Brevet FR2289613A1 — publié le 19760528

La présente invention concerne la réduction directe des minerais de fer par des réducteurs gazeux en vue de produire des produits solides riches en fer métal. Ces techniques de réduction dites encore de préréduction ont fait l'objet de nombreuses recherches qui ont abouti a la mise au point de divers procédés dont certains font l'objet d'unités de production à l'échelle industrielle. Tous ces procédés font appel au même principe qui consiste a mettre le minerai oxydé en présence d'un gaz très réducteur afin d'obtenir la formation de fer métal. Ils diffèrent entre eux par les-techniques de mise en contact du gaz et du minerai et par les méthodes d'obtention du gaz réducteur. On citera pour information les procédés faisant appel a la fluidisation d'un minerai pulvérulent et qui, en raison d'une température de réduction relativement basse, doivent nécessairement utiliser un gaz a haute teneur en hydrogène. Les autres procédés utilisent comme appareils de réduction des fours à cuve dans lesquels s'effectue une circulation a contre courant de la charge solide et des gaz réducteurs. Cette circulation assure un bon rendement des échanges thermiques et chimiques entre le minerai et le gaz réducteur. Ces procédés utilisent comme agent réducteur un mélange gazeux a base d'hydrogène et d'oxyde de carbone. La présente invention se rapporte a cette dernière catégorie de procédé de préréduction dans laquelle le gaz réducteur est un mélange à base d'hydrogène et d'oxyde de carbone. Si tous ces procédés effectuent la préréduction dans des fours a cuves ou analogues, ils diffèrent les uns des autres en ce qui concerne la préparation du gaz réducteur. Cependant le matériau de départ pour la préparation du gaz réducteur reste le même puisqu'il s'agit dans tous les cas de gaz naturel, c'est-a- dire d'hydrocarbures gazeux. Cet hydrocarbure est introduit dans des unités de reformage afin d'obtenir un mélange CO + H2 contenant un peu de méthane résiduel. Or dans le contexte économique actuel les conditions d'approvisionnement deviennent difficiles ou pour le moins coûteuses. Le but de la présente invention est de fournir un procédé de préréduction permettant de s'affranchir du gaz naturel. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de réduction directe du minerai de fer par un gaz réducteur dans lequel on prépare un mélange gazeux riche en hydrogène et en oxyde de carbone que l'on fait réagir a contre courant avec le minerai introduit dans le haut d'un four à cuve, procédé consistant a préparer le gaz réducteur par reformage du gaz de cokerie dans au moins une unité de réformage et à introduire ce gaz dans la partie basse du four a cuve, pour réduire le minerai de fer. Selon une variante du procédé on récupère le gaz de gueulard du four à cuve pour l'utiliser comme agent oxydant dans l'unité de reformage. Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé le gaz de gueulard est traité pour éliminer l'eau, et ensuite le C02 contenu dans le gaz est utilisé comme agent oxydant dans l'unité de reformage. Comme on le comprend, l'invention consiste à utiliser comme source de gaz réducteur un gaz disponible dans toutes les grandes usines sidérurgiques qui disposent de leur cokerie propre et qui seront également les premiers utilisateurs de produits préréduits. Rien n'empêche par ailleurs de prévoir des unités de préréduction près des cokeries indépendantes même s'il n'y a pas de possibilité d'utilisation sur place, les produits préréduits pouvant être ensuite envoyés aux utilisateurs. En effet, si le gaz de cokerie ne peut être utilisé directement pour la réduction, il constitue un excellent élément de base pour produire un mélange réducteur puisque l'on peut envisager une teneur moyenne de 25 Z de méthane CH4 et de 50 Z d'hydrogène. Il est évident que le reformage s'effectuera sur la partie méthane du gaz, qui n'est que de 25 Z, ce qui conduit donc un allègement important des unités de reformage du point de vue travail thermique par rapport aux procédés traitant du gaz naturel. Le reformage s'effectue dans des unités dites aussi "fours de conversion" de type connu qui fonctionnent soit en continu, soit par cycle, un four étant en période de chauffage et le second en période de conversion.Le four à cuve utilisé pour la réduction est également de type connu, de forme tronconique ou parallélipipédique comportant un sas à sa partie supérieure pour l'introduction du minerai. Les produits préréduits sont extraits à la base par un système de déchargement étanche. La vitesse d'extraction permet de-régler le débit de minerai et donc son temps de passage dans le four. La charge de minerai peut être un minerai calibré, de I'aggloméré ou des boulettes crues. L'invention sera d'ailleurs mieux comprise grâce à la description qui suit donnée à titre d'exemple en regard des planches de dessin sur lesquelles - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de préréduction, - la figure 2 est un bilan thermique pour 1 tonne de fer produite. Sur la figure 1 on a représenté schématiquement une installation de réduction de minerai de fer. On trouve en 1 une unité de conversion pour la production du gaz réducteur qui dans le cas considéré est du type à fonctionnement continu. Cette unité comprend une chambre de chauffage 2 équipée d'un brûleur 3 qui fournit la chaleur nécessaire pour atteindre la température de conversion. Dans la chambre 2 est placée une série de tubes 4 contenant le catalyseur de conversion et à travers lesquels est envoyé le gaz à reformer. On a également représenté très schématisé un four à cuve 5 dans lequel est effectuée la réduction du minerai. En 6 on a figuré une unité de refroidissement