FR2663685A1 - Procede pour recuperer l'energie du gaz provenant d'un haut-fourneau, et installation de haut-fourneau pour la realisation de ce procede. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé pour récupérer l'énergie du gaz, provenant d'un haut-fourneau (21), le gaz de haut-fourneau étant à cet effet détendu, après un dépoussiérage grossier et/ou fin (10), dans une turbine de détente (12), qui peut être couplée à un générateur de courant (11), pour être ensuite injecté dans un réseau de gaz de haut-fourneau (13), en vue d'une utilisation ultérieure. Une partie du gaz de haut-fourneau dépoussiéré est déviée, avant sa détente dans la turbine, est éventuellement comprimée (compresseur de gaz de haut-fourneau (16)), et est brûlée en ajoutant, le cas échéant, un combustible de pouvoir calorifique élevé, les fumées étant détendues dans une turbine à gaz chauds (18), qui peut être couplée au générateur de courant, associé à la turbine de détente (12), ou à un générateur de courant propre (19). La température de la partie non déviée du gaz de haut-fourneau est de préférence relevée, avant l'injection du gaz dans la turbine de détente (12), par échange thermique avec les fumées détendues dans la turbine à gaz chauds.
Description
Procédé pour récupérer l'énergie du gaz provenant d'un haut-
fourneau, et installation de haut-fourneau pour la réalisa-
tion de ce procédé.
L'invention concerne un procédé pour récupérer l'énergie du gaz provenant d'un haut-fourneau, le gaz de haut-fourneau étant détendu à cet effet, après un dépoussiérage grossier
et/ou intégral, dans une turbine de détente de gaz de haut-
fourneau, qui peut être couplée à un générateur de courant,
pour être ensuite injecté dans un réseau de gaz de haut-
fourneau, en vue d'une utilisation ultérieure L'invention concerne également une installation pour la réalisation de ce procédé, avec un équipement de dépoussiérage du gaz de haut-fourneau, monté en aval du gueulard et en aval duquel est prévue une turbine de détente du gaz de haut-fourneau, qui peut être couplée à un générateur de courant, la sortie de cette turbine étant reliée et/ou pouvant être reliée à un réseau de gaz de haut-fourneau et/ou à un ou à plusieurs cowpers.
Le procédé connu, comme défini ci-dessus, réside essen-
tiellement en ce que l'énergie de pression et l'énergie thermique, contenues dans le gaz de haut-fourneau, sont converties en énergie électrique, en utilisant une turbine
de détente de pression, qui peut être couplée à un généra-
teur de courant En règle générale, une telle turbine de détente est associée à chaque haut-fourneau Fin 1989, la demanderesse a également fourni, pour la première fois, une
"installation duo", dans laquelle deux hauts-fourneaux fonc-
tionnent sur une turbine de détente commune Les puissances nominales des installations connues se situent entre 7000 et 14000 k W Des turbines axiales, d'une vitesse de rotation de
1500 min 1, ont été utilisées dans tous les cas Les résul-
tats d'exploitation sont absolument remarquables, une infor-
mation générale sur la rentabilité n'étant possible que sous
réserve, car les données dépendent de la dimension respec-
tive de l'installation, et des frais de courant à fixer cas par cas A titre indicatif toutefois, il est permis de citer les valeurs suivantes, pour une installation du type cité construite en Europe, d'une puissance nominale de 14000 k W,
par exemple:
Recouvrement du capital investi en moins de deux ans.
Réduction des coûts par tonne de fonte en gueuses jusqu'à
3,50 DM.
Récupération de 30 % maximum de l'énergie consommée, sous forme d'énergie électrique, pour la compression de l'air
de soufflage du haut-fourneau.
Faibles coûts d'exploitation et de maintenance, de 2 à 3 % seulement de l'excédent net, réalisé par l'installation de turbine. Aucune incidence préjudiciable ou négative sur le pouvoir
calorifique inférieur du gaz de haut-fourneau.
Aucune incidence préjudiciable ou négative sur la régula-
tion de pression en tête du four.
L'état de l'art cité est représenté, par exemple, par les
publications DE-C-12 19 054 ou DE-C-34 35 275.
Pour une meilleure compréhension de l'état de l'art, ce dernier sera encore explicité ci-dessous, à l'aide de la figure 1: Sur une installation du type connu, le gaz provenant d'un haut-fourneau 1 ' est injecté, par l'intermédiaire d'une
conduite 2 ', au travers d'un dépoussiéreur 3 ' pour un dé-
poussiérage grossier et intégral, puis au travers d'un la-
veur à passage annulaire 4 ', directement (bipasse 5 '), ou par l'intermédiaire d'une turbine de détente de pression 6 ', couplée à un générateur 7 ', dans un réseau interne de gaz de haut-fourneau 8 ', non représenté dans le détail Une partie du gaz de haut-fourneau détendu est déviée du réseau 8 ' par une dérivation 9 ', et envoyée dans des "cowpers" et/ou
récupérateurs de chaleur 10 ', pour y être brûlée La combus-
tion dans les cowpers et/ou récupérateurs de chaleur 10 ' est assurée en ajoutant de l'air ambiant comprimé (compresseurs d'air de combustion il') Les cowpers et/ou récupérateurs de chaleur 10 ' sont alimentés en air froid, au moyen d'une
soufflante de vent froid 12 ' Dans les cowpers et/ou récupé-
rateurs de chaleur 10 ', cet air est transformé par chauffage en "vent chaud", qui est ensuite dirigé dans les porte-vent 13 ' du haut-fourneau 1 ' Les produits de combustion des cowpers sont rejetés à l'atmosphère par des conduits de
fumées 14 ' et une cheminée 15 '.
