Brevet FR2488903A1 — publié le 19820226

La présente invention concerne un procédé de production de gaz dans un réacteur à bain de fer o se trouve un bain de fer liquide qui reçoit des combustibles liquides ou solides contenant du carbone et sur la surface duquel est insufflé un jet de gaz se composant au moins en partie d'oxygène, les combustibles étant gazéifiés sous forme de gaz qui sont collectés dans la chambre à gaz située au-dessus de la surface du bain et qui sont évacués de cette chambre. on sait déjà effectuer depuis longtemps la gazéification continue de charbon ou d'autres combustibles contenant du carbone dans un réacteur à bain de fer ou à bain d'acier comportant une couche de laitier pour former un gaz se composant essentiellement de CO et H2. Dans le procédé faisant l'objet de la demande de brevet allemand DE-OS 29.52.434, on insuffle, à l'aide d'une lance placée au-dessus de la surface du bain de fer, de l'oxygène sur la surface du bain de manière à créer une zone de soufflage à haute température. Sur cette zone de soufflage à haute température, on projette une poudre solide contenant du carbone à l'aide d'un gaz porteur. En outre, d'après la demande de brevet allemand DE-AS 25 883, on connaît un procédé suivant lequel on insuffle dans le bain de fer du charbon ou un combustible contenant du carbone en dessous de la surface du bain. Egalement Le jet de gaz, se compo- sant au moins en partie d'oxygène, est insufflé dans le bain de fer en dessous de sa surface, une enveloppe formée d'hydrocarbures assurant la protection des buses associées. Enfin, d'après le brevet allemand no 25.20.868, on connaît un procédé suivant lequel on ajoute au bain de fer addi- tionnellement du charbon riche en énergie, du carbone non fixé, de l'aluminium, du silicium, du carbure de calcium ou des mélanges, le cas échéant indépendamment du charbon à gazéifier. On introduit ainsi de la chaleur dans le processus de gazéification du charbon. Un inconvénient de ces procédés consiste en ce que la gazéification de mauvais combustibles, notamment de qualités de charbon à faible pouvoie calorifique n'a pas pu être réalisée jusqu'à maintenant de façon rentable car ils nécessitent l'addi- tion de combustibles riches en énergie pour pouvoir maintenir la température du bain de fer avec de tels combustibles. Enfin, avec les procédés connus, il n'est pas possible d'utiliser des gaz oxydantd peu coûteux, comme de l'air par exemple. -2- L'invention a en conséquence pour but de remédier aux inconvénients des procédés connus et de fournir un procédé à l'aide duquel il soit possible, d'une manière économique, de produire, à partir de combustibles contenant du carbone et/ou des hydrocarbures et se présentant sous une forme solide, broyée ou liquide, dans un réacteur à bain de fer, un gaz combustible en faisant intervenir des combustibles peu riches en énergie et en utilisant des gaz oxydants peu coûteux, ce qui permet notamment d'éviter l'addition de combustibles riches en énergie pour l'équi- librage du bilan thermique du processus de gazéification. Ce but est atteint en ce que le jet de gaz est insufflé au travers de la chambre à gaz sur la surface du bain et aspire, lors de sa traversée de la chamibre les gaz produits, en les brû- lant partiellement et en les entraînant vers la surface du bain afin que la chaleur engendrée lors de la combustion des gaz produits soit transmise au bain de fer. Ainsi le jet de gaz traverse la chambre à gaz située au- dessus de la surface du bain en parcourant une distance aussi grande que possible. Sous l'action du jet, le gaz se trouvant dans la chambre et produit par gazéification des combustibles est aspiré et entraîné. Cet effet se produit également par exemple dans le cas d'une pompe à jet d'eau. Du fait que le jet de gaz dirigé vers la surface du bain contient de l'oxygène, une partie des gaz combustibles produits est brûlée. La chaleur ainsi engen- drée est cédée au bain de fer car le jet de gaz dévie les produits