Brevet FR2214657A1 — publié le 19740819

La présente invention est relative à un procédé de fabrication de gaz réducteurs chauds destinés notamment à être injeetés dans les hauts fourneaux. Ce-procédé vise à assurer une telle fabrication dans des conditions particulièrement économiques. I1 est connu dtinjecter des gaz réducteurs chauds, par exemple des gaz obtenus par préformage dthydrocarbures, dans les hauts fourneaux traitant des matieres ferrifères, en vue de réduire la consommation de coke. Ces gaz réducteurs contiennent principaleWent du CO et du H2 et de telles injections ont fait l'objet dtessais non seulement à lXéchelle pilote, mais également à ltéchelle industrielle.On a ainsi pu constater par exemple qutun m3 de gaz réducteurs chauds à 10000C obtenus à partir d'un traitement dgoxydation catalytique partielle à la vapeur, effectué sur du gaz naturel ayant une composition de 16% oe, l % G02, 2 % H20, 73 % H2, 2 % CH4 et 6 % N2 (gaz de -Slochteren) permet dteconomiser un poids'de coke de Tordre de 0,25 kg. Comme il vient titre dit, un procédé classique très utilisé pour produire un tel gaz réducteur consiste à oxyder partiellement, par voie catalytique à la vapeur d'eau, un hydroarbure gazeux par exemple du gaz naturel ou un hydrocarbure liquide léger qui, à la suite de cette opération, est transformé en un gaz contenant, par exemple, plus de 85 % de CO et de H2. Le gaz réducteur contient toutefois encore du CO2 et du H2O que lton élimine, de la façon représentée schématiquement sur la figure 1 donnée en annexe.A la sortie de unité de réformage (1) le gaz réducteur chaud traverse un refroidisseur (2) où, dtune part, le gaz est débarrassé en (3) de la majeure partie de liteau qutil contient et où d'autre part, les calories sont récupérées sous la forme de vapeur d'eau au moyen dtun.échangeur thermique (4). Après ce refroidissement, le gaz réducteur est amené dans un absorbeur (5) en vue de l'élimi- nation en (6) de la majeure partie du C02 qui contient et enfin il est introduit dans un réchauffeur (7) destiné à le porter à la température adéquate, de lSordre de 900 à 10000C, pour-son injection au haut fourneau (8).Par ailleurs, les fumées qui sortent de unité de réformage (1)à une température élevée de l'ordre de 1000 C circulent dans un conduit (9) où on effectue diverses opérations d'échange de chaleur pour chauffer les différents gaz destinés à alimenter unité de réformage (1) c'est-à-dire le gaz à réformer, le gaz de chauffage, 1: air et la vapeur d'eau. Ces diverses opérations de récupérations de chaleur sont effectuées dans le conduit (9) au moyen de circuits appropriés, respectivement(10) pour le gaz à réformer, (11) pour le gaz de chauffage, (12) pour ltair, (13) pour la vapeur dteau, ces circuits étant raccordés à unité de réformage (1) pour en assurer l'alimentation.De plus, étant donné que les fumées produites quittent Irinstallation de réformage (I) à une température très élevée,-de tordre de 1000 à 11009C, et que lstenthalpie de ces fumées est nettement supérieure à celle nécessaire pour chauffer les différents fluides. destinés. à ltalimentation de unité de préformage (1), la chaleur excédentaire de ces fumées est récupérée au moyen d'un échangeur thermique (14) supplémentaire, utilisé pour la production de vapeur d'eau, dans le but assurer un rendement thermique valable de l'opération. A ltextrémité du conduit (9) les fumées sont finalement dirigées vers une cheminée (15) pour leur évacuation à ltair libre. Un des inconvénients de ce procédé de fabrication .de gaz réducteurs chauds réside dans le faitque, dans le cadre dtune usine sidérurgique, la quantité de vapeur dteau excédentaire ainsi produite, par exemple au moyen des échangeurs thermiques (4) et (14), est telle qui ntest pas toujours possible de la valoriser dans -sa- totalité, ce qui conduit à une augmentation sensible du prix de revient des gaz réducteurs chauds Un autre inconvénient résulte de la nécessité dtu- tiliser un réchauffeur très couteux pour amener les gaz réducteurs froids à la température adéquate pour leur injection