Les équipements de fonderie en aval du haut-fourneau, tels que convertisseur, poche de coulée, ou équipements de coulée continue ou de lingotage, étant généralement connus, leur
description détaillée est superflue.
A titre de complémentarité, il faut toutefois mentionner que la pression des gaz dans le haut-fourneau est réglée au moyen du laveur à passage annulaire 4 ' Cette régulation de
pression est un effet secondaire recherché du laveur 4 '.
De la manière décrite, de l'énergie électrique est obtenue avec succès dans la pratique, depuis 1980 environ, par détente des gaz de hautfourneau dans une turbine de détente et/ou une "top pressure recoveryturbine" (TRT) Par suite de la faible pression des gaz de haut-fourneau, de l'ordre de 2,8 à 3,0 bars, et de la faible température de ces gaz, de 550 C environ, la puissance spécifique libérée n'est que minime Mais en raison des flux massiques élevés, de l'ordre de 500 000 m 3 N/h, il est permis de récupérer une puissance électrique de 10 à 12 MW Comme déjà décrit à l'aide de la figure 1, le gaz de haut-fourneau détendu est utilisé en majeure partie pour le chauffage des cowpers; le reste est
injecté dans le réseau interne de gaz de haut-fourneau.
Une augmentation de puissance de la TRT se produit avec une élévation de la température d'entrée Cette hausse pourrait
être obtenue par un dépoussiérage à sec, au lieu du dé-
poussiérage par voie humide utilisé jusqu'alors, qui per-
mettrait de porter la température de 90 à 110 'C environ Ce qui relèverait le rendement de puissance de 15 à 20 % Mais le dépoussiérage à sec n'est pas encore un procédé reconnu; il n'a pas trouvé d'accès notable dans la pratique, jusqu'à présent. L'invention vise donc à une meilleure récupération de l'énergie, immanente au gaz de haut-fourneau, par des moyens
les plus simples possible, par des solutions standard no-
tamment. Cet objectif est atteint, sur le plan technologique, par le fait qu'une partie du gaz de haut-fourneau dépoussiéré est déviée avant la détente dans la turbine de détente de gaz de haut-fourneau et/ou TRT, est éventuellement comprimée, et est brûlée en ajoutant, le cas échéant, du gaz naturel, du
gaz de cokerie, ou autres combustibles de pouvoir calorifi-
que élevé, les fumées étant détendues dans une turbine à gaz chauds (HT), qui peut être couplée au générateur de courant, associé à la turbine de détente de gaz de haut-fourneau, ou
à un générateur de courant propre.
L'installation de four correspondante se caractérise en ce
qu'une dérivation, qui part en amont de la turbine de déten-
te de gaz de haut-fourneau, débouche dans un agencement de turbine à gaz chauds, composé d'un compresseur de gaz de haut-fourneau, d'une chambre de combustion et d'une turbine à gaz chauds, la turbine à gaz chauds pouvant être couplée au générateur de courant, associé à la turbine de détente de gaz de haut-fourneau, ou à un générateur de courant propre. Il s'est avéré que cette mesure permettait d'obtenir un gain d'énergie électrique de 50 %, pour une combustion de 3 %
seulement du gaz, produit par le haut-fourneau.
Le rendement de puissance peut être en outre augmenté, par le fait que la température de la part non déviée de gaz de haut-fourneau dépoussiéré est relevée, avant l'injection du gaz dans la turbine de détente, par échange thermique avec
les fumées, détendues dans la turbine à gaz chauds.
Une mesure judicieuse est que 3 à 15 %, 5 % notamment, du gaz provenant du haut-fourneau sont déviés dans la turbine à gaz chauds, la hausse de température du gaz de haut-fourneau, en amont de la turbine de détente, se situant entre 50 et
1000 C, entre 60 et 800 C notamment.
Des essais ont montré que le rendement de puissance supplé-
mentaire, alors obtenu, est de l'ordre de 94 %, lorsque 5 % du gaz de haut-fourneau sont déviés et envoyés dans la turbine à gaz chauds Il est vrai que cette dernière assure la majeure partie de la production de puissance Par rapport à une turbine de détente comparable dans un circuit de gaz de haut-fourneau, conforme à l'état de l'art, la turbine de détente de gaz de haut-fourneau, dans l'agencement précité, ne fournit que 5 % environ de courant supplémentaire Mais il
ne faut pas oublier que la turbine de détente, dans l'agen-
cement conforme à l'invention, est exploitée avec un débit-
masse inférieur, si bien que le rendement de puissance
supplémentaire est absolument remarquable.
Une autre solution peut consister à relever la température du gaz de hautfourneau déjà détendu, avant son injection dans un ou plusieurs cowpers, par échange thermique avec les fumées détendues dans la turbine à gaz chauds, la hausse de température s'élevant alors à 80 1200 C, à 90 1100 C notamment Cette forme de construction se caractérise donc en ce que la turbine à gaz chauds est intégrée au schéma fonctionnel du haut-fourneau Les fumées encore chaudes de la turbine, qui présentent une température de l'ordre de
500 'C, sont utilisées pour le préchauffage du gaz de haut-
fourneau, brûlé dans le cowper pour la récupération de chaleur L'avantage de ce montage réside dans l'association de la production de courant à une hausse de la température de combustion dans le cowper, donc à une température de vent supérieure Conformément au concept de base de la présente invention, une partie du gaz de haut-fourneau est déviée en amont de la turbine de détente, puis brûlée dans la chambre
de combustion de la turbine à gaz chauds, après une com-
pression à la pression de service de cette dernière Les fumées, détendues dans la turbine à gaz chauds, servent alors au préchauffage du flux de gaz de haut-fourneau en direction du cowper, déjà détendu dans la turbine de détente
de gaz de haut-fourneau et/ou TRT.
