Brevet FR2790483A1 — publié le 20000908

Le but de la présente invention est de proposer un procédé métallurgique amélioré et une installation métallurgique pour mettre en oeuvre le procédé métallurgique de l'invention, en particulier pour produire o10 du fer, de l'acier, de la fonte ou un ferroalliage. De manière connue, un procédé métallurgique permet de produire ou travailler un métal à partir de minerai, par exemple pour produire du fer à partir de minerai de fer. Dans le cadre du procédé métallurgique, il est nécessaire d'alimenter un haut fourneau, dans lequel le minerai est traité, avec de l'air, de préférence de l'air chauffé par échange thermique avec les gaz d'échappement et les fumées sortant du haut fourneau. Ces gaz d'échappement sont généralement récupérés et partiellement nettoyés, puis brûlés dans des échangeurs thermiques, le plus souvent des récupérateurs o l'air est chauffé par échange thermique; les gaz- déchets issus de cette combustion étant ensuite habituellement rejetés à l'atmosphère. Or, il a été constaté, en pratique, que les performances d'un même procédé métallurgique mis en oeuvre par une même installation métallurgique n'étaient pas constantes et dépendaient notamment du site o est installée l'installation métallurgique, c'est-à-dire principalement le haut fourneau, ou encore des conditions climatiques, en particulier du niveau hygrométrique de l'air ambiant, sur le site de production du métal. Dès lors, le but de la présente invention est d'améliorer les procédés métallurgiques existants en proposant un procédé métallurgique amélioré notamment moins sensible aux variations climatiques ou de localisation. La présente invention concerne alors un procédé métallurgique dans lequel de l'air est comprimé, le plus souvent chauffé par échange thermique, puis introduit dans au moins une enceinte de traitement ou de fabrication d'au moins un métal ou un alliage métallique o règne une température d'au moins 150 C, classiquement de plus de 600 C, caractérisé en ce que, préalablement à l'introduction de l'air dans ladite enceinte de traitement, I'air comprimé est soumis à au moins une étape d'élimination d'au moins une partie des impuretés de type vapeur d'eau qu'il contient. o10 De préférence, ladite élimination de la vapeur d'eau est effectuée par adsorption à une température d'au moins 50 C, de préférence d'au moins +80 C. En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que la teneur en vapeur d'eau de l'air introduit dans le haut fourneau influe de manière négative sur les performances du procédé. Plus précisément, plus la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air injecté dans le haut fourneau est élevée, moins la combustion se déroulant à l'intérieur du haut fourneau est efficace. De là, en éliminant, conformément à l'invention, tout ou partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air, on augmente les performances économiques du procédé métallurgique. Plus précisément, plus la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air injecté dans le haut fourneau est élevée, moins le rendement thermique de la combustion se déroulant dans celui-ci est important. Ceci se traduit alors notamment par des températures de flamme du haut fourneau d'autant plus basses que la quantité de vapeur d'eau dans l'air injecté est élevée, toutes conditions étant égales par ailleurs. De là, en éliminant toute ou partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air conformément à la présente invention, on accroît de manière notable les 3 o performances économiques du procédé. La diminution de la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air injecté permet, notamment, de diminuer la quantité d'oxygène introduite dans le haut fourneau pour maintenir la température de flamme à un niveau efficace et satisfaisant et/ou permet aussi de diminuer la proportion de fuel et, plus particulièrement, de coke nécessaire à la production d'une quantité donnée de métal, par exemple une tonne de métal. Selon le cas, le procédé selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - on élimine au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans 1o I'air comprimé par