Brevet FR2500480A1 — publié le 19820827

Procédé et appareil de production d'éponge de fer. Malgré le fait que le charbon minéral est l'une des sources d'énergie les plus abondantes et les moins onéreuses, il n'a jusqu'à présent été utilisé que dans une mesure extrêmement limitée comme réducteur pour la production de l'éponge de fer. Cette situation persiste,malgré la relation favorable entre le prix et le contenu énergétique du charbon minéral. Les procédés classiques de production de l'éponge de fer dans lesquels on utilise le charbon minéral comme réducteur sont principalement les suivants: a. Le procédé au four rotatif, dans lequel on utilise le charbon minéral avec le minerai à réduire dans un four rotatif incliné. L'inconvénient de ce procédé est que, principalement en raison de l'énergie cinétique, il est nécessaire de travailler à des températures relativement élevées, de préférence de l.0000C, qui suscitent de graves difficultés par colmatage et par accumulation de matière dans la chambre de réaction. b. Le travail au four à cuve combiné avec un appareillage de gazéification du charbon, qui est basé sur une combustion partielle. L'inconvénient de ce procédé connu tient principalement aux dépenses d'instal- lation extrêmement élevées pour l'appareillage de gazéification, de même qu'à la consommation d'énergie exceptionnellement importante, c. Le procédé, tel que décrit dans le brevet suédois nO 73 04 332-5, de gazéification directe du charbon sous forme solide au moyen d'un générateur à plasma. Les inconvénients de ce procédé sont que l'alimentation en charbon doit être réglée avec une extrême r précision et qu'avec certaines variétés de charbon , la manipulation des cendres suscite des difficultés. De plus, le gaz produit a une teneur en hydrogène qui est inférieure à la teneur idéale pour les réductions. La Demanderesse a découvert à présent que les difficultés et inconvénients ci-dessus des procédés connus peuvent être sensiblement supprimés conformément à l'invention. La présente invention concerne un procédé et un appareil pour produire de l'éponge de fer par réduction continue d'oxydes de fer dans un four à cuve. Un gaz réducteur qui passe à contre-courant- des oxydes de fer consiste principalement en CO et H2 et est formé à partir de gaz recyclés, c'est-à-dire de gaz de réac tion quittant le four à cuve,ainsi que d'un gaz supplé- mentaire produit à partir d'un réducteur solide, par exemple du charbon, de préférence du charbon minéral, à l'aide d'un générateur à plasma.Le gaz recyclé est d'abord sensiblement débarrassé de C02 et 1120 par épuration, après quoi le gaz épuré est divisé en deux courants partiels dont l'un est amené à un générateur à plasma le réducteur, de même que de l'eau sont injecte tés dans le courant de gaz chaud quittant le générateur à plasma, de sorte que l'eau est amenée à réagir avec le réducteur pour former un mélange comprenant principalement CO et K, La température du gaz produit est maintenue dans un intervalle tel que la cendre contenue dans le réducteur solide forme un laitier.Le mélange CO-H2 chaud quittant le générateur de gaz est mélangé avec au moins une partie de l'autre courant partiel du gaz recyclé épuré dans une proportion telle que la température du mélange gazeux final convienne pour la réduction. Suivant une forme de réalisation de l'inven- tion, la température du gaz produit dans la cuve génératrice de gaz est ajustée à une valeur de 1,300-1.5000C, I1 est également préférable, avant que le mélange gazeux final soit admis à la partie inférieure du four à cuve, que sa température soit amenée dans l'intervalle de 700-1.0000C par mélange avec le second courant partiel. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, le gaz recyclé est épuré dans un laveur à gaz jusqu'à ce que sa teneur en C02 soit de préférence inférieure à 2%. L'invention concerne de plus un appareil pour produire de l'éponge de fer qui comprend un système.gé- nérateur pour un gaz réducteur comprenant un dispositif épurateur pour le gaz de réaction quittant la chambre de réaction et une cuve génératrice de gaz qui y est raccordée pour recevoir une fraction du gaz réducteur épuré ainsi obtenu. La cuve génératrice de gaz comprend un générateur à plasma et un dispositif d'alimentation pour admettre, en quantité mesurée, un réducteur et de l'eau dans le plasma gazeux qui y est engendré. Un mélangeur réglable est monté à l'aval de la cuve génératrice de gaz pour mélanger la fraction du gaz réducteur quittant la cuve avec une seconde fraction non traitée du gaz de réaction épuré.L'appareil comprend aussi une soufflante dans la partie inférieure de la chambre de réaction pour introduire le mélange gazeux final ainsi obtenu. La description ci-après d'un exemple de forme de réalisation, donné avec référence à la figure unique du dessin annexé illustrant schématiquement un mode d'exécution de l'invention, fera mieux comprendre cette dernière. La réduction de morceaux d'oxyde de fer est exécutée dans une cuve de réduction 1. Les morceaux d'oxyde de fer-2 sont introduits dans la cuve 1 par un sas 3 et subissent un traitement dans un contre-courant d'un gaz réducteur chaud qui consiste principalement en monoxyde de carbone et en hydrogène admis à la partie inférieure 4 de la cuve 