Brevet FR2898134A1 — publié le 20070907

La présente invention concerne un procédé d'intégration d'une pluralité de haut-fourneaux et d'au moins une unité de séparation des gaz de l'air, procédé dans lequel n haut- fourneaux sont alimentés en air par au moins n+1 compresseurs et en oxygène par au moins une unité de séparation des gaz de l'air, avec n>_ 1. Le haut-fourneau est l'équipement le plus répandu pour produire de la fonte essentiellement composée de fer (de 92 à 95 % en poids), de carbone (de 3 à 5 % en poids), et d'autres éléments en faible quantité tels que le silicium, le manganèse, le phosphore, le souffre etc... Cette fonte est ensuite convertie en acier dans un convertisseur à oxygène par injection d'oxygène dans la fonte à l'état liquide permettant une oxydation notamment du carbone. L'acier obtenu sera ensuite affiné et mis à la nuance désirée (silicium, manganèse etc...) avant d'être coulé en lingots, en brames, en blooms, ou en billettes). Un haut-fourneau est essentiellement alimenté par du minerai de fer (en général de 1,3 à 1,6 tonnes par tonne de fonte produite) sous forme d'agglomérés ou de pellets (en langue anglaise) enfournés par le gueulard du haut- fourneau, du coke (entre 250 et 500 kg par tonne de fonte) également enfourné par le gueulard, du charbon pulvérisé et injecté au niveau des tuyères, avec une quantité injectée qui peut varier entre 0 et 250 kg par tonne de fonte, ou tout autre combustible tel que du gaz naturel, du fioul, du gaz de cokerie, des matières plastiques, et de l'air que l'on dénomme encore vent pour un débit qui peut varier de 800 à 1200 Nm3 par tonne de fonte produite enrichie ou non en oxygène, cet enrichissement pouvant varier de 0 à 15 % en volume environ, soit de 0 à 150 Nm3 d'oxygène par tonne de fonte produite. Grâce à ce haut-fourneau, on produit principalement de la fonte, du laitier (de 200 à 400 kg par tonne de fonte produite), laitier qui peut être ensuite valorisé dans différentes applications, des gaz, contenant notamment de l'azote (40 à 60 % en volume), du monoxyde de carbone CO (de 20 à 25 % en volume), du dioxyde de carbone CO2 (de 20 à 25 % en volume) et de l'hydrogène (de 1 à 7 % en volume). Il peut également exister divers autres éléments en teneur 15 inférieure à 1 %. Le gaz ou mélange de gaz issu du haut-fourneau est généralement récupéré et utilisé pour sa valeur thermique, soit en échange direct pour abaisser sa température et 20 augmenter celle du gaz ou du fluide avec lequel il est en échange thermique, soit par combustion, par exemple CO avec de l'oxygène afin de produire des calories additionnelles. Le vent du haut-fourneau enrichi ou non en oxygène est 25 injecté à la base du haut-fourneau au niveau de tuyères qui sont réparties tout autour de la circonférence du haut-fourneau. Ce vent est injecté sous une pression qui peut varier de 30 1 à 7x105Pa., pour vaincre la perte de charge dans le haut-fourneau ainsi que la pression existant au-dessus de la charge dans le haut-fourneau. Les débits d'air nécessaires sont très élevés, variant de 35 5000 Nm3/heure pour des haut-fourneaux très petits (par exemple des haut-fourneaux que l'on voit aujourd'hui en Chine notamment) jusqu'à 500000 Nm3 pour de très gros haut-fourneaux industriels. Pour amener l'air ambiant à cette pression, on utilise des compresseurs d'air ou soufflantes très puissants, une soufflante (ou plusieurs) étant dédiée à un haut-fourneau. Dans une usine produisant de la fonte et qui possède plus d'un haut-fourneaux, on dispose généralement pour n haut-fourneaux de n+1 au moins soufflantes, et quelques fois de n+2 soufflantes afin d'assurer une production continue de fonte lorsque l'une de ces soufflantes tombe éventuellement en panne (ou doit être arrêtée pour maintenance ou toute autre cause). En effet, les soufflantes redondantes (encore appelées secondes soufflantes) par rapport au nombre de haut-fourneaux sont généralement montées à côté des autres soufflantes en fonctionnement, et sont en position d'attente, prêtes à démarrer de manière à assurer la continuité de la production de fonte, même lorsqu'on détecte une pression et/ou débit d'air sur une soufflante inférieure à une valeur pré-déterminée, en deçà de laquelle il est nécessaire de remplacer cette soufflante par l'une des soufflantes en attente. D'une manière générale, pour l'enrichissement en oxygène du vent d'air, on prévoit sur le site de production de fonte, à proximité des haut-fourneaux, ou reliés à ceux-ci par des canalisations, une ou plusieurs