La variante ci-dessus peut être combinée à la première variante citée, une dérivation, qui part en aval de la
turbine à gaz chauds, débouchant dans un échangeur de cha-
leur, monté en amont de la turbine de détente de gaz de haut-fourneau et qui permet de relever la température du gaz avant sa détente dans la turbine, la dérivation pouvant être plus ou moins ouverte et/ou fermée par une soupape de
commande.
L'air, requis pour la combustion du gaz de haut-fourneau dévié, est de préférence admis en surpression et/ou à l'état de précompression Un compresseur d'air séparé, ou intégré à
l'agencement de turbine à gaz chauds, est prévu à cet effet.
Le compresseur de vent habituellement disponible et/ou la soufflante de vent froid peuvent également servir à cet
effet, en supplément ou en remplacement.
Une mesure judicieuse est que l'air requis pour la combus-
tion du gaz de haut-fourneau dans le cowper est préchauffé, par échange de chaleur notamment avec les produits de com- bustion du cowper, et/ou par échange de chaleur (échangeur)
avec les fumées de la turbine à gaz chauds.
Une solution avantageuse est qu'une partie des fumées, dé-
tendues dans la turbine à gaz chauds, est déviée pour rele-
ver la température du gaz de haut-fourneau, avant son injec-
tion dans la turbine de détente.
Dans une forme de construction de l'invention, une conduite d'alimentation en combustible de pouvoir calorifique élevé, en gaz naturel ou en gaz de cokerie notamment, débouche dans la chambre de combustion, disposée en amont de la turbine à
gaz chauds.
Il est judicieux que l'agencement de turbine à gaz chauds comporte un compresseur d'air, monté en amont de la chambre de combustion, si bien que de l'air précomprimé peut être injecté dans la chambre de combustion de la turbine à gaz chauds. Dans une autre forme de construction, les fumées, détendues dans la turbine à gaz chauds, sont en échange thermique avec le gaz de haut-fourneau dirigé dans la turbine de détente, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur monté en amont de cette dernière, la température du gaz de haut-fourneau
étant ainsi relevée.
Une mesure avantageuse est que la turbine de détente de gaz de hautfourneau et la turbine à gaz chauds peuvent être reliées par un accouplement, et être commutées, séparément
ou conjointement, sur un générateur de courant.
Il est éventuellement possible de monter un séparateur de gouttelettes et un dépoussiéreur fin, un filtre à manche notamment, en amont du compresseur de gaz de haut-fourneau, dans la dérivation menant à l'agencement de turbine à gaz chauds.
Dans l'installation de haut-fourneau équipée d'un com-
presseur de vent, il est avantageux de pouvoir relier le compresseur d'air, associé à l'agencement de turbine à gaz chauds, à la sortie du compresseur de vent, en intercalant
un réfrigérant, notamment.
Une autre mesure préférentielle est que les fumées, déten-
dues dans la turbine à gaz chauds, sont en échange thermique
avec le gaz de haut-fourneau envoyé dans le et/ou les cow-
pers, par l'intermédiaire d'un échangeur monté en amont du et/ou des cowpers, la température du gaz de haut-fourneau
étant relevée en conséquence.
Il est également judicieux que l'air requis pour la combus-
tion du gaz de haut-fourneau, porté à une température supé-
rieure, soit en échange thermique avec les produits de combustion du cowper par l'intermédiaire d'un échangeur,
et/ou avec les fumées de la turbine à gaz chauds, par l'in-
termédiaire d'un autre échangeur, la température de l'air de
combustion étant relevée en conséquence.
Dans une dernière forme de construction avantageuse de l'in-
vention, un dépoussiéreur est monté en amont du compresseur
d'air de l'agencement de turbine à gaz chauds.
Des variantes du procédé conforme à l'invention, et d'ins-
tallations de hauts-fourneaux réalisées en conséquence, seront détaillées ci-dessous à l'aide des dessins annexés, qui correspondent à:
Figure 1: un schéma de montage d'une installation conven-
tionnelle de haut-fourneau, Figure 2: Figure 3: un schéma de montage simplifié d'une première
forme de construction d'une installation de haut-
fourneau conforme à l'invention, une représentation du gain de puissance AP, rapporté à la puissance Ptrt B d'une installation TRT pure et au niveau de pression Pht (bar) de la
turbine à gaz chauds, en fonction du nombre d'éta-
ges du compresseur de gaz de haut-fourneau, pour des taux de compression IT = 1,4, en prenant pour base un pourcentage de 5 % de gaz de hautfourneau dirigé dans la turbine à gaz chauds, Figure 4: Figure 5:
une représentation de la puissance Pht de la tur-
bine à gaz chauds, de la puissance supplémentaire Ptrt de l'installation TRT et/ou de la turbine de détente de gaz de haut-fourneau, et du gain de puissance net A P de la turbine à gaz chauds et de la turbine de détente de gaz de haut-fourneau, rapporté à la puissance d'une installation TRT pure ( 100 % de gaz de haut-fourneau dans la TRT),
en fonction du pourcentage de gaz de haut-four-
neau, envoyé dans la turbine à gaz chauds, une pression d'entrée pht de 7, 6 bars dans la turbine à gaz chauds étant prise pour base, une représentation des températures du gaz de haut-fourneau à l'entrée et à la sortie de la turbine de détente de gaz de haut-fourneau (TRT), en fonction du pourcentage de gaz de haut-fourneau envoyé dans la turbine à gaz chauds, en prenant pour base une turbine à gaz chauds d'un niveau de pression de 7,6 bars, Figure 6: une représentation du gain de puissance AP et AP, rapporté à la puissance d'une installation TRT de référence ( àP/Ptrt B), pour une combustion de 5 % d'un flux de gaz de haut-fourneau de 500 m 3 N/h, en fonction du pouvoir calorifique inférieur du gaz de haut-fourneau, Figure 7: Figure 8: une représentation des puissances de turbines et
compresseurs, utilisés dans la forme de construc-
tion de la figure 2, pour une combustion de 5 % d'un flux de gaz de hautfourneau de 500 000 m 3 N/h, et de la puissance de référence d'une TRT et/ou turbine de détente de gaz de haut-fourneau unique, une forme de construction modifiée par rapport à
la figure 2, avantageuse pour un "vent excéden-
taire" notamment, Figure 9: Figure 10: une représentation des puissances de turbines et
compresseurs, utilisés dans la forme de construc-
tion de la figure 8, pour une combustion de 5 % d'un flux de gaz de hautfourneau de 500 000 m 3 N/h, et de la puissance de référence d'une TRT et/ou turbine de détente de gaz de haut-fourneau unique,
le schéma de montage d'une variante, dans la-
quelle une turbine à gaz chauds est intégrée au
schéma fonctionnel d'une installation de haut-
fourneau, Figure 11: une représentation de la variation de rendement en énergie électrique de la turbine à gaz chauds (Pht/Ptrt B), de la turbine de détente de gaz de haut-fourneau et/ou TRT (Ptrt/Ptrt B), et du gain de rendement en puissance électrique <P/Ptrt B), rapporté à la puissance d'une installation TRT il unique (Ptrt B), en fonction du pourcentage de gaz de haut-fourneau, envoyé dans la turbine à gaz chauds, pour la forme de construction suivant la
figure 10.
