Brevet FR2197985A1 — publié le 19740329

Les fours ERIM développés depuis la création des procédés de carbonisation et suivant brevets X 885257 et suivants, ont donné lieu a des opérations où le produit qui descend dans le four à cuve est soumis à une atmosphère constamment réductrice. Il faut toutefois apporter une certaine quantité de calories dans la par- tie médiane du four et ceci est obtenu par l'injection suivant une technique appropriée, d'air comburant dans le four. Le développement calorifique se fait donc par la combustion partielle des gaz réducteurs du four : la méthode et la technologie développées dans le procédé BRIM permet de garder au gaz ses qualités réductrices de telle sorte que la cokéfaction des combustibles se produit sans bruler ceux-ci. Suivant le procédé ERIM décrit dans la demande de brevet n0 7208574 on réalise dans le four à cuve la réduction des minerais de fer, ctest-à-dire qu'on maintient les morceaux de minerai dans une atmosphère dont la teneur en CO et H2 reste très élevée pour permettre de poursuivre la réduction de la vtlstite. Or il faut apporter dans cette zone une partie des calories nécessaire au procédé c'est-a-dire destinées aux besoins de la réduction et aux pertes thermiques. De plus il est avantageux de faire cet apport calorifique par la combustion d'une fraction des gaz réducteurs par de l'oxygène pur afin de ne pas introduire d'azote dans le circuit des gaz recyclés.Enfin la nécessité d'éviter les points chauds qui auraient pour résultat de faire fondre le produit oblige à une répartition des calories, ce qui oonduit à adopter des dispositions particulières pour introduire l'oxygène pur et pour répartir les matières dans la cuve. A - Introduction dea calories dans la zone médiane du four PLATCHL I L'oxygène pur est introduit de manière particulière soit à l'aide de tubes de petits diamètres, soit à l'aide de briques ou de bouchons poreux (1). L;} combustion du gaz circulant à la paroi intérieure (6) de la cuve (2) donne lieu d'3bord à une combustion oxyda-nte. L'introduction d'oxygène pur au niveau intermédiaire peut se faire de trois manières différentes suivant le pouvoir réducteur que l'on désire maintenir aux gaz circulant dans le four. En effet le rapport H2 + CO appelé pouvoir réducteur des H2 + H20 + CO + *2 gaz, est de l'ordre de 95% à la base du four. Pour réduire la wüstite le pouvoir réducteur doit rester de l'ordre de 80% environ la limite inférieure étant de l'ordre de 700. 1) - On peut dans quelques cas particuliers introduire l'oxygène sous la forme divisée indiquée ci-dessus à condition que la vitesse des gaz recyclés soit très importante par rapport à celle de l'oxygène qui doit être toujours extrèmement faible. 2) - On peut aussi introduire les calories nécessaires au niveau intermédiaire par la combustion avec l'oxygène d'une partie du gaz de recyclage prélevés froids à layas9 du four. Le rapport oxygène/gaz doit être tel que la température de combustion ne crée pas de points chauds provoquant la fusion des matières. Le rapport des volumes est environ 14 volumes de gaz pour 1 volume d'oxygène. Le C02 et H20 formé par cette combustion est dilué par l'excès de gaz et se mélange de plus au gaz réducteur circulant de bas en haut dans le four : le pouvoir réducteur qui en résulte reste de l'ordre de 85C,. 3) - Il est avantageux de ne pas laisser le C02 et H20 formé par la combustion se diluer dans le gaz réducteur mais d'en assurer de suite la transformation partielle en CO et H2 par du carbone, réaction endothermique qui diminue la température de combustion. Une méthode originale consiste à introduire oxygène pur sous une forme très divisée et à très faible vitesse, à laide de petits tubes réfractaires ou de bouchons poreux et à faire circuler à la paroi intérieure du four une couche de coke ou de réducteur solide, descendant avec la charge (5) donc préchauffé. cette température le C02 et H20 formé par la combustion du gaz est réduit en CO et H2 dans une proportion importante. Le transfert des calories à la charge s'opère de la manière suivante La réaction avec le gaz est d'abord : CO + 802 = C02 + 67,7 cal puis en présence du