Brevet FR2473552A1 — publié le 19810717

La réduction directe des minerais de fer et d'oxyde de fer en granules par un gaz réducteur à haute température préparé à partir d'un gaz naturel et d'un gaz réducteur épuisé recyclé est devenue une technique industrielle im- portante pour la production de l'acier. Le gaz réducteur à haute température préparé à partir d'un gaz naturel renfer- me une concentration importante de composants réducteurs, d'oxyde de carbone et d'hydrogène par comparaison avec les composants oxydants, la vapeur d'eau et l'anhydride carbo- nique. Le rapport entre ces composants (composants réduc- teurs aux composants oxydants) est appelé "rapport réduc- teur". Du fait que les réserves mondiales de gaz naturel diminuent et que son prix augmente, des techniques diffé- rentes deviennent nécessaires pour produire un gaz réduc- teur à haute température à partir du charbon et d'autres combustibles tels que des huiles. La demande croissante pour les huiles, aboutissant à des prix excessifs, a pour effet de placer le charbon dans la catégorie des combusti- bles les plus intéressants dans les procédés futurs en vue de produire du fer directement réduit à l'aide d'un gaz réducteur chaud. Dans-l'industrie on dispose de trois types fondamen- taux de gazéification de charbon, à savoir le procédé en lit entra né, le procédé en lit fixe et le procédé en lit fluidisé. Le procédé en lit entrainé produit un gaz réducteur à environ 15000C et sous pression atmosphérique par une réaction en équicourant d'oxygène et de vapeur d'eau avec la poussière de charbon entraînée. Le gaz provenant de ce procédé possède un rapport réducteur d'environ 5 mais on doit le refroidir avant de pouvoir le comprimer à une pres- sion d'environ 2 bars qui est nécessaire pour une réduction directe et aussi pour permettre l'élimination de l'anhydride carbonique, de l'eau et des composés gazeux du soufre avant chauffage et utilisation dans une réduction directe. Ces opérations de refroidissement, d'épuration et de rechauffage ultérieur sont trop coûteuses aussi bien en ce qui concerne le prix de l'équipement que la consommation d'énergie, de sorte que le procédé n'est pas particulière- ment intéressant. Le procédé de gazéification du charbon en lit fixe comporte un lit descendant de charbon qui se déplace à contre-courant par rapport à un gaz ascendant de gazéifica- tion. Le gaz de gazéification est initialement de l'oxygène et de la vapeur d'eau à la grille inférieure du gazéifica- teur. Alors que les gaz de gazéification remontent à travers le lit descendant de charbon, ils rencontrent plusieurs zones. La première zone dans le bas décharge de la cendre presque entièrement exempte de carbone à partir du gazéifi- cateur. Dans la zone suivante, les gaz de gazéification oxydent le produit de carbonisation du charbon pour donner de l'hydrogène, de l'oxyde de carbone et de l'anhydride carbonique. Dans la zone supérieure suivante a lieu la dévolatilisation des ingrédients organiques du charbon, conjointement avec certaines réactions de gazéification. Le gaz de gazéification, qui est à ce stade riche en hydrogène et en CO, ainsi qu'en méthane et en hydrocarbures supérieurs tels que les naphtas et les goudrons, passe ensuite au niveau supérieur suivant du lit o ont lieu la déshydrata- tion et le préchauffage du lit de charbon. Les gaz déchar- gés contiennent des quantités importantes d'eau vaporisée, de C02, de CO, d'hydrogène et une certaine quantité de mé- thane, de naphtas et de goudrons. Avant de pouvoir utiliser un tel gaz on doit le débarrasser des composés soufrés, de la vapeur d'eau, de C02, de naphtas et de goudrons. La meil- leure façon d'effectuer cette opération est d'employer un système d'élimination à basse température ou à température ambiante. L'équipement de refroidissement, le nettoyage et le rechauffage ultérieur du gaz sont coûteux aussi bien en ce qui concerne le matériel que la consommation d'énergie. Comme. le savent bien les spécialistes, le seul procé- dé en lit fluidisé qui est disponible à l'heure actuelle pour des opérations à échelle industrielle en vue de la gazéification du charbon fonctionne sous pression atmosphé- rique et donne un gaz qui contient des fortes concentra- tions de composants oxydants, de vapeur d'eau et d'anhydri- de carbonique. Avant de pouvoir employer ce gaz dans une réduction directe, on doit