LU88249A7 - Procédé et dispositif pour l'injection de charbon pulvérisé dans un creuset de haut fourneau - Google Patents

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF POOR L'INJECTION DE CHARBON PULVÉRISÉ DANS UN CREUSET DE HAUT-FOURNEAU Il est rappelé que la demande de brevet d'invention luxembourgeois LU-88 139, déposée le 1er juillet 1992, concerne un procédé pour l'injection combinée de charbon pulvérisé et d'un comburant gazeux dans un creuset de hautfourneau au moyen d'une lance débouchant dans une tuyère à vent chaud. Ce procédé est caractérisé en ce que, au niveau de l'embouchure de la tuyère dans le creuset, on injecte le charbon pulvérisé dans le vent chaud sous forme d'un jet annulaire creux et l'on injecte le comburant gazeux à l'intérieur dudit jet annulaire creux.

Ladite demande de brevet luxembourgeois concerne aussi une lance pour la mise en oeuvre du procédé comprenant un corps de lance composé d'un tube intérieur formant un conduit intérieur pour le comburant gazeux et d'un tube extérieur entourant le tube intérieur de façon à définir un conduit annulaire pour le charbon pulvérisé. Ledit tube extérieur formant, au niveau de l'embouchure de la tuyère dans le creuset, une bouche d'injection pour le charbon pulvérisé qui est disposée annulairement autour d'une bouche d'injection pour le gaz comburant formée par ledit tube intérieur.

La lance selon la présente invention est une variante d'exécution de la lance proposée par le brevet d'invention luxembourgeois LU-88 139. Elle comprend : un corps de lance débouchant avec une extrémité dans une tuyère à vent chaud d'un creuset d'un four à cuve, notamment un haut-fourneau, ledit corps de lance englobant un tube intérieur formant un conduit intérieur pour le comburant gazeux et un tube extérieur entourant le tube intérieur de façon à définir avec ce dernier un conduit annulaire pour le charbon pulvérisé ; un dispositif de distribution pour raccorder le tube intérieur à un circuit d'alimentation pour le comburant gazeux et ledit conduit annulaire à un circuit d'alimentation pour le charbon pulvérisé, et des moyens pour appliquer une différence de potentiel entre le tube extérieur et le tube intérieur et ainsi créer un champ électrique dans ledit canal annulaire.

Le principal avantage de la lance proposée par la présente invention est de pouvoir soumettre de façon simple et efficace le flux de charbon pulvérisé à l'action d'un champ électrique ; ce qui a une influence favorable sur la cinétique de la combustion à la sortie de la lance, notamment sur la formation d'un mélange réactif entre les particules de charbon, qui sont en suspension dans un gaz inerte, et le gaz comburant. Il sera noté que la longueur de ce champ électrique peut être égale à la longueur du corps de lance.

Ledit dispositif de distribution comprend avantageusement un bloc de distribution en un matériau diélectrique dur, c'est-à-dire qui est très résistant à l'usure par le charbon pulvérisé. Il s'agit par exemple d'un matériau céramique, notamment un matériau céramique sur base d'oxyde d'aluminium. Grâce à ce bloc de distribution en matériau diélectrique, il est possible de résoudre de façon simple et efficace les problèmes d'isolation électrique entre le tube extérieur et le tube intérieur du corps de lance.

Ce bloc de distribution est avantageusement un bloc prismatique ayant une première et une deuxième base et plusieurs surfaces latérales et étant muni : d'un alésage central borgne dans ladite première base pour recevoir une extrémité dudit tube intérieur ; d'une cavité débouchant dans ladite deuxième base ; de canaux entourant ledit alésage central et prolongeant ladite cavité pour déboucher dans ladite première base ; d'un premier alésage latéral situé entre lesdits canaux, de façon à définir une embouchure dans une première surface latérale et à déboucher dans ledit alésage central ; et d'un deuxième alésage latéral situé entre lesdits canaux et définissant une embouchure dans une deuxième surface latérale et débouchant dans ledit alésage central.

Il s'agit d'une exécution particulièrement simple, gui permet d'amener le gaz comburant dans le tube intérieur et le charbon pulvérisé dans le tube extérieur, sans pour autant risquer une érosion des conduites de gaz comburant par le flux de charbon pulvérisé.