au haut fourneau.Cet inconvénient est double car non seulement il constitue une dépense dtinvestissement considérable qui grève lourdement le coût de réformage, mais également il augmente sensiblement la complexité de ltinstallation ainsi que la surface dtoccupation et éventuellement le rendement thermique globale La présente invention a pour objet un procédé permettant de remédier à ces inconvénients. Elle est fondée sur la possibilité de réduire un tel excès de vapeur dteau en asservissant étroitement la production de cette vapeur à celle de gaz réducteurs chauds, de façon à équilibrer les quantités produites et à supprimer le réchauffeur. Le procédé, objet de la présente invention, dans lequel on produit des gaz réducteurs chauds par oxydation catalytique partielle à la vapeur dteau, est essentiellement caractérisé en ce qu'auprès avoir-éliminé, par refroidissement et absorption, liteau et le C02 des gaz réducteurs sortant de unité de préformage, on réchauffe ces gaz à la température adéquate pour leur injection au haut fourneau au moyen de la chaleur des fumées produites par réformage, au cours de leur trajet depuis la sortie de unité de réformage jusqutà la che minée dtévacuation à l'air libre. Dans le cas où la chaleur des fumées est insuffisante pour réchauffer les gaz réducteurs à la température dtinjec- tion au haut fourneau, ainsi que les fluides destins à l'ali -mentation de unité de réformage, on ajoute le complément de chaleur nécessaire au moyen de brûleurs destinés à augmenter la température des fumées et cela de préférence à proximité de lgendroit où est effectuée ltextraction des gaz réducteurs chaudes en vue de leur transport vers les tuyères dtinjection du haut fourneau, ctest-à-dire à l'endroit où leur température est la plus élevée. Suivant une variante de la précédente modalité opératoire de ltinvention, dans ce meme cas où la chaleur des fumées est insuffisante pour réchauffer les gaz réducteurs à la tempé- rature d'injection: au haut fourneau, ainsi que les fluides destinés à ltalimentation de unité de réformage, on pré chauffe ces gaz réducteurs au moyen de ltenthalpie des fumées sortant de unité de préformage et on porte ensuite ces gaz réducteurs préchauffés à la température finale désirée, au moyen.dtun petit réchauffeur adéquat dans lequel la chaleur nécessaire est fournie par au moins un brûleur, les fumées provenant de ce petit réchauffeur étant introduites dans le circuit des fumées sortant de unité de préformage. Suivant l'invention, le petit réchauffeur destiné à porter les gaz réducteurs préchauffés à la température finale désirée constitue une annexe à unité de réf ormage. I1 stest avéré avantageux, suivant ltinvention, que le petit réchauffeur constituant une annexe à-ltunité de réfor- mage communique avec cette dernière et que les fumées provenant dé ce petit réchauffeur traversent ladite unité de réformage pour etre mélangées aux fumées provenant de cette meme unité de préformage. Par contre, dans le cas où la chaleur des fumées est largement suffisante pour réchauffer les gaz réducteurs à la température d'injection au haut fourneau, ainsi que les fluides destinés à ltalimentation de unité de réformage, on affecte le solde de chaleur à-la production de vapeur du eau au moyen dtun échangeur thermique approprié. Suivant une modalité de ltinvention, le sens de circulation des gaz réducteurs en cours de chauffage au moyen de la chaleur des fumées est inverse de celui des fumées sortant de unité de réformage et-se dirigeant vers la cheminée dlévacua- tion à lgair libre, de façon à réaliser un échange de chaleur à contre-courant aussi parfait que possible. Evidemment, l'échangeur thermique utilisé pour chauds fer les gaz réducteurs au moyen de la chaleur des fumées sortant de unité de réformage peut être de forme quelconque et consister, par exemple, en un serpentin ou en un faisceau tubulaire. La figure 2 donnée en annexe à titre d'exemple non limitatif représente schématiquement une modalité constructive conforme à l'invention, dtune installation de production de gaz réducteurs