Brevet FR2464304A1 — publié le 19810306

-1- L'invention concerne la réduction du minerai de fer par un gaz dans un réacteur à couche mobile à cuve verti- cale pour la formation d'éponge de fer et plus particu- lièrement, un procédé nouveau d'utilisation d'un gaz conte- nant de l'hydrocarbure, spécialement d'un gaz de cokerie, comme source de réducteur dans un tel processus de réduction. Des systèmes typiques de réduction par des gazutilisant des réacteurs de réduction du minerai de fer du type à couche mobile à cuve verticale, sont décrits par les brevets US 3 765 8725 3 770 421, 3 779 741 et 3 816 102. Dans ces systèmes, on effectue communément la réduction du minerai au moyen d'un gaz réducteur composé en grande partie de monoxyde de carbone et d'hydrogène et préparé de toute manière appropriée par reformage catalytique d'un mélange de gaz naturel et de vapeur d'eau. Typiquement, ces systèmes comprennent un réacteur à cuve verticale com- portant une zone de réduction dans sa partie supérieure et une zone de refroidissement dans sa partie inférieure. Le minerai à réduire est amené au sommet du réacteur et traverse celui-ci de haut en bas en passant d'abord par la zone de réduction o il est mis en contact avec du gaz réducteur chauffé, puis par une zone-de refroidissement o il est refroidi par un agent de refroidissement gazeux avant d'Atre retiré en bas du réacteur. On refroidit lteffluent gazeux de la zone de réduction pour éliminer l'eau et, dans la plupart des cas, on réchauffe la majeure partie de l'effluent gazeux refroidi et on le recycle vers la zone de réduction. De façon similaire, on refroidit communément au moins une partie de l'agent de refroidisse- ment gazeux retiré de la zone de refroidissement et on le recycle vers la zone de refroidissement. A son extrémité inférieure, le réacteur comporte des moyens permettant de régler l'évacuation de l'éponge de fer refroidie, par exemple un tiroir tournant d'évacuation, un couloir vibrant, une courroie transporteuse etc..* Récemment,on a trouvé avantageux d'utiliser l'éponge de fer fabriquée dans un réacteur de ce genre pour constituer -2- une partie de l'alimentation d'un haut fourneau. En incor- porant de l'éponge de fer à l'alimentation du haut fourneau, on peut augmenter la productivité de celui-ci et diminuer le besoin de coke. Ainsi, on peut réaliser des économies notables dans le fonctionnement du haut fourneau. Etant donné que les hauts fourneaux utilisent du coke à la fois comme combustible et comme réducteur et en quantités notables, ils sont communément situés au voisinage d'une batterie de fours à coke qui produisent à la fois du coke et, comme sous-produits du gaz de cokerie contenant des constituants réducteurs. Dans le cas o ltéponge de fer doit entrer dans l'alimentation du haut fourneau, il serait avantageux d'intégrer linstal- lationde fabrication d'éponge de fer, les hauts fourneaux et la cokerie, c'est-à-dire de placer l'unité de fabri- cation d'éponge de fer au voisinage des hauts fourneaux. Cette juxtaposition physique de l'installation à éponge de fer et des hauts fourneaux assurerait plusieurs avan- tages. Ainsi, les manipulations de l'éponge de fer et la nécessité de refroidissement de celle-ci seraient dimi- nuées. Un autre avantage que peut offrir une telle installa- tion intégrée est la possibilité d'utiliser le gaz de coke- rie formé comme sous-produit en tant que source de cons- tituants réducteurs pour le réacteur de réduction du minerai avec réducteur gazeux. Une difficulté de cette solution réside dans le fait que le gaz de cokerie brut n'est pas un réducteur très efficace du minerai de fer. Il est possible de traiter le gaz de cokerie pour améliorer son pouvoir réducteur, par exemple par un procédé de reformage catalytique mais les appareils de reformage catalytique dont on dispose nécessitent des investissements considé- rables qui augmentent notablement le prix de revient du gaz traité. D'autre part, le gaz de cokerie a une teneur en soufre relativement élevée qui a une influence nuisible sur les catalyseurs habituellement utilisés dans les appa- reils de reformage catalytique connus. Par suite, si l'on veut reformer le gaz de cokerie dans un appareil catalytique -3- de type connu, il faut commencer par ramener sa teneur en soufre à un très bas niveau. On a donc besoin d'un procédé perfectionné permettant d'améliorer l'efficacité réductri- ce du gaz de cokerie brut. C'est pourquoi l'invention a tout d'abord pour but de fournir un procédé nouveau de reformage d'un gaz conte- nant une proportion notable d'hydrocarbure, par exemple d'un gaz de cokerie, pour augmenter son efficacité comme réducteur du minerai de fer. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé nouveau de reformage d'un gaz contenant un hydrocarbure, par exemple d'un gaz de cokerie ou similaire, pour former un mélange comprenant des quan- tités notables de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Un autre but est de fournir un procédé de réduction du minerai de fer qui facilite l'intégration entre une ins- tallation de fabrication d'éponge de fer, un ou plusieurs hauts fourneaux et une batterie de fours à coke, de manière à assurer un accroissement notable de la productivité des hauts fourneaux et une amélioration de l'économie de combus- tible. Un autre but de l'invention est encore d'éliminer la nécessité d'un appareil séparé-de reformage catalytique servant à améliorer le pouvoir réducteur d'un hydrocar- bure gazeux, spécialement d'un gaz de cokerie. L'invention parvient à ces résultats en utilisant un réacteur à couche mobile à cuve verticale dans lequel la zone de refroidissement sert non seulement à refroidir et à carburer l'éponge de fer comme dans les systèmes anté- rieurs mais constitue aussi une zone de reformage d'un mélange de vapeur et de gaz contenant de l'hydrocarbure. Selon l'invention, on établit une boucle de refroidisse- ment comprenant la zone de refroidissement du réacteur et on amène de la vapeur d'eau et un gaz contenant de l'hy- drocarbure, habituellement un gaz contenant du méthane, à des points séparés de la boucle de refroidissement, ou bien on les prémélange et on les amène à la boucle de refroidissement sous forme de mélange. On utilise comme catalyseur l'éponge de fer contenue dans la zone de refroi- dissement pour effectuer un reformage de l'hydrocarbure -4- gazeux contenu dans le mélange de gaz et de vapeur dteau, puis on utilise le gaz ainsi reformé comme source de gaz réducteur pour la zone de réduction du réacteur. On a trouvé que le gaz de cokerie amené n'a pas besoin d'être complètement désulfurà dans le présent procédé car le dépft de soufre sur l'éponge de fer dans la zone de refroi- dissement n'a pas d'influence nuisible sur son activité et en tout cas, l'éponge de fer forme une masse de cataly- seur qui se renouvelle continuellement. On peut ensuite facilement ajuster la quantité de soufre déposé sur l'épon- ge de fer, au cours de l'étape de fabrication de l'acier. Le coût de la désulfuration est réduit selon l'invention. Avantageusement, le gaz que l'on mélange à la vapeur d'eau contient au maximum environ 30% en volume de méthane ou autre hydrocarbure gazeux. Si l'on utWise de plus fortes proportions d'hydrocarbure, il peut se produire un dép8t excessif de carbone sur l'éponge de fer. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence au dessin annexé dans lequel: La figure unique représente un système de réduction directe au moyen d'un gaz, conçu pour servir à la mise en oeuvre d'un mode d'exécution préférentiel et d'une variante de l'invention. Sur le dessin, la référence générale 10 désigne un réacteur de réduction à couche mobile à cuve verticale comportant une zone de réduction 12 dans sa partie supé- rieure et une zone de refroidissement 14 divisée en une section supérieure 14a et une section inférieure 14b, dans la partie inférieure du réacteur. Le minerai de fer à réduire entre dans le haut du réacteur par une entrée 16 et s'éeoule de haut en bas à travers la zone de réduc- tion 12 dans laquelle il est réduit par du gaz chaud s'écoulant de bas en haut, puis arrive dans la zone de refroidissement 14, traverse celle-ci et sort du réacteur par la sortie 18. La réduction du minerai s'effectue au moyen d'un gaz réducteur composé en grande partie de monoxyde de carbone -5- et d'hydrogène, qui est chauffé dans un dispositif de chauffage 20 à une température de 750 à 1 000C et afflue alors par le tuyau 22 à une chambre de tranquillisation 24 formée par un déflecteur circulaire intérieur 26 et la paroi adjacente du r6acteur. En partant de la chambre de tranquillisation 24, le gaz réducteur contourne le bas du déflecteur 26 puis s'écoule de bas en haut à travers le minerai de fer en particules, dans la zone de réduction 12 et réduit le minerai en éponge de fer. Le gaz quittant le haut de la couche do minerai contenue dans la zone de réduction quitte le réacteur par le tuyau 28 et afflue à un refroidisseur 30 oa il est refroidi et déshydraté par contact direct avec de l'eau de refroidissemente Le gaz réducteur refroidi et déshydraté quitte le refroidisseur 30 par le tuyau 32 et se divise alors en une portion qui se rend par le tuyau 34 à un point de stockage approprié ou à un point d'utilisation par exemple eomme gaz combustible. Le reste du gaz réducteur qui passe par le tuyau 32 arrive par le tuyau 36 à une pompe 38 qui le refoule à nouveau par le tuyau 40 vers le dispositif de chauffage 20. Ainsi, une proportion notable du gaz réducteur s'écoule dans un circuit fermé comprenant la zone de réduction 12, le tuyau 28, le refroidisseur 30, les tuyaux 32 et 36, la pompe 38, le tuyau 40, le disposi- tif