Brevet FR2038117A1 — publié le 19710108

i 2038117 Cette invention concerne le fonctionnement des fours cubilots verticaux ou de fours similaires pour la métallurgie des métaux ferreux,dans lesquels une charge constituée par un mélange de fer, de coke et de castine eât chauffée par un souffle d'air 5 allant de bas en haut à travers un lit inférieur de coke chaud, rui fond le fer et produit un métal ferreux fondu et des scories au fond du four. Le métal en fusion et les scories sont extraits du fond du four, et un courant de gaz résiduels riches en oxyde de carbone, qui est produit dans le four par la réaction 10 du souffle d'air avec le coke et d'autres réactifs, est extrait de la partie supérieure du four et épuré à l'eau ou traité d'une autre manière pour l'élimination des particules solides entraînées avant d'Stre évacuées à l'air libre. En cours de fonctionnement, des fractions additionnelles de charge solide consis-15 tant d'un mélange de fer, de coke et de castine sont ajoutées au four par un orifice supérieur de chargement. Dans la pratique antérieure d'exploitation des cubilots de fonderie verticaux et do l'équirelen t; le c jurant de gaz résiduels chaudsforméspar le traitement était évacué à l'air libre habi-20 tuellement par un orifice d'échappement situé au sommet du four. Ce courant de gaz résiduels contenait des particules solides entraînées de fer, et des fumées d'oxyde de fer, ainsi que des particules solides de coke et de la .poussière de castine. Le développement de règlements et de prescriptions concernant le contrô-25 le de la pollution atmosphérique au cours des récentes années a entraîné une diminution de l'exploitation de tels cubilots simplœ, et a rendu nécessaire le développement de cubilots perfectionnés dans lesquels le courant gazeux résiduel produit est traîté pour la récupération des solides avant d'être évacué à l'air libre. 30 En pratique courante, il est habituel d'extraire le gaz résiduel produit chargé de solides et riche en oxyde de carbone, du flanc du cubilot au-dessous du niveau de la porte de chargement supérieure et généralement au-dessous du niveau du sommet de la charge contenue dans le cubilot. Le gaz résiduel est généralement re-35 tiré au moyen d'une tuyère annulaire, et est ensuite envoyé à un refroidisseur par arroâage ou autre système de refroidissement, suivi d'une épuration du courant gazeux à l'eau ou au moyen d'un agent épurateur liquide aqueux pour l'élimination des particules solides entraînées. Le courant gazeux épuré et propre peut être 40 nlojsévacué à l'air libre en sécurité, et dans certains cas 70 11699 2 2038117 ce gaz peut être alors utilisé comme gaz combustible. Et dans le fonctionnement normal d'un cubilot muni d'un système d'extraction du gaz résiduel au-dessous de la charge et d'un contrôle d'émission, l'air de ventilation est aspiré par 5 la porte de chargement supérieure qui est prévue de façon que des fractions additionnelles de charge consistant d'un mélange de fer, de coke ët de castine puissert être déverséesau-dessus de la charge ou lit principal de traitementà l'intérieur du cubilot pendant le cycle de fonctionnement. L'air de ventilation aspiré par la 10 porté de charge est soigneusement proportionné avec les gaz de soufflerie riches en oxyde de carbone pour empêcher la formation d'un mélange détonant, qui pourrait provoquer des explosions dans les systèmes de refroidissement et d'épuration du gaz situés en aval. Dans certaines conditions de fonctionnement à capacité ré-15 duite, lors d'une mise en marche après une période d'arrêt, ou à l'occasion de diverses interruptions accidentelles, il est possible que la proportion voulue soit modifiée et qu'un mélange détonant se forme. Bien que le système de traitement du gaz situé en aval soit habituellement pourvu de disques de rupture, toute 20 explosion peut provoquer des dégâts sérieux. De nombreuses installations de cubilots ot de systèmesde traitement des gaz résiduels ont été proposés dans la technique antérieure. Parmi ceux-ci peuvent-être mentionnés les procédés et dispositifs des brevets des Etats-Unis d'Amérique n°s 2.746.858; 25 2.919.185; 3.186.830; 2.804.S95; 2.796.341; 2.761.671 et 2.805.143. L'invention concerne un procédé de mise en oeuvre d'un cubilot dans lequel le coke, le fer et la castine sont déversés par le sommet du four pour former un lit qui est chauffé et réagit au 30 moyen d'un courant d'air.entrant par le fond du four, un courant de gaz contenant de l'oxyde de carbone est extrait de la partie supérieure du four et un gaz inerte est formé entre l'orifice d'admission du coke, du fer et de la castine et l'orifice d'échappement du gaz, et s'écoule en direction de ce dernier. • 35 L'invention concerne également un cubilot destiné à une utilisation avec le procédé ei-rdessus et possédant une entrée supérieure pour le coke, le fer et la castine et un orifice d'échappement de gaz dans.la partie supérieure du four dans lequel il est prévu au moins un orifice d'admission pour le gaz inerte 40 entre l'entrée et l'orifice de sortie. 