Pour réaliser de façon simple et efficace les différents raccords audit bloc prismatique diélectrique, ledit dispositif de distribution comprend avantageusement : une première plaque frontale qui s'appuie sur ladite deuxième base dudit bloc prismatique et qui supporte dans le prolongement de ladite cavité un manchon de raccord pour le charbon pulvérisé ; un semi-bloc avant qui supporte ledit tube extérieur et qui s'appuie sur ladite première base dudit bloc prismatique ; une première plaque latérale qui s'appuie sur ladite première surface latérale dudit bloc prismatique et qui supporte dans le prolongement dudit premier alésage latéral un manchon de raccord pour le comburant gazeux ; et une deuxième plaque latérale qui s'appuie sur ladite deuxième surface latérale dudit bloc prismatique et qui supporte dans le prolongement dudit deuxième alésage latéral une électrode pénétrant à travers ce dernier dans ledit alésage central.

Pour assembler ledit bloc prismatique et ledit semi-bloc avant, qui supporte ledit tube extérieur, ledit bloc de distribution comprend avantageusement des tirants qui relient ledit semi-bloc avant à ladite première plaque frontale.

Le tube intérieur est avantageusement muni d'une bride qui vient se loger axialement entre ledit bloc de distribution et ledit semi-bloc avant et gui y est bloquée par l'assemblage axial du bloc de distribution et du semi-bloc avant. Cette bride constitue une solution simple et efficace pour fixer le tube intérieur au dispositif de raccord et permet en même temps d'assurer l'étanchéité dudit alésage borgne autour du tube intérieur.

Le semi-bloc avant est avantageusement muni d'un évidement qui s'évase de l'embouchure du tube extérieur en direction du bloc de distribution. La surface qui délimite ledit évidement est de préférence une courbe qui est définie par une section conique et qui est tangente à la surface intérieure du tube extérieur. Le tube intérieur est alors avantageusement muni au niveau de son embouchure dans le bloc de distribution d'un manchon ayant sensiblement la forme d'un col de bouteille qui, après assemblage de la lance, est agencé dans ledit évidement du semi-bloc avant de façon à définir un canal annulaire qui débouche quasi tangentiellement dans ledit conduit annulaire du corps de lance. Il s'agit d'une exécution qui réduit sensiblement le travail d'érosion du charbon pulvérisé au niveau du passage du bloc diélectrique dans ledit canal annulaire du corps de lance. De plus, elle assure une bonne répartition du flux de charbon pulvérisé dans ledit canal annulaire du corps de lance.

Il sera noté que le tube intérieur est avantageusement muni, au niveau de sa bouche de sortie, d'un déflecteur conçu de façon à favoriser un éclatement radial du jet de comburant gazeux à la sortie de la lance. Ce déflecteur comprend par exemple un élément hélicoïdal intégré dans la bouche d'injection formée par le tube intérieur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de réalisation avantageux, présenté ci-après à titre d'illustration en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la Figure 1 présente une coupe longitudinale de la lance selon l'invention ; - la Figure 2 représente une coupe longitudinale de la même lance selon un plan de coupe faisant un angle de 90° avec le plan de coupe de la Figure 1.

Les Figures 1 et 2 montrent un exécution d'une lance 210 comprenant un corps de lance 212 qui est fixé avec l'une de ses extrémités à un dispositif de raccord 214. Le corps de lance se compose d'un conduit double 220, 222, qui est formé d'un tube intérieur 216 et d'un tube extérieur 218. Le tube 216, qui a une section plus petite que le tube 218, est introduit axialement dans ce dernier de façon à définir un conduit annulaire 220 entre les deux tubes 216 et 218. Ce conduit annulaire 220 est destiné au passage du charbon pulvérisé, tandis que le premier tube 216 définit lui-même un conduit cylindrique 222, qui est destiné au passage au comburant gazeux.

