Brevet FR2118949A1 — publié le 19720804

La présente invention a pour objet un procédé de production d'un gaz réducteur porté à une température élevée. Description des procédés antérieurs Des procédés nouveaux de soufflage d'un gaz dans une 5 cuve de haut fourneau ont été proposés tout récemment. Ces procédés comprennent la production d'un gaz réducteur par oxydation d'un pétrole ou d'un gaz naturel par l'oxygène pur. Un exemple de ces procédés est donné par le procédé "Wiberg", proposé en Suède, qui concerne l'élaboration d'un 10 fer spongieux par réduction d'un minerai de fer dans un fourneau à cuve. Le gaz perdu sortant par la partie supérieure du fourneau subit un reformage par réaction du C02 qu'il contient avec le carbone, cette régénération s'effectuant dans un deuxième fourneau à cuve contenant du coke. Le but de ce réformage 15 est de fournir la chaleur additionnelle nécessaire pour la réaction endothermique qui s'effectue par chauffage électrique. Un autre procédé, le procédé "Purofer", se carac- . térise en ce que le gaz perdu sortant par la partie supérieure du fourneau subit un réformage dans deux tours de réformage 20 contenant chacune une couche de catalyseur en vue d'opérer la réduction du minerai de fer dans un fourneau à cuve. Dans ce procédé, le réformage et le chauffage du gaz sont effectués dans le même fourneau. Dans le procédé "Armco", du fer spongieux est élaboré 25 par réduction d'un minerai de fer dans un fourneau à cuve. De plus, dans ce procédé, le chauffage et le réformage du gaz sont effectués dans le même fourneau par mélange du gaz perdu et utilisation de deux cowpers comme dans le procédé Purofer. Dans l'industrie chimique, il a été proposé des 30 procédés de réformage du gaz naturel ou des huiles lourdes par la vapeur d'eau en vue de la production de gaz pour la synthèse de l'ammoniaque, un exemple de tels procédés étant donné par le procédé de l'I.C.I. et par les procédés du type Koppers de réformage du méthane. 35 II a été proposé , -un procédé de production d'un gaz à haute température pour soufflage dans un haut fourneau, procédé dans lequel un gaz naturel, ou une vapeur d'huile 71 45729 2118949 lourde, est partiellement oxydé par l'oxygène pur, mais ce procédé n'est pas satisfaisant en .ce que l'oxydation partielle qu'elle comporte a pour résultat une forte production de suies. Une fraction pouvant atteindre le dixième des suies ainsi 5 produites ne participe pas à la réduction du minerai dans le haut fourneau et se mélange avec le gaz de gueulard» La présence de ces suies diminue fortement l'efficacité des collecteurs de poussières électrostatiques utilisés pour l'épuration des gaz de haut fourneau. De plus, ce procédé, 10 du fait qu'il exige l'emploi de larges quantités d'oxygène pur, augmente le prix de revient du gaz produit. Dans le procédé "Wiberg" d'élaboration directe de l'acier, qui ne comporte pas l'emploi d'un haut fourneau, le gaz carbonique contenu dans les gaz perdus est décomposé par 15 le carbone dans un carburateur contenant une charge de carbone solide. Dans ce procédé, le gaz de combustion du carbone solide doit être extrait périodiquement. Il est par suite impossible d'utiliser ce procédé à l'échelle industrielle et les dépenses qu'il entraîne sont élevées du fait que la chaleur 20 utilisée est fournie par l'électricité. Dans le procédé "Purofer" d'élaboration de fer spongieux dans un fourneau à cuve, il est fait emploi d'un appareil de réformage du gaz du type régénérateur contenant un catalyseur. Le gaz circulant, le gaz naturel, l'oxygène pur et 25 l'air préchauffé sont introduits dans la partie supérieure de l'appareil de réformage en vue d'obtenir le réformage et le réchauffage du gaz, et le gaz réducteur, porté à 1 000°0 environ, est extrait par la partie inférieure de l'appareil, ce gaz étant ensuite soufflé dans la partie inférieure d'un four-30 neau à cuve. Dans ce procédé, le réformage du gaz s'effectue dans un seul et même fourneau. Mais, la réaction du gaz naturel avec le COg âu gaz en circulation est très fortement endo-thermique et si cette réaction s'effectue dans un appareil de réformage unique, elle nécessite le maintien d'une température 35 élevée dans la partie supérieure de cet appareil de réformage, un échange de chaleur s'effectuant dans la partie inférieure à basse température duâit appareil. Il est par conséquent 71 45729 2118949 difficile de maintenir la température du gaz à la valeur désirée supérieure à 1 000°C (et de préférence comprise entre 1 200 et 1 300°C). Cette opération s'effectuant