Brevet FR2119003A1 — publié le 19720804

La présente invention concerne un procédé pour obtenir un minerai ie fer réduit directement ou ce qu'on appelle le fer spongieux par réduction du rainerai de fer sans utilisation du coke métallurgique pour la réduction comme dans le procédé 5 classique du four à insufflation,, On peut efficacement charger le produit selon le présent procédé dans un four à insufflation comme matériau pré-réduit à la condition que la quantité et la composition de la matière de gangue et la quantité de soufre présents soient appropriées, on peut aussi l'utiliser comme 10 succédané des rognures dans la fabrication de l'acier. On peut préparer des briquettes à partir des matières réduites de granulation fine. Jusqu'à présent, on a fait diverses propositions sur ce sujet. On peut citer comme procédés de réduction de minerai 15 de fer de granulation fine, basés"sur des techniques du lit fluidisé à basse température, le procédé H-fer (pour une granu-lométrie de 0,84 à 0,074 mm), le procédé Nu-fer (pour granulo-métrie de 2 mm) et le procédé PIOR. le brevet japonais n° 9979/68 a décrit un procédé à 20 pastille composite (pastille de minerai de fer et de charbon) basé sur un système à lit fluidisé à température élevée. Toutefois, tous ces procédés de la technique antérieure pour la réduction de minerai de fer de granulation fine souffrent de l'inconvénient que le minerai pulvérulent se fritte à tempé-25 ratures élevées, ce qui empêche 1'application de températures élevées au lit fluidisé. la température la plus élevée possible pour le procédé H-fer est de 480°G, celle de la technique Nu-fer se situe entre 600 et 750°G et celle du procédé PIOR est comprise entre 705 et 815°0. Ceci entraîne une vitesse de réaction 30 lente et un séjour prolongé dans la zone de réduction pour le minerai de fer. Comme résultat, il est nécessaire d'avoir un gros appareil de réaction, disproportionné par rapport à la production. Le minerai de fer exige une durée de séjour dans le lit fluidisé de 13 h f dans le cas du procédé H-fer, d'envi-35 ron 18 heures dans le cas du procédé Nu-fer et de 17 à 34 heures dans le cas du procédé PIOR. On ne peut utiliser le Co comme gaz réducteur dans une gamme de température relativement basse. 71 46118 2 2119003 Ceci en raison du fait que du carbone se dépose conformément à la réaction 2 CO >*C + CC^ dans une gamme de température de 500-700°C, ce qui amène l'atmosphère proche de l'équilibre de réduction du fer, ralentissant donc la vitesse de réduction 5 et donnant naissance à des difficultés en raison du carbone déposé. D'une façon générale, la réduction à base de CO est moins avantageuse que la réduction basée sur H2 dans la gamme de température indiquée précédemment en raison de la vitesse de 10 réduction remarquablement plus grande de Hg* En conséquence, un gaz qui présente Hg comme composant principal est préféré, la réduction basée sur H2 a cependant ses inconvénients propres. Etant donné que ce procédé repose sur une réaction endothermi-que, on doit fournir de la chaleur à l'appareil de réaction et 15 Hg présente une plus faible proportion de réaction d'équilibre que CO dans la gamme de température désirée bien que la différence de réaction entre les deux varie en fonction de la température appliquée. (Ceci est montré par les deux types d'équili- co2 h2o bre de réduction : gQ' + gg- et g—-+ H Q )a De plus, comme le 20 minerai de fer se trouve sous forme de poudre fine, la vitesse de l'écoulement gazeux doit être conservée faible et le volume gazeux par unité de surface de l'appareil est limité. Par conséquent, si la proportion entre le gaz et le minerai est fixée à une valeur prédéterminée, la hauteur du lit fluidisé doit 25 être conservée à un niveau très bas. En opération réelle, la vitesse d'écoulement du gaz est conservée faible en augmentant la pression du lit fluidisé et en diminuant le volume du gaz fourni, avec pour résultat que plusieurs centaines de tonnes de minerai de fer peuvent être traités par jour. 30 Quant