Turbine de récupération de pression de gueulard pour gaz de haut fourneau – Optimisation de l'efficacité énergétique

Turbine de récupération de pression de gueulard (TRT) pour gaz de haut fourneau

Les hauts fourneaux modernes dans les usines sidérurgiques opèrent à une haute pression de gueulard. Le gaz de haut fourneau (GHF) quittant le HF au sommet maintient encore une pression d'environ 1,6 à 3 kg/cm² (jauge) et a une température d'environ 200 °C. Ce gaz, après nettoyage pour éliminer les poussières, est utilisé dans l'usine comme combustible pour le chauffage à une pression relativement faible. Dans ce processus, une grande quantité d'énergie de pression est perdue au travers du vanne. La turbine de récupération de pression de gueulard (TRT) est un mécanisme qui utilise l'énergie de chaleur et de pression du gaz de HF pour entraîner une turbine. Le travail généré est transféré à un générateur et converti en énergie électrique. La TRT génère de l'énergie en exploitant une propriété connue de tous les gaz : l'expansion du volume avec la réduction de pression. Le système comprend des équipements de collecte de poussières, une turbine à gaz et un générateur.

La TRT est essentiellement une mesure d'économie d'énergie au HF qui utilise l'énergie de pression perdue du gaz de gueulard pour générer de l'énergie électrique. Une unité TRT peut produire environ 15 à 60 kWh/t de fonte (HM). Sa production peut couvrir environ 30 % de l'énergie nécessaire à tous les équipements (y compris le soufflante) du HF. Le gaz de HF sortant de l'unité TRT peut encore être utilisé comme combustible dans l'usine.

Pendant le processus de réduction du fer, du gaz de HF à haute pression et température est produit. Dans la pratique conventionnelle, l'énergie du gaz est gaspillée par réduction de pression au vanne septum. L'équipement d'une unité TRT est le meilleur moyen de récupérer les énergies de pression et thermiques du gaz de HF. L'unité TRT est normalement installée en aval de l'équipement de nettoyage de gaz (GCP) pour un haut fourneau. Normalement, il est économique d'équiper de TRT les hauts fourneaux de capacité supérieure à 1000 m³.

Le système TRT est un système de production d'énergie qui convertit l'énergie physique du gaz de gueulard à haute pression en électricité en utilisant une turbine d'expansion. Bien que la différence de pression soit faible, les grands volumes de gaz rendent la récupération économiquement faisable. La technologie clé de la TRT est d'assurer le fonctionnement stable et à haute efficacité de la turbine d'expansion dans des conditions de gaz de HF poussiéreux, sans entraver l'exploitation du HF.

Plusieurs paramètres clés pour une unité TRT déterminent sa performance et sa production d'énergie :

• Volume de gaz de gueulard
• Pression du gaz au sommet du HF
• Chute de pression à travers l'usine de nettoyage de gaz (GCP)
• Température du gaz après le GCP
• Pression du gaz à la sortie de la TRT
• Qualité du gaz au sommet du HF
• Efficacité de la TRT
• Efficacité du générateur couplé à la TRT

Le gaz de sommet du HF contient typiquement environ 5 g/Nm³ de poussière et doit passer par une usine de nettoyage (GCP) pour réduire la poussière sous 5 mg/Nm³. Cette réduction est nécessaire pour le bon fonctionnement de la TRT.

Les systèmes de gaz de sommet avec TRT sont catégorisés comme systèmes humides et secs de nettoyage, selon la méthode d'élimination des poussières. Les systèmes secs utilisent moins d'eau et d'électricité. Ils ont une chute de pression plus faible et la température du gaz est plus élevée d'environ 50 °C comparé au système humide. Avec le nettoyage à sec, le système TRT peut typiquement produire 30 % plus d'énergie avec une possibilité de générer jusqu'à 60 % plus. Les systèmes secs sont donc considérés comme ayant une économie plus favorable.

Il existe deux types de turbines : radiales et axiales. Actuellement, les turbines axiales sont largement utilisées dans les TRT car elles sont plus appropriées pour traiter de grands volumes de flux. La TRT est généralement une turbine d'expansion multi-étages à réaction axiale à débit variable, normalement fournie avec un carter à séparation horizontale et une vitesse de régulateur de 3000 tr/min. La TRT adopte généralement un générateur synchrone à excitation sans balais. Le générateur est généralement conçu pour fonctionner sous toutes les conditions de charge imposées par la turbine. Le générateur TRT produit généralement à 6,6 kV puis élevé à 33 kV par transformateur élévateur 6,6/33 kV.