La figure 2 représente une première forme de construction d'une installation de haut-fourneau, conforme à l'invention,
avec un équipement 10 de dépoussiérage du gaz de haut-
fourneau, monté en aval du gueulard, et en aval duquel est prévue une turbine de détente du gaz de haut-fourneau 12, qui peut être couplée à un générateur de courant 11, la sortie de cette turbine étant reliée et/ou pouvant être reliée à un réseau de gaz de haut-fourneau 13 et/ou à un ou à plusieurs cowpers 14 (voir également la figure 10 et/ou la
dérivation 9 ' en direction des cowpers 10 ' de la figure 1).
Sur la figure 2, le haut-fourneau lui-même est repéré par la
référence 21.
Une dérivation 15, qui part en amont de la turbine de déten-
te de gaz de haut-fourneau 12, débouche dans un agencement
de turbine à gaz chauds 20, symbolisé par une zone en poin-
tillés sur la figure 2, et composé d'un compresseur de gaz de hautfourneau 16, d'une chambre de combustion 17 et d'une turbine à gaz chauds 18 La turbine 18 peut être couplée au générateur de courant 11, associé à la turbine de détente de gaz de haut-fourneau 12, ou à un générateur de courant propre 19 Dans le premier cas, il s'agit de préférence d'un
"montage à un arbre".
Une conduite 22 d'alimentation en combustible gazeux de pouvoir calorifique élevé, gaz naturel ou gaz de cokerie notamment, débouche dans la chambre de combustion 17, montée en amont de la turbine à gaz chauds 18 Ce combustible sert
essentiellement à enflammer le gaz de haut-fourneau dévié.
Avec un pouvoir calorifique trop faible du gaz de haut-
fourneau, le combustible gazeux, amené par la conduite 22,
sert également à maintenir la combustion dans la chambre 17.
Un compresseur d'air 23 étant par ailleurs prévu en amont de
la chambre de combustion 17, cette dernière peut être ali-
mentée en air précomprimé Il est également possible d'asso-
cier des groupes réfrigérants "Qk", aussi bien au com-
presseur de gaz de haut-fourneau 16, qu'au compresseur d'air 23. Les fumées, détendues dans la turbine à gaz chauds 18, sont en échange thermique avec le gaz de haut-fourneau envoyé dans la turbine de détente 12, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 24, monté en amont de la turbine 12, si
bien que la température du gaz de haut-fourneau est relevée.
Il est concevable, suivant la figure 2, de relier la turbine de détente de gaz de haut-fourneau 12 et la turbine à gaz chauds 18 par l'intermédiaire d'un accouplement 26, si bien que les deux turbines peuvent être commutées, séparément ou
conjointement, sur un générateur de courant.
Dans la dérivation 15, qui mène à l'agencement de turbine à
gaz chauds 20, un séparateur de gouttelettes 27 et un dé-
poussiéreur fin 28, un filtre à manche notamment, sont éventuellement montés en amont du compresseur de gaz de
haut-fourneau 16 Si nécessaire, un séparateur de goutte-
lettes 27 est également prévu et agit en amont de la dériva-
tion 15.