aux inconvénients du procédé à pastille compo site, basé sur un lit fluidisé à température élevée, il est difficile de manier les pastilles brutes, parce qu'elles se brisent facilement en raison de l'absence de grillage. Il est de plus impossible de pré-chauffer les pastilles parce que le 35 charbon commence à se décomposer vers 400°C. Il en résulte que la chaleur importante du gaz d'échappement ne peut être utilisée dans le pré-chauffage des matériaux concernés. èad original 71 46118 3 2119003 La présente invention se propose de surmonter ces difficultés impliquées par la technique antérieure«, Elle concerne un procédé de réduction directe du minerai de fer ou de matières d'oxyde de fer similaires (désignés ci-après pour 5 simplifier par : "minerai de fer") à l'aide de lits fluidisés. Par opposition aux techniques classiques, la présente invention adopte les étapes de granulation ou de concassage du minerai de fer en grains d'une dimension moyenne supérieure à 3 mm de diamètre, le préchauffage des grains à température élevée 10 appropriée dans un pré-réchauffeur, leur déversement dans un lit fluidisé à température élevée (habituellement à étages multiples) et leur réduction à l'état fluidisé à l'aide d'un gaz réducteur. Cette opération est du type continu et non du type par lots. Dans ce procédé, la température la plus élevée 15 dans le lit fluidisé, c'est-à-dire la température à laquelle la réaction de réduction donne du fer métallique, est comprise entre 900 et 1200°C, la valeur exacte étant déterminée à la lumière des divers facteurs impliqués. La présente invention sera décrite ci-après par la 20 présentation de diverses structures caractéristiques, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente un organigramme schématique d'un système à plusieurs étages de lit fluidisé selon la présente invention ; 25 - la figure 2 représente un organigramme schématique d'un autre système selon la présente invention ; - la figure 3 représente un organigramme schématique d'un système similaire à celui de la figure 1, et - la figure 4 représente un organigramme schématique 30 similaire à celui de la figure 2. Dans la figure 1, le minerai de fer (1) est chargé depuis une trémie (2) vers un appareil (3) de préchauffage de type à lit mobile par une bande transporteuse de façon à assurer une distribution uniforme. Apres avoir été préchauffé 35 dans l'appareil de préchauffage, le minerai de fer est amené vers des lits fluidisés en plusieurs étages (7) en continu et quantitativement par une vis (6). Par simplicité on n*a repré- BAD ORIGINAL?^ 71 46118 4 2119003 sente que deux étages de lits surla figure 1 mais on utilise généralement trois ou plusieurs étages. Le chiffre 8 représente un distributeur pour les courants gazeux qui fluidisent les particules (9) de minerai de fer dans le lit fluidisé. Les^ 5 produits (10) sont déchargés à la partie basse du lit fluidisé par une vis (11). Le gaz (12) pour fluidiser les particules de minerai de fer est préparé dans l'appareil de gazéification (.14) à partir de matières fournissant du gaz (13) comme l'air (ou de l'oxygène pur), un hydrocarbure (comme une huile lourde)' 10 et de la vapeur. Le gaz de soctie (15) provenant du lit fluidisé s'écoule dans le dispositif de préchsuffage par une conduite (16) et fonctionne pour préchauffer la matière de minerai de fer et est ensuite rejeté. La figure 2 présente une autre structure de lit flui-15 dise dans laquelle le rainerai de fer (1) est chargé directement dans le lit fluidisé (2). Le lit fluidisé n'est pas muni d'une distribution de gaz» Dans ce système, le courant gazeux est distribué par le lit mobile (3) relié directement au fond de ce lit fluidisé. La section du lit fluidisé (2) et la section du 20 lit mobile (3) de la figure 2 présentent entre elles une section rétrécie de sorte que le même volume de flux gazeux conduise à des vitesses différentes dans les deux sections, de façon à ce que le gaz s'écoule plus vite dans la section 2 que dans la section 3, ceci effectuant la