coke : C02 + C = 2CO - 41,1 cal et une opération analogue à lieu avec l'hydrogène. On introduit donc en fait dans la charge un volume de gaz CO égal au double du volume d'oxygène soufflé et avec transfert de 53,2 calories par molécule d'oxygène introduit. Cet apport de calories à la masse des matières se fait de manière diffuse sans formation de points chauds au niveau du minerai. B - Distribution des matières dans la cuve et circulation des gaz Planche II Il résulte de ce qui précède que les gaz réducteurs qui apportent les éléments nécessaires à la réduction du minerai doivent être distribués convenablement dans la masse du minerai à traiter. En effet les gaz recyclés qui apportent également les éléments nécessaires à la réduction, ctest-à-dire H2 et CO sont introduits à la bse du four et sont donc préchauffés par les matières quand ils arrivent au niveau de la zCne de réduction II. Dans la mite, la nasse de gaz traversant la zCne de préchauffage des matières solides (I) est supérieure à la masse de gaz traversant la zone de refroidissement des produits (III). Par contre la masse des matières solides traversant la z8ne I est plus grande que celle traversant la zCne III. Un équilibre thermique par :8ne est donc naturellement atteint. Il faut toutefois apporter grâce aux réactions qui se développent dans la zine III les calories de réduction du minerai de fer et compenser les pertes thermiques de l'installation : 1) - ainsi qu'il est décrit ultérieurement le four est prévu pour pré chauffer fortement le minerai chargé s ceci est obtenu par la combustion totale avec de l'air, d'une partie des gaz de recyclage.Le gaz dont le pouvoir réducteur est déja partiellement épuisé par la réduction du minerai est brulé en totalité k la base de la colonne de chargement du minerai. Le minerai arrive donc oxydé et b haute température dans la stne de réduction. 2) - Le combustible (charbon flambant par exemple) est chargé séparément du minerai et est parcouru par les gaz recyclés et dlauds, il perV ses matières volatiles qui sont mélangée au gaz recyclé. 3) - Les gaz de recyclage introduits à la base du four et résultant de l'opération précédente, suivie éventuellement d'un Réforming ainsi qu'il est décrit plus loin, coaportent un rapport H2/CO variable suivant le combustible utilisé, mais correspondant par exemple à un rapport 1/4 H2 pour 3/4 CO. Avec cette composition la réduction de l'oxyde de fer se fait théoriquement sans apport calorifique extérieur. Les chaleurs de réaction rapportées à une mtme quantité de fer sont en effet : avec CO 4 Fé203 + 12 CO = 8 Fe + 12 C02 ±31,6 cal avec H2 4 Fe203 + 12 H2 = 8 Fe + 12 H20 - 87,2 cal En pratique il faut disposer d'un peu d'énergie thermique supplémentaire. Il résulte des trois points évoqués ci-dessus que la quantité de chaleur, et donc d'oxygène, à introduire dans la zone médiane du four est relativement faible. Toutefois lestransfertsde chaleur entre gaz et solides sont essentiels. Ceux-ci doivent se faire, de telle sorte que les calories développées au niveau périphérique du four par les réactions décrites précédemment soient transférées au minerai. Ces calories correspondent sensiblement à celles développées par la combustion de 50 Kg de carbone par tonne de fer et les gaz provenant de la périphérie doivent traverser la masse du minerai. Alors que dans un four ERIM classique on réalise le transfert de chaleur en travaillant sur une tranche de produits n'excédant pas 50 cm d'épaisseur, l'augmentation de production dans un four ERIM de grande capacité, conduit à utiliser un four à cuve circulaire ce qui oblige à soutirer les gaz au centre du four et non k la périphérie pour éviter k ceux-ci de cheminer à la paroi. Il est à noter que suivant une disposition décrite précédem- ment une zCne de coke (1) ou réducteur solide est chargé à la périphérie et constitue contre la paroi une couche de quelques dizaines de centimètres d'épaisseur cette couche diffuse les calories crées dans la z8ne II en évitant les collages métalliques. La couche de coke contribue non seulement à éviter tout collage sur la paroi mais aussi à diminuer les pertes thermiques du four. En effet la circulation des gaz dans la zCne I est faite vers le centre de l'appareil et aucun gaz n'est soutiré k la partie supérieure de la zCne de coke(1). Il est rappelé d'autre part que le coke chargé de la sorte est prélevé sur le coke sortant du four ERIM. Dans un four ERIM de grande capacité le chargement di minerai et du charbon peut se faire par contre de plusieurs manières différentes. 