de chauffage 20 et le tuyau 22. Comme le montre le dessin, le tuyau 34 est muni d'un régulateur de contre- pression 42 servant à maintenir une pression élevée désirée à l'intérieur du réacteur. Du gaz réducteur de complément est amené d'un tuyau 44 au circuit de gaz réducteur, de façon décrite plus complètement ci-après. La zone de refroidissement 14, comme la zone de réduction 12, fait aussi partie d'un circuit d'écoulement de gaz. Du gaz de refroidissement entre dans le bas de la zone de refroidissement par un tuyau 46 et afflue à une chambre de tranquillisation 48 définie par la paroi du réacteur et par un déflecteur intérieur tronconique 50. En partant de la chambre de tranquillisation 48g, le gaz de refroidissement contourne le bas du déflecteur 50, puis -6- monte à travers les sections 14b et 14a de la zone de refroidissement jusqu'à une chambre de tranquillisation 52 définie par la paroi du réacteur et par un déflecteur cir- culaire 54. En partant de la chambre 52, le gaz de refroi- dissement se rend par le tuyau 56 au refroidissear 58 o il est refroidi et déshydraté puis, par le tuyau 60, à la pompe de circulation 62 qui le refoule par le tuyau 64 vers le tuyau 46. Selon l'invention, le gaz de refroidissement amené par le tuyau 46 au bas de la zone de refroidissement est aussi un gaz réducteur qui ressemble au gaz amené à la zone de réduction 12 en ce sens qu'il contient des quan- tités notables de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Le circuit de refroidissement reçoit un gaz de complément provenant d'une source appropriée, par le tuyau 66, sous la commande d'un régulateur de débit 68. Le gaz de complé- ment contient une quantité notable d'hydrocarbure gazeux et peut être par exemple un gaz contenant au maximum environ 30% en volume de méthane, ou un gaz de cokerie qui contient une moindre proportion de méthane. Dans un cas comme dans l'autre,le gaz qui arrive par le tuyau 46 en bas de la zone de refroidissement contient une quantité nota- ble d'hydrocarbure. Le gaz réducteur froid qui monte à travers la zone de refroidissement 14 joue au moins trois r8les différents. Il joue deux de ces rôles dans les zones de refroidisse- ment des réacteurs à couche mobile antérieurement connus s ce sont le refroidissement du minerai de fer réduit et la carburation de l'éponge de fer, selon l'équation: 2C00. C + CO2 Dans les conditions qui règnent dans la zone de refroidissement, la majeure partie du carbone formé dans la réaction de carburation réagit sur l'éponge de fer en formant du carbure ferrique qui se distribue dans les particules d'éponge de fer quittant le réacteur par la sortie 18. L'éponge de fer évacuée ne contient qu'une quantité relativement petite de carbone élémentaire. -7- Selon le présent procédé, la zone de refroidissement Joue un troisième rôle qui est de convertir les hydrocar- bures contenus dans le gaz ascendant en monoxyde de car- bone et hydrogène selon l'équation: CH4 + H20 3C0 + 3H2 Pour fournir l'eau permettant le déroulement de cette action, on amène de la vapeur d'eau au réacteur, de préfé- rence entre la section supérieure 14a et la section infé- rieure 14b de la zone de refroidissement. Plus particu- lièrement, on amène de la vapeur d'eau d'une source ap- propriée par un tuyau 70 contenant un régulateur de débit 72 puis, par un tuyau 74 contenant une valve d'isolement 76, à une chambre de tranquillisation 78 de laquelle elle afflue, par une série circonférentielle d'ouvertures 80î à l'intérieur de la zone de refroidissement. La vapeur d'eau se mélange au gaz ascendant contenant de l'hydrocar- bure et réagit sur celui-ci selon l'équation ci-dessus. La réaction de la vapeur d'eau et de l'hydrocarbure est catalysée par l'éponge de fer chaude dans la section 14a de la zone de refroidissement, ce qui augmente notablement la teneur en monoxyde de carbone et hydrogène du gaz de refroidissement en circulation. Avantageusement, on utilise un excès stoechiométrique de vapeur d'eau pour inhiber le dépôt indésirable de carbone dans le réacteur. Typiquement, le rapport molaire vapeur d'eau/méthane ou autre hydro- carbure peut être compris entre 1,0: 1 et 1, 5: 1. Etant donné que la réaction de reformage est endothermique$ la chaleur de cette réaction est empruntée à l'éponge de fer chaude et aide à la refroidir. Comme l'indique le dessin, la vapeur d'eau amenée par le tuyau 70 peut aussi être conduite, par le tuyau 82 contenant la valve d'arrêt 84, au gaz recyclé qui passe par le tuyau 46. Ainsi, la vapeur d'eau peut être amenée soit au gaz recyclé 46 soit à un point situé entre les sections 14_ et 14b de la zone de refroidissement, soit à ces deux endroits à la fois. Etant donné que le gaz qui monte à travers la zone de -2464304 -8- refroidissement est notablement enrichi en monoxyde de carbone et hydrogène, il est utile comme gaz