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Procédé de conduite d'un haut-fourneau La présente invention concerne un procédé de conduite d'un haut-fourneau utilisé pour la fabrication de fonte par réduction de minerais de fer.
On sait que, dans un haut-fourneau, la charge se compose traditionnellement de couches alternées de minerai de fer et de coke chargés successivement par le gueulard. Un courant d'air chaud, appelé vent chaud, injecté par des tuyères à vent situées légèrement au-dessus de la base du hautfourneau, assure la combustion du coke.
Cette combustion du coke fournit d'une part le gaz réducteur requis pour opérer la réduction des oxydes de fer du minerai et d'autre part une quantité de chaleur suffisante pour couvrir les besoins thermiques des réactions chimiques et pour assurer la fusion du métal et de la gangue.
Outre ce double rôle de source de chaleur et d'agent réducteur, le coke remplit encore une troisième fonction, d'ordre mécanique, qui est de constituer une grille de support favorisant le mouvement à contre-courant des gaz ascendants et des matières fondues descendantes.
Depuis de nombreuses années déjà, on cherche à réduire la mise au mille de coke au haut-fourneau, c'est-à-dire la quantité de coke nécessaire à la production d'une tonne de fonte.
Dans un premier temps, une telle diminution de la consommation de coke a été obtenue par l'injection de combustibles auxiliaires au niveau des tuyères à vent, éventuellement combinée à une augmentation de la température du vent ou encore à une suroxygénation de ce vent.
Certaines techniques particulières ont ensuite permis d'atteindre des réductions de mise au mille de coke dépassant de loin celles que l'on peut obtenir par une simple injection de combustibles auxiliaires aux tuyères.
A cet égard, on connaît diverses propositions portant sur l'injection d'agents réducteurs au niveau des tuyères principales et de gaz réducteur chaud au niveau de la zone de réserve dudit four à cuve.
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Par l'expression"au niveau des tuyères principales", il faut entendre le niveau correspondant à la partie supérieure du creuset du haut-fourneau, où sont situées les tuyères à vent, dites tuyères principales, d'un hautfourneau conventionnel.
Les agents réducteurs (combustibles auxiliaires) ont longtemps été des hydrocarbures liquides ou gazeux. A l'heure actuelle, ces hydrocarbures liquides ou gazeux ont cependant perdu une bonne part de leur intérêt économique au profit du charbon. Ainsi, dans certains hauts-fourneaux, on injecte à présent jusqu'à 200 kg de charbon par tonne de fonte, ce qui a permis de réduire la mise au mille de coke d'environ 160 kg.
Par l'expression"zone de réserve", bien connue des praticiens, il faut entendre la région de la cuve du haut-fourneau dans laquelle la charge se trouve à une température d'environ 1000oC. Dans cette zone de réserve, la charge est donc encore à l'état solide.
Le gaz réducteur chaud injecté au niveau de la zone de réserve est principalement constitué d'hydrogène (H,) et de monoxyde de carbone (CO), avec de très faibles quantités d'anhydride carbonique (CO) et de vapeur d'eau (ho).
De nombreux sidérurgistes cherchent aujourd'hui des moyens pour réduire encore davantage la mise au mille de coke, soit par un accroissement du taux d'injection de charbon soit par d'autres voies.
La présente invention s'inscrit dans une évolution plus récente, qui consiste à injecter du charbon pulvérisé et de l'oxygène au niveau des tuyères principales et du gaz réducteur chaud au niveau de la zone de réserve du haut-fourneau.
Dans ce cadre, il a déjà été proposé, en particulier par la demande de brevet EP-A-0302041, d'injecter dans la zone de réserve un gaz réducteur chaud dérivé du gaz de gueulard dudit haut-fourneau. A cet effet, le gaz de gueulard est débarrassé du CO qu'il contient, soit par une opération de décarbonatation, soit par reformage d'un gaz réducteur, c'est-à-dire par dissociation chimique du CO au moyen d'un hydrocarbure gazeux ; dans
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les deux cas, le gaz riche en CO et H2 obtenu est porté à une température comprise entre 850. C et 1200. C et injecté au niveau de la zone de réserve du haut-fourneau.
Bien que ces deux techniques soient en elles-mêmes intéressantes, il est apparu qu'elles présentent certains inconvénients dans l'optique de leur application en liaison avec la conduite d'un haut-fourneau.
La décarbonatation est une opération de séparation complexe, dont l'efficacité dépend de nombreux facteurs tels que le débit, la pression et la teneur en CO2 du gaz traité. Son coût est élevé. De plus, elle conduit à un débit de gaz réducteur (CO + H2) inférieur au débit du gaz de gueulard initialement prélevé.
Le reformage de gaz réducteur à partir de gaz de gueulard produit au
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contraire une quantité de gaz réducteur (CO + H2) supérieure au volume initial du gaz de gueulard, en raison de la dissociation chimique du C02' Cette méthode requiert cependant de grandes quantités d'hydrocarbure gazeux, qui ne sont pas toujours disponibles à des conditions économiquement intéressantes dans les usines sidérurgiques.