1) - La méthode la plus simple consiste à charger minerai (2) et charbon ensembles dans le mSme gueulard (2) planche II. La sortie des gaz a lieu au centre du four (4) et non pas par des conduits disposés latéralement, de manière à ce que la masse soit bien traversée par la totalité du fluide. Pour cela le gueulard a une disposition adaptée et le chargement peut se faire par bande. Le pré chauffage de la charge en zCne I se fait alors uniquement par la chaleur sensible des gaz sortant de la z8ne 11. Ceci conduit à une consommation d'oxygène et de carbone dans cette zone II augmentée en conséquence.Par contre un excédent de gaz riche devient disponibleO La simplificltion de la partie supérieure du four où les produits sont chauffés uniquement par la chaleur sensible des gaz peut justifier cette disposition 2) - On peut dimineur la quantité de chaleur introduite en zône II par préchauffage du minerai seul (voir planche III) réalisé par combustion d'une petite partie des gaz sortant de la zone II ainsi qu'il est décrit dans la demande de brevet nO 7208574 Le charbon est cokéfié de son côté uniquement par la chaleur sensible du reste des gaz sortant de la zône II (la plus grande partie) et qui sont recyclés. Le minerai (1) est chargé en zone annulaire et le charbon (2) au centre. De la sorte les gaz réducteurs traversent obligatoirement la couche de minerai - voir planche III Il est nécessaire d'introduire de l'air (3) à la base du casing de minerai pour assurer le préchauffage oxydant du minerai. 3) - On peut aussi adopter une autre disposition dérivée des conditions énumérées ci-dessus (voir planche IV) en chargeant le charbon (1) à la périphérie ce qui permet de constituer la couche de coke au niveau des injecteurs, et le minerai (2) au centre du four. Le casing recevant le minerai, comporte à sa base une injection d'air (3) brulant complètement le gaz destiné au chauffage oxydant du minerai. Mais il est indispensable qu'à la partie supérieure de la zone de réduction les gaz de réduction soient soutirés au centre (4) de l'appareil et qu'ils soient conduits chauds (5) dans le casing recevant le charbon puisque seule leur chaleur sensible assure la cokéfaction du charbon. Pour cela on peut se servir de la différence de perte de charge des circuits ainsi que le montre la planche IV. La planche V présente un exemple de réalisation, coupe horizontale de la planche IV. C - TRAITEPEST DES GAZ Les gaz qui ont été totalement brûlés dans le four sont rejetés à l'extérieur après dépoussiérage, les gaz qui ont participé à la réduction sont chargés en C02 et H20 dans une proportion voisine des rapports CO = 0,6 et H2 = 0,6 CO + C02 H2 + H20 Ils traversent la couche de charbon et en fonction de la mise au mille de charbon, et de sa qualité, sortent plus ou moins enrichis Les goudrons sont condensés au moment du lavage des gaz, puis ceux-ci sont refroidis à l'eau et leur teneur en eau est réduite à la saturation à la température la plus bb ?possible;; par exemple,il est indispensable qu'après le traitement de ces gaz le rapport H2 soit le plus élevé possible et au moins de H2 + H20 0,85 En ce qui concerne le C02 il pourrait être avantageux d'éliminer une partie du C02 des gaz par exemple par lavage dans une solution alcaline. De toute manière la présence dans la charge de coke en excédent assure l'équilibre entre CO et C02 à partir du moment où la température atteint 9000 mais l'effet endothermique de la réaction est défavorable à la réduction du minerai. D - Disposition nouvelle planche VI Une disposition nouvelle des appareils est la suivante Le four ERIM de réduction de minerai est un four à cuve circulaire (1). Il est chargé au centre par un mélange de minerai et de charbon (2) (flambant par exemple). Une couche périphérique