Brevet FR2105226A1 — publié le 19720428

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un gaz réducteur pour hauts fourneaux . Plus particulièrement , la présente invention se rapporte à un procédé extrêmement avantageux de fabrication d'un gaz réducteur qui peut être utilisé dans les hauts fourneaux , ce procédé permettant d'obtenir un gaz de très haute qualité au point de vue métallurgique . Une exigence très importante dans le domaine métallurgique est celle de réduire le plus possible la consommation de coke dans les hauts fourneaux . La raison de cette nécessité tient au coût croissant du coke métallurgique et dans la difficulté de trouver de la houille ayant les caractéristiques désirées pour la fabrication de coke métallurgique . Dans un haut - fourneau à coke classique , la chaleur nécessaire pour l'équilibre thermique est obtenue , en oxydant,par de l'air , une partie du coke en CO (réaction hautement exothermique) , tandis que la réduction des oxydes de fer s'effectue , à la fois directement par le coke dans la zone à haute température (réaction hautement endothermique ) et par le CD produit dans la zone de température moyenne (réaction légèrement exothermique ) . Il est évident , qu'une fois fixé le p.ré - chauffage de l'air de combustion , les quantités d'air et de coke nécessaires à l'équilibre thermique du haut - fourneau sont définies . Si l'on désire réduire la consommation de coke on peut opérer seulement d'une manière , à savoir , en éliminant complètement ou presque la réduction directe par le coke f en suppléant au manque de gaz réducteur par l'introduction d'un autre gaz réducteur (produit à l'extérieur du haut - fourneau ) au fond de la cuve , c'est-à-dire dans une zone ayant une température d'environ 1DD0°C et où s'effectue le processus de réduction par le CO des oxydes de fer . Les caractéristiques de base auxquelles doit répondre t un 'gaz réducteur pour être utilisé dans un haut - fourneau , sont décrites ci-après : - Il est nécessaire que la température soit d'environ 9QD à 1000°C et que la teneur en CO^ + H^O soit aussi 71 31846 2 2105226 faible que possible , le degré d'utilisation du gaz réducteur étant lié justement à la teneur en H^O et CO^ de celui-ci . - A titre d'exemple , on considère comme excellent un gaz ayant une teneur en CO^ + H^O sensiblement é-gale à 3/o en volume , tandis qu 'un gaz réducteur ayant une teneur en CO^ + H^O de l'ordre de 10$ en volume est très proche de la limite pour laquelle il ne serait plus utilisable pour la réduction dans un haut -fourneau . On sait , en fait , que les produits obtenus par réduc- -tion d'un oxyde de fer au moyen d'hydrogène et de monoxyde de carbone -sont , indépendamment du fer , H^O et CO^ . Les réactiorfe de réduction sont des réactions équilibrées et , 'par suite , en tant que telles , sont influencées défavorablement par la présence dans la phase gazeuse de H^O et CO^ à des pressions partielles élevées . Dans le cas de concentration élevée en gaz réducteur de ces deux composés , le degré d'utilisation de celui-ci est faible en ce sens que , pour certaines valeurs de la pression partielle des deux gaz dans le mélange gazeux , la masse totale du gaz réducteur traverse le haut - fourneau sans subir de changement . Au gueulard de ce haut - fourneau , se trouve , par suite , dans le cas d'un faible degré d'utilisation , de grandes quantités de et CO^ n'ayant pas réagi qui ne peuvent pas être utilisées facilement . La fabrication d'un gaz réducteur , à partir par exemple de méthane comme matière brute , peut s'effectuer essentiellement selon le procédé suivant : - Réformage à la vapeur * - Combustion partielle - Cycle de craquage thermique Parmi ces procédés , seulement les deux premiers donnent de bons résultats . Le procédé de réformage à la vapeur est le procédé , à 71 31846 3 2105226 présent , le plus économique pour la production d'hydrogène à partir de CH^ ou d'essence légère . Néanmoins la nécessité d'avoir un gaz réducteur à une température d'environ 10D0°C , evec une teneur réduite en CO^ et H^O , rend , comme on le sait , complexe et difficile le cycle de production . Le procédé