En conformité avec l'installation décrite, une partie du gaz de hautfourneau est donc déviée en amont de la turbine de détente 12, puis, après une compression dans le compresseur de gaz de haut-fourneau 16 à la pression de service requise de la turbine à gaz chauds 18, est brûlée dans la chambre de combustion 17 de cette dernière Les fumées, détendues dans la turbine à gaz chauds, servent alors à préchauffer le flux résiduel de gaz de haut-fourneau Dans la turbine de détente
de gaz de haut-fourneau, une puissance spécifique relative-
ment élevée est produite, par suite de la température d'en-
trée supérieure du gaz de haut-fourneau Les mesures citées permettent d'obtenir une augmentation de puissance notable,
comme le fait clairement apparaître l'étude paramétrique ci-
dessous:
L'étude comparative est basée sur une installation TRT con-
ventionnelle Les valeurs de référence se rapportent donc toujours à une utilisation intégrale du gaz de haut-fourneau
dans une TRT et/ou turbine de détente de gaz de haut-four-
neau La puissance de référence Ptrt B d'une telle installa-
tion TRT, prise pour base, est de 10 MW, pour un flux de gaz de hautfourneau de 500 000 m 3 N/h Le rendement de puissance supplémentaire est défini par: P = Pht-Pgv + Ptrt-Ptrt B avec: Pht Puissance de la turbine à gaz chauds (compresseur d'air y compris) Pgv Puissance du compresseur de gaz de haut-fourneau Ptrt Puissance de la TRT et/ou turbine de détente de gaz de haut-fourneau Ptrt B Puissance de référence d'une TRT et/ou turbine de détente de gaz de haut-fourneau unique La figure 3 fait apparaître, que le maximum de gain de rendement se situe pour un niveau de pression de la turbine à gaz chauds de 7 à 10 bars, obtenu par un compresseur de gaz de haut-fourneau à trois quatre étages Des turbines à gaz modernes sont proposées dans cette plage de pression Le rendement de puissance supplémentaire P est de l'ordre de 94 %, lorsque 5 % du gaz de haut-fourneau sont envoyés dans la turbine à gaz chauds Comme l'illustre la figure 4, la combustion de 3 % de gaz produit déjà 55 % environ (soit 6 MW) d'énergie électrique supplémentaire La turbine à gaz chauds assure la majeure partie de la production de puissance Par rapport à la TRT de base, la TRT et/ou turbine de détente de gaz de haut-fourneau 12 ne fournit que 5 % de courant en plus Mais il ne faut pas oublier, que la TRT et/ou turbine de détente de gaz de haut-fourneau 12 est exploitée avec un débit-masse, inférieur de 3 % à celui de l'installation de base. Les températures d'entrée dans la turbine de détente de gaz de haut- fourneau sont relevées par l'échangeur de chaleur à contre-courant 24, par les fumées chaudes de la turbine à gaz chauds (figure 5) Par suite du gradient de pression constant dans la turbine de détente, la température du gaz de haut-fourneau à la sortie de cette turbine s'élève en
conséquence Pour une combustion de 5 % de gaz de haut-
fourneau dans une turbine à gaz chauds (puissance supérieure de 94 %), la température d'entrée est de l'ordre de 1300 C, et est donc supérieure de 10 à 30 'C à la valeur, obtenue pour
un passage du dépoussiérage par voie humide à un dépoussié-
rage à sec Il est vrai que la température du gaz de haut-
fourneau, injecté dans le réseau, s'élève alors à 60 C, mais
cette valeur est admissible; le cas échéant, cette tempéra-
ture pourrait être abaissée à la température habituelle du
gaz de haut-fourneau par injection d'eau.
L'incidence d'une baisse du pouvoir calorifique inférieur du gaz de hautfourneau est reproduite sur la figure 6 Pour une réduction du PCI de 4000 k J/m 3 N, valeur prise pour base dans cet exemple, à 3500 k J/m 3 N, le gain de puissance par la
turbine à gaz chauds s'élève encore à 83 %, soit une puissan-
ce de 8,3 MW, pour une combustion de 5 % d'un flux de gaz de
haut-fourneau de 500 000 m 3 N/h.
La figure 7 représente un diagramme de puissance d'une installation suivant la figure 2 L'hypothèse admise dans
cet exemple est un flux de gaz, en provenance du haut-
fourneau, de 500 000 m 3 N/h, à 2,8 bars et 550 C Pour une combustion de 5 % de ce flux de gaz dans une turbine à gaz
chauds, la puissance électrique Ptrht, produite dans l'en-
semble de l'installation, est alors de 19,5 MW (gain de 95 %
par rapport à l'utilisation exclusive d'une turbine de dé-
tente de gaz de haut-fourneau) Sur ce total, la puissance Ptrt, produite dans la turbine de détente de gaz de haut- fourneau, s'élève à 11,8 MW environ, et la puissance Pht, générée dans la turbine à gaz chauds (compresseur d'air et turbine à gaz), est de 8,9 MW, une puissance Pgv de 1,2 MW
étant consommée dans le compresseur de gaz de haut-fourneau.
Le compresseur de gaz de haut-fourneau 16, pris pour base,
doit fonctionner sur trois étages, avec un taux de com-
pression de 1,4 0,8 MW peuvent être encore dissipés en chaleur dans un double refroidissement intermédiaire "Qk", le gaz de haut-fourneau comprimé étant alors refroidi de
950 C à 60 C.
Pour l'exemple représenté, les conditions dans la chambre de combustion de la turbine ont été fixées à 10500 C et 7,6
bars 63 000 m 3 N/h d'air sont alors requis pour la combus-
tion, ce qui correspond à un taux d'aération de 3,2 Dans l'exemple décrit, les fumées ont encore une température de
5770 C en aval de la chambre de combustion, et sont refroi-
dies à 150 'C dans l'échangeur de chaleur 24 Le gaz de haut-
fourneau est porté de 55 à 130 'C à contre-courant des fu-
mées Lors de la détente dans la turbine de détente de gaz de hautfourneau 12 à une pression de l'ordre de 1,2 bar, la
température du gaz de haut-fourneau est abaissée à la va-
leur, déjà mentionnée, de 60 C.
Il faut encore noter, à propos de l'accouplement 26 précé-
demment mentionné, que ce dernier sert également, de préfé-
rence, au démarrage de la turbine à gaz chauds, au moyen de
la turbine de détente de gaz de haut-fourneau L'accouple-
ment est fermé à cet effet, puis désaccouplé après le dé-
marrage de la turbine à gaz chauds.
L'alimentation en combustible gazeux par la conduite 22 est assurée, de préférence, en fonction de la température des fumées de la turbine à gaz chauds et/ou de la teneur en
oxygène des fumées de cette turbine.
Sur la figure 2, la référence 25 est encore affectée à la cheminée, par laquelle les fumées de la turbine à gaz chauds, refroidies dansl'échangeur de chaleur 24, peuvent
s'échapper à l'atmosphère.
