Brevet FR2683228A1 — publié le 19930507

PROCEDE ET DISPOSITIF DE LAVAGE DES GAZ DE HAUTS FOURNEAUX L'invention concerne le domaine du traitement des rejets gazeux des hauts fourneaux sidérurgiques. Avant d'etre rejetes a l'atmosphere ou envoyés dans des installations permettant leur valorisation, telles que les cowpers du haut fourneau, une cokerie ou une centrale électrique, les gaz issus de hauts fourneaux sidérurgiques doivent subir un traitement d'épuration. Celui-ci consiste, dans un premier temps, à effectuer un dépoussiérage grossier à sec, puis à poursuivre le dépoussiérage en lavant les gaz à l'eau, puis à les détendre, et enfin à les dépoussiérer plus finement, à nouveau à sec. L'opération de lavage des gaz est effectuée dans un reacteur appele prelaveur. Elle consiste à mélanger, en amont du prélaveur, de l'eau aux gaz, dans le but d'entraîner dans l'eau une fraction aussi importante que possible des poussières qu'ils contiennent. Ces poussières consistent, pour partie, en des particules contenant des ions chlorure, et également en des particules de produits basiques. Les eaux de lavage sont recueillies hors du prélaveur, et les résidus solides, ou boues, qu'elles contiennent en sont séparés par décantation. Les eaux débarrassées de ces boues sont renvoyées en amont du prélaveur. Celui-ci fonctionne donc pratiquement en circuit ferme. vil est simplement nécessaire d'ajouter un relativement faible débit d'eau neuve pour compenser les pertes dues à l'évaporation et à l'évacuation de l'humidité des boues. Le principal problème posé par de telles installations est la forte acidité des eaux de lavage, dont le pH est très frequemment inferieur a 4. En effet, les ions chlorures forment de l'acide chlorhydrique, et les particules basiques et les métaux inhibiteurs, tels que le zinc, qui sont également présents dans les gaz, ne peuvent compenser cet effet d'acidification par les chlorures. Cette forte acidité, si elle n'est pas corrigée, entraîne une corrosion excessive au niveau du prélaveur, et sa détérioration rapide. De plus, les évolutions en cours dans le domaine de l'élaboration de la fonte vont dans le sens d'une augmentation de cette acidité. D'une part, les minerais riches, dont l'utilisation tend à se généraliser, contiennent moins de matières basiques que les minerais plus pauvres habituellement encore consommés par certaines installations. D'autre part, on cherche de plus en plus à remplacer une fraction du coke enfourné dans le haut fourneau par du charbon, injecté au niveau des tuyères. Or certains charbons, tels que le charbon lorrain, sont riches en chlorures, et leur utilisation contribue elle aussi à accroître l'acidité des eaux de lavage des gaz de hauts fourneaux. Des solutions à ce problème sont déjà connues. L'une d'entre elles consiste à neutraliser les eaux de lavage par du lait de chaux, ajouté avant l'introduction de l'eau dans le prélaveur. Cependant, cette réaction est assez lente, et le point d'injection doit, par conséquent, tre choisi de manière judicieuse. D'autre part il y a un risque de colmatage des circuits de fluide par la chaux. Enfin, cette méthode nécessite la construction d'une installation de stockage, de préparation et d'injection du lait de chaux qui est relativement coûteuse. Une autre solution consiste à réaliser cette neutralisation des eaux de lavage par une solution de carbonate de sodium. La réaction de neutralisation est plus rapide qu'avec le lait de chaux, et le pilotage de l'installation s'en trouve facilité. Ce procédé est plus fiable que le précédent, mais il nécessite lui aussi des investissements relativement importants pour sa mise en place, et consomme des matières plus onéreuses. Le but de l'invention est de proposer une méthode à la fois fiable et économique en investissements et en matières pour réaliser la neutralisation des eaux servant au lavage des gaz de hauts fourneaux. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de lavage des gaz de hauts fourneaux sidérurgiques, selon lequel on mélange, en amont d'un prélaveur, de 1'eau auxdits gaz chargés de poussières, on recueille l'eau à sa sortie du prélaveur, on la sépare des résidus solides formés par les poussières qu'elle a captées, on diminue son acidité par ajout d'une solution alcaline et on la renvoie en amont du prélaveur, caractérisé en ce que ladite solution alcaline est de l'eau alcaline issue d'un circuit de dépoussiérage de gaz d'aciérie. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à réaliser la neutralisation des eaux de lavage acidifiées, résultant de l'épuration des gaz des hauts fourneaux, à l'aide d'une eau alcaline résultant de l'épuration de gaz d'aciérie. Par rapport aux procédés de neutralisation existants, cela conduit à une notable économie d'investissements et de matières, et permet de valoriser des rejets issus d'un autre département de l'usine siderurgique. Les hauts fourneaux sidérurgiques font généralement partie d'une usine dite"usine intégrée". Celle-ci comporte, en plus des hauts fourneaux, une aciérie, dans laquelle la fonte liquide produite par les hauts fourneaux est transformée en acier liquide dans des convertisseurs. L'acier liquide, après ajustement de sa composition, est ensuite coulé en lingots ou en continu. Les demi-produits ainsi obtenus (lingots, brames, blooms, billettes) seront enfin laminés pour former des tôles ou des profilés de formes diverses. L'aciérie, en particulier les convertisseurs, est également une grosse productrice de gaz chargés en poussières qui doivent tre épurés, tout comme les gaz de hauts fourneaux. Cette épuration est, elle aussi, partiellement effectuée par voie humide. Or une grande partie des poussières issues des convertisseurs sont des particules de carbonate de sodium, produit utilisé pour la désulfuration et la déphosphoration du bain liquide. Ces poussières sont partiellement dissoutes par l'eau de lavage, à laquelle elles confèrent une forte alcalinité : leur pH dépasse couramment 11. Cette eau de lavage alcaline est recueillie, et passe dans un bassin de décantation où elle est séparée des résidus solides et est mélangée à de l'eau neuve pour abaisser son pH à 11 environ. Puis la plus grande partie de cette eau est renvoyée dans le circuit d'épuration des gaz, alors que le complément doit tre neutralisé à l'acide sulfurique jusqu'a un pH de 6, 5 à 8, 5 avant d'tre rejeté dans le milieu naturel. Les inventeurs ont imaginé d'utiliser une fraction de cette eau alcaline pour neutraliser les eaux de lavage acidifiées des gaz de hauts fourneaux. L'avantage essentiel de cette solution est de consommer un produit de neutralisation issu de la marche normale de l'usine ellemme, produit qui est donc gratuit, et dont la préparation ne nécessite aucune installation coûteuse supplémentaire. Quant à son transport, il ne nécessite que la mise en place d'une conduite allant de l'aciérie aux hauts fourneaux, et est d'autant meilleur marché que les deux sites sont proches l'un de l'autre, ce qui est le cas dans les usines intégrées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence à la figure unique annexée qui schématise le circuit des fluides nécessaires à la mise en oeuvre de l'invention. Les pompes, manomètres et débitmètres nécessaires à la mise en mouvement et au contrôle des débits des divers fluides ne seront ni évoqués, ni représentés, mais leur présence va d'elle-mme pour un Homme du Métier. On va d'abord décrire l'installation de traitement des gaz d'un haut fourneau et le circuit d'eau de lavage qui lui est habituellement associé, en faisant référence aux éléments communs avec l'installation selon l'invention représentée sur la figure unique. Les gaz s'échappant du haut fourneau 1 sont captés dans une conduite 2 et amenés jusqu'à un pot à poussières 3. Ils y sont débarrassés des particules solides les plus grossières