70 11699 3 20381 17 Le gaz inerte est donc injecté dans la partie supérieure du cubilot ou bien formé "in situ au-dessous de la porte de chargement mais au-dessus c'u niveau de charge du cubilot ou de la tuyère dans laquelle le gaz résiduel de traitement est extrait. 5 Le terme "gaz inerte" désigne un gaz ou un mélange gazeux ayant une teneur réduite ou négligeable en oxygène libre ou non combiné, et englobe un gaz ou mélange gazeux sensiblement dépourvu d'oxygène non combiné. Dans la plupart des cas, le gaz inerte est un effluent de combustion ou gaz de carneau, formé par la combustion 10 d'un carburant avec l'air. Du fait que le gaz inerte à utiliser est essentiellement dépourvu d'oxygène libre, quand il descend à travers la partie supérieure du cubilot et se mélange avec le courant gazeux résiduel chaud de traitement, un mélange gazeux détonant ne peut pas se former dans le cubilot ou dans ses auxi-15 liaires, tels que les systèmes de refroidissement et d'épuration du gaz. La présence d'un gaz inerte dans la partie supérieure du cubilot empêche donc l'introduction de l'air dans la partie supérieure du cubilot par la porte de chargement. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, il est 20 prévu des brûleurs sur le pourtour de la colonne située au-dessous de la porte de chargement supérieure,mais de préférence au-dessus du niveau dediarge du cubilot et de toutes façons au-dessus de la tuyère d'extraction du gaz résiduel ou de tout autre orifice d'échappement du gaz résiduel. La combustion stoechiométrique 25 du gaz naturel ou d'un carburant approprié quelconque dans les brûleurs produit une couche de gaz inerte au-dessus du niveau de charge du cubilot. Lesgaz inertes sont aspirés dans la tuyère à la place de l'air, ainsi aucun mélange détonant ne peut se former dans le système de contrôle d'émission, qui consiste habituelle-30 ment en un refroidisseur de gaz et un épurateur humide,comme décrit plus haut. Les commandes appropriées peuvent être prévues pour faire varier le taux de combustion des brûleurs afin de produire suffisamment de gaz inerte pour satisfaire aux conditions requises. Comme avantage accessoire, les gaz inertes chauds ré-35 chauffent la charge du cubilot. Ce réchauffage réduit le souffle nécessaire et permet une économie dans la consommation de coke. Le principal avantage de la présente invention réside dans le fait que l'entrée d'air dans la partie supérieure du cubilot par la porte de chargement supérieure est efficacement empêchée, 40 ce qui évita donc le mélange de l'air introduit avec le gaz 70 11699 4 2038117 résiduel de traitement extrait du cubilot par une tuyère latérale ou l'équivalent. Par conséquent, la formation de mélanges gazeux détonants pendant le fonctionnement du cubilot et pendant le traitement des gaz résiduels des cubilots, est efficacement empê-5 chée. Autre avantage, lorsque le gaz inerte injecté est initialement formé "in situ" ou injecté à une température élevée, la partie supérieure de la charge du cubilot est préchauffé par le courant de gaz inerte circulant de haut en bas, ce qui réduit la quantité d'air soufflé requise et permet une économie dans 10 la consommation de coke pour l'exploitation globale du cubilot. Le dessin annexé représente un mode de réalisation préféré de la présente invention telle qu'elle est appliquée à un cubilot destiné à la fonte des ferrailles ou de l'équivalent. Le cubilot cylindrique généralement vertical 1 est prévu 15 avec un lit intérieur inférieur 2 composé principalement de coke, au-dessus duquel est disposé un lit intérieur supérieur 3 composé généralement d'un mélange de fer, de castine et de coke, et dans la plupart des cas la teneur en fer du lit 3 consiste de ferrailles ou de l'équivalent. Un courant d'air chaud 4/ généralement pro-20 duit à une température comprise entre environ 200°C et 500°C comme on le verra plus loin, est envoyé dans l'unité 1 par les orifices d'admission 5 au-dessous de la grilla