adsorption d'au moins une partie de la vapeur d'eau sur des particules d'au moins un adsorbant. - I'air est comprimé à au moins 1.5 105 Pa, de préférence à une pression de 2.105 Pa à 5.105 Pa. - l'air introduit dans le récipient de traitement est à une température d'au moins +50 C, de préférence d'au moins +80 C, de préférence de + 110 C à +220 C. L'air est porté à ces températures par compression, et éventuellement réchauffage subséquent, ladite compression étant réalisée dans des conditions proches de l'adiabatique. - I'élimination d'au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans lI'air par adsorption sur un adsorbant choisi parmi les zéolites, les alumines, les gels de silice, de préférence une alumine, telle une alumine activée, imprégnée et/ou dopée. - l'air non purifié contient de 5 g à 40 g de vapeur d'eau par Nm3, de préférence de 10 à 25 g/Nm3. - I'air purifié contient moins de 0.1 g/Nm3 de vapeur d'eau, de préférence moins de 0.080 g/Nm3 de vapeur d'eau, de préférence encore moins de 0.008 g/Nm3 de vapeur d'eau. - I'enceinte de traitement est un haut fourneau. - le métal est choisi parmi la fonte, I'acier, le fer et les ferroalliages. - l'élimination d'au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air par adsorption par procédé TSA ou PSA. De manière connue en soi, I'adsorbant subit cycliquement une régénération par chauffage à une température de régénération comprise entre 150 C et 400 C, de préférence de 200 à 350 C. Le chauffage de régénération est effectuée par balayage des particules d'adsorbant avec un gaz à la température de régénération souhaitée, de préférence un gaz choisi parmi l'azote ou un mélange d'azote et d'oxygène. Par ailleurs, I'invention concerne également une installation io métallurgique comprenant, en série, des moyens de compression d'air, au moins un récipient d'adsorption, de préférence au moins deux récipients d'adsorption fonctionnant en parallèle, et au moins un haut fourneau, ledit récipient d'adsorption étant relié, au moyen d'au moins une canalisation de gaz, audit haut fourneau, de manière à alimenter directement ledit haut i5 fourneau avec de l'air provenant d'au moins un récipient d'adsorption. Dit autrement, I'installation métallurgique comprend, en série, des moyens de compression d'air, un ou plusieurs récipients d'adsorption, de préférence au moins deux récipients d'adsorption fonctionnant en parallèle, éventuellement des moyens de chauffage du flux d'air, ces différentes parties de l'installation étant reliées entre elles et audit haut fourneau par le biais d'une ou plusieurs canalisations de gaz, de manière à alimenter directement le haut fourneau avec de l'air issu de la zone de traitement d'air (compression, adsorption, chauffage....). De préférence, ladite canalisation de gaz est reliée à la partie inférieure dudit haut fourneau. De préférence, les moyens de compression d'air sont choisis parmi les compresseurs de gaz. En outre, l'invention a aussi trait à l'utilisation d'une installation selon l'invention pour la mise en oeuvre d'un procédé de production de fer, d'acier, 3 o de fonte ou d'un ferroalliage. L'invention va maintenant être mieux comprise à l'aide de figures annexées et de l'exemple suivant, donnés à titre illustratif mais non limitatif. La Figure 1 schématise une installation métallurgique comprenant, en série, des moyens de compression 10 d'air, deux récipients 9a et 9b d'adsorption fonctionnant en parallèle, c'est-à-dire en alternance, un dispositif 6 de chauffage de l'air et un haut fourneau 1. Le haut fourneau 1 est un réacteur 2 métallurgique dans lequel un minerai métallique est transformé en métal ou alliage métallique liquide sous io l'action combinée de fuel et de "vent", principalement de l'air, introduit dans ledit réacteur ou four. Classiquement, dans un haut fourneau 1 à fonte, tel que schématisé sur la figure 1, des couches alternatives de coke et de minerai de fer, parfois mélangés à des fondants, sont introduites par la partie supérieure ou partie haute du haut fourneau appelée gueulard 5. Un "vent", le plus souvent formé d'air comprimé à au moins 1.5.105 Pa, habituellement enrichi en oxygène et chauffé à des