chauds de combustion vers la surface du bain de sorte qu'ils entrent en contact avec celle-ci et peuvent lui céder leur chaleur. Conformément à l'invention, par projection d'un jet de gaz formé d'un gaz à effet oxydant (oxygène, air ou analogue) sur la surface du bain, il est possible d'améliorer considérablement le bilan thermique dans un réacteur à bain de fer. Lé procédé selon l'invention permet d'utiliser de l'air pour le jet de gaz. Il n'est ainsi pas nécessaire d'utiliser de l'oxygène techniquement pur comme dans les procédés connus. De l'air est normalement disponible à peu de frais et on peut le comprimer à la pression de travail nécessaire avec des moyens simples. A cet égard, il est particulièrement avantageux de préchauffer l'air pour pouvoir ainsi éviter d'extraire du pro- cessus de gazéification la chaleur nécessaire au préchauffage de l'air. En pratique, il s'est avéré avantageux d'adopter une -3- température de préchauffage de 300 à 4000C. Jusqu'à cette tempé- rature, on peut utiliser des tuyaux et des organes obturateurs de types classiques et en outre l'isolation thermique des systèmes d'alimentation peut être réalisée économiquement. Egalement il est cependant possible d'utiliser de l'oxygène techniquement pur pour le jet de gaz. Cela est notamment avantageux dans le cas de combustibles à très faible pouvoir calorifique. La fraction d'oxygène contenue dans le jet de gaz est ainsi déterminée essentiellement par des considérations concernant la rentabilité et la qualité des combustibles utilisés. Il est judicieux d'injecter les combustibles solides ou liquides dans le bain de fer en dessous de sa surface. Pour le transport, on utilise des gaz porteurs comme par exemple de l'air, de l'azote, de l'oxyde de carbone, un gaz inerte, etc... Il est cependant également possible de faire arriver le combustible au- dessus de la surface du bain. L'oxygène contenu dans le jet de gaz insufflé dans la chambre à gaz et audessus de la surface du bain sert notamment à brûler une partie des gaz produits à partir du combustible. L'in- troduction d'oxygène pour le processus de gazéification est par contre effectuée avantageusement en dessous de la surface du bain à-l'aide de buses. Celles-ci sont constituées par exemple de plusieurs tubes concentriques et on utilise pour la protection des buses à l'extérieur, d'une manière connue, un hydrocarbure. On peut modifier dans des limites non définies la proportion d'oxygène injecté en dessous de la surface du bain par rapport à la proportion d'oxygène introduit dans le jet de gaz sur la surface du-bain. Ainsi par exemple il est possible d'introduire par le jet de gaz arrivant sur la surface du bain 80% de l'oxygène total et d'injecter seulement 20% d'oxygène en dessous de la surface du bain, ou bien d'opérer exactement de façon inverse en injectant 80% d'oxygène en dessous de la surface du bain et en faisant arriver sur celle-ci 20% d'oxygène dans le jet de gaz. Cependant, il s'est avéré qu'au moins 10% de la quantité totale d'oxygène introduite dans le réacteur à bain de fer doivent être insufflés avec le jet de gaz sur la surface du bain pour pouvoir exploiter les avantages de l'invention en ce qui concerne le pouvoir calorifique. Ce pourcentage peut être augmenté jusqu'à LOO%. A cet égard, il s'est avéré d'une manière surprenante que cet oxygène du jet de gaz sert à l'oxydation du combustible dans -4- le bain de fer. Pour le mode de fonctionnement classique du réacteur à bain de fer, on fait arriver entre environ 40 et 90% de la quantité totale d'oxygène par le jet de gaz. La proportion indiquée ci-dessus est déjà estimée comme la plus élevée possible pour des raisons économiques car cette proportion de la quantité totale est généralement insufflée à une pression plus basse que celle nécessaire pour les buses placées en dessous de la surface du bain. De préférence, plusieurs jets de gaz sont dirigés-vers la surface du bain. L'insufflation s'effectue à une assez grande distance de la