La présente invention porte sur un procédé de conduite d'un haut-fourneau, basé sur l'injection simultanée de charbon pulvérisé et d'oxygène au niveau des tuyères principales et de gaz réducteur chaud au niveau de la zone de réserve, qui combine les avantages des deux techniques précitées sans en présenter les inconvénients.
Conformément à la présente invention, un procédé de conduite d'un hautfourneau, dans lequel on injecte du charbon pulvérisé et un gaz comburant au niveau des tuyères principales et un gaz réducteur chaud au niveau de la zone de réserve dudit haut-fourneau, est caractérisé en ce que l'on prélève du gaz de gueulard, en ce que l'on soumet le gaz de gueulard prélevé à une opération de décarbonatation partielle, en ce que l'on mélange ledit gaz de gueulard partiellement décarbonaté avec un hydrocarbure gazeux, en ce que l'on chauffe ledit mélange pour produire par reformage un gaz réducteur à une température comprise entre 85C''C et 1200. C et en ce que l'on injecte ce gaz réducteur chaud au niveau de la
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zone de réserve dudit haut-fourneau.
Il est précisé ici que ledit gaz comburant présente une teneur en oxygène d'au moins 21 % en volume et de préférence d'au moins 55 % en volume.
Avantageusement, ce gaz comburant est injecté à l'état "froid", c'est-àdire que sa température n'a pas été élevée par chauffage et est dès lors sensiblement égale à la température ambiante.
Il va de soi que le gaz de gueulard prélevé provient de préférence du haut-fourneau dans lequel on pratique lesdites injections. Il n'est cependant pas exclu d'utiliser du gaz de gueulard provenant d'un ou de plusieurs autres hauts-fourneaux, soit seul soit en mélange avec le gaz de gueulard provenant dudit haut-fourneau.
La méthode de décarbonatation pourra être choisie de manière conventionnelle, en tenant compte notamment de la nature et de l'état du gaz de gueulard disponible.
Le taux de décarbonatation sera déterminé en fonction de la composition et du débit du gaz de gueulard disponible, ainsi que de la nature et de la quantité d'hydrocarbure gazeux nécessaire pour l'opération ultérieure de reformage. En pratique, le taux de décarbonatation partielle du gaz de gueulard prélevé sera d'au moins 50 %, et il sera de préférence compris entre 85 % et 95 %.
Le reformage de gaz réducteur pourra être effectué au moyen de tout agent gazeux contenant un hydrocarbure approprié. A cet effet, on utilisera de préférence un gaz disponible dans l'usine sidérurgique, par exemple du gaz de four à coke, qui contient une forte proportion de méthane (CH4) et est donc particulièrement indiqué pour réagir avec le CO du gaz de gueulard.
La quantité d'hydrocarbure gazeux requise dépend à son tour de la quantité de CO à dissocier, c'est-à-dire en fait du débit et de la teneur résiduelle en CO du gaz de gueulard partiellement décarbonaté.
Le procédé de l'invention permet dès lors d'adapter la conduite du hautfourneau, en particulier sa mise au mille de coke ou la quantité de gaz
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réducteur injecté, en faisant varier la quantité de gaz de gueulard prélevée, le taux de décarbonatation partielle de ce gaz et la quantité d'hydrocarbure gazeux utilisée pour le reformage de gaz réducteur.
Le procédé de l'invention sera maintenant décrit de façon plus détaillée, en faisant référence à la figure unique annexée, qui illustre schématiquement un exemple de mise en oeuvre de ce procédé.
Dans un haut-fourneau A, on charge du minerai de fer et du coke de manière conventionnelle par le gueulard. Au niveau des tuyères principales, on injecte d'une part de l'oxygène (2) et d'autre part du charbon pulvérisé (3). L'oxygène est dit "froid" parce qu'il n'est pas préchauffé et qu'il se trouve donc à la température ambiante. On injecte aussi un gaz réducteur chaud (4) au niveau de la zone de réserve du haut-fourneau.
Enfin, on recueille le gaz de gueulard (5) au sommet de la cuve.
En application de la présente invention, on prélève une partie (6) du gaz de gueulard (5) et on soumet cette partie (6) successivement aux deux opérations suivantes : a. dans un premier réacteur B, on opère une décarbonatation partielle du gaz (6), afin de l'enrichir en CO et H2 par extraction d'une fraction réglable de CO2 (7) ; b. le gaz partiellement décarbonaté (8) est mélangé à du gaz de four à coke (9) et le mélange (10) est introduit dans un réacteur C, chauffé par combustion de gaz de gueulard (11) provenant également du haut- fourneau ; il se produit dans ce réacteur C une dissociation du CO2 présent et un reformage de gaz réducteur chaud, qui est alors injecté (4) dans le haut-fourneau au niveau de la zone de réserve.