qu'ils contiennent. Puis les gaz sont mélangés avec de 1'eau dans une partie 4 de leur conduite de transport, qui débouche ensuite dans un prélaveur 5 où se poursuivent l'entraînement et la dissolution partielle dans l'eau des particules subsistant dans les gaz transportés. Les gaz ainsi épurés poursuivent leur parcours en passant à travers un détendeur 6 et un séparateur 7 qui parachèvent l'épuration du gaz en le débarrassant de ses poussières les plus fines. Les gaz sont enfin rejetés dans l'atmosphère ou, de préférence, expédiés vers les cowpers du haut fourneau, vers un cokerie ou vers une centrale électrique afin de valoriser leur chaleur sensible. Parallèlement à cela, l'eau de lavage qui a été introduite en amont du prélaveur 5 et qui a servi à épurer les gaz est recueillie dans la partie inférieure du prélaveur 5. Sous l'effet de cette action epuratrice, notamment de la dissolution d'ions chlorure, cette eau peut devenir très acide (pH entre 2 et 4} et entraîne alors une usure par corrosion du prélaveur 5 qui peut atteindre 600 à 800 Am/an. Le pH de l'eau de lavage est mesuré par un pEmètre 8, puis cette eau pénètre dans un décanteur 9. Là, les particules solides que l'eau n'a pu dissoudre se séparent et forment des boues que l'on évacue de manière périodique ou continue. L'eau propre acidifiée issue de cette décantation est renvoyée par une conduite de retour 10 en amont du prélaveur 5 pour tre à nouveau mélangée aux gaz du haut fourneau dans la partie 4 de leur conduite de transport. On y ajoute également un peu d'eau neuve pour compenser les pertes dues a 1'evaporation et à l'évacuation des boues humides. C'est dans cette conduite de retour 10, entre le décanteur 9 et cette partie 4 de la conduite de transport des gaz qui précède le prélaveur 5, quta lieu, selon l'Art Antérieur, l'addition de la solution alcaline (lait de chaux ou solution de carbonate de sodium) à l'eau acidifiée. La quantité de solution alcaline ajoutée est réglée de telle manière que, à la sortie du prélaveur 5, le pH de l'eau de lavage mesuré par le pEmètre 8 soit de 6 à 6, 5 environ (au lieu de 2 à 4 en l'absence de cette addition). On ne recherche en effet généralement pas une neutralité exacte de l'eau de lavage, mais on désire lui conserver une très légère acidité. En effet, la visée d'un pH rigoureusement neutre conduirait à un entartrage du prélaveur et des conduites pendant les périodes où le pH, malgré sa régulation, prendrait temporairement une valeur légèrement alcaline. Viser un pH de l'ordre de 6 à 6, 5 permet de limiter les effets négatifs de ces augmentations temporaires du pH. Une acidité aussi faible n'est pas de nature à entraîner une corrosion notable de l'installation et est donc tolérable. On va maintenant décrire le circuit de traitement des eaux de lavage des gaz d'aciérie selon l'Art Antérieur, toujours en faisant référence aux éléments communs avec l'installation selon l'invention représentée sur la figure. Dans l'Art Antérieur ce circuit est maintenu indépendant du circuit de traitement des eaux de lavage des gaz des hauts fourneaux voisins que l'on vient de décrire. Un convertisseur 11 exécute la transformation en acier liquide de la fonte liquide 12 issue du haut fourneau 1. Cette transformation, ou conversion, est effectuée par insufflation d'oxygène qui oxyde le carbone de la fonte et produit entre autres gaz du Co qui est partiellement oxydé en C02. Parmi les matières solides enfournées dans le convertisseur pour former le laitier 13 figurent des matières basiques, telles que du carbonate de sodium. Celui-ci est utilisé pour la déphosphoration et la désulfuration du bain de métal liquide 12. Les gaz extraits du convertisseur 11 sont, par conséquent, chargés en particules solides solubles dans l'eau à laquelle elles peuvent conférer une alcalinité très marquée. C'est effectivement ce qui se produit dans les installations 14 de dépoussiérage qui traitent les