le nettoyer pour éliminer les poussières, le comprimer et ensuite le débarrasser de l'an- hydride carbonique et des composés soufrés. Non seulement ces opérations de refroidissement et de réchauffage sont onéreuses, mais le procédé de gazéification lui-même est incapable d'utiliser une fraction importante du carbone admis dans le gazéificateur. Des produits de carbonisation sont formés en tant que sous-produits et on doit les em- ployer dans d'autres procédés. Les procédés en lit fluidisé qui sont maintenant en cours de modernisation permettent d'effectuer la gazéification sous pression et l'un de ces procédés comporte une zone chaude au sein du lit fluidisé, dans laquelle la cendre est agglomérée et est autorisée à tomber du lit. Les produits de carbonisation et les cendres qu'on retire du gaz déchargé par un système à cyclones sont ramenés à la zone chaude ce qui permet d'assurer une utili- sation importante du produit de carbonisation et d'éliminer les cendres sous une forme agglomérée. La raison d'être d'un tel système est d'assurer une forte conversion du charbon en gaz en réduisant au minimum l'élimination des produits de carbonisation du système. En raison du système de retour par cyclones, le procédé donne la possibilité d'accepter des fines dans la charge de charbon. Cependant, même dans les meilleures conditions, la qualité du gaz ne dépasse jamais un rapport de 2, principalement par suite de la nécessité d'admettre un excès de vapeur d'eau dans le gazéificateur pour refroidir les produits de carbonisa- tion dans le lit fluidisé en vue d'en empêcher l'agglomé- ration. En conséquence il est impossible d'employer le gaz sans refroidissement, purification et réchauffage. Tous ces procédés sont indésirables en raison de l'importance de la mise de fonds et de la consommation d'énergie. On notera que la qualité du gaz réducteur est normalement exprimée par le rapport des agents réducteurs (C0 + H2) aux agents oxydants (Co2 + H20) dans le mélange gazeux. Pour pleinement profiter de l'efficacité chimique d'un four à cuve de réduction directe à contre-courant, la qualité du gaz réducteur chaud introduit dans le four doit être d'au moins 8 environ. -En conséquence, l'invention a pour objet essentiel - de créer un procédé de production de fer directe- ment réduit avec un gaz obtenu par gazéification du charbon en lit fluidisé; - d'éliminer la nécessité de réchauffage du gaz de gazéification à la température de réduction avant son ad- mission dans le four de réduction directe; et - de créer un procédé capable d'accepter des fines de charbon dans la charge. Diverses autres caractéristiques de l'invention res- sortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, à la figure unique du dessin schématique annexé. La figure unique est un schéma de fonctionnement d'un dispositif de gazéification de charbon couplé à un four de réduction directe réalisé conformément à l'invention. L'invention décrit un procédé de production de fer réduit directement avec gazéification d'un charbon en lit fluidisé, opération qui consiste à gazéifier le charbon en lit fluidisé, à purifier le gaz gazéifié, à le mélanger avec du gaz de tête chaud nettoyé, à injecter le mélange en qualité de gaz réducteur dans un four à cuve à réduction directe, à soutirer le gaz réducteur ayant réagi de ce four et à l'épurer pour former un gaz recyclé riche en réduc- teurs, à chauffer une portion de ce gaz recyclé avant de le mélanger avec un gaz de gazéification et à injecter une seconde portion non chauffée du gaz recyclé refroidi et épuré dans le gazéificateur afin de refroidir la réaction de gazéification. En utilisant le gaz recyclé provenant d'un procédé 2 413552 de réduction directe en qualité de fluide de refroidisse- ment dans la chambre de gazéification à lit fluidisé, on peut réduire très fortement la charge de vapeur d'eau né- cessaire pour le gazéificateur et parfois même on peut éli- miner complètement cette charge. Avec une réduction simul- tanée du pourcentage des oxydants dans le produit gazeux de gazéification, si l'on prolonge la durée de séjour du char- bon dans le gazéificateur, si l'on utilise un charbon haute- ment réactif et si l'on emploie un gaz recyclé pour le re- froidissement, on obtient un gaz réducteur de haute qualité qui permet la réduction directe du fer sans avoir à amélio- rer en aucune façon la qualité du gaz; on