réducteur dans la zone de réduction. En conséquence, une partie du gaz recyclé qui passe par le circuit de refroidissement est retirée de celui-ci par le tuyau 86 contenant le régulateur de débit 88 et passe ensuite par le tuyau 44 et constitue un gaz de complément pour le circuit de gaz réducteur. La description ci-dessus montre que l'invention four- nit un procédé permettant d'atteindre les différents buts ci-dessus. Ainsi, elle fournit un procédé nouveau et exceptionnellement efficace pour le reformage d'un gaz formé, en totalité ou pour une part notables de consti- tuants hydrocarbures, par exemple un gaz de cokerie ou autre gaz contenant au maximum 30% en volume d'hydrocar- bure, de manière à augmenter le pouvoir réducteur d'un tel gaz. En outre, on réalise l'amélioration du gaz sans utiliser un appareil séparé de reformage catalytique du gaz qui, comme on l'a dit plus haut, représente un inves- tissement notable. On obtient ainsi un système de rédue- tion d'une efficacité exceptionnelle. -9- REVENDICATIONS 1.- Procédé de réduction de minerai de fer en parti- cules à l'état de particules dtéponge de fer dans un réacteur vertical à couche mobile 10 comportant dans sa partie supérieure une zone de réduction 12 et dans sa partie inférieure une zone de refroidissement 14 de l'éponge de fer, procédé dans lequel on amène un gaz de refroidissement contenant du carbone à une extrémité de la zone de refroidissement 14, on retire le gaz de refroi- dissement à l'autre extrémité de la zone de refroidisse- ment 14, on refroidit 58 le gaz retiré et on recycle le gaz refroidi vers la zone de refroidissement 14 pour former une boucle fermée et dans laquelle on ajoute un gaz de complément contenant un hydrocarbure gazeux. On aJoute de la vapeur d'eau dans la boucle et on utilise une partie du gaz venant de la boucle pour réduire du minerai de fer dans la zone de réduction 12. 2.- Proc6dé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz de complément contient au maximum environ 30% en volume d'hydrocarbure gazeux. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'hydrocarbure gazeux est le méthane. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on retire de la boucle de refroidissement un courant de gaz, qu'on le chauffe et qu'on l'amène à la zone de réduction 12 pour y réduire du minerai de fer. 5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on carbure l'éponge de fer dans la partie inférieure 14b de la zone de refroidissement et que la valeur d'eau et l'hydrocarbure gazeux ajoutés réagissent en formant du monoxyde de carbone et de l'hydrogène dans la partie supérieure 14a de la zone de refroidissement. 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on retire de la boucle le courant de gaz retiré avant de refroidir le gaz en circulation et avant d'y aJouter le gaz de complément et la vapeur d'eau. 7.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on ajoute la vapeur d'eau au gaz qui circule dans la boucle de refroidissement en un point situé -10- en aval de la sortie de la zone de refroidissement 14 et en amont du point o l'on ajoute du gaz de complément dans la boucle. 8.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on ajoute la vapeur d'eau au gaz circu- lant dans la boucle de refroidissement en un point situé en aval du point o l'on ajoute du gaz de complément et en amont du point o l'on refroidit le gaz sortant de la zone de refroidissement 14. 9.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on ajoute directement de la vapeur d'eau dans la zone de refroidissement 14. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'on ajoute la vapeur d'eau dans la zone de refroidissement 14 près du milieu de celle-ci. 11.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le courant de gaz retiré est l'unique source de gaz réducteur fournie à la zone de réduction 12 du ré- acteur. 12.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la zone de réduction fait partie d'une boucle de gaz réducteur comprenamt un refroidisseur 30 servant à refroidir le gaz retiré de la zone de réduction 12, une pompe 38 servant à faire circuler du gaz dans la boucle de gaz réducteur et un dispositif de chauffage 20 servant à réchauffer le gaz en circulation et que le courant de gaz retiré est amené à la boucle 20, 38,30. 13.- Procédé selon la revendication 129 caractérisé par le fait que le courant de gaz retiré est amené à la boucle en un point situé entre la pompe 30 et le dispositif de chauffage et que du gaz réducteur épuisé est retiré de la boucle 20, 389 30 en un point situé entre le refroidis- seur 30 et la pompe 38. 14.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz de complément est un gaz de cokerie. 15.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rapport molaire vapeur d'eau/hydrocarbure gazeux est compris entre 1,0: 1 et 1,5: 1.