Brevet FR2677667A1 — publié le 19921218

La présente invention est relative à l'alimentation des hauts-fourneaux en air enrichi en oxygène. L'utilisation d'air enrichi dans les hauts- fourneaux permet de réduire la consommation de coke par ajout de combustibles tels que le gaz naturel, le fuel ou le charbon pulvérisé Divers procédés ont été proposés pour faire fonctionner les hautsfourneaux avec des teneurs moyennes en oxygène de l'air enrichi comprises entre 30 et 95 %. Dans les solutions connues, pour enrichir l'air, on produit séparément de l'oxygène pur, généra- lement à une pureté de 85 à 95 % environ, et l'on in- jecte cet oxygène soit en amont de la soufflante du haut-fourneau, si la teneur de l'air enrichi ne dé- passe pas 30 %, soit, dans le cas contraire, dans l'air injecté dans le haut-fourneau ou directement dans des tuyères spécialisées. L'invention a pour but de fournir un pro- cédé particulièrement souple et économique d'alimenta- tion d'un haut-fourneau en air enrichi à une teneur variable. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'alimentation d'un haut-fourneau en air enri- chi en oxygène, caractérisé en ce qu'on dérive vers un appareil de séparation d'air une fraction désirée du débit d'air sortant d'au moins une soufflante du haut- fourneau, et l'on envoie vers le haut-fourneau l'oxy- gène produit par cet appareil de séparation. Suivant d'autres caractéristiques on mélange au moins une partie de l'oxy- gène produit par l'appareil de séparation à la frac- tion d'air non dérivée, soit en amont, soit en aval des appareils de préchauffage d'air du haut-fourneau; on envoie directement dans le haut- fourneau au moins une partie de l'oxygène produit par l'appareil de séparation d'air. on utilise comme appareil de séparation d'air un appareil de distillation d'air comportant une colonne de mélange fonctionnant sous pression, alimen- tée en tête par de l'oxygène liquide et en cuve par de l'air, le gaz de tête de cette colonne constituant ledit oxygène. on surpresse l'air envoyé à la colonne de mélange au moyen d'une soufflante auxiliaire entraînce par une turbine de maintien en froid de l'appareil de distillation. L'invention a également pour objet une installation de réduction de minerai de fer destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé Cette installa- tion, du type comprenant un haut-fourneau et au moins une soufflante d'alimentation en air de ce dernier, est caractérisée en ce qu'elle comprend un appareil de séparation d'air disposé en dérivation sur la conduite de refoulement de la soufflante, et une conduite d'en- richissement destinée à l'envoi vers le haut-fourneau de l'oxygène produit par l'appareil de séparation. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins an- nexés, sur lesquels: la Figure 1 représente schématiquement une installation de réduction de minerai de fer con- forme à l'invention; et la Figure 2 représente schématiquement un appareil de distillation d'air utilisé dans cette installation. On a représenté à la Figure 1 une installa- tion de réduction de minerai de fer comprenant un haut fourneau 1 muni d'appareils de préchauffage d'air ou Coopers 2, de deux soufflantes 3 montées en paral- lèle et d'un appareil 4 de distillation d'air. Les soufflantes 3 délivrent de l'air sous environ 6 bars absolus dans une même conduite de re- foulement 5 conduisant aux Coopers 2 Une conduite d'injection 6 reliant ces derniers à des tuyères à air (non représentées) du haut-fourneau complète le cir- cuit principal d'air de l'installation. L'appareil de distillation 4 est placé en dérivation sur le circuit d'air 5, 6 Il est alimenté par une conduite de piquage 7 partant de la conduite 5 et munie d'une vanne de réglage de débit 8, et produit de l'oxygène impur (que l'on désignera pour plus de commodité par le mot "oxygène") via une conduite d'en- richissement ou d'oxygène 9 Comme représenté, cette conduite 9 peut aboutir soit dans la conduite 5, et donc en amont des Coopers, via une consuite 10, soit dans la conduite 6, c'est-à-dire en aval des Coopers, via une conduite 11, soit encore directement dans des tuyères à oxygène (non représentées), du