fluidisaticn dans la section 2 25 alors qu'elle ne se produit pas dans la section 3» On insuffle de l'air (4) dans le lit fluidisé à travers le préchauffeur (5), la conduite annulaire (6) et la conduite dérivée (7), fonctionnant pour brûler le gaz réducteur et fournir la chaleur au lit fluidisé. Le lit mobile reçoit le gaz réducteur (8) par une 30 buse d'insufflation (9). Le gaz réducteur est préparé par charge d'un mélange (1o) de gaz de pétrole liquéfié et d'air dans l'appareil de production de gaz (11) et on y provoque la réaction. Les produits (12) sont déchargés par la cuve de refroidissement (13) et la vis (14). Gomme il a été indiqué ci-dessus, 35 le gaz réducteur, après en avoir fait un courant uniforme s'écoule dans le lit fluidisé, fluidisé les particules qui s'y trouvent et est déchargé par la conduite (15) et le cyclone (16). La poussière recueillie dans le cyclone est déchargée par ouverture intermittente de la vanne (17). BAD ORIGINAL j 71 46118 5 2119003 La figure 3 présente la structure de l'étage intermédiaire d'une série de lits fluidisés à étages multiples construits de façon différente de celle présentée à la figure 1o La partie définie par les traits en pointillés A-A' et B-Bf 5 constitue une unité (un étage)» Dans ce système, le gaz réducteur (1) pénètre dans le lit fluidisé après avoir été séparé de la poussière dans le cyclone en dessous» y fluidisé les particules (2), la poussière est éliminée dans le cyclone (3) et le gaz pénètre dans le lit fluidisé de l'étage supérieurs 10 Les particules (un mélange de produits intermédiaires de divers degrés de métallisation, produits au cours de la réduction du minerai de fer) sont transportées vers des lits fluidisés successivement inférieurs et retirés en continu par une conduite de débordement (4). 15 La figure 4 présente une variante du type de lit fluidisé présenté à la figure 2. Dans ce système le minerai de fer (1) est d'abord chargé dans le premier lit fluidisé (2)c Après un séjour pendant un délai prédéterminé, le minerai de fer est chargé dans le second lit fluidisé (4) par la conduite 20 de débordement (3). Après un délai de séjour prédéterminé dans le second lit, le minerai de fer se déplace vers le fond du lit mobile (5J» arrive dans le lit de refroidissement (6) et sort comme produit fini (7). Le premier lit fluidisé reçoit le gaz réducteur (8) par un distributeur (9)» Le second lit flui-25 disé reçoit un gaz réducteur (10) dont le potentiel de réduction est plus élevé que celui chargé dans le premier lit, depuis le lit mobile par une conduite d'alimentation '.11)* Le gaz de sortie provenant des deux lits fluidisés est déchargé par des conduites (.12 et 13) dans un dispositif de récupéra-30 tion de chaleur. On va maintenant décrire deux exemples utilisant l'appareil présenté à la figure 2. EXEMPLE 1 (1) Matière premxère : pastilles séchées (.teneur en 35 eau inférieure à 0,5 1") préparée par addition de 2 fo de ben-tonite à du laitxer de pyrite» bad original' 71 46118 2119003 (2) composition du laitier de pyrite en poids) Total Fe FeO FegO^ Total oxyde de fer 55,98 3,81 75,au 79,61 (3) diamètre de la matière première : 4 à 6 mm (moyenne 5 mm 0) pratiquement de forme sphérique. (4) Appareil : forme telle que présentée à la figure 2, diamètre : 80 mm (partie la plus étroite), hauteur efficace : environ 500 mm, matériau de construction ; acier résistant à la chaleur, chauffage de l'extérieur, rte ar^i'four 'S..0« (3) Production : 3 kg/heure (basé pur le Fe) » (6) Durée du séjour : 20 minu+rr (r?