dans un four unique, du fait que le catalyseur est par suite exposé à 5 l'action de la flamme du gaz oxydant à haute température pendant la marche de l'appareil en accumulateur de chaleur, l'efficacité de ce catalyseur risque d'être compromise. Par suite, les seuls catalyseurs qui peuvent être utilisés sont ceux qui ne sont pas susceptibles d'être endommagés dans ces 10 conditions. Du fait que, dans le procédé d'élaboration directe de l'acier, le soufflage dans un fourneau d'un gaz à haute température est la cause de difficultés de fabrication telles que la fusion du fer spongieux dans un fourneau de réduction, il est au contraire préférable de souffler un tel gaz dans 15 un haut fourneau. C'est là la différence essentielle entre les deux procédés. Dans les procédés des types "Purofer" et "Armco", la dénaturation du gaz s'effectue seulement par circulation de ce gaz et d'un gaz naturel. Ces procédés ne sont donc pas utilisables dans les régions où un gaz naturel 20 n'est pas disponible en abondance. Dans une installation produisant 50 tonnes par jour dans laquelle est utilisé le procédé Armco, le gaz perdu sortant par la partie supérieure du fourneau est mélangé avec un gaz naturel en vue de son réformage dans deux échangeurs 25 simplement régénérateurs dans lesquels ni un catalyseur, ni l'oxygène pur, ne sont utilisés. Par suite, la régulation de la température du gaz réducteur s'obtient par introduction d'un gaz froid de dérivation. Ce procédé a été, comme il est classique de le faire, utilisé pour le réglage de la tempéra-30 ture du vent chaud soufflé dans un haut fourneau. Ainsi, il est préférable d'utiliser un gaz réducteur à une température d'environ 1 000°C pour l'élaboration de fer spongieux dans un fourneau à cuve, mais cette façon de procéder n'est pas à préférer dans le cas d'une fabrication en 35 haut fourneau. De plus, ce procédé nécessite l'emploi d'un gaz naturel pour le chauffage d'un régénérateur, de sorte que, dans les régions où un tel gaz n'est pas abondamment 71 ^5729 4 2118949 disponible, il n'est pas d'un emploi pratique et est dispendieux. En d'autres termes, les procédés "Purofer" et "Armco" sont utilisables dans un four d'élaboration directe de l'acier mais sont d'un emploi difficile dans un haut fourneau. 5 les fours de chauffage du type Koppers sont un exemple d'appareils permettant la mise en oeuvre d'un procédé antérieur dans lequel du méthane est chauffé et décomposé par la vapeur d'eau. Ce procédé nécessite un balayage du fourneau par un gaz inerte ou par la vapeur d'eau pour le passage d'une 10 opération de chauffage à une opération de combustion, ce qui en réduit le rendement. L'un dès objets de la présente invention consiste en un procédé de production d'un gaz réducteur utilisable dans un haut fourneau. 15 Le procédé de l'invention pour la production d'un gaz réducteur comprend les opérations suivantes : mélange d'un gaz de haut fourneau contenant du gaz carbonique avec un élément de dégénération contenant un hydrocarbure ; chauffage de ce mélange par son passage dans l'un des deux 20 fourneaux échangeurs de chaleur que comporte, au moins, l'installation ; passage de ce mélange au travers d'un catalyseur contenu dans un appareil de réformage régulateur de la température et la composition du gaz réduoteur obtenu. La description qui va suivre, et les dessins annexés 25 donnés surtout à titre d'exemples non limitatifs, feront mieux comprendre comment la présente invention peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est un schéma illustrant l'un des modes de mise en oeuvre du procédé de l'invention ; et 30 - la figure 2 est un schéma illustrant une modifica tion du mode de mise en oeuvre de la figure 1. La figure 1 des dessins annexés est le schéma d'une installation comprenant au moins deux fours échangeurs de chaleur 1 du type régénérateur et une tour de réformage indé-35 pendante 2, tous situés à proximité d'un haut fourneau 8. Un gaz contenant un hydrocarbure et circulant dans des conduits 4 et un gaz constitué en majeure partie par un gaz de gueu 1 45729 5 2118949 lard et circulant dans un conduit 3 sont d'abord mélangés dans une chambre de mélange ou bien introduis séparément dans des proportions appropriées dans l'un des fours échangeurs de chaleur 1, et sont rapidement portés à une température comprise entre 500 et 600°C de façon à ne pas provoquer une précipitation du carbone» Une partie de ce gaz subit ensuite un réformage dans la partie supérieure à haute température du four échangeur de chaleur. Le gaz mélangé