Brevet FR2098199A1 — publié le 19720310

On connaît des procédés de production du fer et de l'acier par traitement d'un minerai dans un haut fourneau dans lesquels il est obtenu une faible consommation de coke au moyen d'un soufflage de gaz de réduction auxiliaire effectué dans la 5 cuve du haut fourneau et, de préférence, par des orifices de soufflages spéciaux débouchant dans la cuve du haut fourneau juste au-dessus de la zone où s'effectue le ramollissement ou la fusion de la charge. Une forme particulièrement avantageuse de mise en oeuvre d'un tel procédé consiste à élaborer un gaz de 10 réduction auxiliaire par réaction de combustibles fossiles, pétrole ou gaz naturel, avec une fraction des gaz de gueulard du haut fourneau, le gaz carbonique ou la vapeur d'eau du gaz de gueulard constituant l'élément oxydant qui transforme le combustible fossile utilisé en gaz réducteurs, oxyde de carbone et hy-15 drogène. Le caz de gueulard en excès est en général utilisé pour fournir la chaleur nécessaire pour la régénération du gaz de gueulard par un combustible fossile. la présente invention a pour objet un procédé d'utilisation d'un haut fourneau, procédé du type décrit et qui permet 20 une réduction supplémentaire de la consommation de coke et une augmentation de production. Le procédé de l'invention est basé sur le fait que, dans un procédé du type décrit, deux courants de gaz différents circulent normalement dans la cuve du haut fourneau. L'un de ces 25 courants est constitué par les gaz en provenance de l'ouvrage et qui sont dégagés par la combustion du coke à hauteur des tuyères à vent, combustion qui provient de la réaction du coke avec le vent chaud soufflé par ces tuyères. Dans les hauts fourneaux conduits i. la manière classique, le vent soufflé est -;.e l'air 30 et ce courant de gaz contient une large quantité d'azote. L'autre de ces deux courants de gaz est constitué par le gaz de réduction auxiliaire qui est soufflé dans le haut fourneau au travers de la paroi de sa cuve a,u-dessus àe la zone où se produit le ramollissement ou la fusion de la charge. Ce gaz de réduction ne peut 35 pénétrer que peu profondément à l'intérieur c.e la charge du haut fourneau, même s'il est soufflé sous tr-s forte pression. Il circule d'un mouvement ascendant dans la zone périphérique, ou marginale, de la charge, alors que la plus grande partie du gaz en 71 24879 2 2090199 provenance de l'ouvrage s'écoule d'un mouvement ascendant dans la zone axiale du haut fourneau. Dans ces procédés classiques, le gaz marginal contient moins d'azote que le gaz qui remonte dans la zone axiale du haut fourneau. le procédé de l'invention per-5 met de maintenir ce gaz marginal pratiquement exempt d'azote libre, de sorte que, par suite de l'augmentation correspondante des pressions propres de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène, il est obtenu une réduction du minerai de fer bien plus importante et bien plus rapide. 10 Le procédé de l'invention consiste à maintenir sépa rés l'un de l'autre les deux courants de gaz de qualités différentes qui s'établissent automatiquement dans un haut fourneau, cette séparation étant aussi maintenue lorsque ces gaz sont destinés à une utilisation ultérieure. Selon l'invention, le gaz 15 destiné à être recyclé et régénéré est pris dans le haut fourneau à une température plus élevée et (ou) à une plus forte concentration en éléments réducteurs que celui qui ne doit être ni recyclé ni régénéré et qui, normalement, est utilisé comme gaz combustible. 20 L'extraction du gaz à recycler et sa séparation de celui qui ne doit pas l'être s'effectuent à proximité de la cuve du haut fourneau. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le gaz à recyclor est déchargé par des orifices ménagés dans la paroi de la cuve du haut fourneau juste au-des-25 sus de la surface de la charge. Du fait que le gaz réducteur auxiliaire, plus riche en oxyde de carbone et en hydrogène, traverse la surface de la charge à proximité de la paroi intérieure de la cuve, et que le gaz e;: provenance de l'ouvrage, plus riche en azote, émerge par le centre de cette surface de chargement, 30 c'est surtout le gaz contenant moins d'azote qui sort par les orifice de décharge prévus dans la paroi du haut fourneau, alors que le gaz plus riche en azote monte directement vers les conduits de gaz de gueulard et circule dans ces conduits et sous forme de gaz combustible, est utilisé à diverses fins. 35 L'extraction du gaz à recycler par des ouvertures ménagées dans la paroi de la cuve du haut fourneau peut aussi s'effectuer sous la surface de la charge à condition que les orifices de décharge prévus à cet effet ne soit placés que très 71 24879 3 2098199 peu au-dessous de cette surface de façon que la température des gaz extraits ne dépasse pas 700°C environ. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, les orifices de décharges prévus dans la paroi de la cuve sont situés à un niveau auquel 5 la température de la charge est comprise entre 100 et 200°C environ. Dans ce cas, le courant de gaz extrait pour recyclage est pratiquement exempt de toute vapeur d'eau dégagée par l'é-vaporation de l'humidité de la charge. Il s'ensuit qu'une plus large quantité de gaz de gueulard peut être recyclée pour trans-10 former en gaz réducteur une certaine quantité d'un combustible fossile auxiliaire, puisque, pratiquement, c'est le gaz carbonique contenu dans le gaz extrait qui en constitue le seul élément oxydant. L'extraction du gaz à recycler à des températures 15 plus élevées - jusqu'à 700°C environ - présente l'avantage que les gaz prélevés à ces températures élevées peuvent être utilisés dans l'appareillage de réaction avec le combustible fossile auxiliaire. Cette réaction exige des températures de l'ordre de 1.000°C, et des économies sont ainsi réalisées sur le chauffage 20 nécessaire pour porter le gaz recyclé à cette température de réaction. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, il est utilisé des moyens différents pour la séparation de la fraction du gaz de gueulard qui doit être recyclée et régénérée 25 et de la fraction restante de ce gaz qui est normalement utilisée comme combustible. Selon une première variante, il est prévu des tubes verticaux qui descendent dans le haut fourneau au-dessus de la charge. Ces tubes peuvent être disposés en cercle autour du cône de chargement, la périphérie de ce cône touchant 30 presque ces tubes d'extraction du gaz. Ces tubes sont ainsi disposés de façon à prélever le gaz de gueulard en mouvement ascendant dans la zone périphérique marginale de la cuve au haut fourneau. Dans une telle disposition utilisable lorsque le haut fourneau est équipé d'un cône de chargement, il y a lieu de 35 prendre soin que les tubes d'extraction du gaz qui descendent au-dessous du cône de chargement gênent aussi peu que possible le mouvement de descente ie la charge qui tombe sur la périphérie du cône de chargement. Ce résultat peut être obtenu en don 71 24879 4 2098199 nant à ces tubes, au moins dans la zone de descente de la charge, une section droite en forme d'ellipse dont le grand axe est o-rienté radialement par rapport au cône de chargement. Il doit aussi être pris soin de choisir pour la fabrication de ces tubes 5 une matière appropriée résistante à l'abrasion pour minimiser l'usure de leur paroi par la charge en mouvement descendant. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les embouchures des tubes de prélèvement du gaz peuvent être situées juste au-dessus de la surface de la charge du haut four-10 neau de façon que les gaz peu riches en azote qui émergent de cette surface dans la zone périphérique, marginale, du haut fourneau soient reçus en majeure partie par ces tubes, le gaz de gueulard riche en azote qui émerge dans la zone centrale de cette surface s'écoulant normalement dans les conduits d'évacuation 15 des gaz de gueulard du haut fourneau, les embouchures de ces tubes d'extraction de gaz peuvent aussi être logées dans la charge elle-même dans la partie supérieure de la cuve du haut fourneau. Lorsque l'on se propose simplement d'extraire et de recycler un gaz de cuve dont la température est supérieure à 20 celle du gaz de gueulard, les tubes d'extraction de ce gaz peuvent être situés dans la zone axiale de la cuve ou bien être uniformément répartis dans toute la section droite de celle-ci. Il convient particulièrement toutefois que.ces tubes qui plongent dans la charge soient situés dans la zone marginale du haut 25 fourneau en vue d'extraire comme gaz de recyclage un gaz aussi pauvre en azote que possible. Selon que l'emploi ultérieur prévu pour le gaz de gueulard exige ou non que le gaz extrait soit seulement celui pratiquement exempt de vapeur d'eau ou celui ayant la plus haute température possible, les embouchures des 30 tubes d'extraction du gaz peuvent être situées plus ou moins profondément dans la charge. En vue d'obtenir dans chacun de ces tubes une extraction de gaz effectuée dans la plus grande partie possible de la zone marginale ;;e la charge et avec la moindre perte de pression possible, la paroi de ces tubes est percée 35 d'orifices d'entrée du gaz à proximité de leur embouchure. Le gaz à recycler pénètre dans ces tubes par lesdits orifices ou par leur embouchure du fait de la surpression qui existe dans la cuve du haut fourneau. Mais, il peut aussi être 71 24879 5 2098199 avantageux d'aspirer le &az dans ces tub:s d'extraction de façon à lui imprimer une plus grande vitesse. Dans tous les cas, il convient de régler automatiquement le rapport entre la fraction de gaz recyclée et la fraction de gaz déchargée vers le 5 haut en direction des conduits de gaz de