/:ysr-ne) dsr.s le lit fluidisé 100 minutes dans le lit mobile» (7) Composition du gaz insufflé ftrole 1o) h2 îî2 CO co2 CH^ 16,6 63,2 15,2 3,7 1,3 (8) Température réactionnelle : lit fluidisé : 104G°C, lit mobile : 960°C. (9) Degré de métallisation du produit : 79,1 EXEMPLE 2 (1) Matière première : pastilles sèches (teneur en eau inférieure à 0,5 $>) préparées par addition de 2 $ de benxonite à un concentré Marcona. (2) Composition du Concentré Marcona ($ en poids) Total Fe FeO Fe20^ Total oxyde de fer 68,48 27,08 67,37 94,45 (3) Diamètre de la matière première : 10 à 15 mm (moyenne 12,5 mm de 0) pratiquement de forme sphérique, (4) Appareil : comme à l'exemple 1. (5) Production : 3,5 kg/heure (basé sur Pe). (6) Composition du gaz insufflé en mole °Jo : H2 Kg CO C02 CH4 18,6 60,9 15,3 3*9 1,3 (7) Température réactionnelle : lit fluidisé : 1060°C, lit mobile 980°Co (8) De gré de métallisation du produit : 71,1 BAD qftlglnal 71 46118 2119003 Une explication supplémentaire va être jointe à ce qui a été exposé précédemment concernant le diamètre mcyen de la matière de minerai de fer (supérieur à 5 mm) et à la température la plus élevée dans le lit fluidisé (900-12Q0°0). La 5 matière première dont le diamètre est inférieur à 3 mm en moyenne a tendance au frittage parce que la condition du lit fluidisé impliquée est similaire à celle d'un lit classique contenant des grains fins, et ceci tend, à faire perdre les mérites de la présente invention» Bien qu'en principe, il n'y 10 ait aucune limite supérieure à établir pour le diamètre moyen des grains, il est évident que de plus gros grains nécessitent une plus grande vitesse des flux gazeux. Industriellement parlant, des .rrains inférieurs à 20 mm de diamètre sont préférables, et la limite supérieure est de 30 mm. En se tournant vers 15 la question de la température, uné réaction rapide dans le lit fluidisé qui est l'une des caractéristiques de la présente invention, ne se produit pas avec une température inférieure à 900°C, ce qui conduit à inconvénient économique» L'autre part, la matière de minerai de fer dans le lit fluidisé se ramollit 20 à température supérieure à 1200°C, ce qui l'empêche d'être fluidisé. Les exemples précédents sont basés sur les résultats d'expériences conduites à l'aide d'un appareil à petite échelle. En raison de l'utilisation d'air au lieu d'oxygène pur pour le 25 préparer, le gaz réducteur insufflé contient, environ 60 $ de Ng qui est inerte. Néanmoins, on obtient un résultat notable qui est que la proportion de la métallisation atteint 70-80 Si on utilise du gaz réducteur dépourvu de Ng» la proportion de métallisation augmente naturellement. 30 Comme il a été décrit précédemment, la présente inven tion présente un procédé pour obtenir du fer réduit (fer spongieux) avec un bref délai de séjour en fournissant un lit fluidisé à température élevée comprise entre 900 et 120C°C. C'est parce que les grains du matériau utilisé ont un diamètre 35 moyen supérieur à 3 mm par opposition au procédé classique utilisant une poudre fine, qu'il ne se produit pas de frittage malgré la température élevée dans le lit fluidisé (et aussi dans le lit mobile). BAD ORiGl^ A-fc1^ 71 46118 2119003 Bien qu'on n'ait présenté que quatre systèmes caractéristiques aux figures 1 à 4 en vue d'expliquer la structure de l'appareillage selon la présente invention, des combinaisons diverses de ces systèmes conviennent également (un lit fluidisé à plusieurs étages relié directement à un lit mobile par exemple). Quant à la façon d'utiliser le gaz de sortie qui n'a pas été complètement étudiée précédemment, les procédés suivants sent illustratifs mais nullement exclusifs : (1) recyclage du gaz froid en utilisant la chaleur sensible du gaz ; (2) abandon du gaz hors de l'appareil en une passe après utilisation de la chaleur sensible et de la chaleur latente dans les conditions incidentes ; et (3) refroidissement du gaz pour d'autres conditions après utilisation de la chaleur sensible (et une partie de la chaleur latente) dans des conditions incidentes. le meilleur choix sera fait parmi les procédés précédents après avoir pris en considération les facteurs suivants : (1) volume du gaz à insuffler dans le rapport entre le volume de gaz et de solide ; (2) composition du gaz ; et (3) situation générale de la fourniture et de la demande d'énergie impliquant l'usine entière dans laquelle on applique la présente invention. BAD ORIGINAL 71 46118 2119003 REVENDICATIONS Procédé de réduction directe en vue de la production