haut-four- neau, via une conduite 12. On a représenté sur la figure 1 les trois conduites 10 à 12, chacune équipée d'une vanne, de façon à pouvoir utiliser l'oxygène produit par l'appa- reil 4 de la manière optimale dans chaque cas d'ap- plication En particulier, la conduite 10 n'est utili- sée que si la teneur en oxygène de l'air enrichi véhi- culé par la conduite 6 reste inférieure à 30 %, ceci pour des raisons de sécurité. L'appareil de distillation 4 peut être un simple appareil à double colonne produisant de l'oxy- gène impur à une pression voisine de la pression at- mosphérique, cet oxygène étant comprimé à la pression désirée d'introduction dans les tuyères, soit à envi- ron 6 bars, par un compresseur s'il est produit à l'état gazeux, ou par une pompe s'il est produit à l'état liquide. L'appareil 4 peut également être adapté pour produire directement de l'oxygène impur sous pression, selon le procédé décrit dans le brevet US 4 022 030 L'appareil 4 représenté à la Figure 2 est pour l'essentiel le même que celui représenté à la Figure 8 de ce brevet américain, c'est-à-dire qu'il comprend une double colonne de distillation 13, une colonne de mélange 14, une ligne d'échange thermique principale 15, des échangeurs de chaleur auxiliaires 16, 17, 18, et une turbine 19 de détente à la basse pression d'une partie de l'air entrant, cette turbine servant au maintien en froid de l'appareil 4 On a également représenté une unité 20 d'épuration par adsorption de l'air entrant, précédée d'un dispositif réfrigérant à eau 21. L'appareil 4 diffère toutefois de celui représenté à la Figure 8 du brevet US précité par le fait que le débit d'air envoyé à la colonne de mélange 14 est surpressé d'environ 1 bar par une soufflante auxiliaire 22 couplée à la turbine 19 L'oxygène li- quide envoyé en tête de la colonne 14 est donc com- primé aux environs de 7 bars, et ceci permet de com- penser les pertes de charge pour obtenir dans la con- duite 10, 11 ou 12 (Figure 1) l'oxygène à la même pression que l'air véhiculé dans le circuit d'air 5, 6. Plus précisément, l'air arrivant via la conduite 7, prérefroidi en 18, refroidi à la tempéra- ture ambiante en 21 et épuré en 20, est divisé en deux flux, dont le premier, représentant typiquement environ 75 % du débit d'air total, est partiellement refroidi dans la ligne d'échange 15 Une fraction de cet air poursuit son refroidissement jusqu'au voisi- nage de son point de rosée et est introduite via une conduite 23 à la base de la colonne moyenne pression 24 A de la double colonne, laquelle produit deux flui- des: en tête de la colonne basse pression 24 B, de l'azote impur constituant un gaz résiduaire W et éva- cué après réchauffement via une conduite 25; et en cuve de la colonne 24 B, de l'oxygène liquide comprimé vers 7 bars par une pompe 26 et envoyé en tête de la colonne 14. La fraction restante du premier flux d'air épuré est, après son refroidissement partiel, sortie de la ligne d'échange 15, détendue à la basse pression dans la turbine 19 et insufflée dans la colonne 24 B. L'énergie produite par cette turbine sert à entraîner la soufflante 22, laquelle surpresse vers 7 bars le flux restant de l'air sortant du dispositif d'épura- tion 20 Cet air surpressé, après refroidissement dans la ligne d'échange jusqu'au voisinage de son point de rosée, est introduit via une conduite 27 à la base de la colonne 14. La colonne 14 produit en tête, sous environ 7 bars, l'oxygène impur désiré, lequel peut avoir une pureté comprise entre environ 35 % et 95 %, cette pu- reté pouvant facilement être réglée par un réglage de la double colonne 13 Cet oxygène, après réchauffement dans la ligne d'échange 15 puis dans l'échangeur 18, est évacué de l'appareil 4 via la conduite 9. L'appareil de distillation d'air ayant un excellent rendement d'extraction, on obtient au niveau des tuyères du haut-fourneau un débit d'oxygène total pratiquement égal à celui qui a été comprimé par les soufflantes 3 du haut-fourneau, mais à une teneur variable en oxygène dépendant de la quantité d'air qui a transité dans l'appareil 4, ce dernier jouant en fait le rôle d'enlèvement de l'azote de l'air. Ainsi, le haut-fourneau 