de combustion partielle par l'oxygène est particulièrement approprié pour la gazéification de combustibles liquides lourds . La température de fonctionnement est généralement comprise dans l'intervalle de 12D0DC à 1400°C et le gaz produit peut Être introduit , après léger refroidissement , directement dans le haut-fourneau , même si sa teneur non négligeable en H^O et CO^ abaisse son rendement . Les inconvénients de ce procédé , indépendamment du fait que l'on n'obtient pas une bonne composition du gaz produit , réside dans la consommation d'oxygène qui affecté considérablement le coût du gaz réducteur . La réaction d'oxydation , par exemple , du méthane en CO est légèrement exathermique , mais la chaleur développée n'est pas suffisante pour amener les produits de combustion à la température désirée , qui ne serait atteinte qu'en brûlant en H^O et en CO^ une partie du méthane . Le fort pré - chauffage des réactifs permet de réduire la fraction du CH^ qui est complètement brûlée . Une teneur en CO^ + f^O égale à environ 1% ou supérieure est cependant obtenue . Cette teneur en CD^ et H^O est due , comme on vient de le dire , à la nécessité de porter les produits de combustion partielle à la température désirée ; de plus , elle est due aux pertes de chaleuijfet aux 'xéactions éventuelles de craquage endothermique du combustible avec production de noir de carbone . Ceci implique un accroissement de la quantité de combustible qui doit -être brûlée complètement et, par suite , un accroissement de la teneur en CO^ + H^O des gaz réducteurs. En ce qui concerne les procédés de combustion partielle 71 31846 4 2103226 avec l'oxygène , on doit signaler que la nécessité d'opérer à tempéra ~ tures élevées implique nécessairement des concentrations en H^O + CO^ telles que le degré d'utilisation de ces gaz dans le haut - fourneau soit réduit . 5 Cette concentration peut être notablement réduite lorsque le pré-chauffage du combustible et du comburant s'effectue à des niveaux tels que la quantité de combustible complètement brûlée est plus faible . combustible Pour le pré-chauffage du /. , il y a une limite supé-10 rieure de stabilité qui , dans le cas du méthane , est de 600°C . En ce qui.concerne le comburant , lorsque l'on utilise de l'oxygène , il y a lieu également , pour des raisons de résistance des métaux à l'oxydation , de ne pas dépasser 400 à 5Û0°C . On a découvert , et ceci est l'objet de la présente 15 invention , un procédé de combustion partielle qui permet de produire un gaz réducteur ayant des caractéristiques métallurgiques excellentes sans nécessiter obligatoirement l'utilisation d'oxygène . La présente invention a pour objet . un procédé de fabrication d'un gaz réducteur pour haut-fourneau , ce procédé comprenant 20 l'oxydation partielle classique d'hydrocarbures (par exemple le méthane , le naphta de première distillation , le fuel - oil , etc...) permettant d'utiliser comme comburant.de l'air ou , éventuellement,de l'air enrichi en oxygène , et permettant aussi d'obtenir , avec le milieu de pré -chauffage particulier et/ ou le niveau de pré - chauffage du comburant , 25 un gaz réducteur pour haut - fourneau de très haute qualité , ayant une teneur totale en CO^ + H^O par rapport à l'hydrogène et au monoxyde de carbone présents dans le gaz , inférieure à 5% en volume et , de toute manière^considérablement inférieure à celle que l'on peut obtenir par le procédé classique de combustion partielle avec l'oxygène et , par 30 suite , présentant un degré d'utilisation élevé dans les hauts - fourneaux. Dans le procédé selon la présente invention , on utilise , de préférence , la technique de pré - chauffage de l'air de combustion , typique des hauts - fourneaux (dans les hauts - fourneaux l'air est pré - chauffé à 1200 à 1300°C ou à des températures supérieures 35 dans des régénérateurs de Cowper ) , pour préchauffer le comburant , de 71 31846 5 2105226 préférence l'air , jusqu'à des températures voisines de celles du four de combustion partielle En opérant de cette manière , la teneur en H^D + CD^ du gaz réducteur produit est abaissée à de très faibles valeurs même si le milieu