de fer spongieux, caractérisé en ce qu'on granule ou concasse un matériau contenant de l'oxyde de fer en grains dont le diamètre moyen est d'au moins 3 qu'on chauffe au préalable cette matière granulaire dans une chambre de préchauffage, qu'on charge la matière préchauffée dans un lit fluidisé dont la température est comprise entre 900 et 1200°C et qu'on réduit au moins substantiellement cette matière préchauffée dans le lit fluidisé en y faisant passer un gaz réducteur. Procédé selon la revendication 1, caractérisé an ce que le lit fluidisé comprend un lit à étages multiples» Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on chauffe au préalable la matière granulaire dans un réchauffeur à lit mobile. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe la matière granulaire et qu'on la pré-réduit en lit fluidisé et qu'on la fait passer à travers une zone rétrécie dans une zone de réduction à lit mobile à travers lequel on charge un gaz réducteur. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on chauffe au préalable la matière granulaire dans un réchauffeur à lit fluidiséo Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3; caractérisé en ce que le gaz réducteur comprend un mélange de gaz de pétrole liquéfié et â'air0 Procédé selon la revendication 21 caractérisé en ce que le gaz réducteur sortant d'un étage du lit fluidisé fournit au moins une partie du gaz réducteur dans un étage adjacent du lit fluidisé à étages multiples0 Appareil utilisable lors de la production de fer directement réduit, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de préchauffage, des dispositifs pour alimenter la chambre de préchauffage en matériaux contenant de l'oxyde de fers ■ - |f BAD ORIGINAL 71 46118 2119003 une chambre à lit fluidisé dont la température est comprise entre 900 et 1200°C ; des dispositifs pour charger la matière depuis la chambre de préchauffage dans la chambre à lit fluidisé, des dispositifs pour fournir un gaz chaud dans la chambre préchauffée, des dispositifs pour fournir un gaz réducteur chaud dans le lit fluidisé, des dispositifs pour retirer le produit réduit du lit fluidisé et des dispositifs pour évacuer les gaz de la chambre à lit fluidisé» q« À .pareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une trémie de charge contenant le matériau contenant l'oxyde de fer, des dispositifs convoyeurs pour charger uniformément la matière dans une chambre de préchauffage de type à lit mobile, et en ce que le lit fluidisé est un système de lit fluidisé à étages multiples, 10. Appareil selon la revendication 9> caractérisé en ce que les lits fluidisés sont pourvus d'un distributeur de sorte qu'on puisse régler le flux de gaz réducteur à travers ces lits. •> 1 „ Appareil selon la revendication 8, caractérisé er ce qu'on chauffe la matière d'oxyde et qu'on la pré-réduit dans un lit fluidisé, que le lit fluidisé est pourvu d'une section basse rétrécie en relation avec un lit mobile er 12» Appareil selon la revendication 11, comportant ur:e cuve de refroidissement adpatée pour recevoir des produits solides provenant de la section finale. 13c Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le lit fluidisé est un système de lit à étages multiples et comportant des dispositifs pour faire passer un gaz réducteur à travers un premier étage dans le système, un cyclone adapté pour recevoir le gaz effluent provenant du premier étage et éliminer les particules de poussières qui bad original 71 46118 2119003 ont été entraînées et des dispositifs pour faire passer le gaz réducteur nettoyé depuis le cyclone dans un second étage du lit fluidisé du système* 14. Appareil selon la revendication S, caractérisé en ce que 5 la chambre de préchauffage comporte un lit fluidisé muni d'un distributeur pour régler la vitesse du flux de gaz, et en ce que la matière réduite provenant de la chambre à lit fluidisé passe à travers une section rétrécie dans un lit mobile de section droite plus importante à travers 10 laquelle s'écoule un gaz réducteur. BAD OfHlGiNAL