Un dépoussiéreur 36 est par ailleurs monté en amont du
compresseur d'air 23.
Il faut encore mentionner, à propos de la figure 5, que les températures du gaz de haut-fourneau, à l'entrée et à la
sortie de la turbine de détente, sont respectivement réfé-
rencées par T * 80 C et T # 9 C.
L'équipement ultérieur d'une installation TRT existante, c'est-à-dire d'une installation exclusivement composée d'une turbine de détente de gaz de haut-fourneau, par une turbine à gaz chauds est possible, lorsque le haut-fourneau n'est plus exploité à pleine puissance La quantité de gaz de haut-fourneau régressant alors, la puissance de la TRT et/ou de la turbine de détente de gaz de haut-fourneau diminue en conséquence Le débit de dimensionnement de la turbine de
détente est alors plus élevé que l'offre en gaz de haut-
fourneau Le préchauffage de ce dernier permet de fournir un
débit volumique de service, adapté au débit de dimensionne-
ment.
La forme de construction suivant la figure 8 peut être
intéressante, lorsque les compresseurs de vent du haut-
fourneau, de toute façon disponibles, peuvent fournir une
quantité de vent plus élevée, que ne le nécessite le haut-
fourneau Cette possibilité peut résulter d'un surdimen-
sionnement des compresseurs de vent 29, pour des raisons de
sécurité, ou d'une diminution de la puissance du haut-
fourneau Le vent, déjà comprimé à 3,5 bars par exemple, est alors dirigé, par un collecteur 37, dans le compresseur d'air 23 associé à la turbine à gaz chauds 18 Le gain obtenu en puissance de compression élève la puissance de la turbine à gaz chauds de 27 % environ Pour une combustion de % du gaz, produit par le haut-fourneau 21, la turbine à gaz chauds fournit alors une quantité supplémentaire de courant de 2,5 MW, soit une puissance de 12 MW aux bornes de cette turbine Dans l'ensemble de l'installation (turbine à gaz chauds + turbine de détente de gaz de hautfourneau), le pourcentage supplémentaire de courant s'élèverait ainsi à
%, par rapport à une installation de référence exclusive-
ment composée d'une turbine de détente.
Le bilan de puissance correspondant est reproduit sur le
graphique de la figure 9.
Un réfrigérant intermédiaire 30 peut encore se situer dans le collecteur d'air sous pression, en vue d'éviter un échauffement excessif de l'air comprimé En supplément ou en
* remplacement, il est également possible de prévoir une arri-
vée d'air séparée 38, débouchant dans le compresseur d'air
23 L'installation de la figure 8 est au demeurant compara-
ble à celle de la figure 2 Les équipements correspondants
sont munis des mêmes références.
Dans la forme de construction de la figure 10, la turbine à
gaz chauds 18 et la turbine de détente de gaz de haut-
fourneau 12 ne sont pas couplées La turbine à gaz chauds 18
est au contraire intégrée au schéma fonctionnel du haut-
fourneau Les fumées encore chaudes de la turbine, qui présentent une température de 500 à 7000 C, doivent être utilisées pour le préchauffage du gaz de haut-fourneau,
brûlé dans le cowper 14 pour la récupération de chaleur.
L'avantage de ce montage réside dans l'association de la production de courant à une hausse de la température de combustion dans le cowper, c'est-à-dire à une température de
vent supérieure A cet effet, une partie du gaz de haut-
fourneau est déviée en amont de la turbine de détente 12, comme dans les formes de construction précédemment décrites, puis brûlée dans la chambre de combustion 17 de la turbine à gaz chauds 18, après une compression dans le compresseur de gaz de haut-fourneau 16 à la pression de service de la turbine 18 Les fumées, détendues dans la turbine à gaz chauds, servent alors au préchauffage du flux de gaz de haut-fourneau en direction du cowper 14, déjà détendu dans la turbine de détente de gaz de haut-fourneau Concrètement, les fumées, détendues dans la turbine à gaz chauds 18, sont en échange thermique avec le gaz de haut-fourneau envoyé dans le et/ou les cowpers 14, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 31, monté en amont du et/ou des cowpers 14, la température du gaz de haut-fourneau étant ainsi
relevée en conséquence.
Dans l'exemple de construction représenté, l'air, requis pour la combustion du gaz de haut-fourneau, porté à une température supérieure, est également en échange thermique avec les produits de combustion des cowpers (conduit de fumées 39), par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 32, et éventuellement, comme représenté, avec les fumées de la turbine à gaz chauds, par l'intermédiaire d'un échangeur 41, avec un relèvement adéquat de la température d'air de combustion Un réchauffage alternatif, par l'échangeur 32 et
l'échangeur 41, est également concevable Un gain supplémen-
taire de rendement global est ainsi permis.
En aval de la turbine à gaz chauds 18, il est encore possi-
ble de prévoir une dérivation 33 en direction d'un échangeur de chaleur 34, monté en amont de la turbine de détente de
gaz de haut-fourneau 12, et qui permet de relever la tempé-
rature du gaz de haut-fourneau, avant sa détente dans la turbine 12, la dérivation 33 pouvant être plus ou moins ouverte ou fermée, par une soupape de commande 35, suivant la hausse de température souhaitée du gaz de haut-fourneau, pas encore détendu et/ou détendu, en amont de la turbine de
détente 12 et/ou des cowpers 14.
Les avantages de l'installation suivant la figure 10 résul- tent de l'étude paramétrique ci-dessous:
L'étude comparative est de nouveau basée sur une installa-
tion TRT Les valeurs de référence se rapportent donc tou-
jours à une utilisation intégrale du gaz de haut-fourneau
dans une TRT et/ou turbine de détente de gaz de haut-four-
neau La puissance d'une telle turbine est Ptrt B = 10 MW,
pour un flux de gaz de haut-fourneau de 500 m 3 N/h Le rende-
ment de puissance supplémentaire est défini par: P-Pht Pgv + Ptrt Ptrt B.