unités de production d'oxygène de grande capacité, généralement des unités de séparation cryogéniques de l'air produisant un oxygène de pureté industrielle, c'est à dire généralement supérieure à 80 % vol. de préférence supérieure à 90 % vol., plus 4 2898134 préférentiellement supérieure à 95 % vol., et quelques fois de pureté supérieure à 99 % vol. L'augmentation des besoins en oxygène d'un site de 5 production de fonte peut intervenir, soit dans le cas de l'augmentation de la production de fonte dans les haut-fourneaux existants, soit par ajout d'un ou plusieurs nouveaux haut-fourneaux sur le site, soit par augmentation de la consommation spécifique d'oxygène dans chaque haut 10 fourneau par suite, par exemple, de l'ajout de plus de combustible tel que le charbon, le gaz naturel, le fioul, le gaz de cokerie, les matières plastiques, etc... (Cet ajout se fait généralement au niveau des tuyères). Cette augmentation peut résulter de l'utilisation d'oxygène pour 15 un autre objectif technique, tel que par exemple l'enrichissement d'air dédié au préchauffage des cowpers. Dans ce cas, l'augmentation des besoins en oxygène peut conduire à la construction d'une nouvelle unité de 20 production d'oxygène, que ce soit une unité de séparation cryogénique de l'air, ou par des procédés dits de VPSA. Lorsqu'il est nécessaire de faire un tel investissement d'une nouvelle unité de séparation des gaz de l'air, compte 25 tenu du coût élevé d'une telle unité, il peut s'avérer nécessaire ou préférable d'utiliser des éléments existants déjà sur le site. Le procédé selon l'invention permet de répondre à ce 30 problème ainsi posé. Il est caractérisé en ce que, chaque haut fourneau étant alimenté par au moins un compresseur parmi les n+l au moins compresseurs disponibles, au moins un des compresseurs qui 35 n'alimentent pas un haut fourneau (ci-après appelé second compresseur) est utilisé pour alimenter l'unité de séparation des gaz de l'air tandis que, dès que l'un des compresseurs (ci-après appelé premier compresseur) alimentant un haut-fourneau produit un débit d'air inférieur à Dmin, débit minimum requis pour que le haut-fourneau auquel il est relié fonctionne correctement, ledit premier compresseur est déconnecté dudit haut-fourneau, et le second compresseur est connecté au dit haut-fourneau et de préférence déconnecté de l'unité de séparation des gaz de l'air. Ainsi, de cette manière, on utilise une des soufflantes ou compresseurs disponibles (second compresseur) lorsque les autres soufflantes (premiers compresseurs) sont en état de marche normale et alimentent normalement leur haut-fourneau respectif, pour alimenter en air comprimé l'unité de séparation des gaz de l'air (avec généralement un petit compresseur supplémentaire de manière à augmenter la pression de l'air fourni à l'unité de séparation de gaz de l'air jusqu'à une valeur d'au moins 5x105 kPa environ et/ou pour compléter le volume d'air fourni à l'unité de séparation) et lorsqu'un problème est détecté au niveau de l'un des premiers compresseurs alimentant le haut-fourneau, on arrête le premier compresseur ayant un problème et on le remplace par le compresseur chargé entre-temps d'alimenter en air comprimé l'unité de séparation des gaz de l'air, cette unité étant, pendant ce temps là, mise en période d'attente, jusqu'à ce qu'un autre second compresseur devienne disponible (après réparation du premier compresseur). Ainsi de préférence, un compresseur complémentaire, dédié à l'unité de séparation des gaz de l'air est prévu de manière à fournir une partie au moins de l'air comprimé nécessaire à cette unité et/ou la surpression nécessaire.35 Selon le débit d'air nécessaire pour le haut-fourneau et une unité de séparation des gaz de l'air, et le débit maximum que peut fournir la soufflante disponible, il sera possible, dans certaines circonstances, de continuer à faire fonctionner l'unité de séparation des gaz de l'air avec un débit réduit, (diminué du débit nécessaire au haut- fourneau auquel cette soufflante est maintenant raccordée). Différentes variantes de l'invention sont possibles : une ou plusieurs soufflantes présentes sur le site et normalement utilisée(s) pour la compression de l'air ou vent envoyé au haut-fourneau, notamment les soufflantes en attente peuvent être utilisées pour comprimer au moins une partie de l'air nécessaire à la fabrication de l'oxygène. Les caractéristiques de l'une ou des soufflantes initialement prévues pour travailler dans des plages de fonctionnement adaptées aux besoins propres