de coke (3)(ou d'agent réducteur solide) est chargée de manière à constituer l'anneau de carbone permettant d'introduire oxygène pur (4) dans la zone II tel qu'il est décrit au chapitre A. Le soutirage des gaz du gueulard (5) se fait de préférence au centre du four pour assurer correctement les échanges thermiques entre les zones. L'ensemble de la charge minerai charbon est préchauffé dans la zone I par la totalité de la chaleur sensible des gaz sortant de la zone II. Par ailleurs les gaz soutirés au gueulard sont conduits après lavage et refroidissement (6) vers un four ERIM de réforming (7) de gaz de section circulaire ou rectangulaire. Ce four est chargé de coke (8) provenant des produits sortant du premier four. La zane d'injection du four de réforming de gaz est alimentée en oxygène pur, éventuellement additionné de vapeur d'eau sous forme divisée, et fonctionne à haute température. Cette température est choisie pour que le gaz provenant du four de réduction du minerai et qui contient un pourcentage appréciabLe en C02, subisse une réduction par le carbone et soit en grande partie transformée en CO. Les vitesses de passage du gaz sont déterminées pour que le rapport CO du gaz sortant soit de l'ordre de 0,90 et CO + C02 plus si nécessaire. Le gaz sortant est froid suivant la technique ERIN il est essentiellement constitué de CO et H2. Un ventilateur (10) l'envoie sans le laver à la base du four de réduction de minerai. L'excédent de gaz riche est dirigée vers un consommateur extérieur. On peut également dans un schéma de fabrication différent alimenter essentiellement le four principal de production par du minerai (mélange à 5% de coke) tput en conservant (ou non) la couche de coke annulaire qui facilite le soufflage à l'oxygène pur ainsi qu'il est expliqué au chapitre A. La charge est alors uniquement pré chauffée par la chaleur sensible des gaz et il n'y a pas d'injection d'air secondaire; les gaz extraits du four sont pour la partie destinée au recyclage envoyés sur le four de reforming sans passer par un laveur. Ce four reforming est alimenté en charbon au lieu du coke, il est souflé à l'oxygène pur éventuellement additionné de vapeur d'eau. Les gaz sortant du reforming sont dégoudronnés et lavés et envoyés en recyclage dans le four principal de traitement. Le choix entre les diverses méthodes d'introduction de la charge dans le four ERIM de réduction, ainsi que le système de réforming des gaz utilisés, à l'intérieur du four ou à l'extérieur du four, dépendent de la nature des charbons et des minerais à traiter REVENDICATIONS 1 - Perfectionnements aux procédés de réduction du minerai de fer dans un four à cuve. - caractérisé par l'emploi d'un matériel approprié 2 - Procédé suivant revendication 1 caractérisé par le fait que l'on crée les calories nécessaires au bon fonctionnement d'un four à cuve dénommé four ERIM par injection d'oxygène sous forme finement divisé et k faible vitesse par exemple à travers des briques poreuses ou des bouchons poreux. Cette introduction d'oxygène étant associée k la présence d'une couche de coke d'agent réducteur solide devant les zones d'injection et ayant pour objet de transformer le C02 formé en CO tout en dispersant le gaz dans la masse sans formation de points chauds dans le minerai. 3-Procédé suivant revendication 2 concernant les dispositions à prendre pour faire application de la dite revendication 2, consistant en l'introduction de fluide oxydant à très faible vitesse à travers des tuyères ou bouchons poreux traversés par ce fluide et disposées dans la paroi d'un four à cuve parcouru par un grand volume de gaz réducteurs et en alimentant la périphérie du four en coke descendant avec les matières. 