surface du bain, la zone d'impact étant située à peu près au milieu de ladite surface. Il est essentiel d'avoir une longueur de parcours assez grande des jets de gaz dans la chambre située au-dessus de la surface du bain. Normalement, il faut maintenir une distance minimale d'environ 2 m entre les buses de projection du jet de gaz et la surface du bain. Les buses sont installées dans le garnissage réfractaire dans la partie supérieu- re du réacteur. Elles peuvent, principalement lors de l'insuffla- tion d'air, être constituées d'un seul tube ou bien, comme par exemple lors de l'insufflation d'oxygène techniquement pur, de deux tubes concentriques. Dans le dernier mode de réalisation, l'oxygène s'écoule dans le tube central et, pour la protection des buses, on fait passer dans l'intervalle annulaire de l'azote, de l'oxyde de carbone, un gaz inerte, un hydrocarbure ou l'équivalent en faibles quantités (0,1 à 5% du gaz oxydant). Une application avantageuse du procédé selon l'invention consiste à fabriquer dans un réacteur à bain de fer un gaz conte- nant aussi peu que possible de soufre en vue de le faire brûler dans des chaudières et des installations de chauffage, par exemple pour la production de courant, à partir de combustibles contenant du soufre. Le soufre est alors absorbé par un laitier contenant du CaO dans un réacteur à bain de fer. Les formateurs de laitier nécessaires contenant du CaO, sont de préférence ajoutés sous une forme pulvérisée aux gaz contenant de l'oxygène qu'on injecte dans le bain de fer en dessous de sa surface. Le mélange des formateurs de laitier avec les combustibles, ou bien une introduction séparée de CaO avec un gaz porteur, rentrent également dans le cadre de l'invention. Le laitier formé, y compris les cendres ainsi enri- chies formées par les combustibles, peut être évacué de façon fractionnée lors du réacteur ou bien, conformément au brevet allemand 25 20 584 pour l'amélioration du bilan thermique, il peut être désulfuré à l'état liquide et être recyclé toujours à l'état liquide dans le réacteur. L'application du procédé selon l'invention a par exemple permis de produire, en fonction du combustible utilisé, des gaz exploitables ayant la composition donnée dans la suite. Pour la gazéification d'une tonne de coke avec environ 10% de cendres et une teneur en soufre de 1%, on fait arriver en dessous de la surface du bain de fer environ 2.400 m3 d'air préchauffé à une température de 3000C et simultanément on projette sur le bain 2.400 m3 d'air préchauffé à la même température. Le bain de fer en fusion a une température d'environ 1.4000C et une teneur en carbone d'environ 2%. Par tonne de coke, on a produit 5.500 m3 de gaz se composant d'environ 25% CO, 6% Co2, 69% N2, 0,002 % de soufre, à une température de 1.4000C, ledit gaz contenant environ 2 g/m3 de poussières et pouvant être directement brûlé dans une chaudière. Lors de la gazéification d'un charbon de production de gaz, on a obtenu un gaz ayant la composition suivante: 19,0% CO, 4,8% H2, 4,6% Co2 et 66,5% N2. Une lignite pauvre en énergie et séchée correspondant en composition à 64, 0% en poids de C, 4,9% en poids de H, 23,6% en poids de 0, 5,9% en poids de cendres, 0,4% en poids de soufre et ayant un pouvoir calorifique de 5. 860 Kcalories a été gazéifiée avec de l'air à 3000C par le procédé selon l'invention dans un réacteur à bain de fer et on a obtenu un gaz contenant 21,4% vol. de CO, 6,2% vol. de H 2, 5,4% vol. de C02, 6,2% vol. de H20, 60,7% vol. de N2, 20 ppm. de soufre et ayant un pouvoir calorifique de 806 Kcal./m3. Pour la désulfuration, on a introduit dans le réacteur environ 9 Kg CaO/t. de charbon. L'utilisation d'oxygène conformément à l'invention s'avère alors toujours avantageuse lorsque l'impératif d'obtenir un gaz riche en énergie et à faible teneur en N2 vient en arrière plan ou bien lorsqu'on doit utiliser des combustibles particu- lièrement pauvres en énergie pour la gazéification dans le réac- teur à bain de fer. Pour