d'inflammation est l'air . Naturellement , d'autres systèmes de pré - chauffage peuvent être utilisés , le niveau des températures de pré - chauffage atteintes dans le procédé selon l'invention étant toujours le même . A ce point de vue , on doit signaler le fait que le pré-chauffage à des températures voisines de celles du four de combustion, que permet le mode de pré-chauffage particulier selon la présente invention , ou un autre système , implique et permet en même temps l'utilisation d'air , puisque la présence de l-'azote inerte n'influence pas ou n'influence que de manière marginale l'équilibre thermique du réacteur et , par suite , la teneur en C0„ + H^O , ce qui évite les inconvénients liés à l'emploi d'oxygène . Selon la présente invention , de manière surprenante , il est possible de réaliser l'élimination de deux très gros inconvénients du procédé de combustion partielle pour la fabrication de gaz à introduire dans le haut - fourneau , à savoir la teneur excessive en CO^ + H^O du g'az réducteur et la consommation d'oxygène , ce qui rend , par suite , le procédé extrêmement concurrentiel par rapport aux procédés connus . Quand , pour des raisons de "remplissage à ras bord" la quantité de gaz introduite dans le haut - fourneau doit être réduite , on opère , dans le procédé selon l'invention , avec de l'air enrichi plutôt qu'avec de l'air seul , comme mentionné ci-dessus . Dans le procédé selon la présente invention , l'air nécessaire à la production de gaz réducteur est généralement pré - chauffé à des températures comprises entre B00 et 1.50Q°C (de préférence entre 1200 et 1400°C) dans des régénérateurs classiques de Cowper , bien connus dans la technique métallurgique . Ce pré-chauffage peut s'effectuer dans les générateurs de Cowper utilisés pour le pré - chauffage de l'air envoyé au fond du haut -fourneau , en dérivant alors l'air de combustion , éventuellement enrichi en 0^ , nécessaire à la combustion partielle , ou dans des généra- 1 31846 2100226 teurs de Cowper différents de ceux du haut - fourneau , ces .générateurs fonctionnant évidemment toujours de manière connue . L'air prê-chauffé et éventuellement enrichi en oxygène , est dirigé sur le réacteur de combustion partielle en même temps que le combustible également préchauffé dans les limites et selon les méthodes connues . Afin de réduire le plus possible la formation de CO^ + H^O , il est préférable que la température de pré-chauffage de l'air de combustion soit supérieure au égale à celle du réacteur de combustion partielle , la gamme de fonctionnement précédemment établie restant toujours la même . Au sortir du réacteur , généralement le gaz réducteur , qui peut contenir du noir de carbone , se trouve à des températures supérieures à celles qu'il doit avoir lors de son introduction dans le haut - fourneau (environ 1D00°C); par suite ce gaz doit être refroidi . Le refroidissement peut s'effectuer en faisant passer le gaz à travers un bouilleur produisant dé la vapeur ou , selon le procédé de la présente invention , par un "quench" (trempe par refroidissement brusque) avec du gaz de four à coke , riche en hydrogène et facilement disponible dans une installation de production d'acier , ou par un quench avec CH^ qui , au cours d'un craquage., absorbe la chaleur et produit de l'hydrogène et du noir de carbone qui sont tous les deux utilisés dans le haut - fourneau . En travaillant également avec du gaz de four à coke , une partie du CH^ qui y est contenu se craque , donnant de l'hydrogène et du noir de carbone qui sont tous les deux utilisés dans le haut - fourneau Cependant , d'autres méthodes de refroidissement peuvent être utilisées . Le gaz réducteur ainsi refroidi est introduit dans le haut - fourneau . Dans un mode de réalisation intéressant du procédé selon l'invention , le pré - chauffage de l'air de combustion s'effectue comme déjà décrit , avec cette différence que la combustion partielle s'effectue A non dans un appareil séparé du haut - fourneau , mais dans une série de tuyères ou plutôt de brûleurs placés à l'intérieur du haut - fourneau , au fond de celui-ci ; dans ce dernier cas , la régulation de