veut dire par là qu'il est inutile de réduire davantage les oxydants. On peut pulvériser de la chaux ou un autre accepteur de soufre tel que la dolomite calcinée qui peut être introduite sous forme pulvérisée et amenée avec le charbon pulvérisé pour désulfurer les gaz formés dans le lit fluidisé. Il est donc inutile de refroidir le gaz au-dessous de la température de réduction nécessaire dans un four de réduction directe. On diminue ainsi les besoins d'énergie ainsi que la mise de fonds pour l'installation d'un tel atelier. Au dessin annexé, le charbon ayant été broyé à une granulométrie suffisamment petite pour assurer une bonne fluidisation est transféré d'un réservoir 10 dans une cham- bre de gazéification à lit fluidisé 12 par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation 13. La totalité du charbon doit être d'une granulométrie inférieure à 10 mm pour assu- rer une bonne fluidisation. Eventuellement, la chaux pulvé- risée ou un autre accepteur de soufre à l'état pulvérisé est envoyé d'un réservoir 15 par la conduite 13 dans la chambre de gazéification 12. La présence de la chaux dans le lit réduit la tendance au collage des particules dans le lit, en permettant des températures opératoires plus éle- vées, d'o meilleure utilisation du carbone et amélioration de la qualité du gaz réducteur. L'oxygène modéré selon les besoins avec de la vapeur d'eau est admis à partir d'une source 16 dans le fond de la chambre 12 et vers le haut dans le lit fluidisé afin de fluidiser et de gazéifier la matière dans la chambre 12. Le gaz obtenu dans le gazéifi- cateur est soutiré par l'entremise d'un cyclone interne 18. Des particules entraînées dans ce gaz sont enlevées par le cyclone et sont renvoyées dans la partie inférieure du gazéificateur à travers une conduite de retour 20. Le gaz est soutiré du cyclone 18 à travers une -conduite 22 et su- bit un supplément d'épuration dans le nombre désiré (qui peut être quelconque) d'épurateurs de gaz 24. Les matières particulaires provenant des épurateurs 24 reviennent dans la zone chaude 25 dans le bas du lit fluidisé en passant par un circuit de retour 26. Le gaz épuré est admis dans une conduite 27 dans laquelle il est mélangé avec du gaz recyclé chauffé provenant du four de réduction directe pour former ainsi un gaz réducteur à une température appropriée pour la réduction de l'oxyde de fer. Le gaz réducteur mixte est admis dans un four à cuve de réduction directe 28 par une entrée 30. Le four à cuve comporte une conduite d'en- trée 32 de l'oxyde de fer à son extrémité supérieure et une installation 34 de soutirage du produit métallisé à son extrémité inférieure. Le fonctionnement de cette dernière provoque un écoulement par gravité de la matière chargée à travers le four. Le gaz réducteur se déplace à contre-cou- rant par rapport à la charge dans le four, l'oxyde de car- bone et-l'hydrogène (c'est-à-dire les réducteurs) réagis- sant avec l'oxygène dans l'oxyde de fer pour réduire chimi- quement le fer en un produit plus fortement métallisé et former un gaz de tête qui contient principalement C02, H20, H2, N2, CH4 et C0. Ce gaz de tête qui a réagi est soutiré du four par une sortie 40 et est soumis à un dépoussiérage et à une élimination importante d'eau dans un épurateur plus froid 42 d'o la majeure partie du gaz de tête refroidi et dépoussiéré est amenée dans une conduite 43 aboutissant à une installation 44 d'élimination de gaz acides dans la- quelle le gaz est lavé ou entièrement épuré pour être débar- rassé d'une proportion importante de C02 La vapeur d'eau ou une autre source d'énergie thermique 46 passe à travers l'installation 44 d'élimination de gaz acides afin de régé- nérer le fluide épurateur. Les gaz acides d'échappement tels que CO2 et H2S sont évacués du système par une condui- te 48. Le procédé d'élimination des gaz acides donne un gaz recyclé riche en hydrogène et en oxyde de carbone qui est divisé en une portion admise dans une conduite 50 ren- voyée vers le bas de la chambre de gazéification pour régler la température du lit par absorption de la chaleur exother- mique de réaction entre l'oxygène et le charbon dans le lit. La portion restante du gaz recyclé refroidi est admise dans une conduite 52 pour mélange avec le gaz de gazéification dans la conduite 27 afin de former le gaz réducteur. Une partie du gaz recyclé est chauffée dans l'appareil de