gueulard, cette régulation s'effectuant par l'emploi approprié d'un équipement de mesurage du débit et d'analyse des gaz et de mesure de leur température. le procédé de l'invention peut aussi être utilisé 10 avec avantage lorsque le vent soufflé dans le haut fourneau est l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène. Dans ce cas, le gaz prélevé dans la zone marginale de la charge est différent de celui qui s'écoule dans la zone axiale de la cuve du haut fourneau principalement en ce qu'il contient une plus forte propor-15 tion de vapeur d'eau. L'avantage du procédé de l'invention réside alors dans le fait que le gaz ae la zone marginale peut être débarassé de sa vapeur d'eau d'une façon très simple, de sorte que, pour l'élaboration d'un gaz réducteur en provenance d'une quantité donnée de méthane, il peut être recyclé une plus 20 large fraction du gaz de gueulard du fait de l'appauvrissement de ce gaz (COg) en constituants oxydants apprauvisseaent qui est provoqué par son lavage par la vapeur d'eau. La description qui va suivre, et le dessin annexé donné surtout à titre d'exemple non limitatif, feront mieux com-25 prendre comment l'invention peut être réalisée. Sur le dessin annexé, la figure unique illustre sous forme schématique, un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Cette figure unique représente un haut fourneau 1, 30 un réchauffeur de vent associé 2, une soufflante 3 qui assure la circulation du gaz de gueulard à recycler et à régénérer et un récupérateur de chaleur 4 à chauffage indirect et renversement du sens de circulation. La référence 5 désigne la charge (minerai, coke et a-Jditifs) déversée dans le gueulard du haut 35 fourneau, et la référence 6 désigne les produits en fusion (fonte brute et laitier) qui descendent dans le creuset du haut fourneau. Le vend froid et sec est soufflé dans le réchauffeur de vent dans lequel il est transformé en vent chaud 8 qui est soufflé par la couronne de tuyères du haut fourneau. 71 24879 6 2098199 le gaz de gueulard 9 qui se décharge dans la zone axiale du haut fourneau est normalement relativement riche en azote. Ce gaz 9 riche en azote est divisé en un premier courant 9a utilisé pour le chauffage du réchauffeur de vent 2, un deuxième courant 9b 5 utilisé pour le chauffage du récupérateur de chaleur 4 et un ^ troisième courant 9c qui est facultativement envoyé hors de l'installation et normalement utilisé comme gaz combustible. La référence 10 désigne la fraction du gaz de gueulard normalement pauvre en azote qui se décharge par la zone périphérique du haut 10 fourneau et qui, mélangée à un gaz combustible 11 (méthane), est envoyée par la soufflante 3 dans le récupérateur de chaleur 4. Les références 12a et 12b désignent les courants d'air de combustion utilisés pour le brûlage des courants de gaz combustibles 9a et 9b, brûlage qui fournit deux courants de gaz de com-15 bustion 13a et 13b qui sont déchargés à l'extérieur. Le gaz réducteur 14 qui sort du récupérateur 4 est renvoyé dans le haut fourneau. L'équipement preprésenté sur la figure du dessin annexé s'utilise de la façon suivante. Le vent chaud 8, soufflé 20 dans le haut fourneau par les tuyères à vent, forme le gaz de tuyères qui remonte à partir de l'ouvrage dans la cuve du haut fourneau. Dans la zone de fusion 15 qui se situe au-dessus des tuyères, la fonte brute et le laitier sont extraits par fusion du minerai préalablement réduit par le courant de gaz ascendant 25 qui circule dans la cuve. Le gaz réducteur 14 est soufflé par des orifices prévus à cet effet dans la paroi 16 de la cuve juste au-dessus de la zone cie fusion 15. Il en résulte l'établissement dans la cuve de deux courants de gaz. Celui de ces courants qui remonte dans la zone axiale de la cuve est essentiellement un 30 courant de gaz de gueulard, et celui qui remonte dans la zone marginale, ou périphérique, de la cuve est essentiellement formé par le gaz réducteur soufflé au travers de la paroi de la cuve. Apres son émergence par la surface 17 de la charge, le gaz qui circule d'un mouvement ascendant dans la zone axiale de la cuve 35 se aécharge en majeure partie hors'du haut fourneau sous la forme d'un gaz de gueulard 9 riche en azote et s'en va par les conduits de décharge normalement prévus à cet effet à la partie supérieure du haut fourneau. D'autre part, le gaz moins riche en azote qui 71 24879 7 2098199 circule d'un mouvement ascendant dans la zone marginale de la cuve est extrait par des orifices 18 prévus dans la paroi du haut fourneau et qui, dans le mode de réalisation représenté, sont situés au-dessus de la surface 17 de la charge, la fraction 5 10 du gaz de gueulard moins riche en azote est mélangée avec un combustible fluide, en général du méthane et le mélange est refoulé par la soufflante 3 dans le récupérateur de chaleur 4 à chauffage indirect et renversement du sens de circulation. Un gaz réducteur (mélange d'oxyde de carbone et a'hydrogène) se 10 forme par réaction entre le combustible fossile 11 et les constituants oxydants (gaz carbonique et vapeur d'eau) contenus dans le gaz de gueulard recyclé 10. la quantité de gaz réducteur ainsi formée est augmentée par le gaz réducteur non utilisé contenu dans le gaz de gueulard recyclé 10. le gaz réducteur 14 obtenu 15 de la sorte est soufflé dans la cuve du haut fourneau par des orifices 16 prévus dans sa paroi après avoir été porté à une température comprise entre 800 et 1.000°C environ, température qui correspond à celle pour laquelle le récupérateur de chaleur a été réglé. 