températures allant de 500 C à 1350 C environ, est injecté dans la partie inférieure 3' du haut fourneau 1 par le biais d'orifices répartis le long de la circonférence du 2 o réacteur, lesquels orifices sont appelés tuyères 4. Sous l'action de ce vent chaud, le coke brûle et produit un gaz réducteur à une température avoisinant les 2000 C. Parfois, un fuel auxiliaire, tel du gaz naturel, du charbon pulvérisé ou similaire, est introduit au niveau des tuyères 4 pour remplacer une partie du coke et ainsi diminuer les coûts de production du métal. Le gaz ainsi généré circule vers le haut du haut fourneau en échangeant de la chaleur et en cédant de l'oxygène au minerai. La charge, c'est-à-dire l'association minerai et coke, descend progressivement et verticalement dans le four, à contre-courant des gaz 3 o ascendants, tout en séchant et en se réchauffant dans le réacteur 2. Le minerai est ensuite réduit par les gaz réducteurs et fondu grâce à la chaleur dégagée par la combustion au niveau des tuyères 4 et véhiculée par les gaz réducteurs. La fonte liquide et le laitier sont alors recueillis dans le creuset 15 puis coulés par les trous de coulée 3, alors que les gaz s'échappent, quant à eux, par le gueulard 5. En fait, les récipients d'adsorption 9a et 9b, appelés adsorbeurs, sont reliés, via une canalisation 8 de gaz, audit haut fourneau 1, et un dispositif 7 de réchauffage de l'air, de manière à alimenter (en 4) le haut fourneau 1, via o une canalisation 6, avec de l'air purifié en ses impuretés vapeur d'eau dans les adsorbeurs 9a et 9b et réchauffé ensuite dans le dispositif 7 de réchauffage. Comme on le voit, la canalisation 8 amenant l'air séché et chaud est reliée (en 4) à la partie inférieure 3 dudit haut fourneau 1. Le traitement de l'air dans les adsorbeurs 9a, 9b, avant son injection dans le haut fourneau 1, est effectué, selon le cas, par procédé TSA (Température Swing Adsorption) ou par procédé PSA (Pressure Swing Adsorption). Classiquement, un cycle de procédé TSA comporte les étapes 2 0 suivantes: a) purification de l'air par adsorption des impuretés à pression super- atmosphérique et à température ambiante, b) dépressurisation de l'adsorbeur jusqu'à la pression atmosphérique ou en-dessous de la pression atmosphérique, c) régénération complète de l'adsorbant à pression atmosphérique avec un gaz chaud, notamment par les gaz résiduaires ou gaz déchets, typiquement de l'azote impur provenant d'une unité de séparation d'air et réchauffé au moyen d'un ou plusieurs échangeurs thermiques, d) refroidissement de l'adsorbant, notamment en continuant à y introduire ledit gaz résiduaire issu de l'unité de séparation d'air, mais non réchauffé, e) repressurisation de I'adsorbeur avec de l'air purifié issu, par exemple, d'un autre adsorbeur se trouvant en phase de production. Par ailleurs, un cycle de procédé PSA comporte, quant à lui, sensiblement les mêmes étapes a), b) et e), mais se distingue d'un procédé TSA par une absence de réchauffement du ou des gaz résiduaires lors de l'étape de régénération (étape c)), donc l'absence de l'étape d) et, en général, un temps de cycle plus court qu'en procédé TSA. Les deux adsorbeurs 9a, 9b fonctionnent en parallèle, c'est-à-dire de io manière alternée, I'un des adsorbeurs étant en phase de production, pendant que l'autre est en phase de régénération. Les principes de fonctionnement des procédés ou cycles TSA ou PSA de purification d'air sont décrits, par exemple, dans le document Industrial Gases & Cryogenics Today, IOMA Broadcaster, Air Purification for cryogenic air separation units, Jan.-Feb. 1984, p. 15 et suivantes, auquel on peut se reporter pour plus de détail. Sur la Figure 1, on voit que les adsorbeurs 9a, 9b contiennent chacun un lit d'adsorbant, de préférence une alumine. En effet, des essais réalisés ont permis de montrer que l'alumine permettait d'éliminer efficacement, de façon surprenante, la vapeur d'eau contenue dans l'air chauffé à plus de 100 C. Les conditions et résultats de ces essais sont donnés dans l'exemple ci-après et représentés sur la figure 2. Exemple Des essais visant à démontrer l'efficacité de l'élimination de la vapeur d'eau contenue dans un flux d'air chaud par adsorption de l'eau sur un adsorbant de type alumine ont été réalisés dans les conditions suivantes: - teneur en vapeur d'eau de l'air avant traitement: 5 g.Nm'3 - débit de purification: 1 Nm.h-' - pression d'adsorption: 5. 