chauf- fage 54 alors que le restant contourne l'appareil de chauf- fage par une conduite 55 en vue d'une recombinaison avec le gaz recyclé chaud pour régler la température du gaz réduc- teur. On mesure la température du gaz à l'aide d'un thermo- couple 56 qui est relié à une soupape 58 servant à régler la quantité de gaz refroidi dans la conduite 55 pour délayer le courant de gaz réducteur. L'appareil de chauf- fage 54 est équipé d'un brûleur 60 qui utilise une partie du gaz réducteur épuisé et dépoussiéré provenant d'une conduite 62 de combustible pour ce brûleur. Dans la chambre de gazéification 12, l'oxygène s'écoulant vers le haut à partir de la source 16 réagit avec le charbon pour produire un gaz réducteur. L'oxygène, modéré selon les besoins avec de la vapeur d'eau, provenant d'une source 70 est injecté dans le système d'élimination des cendres et réagit avec le produit de combustion formé à partir du charbon chaud pour établir la zone chaude 25 dans laquelle les particules de cendre sont agglomérées dans des conditions réglées. Alors que l'agglomération se poursuit, les particules forment des agglomérats d'une gros- seur suffisante pour tomber du lit dans le système de dé- charge 68. Au lieu du retour des fines des cyclones 24 à la zone chaude 25 comme il a été expliqué ci-dessus, la 24?35St totalité ou une partie des fines provenant de la conduite 26 peuvent être envoyées directement à travers une conduite 72 dans le courant ascendant d'oxydants provenant de la source 70. L'emplacement de l'injection des fines est réglé par les soupapes 74 et 76. Le procédé, selon l'invention, de production par gazéification en lit fluidisé de charbon d'un gaz réducteur pour la réduction directe du fer offre divers avantages sur le procédé de gazéification en lit fluidisé qu'on uti- lise dans l'industrie et selon lequel les gaz gazéifiés sont refroidis, débarrassés de l'anhydride carbonique, de- vapeur d'eau et de gaz sulfhydrique et ensuite sont réchauf- fés ensemble avec le gaz de tête comprimé, refroidi et nettoyé en provenance d'un four de réduction directe pour former ainsi un gaz réducteur mixte pour la réduction directe. Dans le procédé selon l'invention, une portion importante du gaz recyclé est réchauffée tout en jouant le rÈle d'un fluide de refroidissement pourla réaction de ga- zéification en lit fluidisé dans la chambre de gazéification. Le procédé permet d'assurer jusqu'à 95 % d'utilisation de charbon, mesurée par la perte de carbone dans les cendres et dans les gaz de décharge du système à cyclones. Etant donné qu'il est inutile de refroidir le gaz produit dans le gazéificateur ou de purifier les gaz du gazéificateur pour les débarrasser d'anhydride carbonique, de gaz sulfhydrique et d'eau, on supprime les équipements de refroidissement et de purification avec toutes les économies qui en résultent. Etant donné que les gaz de gazéification ne sont pas refroi- dis, il est parfaitement inutile de prévoir un équipement pour le réchauffage de ces gaz. Les deux sources de chaleur pour porter le gaz réducteur à la température de réduction sont la chambre de gazéification elle-même et l'appareil 54 de réchauffage du gaz de recyclage. L'appareil de réchauf- fage de gaz recyclés est beaucoup plus petit que ceux qu'on emploie dans les procédés connus dans ltindustrie car la quantité de gaz devant être réchauffée dans le procédé selon l'invention est vraiment beaucoup plus faible. Le procédé 2473SS2 de l'invention permet aussi d'accepter des fines dans la charge de charbon étant donné que le lit fluidisé et le dispositif à cyclones sont parfaitement capables de manipuler les fines. Les fines sont normalement éliminées des disposi- tifs de gazéification de charbon. EXEMPLE A titre d'exemple, le tableau I compare les débits d'écoulement dans le procédé utilisant le gaz de tête recyclé et purifié de la conduite 50 comme fluide de re- froidissement dans le gazéificateur à lit fluidisé (Cas A) et les mêmes débits quand on utilise la vapeur d'eau pour le refroidissement (Cas B), dans les deux cas pour la pro- duction de 1 tonne de fer directement réduit présentant une métallisation de 92 %. Dans les deux cas les conditions opératoires sont aussi identiques que possible et le gaz brut dans la conduite 27, tel que produit dans le gazéificateur 12, est à une température de 10100C. On utilise le gaz brut chaud sans le