est ensuite envoyé dans la tour de réformage et de régulation de la température 2. Cette tour 2 comporte un brûleur à gaz 7 dans lequel un hydrocarbure 9 est brûlé avec de l'oxygène, ou avec un air enrichi-en oxygène référencé 10, ce qui a pour effet de le porter à une température élevée. Le mélange de gaz traverse ensuite une colonne de catalyseur 5 convenablement protégée et est ainsi finalement transformé par réformage en un gaz réducteur contenant les constituants requis. Il est ainsi possible d'obtenir un gaz réducteur dont la température et la composition sont soumis à une régulation, et le gaz ainsi produit est soufflé dans le haut fourneau. Dans 1'échangeur de chaleur-régénérateur 1 dans lequel vient d'être effectué un cycle donné d'échange de chaleur, le gaz de gueulard et le gaz dont la puissance calorifique a été réglée par un enrichissement en hydrocarbures différents sont brûlés avec de l'air ou de l'air préchauffé, et une opération de régénération se trouve ainsi effectuée. A ce moment, le gaz de gueulard 3 passe dans le brûleur de chauffage 6, le fourneau échangeur de chaleur 1, la soupape 11 et s'échappe par une cheminée 12. Dans la mode de mise en oeuvre modifié de la figure 2, il est utilisé deux tours de réformage et de régulation de la température 2a distinctes, mais le procédé mis en oeuvre est le même. Selon un autre mode de mise en oeuvre non illustré du procédé de l'invention, le fourneau échangeur de chaleur et l'appareil de réformage sont combinés en un même appareil. Deux tels appareils combinés peuvent être prévus dans l'installation et utilisés alternativement. 71 **5729 6 2118949 Le schéma ci-après illustre le procédé de base de l'invention (avec, à titre d'exemple, utilisation d'un gaz de gueulard)» Gaz de gueulard Gaz de four à coke cu CmH2n i ~>Q1 Q 2 (Energie calorifique de chauffage) CpHq + qOr, — pCO + (température) qH2 + Q2 10 cmHpn et CpHq n'étant pas forcément des hydrocarbures identiques. En particulier, CpHq peut être une huile, un goudron, un pétrole brut, un naphta, un gaz naturel liquéfié ou ungaz de pétrole liquéfié. EXEMPLE 1 Dans cet exemple, un gaz de haut fourneau, un gaz de four à coke et un pétrole brut ont été utilisés comme matières premières, avec oxydation partielle de ces matières, pour la production d'un gaz réducteur. 15 20 CO, oo' Hr chJ Hr (1) Composition des matières utilisées Gaz de gueulard Gaz de four à coke 18 24 2 traces 56 3 6 49 36 6 Huile * C 84 H 16 71 **5729 7 2118949 10 (2) Résultats Débit du gaz de gueulard Débit du gaz de four à coke Débit d'huile Débit de 02 Quantité de gaz réducteur produite Température du gaz réducteur Composition du gaz réducteur CO, 00 H£ CH. 4 N, 3,6 £ 44,7 £ 29,5 * traces 22,5 364 m^/hr 182 m5/hr 120 kg/hr 95 rn^/hr 020 m2/hr 187 °C 15 Les mètres cubes indiqués sont des mètres cubes mesurés à 0°C et à la pression atmosphérique normale. EXEMPLE 2 Dans cet exemple, un gaz de haut fourneau et le méthane ont été utilisés comme matières premières, avec oxydation 20 partielle, pour la production d'un gaz réducteur. 25 (1) Composition des matières utilisées Gaz de gueulard Méthane COr 00* Er CH^ IL 18,3 23,9 1.3 traces 57,2 98 2 Huile c H 84 16 30 35 (2) Résultats Débit du gaz de gueulard Débit du CH^ Débit de l'huile Débit du 02 Quantité de gaz réducteur produite 400 m^/hr 80 m5/hr 127 kg/hr 102 m5/hr 1 013 m5/hr 71 45729 8 2118949 Température du gaz réducteur 1 222 ®C Composition du gaz réducteur C02 3,2 £ 00 40,4 * 5 H2 35,2 £ CH. traces 4 No 21,8 £ Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les 10 variantes conformes à son esprit. 45729 2118949 REVENDICATIONS Procédé de production d'un gaz réducteur, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : mélange d'un gaz de haut fourneau contenant du gaz carbonique avec un élément de réformage contenant un hydrocarbure ; chauffage de ce mélange par son passage dans l'un des deux fourneaux échangeurs de chaleur que comporte, au moins, l'installation utilisée ; passage de ce mélange au travers d'un catalyseur contenu dans un appareil de réformage et de régulation de la température ; et admission d'un hydrocarbure partiellement oxydé pour régler la température et la composition du gaz réducteur produit. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de chauffage du mélange s'effectue à une température comprise entre 500 et 600°C pour éviter la précipitation du carbone. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit mélange est partiellement oxydé dans l'appareil de réformage par sa combustion dans l'oxygène.