Une particularité de la lance 210 représentée sur les Figures 1 et 2 est qu'elle est conçue pour appliquer entre les deux tubes 216 et 218 une différence de potentiel. En d'autres termes, la lance 210 est conçue pour créer dans le conduit annulaire 220 un champ électrique qui permet de charger les particules de charbon qui sont débitées, en suspension dans un gaz inerte, à travers le conduit annulaire 220. Les deux tubes 216 et 218 sont dès lors constitués d'un matériau qui est un bon conducteur d'électricité et sont espacés par des pièces d'espacement 228 en un matériau diélectrique, par exemple un matériau céramique sur base d'oxyde d'aluminium. La surface extérieure du tube intérieur 216 peut être avantageusement munie d'un revêtement diélectrique. Il s'agit par exemple d'un revêtement céramique sur base d'oxyde d'aluminium qui a en même temps une bonne résistance à l'usure par le charbon pulvérisé.

Le dispositif de raccord 214 est spécialement conçu pour remplir son triple rôle, à savoir : 1) connecter le conduit annulaire 220 à un manchon de raccord 230 pour le charbon pulvérisé ; 2) connecter le conduit intérieur 222 à un manchon de raccord 232 pour le gaz comburant ; 3) connecter entre le tube extérieur 218 et le tube intérieur 216 une différence de potentiel.

Le dispositif de raccord 214 comprend à cet effet un bloc de distribution 236, dans lequel débouchent les deux manchons de raccord 230 et 232, et un semi-bloc avant, à travers lequel débouche le corps de lance 212. Les deux pièces 236 et 238 sont assemblés axialement entre deux plaques frontales 246 et 248. Ces dernières sont reliées par des tirants 280 et prennent appui sur des surfaces frontales axialement opposées et deux pièces 236 et 238.

Le tube extérieur 218 est fixé au semi-bloc 238, qui est de préférence constitué d'un métal conducteur d'électricité. L'assemblage du tube extérieur 218 et du semi-bloc 238 peut se faire par brasure ou par une bride (non montrée). Le semi-bloc 238 est muni d'un évidement 270 qui s'évase de l'embouchure du tube extérieur 218 en direction du bloc de distribution 236 pour définir une embouchure en face de ce dernier. On notera que la génératrice de la surface qui délimite l'évidement 270 est de préférence une courbe qui est définie par une section conique et qui est tangente à la surface intérieure du tube extérieur 218.

Le tube intérieur 216 a, au niveau de son embouchure dans le bloc de distribution 234, une extrémité légèrement effilée 282. Sur cette extrémité effilée est ajusté un manchon 254. Ce manchon 254, qui est réalisé dans un matériau dur ayant une bonne résistance à l'érosion par le charbon pulvérisé, a sensiblement la forme d'un col de bouteille. Il est agencé dans l'évidement 270 de façon à définir un canal annulaire 272 qui débouche quasi-tangentiellement dans ledit conduit annulaire 220 du corps de lance 212. Il sera noté que, par la coopération des surfaces délimitant l'évidement 270 et le manchon 254, le canal annulaire 272 définit une section de passage qui diminue de façon continue en direction de l'écoulement du charbon pulvérisé.

Le bloc de distribution 236 est, dans cette exécution, constitué d'un matériau diélectrique à dureté élevée. Il s'agit par exemple d'un bloc prismatique en matière céramique, par exemple un matériau céramique sur base d'oxyde d'aluminium. Il dispose d'une face arrière 242 qui prend appui à travers un joint d'étanchéité 286 sur la plaque frontale arrière 246. A l'endroit où le manchon 230 débouche à travers ladite plaque frontale 246, cette face arrière 242 est munie d'une cavité 243 qui pénètre dans le semi-bloc de distribution 236. Une face avant 244 du bloc prismatique 236 prend appui sur le semi-bloc 238 autour de l'embouchure de l'évidement 270 par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 288. Dans l'axe du tube intérieur 216, un alésage central borgne 252 débouche dans la face avant 244 du bloc prismatique 236. Le diamètre de cet alésage central 252 est légèrement plus grand que l'extrémité 282 du tube intérieur 216. L'alésage central 252 s'étend axialement à travers le bloc prismatique 236 jusqu'au niveau d'un alésage latéral 256, qui débouche dans une surface latérale 255 dudit bloc prismatique 236. Autour de l'alésage central 252 sont aménagés deux canaux 254 qui aboutissent, d'un côté, dans la cavité frontale 243 et, de l'autre côté, dans ledit canal annulaire 272 défini dans le semi-bloc 238. Les canaux 254 sont, de préférence, symétriques par rapport à l'axe central du bloc prismatique 236.