température des gaz réducteurs peut s'effectuer , si nécessaire , par injection approprié 71 31846 T 2103226 dans le haut - fourneau d'un gaz de refroidissement , par exemple du gaz de four à coke . On donnera maintenant trois exemples non limitatifs illustrant la mise en oeuvre du procédé de l'invention et se référant g toujours au cas dans lequel des régénérateurs de Cowper sont utilisés pour le pré-chauffage de l'air introduit dans le haut - fourneau et où , de plus , les régénérateurs de Cowper utilisés pour le pré- chauffage dn l'air introduit dans le haut - fourneau sont également employés pour le pré-chauffage de l'air de combustion servant à alimenter le four de 10 combustion partielle . En se référant à la Figure 1 , l'air ou l'air enrichi en oxygène entre par la ligne (1) dans le régénérateur de Cowper (2) tandis que l'autre régénérateur de Cowper (3) se trouve en phase de régénération (les régénérateurs de Cowper en fonctionnement et ceux qui ■] 5 sent en régénération peuvent être multiples comme on l'a dit ci-dessus , deux batteries distinctes de Cowper étant prévues , l'une pour le préchauffage de l'ai alimentant directement le haut - fourneau et l'autre pour le pré- chauffage de l'air de combustion utilisé pour la combustion partielle ) . 20 L'air s'écoulant par la canalisation (4) , préchauffé à des températures voisines de celles de la combustion partielle , est divisé en deux courants , l'un s'écoule par la canalisation (5) , la tubulure (6) et la canalisation (7) et pénètre directement dans le haut -fourneau ; l'autre qui , à travers 1p canalisation (B) pénètre dans le 25 four de combustion partielle (9) , qui , par la canalisation (10) est également alimenté en combustible déjà préchauffé . Le gaz réducteur produit quitte le four (9) par la canalisation (11) , est refroidi en (12) et pénètre dans le fond de la cuve (16) à travers(l3) , (14) et (15) . 30 • Du fond du haut - fourneau , par la ligne (17) , la fonte produite est évacuée tandis que du sommet , par la ligne (18) on évacue le gaz du gueulard . La figure 2 illustre le cas où l'on utilise des brûleurs (21) directement inclus dans le haut - fourneau , 35 Dans cette figure , la référence (20) indique la tubulure de combustible . 1 31846 2105226 Dans la figure 3 , enfin , on illustre le cas où les gaz quittant le four de combustion partielle (9) sont refroidis par "quench" au moyen d'un gaz arrivant par la canalisation (19) , ce gaz étant par exernple un gaz de four à coke Deux exemples numériques du procédé selon la présente invention vont être maintenant donnés en se référant aux figures 1 à 3 sans toutefois limiter l'invention à l'un quelconque des exemples illustrés . Les valeurs indiquées se rapportent à une production de 1000 Kg de fonte . -EXEMPLE 1 - En se référant à la figure 1 , on fait passer dans le 3 régénérateur (2) 1420 m normaux d'air et oh porte leur température de 40°C à 1250°C . Par la canalisation (5) , on alimente directement le 3 3 haut - fourneau avec 600 m normaux , le rest e , soit 820 m normaux ; sont dirigés par la canalisation (B) sur le four de combustion partielle (9) dans lequel , à travers la canalisation (10) , on introduit également 3 316 m normaux de CH^ , préchauffé à 600°C . • , 3 De la sortie du four (9) on évacue 1590 m normaux de gaz .à 1200DC , le gaz ayant la composition suivante en volume : H2 37,B9 % C0 19,42 % CH4 0,20 % N2 40,62 % C02 0,31 % H20 1,56 % 'On fait passer ce gaz à travers le bouilleur (12) où il est refroidi jusqu'à 1000°C et est ensuite introduit dans le haut - fourneau . -EXEMPLE 2 - En se référant à la figure 3 on fait passer 1278 m 71 31846 9 2103226 normaux d'air dans le régénérateur (2) et on élève sa température de 40°C à 1250°C . On alimente directement le haut - fourneau , à travers 3 3 la canalisation (5) avec 600 m normaux , le reste , soit 67B m nor -5 maux , est dirigé , par la canalisation (8) ,vers le four à combustion partielle (9) dans lequel , à travers la canalisation (10) on introduit 3 261 m normaux de CH^ préchauffé à 600°C . 