gaz issus du convertisseur 11. Une partie au moins de ces installations 14 de dépoussiérage fonctionnent par voie humide, et de l'eau de lavage y est introduite par une conduite 15. Cette eau se charge en particules solides qu'elle dissout partiellement, et ressort des installations 14 de dépoussiérage à un pH fortement alcalin, de l'ordre de 11, 5 ou davantage. L'eau de lavage recueillie est ensuite transférée dans un décanteur 16 où elle est séparée des particules en suspension qui sont évacuées sous forme de boues. Elle revoit un apport d'eau naturelle qui diminue sa concentration en espèces chimiques dissoutes et ramène son pH à 11 environ. Enfin, elle est évacuée du décanteur en deux fractions. L'une de ces fractions, la plus importante, est renvoyée par la conduite 15 dans les installations de dépoussiérage 14. L'autre fraction subit une neutralisation par addition d'acide sulfurique dont le résultat est contrôlé par un pSmètre 17 : le pH visé est compris entre 6, 5 et 8, 5. Après passage dans un dernier décanteur 18, cette eau débarrassée de ses boues peut tre rejetée dans le milieu naturel, tel qu'un cours d'eau 19, ou tre réutilisée dans d'autres secteurs de l'usine. Il va de soi que l'installation qui vient d'tre décrite peut tre amenée à traiter non seulement les gaz et les eaux de lavage issus d'un (ou de plusieurs) convertisseur, mais aussi les gaz et les eaux de lavage issus d'autres réacteurs de l'aciérie consommant des matières basiques, tels que des réacteurs de métallurgie secondaire fonctionnant sous vide. L'installation selon l'invention reprend tous les éléments qui viennent d'tre décrits, et leur en ajoute d'autres, visibles sur la figure unique. Selon l'invention, les deux circuits d'eaux de lavage qui viennent d'tre décrits isolément sont mis en communication l'un avec l'autre, par l'intermédiaire d'une conduite 20. Celle-ci relie d'une part la conduite 15 d'amenée de l'eau alcaline dans les installations 14 de dépoussiérage des gaz d'aciérie, et d'autre part la conduite 10 d'amenée de l'eau acidifiée dans la zone 4 du circuit de dépoussiérage des gaz de haut fourneau où a lieu le mélange entre les gaz et l'eau de lavage, en amont du prélaveur 5. Une certaine quantité d'eau alcaline est ainsi en permanence ajoutée à l'eau de lavage des gaz du haut-fourneau. Le débit d'eau alcaline est contrôlé par une vanne 21 et est ajusté de telle manière que le pH de l'eau de lavage mesuré en sortie du prélaveur 5 par le pHmètre 8 demeure dans les limites jugées acceptables par l'opérateur (c'est-à-dire de l'ordre de 6 à 6, 5 pour les raisons exposées plus haut). Pour un pilotage plus fin de l'opération, on peut prévoir de mesurer le pH de l'eau alcaline dans la conduite 20 à l'aide d'un pHmètre 22. Il n'est pas absolument nécessaire de mesurer le pH de 1'eau de lavage ainsi régénérée dans la conduite 10, avant son entrée dans le circuit de dépoussiérage des gaz ; la valeur du pH qu'il est essentiel de surveiller est celle de l'eau sortant du prélaveur 5. Si l'ajout d'eau alcaline ne suffit pas à compenser les pertes du circuit d'eau de lavage par évaporation et évacuation des boues, on ajoute de l'eau neuve par une conduite 23 branchée sur la conduite 10, ou le décanteur 9. La vanne 24 règle le débit d'admission de cette eau neuve. Optionnellement, on peut prévoir dfinstaller sur la conduite 20 un bassin 25 de stockage d'eau alcaline, qui rend possible l'application du procédé qui vient d'tre décrit mme pendant les périodes d'arrt des installations de l'aciérie, au cours desquelles la production d'eau alcaline est interrompue. On a décrit et représenté le cas où le circuit de dépoussiérage d'un seul haut fourneau est alimenté en eau alcaline. Bien entendu, la conduite 20 peut tre divisée en plusieurs branches dont chacune dessert un haut fourneau différent. A titre d'exemple, l'application de l'invention à une usine intégrée comportant trois hauts fourneaux