définir les gaz porteurs d'oxygène à utiliser, ou bien si on doit faire intervenir de l'oxygène pur lors de la gazéification dans le réacteur à bain de fer, on se base essentiellement sur des considérations de rentabilité et également sur l'application des gaz produits. Il ne se pose aucun problème concernant les techniques opératoires lors de la gazéifi- -6- cation, lors de l'équilibrage du bilan thermique du procédé par la combustion partielle des gaz produits dans la chambre à gaz du réacteur et lors de l'utilisation de différents agents contenant de l'oxygène conformément au procédé de l'invention. Une autre application particulièrement avantageuse de l'invention consiste à introduire dans le bain se trouvant dans le réacteur des matières qui contiennent du fer sous une forme fixée ou libre, comme par exemple du minerai, pour fabriquer du fer liquide (fonte) et simultanément pour produire un gaz. Dans ces conditions d'application du procédé selon l'invention, la chaleur engendrée par la post-combustion partielle des gaz produits dans le réacteur à bain de fer est utilisée au moins partiellement pour la réduction des matières contenant du fer, notamment du minerai. On ajoute au bain de fer en fusion se trouvant dans le réacteur, en plus des combustibles solides ou liquides contenant du carbone ainsi que de l'oxygène et des formateurs de laitier, des subs- tances qui contiennent du fer sous une forme au moins partielle- ment oxydée, comme par exemple du minerai. L'avantage économique essentiel de cette variante du procédé selon l'invention consiste en ce que, avec une faible dépense technique, du minerai est réduit directement à l'aide d'une quantité relativement faible de charbon et simultanément il se forme un gaz qui est utilisable dans de nombreuses applications. Pour la production d'une tonne de fer par réduction de minerai de fer, il est nécessaire d'utiliser environ 1,1 t. de charbon (composition approximative 78% C, 5% H2, 3) H2Oi 5% cendres, 5% 02' 1% S, pouvoir calorifique 7.500 Kcal./ m3). Simultanément on produit un gaz utilisable industriellement ayant la composition approximative suivante: 57% CO, 14% C02, 14% H20, et un pouvoir calorifique d'environ 2.100 Kcal./m3 Le procédé selon l'invention permet ainsi une optimisa- tion rentable de la fabrication du fer en combinaison avec la production de gaz dans un réacteur à bain de fer. Si on opérait par exemple d'une façon semblable sans la récupération conformément à l'invention, de l'énergie produite par post-combustion des gaz produits dans le bain de fer, il serait nécessaire de faire intervenir, lors de l'utilisation du même charbon pour la fabrication d'une tonne de fer, environ 3 t. de charbon. Le gaz produit aurait la composition suivante: 70% CO, 1% CO2, 27% H2, 1% H20 et un pouvoir calorifique d'environ 2.700 Kcal./m. -7- Les autres procédés connus à plusieurs phases pour la réduction de minerai de fer et pour la production de fer liquide, par exemple d'après la demande de brevet publiée 24 01 909, présentent l'inconvénient que les gaz produits ne sont utilisables que dans des applications secondaires, à cause de leur faible pouvoir calorifique, si on ne leur ajoute pas des gaz riches en énergie, ce qui est coûteux. Avec ce procédé de fabrication, il faut environ 650 Kg de charbon pour produire une tonne d'acier. On produit alors un gaz ayant la composition suivante: 41% CO, 30% CO2, 18% H2O, 10% H2 et un pouvoir calorifique de 1.100 Kcal./m Avec le procédé selon l'invention, le minerai peut être introduit dans le bain de fer aussi bien directement par des buses placées dans le fond du réacteur que par le haut sur la surface du bain. Conformément à un mode avantageux de réalisation de l'inven- tion, l'addition de minerai s'effectue au moins partiellement en même temps que l'oxygène qu'on insuffle sur le bain. Avec ce mode opératoire, le minerai sous forme pulvérulente est déjà préchauffé et préréduit dans l'atmosphère gazeuse, ce qui augmente le rende- ment