Brevet FR2231616A1 — publié le 19741227

La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif pour fabriquer des gaz réducteurs chauds contenant principalement du CO et du H2, destinés notamment à la réduction directe des minerais par exemple de fer ou à l'inJection dans un haut fourneau, en vue de réduire la consommation de coke, Un procédé classique très utilisé pour produire de tels gaz réducteurs consiste à oxyder partiellement, avec éventuellement addition de vapeur d'eau, un hydrocarbure liquide ou gazeux qui à la suite de cette opération est transformé en un gaz contenant un maximtun de CO et de H2 avec de faibles quantités de 002, de H20 et de suies. Malheureusement, cé procédé d'oxydation partielle à oxygène ne permet pas d'éviter soit un minimum de suies, soit un excès en composés oxydés C02 et H20 dans les gaz produits. De ce fait, on est en général astreint à un compromis et on règle le processus d'oxydation de façon à produire une quantité de suies qui, suivant la nature du combustible traité, varie entre 50 et 100 gr par mètre cube de gaz produits, pour des teneurs en C02 et H20 de 10 à 12 %. Or, les procédés'métallurgiques tels que ceux de réduction directe ou de réduction au haut fourneau sont sujets à des perturbations lorsque l'on utilise des ga contenant des suies ou des quantités aussi élevées en C02 et en H20 En effet, la présence de grandés quantités de suies peut provoquer des accrochages, des garnissages, etc000 et celle de C02 et de H20 devient rapidement préjudiciable pour le taux de remplacement dans le cas du haut fourneau ou pour la consommation thermique globale dans le cas des processus de réduction directe.Ainsi par exemple, pour un haut fourneau, un gaz à 1000 "C, de la composition suivante : C02 = 9,6 %, CO = 23,7 , H20 = 27,2 , H2 = 3914 ffi ne peut plus réduire du FeO et son Injection dans les étalages n'apporte aucune réduction de la consommation de coke. Dès lors, il est indispensable de compléter le traitement d'oxydation partielle précité d'une part, au moyen d'un refroidissement et d'un lavage appropriés en vue d'éliminer les suies, le H20 et une bonne partie du C02 et d'autre part, au moyen d'un réchauffage destiné à porter Ives gaz réducteurs produits à la température exigée pour leur utilisation dans l'installation de réduction directe ou pour leur injection dans le haut fourneau.Ces opérations nécessitent un appareillage complexe et important qui constitue environ 70 % du prix de l'installation complète de fabrication desdits gaz réducteurs chauds La présente invention a pour objet un procédé permettant de remédier à ces inconvénients, c'est-à-dire de fa briquer d'une façon simple et économique, des gaz réducteurs chauds contenant principalement du CO et du H2, dont le taux d'oxydation et la température sont optima pour leur utilisation dans des processus métallurgiques tels que la réduction de minerais par voie directe ou dans un haut fourneaux Le procédé. objet de la présente invention, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend deux stades dont le premier consiste à brûler un combustible hydrocarburé liquide ou gazeux en présence d'un excès minimum d'oxygène nécessaire pour éviter la production de suies lors de la formation de gaz réducteurs contenant principalement du CO et du H2, et dont le second stade consiste à injecter dans les produits de la combustion précitée, un gaz contenant des hy drocarbures légers, par exemple du CH4, destinés à diminuer leur taux d'oxydation jusqu'à un niveau correspondant aux conditions optima d'utilisation dans des processus métallurgiques ultérieurs tels que par exemple ia réduction de minerais de fer par voie directe on dans un haut fourneaux La températ@re des gaz réducteurs produits au cours du premier stade de l'opération est avantageusement limitée ntre 13000C et 1700 C Les gaz réducteurs exempts de suies résultant de la combustion d'un bydrocarbure liquide on gazeux en présence d'un excès d'oxygène ont généralement un taux d'oxydation (présence de C@@ et de H2O, trop élevé pour leur utilisation ultérieure et il convient de les limiter par un réglage adéquat des conditions de combustion. On règle avantageu@ement, suivant l'invention, les conditions de la combustion effectuée a- premier stade de l'o- pération en ajoutant de l'eau de préférence sous forme de vapeur aux matières destinées à entrer en réaction au cours de cette combustion. Suivant une modalité de l'invention. on ajoute la vapeur d'eau au comburant qui est alors utilisé à l'état de mélange oxygène-vapeur. Suivant une autre modalité de l'in@ention, dans le cas de la