La variation de ce rendement est reproduit sur la figure 11.
Avec la combustion du gaz de haut-fourneau dans la turbine à gaz chauds, la puissance de la turbine de détente régresse, en raison de la baisse du débit-masse en direction de cette dernière Au total, cette diminution est compensée par la production d'énergie électrique dans la turbine à gaz chauds, si bien que le pourcentage supplémentaire de courant
s'élève à 65 70 %, pour la combustion de 5 % de gaz de haut-
fourneau dans une turbine à gaz chauds Ce résultat s'accom-
pagne d'une hausse de la température adiabatique de combus-
tion dans le cowper.
En partant d'un flux de gaz en provenance du haut-fourneau 21 de 500 m 3 N/h, à 2,8 bars et 550 C, par exemple, la puissance électrique Ptrh T, produite dans l'ensemble de l'installation, est de 17 MW, pour une combustion de 5 % de ce flux de gaz dans une turbine à gaz chauds Sur ce total, la puissance Ptrt, produite dans la turbine de détente de gaz de haut-fourneau, est de l'ordre de 9,3 MW, et la
puissance Pht, générée dans la turbine à gaz chauds (com-
presseur d'air et turbine à gaz) est de 8,9 MW, une puissan-
ce Pgv = 1,2 MW étant consommée dans le compresseur de gaz de hautfourneau Dans cet exemple également, le compresseur
de gaz de haut-fourneau 16 doit fonctionner sur trois éta-
ges, avec un taux de compression de 1,4 Une quantité de chaleur de 0,8 MW peut être encore dissipée dans un double
refroidissement intermédiaire, le gaz de haut-fourneau com-
primé étant alors refroidi de 950 C à 600 C Pour cet exemple, les conditions dans la chambre de combustion de la turbine sont fixées à 105000 et 7,6 bars 63 000 m 3 N/h d'air sont en conséquence requis pour la combustion, ce qui correspond à
un taux d'aération de 3,2 En aval de la chambre de combus-
tion 17, les fumées ont une température de 5770 C, et sont
refroidies dans l'échangeur 31 à 1500 C Le gaz de haut-
fourneau détendu est porté de 250 C à 1240 C à contre-courant
des fumées L'hypothèse de base est que 85 % du gaz de haut-
fourneau sont requis pour le chauffage des cowpers La température adiabatique de combustion est de ce fait relevée de 650 C environ, ce qui élève également la température du vent de 65 C, en première approximation Sur la figure 10,
la tuyauterie de vent chaud est encore repérée par la réfé-
rence 40 Au demeurant, tous les équipements de l'installa-
tion de haut-fourneau suivant la figure 10, déjà décrits en rapport avec l'installation de la figure 2, sont munis des
mêmes références, si bien qu'une description détaillée est
inutile à cet égard.
Dans les formes de construction suivant les figures 2 et 8, la hausse de température du gaz de haut-fourneau, en amont de la turbine de détente, est de l'ordre de 50 à 100 QC, de 60 à 800 C notamment Dans la forme de construction suivant
la figure 10, la hausse de température du gaz de haut-
fourneau détendu, avant son injection dans le ou les cowpers
14, est de 80 à 1200 C, de 90 à 1100 C notamment.
Toutes les caractéristiques publiées dans le dossier de la demande sont revendiquées, en qualité de caractéristiques fondamentales de l'invention, dans la mesure o elles sont nouvelles par rapport à l'état de l'art, individuellemuent ou
en comibinaison.
a
Claims (17)
1 Procédé pour récupérer l'énergie du gaz, provenant d'un haut-fourneau ( 21), le gaz de haut-fourneau étant à cet effet détendu, après un dépoussiérage grossier et/ou inté-
gral ( 10), dans une turbine de détente de gaz de haut-
fourneau ( 12), qui peut être couplée à un générateur de courant ( 11), pour être ensuite injecté dans un réseau de
gaz de haut-fourneau ( 13), en vue d'une utilisation ulté-
rieure, caractérisé en ce qu'une partie du gaz de haut-
fourneau dépoussiéré est déviée avant la détente dans la turbine de détente ( 12), est éventuellement comprimée, et est brûlée en ajoutant, le cas échéant, du gaz naturel, du
gaz de cokerie, ou autres combustibles de pouvoir calorifi-
que élevé, les fumées étant détendues dans une turbine à gaz chauds ( 18), qui peut être couplée au générateur de courant, associé à la turbine de détente de gaz de haut-fourneau, ou
à un générateur de courant propre ( 19).
2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que
la température de la quantité non déviée de gaz de haut-
fourneau dépoussiéré est relevée, avant l'injection du gaz dans la turbine de détente de gaz de haut-fourneau ( 12), par échange thermique avec les fumées, détendues dans la turbine
à gaz chauds ( 18).
3 Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caracté-
risé en ce que 3 à 15 % environ, près de 5 % notamment du gaz, provenant du haut-fourneau ( 21), sont déviés en direction de
la turbine à gaz chauds ( 18).
4 Procédé suivant l'une des revendications 1 et 3, caracté-
risé en ce que la température du gaz de haut-fourneau déjà détendu est relevée, avant l'injection du gaz dans un ou
plusieurs cowpers ( 14), par échange thermique avec les fu-
mées, détendues dans la turbine à gaz chauds ( 18).
g
Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à
3, caractérisé en ce que la hausse de température du gaz de haut-fourneau, en amont de la turbine de détente de gaz de haut-fourneau ( 12), est de 50 à 1000 C environ, de 60 à 800 C notamment. 6 Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la hausse de température du gaz de haut-fourneau détendu, avant son injection dans le ou les cowpers ( 14), se situe
entre 80 et 1200 C environ, entre 90 et 110 'C notamment.