inférieure 6, qui permet la circulation de bas en haut de l'air soufflé dans les lits 2 et 3 à la suite. L'air chaud soufflé monte à travers lé lit de 25 coke chaud ou incandescent 2 et réagit avec le coke pour produire une température très élevée, due à la réaction exothermique de l'oxygène contenu dans l'air avec le coke qui forme de l'oxyde de de carbone. Le courant de gaz résiduel chaud résultant formé dans le lit 2 à une température généralement comprise entre 300°C 30 et 1000°C, et contenant principalement de l'oxyde de carbone et de lrazote, monte à travers le lit 3 et provoque une réaction entre les composants du lit 3 avec la formation résultante de petites gouttes liquides et de coulée composéesde métal ferreux en fusion et de scories. Le métal en fusion et les scories s*é-35 coulent vers le bas à travers la grille 6,et les scories se rassemblent en une mare fondue supérieure ou courant 7 qui est périodiquement ou continuellement extrait de l'unité 1 par un trou de coulée supérieur ou l'équivalent sous forme de courant 8, qui est refroidi et envoyé à un dépôt de scories approprié . 40 Le métal ferreux fondu se rassemble au fond de l'unité 1 70 11699 5 2038117 sous forme de couche liquide inférieure 9, qui s'accumule au-dessus d'un lit de sable 10, pouvant être prévu dans certains cas pour protéger une porte d'évacuation de charge usée, non représentée, La flaque de métal ferreux fondu ou courant 9 est périodiquement 5 ou continuellement extraite de l'unité 1 par un trou de coulée inférieur ou l'équivalent sous forme de courant 11, qui -peut être déversé dans un moule approprié ou dans un récipient de transfert 12 qui transporte -le métal ferreux en fusion pour achever la coulée ou l'équivalent pour la production de fonte ou d'autres 10 produits composés ferreux. Le courant d'air chaud 4 est formé en faisant passer un courant d'air ambiant 13 par une soufflerie 14, avec le courant d'air de décharge obtenu 15 passant à l'extérieur vers les tubes d'un réchauffeur d'air 16 par échange de chaleur gaz-15 gaz. Un courant 17 d'hydrocarbure fluide approprié, pouvant être un gaz naturel, du méthane ou tout autre hydrocarbure gazeux tel que le propane ou le butane, ou un hydrocarbure normalement liquide ou une fraction d'hydrocarbure comme le pétrole brut, le fuel de soute classe C, de mazout ou l'équivalent, est envoyé en 20 même temps que le courant d'air de combustion 18 dans la partie inférieure de l'unité 16. La combustion du courant 17 avec le courant 18 sert à produire un courant gazeux à haute température qui monte par les tubes de l'unité 16 et réchauffe le courant d'air ambiant 15 par échange thermique indirect pour former le 25 courant 4. Le courant de gaz de combustion formé dans l'unité 16 par la réaction des courants 17 et 18 est généralement à-une tempéra ture initiale élevée comprise entre 300°C et 700°C environ, et le courant de gaz de carneau refroidi résultant 19 évacué de l'uni-30 .té 16 au-dessus des tubes échangeurs de chaleur est désormais à une température inférieure comprise par exemple entre 70 11699 s 2038117 t supérieur 21, qui est une ouverture pouvant être mûnie d'une porte appropriée ou de l'équivalent, par laquelle des fractions de charge additionnelles sont déversées pour être ajoutées au lit 3 au moyen d'une benne appropriée ou de l'équivalent* L'injection 5 du courant 19 par l'ajutage ou tubulure d'admission 20 sert à remplir la partie supérieure de l'unité 1 de gaz inerte, et dtoipêcher ainsi l'entrée d'air dans l'unité 1 par l'ouverture 21>, qui peut être pourvue d'une jupe appropriée 22. ou de l'équivalent, pour diriger l'écoulement des fractions de charge 10 additionnelle déversées dans l'unité 1 par l'ouverture 21. A la place d'un courant d'air descendant à travers la partie supérieure de l'unité 1 et du lit 3, le courant de gaz de carneau chaud 19 remplit la partie supérieure de l'unité 1 et descend à travers la partie supérieure du lit 3, en préchauffant ainsi 15 le lit 3 dans une certaine mesure tout en empêchant l'entrée de l'air par l'ouverture 21. Des fractions de gaz inerte additionnelles ou différentes peuvent être prévues en disposant l'ensemble des brûleurs à hydrocarbure 23 dans la partie supérieure de l'unité 1 entre le lit 3 et l'ouverture 21, en envoyant un 20 courant 24 d'hydrocarbure combustible fluide et un courant d'air de combustion 25 à chacun des brûleurs 23. ~Lsr, courants 24 peuvent être similaires au courant 17 décrit plus haut. La combustion des courants 24 dans la partie