20 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. 71 24879 8 2098199 REVENDICATIONS 1) Procédé d'utilisation d'un haut fourneau dans lequel un gaz réducteur auxiliaire est soufflé dans la cuve du haut fourneau indépendamment du vent, ce procédé étant caractérisé en ce qu'un gaz régénéré et recyclé pour constituer ledit 5 gaz réducteur auxiliaire est extrait à proximité du gueulard du haut fourneau à une température plus élevée et (ou) à une plus forte teneur en constituants réducteurs que le gaz qui n'est pas recyclé. 2) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce 10 que le gaz à recycler est extrait, par des orifices prévus dans la paroi de la cuve du haut fourneau à proximité de la surface de la charge et à une température pouvant atteindre 700°C environ. 3) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce 15 que le gaz à recycler est extrait du courant de gaz de gueulard au moyen de tubes dirigés verticalement vers le bas au travers de l'espace situé au-dessus de la surface de la charge, les embouchures de ces tubes étant situées juste au-dessus de cette surface. 20 4) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le gaz à recycler est extrait du courant de gaz de gueulard au moyen de tubes dont les embouchures sont situées à l'intérieur de la charge dans la partie supérieure de la cuve du haut fourneau. 25 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le gaz à recycler a une plus faible teneur en azote que le gaz qui n'est pas recyclé. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le vent est soufflé dans le haut four- 30 neau au-dessous de la zone de ramollissement et de fusion du fer, et en ce que le gaz réducteur auxiliaire est soufflé dans le haut fourneau au-dessus de cette zone. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le gaz à recycler est extrait dans une zone 35 latérale du haut fourneau. 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la quantité de gaz extraite pour recyclage est automatiquement réglée en fonction d'un programme prédéter 71 24879 9 2098199 miné au moyen de dispositifs lui imprimant un mouvement dans des conduits de décharge, d'instruments de mesure de son débit et d'appareils d'analyse des gaz. 9) Appareillage pour la réduction d'un minerai de fer caractérisé en ce qu'il comporte : un haut fourneau, une alimentation en vent chaud des tuyères à vent de ce haut fourneau, des dispositifs d'introduction d'un gaz réducteur auxiliaire dans la partie inférieure de la cuve du haut fourneau, des dispositifs de régénération d'un gaz de gueulard destiné à être recyclé, des dispositifs d'extraction de ce gaz de gueulard à recycler situés à proximité de la surface de la charge du haut fourneau ou au-dessous de cette surface dans le cas où la température de ce gaz de gueulard est inférieure à 700°C environ, des tuyauteries de connexion reliant les dispositifs l'extraction du gaz de gueulard à recycler et l'équipement de régénéra -tion de ce gaz, des tuyauteries reliant cet équipement de régénération et les dispositifs d'introduction du gaz réducteur auxiliaire, et ues appareils de mesure, d'analyse, de régulation et de mise en mouvement du gaz à recycler qui assurent l'existence d'un rapport prédéterminé entre la fraction du gaz de gueulard recyclée et celle utilisée à d'autres usages. 10) Appareillage selon revendication 9, caractérisé en ce que les dispositifs d'extraction de la fraction du gaz de gueulard à recycler sont constitués par des ouvertures prévues dans la paroi de la cuve du haut fourneau à proximité de la surface de la charge. 11) Appareillage selon revendication 9, caractérisé en ce que les dispositifs d'extraction de la fraction du gaz de gueulard à recycler sont constitués par des tubes descendant au travers de l'espace rempli de gaz et non occupé par la charge, et dont l'embouchure est située juste au-dessus de la surface de la charge ou à l'intérieur de cette charge. 12) Appareillage selon l'une des revendications 9, 10 et 11, caractérisé en ce que les dispositifs d'extraction de la fraction du gaz de gueulard à recycler sont situés dans une zone latérale du haut fcurneau.