4-Procédé suivant revendication 3 relative à l'introduc- tion simultanée dans la même z8ne revendiquée en 2 de gaz réducteurs de toute nature au voisinage i-aédiat de l'oxygène pur de manière à contrSler efficacement la température des points chauds résultant de l'introduction de l'oxygène, tout en favorisant la qualité du gaz circulant dans le four. Le gaz réducteur introduit peut Outre prélevé dans la conduite de gaz de recyclage k la base du four ; on peut substituer au gaz hydrocarboné des hydrocarbu res liquides. - Procédé suivant revendication 1 - 2 - 3 - permettant d'assurer la circulation des gaz et la distribution des matières dans un four à cuve de réduction de minerai de ier de manière à ce que la plus grande partie du gaz réducteur soit obligatoirement en contact avec le minerai à réduire. Les calories distribuées par le gaz à la périphérie du four de forme circulaire ou ovale de grande capacité de production étant entratnées dans le minerai par soutirage des gaz dans le centre du gueulard. Un tuble central de longueur convenable plongeant dans la partie supérieure du minerai chargé recueille les gaz k une certaine profondeur dans une zône où la température du minerai est encore faible. Dans cette disposition le minerai peut être chargé en mélange avec le charbon dans le four de réduction. 5 - Procédé suivant revendication 4 concernant une disposition pour assurer en variante la réalisation du procédé décrit en 1. Dans le cas où la nature du minerai nécessite un chauffage oxydant, le charbon est chargé seul au centre dans un casing descendant à l'intérieur du four et le gaz à recycler est soutiré à la partie supérieure du casing. Le minerai chargé seul dans la couronne annulaire est parcouru par une partie des gaz provenant de la zane de réduction qui sont brûlés avec une injection d'air. 6 - Procédé suivant revendication 5 concernant une disposition pour assurer en variante la réalisation du procédé décrit en 1 s'appliquant également au cas où le minerai doit subir une opération de grillage oxydant. Le minerai est chargé au centre et le charbon à la périphérie, ce qui supprime la nécessité du chargement annulaire du coke. s la base du casing de minerai on brûle une partie des gaz qui traversent le minerai à l'aide d'injection d'air. Pour permettre au volume principal du gaz de circuler à travers l'anneau où est chargé le charbon tout en obligeant les gaz réducteurs à traverser le minerai, on dispose en-dessous du casing du minerai et si possible au centre de l'appareil des orifices recueillant les gaz chauds qui sont dirigés par des conduits briquetés sur la partie périphérique où se trouve le charbon.Ces gaz sont introduits à un certain niveau et circulent gracie à la différence des pertes de charge existant dans la conduite briquetée et dans la masse du charbon, le mouvement de gaz étant crée par l'exhausteur de gaz qui les soutire à la partie supérieure du casing recevant le charbon. 7 - Procédé suivant revendication 6 concernant une disposition nouvelle du four à cuve de réduction du minerai de fer. Le four à cuve est de grande section de forme circulaire ou autre adapté aux productions importantes. Le four est chargé suivant les procédés décrits dans l'une quelconque des revendications 1 à 7. Une zone circulaire de coke est constitué le long de la paroi. Le four est soufflé à l'oxygène pur sous forme finement divisée comme il est prévu dans les revendications nO. 1 à 4 Les gaz sont soutirés au centre du four, de préférence gracie à un tube plongeant dans la charge. Cette charge peut être constituée d'un mélange de minerai et de charbon ou de minerai et de coke. Les gaz après dégoudronnage, lavage et refroidissement sont conduits dans un four de réforme travaillant comme décrit dans le brevet déposé le 4 juillet 1972. Ils ressortent froids sous forme CO et H2 et sont dirigés à la base du four de réduction du minerai de fer. Les produits entrent et sortent froids. 8 - Procédé suivant revendication 7 suivant laquelle le four de réduction de minerai est alimenté en minerai additionné d'un peu de coke, tout en conservant éventuellement la couche périphérique de coke qui facilite le soufflage de l'oxygène pur. Les gaz froids prélevés au sommet du four sont pour partie envoyés à la base d'un fbur à cuve de réforme tel qu'il est décrit dans le brevet déposé le 4 Juillet 1972, le four est alimenté en charbon ou mélange de coke et charbon et soufflé à oxygène pur, éventuellement additionné de vapeur d'eau ou d'hydrocarbures, Les gaz réformés sont dégoudronnés et lavés avant d'être recyclés à la base du four de réduction du minerai.