1. L'éponge de fer produite est soutirée par une sortie 5 dans la partie inférieure 4 de la cuve 1. Le gaz réducteur,qui a réagi pour 30 à 50%,est extrait à la partie supérieure de la cuve 1 par une conduite d'évacuation 6. Le gaz ainsi extrait de la cuve 1, outre qu'il contient 50 à 70% de CO et de H2 qui n'ont pas réagi, contient aussi C02 et 1120 qui sont des produits de réaction. Ce gaz peut être utilisé à nouveau dans le procédé,parce qu'il contient encore CO et H2 en pourcentages relativement importants. Toutefois, pour qu'il puisse être utilisé à nouveau comme gaz réducteur, la teneur en C02 et H20 doit être abaissée à moins de 5%. Cette opération est exécutée par passage du gaz dans un laveur (laveur C02/H20) 7.Lorsque le gaz traverse ce laveur, il est débarrassé de C02 et H20 qui sont des produits de réaction, mais de plus, le lavage proprement dit permet d'équilibrer la quantité de gaz, de sorte qu'il est possible d'éviter de brûler le gaz résiduel. Be laveur 7 peut contenir de la monoéthanolamine, par exemple, comme constituant actif et la teneur en C02 du gaz peut être avantageusement abaissée au-dessous de 2% par passage dans le laveur. A l'aval du laveur 7, le gaz passe par un compresseur 8 qui provoque l'augmentation de pression nécessaire pour le procédé et est alors divisé en au moins deux courants partiels 9 et 10. Be courant partiel 9,qui se trouve à la température ambiante, est amené à un générateur de gaz 11 où le gaz supplémentaire nécessaire est produit à partir d'un réducteur solide, qui est de préférence la houille, et d'eau. le courant partiel 9 est utilisé comme gaz pour le plasma dans un générateur de gaz 11 et la quantité d'énergie nécessaire pour la régénération du gaz est produite dans un brûleur à plasma 12. La principale source d'énergie, qui est le poussier de charbon, est traitée au moyen d'un oxydant, de préférence l'eau, et débitée dans le générateur de gaz 11 par des becs 13 de manière à pénétrer dans le courant gazeux chaud quittant le brûleur à plasma 12, de façon que le poussier de charbon et l'oxydant soient amenés à réagir pour former CO et 112. Pour assurer dn degré de réaction suffisant et des propriétés de manipulation favorables, il est préféré que le poussier de charbon ait une granulométrie inférieure à 0,84 mm et de préférence inférieure à 0,149 mm. L'apport d'énergie dans le générateur de gaz 11 est réglé de manière que la cendre contenue dans le poussier de charbon soit fondue en un laitier 14 qui peut être soutiré à la partie inférieure du générateur de gaz 11 sous forme de liquide ou de solide. En raison de la composition de la cendre, la température est de préférence choisie dans l'intervalle de 1.300-1.500 C. Le gaz réducteur produit dans cet appareil, outre qu'il contient CO et 112, peut également contenir du soufre contenu dans le charbon. Ce mélange gazeux intermédiaire est donc amené à un filtre à soufre 15 (par exemple, un filtre à dolomite) où sa teneur en soufre est abaissée jusqu a une valeur acceptable pour la production de l'éponge de fer, de préférence au-dessous de 75 ppm. Le gaz quittant le filtre à soufre 15 se trouve à une température sensiblement supérieure à celle nécessaire pour la production de l'éponge de fer et sa température est donc abaissée par mélange avec une fraction convenable du gaz froid lavé du courant partiel 10, de manière à atteindre une température convenant pour le procédé, par exemple 750-1.0000C et de préférence 8250C. Le procédé et l'appareil de l'invention offrent des avantages techniques sensibles. Sous ce rapport, la production du gaz peut avoir lieu à une température telle que la cendre forme du laitier qui est aisé à manipuler et qui peut être soutiré sans provoquer d'inconvénients de colmatage dans l'installation. La teneur en hydrogène du gaz réducteur peut être ajustée à une valeur convenant pour la réduction, grâce au stade de lavage et à l'injection ultérieure d'eau dans le générateur de gaz. En outre, la combinaison du lavage du gaz et de la production du gaz à des températures accrues offre de meilleures possibilités d'équilibrer la quantité de gaz dans le système et de régler la température de réduction.Simultanément, l'économie d'énergie est assurée,parce que l'énergie fournie par le générateur à plasma est utilisée en substance complètement dans le procédé (c'est-à-dire que le réglage de la température est exécuté par addition de gaz réducteur recyclé plus froid plutôt que par évacuation de chaleur hors du système). Des expériences à l'échelle de laboratoire ont donne les consommations ci-après par tonne d'éponge de fer produite: Energie électrique : 820 kWh Poussier de charbon mineral : 172 kg De plus, le procédé conforme à l'invention se prête à une régulation beaucoup plus simple. Une régulation plus simple et plus efficace dans l'ensemble du procédé est assurée dans la production du gaz de plasma par mélange préalable du poussier de charbon et de l'eau ajoutée dans les proportions appropriées qui sont de préférence stoechiométriques. En raison de ce mélange préalable du poussier de charbon avec l'eau, le mélange -résultant est aussi plus facile à injecter sous forme d'une émulsion de charbon dans de l'eau. Au cas où il serait difficile de fixer les cendres du réducteur solide dans une phase de laitier fondu, des additifs modifiant les propriétés (par exe;- ple le point de fusion, l'absorption de soufre, etc.) du laitier peuvent être utilisés, par exemple des composés alcalins et de la craie. Ces additifs sont de préférence mélangés avec le réducteur solide. Des agents formateurs de gel appropriés peuvent être ajoutés pour stabiliser le mélange de charbon et d'eau et l'oxy- gène peut être admis au générateur de gaz 11 sous forme d'oxygène gazeux plutôt que d'eau. REVENDICAfIONS 1.