débarrasser d'anhydride carbonique. (Voir tableau I page 11). Dans un but de simplicité, le gaz de tête servant de combustible pour la production de la vapeur d'eau 46 en vue d'élimination de CO2 n'est pas représenté à la figure. Les économies de charbon, de manutention de gaz de recyclage et d'oxygène sont évidentes. Dans les exemples, le gaz brut est préparé d'un charbon dont l'analyse finale, en poids sec, indique 72,2 % de C, 4,5 % de H, 1,3 % de N, 6,8 5 de 0, 3,1 % de S et 12,1 % de cendre. Le pouvoir chauffant général est de 29 kJ./kg. La composition du gaz brut obtenu dans le gazéificateur est indiquée au tableau Il. (Voir tableau II page 11). On constatera l'amélioration importante de qualité du gaz brut dans le conduit 27 dans le cas A par rapport au cas B. On suppose que la somme N2 + Ar dans la charge - - 2475552 d'oxygène alimentant le gazéificateur est de 2 fo. La température du gaz brut dans la conduite 27 est de 10100C dans les deux cas et la température du gaz d'ali- mentation dans l'entrée 30 est réglée à 815 C par l'appa- reil de chauffage 54 et le gaz froid dans la conduite 55. Il ressort de ce qui précède que la Demanderesse a mis au point un procédé de production de fer directement réduit par utilisation d'un système de gazéification de charbon en lit fluidisé, pouvant facilement accepter du charbon finement divisé et utilisant plus efficacement la chaleur dans l'installation. 2435S52 TABLEAU I Débits Gazéificateur (m3N indique les mètres cubes de gaz à O C et sous une pression de 1 bar). CASA CAS B Charge de charbon (Pouvoir chauffant général) -.29 kJ/kg 436 540 Vapeur d'eau 43,6 432,0 Oxygène 241,7 289,3 Recyclage 305,2 0,0 Produit gazeux brut 1092,9 1337,6 Traitement de gaz et réduction Gaz admis (en 30) 1859, 1 3126,6 Gaz de tête (à partir de 40) humide 1886,6 3166,9 Gaz de tête épuré (à partir de 42) 1777,1 2795,4 Combustible gazeux de tête (en 62 et pour produire la vapeur d'eau en vue de l'élimination de C02) 290,7 522,8 Vers élimination de C02 (44) 1486,5 2272,6 C02 éliminé (en 48) 354,7 408, 1 Produit de l'enlèvement de C02 1055,2 1749,1 (en 44) Recyclage au gazéificateur (en 50) 305,2 0 Vapeur d'eau vers enlèvement de C02 674,0 7754 (en 46) 674,o 775,4 TABLEAU Il Composition de gaz brut (% vol) CASA CAS B CO 59,56 33,41 CO2 3,88 14,97 H2 28,14 29,86 H20 -2,41 17,61 CH4 3,90 3,30 N2 + Ar 2,11 o,86 Total 100 100 Qualité (réducteurs) 13,9 1,9 (oxydants) 247355S REVENDICATIONS 1 - Procédé de production de fer directement réduit avec gazéification de charbon en lit fluidisé, caractérisé en ce qu'il consiste: a) à introduire du charbon particulaire dans une chambre de gazéification à lit fluidisé; b) à faire réagir ce charbon à haute température en présence d'oxygène pour former un gaz de gazéification; c) à soutirer le gaz de gazéification de ladite chambre; d) à éliminer les matières particulaires du gaz de- gazéification; e) à mélanger le gaz obtenu avec un gaz de tête chaud et épuré provenant d'un four à réduction directe pour obtenir ainsi un gaz réducteur chauffé; f) à introduire le gaz réducteur chauffé dans un four à cuve de réduction directe pour réduire l'oxyde de fer dans celui-ci en un fer hautement métallisé et pour former un gaz de tête ayant réagi; g) à évacuer le gaz de tête ayant réagi de ce four; h) à éliminer les gaz acides de ce gaz de tête pour produire un gaz de recyclage riche en hydrogène et en oxyde de carbone; i) à réchauffer une portion de ce gaz de recyclage avant de le mélanger avec le gaz de gazéification exempt de poussières; et j) à injecter une seconde partie de ce gaz de recy- clage refroidi et nettoyé dans la chambre de gazéification pour refroidir la réaction à l'intérieur de cette chambre. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dilue le gaz recyclé chauffé avec du gaz recyclé non chauffé avant de former le gaz réducteur mixte. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit un accepteur de soufre sous forme parti- culaire dans cette chambre avec le charbon. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'accepteur de soufre est la pierre à chaux. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la totalité du charbon particulaire est d'une gra- nulométrie inférieure à 10 mm. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on nettoie et qu'on refroidit le gaz de tête après avoir évacué le gaz de tête qui a réagi du four.