7 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à
6, caractérisé en ce que l'air, requis pour la combustion du gaz de hautfourneau dévié, est amené en surpression et/ou à
l'état de précompression.
8 Procédé suivant l'une des revendications 4 et 6, caracté-
risé en ce que l'air, requis pour la combustion du gaz de haut-fourneau dans le cowper ( 14), est préchauffé, par échange thermique notamment avec les produits de combustion du cowper et/ou par échange thermique (échangeur de chaleur
41) avec les fumées de la turbine à gaz chauds.
9 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 4 et
6 ou 8, caractérisé en ce qu'une partie des fumées, déten-
dues dans la turbine à gaz chauds ( 18), est déviée pour relever la température du gaz de haut-fourneau, avant son injection dans la turbine de détente de gaz de haut-fourneau
( 12).
Installation de haut-fourneau avec un équipement ( 10) de dépoussiérage du gaz de haut-fourneau, monté en aval du
gueulard, et en aval duquel est prévue une turbine de déten-
te de gaz de haut-fourneau ( 12), qui peut être couplée à un générateur de courant ( 11), la sortie de cette turbine étant
reliée et/ou pouvant être reliée à un réseau de gaz de haut-
fourneau ( 13) et/ou à un ou à plusieurs cowpers ( 14), carac-
térisée en ce qu'une dérivation ( 15), qui part en amont de la turbine de détente de gaz de haut-fourneau ( 12), débouche dans un agencement de turbine à gaz chauds ( 20), composé d'un compresseur de gaz de hautfourneau (éventuellement) ( 16), d'une chambre de combustion ( 17) et d'une turbine à gaz chauds ( 18), la turbine à gaz chauds ( 18) pouvant être couplée au générateur de courant, associé à la turbine de détente de gaz de haut-fourneau ( 12), ou à un générateur de
courant propre ( 19).
11 Installation de haut-fourneau suivant la revendication , caractérisée en ce qu'une conduite ( 22) d'alimentation en combustible de pouvoir calorifique élevé, en gaz naturel ou en gaz de cokerie notamment, débouche dans la chambre de combustion ( 17), montée en amont de la turbine à gaz chauds
( 18).
12 Installation de haut-fourneau suivant l'une des revendi-
cations 9 et 10, caractérisée en ce que l'agencement de turbine à gaz chauds ( 20) comporte un compresseur d'air ( 23), monté en amont de la chambre de combustion ( 17), si bien que de l'air précomprimé peut être introduit dans la
chambre de combustion ( 17) de la turbine à gaz chauds ( 18).
13 Installation de haut-fourneau suivant l'une quelconque
des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que les
fumées, détendues dans la turbine à gaz chauds ( 18), sont en échange thermique avec le gaz de haut-fourneau, envoyé dans la turbine de détente de gaz de haut-fourneau ( 12), par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur ( 24) monté en
amont de la turbine ( 12), la température du gaz de haut-
fourneau étant ainsi relevée.
14 Installation de haut-fourneau suivant l'une quelconque
des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que la turbine
de détente de gaz de haut-fourneau ( 12) et la turbine à gaz
chauds ( 18) sont reliées par un accouplement ( 26), et peu-
vent être commutées, séparément ou conjointement, sur un
générateur de courant.
Installation de haut-fourneau suivant l'une quelconque
des revendications 10 à 14, caractérisée en ce qu'un sépara-
teur de gouttelettes ( 27) et un dépoussiéreur fin ( 28), un filtre à manche notamment, sont éventuellement montés en amont du compresseur de gaz de haut-fourneau ( 16), dans la dérivation ( 15) menant à l'agencement de turbine à gaz
chauds ( 20).
16 Installation de haut-fourneau avec un compresseur de
vent ( 29), suivant l'une quelconque des revendications 10 à
, caractérisée en ce que le compresseur d'air ( 23), asso-
cié à l'agencement de turbine à gaz chauds ( 20), peut être
relié à la sortie du compresseur de vent ( 29), en interca-
lant un réfrigérant ( 30) notamment.
17 Installation de haut-fourneau suivant l'une quelconque
des revendications 10 à 12 et 14 à 16, caractérisée en ce
que les fumées, détendues dans la turbine à gaz chauds ( 18), sont en échange thermique avec le gaz de haut-fourneau envoyé dans le et/ou les cowpers ( 14), par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur ( 31), monté en amont du et/ou des cowpers ( 14), la température du gaz de hautfourneau étant
relevée en conséquence.
18 Installation de haut-fourneau suivant la revendication 17, caractérisée en ce que l'air, requis pour la combustion du gaz de haut- fourneau, porté à une température supérieure, est en échange thermique avec les produits de combustion du cowper, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur ( 32), et/ou avec les fumées de la turbine à gaz chauds ( 18), par
l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur ( 41), la tempéra-
ture de l'air de combustion étant relevée en conséquence.
19 Installation de haut-fourneau suivant l'une des revendi-
Pl cations 17 et 18, caractérisée en ce qu'une dérivation ( 33), qui part en aval de la turbine à gaz chauds ( 18), débouche dans un échangeur de chaleur ( 34), monté en amont de la turbine de détente de gaz de hautfourneau ( 12), et qui permet de relever la température du gaz de hautfourneau, avant sa détente dans la turbine ( 12), la dérivation ( 33)
pouvant être plus ou moins ouverte et/ou fermée, par l'in-
termédiaire d'une soupape de commande ( 35).
20 Installation de haut-fourneau suivant l'une quelconque
des revendications 10 à 19, caractérisée en ce qu'un dé-
poussiéreur ( 36) est disposé en amont du compresseur d'air
( 23) de l'agencement de turbine à gaz chauds ( 20).
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