supérieure de l'unité 1 sert à produire du gaz inerte chaud supplémentaire ou un gaz 25 ayant une teneur réduite en oxygène, généralement inférieure à 5% en volume environ, dans la partie supérieure de l'unité 1, et le gaz de carneau inerte chaud obtenu, ayant généralement une température initiale comprise entre 200°C et 500°C environ, descend dans l'unité 1 et réchauffe la partie supérieure du 30 lit 3. Une tuyère annulaire 26 pour l'évacuation du gaz résiduel est prévue à l'extérieur de l'unité 1, et la tuyère 26 est généralement disposée dans la section centrale de l'unité 1 et à la hauteur du lit 3, bien que dans certains cas la tuyère 26 puisse 35 être disposée au-dessus de la face supérieure du lit 3. Dé toutes façons, des fractions de gaz résiduel de traitement chaud sont extraites de l'unité 1 et se déversent dans la tuyère 26 par plusieurs orifices 27 ménagés dans la paroi de l'unité 1. Le gaz résiduel chaud aspiré dans la tuyère 26 depuis les orifices 40 27 se compose principalement du gaz résiduel produit par 70 11699 7 2038117 l'écoulement gazeux de bas en haut de l'air soufflé de traitement à travers les lits 2 et 3, et qui est transformé en-un mélange gazeux chaud contenant principalement de l'oxyde de carbone et de l'azote comme décrit plus haut. De plus, le gaz de traitement 5 chaud aspiré dans la tuyère 26 par les orifices 27 contient également un gaz inerte dérivé de lrécoulement descendant du gaz inerte admis par 20 et/ou formé "in situ" par les brûleurs de combustion 23. Ainsi/ le gaz de traitement chaud formé dans la tuyère 26 c essentiellement un caractère et une composition non détonant 10 et a une teneur négligeable en oxygène libre. Dans la plupart des cas, le gaz de traitement à l'intérieur de la tuyère 26 sera essentiellement dépourvu d'oxygène. De toute manière, le gaz de traitement chaud sort de la tuyère 26 à une température comprise entre 300°C et 800aC par exemple, par 15 une conduite d'évacuation de gaz 28, qui envoie le gaz de traitement chaud à des auxiliaires de contrôle d'émission des solides. Le courant de gaz de traitement chaud s'écoule d'abord de la conduite 28 dans le refroidisseur 29 qui est pourvu de courants d'eau de refroidissement 30,qui sont diffusés ou disper-2o sés d'une autre manière dans le gaz chaud pour produire l'effet de refroidissement et refroidir les gaz à une température réduite comprise entre 50°C et 90®C par exemple, avant l'épuration pour l'élimination totale des solides. L'eau de refroidissement chauffée est extraite de l'unité 29 par un courant inférieur 31, qui peut 25 contenir des solides -entraînés enlevés du courant gazeux pendant le refroidissement par contact direct. Le courant gazeux refroidi s'écoule alors par la conduite 32 jusqu'à un système approprié d'extraction des solides, qui peut consister de façon caractéristique en un système épurateur de gaz àvënturi 33.Des courants 30 de liquide épurateur 34 sont envoyés à 1*épurateur à venturi, soit au-dessus soit à l'intérieur de la section convergente, ou à l'étranglement du venturi, et le contact gaz-liquide a lieu entre le courant gazeux à grande vitesse et le liquide épurateur, à l'étranglement du venturi. Le courant de liquide épurateur 34 est 35 généralement composé par de l'eau ou par une solution aqueuse. Le courant mélangé résultant gaz-liquide formé dans l'unité 33 passe par une conduite 35 dans un séparateur d'entraînement 36, qui est un moyen ou système approprié à chicanes ou à cyclones ou de l'équivalent, pour la séparation des gouttelettes liquides entraî-40 nées dans un courant gazeux. Le courant gazeux épuré 37, désormais 70 11699 8 2038117 pratiquement dépourvu de solides entraînés et de gouttelettes liquides, .passe de l'unité 36 à une évacuation à l'air libre par une cheminée ou l'équivalent, ou bien le courant 37 peut être périodiquement ou continuellement utilisé comme gaz combustible 5 ou pour d'autres usages. La phase séparée du liquide épurateur contenant les particules solides entraînées et dissoutes est retirée de l'unité 36 par le courant 38 qui peut être envoyé à un dispositif de décantation ou de filtration non représenté, avant le recyclage du liquide par les courants 34. lo De nombreuses variantes apparaîtront à l'homme de l'art en dehors de celles mentionnées plus haut, dans le champ d'application de la présente invention. L'unité 1 peut être un cubilot ou toute autre installation similaire pour la métallurgie des métaux ferreux, qui est chargée par intermittence par le haut avec une