de pression et de débit pour le haut-fourneau pourront être adaptées aux besoins propres de pression et de débit pour l'unité de production d'oxygène. L'air comprimé à une pression dans tous les cas supérieure à 2 bars absolus, produit par l'une des soufflantes initialement dédiée à un haut-fourneau, pourra être envoyé à l'unité de production d'oxygène ou au haut-fourneau. En marche normale , c'est à dire lorsque toutes les soufflantes sont en état de marche, l'air de la soufflante en attente sera intégralement ou en partie seulement, envoyé à l'entrée de l'unité de séparation des gaz de l'air. Par contre, en cas d'urgence, c'est à dire lorsqu'un nombre 35 insuffisant de soufflantes sera en état de marche normale pour assurer l'injection du vent dans les haut-fourneaux, l'air de cette soufflante additionnelle pourra être alors envoyé de nouveau au haut-fourneau, la marche de l'unité de production d'oxygène étant stoppée ou adaptée à une marche dégradée, compatible avec la marche souhaitée des haut-fourneaux. On pourra prévoir un système de canalisations permettant d'envoyer l'air comprimé sur l'une ou l'autre des destinations (haut-fourneau ou unité de séparation des gaz de l'air). De préférence, on utilisera un système de régulation pour optimiser l'adaptation, tandis que la plage de fonctionnement de la ou des soufflantes initialement en position d'attente sera étudié pour permettre une souplesse d'adaptation aux différentes situations possibles. La marche de l'unité de séparation des gaz de l'air et produisant de l'oxygène pourra être totalement arrêtée si le besoin de production de fonte par les haut-fourneaux le requiert et est choisi par l'opérateur comme étant prioritaire. De préférence, l'oxygène sera produit à une pureté supérieure à 90 % vol. (dit encore oxygène impur) et préférentiellement à une pureté supérieure à 95 % en volume d'oxygène. De préférence également, on prévoira un compresseur complémentaire dédié à l'unité de séparation des gaz de l'air afin de fournir une partie de l'air nécessaire à l'unité de séparation des gaz de l'air (si une forte quantité d'air est nécessaire, trop importante pour la capacité d'une soufflante. En outre, ce compresseur 8 2898134 complémentaire pourra être utilisé pour faire fonctionner l'unité de séparation lorsque la soufflante sera récupérée par un haut-fourneau. Ce compresseur complémentaire pourra être également utilisé comme soufflante de remplacement en 5 cas de deux pannes simultanées, auquel cas l'unité de séparation sera arrêtée). L'oxygène produit par l'unité de séparation des gaz de l'air pourra être destiné en partie aux haut-fourneaux ou 10 en partie à d'autres installations généralement présentes sur le site comme les convertisseurs. Ainsi, une partie de l'oxygène produit par l'unité de séparation des gaz de l'air est utilisée dans au moins un des convertisseurs présents sur le site d'intégration. 15 Selon une variante, l'unité de séparation des gaz de l'air comporte une position de fonctionnement dite dégradée, produisant de l'oxygène comportant moins de 95 % vol. d'oxygène et/ou un débit inférieur au débit normal de cette 20 unité, permettant d'alimenter les canalisations d'air comprimé reliées au haut-fourneau ; Selon une autre variante, l'unité de séparation comporte des canalisations (18, 19) et des vannes (7, 8, 13, 15, 22) 25 permettant de relier le second compresseur (16) soit à l'une au moins des canalisations (5, 6) d'alimentation en air des haut-fourneaux, soit à l'unité de séparation des gaz dans l'air (20), soit au deux. 30 L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple de réalisation suivant décrit sur la figure unique qui représente un exemple de réalisation de l'invention à l'aide de deux haut-fourneaux, une unité de séparation des gaz de l'air et trois compresseurs. 35 Les haut-fourneaux respectivement 1 et 2 sont reliés respectivement aux compresseurs 3 et 4 par l'intermédiaire des lignes d'alimentation en air comprimé 5 et 6. Sur la ligne 5, on retrouve un capteur de débit 9 mesurant le débit minimum sur la ligne 5 et un capteur de débit 10 régulant le débit de l'air comprimé du compresseur 3. On retrouve la même fonction avec les détecteurs 11 de 10 débit minimum sur la ligne 6 et 12 de régulation du compresseur 4. Les compresseurs 3 et 4 sont les soufflantes normalement utilisées pour alimenter respectivement leurs haut-15 fourneaux. Sur le site, on dispose d'un compresseur ou soufflante supplémentaire destiné à venir palier les défaillances des compresseurs 3 ou 4. 