Le tube intérieur 216 débouche avec son extrémité 282 dans ledit alésage central 252. Une bride 290, solidaire de cette extrémité 282 du tube intérieur 216, prend appui par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 292 sur une embase 294 du bloc prismatique 236 qui entoure l'alésage central 252. La bride 290 assure par conséquent une obturation étanche de l'alésage central 252 autour du tube intérieur 216. De plus, cette bride 290 permet la fixation et le centrage du tube intérieur 216 dans le dispositif de raccord 214. A cette fin, elle a préférentiellement une forme carrée et est logée dans une cavité correspondante du semi-bloc 238. Si les pièces 236 et 238 sont alors assemblées axialement, en serrant par exemple les tirants 280, le tube intérieur 216 est bloqué entre ces semi-blocs 236 et 238 par l'intermédiaire de la bride 290. Au niveau de l'embouchure des deux canaux 254, la bride 290 est munie d'orifices de passage faisant communiquer ces canaux 254 avec ledit canal annulaire 272. Il sera noté qu'entre la bride 290 et le semi-bloc 238 est disposé un matériau diélectrique afin d'éviter un court-circuit électrique entre le tube intérieur 216, qui est solidaire de la bride 290, et le tube extérieur 218, qui est solidaire du semi-bloc 238.

Le bloc prismatique 236 est disposé entre deux plaques latérales 298 et 300. La plaque 298 s'appuie sur la surface latérale 255 dans laquelle débouche ledit second canal 256, tandis que la plaque 300 s'appuie sur une surface latérale opposée du bloc prismatique 236. Dans la plaque 298 est aménagé le raccord 232 pour le comburant gazeux. Un joint d'étanchéité 302 entre la plaque 298 et le bloc prismatique 236 assure l'étanchéité entre le raccord 232 et ledit second canal 256. La plaque opposée 300 supporte un raccord électrique 304 permettant d'appliquer un potentiel électrique au tube intérieur 216. Ce raccord électrique 304 comprend par exemple un manchon isolant 306, qui est monté de façon étanche dans la plaque 300 et une électrode 308 traversant, de préférence de façon étanche, le manchon isolant 306 pour pénétrer à travers un canal 310 du bloc prismatique 236 dans ledit alésage central 252. Dans ce dernier, l'électrode 308 prend appui avec son extrémité avant sur le tube intérieur 216. L'étanchéité entre la plaque 300 et le bloc prismatique 236 est assurée par un joint d'étanchéité 312. Un ressort 314 est agencé entre l'électrode 308 et un capuchon 316 vissé sur le manchon 306 de façon à maintenir élastiquement le contact entre la pointe de l'électrode 308 et de l'extrémité arrière 282 du tube intérieur 216. L'électrode 308 sera de préférence raccordée à une borne positive d'une source de courant continu, alors que les parties métalliques extérieures de la lance 210 (notamment le tube extérieur 218, le semi-bloc avant 238, les plaques 298, 300, etc.) sont raccordées à la borne négative de cette source.

De cette façon, on peut créer, dans l'espace annulaire 220, entre le tube intérieur 216 et le tube extérieur, un champ électrique. Ce champ électrique a une influence favorable sur la réactivité des particules de charbon qui traversent l'espace annulaire 220 en suspension dans un gaz inerte, le plus souvent de l'azote. On croit pouvoir expliquer cet accroissement de la réactivité des particules de charbon par le fait que le champ électrique empêche les molécules du gaz de suspension de s'accoler sur les particules de charbon et de créer ainsi une barrière pour la réaction de ces particules de charbon avec le gaz comburant à la sortie de la lance 210. Il est cependant sous-entendu que la valeur de la présente invention n'est nullement, tributaire de l'exactitude de l'explication scientifique qui en est fournie.

Il sera aussi noté que, dans l'extrémité avant du tube intérieur 216, est intégré un déflecteur 320. Ce déflecteur 320, qui a de préférence une forme hélicoïdale, a pour but de favoriser un éclatement rapide du jet de gaz comburant à la sortie du tube intérieur 216.