chauds par oxydation catalytique partielle à la vapeur d'eau. Ltinstallation comprend une unité de réformage (1) à la sortie de laquelle on distingue un circuit réservé aux gaz réducteurs et un circuit réservé aux fumées. Le circuit des gaz réducteurs sortant de unité de préformage (1) eomprend également : - un refroidisseur (2) destiné, d'une part, à débarrasser ces gaz réducteurs de liteau qutils contiennent (suivant 3) et à récupérer la chaleur de ces gaz réducteurs sous la forme de vapeur dteau au moyen d'un échangeur thermique (4). - un absorbeur (5) situé en aval du refroidisseur (2) et destiné à éliminer en (6) la majeure partie du. C02 que ces gaz contiennent, - un échangeur thermique (16) situé dans le conduit 19) destiné à conduire les fumées depuis leur sortie de unité de réformage (1) jusqu'à la cheminée (15). Cet échangeur thermique (16) remplace le ré chauffeur de l'installation classique représenté sur la figure 1 en (7) et stétend sur toute la longueur du conduit (9).Les gaz réducteurs refroidis sortant de ltabsorbeur (5) sont introduits dans ltéchangeur (16) à ltextrémite aval du conduit (9) et ils en sont extraits à ltextrémité amont, c'est-à-dire à proximité de l'endroit de sortie des fumées de unité de préformage (1), endroit où la température de ces fumées est la plus élevée. Après leur extraction du conduit (9), les gaz réducteurs chauds peuvent être envoyés au haut fourneau pour y etre injectés. Le circuit des fumées comprend le conduit (9) qui est utilisé comme récupérateur de la chaleur des fumées entre leur point de sortie de l'unité de réformage (1) et leur rejet dans la cheminée (15).dtévacuationç Comme déjà dit ci-dessus, ce conduit (9) contient. l'échangeur thermique (16) à lXinté- rieur duquel circulent les gaz réducteurs à réchauffer, en sens inverse de celui des fumées Ce conduit (9) comprend également les échangeurs thermiques des circuits de chauffage respectivement (10) pour le gaz à réformer, (11) pour le gaz-de chauffage, (12) pour ltair et (13) pour la vapeur peau, comme dans ltins- tallation classique représentée à la figure 1.Ce conduit (9) peut également contenir un échangeur thermique supplémentaire (14) pour la production de vapeur dteau en cas de chaleur excé dentaire des fumées. Par contre, dans le cas où la chaleur des fumées ntest pas suffisante pour porter les gaz réducteurs froids à la température adéquate pour leur injection au haut fourneau, le conduit (9) est pourvu d'un ou plusieurs brûleurs (17) pour fournir aux fumées le complément de chaleur nédessaire. Ce ou ces brûleurs sont situés de préférence a l'extrémité amont-du conduit (9), à l'endroit où la température des fumées est.la plus élevée. A titre d'exemple numérique, il est décrit ci-après le cas dtune production horaire de 75.000 m3 de gaz réducteurs à 10000C. Suivant la figure 1 relative à une installation classique avec réchauffeur, on introduit dans unité de réformage (1) un montant de 1060500 thermies provenant dEun gaz de chauffage (circuit 11) et 32.300 thermies en (18) dans le réchauffeur (7). Suivant ce procédé classique, on produit ainsi un excédent de chaleur qui est utilisé pour produire 33 tonnes de vapeur d'eau (en 14) que l'on doit valoriser si on veut obtenir un bon rendement thermique de l'opération. Suivant l'opération schématisée sur la figure 2 qui représente une installation conforme à la présente invention, -ctest-à-dire sans réchauffeur, pour produire la même quantité horaire de 750000 m3 de gaz réducteurs chauds à 10000C, on introduit la même.quantite de gaz de chauffage dans J 1unité de réformage (1), ctest-à-dïre 106.500 thèrmies (circuit 11), ce qui, dans ee cas- précis, est insuffisant pour fournir un débit- horaire de 75.000m 3 de gaz réducteurs à 1000 C. On a alors ajouté des brûleurs (17) dans le circuit des fumées à proximité du point de sortie de ces fumées de unité de réformage (1), de façon à introduire 2.500 thermies supplémentaires. On obtient ainsi 75.000m3 de gaz par ileure à 1000 C sans devoir @@@@@@@@ @@ réchauffeur comme dans les @@stallations @la@siques, Il @ a lieu de noter que dans cet exemple il n'y a pas d'ex@é- dent de chaleur et donc qu'il n'y a pas production de vapeur d'ea@ à @aloriser. Le procédé décrit ci-dessus présente les avantages s@iva@@s : 1) s@ppression d@ réchauffeur classique, très @@@teux, nécessaire a@ chauffage des gaz réducteurs pour les porter à la température d'injection au haut fournea@, 2) réduction de l'équipement de production de vapeur d'eau, 3) simplification de l'installation de réformage, @) réd@ction de la surface d'occupation, 5 | ru tion du prix de revient des gaz réducteurs chauds pro d@its. Il existe évidemment un grand nombre de possibilités de mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus et la présente invention ne se limite pas au schéma présenté plus haut, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit REVENDICATIONS 1 / Procédé de fabrication de gaz réducteurs chauds contenant principalement du CO et du H2, dans lequel on produit des gaz réducteurs chauds par oxydation catalytique partielle à la vapeur doleau, c a r a e t é r 9 s é en ce qu'après avoir élimine, par refroidissement et absorption l'eau et le C02 des gaz réducteurs sortant de unité de réformage, on réchauffe ces gaz à la température adéquate pour leur injection au haut fourneau au moyen de la chaleur excédentaire des fumées produites par préformage, au cours de leur trajet depuis la sortie de unité de réformage jusqu'à la cheminée d'évacuation à l'aire libre. 20/ Procédé suivant la revendication 1, c c a r a c t é r i s é en ee que, dans le cas où la chaleur des fumées est insuffisante pour réchauffer les gaz réducteurs à la température dtinjection au haut fourneau, ainsi que les fluides destinés à l'alimentation de unité de réformage, on ajoute le complé- ment de chaleur nécessaire au moyen de brûleurs destinés à augmenter la température des fumées et de préférence à proximité de l'endroit où est effectuée l'extraction des gaz réducteurs chauds en vue de leur transport vers les tuyères d'injection du haut fourneau, c'est-à-dire à ltendroit où leur température est la plus élevée. 3 / Procédé suivant la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que, dans le cas ou la chaleur des fumées est insuffisante pour réchauffer les gaz réducteurs à la température dtinjection au haut fourneau, ainsi que les fluides des tinés à l'alimentation de unité de préformage, on préchauf- 4 fe ces gaz rédicteurs au moyen de l'enthalpie des fumées sortant de 1 l'unité de réformage et on porte ensuite ces gaz réductueurs préchauffés à la température finale désirée, au moyen d'un petit réchauffeur adéquat dans lequel la chaleur @éces- saire est fournie par au moins un brûleurs les fumées prove- nant de ee petit ré chauffeur étant introduites dans le circuit des fumées sortant de unité de réformage. 4 / Procédé suivant la revendication 3, c a ? a c t é r i s é en ce que-le petit réchauffeur destiné a les gaz réducteurs pré chauffés a la température finale dési- rée constitue une annexe à unité de réformage.. 5 / Procédé suivant la revendication 4, c a r m c t é r i s é en ce que le petit ré chauffeur constituant une annexe à unité de réformage communique avec cette dernière et en ce que les fumées provenant de ce petit réchauffeur traversent ladite unité de reformage pour être mélangées aux fumées provenant de cette meme unité dé réformage. 60/ Procédé suivant la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que, dans le cas où la chaleur des fumées est largement suffisante pour réchauffer les gaz réducteurs à la température dlinjection au haut fourneau, ainsi, que les fluides destinés à l'alimentation de unité de réformage, on affecte le solde de chaleur à la production de vapeur d'eau au moyen d'un échangeur thermique approprié. 7 / Procédé suivant ltune ou l'autre des revendications 1 à 6, prise isolément c a r a c t é r i s é en oe que le sens de circulation des gaz réformés en cours de chauffage au moyen de la chaleur des fumées est inverse de celui des fumées sortant de unité de réformage et se dirigeant vers la cheminée d'évacuation à l'air libre.