105 Pa - température de l'air: 120 C (essai 1), 160 C (essai 2) et C (essai 3) - temps de contact: env. 2 sec - adsorbant: alumine commercialisée par la Société Procatalyse. Les résultats sont donnés dans les tableaux suivants o: - TR désigne le temps de rupture ou temps de percée, - THR désigne la teneur en humidité à la rupture, - CAR désigne capacité d'adsorption à la rupture, - TS désigne le temps à saturation, - THS désigne la teneur en humidité à la saturation, - CAS désigne capacité d'adsorption à la saturation. Essai 1: Air à une température de 120 C a/ Phase d'adsorption de la vapeur d'eau Essai TR THR CAR TS THS CAS n (min) ( C) (mg/g) (min) ( C) (mg/g) 1 a 23 -62 14.9 51 0 23.8 lb 26 - 61 16.9 54 0 26.4 b/ Phase de régénération de l'alumine avec de l'azote Essai Température de régénération Durée n ( C) (heures) 1 a 250 5 1 b 300 18 Essai 2: Air à une température de 160 C a/ Phase d'adsorption de la vapeur d'eau Essai TR THR CAR TS THS CAS n (min) (oC) (mg/g) (min) ( C) (mg/g) 2a 15 -61 7.6 30 -3 11.2 2b 16 - 61 10. 5 36 0 16.6 b/ Phase de régénération de l'alumine avec de l'azote Essai Température de régénération Durée n ( C) (heures) 2a 250 15,5 2b 300 4 Essai 3: Air à une température de 180 C a/ Phase d'adsorption de la vapeur d'eau Essai TR THR CAR TS THS CAS n (min) ( C) (mg/g) (min) ( C) (mg/g) 3a 13 -63 8.7 40 1 16.1 3b 11 - 61 8.4 41 3 17.0 b/ Phase de régénération de l'alumine avec de l'azote Essai Température de régénération Durée n ( C) (heures) 3a 250 15 3b 300 2,5 On constate au vu des tableaux précédents que les essais de dessiccation réalisés à haute température, c'est-à-dire à une température de à 180 C, avec de l'alumine permettent d'obtenir un séchage efficace de l'air dans les adsorbeurs. Ces résultats sont particulièrement surprenants car cette plage de température correspond habituellement à la plage de régénération de I'alumine préconisée par les fabricants d'adsorbants. Or, il a maintenant été montré que l'alumine peut être utilisée pour sécher efficacement un flux d'air chaud et obtenir ainsi de l'air sec contenant moins de 10 ppm de vapeur d'eau résiduelle (seuil de détection de l'analyseur utilisé ici). Toutefois, il est à noter que la capacité d'arrêt de l'alumine décroît il avec la température d'épuration, c'est-à-dire que pour une température passant de 120 C à 180 C, la durée d'adsorption diminue de moitié. De là, on procédera préférentiellement à des températures allant de à 140 C. Par ailleurs, il faut souligner que cette adsorption de l'eau à haute température est tout-à-fait réversible et que l'alumine peut donc être régénérée pour en débarrasser l'eau qu'elle renferme de sorte de pouvoir la réutiliser plusieurs fois de suite. En outre, le temps de rupture est à corréler aux conditions de io régénération de l'adsorbant, c'est-à-dire que le temps de rupture augmente si la durée et/ou la température de régénération croît. L'invention concerne donc aussi un procédé de traitement d'un flux gazeux contenant des impuretés de type vapeur d'eau, en particulier d'air, dans lequel ledit flux gazeux est comprimé, puis soumis à au moins une étape d'élimination d'au moins une partie des impuretés de type vapeur d'eau qu'il contient, caractérisé en ce que l'élimination d'au moins une partie des impuretés de type vapeur d'eau contenues dans le flux gazeux est réalisée par mise en contact dudit flux gazeux à une température d'au moins C avec des particules d'au moins un adsorbant, puis éventuellement 2 o chauffé. De préférence, on élimine au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans le flux gazeux comprimé par adsorption sur au moins un adsorbant choisi parmi les zéolites, les alumines, et les gels de silice, de préférence une alumine activée standard ou une alumine améliorée par un agent d'imprégnation. Avantageusement, l'élimination de la vapeur d'eau est réalisée à une température d'au moins +80 C, de préférence de +110 C à +220 C et/ou à une pression d'au moins 1,5.105 Pa, de préférence à une pression de 2. 