La stabilité de la pression de sommet est d'une importance clé. La petite fluctuation est avantageuse pour l'exploitation du HF. La pression est contrôlée en ouvrant ou fermant les aubes du stator du 1er étage de la turbine selon l'augmentation ou la diminution du volume de gaz. Avec une turbine conventionnelle, un vanne régulateur était aussi utilisé en combinaison. Cependant, ce vanne induit une perte de pression plus grande comparé aux aubes du stator, désavantageux pour la récupération d'énergie et la prévention du bruit. Donc, dans le système largement utilisé maintenant, le vanne régulateur est éliminé et la pression est contrôlée uniquement par les aubes du stator du 1er étage.

Le diagramme de flux schématique typique pour systèmes TRT humides et secs est montré Fig. 1.

Fig 1 Diagramme de flux schématique typique pour systèmes TRT humides et secs

Après collecte des poussières par l'équipement de nettoyage, le gaz propre est mené à la turbine par un vanne papillon d'entrée et un vanne à clapet d'entrée. Des vannes de bypass normalement fermées et un vanne d'arrêt d'urgence normalement ouvert sont utilisés pour les cas d'urgence.

Dans la TRT, le travail mécanique généré par la turbine est transféré au générateur pour l'énergie électrique. Le gaz à basse pression et température entre dans la conduite par le vanne à clapet de sortie.

L'exploitation de la TRT se divise en deux phases : (i) phase de démarrage et (ii) phase de fonctionnement normal. Au démarrage, toutes les préparations comme le sous-système hydraulique doivent être vérifiées. Puis un signal de démarrage est envoyé à l'opérateur du HF. Si celui-ci accepte, le vanne papillon d'entrée et le vanne d'arrêt d'urgence s'ouvrent. La vitesse de la turbine est contrôlée par le vanne papillon et la pression de sommet par les vannes septum. Jusqu'à ce que la turbine atteigne la vitesse requise, les vannes septum se ferment lentement. Puis le démarrage passe en phase normale. En phase normale, la pression de sommet est entièrement régulée par les aubes du stator du 1er étage. La pression est contrôlée en ouvrant/fermant ces aubes.

Dans les circonstances où la pression et le volume de gaz souhaités ne sont pas disponibles, les gaz peuvent contourner la TRT. Un vanne à clapet haute pression de type fermé, prévu dans le circuit, assure le fonctionnement ininterrompu du HF lors de l'isolement complet de la TRT (ex: maintenance).

Le système TRT peut être synchronisé avec le réseau de distribution d'énergie de l'usine. L'usine TRT a généralement la même disponibilité que le HF, soit 350 jours d'exploitation annuelle. La consommation auxiliaire de la centrale TRT est très faible.

La TRT est une technologie éprouvée avec très peu de risque d'installation ou d'exploitation. Si le système TRT tombe en panne, le gaz en expansion est accommodé dans l'épurateur existant. C'est normal dans les HF sans TRT.

Il n'y a pas d'influence sur l'exploitation du HF et le gaz n'est pas consommé. Comme le gaz de HF est très combustible, il est normalement utilisé dans d'autres parties de l'usine pour générer de la chaleur ou de l'énergie. Avec la TRT, le gaz génère efficacement de l'énergie deux fois – une fois dans la turbine et à nouveau quand il est brûlé pour son usage habituel.

La TRT est une technologie propre et économe en énergie car elle permet l'utilisation de l'énergie de pression dans le flux de gaz de procédé résiduel. Elle sert à la conservation d'énergie et à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Bien que les avantages économiques soient considérables, les avantages environnementaux sont aussi importants. La TRT est très durable car il n'y a zéro émission du processus de production d'électricité. Le processus est 100 % vert.

En résumé, la TRT a les caractéristiques suivantes :

• Technologie d'économie d'énergie utilisée dans un HF d'usine sidérurgique
• Équipement de production d'énergie avec fonction de contrôle de la pression de sommet du HF
• Énergie générée en entraînant une turbine avec le gaz de HF produit dans le HF
• Aucun combustible nécessaire pour la production d'énergie
• Puisqu'aucun combustible n'est brûlé, pas de génération de CO2 ou autres gaz à effet de serre
• Contribution à la réduction de CO2 selon le volume de production d'énergie
• Génère moins de bruit qu'un vanne septum conventionnel, améliorant l'environnement autour du HF
• Aucune technologie sophistiquée nécessaire pour l'exploitation et la maintenance, réalisable par le personnel du HF
• Seules de petites quantités d'eau, azote, etc. nécessaires, facilement couvertes par l'équipement existant du HF