1 peut fonctionner soit dans sa configuration classique, à l'air, soit, selon l'importance du débit dérivé vers l'appareil de séparation d'air, à l'air plus ou moins enrichi Le débit dérivé peut varier dans les limites, relative- ment importantes, de la souplesse de l'appareil de distillation 4. On remarque qu'avec l'appareil 4 à souf- flante auxiliaire 22 représenté à la Figure 2, la production d'oxygène sous la pression du haut-fourneau n'introduit aucune dépense d'énergie supplémentaire par rapport au haut-fourneau classique, puisque l'oxy- gène comprimé est produit directement à partir de l'air provenant de la soufflante du haut-fourneau sans aucune dépense d'énergie additionnelle. Par ailleurs, en utilisant en même temps les deux soufflantes 3 équipant normalement le haut- fourneau, on peut introduire dans ce dernier un débit élevé d'air fortement enrichi en oxygène, et obtenir ainsi une productivité élevée du haut-fourneau. De préférence, on adjoint à l'installation un réservoir d'oxygène liquide 28 (Figure 1) On peut ainsi, en cas d'incident de fonctionnement de l'appa- reil de distillation, faire reveneir progressivement le haut-fourneau à un régime de fonctionnement tradi- tionnel à l'air, après une phase transitoire o l'oxy- gène nécessaire est fourni par le réservoir 28. REVENDICATIONS I Procédé d'alimentation d'un haut- fourneau ( 1) en air enrichi en oxygène, caractérisé en ce qu'on dérive vers un appareil de séparation d'air ( 4) une fraction désirée du débit d'air sortant d'au moins une soufflante ( 3) du haut-fourneau, et l'on envoie vers le haut-fourneau l'oxygène produit par cet appareil de séparation 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mélange au moins une partie de l'oxygène produit par l'appareil de séparation ( 4) à la fraction d'air non dérivée, soit en amont, soit en aval des appareils ( 2) de préchauffage d'air du haut- fourneau ( 1). 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on envoie directement dans le haut-fourneau ( 1) au moins une partie de l'oxygène produit par l'appareil de séparation d'air ( 4)_ 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise comme appareil de séparation d'air ( 4) un appareil de distillation d'air comportant une colonne de mélange ( 14) fonctionnant sous pression, alimentée en tête par de l'oxygène liquide et en cuve par de l'air, le gaz de tête de cette colonne constituant ledit oxygène. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on surpresse l'air envoyé à la colonne de mélange ( 14) au moyen d'une soufflante auxiliaire ( 22) entraînée par une turbine ( 19) de maintien en froid de l'appareil de distillation ( 4). 6 Installation de réduction de minerai de fer, du type comprenant un haut-fourneau ( 1) et au moins une soufflante ( 3) d'alimentation en air de ce dernier, caractérisée en ce qu'elle comprend un appa- reil de séparation d'air ( 4) disposé en dérivation sur la conduite de refoulement ( 5) de la soufflante ( 3), et une conduite d'enrichissement ( 9) destinée à l'en- voi vers le haut-fourneau ( 1) de l'oxygène produit par l'appareil de séparation. 7 Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que ladite conduite d'enrichis- sement ( 9) débouche dans le circuit principal d'air ( 5, 6), soit en amont, soit en aval des appareils de préchauffage d'air du haut-fourneau ( 1). 8 Installation suivant la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que ladite conduite d'enri- chissement ( 9) débouche directement dans le haut-four- neau. 9 Installation suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que l'ap- pareil de séparation d'air ( 4) est un appareil de distillation qui comporte une colonne de mélange ( 14) fonctionnant sous pression, alimentée en tête par de l'oxygène liquide et en cuve par de l'air, ladite conduite d'enrichissement ( 9) partant du sommet de cette colonne. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que l'appareil de distillation ( 4) comprend une turbine ( 19) de maintien en froid et une soufflante auxiliaire ( 22) servant à la surpres- sion de l'air envoyé à la colonne de mélange ( 14), cette soufflante auxiliaire étant entraînée par la turbine-