thermique du procédé. Pour améliorer encore cet effet, il peut être avantageux de placer dans les buses de soufflage des dispositifs qui contribuent à élargir le jet avec les particules de minerai, par exemple en faisant sortir le jet de la buse en tourbillonnant. Comme matières d'addition, qui contiennent du fer en partie sous une forme oxydée, on peut utiliser, en plus de mine- rais de différentes qualités, notamment des boulettes et des briquettes de minerai incomplètement réduit. Le procédé selon l'invention peut être utilisé d'une manière particulièrement avantageuse dans des applications qui permettent d'employer les gaz produits à proximité immédiate comme gaz combustibles, par exemple pour remplacer du gaz naturel. Le gaz produit par le procédé selon l'invention et qui a subi parti- ellement une post-combustion a pratiquement, du fait de la teneur en CO relativement élevée, à peu près la même température que le gaz naturel et il peut ainsi remplacer ce gaz sans qu'on ait à apporter de grosses modifications aux dispositifs des fours. L'exemple suivant concerne l'application du procédé selon l'invention à une cuve de réacteur, analogue à un conver- tisseur, contenant un bain de fer de 60 t. Dans le fond du con- vertisseur, il est prévu dix buses ayant une section de passage -8- de 28 mm. Par l'intermédiaire de deux desdites buses, on insuffle de la poussière de charbon à un débit de 350 Kg/mm, auquel cas on peut utiliser comme gaz porteur de l'azote, du gaz carbonique ou également'le gaz de réduction provenant du convertisseur. Par l'intermédiaire de trois buses, on injecte de l'oxygène en même temps que du minerai et, par les autres cinq buses, on injecte de l'oxygène, en partie mélangé avec des formateurs de laitier connu par exemple de la chaux. Par une buse latérale, qui est située dans la partie supérieure conique du convertisseur, on projette sur le bain environ 50% de l'oxygène. Avec un charbon ayant la composition précitée et un minerai contenant 85% Fe203, on fabri- que 20 t. de fer par heure, ce fer ayant une teneur en carbone de 3%. La consommation d'oxygène pour la gazéification d'une tonne de charbon, avec fusion simultanée de 1.450 Kg de minerai, s'élève à 580 m. On produit un gaz combustible ayant la composition préci- tée (environ 57% CO, 14% C02, 14% H., 14% H20) et un pouvoir calorifique de 2.100 Kcal./m Il rentre également dans le cadre de l'invention d'agen- cer la cuve de réacteur de façon qu'elle serve simultanément de convertisseur pour la fabrication directe d'acier. Dans ce but, on effectue avant chaque coulée une réduction de la teneur en carbone d'environ 2 à 3%, qui est la valeur normale pour le fonctionnement en réacteur à bain de fer, jusqu'à environ 0,05% et on coule une quantité d'environ 20 t.. Il reste dans le convertisseur une quantité d'environ 50 t. dont la teneur en carbone est portée lentement jusqu'à 2 à 3% par insufflation simultanée d'oxygène et de charbon, avec un léger excès de charbon, ladite teneur en carbone correspondant à la valeur souhaitée en régime permanent. Avec ce mode opératoire, il s'est avéré avantageux d'enlever le laitier du bain de fer avant d'éliminer complètement le carbone par affinage, c'est-à-dire approximativement pour une teneur résiduelle en carbone-comprise entre 0,5 et 2%. Le laitier nouvel- lement formé lors de l'affinage et qui est en équilibre avec le bain d'acier prélevé reste alors dans le convertisseur. On va décrire dans la suite le procédé selon l'invention à l'aide d'un exemple d'application et en référence au dessin annexé qui est une coupe longitudinale d'un réacteur à bain de fer. Une cuve de réacteur 20 en forme de poire et fermée de façon étanche aux gaz est remplie à peu près jusqu'à moitié d'un bain de fer liquide 21 de sorte que la surface 22 du bain est située à peu près au milieu de la hauteur de la cuve 20. Dans le fond du réacteur, il est prévu une buse 23 pour l'introduction de charbon finement divisé 24. En outre, il est prévu dans