et deux convertisseurs traitant chacun 240 t de métal liquide à la fois conduit aux valeurs suivantes : -production totale d'eau alcaline rejetée par l'aciérie : 50 m3/h ; -capacité totale du circuit d'amenée d'eau alcaline à l'ensemble des hauts fourneaux : 25 m3/h ; -débit d'eau alcaline effectivement apporté dans le circuit de lavage des gaz de chaque haut fourneau : 3, 5 m3/h ; -débit total d'eau de lavage dans le circuit de dépoussiérage des gaz de haut fourneau : 250 m3/h pour chaque haut fourneau ; -débit total d'eau de lavage dans le circuit de dépoussiérage des gaz d'aciérie : 1200 m3/h pour chaque convertisseur ; -usure par corrosion constatée au niveau du prélaveur : Comme on le voit, mme dimensionné largement pour tenir compte des évolutions prévisibles dans le mode de conduite des hauts fourneaux (augmentation de l'utilisation de minerais riches et de charbon) qui entraîneront un besoin croissant d'eau alcaline, le circuit d'addition d'eau alcaline demeure d'une taille réduite comparé aux circuits de fluides déjà existants sur les hauts fourneaux et les convertisseurs. Les investissements à réaliser pour mettre en oeuvre l'invention restent donc tres moderes, a 1'echelle d'une usine sidérurgique intégrée, en raison également de la simplicité des appareils à implanter. L'invention permet de résoudre de manière particulièrement fiable le problème de la corrosion des prélaveurs de gaz de haut fourneau, car la réaction entre les eaux acidifiées et l'eau alcaline est très rapide et permet un pilotage aisé de l'installation. D'autre part, le coût d'utilisation de l'installation est très modéré puisque la matière premiere consommable du traitement est un rejet préexistant issu de l'usine siderurgique elle-meme. Enfin l'utilisation d'une partie des eaux alcalines produites par l'aciérie permet d'économiser la quantité d'acide sulfurique qui, sans cela, serait nécessaire pour la neutraliser avant son rejet dans la nature. Enfin, outre ses avantages techniques et économiques, la solution proposée permet de réduire les rejets de matières minérales de l'usine dans le milieu naturel. D'une part, les autres solutions connues pour le traitement des eaux de lavage des gaz de hauts fourneaux entraînent des rejets de chlorures (de sodium ou de calcium) plus importants. D'autre part la réduction de la quantité d'acide sulfurique nécessaire pour la neutralisation de l'eau alcaline d'aciérie a pour conséquence un abaissement de la quantité de sulfate de sodium produite. La solution proposée va donc dans le sens d'une sensible diminution de l'agressivité de l'ensemble de l'usine sidérurgique vis-à-vis de l'environnement. REVENDICATIONS 1) Procédé de lavage des gaz de hauts fourneaux sidérurgiques, selon lequel on mélange, en amont d'un prélaveur, de l'eau auxdits gaz chargés de poussières, on recueille l'eau à sa sortie du prélaveur, on la sépare des résidus solides formés par les poussières qu'elle a captées, on diminue son acidité par ajout d'une solution alcaline et on la renvoie en amont du prelaveur, caracterise en ce que ladite solution alcaline est de l'eau alcaline issue d'un circuit de dépoussiérage de gaz d'aciérie. 2) Dispositif de lavage des gaz chargés de poussières issus d'un haut fourneau sidérurgique, du type comprenant un prélaveur (5) en amont duquel lesdits gaz sont mélangés à de l'eau, des moyens pour recueillir cette eau mélangée à des résidus solides formés par lesdites poussières et acidifiée, des moyens (9) pour séparer l'eau acidifiée desdits résidus solides, des moyens pour diminuer l'acidité de l'eau, et des moyens (10) pour la renvoyer en amont du prélaveur, caractérisé en ce que les moyens pour diminuer l'acidité de l'eau comprennent des moyens (20, 21) pour lui mélanger une eau alcaline issue d'une installation (14) de dépoussiérage de gaz d'aciérie. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (25) de stockage de ladite eau alcaline.