des gaz de gueulard et en 7 une installation de traitement des gaz de combustion provenant de la chambre de chauffage 2. Le fonctionnement de l'installation est le suivant. Le gaz reformé est amené par la conduite 8 dans le four à cuve 5 ou il circule à contre courant avec le minerai à réduire introduit en 9 dans le haut du four à cuve. Le gaz réducteur réagit avec le minerai, puis est récupéré dans le haut du four et acheminé par la conduite 10 vers l'unité de refroidissement 6. Les produits réduits dans le four sont extraits à la base de ce dernier en 11. En réglant la vitesse d'extraction de ces produits, il est possible de contrôler la descente du minerai, donc la durée de contact entre les gaz et les produits solides, c'est-à-dire le degré de réduction du minerai. Après refroidissement, une partie du gaz de gueulard est dirigée par la conduite 12 dans le circuit de reformage pour être recyclé après conversion.Parallèlement, du gaz de cokerie est introduit en 13 dans le circuit de reformage pour apporter un complément thermique au gaz de gueulard. Il est à noter qu'une partie des constituants du gaz de gueulard CO2 et H20 joue le rôle d'agent oxydant vis à vis du méthane du gaz de cokerie, selon les réactions ci-dessous Le reste du gaz de gueulard est envoyé dans le brûleur 3 par l'interme- diaire de la conduite 14 conjointement avec du gaz de cokerie introduit en 15 pour assurer le chauffage de l'unité de reformage. Les gaz brûlés dans la chant bre 2 sont évacués vers une cheminée 16 après avoir éventuellement subit une épuration en 7. Afin de fixer les idées sur les conditions de fonctionnement, on donne maintenant les compositions moyennes des gaz ainsi que les quantités nécessaires pour produire 1 tonne de fer. Pour déterminer ces valeurs on considèrera qu il est nécessaire en pratique d'utiliser 2000 Nm3 de gaz réducteur H2 + H20 + CO + C02 pour obtenir une tonne de fer. En ce qui concerne le gaz de cokerie on peut admettre l'ana Sse moyenne suivante H2=50Z CO=10Z CO2=2,5% CH4=25Z C2H4=2,5Z N2=i0Z. Par ailleurs, après réaction avec le minerai de fer et refroidissement par lavage, le gaz de gueulard a une composition moyenne à 50 - 650C qui est H2=41% CO=21% C02=17% CH4=4% N2=2Z H20=15%. Compte tenu des conditions de fonctionnement des unités de reformage, un gaz reformé pour un rapport gaz de gueulard/gaz de cokerie = 1,3 a une composition moyenne qui est la suivante H2=55% H20=5Z CO=30% C02=1,5% CH4=3,8% N2=4,7Z. Ce gaz a donc un degré d'oxydation faible (0,076) et sort de l'unité de reformage à environ 1000"C. A partir de ces données on peut préciser, en se reportant à la figure, les volumes de gaz utilises pour produire 1 tonne de fer. On a donc vu que pour produire 1 tonne il fallait approximativement 2000 Nm3 de gaz réducteur et, en fait, dans l'installation décrite, 2 182 Nm injectés par la conduite 8. Après réaction avec le minerai et refroidissement on récupère 2 050 Nm de gaz de gueulard dont la moitié, 1 025 Nm3, sont introduits en 12 pour être reformés et 1 025 Nm3 sont introduits en 14 dans le brûleur. Cependant, étant donné que le rendement des unités de reformage est seulement d'environ 50%, on complètera ce gaz par un apport de gaz de cokerie d'environ 788 Nm3 introduit en 13. De même, pour assurer le chauffage voulu de la chambre, on introduit dans le bruleur 75 Nm3 de gaz de cokerie (conduite 15). En tout, pour une tonne de fer, on introduit 863 Nm3 de gaz de cokerie dont la composition est mentionnée plus haut. Il est bien entendu que ces chiffres ne sont que des valeurs approximatives qui peuvent évoluer en fonction des compositions respectives des gaz. Dans ces conditions de fonctionnement on obtient un produit dont le degré de réduction est de 90 à 95%. Selon une variante de mise en oeuvre, le gaz de gueulard destiné à la conversion est débarassé de son eau et seul le C02 est utilisé comme agent oxydant. Sur la figure 2 on a représenté à titre d'illustration un circuit de préréduction vu du point de vue bilan thermique pour la production d'une tonne de fer. Ce schéma donne en Gcal par tonne de fer l'évolution des besoins thermiques tant du point de vue unité de reformage, chauffage et production de gaz réducteur que de la réduction du minerai. On comprend tout l'intérêt de cette technique de réduction qui est basée sur l'utilisation du gaz de cokerie comme source de gaz reformé en remplacement du gaz naturel beaucoup plus coûteux. De plus, en raison de la composition de ce gàz, où l'on trouve un pourcentage élévé d'hydrogène et relativement peu d'hydrocarbure (25%) méthane, il est évident que les unités de conversion fonction nent dans de meilleures conditions par suite du faible travail thermique à fournir. Cette technique de réduction est particulièrement avantageuse lorsque l'unité de production peut être intégrée dans une usine sidérurgique équipée d'une cokerie. REVENDICATIONS 1 - Procédé de réduction directe de minerai de fer par un gaz réducteur, dans lequel on prépare un mélange gazeux riche en hydrogène et en oxyde de carbone que l'on fait réagir à contre courant avec le minerai introduit dans le haut d'un four à cuve, procédé caractérisé en ce que l'on prépare le gaz réducteur par reformage du gaz de cokerie dans au moins une unité de reformage et que l'on fait réagir ce gaz réducteur avec le minerai dans le four à cuve. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on récupère le gaz de gueulard du four à cuve pour en utiliser une partie comme agent oxydant dans l'unité de reformage. 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on élimine l'eau dans le gaz de gueulard destiné à l'unité de reformage de manière à utiliser uniquement du gaz carbonique comme agent oxydant.