combustion d'un nydrocarbure liquide, par exemple du fuel-cil, on ajoute la vapeur d'eau audit hydrocarbure qui est alors utilisé à l'état d'une fine emulsion hydrocarbure liquide-eau, avec tous les avantages bien connus inhérents à un tel état Le second stade de l'opération est en fait un traitement de conditionnement des gaz réducteurs en vue de -corri- ger l'excès d'oxydation qui a été imposé au cours du premier stade par l'impératif d'éviter toute production de suies. Dans le cas où les gaz réducteurs doivent etre utilisés à une température de l'ordre de 1000 C, par exemple pour leur injection dans la cuve d'un haut fourneau, on ajuste la quantité de gaz contenant des hydrocarbures légers à injecter dans les gaz réducteurs obtenus au cours du premier stade pour que les réactions des éléments en présence provoquent la di- minutton de l'oxydation et de la température desdits gaz réducteurs jusqu'au niveau voulu. Dans le cas où les gaz réducteurs doivent être utilisés à une température de l'ordre do 20000C, par exemple pour leur injection dans le creuset d'un haut fourneau, le second stade de l'opération est mis en oeuvre au moyen d'une torche ou a'un four à plasma destiné principalement à assurer l'augmentation de la température des gaz réducteurs jusqu'au niveau voulu, Le gaz contenant des hydrocarbures légers à injec- ter dans les gaz réducteurs obtenus au cours du premier stade de l'opération peut avantageusement être du gaz naturel ou du gaz de four à coke La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Le aispositif, objet de la présente invention, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte a) un brûleur destiné à assurer la combustion d'un hydrocarbure liquide en présence d'oxygène avec production de gaz réducteurs chauds contenant principalement du CO et du H2 b) des moyens pour assurer l'alimentation correcte du brûleur en combustible et en oxygène et pour doser l'excès minimum d'oxy gène nécessaire pour éviter la production de suies, c) une enceinte destinée à recevoir les gaz réducteurs produits par le bruleur, d) des moyens pour injecter un gaz contenant des hydrocarbures légers, par exemple du CH4, dans l'enceinte contenant les gaz réducteurs produits par le brûleur, e) des moyens pour faire correspondre le taux d'oxydation et la température des gaz réducteurs contenus dans ladite enceinte, aux conditions optima de leur utilisation ultérieure. Suivant une modalité constructive de l'invention, le brûleur destiné à assurer la combustion d'un hydrocarbure liquide ou gazeux en présence d'oxygène est une torche à plasma. Suivant une autre modalité constructive de l'in- vention, le brûleur destiné à assurer la combustion d'un hydrocarbure liquide ou gazeux en présence d'oxygène comporte deux tubes coaxiaux se terminant par une tête qui comprend d'une part, un passage central en forme de tuyère ce Laval consti tuant le prolongement du sonduit central par où passe le com burent et d'autre part, des conduits de communication entre la partie divergente de la tuyère de Laval précitée et l'espace annulaire compris entre les deux tubes coaxiaux, cet espace étant réservé au passage du combustible. Suivant encore une autre modalité constructive de l'invention, l'enceinte destinée à recevoir les gaz réducteurs prou ils par le brûleur comporte une ouverture dans laquelle vient se fixer le nez du dit brûleur. L'enceinte destinée à recevoir les gaz réduct.eurs produits par le brûleur est avantage@sement, suivant l'inven- tion, gainie intérieurement d'une surface active (ruchage) en matière réfractaire contenant ou non un catalyseur approprié. REVENDICATIONS. 1 / Procédé pour fabriquer des gaz réducteurs chauds, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comprend deux stades dont le premier consiste à brûler un combustible hydrocarburé liquide ou gazeux en présence d'un excès minimum d'oxygène néces saire pour éviter la production de suies lors de la formation des gaz réducteurs contenant principalement du CO et du et dont 1 second stade consiste à injecter dans les produits de la combustion précitée, un gaz contenant des hydrocarbures léger, par exemple du CH4, destinés à diminuer leur taux d'oxydation jusqu'à un niveau correspondent aux conditions optima d 'utilisation dans des processus métallurgiques ultérieurs. 