications of the invention, by way of example, in the drawings:
Figure 1 shows a schematic view of a means according to the invention;
Figure 2 shows a schematic view of a nodulization installation with a conveyor grid provided with the means for producing the hot air proposed according to the invention; and
Figure 3 shows a sectional view taken along line III-III through the means according to Figure 2.
Figure 1 schematically shows a plasma generator designated at 1. The plasma generator 1 is provided with a supply duct 2 for a flow of gas to be heated, preferably consisting of water vapor.
When passing through the electric arc produced in the plasma generator, the gas reaches the plasma state and a "gaseous plasma" is formed. Immediately after the plasma generator, looking in the direction of flow, is a water-cooled nozzle 3 with nozzles 4 for feeding any additional material. The volume of air to be heated is added to the gas plasma at an extremely high temperature, immediately after the nozzle, this being done by an inlet 7 leading to what can be called a mixing or reaction zone 8.
The metal parts of the plasma generator are cooled with water, and about 15% of the input power of the plasma generator escapes as losses in the cooling water. By building the plasma generator so that it can raise pressure and temperature, the cooling water can be used for the production of steam in a heat exchanger.
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heat. The pressure of the vapor to be passed through the plasma generator should preferably be 3 to 4 bars, giving a temperature of about 1200C, and the cooling channels of the plasma generator should thus be constructed to allow at least these conditions , which is no problem.
Figure 2 shows the use of the invention in a nodulization installation with a conveyor grid. In the nodulization installation shown here, an endless conveyor belt 11 comprising a large number of carriages 12 connected together and moving on rails. The carriages are intended for the transport of agglomerated iron ore concentrates "granules", through an oven 13. The granules are continuously conveyed to the carriages 12 by a roller screen. The carriages 12 pass through two drying zones 15,16 , a preheating zone 17, an agglomeration zone 18 with two post-agglomeration zones 18a, 18b and two cooling zones 19,20 in the order mentioned. The bottoms of these carriages 12 allow the passage of air and may have the form of grids or meshes.
Cooling air from another part of the process can be used as process air for the nodulization plant. The air is supplied by a cooling fan 21, in which case it is first blown into the cooling zones 19,20. A small quantity of air passes through the last cooling zone 20, is brought, by a ventilator 22 drying the air, to the first drying zone 15 to flow, upwards, through the layer of granules in the trolleys, and through an exhaust fan 23 to a chimney 24.
Most of the attracted air is led upwards, in a pipe or windshield 25, and then it descends through channels 25a, 25b towards the burners 26,27 arranged in the preheating zone 17 and the agglomeration area 18, respectively. Proper distribution can be made by four pairs of burners
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in the preheating zone and seven pairs of burners in the agglomeration zone.
A small amount of the cooling air is forced to descend through the carriages into the post-agglomeration area 18b, so that the agglomeration process is accomplished even in the lowest layers of the granules in the carriages.
A recovery fan 28 is arranged below the agglomeration zones 18a, 18b, the air then being supplied, by a pipe 29, to the second drying zone and then, after passing through the carriages filled with granules, it is blown outward through the chimney along with air from the built-up area.
When the method according to the invention is used in such a nodulization installation, six of the pairs of burners in the agglomeration zone are preferably replaced by the plasma generators designed according to Figure 1. The necessary heating of the air is thus obtained without formation of nitrogen oxides.
The volume of atomizing air normally used for oil burners is sufficient for use in the plasma generators according to the invention.
No other process conversion, such as an installation of additional compressor fans is therefore required if the treatment air for the nodulization installation is heated in the manner proposed according to the invention. The only thing required is the installation of the plasma burners according to the invention, with their electrical equipment and accessories, as well as the connection to a source of steam or other gas.
Figure 3 shows a cross-sectional view made through the means of Figure 2, along line III-III through the agglomeration area. We can see here that the carriages 12 move, by wheels 31, on rails 32. The air heated to 900 C descends from the windshield 25, through the channels 25a and 25b to the region of the burners
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where it is heated, it enters the zone of the oven 33 and descends through the carriages filled with granules. Figure 3 shows the arrangement using the plasma generator according to Figure 1. The function of the installation will become clearer with reference to the example described below.
It should be noted that the application of the invention described here represents only one of the many technical applications that can be achieved thanks to the fact that the problem of the formation of nitrogen oxides has been satisfactorily resolved.
The invention will be better illustrated by an example with reference to the nodulization installation shown diagrammatically in FIGS. 2 and 3.
EXAMPLE
The production of the nodulization plant is assumed to be 420 tonnes of pellets / hour. The air previously used in the process, having a temperature of about
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900 C, is used initially. As is known, a temperature of about 1300 ° C. is required for the actual agglomeration process. However, the granules which enter may not be subjected to a sudden increase in temperature up to 1300 C. The means is thus designed, as is clear from the detailed description above, in order to use air from drying at a temperature of around 250 ° C. in a first drying zone, the air temperature being gradually increased in preheating zones.
Post-heating zones are arranged after the agglomeration zone, so even the lowest granules 1 have time to agglomerate. It is therefore in the actual agglomeration zone that the preceding oil burners must be replaced by the plasma generators proposed according to the invention.
The power required for the production capacity mentioned is 39 MW, corresponding to 3.4 tonnes of fuel oil / hour to heat around 70,000 Nm3 air / hour.
The installation of the conveyor oven in the example
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has eleven pairs of burners, seven of them in the built-up area. In this application of the invention, the last six pairs of burners are preferably replaced by six plasma generators connected in pairs.
The volume of gas passing through the plasma generators to produce the gaseous plasma generally constitutes only about 10% of the volume of the treatment air finally used for the agglomeration. The starting temperature of this gas flow is therefore not critical.
A condition for a successful development of the treatment in installations requiring such large sums of investment as an nodulization installation obviously lies in the fact that any improvement can be obtained with the minimum interruption of the existing equipment. This condition is fulfilled in the present case where the oil burner units only have to be replaced by plasma generators with electrical equipment for the power supply and certain minor accessories.
The energy required for plasma generators and oil burners is roughly equivalent. However, the efficiency of plasma burners is greater than that of oil burners. However, the important factor is as follows: fossil fuel, the price of which is increasing extremely rapidly, can, according to the invention, be replaced by electricity which is considerably cheaper.