le fond de la cuve de réacteur 20 une buse à oxygène 25 par l'intermédiaire de laquelle de l'oxygène est introduit, séparément de la buse 23, dans le bain de fer liquide 21. En pratique, cette buse à oxygène est entourée, en vue de sa protection, par un intervalle annulaire d'écoulement d'hydrocarbures ou matières semblables. Dans la zone supérieure du convertisseur, il est prévu deux buses 26 et 27 qui traversent la paroi de la cuve de réacteur. Elles sont alimentées en air 28 et forment les jets 29 qui sont dirigés à peu près sur la zone centrale de la surface 22 du bain. Les orifices de sortie des buses 26 et 27 sont placés à environ 2 m. au-dessus de la surface de bain 22. Les jets de gaz 29 traversent la chambre 30 située au- dessus de la surface de bain 22 et entraînent avec eux une partie des gaz 31 déjà produits par la gazéification du charbon 24. Sous l'effet de l'oxygène contenu dans les jets 29, une partie de ces gaz 31 est brûlée. La chaleur de combustion est transmise au bain de fer 21 au travers de sa surface 22. -10- REVENDICATIONS 1. Procédé de production de gaz dans un réacteur à bain de fer o se trouve un bain de fer liquide qui reçoit des combus- tibles liquides ou solides contenant du carbone et sur la surface duquel est projeté un jet de gaz se composant au moins en partie d'oxygène, les combustibles étant gazéifiés sous forme de gaz qui. s'accumulent dans la chambre placée au-dessus de la surface du bain et qui sont évacués de cette chambre, caractérisé par le fait que le jet de gaz est projeté au travers de ladite chambre sur la surface du bain et aspire au cours de la traversée de la chambre les gaz produits en assurant leur brûlage partiel et leur entrai-, nement vers la surface-du bain de telle sorte que la chaleur produite par la combustion desdits gaz soit transmise au bain de fer. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le jet de gaz dirigé sur la surface du bain se compose d'oxygène techniquement pur. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le jet de gaz insufflé au travers de la chambre et sur la surface du bain est formé par de l'air. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'en plus du jet de gaz insufflé au travers de la chambre sur la surface du bain, on introduit dans le bain de fer, en dessous de sa surface, un gaz se composant au moins en partie d'oxygène. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la quantité d'oxygène projeté sur la surface du bain est au moins égale à 10% de la quantité totale d'oxygène introduit dans le réacteur à bain de fer. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé par le fait que le jet de gaz projeté au travers de la chambre sur la surface du bain est préchauffé. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le gaz injecté en dessous de la surface du bain est préchauffé. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le combustible est introduit dans le bain de fer en dessous de la surface du bain. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la longueur du jet de gaz dans la chambre est supérieure à 2 mètres. -11- 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'on produit dans le réacteur à bain de fer simultanément du gaz et du fer liquide à partir de matières qui contiennent du fer sous une forme au moins partiellement oxydée. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'on introduit dans le bain de fer, comme matières contenant du fer sous une forme au moins partiel- lement oxydée, notamment du minerai, du minerai partiellement pré- réduit, comme des boulettes et/ou des briquettes. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les matières qui contiennent du fer sous une forme au moins partiellement oxydée, notamment du minerai, sont projetées en même temps que le gaz oxydant, princi- palement de l'oxygène, sur le bain. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que, dans la cuve de réacteur, le fer produit contenant du carbone est affiné sous forme d'acier.