Claims (10)

1. Lance pour l'injection combinée de charbon pulvérisé et d'un comburant gazeux dans un creuset d'un four à cuve, notamment un haut-fourneau, caractérisée par un corps de lance (212) débouchant avec une extrémité dans une tuyère à vent chaud dudit creuset, ledit corps de lance (212) englobant un tube intérieur (216) formant un conduit (222) intérieur pour le comburant gazeux et un tube extérieur (218) entourant le tube intérieur de façon à définir avec ce dernier un conduit annulaire (220) pour le charbon pulvérisé, un dispositif de distribution (214) pour raccorder le tube intérieur (216) à un circuit d'alimentation pour le comburant gazeux et ledit conduit annulaire (220) à un circuit d'alimentation pour le charbon pulvérisé, et des moyens (304) pour appliquer une différence de potentiel entre le tube extérieur et le tube intérieur et ainsi créer un champ électrique dans ledit canal annulaire.

2. Lance selon la revendication 1, caractérisée par un bloc de distribution (236) en un matériau diélectrique dur.

3. Lance selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit bloc de distribution (236) est un bloc prismatique ayant une première et une deuxième lance (244, 242) et plusieurs surfaces latérales.

4. Lance selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit bloc de distribution est muni d'un alésage central borgne (252) dans ladite première base (244) pour recevoir une extrémité (282) dudit tube intérieur (216), d'une cavité (243) débouchant dans ladite deuxième base (242), de canaux (254) entourant ledit alésage central (252) et prolongeant ladite cavité (243) pour déboucher dans ladite première base (244), d'un premier alésage latéral (256) situé entre lesdits canaux (254), de façon à définir une embouchure dans une première surface latérale (255) et à déboucher dans ledit alésage central (252), et d'un deuxième alésage latéral (310) situé entre lesdits canaux (254) de façon à définir une embouchure dans une deuxième surface latérale et à déboucher dans ledit alésage central (252).

5. Lance selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit dispositif de distribution (214) comprend une première plaque frontale (246) qui s'appuie sur ladite deuxième base (242) dudit bloc prismatique (236) et qui supporte dans le prolongement de ladite cavité (243) un manchon de raccord (230) pour le charbon pulvérisé, un semi-bloc avant (238) qui supporte ledit tube extérieur (218) et qui s'appuie sur ladite première base (244) dudit bloc prismatique (236), une première plaque latérale (298) qui s'appuie sur ladite première surface latérale (255) dudit bloc prismatique (236) et qui supporte dans le prolongement dudit premier alésage latéral (256) un manchon de raccord (232) pour le comburant gazeux, et une deuxième plaque latérale (300) qui s'appuie sur ladite deuxième surface latérale dudit bloc prismatique (236) et qui supporte dans le prolongement dudit deuxième alésage latéral (310) une électrode (308) pénétrant à travers ce dernier dans ledit alésage central (252).

6. Lance selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit dispositif de distribution (214) comprend des tirants (280) qui relient ledit semi-bloc avant (238) à ladite première plaque frontale (246).

7. Lance selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le tube intérieur (216) est muni d'une bride (290) qui vient se loger axialement entre ledit bloc de distribution (236) et ledit semi-bloc avant (238) et qui y est bloqué par l'assemblage axial du bloc de distribution (236) et du semi-bloc avant (238).

8. Lance selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que le semi-bloc avant (238) est muni d'un évidement (270) qui s'évase de l'embouchure du tube extérieur (218) en direction du bloc de distribution (236).

9. Lance selon la revendication 8, caractérisée en ce que le tube intérieur (216) est muni, au niveau de son embouchure dans le bloc de distribution (236), d'un manchon (254) ayant sensiblement la forme d'un col de bouteille qui, après assemblage de la lance (210), est agencé dans ledit évidement (270) du semi-bloc avant (238) de façon à définir un canal annulaire (272) qui débouche quasi tangentiellement dans ledit conduit annulaire (220) du corps de lance (212).

10. Lance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le tube intérieur (216) est muni, au niveau de sa bouche de sortie, d'un déflecteur hélicoïdal.