2 / Procédé suivant la revendication 5, c a r a c t é r i s é en ce que la température des gaz réducteurs produits au cours du premier stade de l'opération est limitée entre 13000 C et 1700 Co 30/ Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, prise isolément, c a r a c t é r i s é en ce que l'on règle les conditions de la combustion effectuée au premier stade de l'opération en ajoutant de l'eau, de préférence sous forme de vapeur, aux matières destinées à entrer en réaction au cours de cette combustion;; 4 / Procédé suivant la revendication 3, c a r a c t é r i s é en ce que on ajoute la vapeur d'eau au comburant qui est alors utilisé à l'état d'un mélange oxygène-vapeur 50/ Procédé suivant la revendication 3, c a r a c t é r i s é en ce Q1e, dans le cas de la combustion d'un hydrocarbure liquide, par exemple du fuel-oil, on ajoute la vapeur d'eau au dit hydrocarbure qui est alors utilisé à l'état d'une fine émulsion hydrocarbure liquide-eau. 6 / Procédé suivant l'une ou 11 autre des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, prise isolément, c a r a c t é r i s e en ce que, dans le cas où les gaz réducteurs doivent etre utilisés à une température de l'ordre de 1000 C, par exemple pour leur injection dans la cuve d'un haut fourneau, l'on ajuste la quantité de gaz @tenant des hydrocarbures légers à injecter dans les gaz réducteurs obtenus au cours du premier stade pour que les raactlons des élémepts en présence provoquent la diminution de l'oxydation et de la température des dits gaz réducteurs jusqu'au niveau voulu. 7 /Prccédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, pris isolément, e a r a c t é r i s e en ce que, dans le cas ou les gaz réducteurs doivent être utilisés à une température de @'ordre de 2000 C, par exemple pour lexr injection dans le crevset d'un haut fourneau. le second stade de l'opération est mis en oeuvre au moyen d'une torche ou d'un four à plasma destiné principalement à assurer l'augmentation de la température des gaz réducteurs jusqu'au niveau voulu. 8 / Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6,ou 7, prise isolement, c a r a c t é r i s é en ce que le gaz contenant des hydrcearbures légers à injecter dans les gaz réducteurs obtenus @ @@urs du premier stan de l'opération est du gaz naturel. 9 / Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, prise isolément, c a r a c t r r i s e an ce que Le gaz contenant des hydrocarbures légers à injecter dans les gaz réducteurs obtenus au cours du premier stade de l'opération est du gaz de four à coke. 10 / Dispositif pour la mise en oeuvre du procé dé suivant l'une ou l'autre des revendications, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, prise isolément, c a r a c t é r i s é en ce qu'il comporte a) un brûleur destiné à assurer la combustion d'un hydrocarbure liquide en présence d'oxygène avec production de gaz réducteurs chauds contenant principalement du CO et du H2 b) des moyens pour assurer l'alimentation correcte du brûleur en combustible et en oxygène et pour doser l'excès minimum d'oxygène nécessaire pour éviter la production de suies, c) une enceinte destinée à recevoir les gaz réducteurs produits par le brûleur, d) des moyens pour injecter un gaz contenant des hydrocarbu zes légers dans l'enceinte contenant les gaz--réducteurs produits par le brûleur, eau des moyens pour faire correspondre le taux d'oxydation et la température des gaz réducteurs contenus dans la dite enceinta aux conditions optima de leur utilisation ultérieure. 11 / Dispositif suivant la revendication 10, c a r a c t é r i s é en ce que le brûleur destiné à assurer la combustion d'un hydrocarbure liquide ou gazeux en présence d'oxygène est une torche à plasma, 12 / Dispositif suivant la revendication 10, c a r a c t é r i s é en ce que le brûleur destiné à assurer la combustion d'un hydrocarbure liquide ou gazeux en présence d'oxygène comporte deux tubes coaxiaux se terminant par une tette qui comprend d'une part, un passage central en forme de tuyère de Laval constituant le prolongement du conduit central par où passe le comburant et d'autre part, des conduits de communication entre la partie divergente de la tuyère de LavaI précitée et l'espace annulaire compris entre les deux tubes coaxiaux, cet espace étant réservé au passage du combustible0 13 / Dispositif suivant l'une ou l'autre des revendications 0, 11 ou 12, prise isolément, c a r a c t é r i s é en ce que l'enceinte destinée à recevoir les gaz réducteurs produits par le brûleur comporte une ouverture dans laquelle vient se fixer le net du dit brûleur. 14 / Dispositif, suivant l'une ou l'autre des revendications 10, 11, 12 ou 13, prise isolément, c a r a c t é r i s é en ce que l'enceinte destinée à recevoir les gaz réducteurs produits par le brûleur est garnie intérieurement d'une surface active (ruchage! en matière réfractaire contenant ou non un catalyseur approprié,