20 Ce compresseur supplémentaire 16 est relié par la ligne alimentation 19, la vanne 13 à l'unité de séparation des gaz de l'air 20, d'une part, et par la ligne 18 aux vannes 7 et 9, elles-mêmes reliées respectivement aux lignes 25 d'alimentation 5 et 6. Sur la ligne d'alimentation 19, on retrouve un capteur de débit 17 chargé de réguler le débit et le débit d'air envoyé à l'unité de séparation des gaz de l'air 20 par le 30 compresseur 16 lorsque celui-ci est en fonctionnement. L'unité de séparation des gaz de l'air 20 est reliée respectivement par les lignes d'alimentation 21 et 22 aux vannes 14 et 15 qui alimentent respectivement les lignes 5 35 et 6. 2898134 Le fonctionnement de ce système est le suivant : en fonctionnement normal, c'est à dire lorsque les compresseurs 3 et 4 fonctionnent normalement, c'est à dire 5 que le débit de l'air envoyé respectivement aux haut-fourneaux 1 et 2 est supérieur au minimum requis pour le fonctionnement normal de ces haut-fourneaux, et mesuré respectivement par les détecteurs 9 et 11, les vannes 14 et 15 sont en position ouverte ainsi que la vanne 13. 10 Dans ce cas, le compresseur de remplacement 16 alimente par l'intermédiaire de la vanne 13 en position ouverte, l'unité de séparation des gaz de l'air qui elle-même débite son oxygène à travers les vannes respectivement 14 et 15 aux lignes d'alimentation de vent des haut-fourneaux 6 et 5 de manière à enrichir ce vent de la quantité d'oxygène souhaitée. Lorsque, par contre, l'un et/ou l'autre des deux détecteurs 9 ou 11 détectent une anomalie de débit dans les lignes 5 ou 6, la vanne 13 qui était ouverte est alors fermée ou partiellement fermée dans la ligne 18, les détecteurs 9 et/ou 11 commandant simultanément l'ouverture des vannes 7 et 8 (normalement fermées pendant la période de fonctionnement normal ) de manière à pouvoir alimenter en air comprimé les lignes 5 et/ou 6 à travers ces vannes 7 et 8. Selon le choix fait par l'opérateur ou permis par l'installation, les vannes 14 et 15 seront soit complètement fermées (mode préférentiel), soit partiellement fermées si l'unité de séparation des gaz de l'air 20 peut continuer à fonctionner en mode dégradé.35 Revendications 1 - Procédé d'intégration d'une pluralité de haut-fourneaux et d'une unité de séparation des gaz de l'air dans lequel n haut-fourneaux (n>_ 1) sont alimentés en air par au moins n+1 compresseurs et en oxygène par au moins une unité de séparation des gaz de l'air, caractérisé en ce que chaque haut-fourneau étant alimenté par au moins un compresseur parmi les n+1 compresseurs disponibles, au moins un des compresseurs qui n'alimente pas un haut-fourneau ( second compresseur ) étant utilisé pour alimenter l'unité de séparation des gaz de l'air, tandis que dès que l'un des compresseurs ( premier compresseur ) alimentant un haut- fourneau produit un débit d'air inférieur à Dmin, débit minimum requis pour que le haut-fourneau auquel il est relié fonctionne correctement, ledit premier compresseur est déconnecté dudit haut-fourneau, et le second compresseur est connecté audit haut-fourneau et de préférence déconnecté de l'unité de séparation des gaz de l'air. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un compresseur complémentaire, dédié à l'unité de séparation des gaz de l'air est prévu de manière à fournir une partie au moins de l'air comprimé nécessaire à cette unité et/ou la surpression nécessaire. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une partie de l'oxygène produit par l'unité de séparation des gaz de l'air est utilisée dans au moins un des convertisseurs présents sur le site d'intégration. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'unité de séparation des gaz de l'air produit de l'oxygène de pureté supérieure à 90 % vol., et de préférence supérieure à 95 % vol. d'oxygène. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'unité de séparation des gaz de l'air comporte une position de fonctionnement dite dégradée, produisant de l'oxygène comportant moins de 95 % vol. d'oxygène et/ou un débit inférieur au débit normal de cette unité, permettant d'alimenter les canalisations d'air comprimé reliées au haut-fourneau. 6 - Installation de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'elle comporte des canalisations (18, 19) et des vannes (7, 8, 13, 15, 22) permettant de relier le second compresseur (16) soit à l'une au moins des canalisations (5, 6) d'alimentation en air des haut-fourneaux, soit à l'unité de séparation des gaz dans l'air (20), soit au deux.