105 Pa à 5.105 Pa. Selon un mode particulièrement préféré, le flux gazeux est de l'air atmosphérique. REVENDICATIONS 1. Procédé métallurgique dans lequel de l'air est comprimé, éventuellement chauffé, puis introduit dans au moins une enceinte de traitement ou de fabrication d'au moins un métal ou un alliage métallique o règne une température d'au moins 150 C, caractérisé en ce que, préalablement à l'introduction de l'air dans ladite enceinte de traitement, I'air comprimé est soumis à au moins une étape d'élimination d'au moins une partie des impuretés de type vapeur d'eau qu'il contient. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on élimine au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air comprimé par adsorption d'au moins une partie de la vapeur d'eau sur des particules d'au moins un adsorbant. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'air est comprimé à au moins 1,5.105 Pa, de préférence à une pression de 2.105 Pa à 5.105 Pa. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'air introduit dans le récipient de traitement est à une température d'au moins +50 C, de préférence d'au moins +80 C, de préférence de +1100C à 2 o +220 C. 5. Procédé selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que l'élimination d'au moins une partie de la vapeur d'eau contenues dans l'air par adsorption sur un adsorbant choisi parmi les zéolites, les alumines, et les gels de silice, de préférence une alumine activée ou une alumine imprégnée. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'air non purifié contient de 5 à 40 g/Nm3 de vapeur d'eau, de préférence de 10 à 25 g/Nm3 de vapeur d'eau et/ou en ce que l'air purifié contient moins de 0.1 g/Nm3 de vapeur d'eau, de préférence moins de 0.008 g/Nm3. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enceinte de traitement est un haut fourneau et/ou en ce que le métal est choisi parmi la fonte, I'acier, le fer et les ferroalliages. 8. Installation métallurgique comprenant, en série, des moyens de compression d'air, au moins un récipient d'adsorption, de préférence au moins deux récipients d'adsorption fonctionnant en parallèle, et au moins un haut fourneau, ledit récipient d'adsorption étant relié, au moyen d'au moins une canalisation de gaz, audit haut fourneau, de manière à alimenter directement ledit haut fourneau avec de l'air provenant d'au moins un lo récipient d'adsorption. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite canalisation de gaz est reliée à la partie inférieure dudit haut fourneau et/ou en ce qu'elle comporte au moins un dispositif de chauffage de l'air agencé sur la canalisation véhiculant l'air en aval d'au moins un récipient d'adsorption. 10. Utilisation d'une installation selon la revendication 8 ou 9 pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 7 pour produire du fer, de l'acier, de la fonte ou un ferroalliage. 11. Procédé de traitement d'un flux gazeux contenant des impuretés de type vapeur d'eau, en particulier d'air, dans lequel ledit flux gazeux est comprimé, éventuellement chauffé, puis soumis à au moins une étape d'élimination d'au moins une partie des impuretés de type vapeur d'eau qu'il contient, caractérisé en ce que l'élimination d'au moins une partie des impuretés de type vapeur d'eau contenues dans le flux gazeux est réalisée par mise en contact dudit flux gazeux à une température d'au moins 50 C avec des particules d'au moins un adsorbant. 12. Procédé selon la revendication 1 1, caractérisé en ce qu'on élimine au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans le flux gazeux comprimé par adsorption sur au moins un adsorbant choisi parmi les zéolites, les alumines, et les gels de silice, de préférence une alumine activée ou une alumine imprégnée. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que l'élimination de la vapeur d'eau est réalisée à une température d'au moins +80 C, de préférence de +110 C à +220 C et/ou à une pression d'au moins 1,5.105 Pa, de préférence à une pression de 2.105 Pa à 5. 105 Pa. 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le flux gazeux est de l'air.