Le reste du gaz de gueulard (12) et le C02 extrait (7) sont destinés à d'autres utilisations.
Les valeurs correspondant à un exemple de mise en oeuvre sont indiquées dans la figure et reprises dans le tableau qui suit ; elles sont rapportées à une tonne de fonte produite.
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Décarbonatation partielle et reformage de gaz réducteur
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<tb> Réactif <SEP> Unité <SEP> Température <SEP> Quantité
<tb> 1. <SEP> Coke <SEP> kg/tf <SEP> 178
<tb> C <SEP> 25
<tb> 2. <SEP> Oxygène <SEP> (99 <SEP> % <SEP> O2) <SEP> m3N/tf <SEP> 253
<tb> C <SEP> 25
<tb> 3. <SEP> Charbon <SEP> pulvérisé <SEP> kg/tf <SEP> 250
<tb> oc <SEP> 25
<tb> 4. <SEP> Gaz <SEP> réducteur <SEP> m3N/tf <SEP> 570
<tb> oc <SEP> 950
<tb> % <SEP> CO <SEP> 60,79
<tb> % <SEP> CO2 <SEP> 1,00
<tb> % <SEP> ho <SEP> 32, <SEP> 56
<tb> % <SEP> H2O <SEP> 2,00
<tb> % <SEP> N2 <SEP> 3,65
<tb> 5.
<SEP> Gaz <SEP> de <SEP> gueulard <SEP> m3N/tf <SEP> 1136
<tb> oc <SEP> 139
<tb> % <SEP> CO <SEP> 44,46
<tb> % <SEP> CO2 <SEP> 36,35
<tb> % <SEP> H, <SEP> 16,89
<tb> % <SEP> 2,30
<tb> 6. <SEP> Gaz <SEP> prélevé <SEP> m3N/tf <SEP> 696
<tb> oc <SEP> 25
<tb> % <SEP> CO <SEP> 44, <SEP> 46
<tb> % <SEP> CO2 <SEP> 36,35
<tb> % <SEP> H2 <SEP> 16,89
<tb> % <SEP> N22 <SEP> 2,30
<tb> 7. <SEP> COg <SEP> extrait <SEP> m3N/tf <SEP> 232
<tb> 8. <SEP> Gaz <SEP> décarbonaté <SEP> m3N/tf <SEP> 464
<tb> C <SEP> 25
<tb> % <SEP> CO <SEP> 66, <SEP> 69
<tb> % <SEP> CO2 <SEP> 4, <SEP> 52
<tb> % <SEP> H2 <SEP> 25, <SEP> 34
<tb> % <SEP> N22 <SEP> 3,45
<tb> 9.
<SEP> Gaz <SEP> de <SEP> four <SEP> à <SEP> coke <SEP> m3N/tf <SEP> 60
<tb> C <SEP> 25
<tb> % <SEP> CO <SEP> 5, <SEP> 00
<tb> % <SEP> CO, <SEP> 2, <SEP> 00
<tb> % <SEP> CH-4 <SEP> 23, <SEP> 00
<tb> % <SEP> C2H6 <SEP> 3,00
<tb> %H2 <SEP> 58,50
<tb> % <SEP> N. <SEP> 8,00
<tb> % <SEP> O-2 <SEP> 0, <SEP> 50
<tb> 10. <SEP> Gaz <SEP> combustible <SEP> m3N/tf <SEP> 145
<tb> C <SEP> 139
<tb> % <SEP> CO <SEP> 44, <SEP> 46
<tb> % <SEP> CO, <SEP> 36,35
<tb> % <SEP> H2 <SEP> 16,89
<tb> % <SEP> N22 <SEP> 2, <SEP> 30
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Le taux de décarbonatation dans le réacteur B est réglable, notamment en fonction de la teneur en CO2 du gaz de gueulard (5) et de la quantité d'hydrocarbure gazeux (9) disponible.
Dans le cas illustré où l'hydrocarbure gazeux est le méthane (CH4) fourni par du gaz de four à coke, la quantité d'hydrocarbure est fixée par le débit et la composition de ce dernier.
La mise au mille de coke (1) dépend des quantités injectées au niveau des tuyères principales et au niveau de la zone de réserve.
La quantité de gaz réducteur chaud injectée pourrait en principe être aussi élevée que possible, afin de remplacer idéalement la majeure partie du coke consommé au haut-fourneau. Elle dépend cependant entre autres de la quantité d'hydrocarbure gazeux (9) disponible.
Le procédé de l'invention permet d'adapter la conduite du haut-fourneau en faisant varier la quantité de gaz réducteur chaud injecté (4), c. à. d. en agissant sur le taux de décarbonatation en (B) et/ou sur le degré de reformage en (C).
L'invention n'est pas limitée à la mise en oeuvre qui vient d'être décrite et illustrée. En particulier, elle s'étend à l'emploi d'autres agents gazeux que le gaz de four à coke et à l'utilisation de tout combustible approprié pour le chauffage assurant le reformage de gaz réducteur.