extraction continue du gaz de traitement chaud contenant de l'oxyde de carbone. Les courants 4 peuvent être essentiellement composés d'air ambiant dans certains cas, dans lesquels l'unité 16 et son rôle peuvent être supprimés, la totalité de la couche de ^gaz inerte dans la partie supérieure 1 étant fournie par les brûleurs 23. Dans ce cas, le courant 15 n'a pas lieu d'être préchauffé mais au contraire peut être envoyé directement à l'unité 1 par les orifices d'admission 5, et les courants 17, 18 et 19 seraient supprimés. Dans les cas où la tuyère 26 se trouve disposée „ au-dessus du niveau du lit 3 ou lorsque le lit 3 s'arrête au-25- dessous de la tuyère 26, ce qui peut être dû à des interruptions des charges d'appoint par l'orifice 21, le gaz inerte chaud ne s'écoulera pas à travers la partie supérieure du lit 3 pour produire un effet .de préchauffage> mais s'écoulera au contraire directement dans la tuyère 26 à partir de l'unité 1. De même, le ^préchauffage du lit 3 ne s'effectue pas si l'on utilise un gaz inerte de composition appropriée mais de température réduite ou ambiante, comme l'azote, et qu'on l'envoie dans la partie supérieure de l'unité 1 par la conduite d'apport 20. Les unités 29 et '33 peuvent être remplacées dans des cas appropriés par un dispo- OC sitif approprié quelconque de fonctionnement équivalent, ainsi dans certains cas, l'unité 33 pourrait être remplacée par un précipitateur électrostatique ou I*équivalent. Dans ce cas, l'unité 36 et son rôle seraient supprimés. Un exemple d'application industrie Osdu procédé de la présente 40invention sera maintenant décrit. 70 11699 9 2038117 EXEMPLE Le procédé de la présente invention fut appliqué à un cubilot servant à la fabrication du fer, possédant cinq brûleurs identiques à 1"unité 23, et en utilisant du gaz naturel comme combustible pour les brûleurs. A la cadence de combustion élevée des brûleurs de 25,5 m3/minute de gaz naturel, la température de pointe produite dans la partie supérieure du cubilot fut de 440°C, bien inférieure à la température d'ignition de 590° C du coke. A la cadence de combustion faible de 2,83 m3/minute de gaz naturel une ventilation de 85 m3/minute d'air était fournie, ce qui produisait également suffisamment de produits de combustion à la cadence de combustion élevée pour alimenter la soufflerie avec la ventilation fermée. Une coulée ferreuse de 25,8 tonnes à l'heure fut produite à partir d'une charge de 34 tonnes à l'heure contenant, en poids, 76 % de fer, 11 % de composés de scorification et 13 % de coke. La durée de la combustion depuis la porte de charge jusqu'à la tuyère était d'environ 20 minutes. 70 11699 iC 2038117 REVENDICATIONS 1»- Un procédé de mise en oeuvre d'un four à cubilot alimenté en coke, en fer et en castine par le sommet et dans lequel le gaz contenant de l'oxyde de carbone est extrait .de la partie supérieure du four, caractérisé par le fait qu'un gaz inerte à faible teneur en oxygène se forme au-dessous de l'orifice d'admission du coke, du fer et de la castine et s'écoule vers l'orifice d'échappement dos gas. 2.- Un procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz inerte est à une température comprise entre 200°C et 500°C et descend en traversant la partie supérieure du lit dans le four jusqu'à l'orifice d'échappement des gaz. 3.- Un procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le gaz inerte est formé par la combustion d'un hydrocarbure dans le four. 4.- Un procédé selon la revendication 1# 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'une partie au moins du gaz inerte est formée par les gaz issus de la combustion d'un'hydrocarbure à l'extérieur du four» 5.- Un procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les gaz de combustion servent à préchauffer l'air envoyé à la base du four. 6.- Un four à cubilot destiné à servir au procédé de la revendication 1 et possédant une entrée supérieure pour le coke, le fer et la castine et un orifice d'échappement des gaz dans sa partie supérieure, caractérisé par le fait qu'il est prévu au moins un orifice d'admission du gaz inerte entre l'entrée et l'orifice d1échappement. 7.- Un four selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'un des orifices d'admission est un brûleur d'hydrocarbure. 8.- Un four selon la revendication 6 ou7?caractérisé par le-fait qu*un'au moins des orifices d'âdmission est un orifice d'admission des produits de combustion arrivant d'un échangeur de chaleur pour l'air qui entre dans la partie inférieure du four.