3 A la sortie du four (9) , on obtient 1315 m normaux de gaz à 120D°C , ces gaz ayant les compositions indiquées à l'exemple 1 3 10 à ces gaz on ajoute , par la canalisation (19) , 1B5 m normaux de gaz ayant une température de 25°C et répondant à la composition suivante , En volume : H2 56,95 % 15 CO C°2 4,75 % '3, BO % CH4 23,BO % N2 5,70 % H2° 5,00 % 20 On obtient ainsi en volume , la composition suivante 3 1520 m normaux de H2 42,54 % CO C°2 17,36' % 0,73 % CH4 1,62 % 25 N2 35,80 % H2° 1 ,95 % • La teneur en noir de carbone étant i normal de gaz . Ce gaz sert à alimenter le haut - fourneau . 1 31846 0 2103226 - REVENDICATIONS 1/ - Procédé de fabrication de gaz réducteur pour haut - fourneau , ayant une faible teneur en H^O + CO^ , caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Préchauffage du comburant utilisé dans le four de combustion partielle où est produit le gaz réducteur , de préférence au moyen de régénérateurs de Cowper , connus dans la technique métallurgique , ou par tout au tre système de préchauffage permettant de porter le comburant à des températures proches soit au-dessus , soit au - dessous , de préférence au-dessus , de celles de la combustion partielle ; - Alimentation du four de combustion partielle au moyen de ce comburant pré - chauffé et en combustible également préchauffé . - Refroidiss-ement , si nécessaire , des gaz obtenus à la température appropriée pour leur introduction dans le haut - fourneau ; - Alimentation du haut - fourneau par ces gaz . 2/ - Procédé de fabrication de gaz réducteur pour haut -fourneau , selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le comburant utilisé dans le four à combustion partielle-est de l'air ou de l'air enrichi en oxygène . 3/ - Procédé de fabrication d'un gaz réducteur pour haut - fourneau selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le combustible dans le four à combustion partielle est CH^ , du naphta de première distillation , du fuel - oil ou un autre hydrocarbure . 4/ - Procédé de fabrication de gaz réducteur pour haut -fourneau selon l'une des revendications 1 et 2 , caractérisé en ce que le pré - chauffage de l'air d'alimentation du four de combustion partielle peut s'effectuer dans les générateurs de Cowper du haut - fourneau où l'air servant à alimenter le fond du haut fourneau est préchauffé,en divisant alors l'air en deux courants^ou en ce que l'on utilise deux batteries de régénérateurs de Cowper distinctes pour pré-chauffer les deux courants d'air » 71 31846 2105226 5/ - Procédé de fabrication d'un gaz réducteur pour haut - fourneau selon l'une des revendications 1 , 2 et 3 , caractérisé en ce que le pré-chauffage de l'air de combustion servant à alimenter le four de combustion partielle atteint des températures comprises entre 800 et 1500°C , de préférence entre 12D0°C et 1400CC . 6/ - Procédé de fabrication d'un gaz réducteur pour haut - fourneau selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le refroidissement des gaz quittant le four de combustion partielle , lorsqu'il en est prévu un , s'effectue en faisant s'écouler le gaz à travers un bouilleur , pour la production de vapeur . 7/ - Procédé de fabrication d'un gaz réducteur pour haut - fourneau selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le refroidissement des gaz quittant le four de combustion partielle , lorsqu'il y en a un , s'effectue par injection dans la nasse gazeuse de gaz riche en oxygène , par exemple un gaz de four à coke . 8/ - Procédé de fabrication de gaz réducteur pour haut -fourneau selon l'une des revendications précédentes , caractérisé en ce que la combustion partielle s'effectue de manière à obtenir dans le gaz réducteur un certain pourcentage de noir de carbone . 9/ - Procédé de fabrication de gaz réducteur pour haut - fourneau selon l'une des revendications précédentes , caractérisé en cfi que la combustion partielle ne s'effectue pas dans un appareil séparé du haut - fourneau , mais dans une série de tuyères ou plus précisément de brûleurs , disposés à l'intérieur du haut - fourneau au fond de la cuve ; dans ce cas , le réglage de température des gaz réducteurs s'effectue par injection appropriée , dans le haut - fourneau , de gaz froid , par exemple de gaz de four à coke .