- Procédé de production d'éponge de fer par réduction continue d'oxydes de fer dans un four à cuve, caractérisé en ce que: 1) on extrait le gaz de réaction d'un four à cuve; 2) on sépare de ce gaz de réaction sensiblement tout le CO et le H20; 3) on divise le gaz de réaction en au moins deux courants partiels; 4) on fait passer l'un des courants partiels par un générateur de gaz comprenant un brûleur à plasma et un dispositif pour injecter un réducteur solide et un oxydant, on chauffe le gaz de réaction au moyen du brûleur à plasma et on injecte dans le gaz chauffé le réducteur solide et l'oxydant pour former un mélange gazeux intermédiaire constitué principalement par CO et H2; 5) on maintient le mélange gazeux intermédiaire à une température telle que la cendre contenue dans le réducteur solide forme un laitier;; 6) on mélange ce gaz intermédiaire avec au moins l'un des autres courants partiels en proportion telle que la température du gaz réducteur résultant convienne pour la réduction des oxydes de fer dans un four à cuve; 7) on injecte le gaz réducteur dans la partie inférieure d'un four à cuve et on le fait s'élever dans le four ii cuve de manière à réduire les oxydes de fer contenus dans le four à cuve, et 8) on soutire le fer réduit du four. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxydant est l'eau ou l'oxygène. 3- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on maintient le mélange gazeux in termédiaire à une température d'environ 1.300 à 1.5000C. 4.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'on mélange le gaz intermédiaire avec le ou les dits autres courants partiels en proportion telle que la température du-gaz réducteur résultant avant l'injection dans le four à cuve soit d'environ 700 à l.0000C. 5.- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la température du gaz réducteur avant l'injection dans le four à cuve est d'environ 8250C. 6.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on sépare C02 et R20 du gaz de réaction au moyen d'un laveur à gaz jusqu'à ce que la teneur en C02 soit inférieure à environ 2%. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le réducteur est le charbon. 8.- Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le réducteur est le poussier de charbon. 9.- Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le réducteur est le poussier de charbon minéral. 10.- Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le réducteur est le poussier de charbon d'une granulométrie inférieure à 0,84 mm. 11.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le réducteur est le poussier de charbon d'une granulométrie inférieure à 0,149 mm. 12.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on fait passer le mélange gazeux intermédiaire à travers un filtre à soufre. 13.- Appareil pour produire de l'éponge de fer par réduction continue d'oxydes de fer, caractérisé en ce qu'il comprend: 1) un four à cuve pour la réaction des oxydes de fer avec un gaz réducteur constitué principalement par CO et 2) un dispositif raccordé à la partie supérieure du four à cuve pour extraire le gaz de réaction du four; 3) un dispositif d'épuration pour éliminer le CO2 du gaz de réaction; 4) un dispositif pour séparer le gaz de réaction épuré en au moins deux courants partiels;; 5) un générateur de gaz pour recevoir au moins l'un des courants partiels, ce générateur de gaz comprenant un brûleur à plasma et un dispositif pour injecter un réducteur solide et un oxydant dans le gaz chauffé à l'aide du brûleur à plasma, de manière à former un mélange gazeux intermédiaire constitué principalement par C0 et H2; 6) un dispositif de mélange pour mélanger en quantitésmesuréesle mélange gazeux intermédiaire et au moins l'un des autres courants partiels du gaz de réaction, afin d'obtenir un gaz réducteur, et 7) un dispositif pour injecter le gaz réducteur dans la partie inférieure du four à cuve. 14.- Appareil suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif épurateur comprend un laveur éliminant le C02. 15.- Apparei] suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le laveur éliminant le C02 contient de la monoéthanolamine comme constituant actif. 16.- Appareil suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur monté entre le dispositif épurateur et le dispositif pour séparer le gaz de réaction épuré. 17.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le générateur de gaz est muni d'un dispositif pour soutirer le laitier. 18.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre à soufre monté entre le générateur de gaz et le dispositif mélangeur. 19.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le dispositif pour injecter le réducteur solide et l'oxydant comporte une région d'injection immédiatement devant le brûleur à plasma.