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PROCEDE AMELIORE D'AGGLOMERATION DE
MINERAIS DE FER SUR GRILLE MOBILE Domaine de l'invention [0001] La présente invention est relative au domaine de la sidérurgie et concerne en particulier l'agglomération de minerais de fer sur grille mobile. Elle présente un nouveau procédé d'agglomération de minerais permettant de réduire drastiquement l'utilisation de combustibles solides et les émissions de gaz polluants tout en améliorant la qualité de l'aggloméré produit.
Introduction [0002] Il y a actuellement un large consensus sur l'effet néfaste de gaz tels que le SO2 et les NOx sur l'environnement et sur les besoins de réduire de façon générale les émissions de gaz anthropogènes. Ce consensus s'est concrétisé dans la Convention de Genève de 1979 qui a été ratifiée par 47 pays à l'origine et dont la dernière révision a eu lieu à Gôteborg en Suède en 1999. Ce protocole fixe des plafonds d'émission notamment pour des polluants tels que les NOx ou les composés volatiles organiques (VOC) et l'ammoniaque pour 2010. A cette échéance, les émissions de soufre devront être réduites au moins de 63%, celles de NOx au moins de 41%, celles des VOC au moins de 40% et celles d'ammoniaque au moins de 17% par rapport à 1990 en Europe.
[0003] Les usines sidérurgiques et en particulier les lignes d'agglomération de minerais de fer sont
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responsables de l'émission d'une proportion significative de S02 et de NOx, ce qui a pour conséquence qu'elles devront développer des procédés de fabrication d'aggloméré plus respectueux de l'environnement et en particulier moins émetteurs de S02 et de NOx, ceci entrera d'ailleurs dans une stratégie globale de maîtrise intégrée des polluants exigée par le législateur de la part des industriels.
[0004] Actuellement, l'agglomération de minerais de fer utilise comme source d'énergie principale du combustible solide carboné (poussier de coke et/ou anthracite) d'origine fossile et donc émetteur de CO2 à effet de serre.
[0005] Le protocole de Kyoto a traduit les préoccupations de réduction de consommation d'énergie d'origine fossile et concerne au tout premier plan les industries sidérurgiques, grandes consommatrices de ce type d'énergie.
[0006] Un autre aspect de la production d'agglomérats de minerais est la maîtrise des émissions de polluants organiques persistants (POP) et en particulier les émissions de PCDD (polychlorodibenzodioxines), PCDF (polychlorodibenzofurannes) et PCB (polychlorobiphényles).
L'agglomération des minerais de fer est en effet explicitement visée par la Convention de Stockholm sur les POP de mai 2001 qui a notamment été signée par la Communauté européenne.
[0007] Dans l'état actuel de la technique, il n'est pas possible de respecter dans le domaine de l'agglomération de minerais de fer des limites d'émission aussi strictes que celles imposées par exemple aux incinérateurs urbains (typiquement 0,1 ng TEQ/Nm3). En effet, on mesure aux cheminées des agglomérations de minerais de fer des concentrations souvent comprises entre 1 et 3 ng TEQ/Nm3, lesquelles peuvent être ramenées à 0.3-
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0.5 ng/Nm3 au prix de traitements end-of-pipe coûteux et souvent controversés (transfert de pollution vers un sous-produit mis en décharge).
[0008] La suppression du recyclage de coproduits sidérurgiques tels que poussières de gueulard (hautfourneau) ou d'aciérie, pailles de laminoir, etc. à l'agglomération des minerais de fer permet dans une certaine mesure de réduire les émissions de POP et aussi de VOC. Néanmoins, cette mesure n'est pas suffisante pour respecter une norme de 0. 1 ng TEQ/Nm3. Par ailleurs, elle n'est pas non plus souhaitable en particulier dans un contexte où la mise en décharge de ces coproduits, soit coûte de plus en plus cher, soit est tout simplement interdite.
Arrière-plan technologique [0009] Dans le cadre de l'agglomération conventionnelle de minerais, la sélection des matières premières et l'optimisation des conditions d'agglomération peut dans une certaine mesure réduire les émissions de polluants. Dans ce cadre, pour les émissions de SO2, le document de référence BAT daté de décembre 2001 (IPPC Best Available Techniques Reference Document on the Production of Iron and Steel, European Commission) concernant la production d'acier et de fer mentionne que des concentrations en dessous de 500 mg/Nm3 (Nm3=m3 d'air dans les conditions normales de température et de pression) peuvent être atteintes en minimisant l'ajout de soufre par l'intermédiaire de l'utilisation de coke à faible teneur en soufre et en minimisant sa consommation.
Ceci constitue cependant une contrainte sévère dans la mesure où la consommation de coke a déjà été fortement réduite durant les quinze dernières années. Le seul remède actuel pour une réduction significative des émissions de SOx est donc le lavage des
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fumées à la sortie des cheminées, ce qui coûte excessivement cher car il faut traiter un volume de gaz d'environ 1 million de Nm3/heure pour une installation de production d'agglomérats de 4 millions de tonnes/an.
[0010] Un autre problème soulevé lors de la production de minerais agglomérés est la qualité dudit minerai aggloméré en termes de régularité et d'homogénéité. La qualité de ces agglomérats est essentielle pour une marche performante et stable des haut-fourneaux, et ce d'autant plus que la tendance actuelle est d'injecter toujours plus de charbon pulvérisé aux tuyères pour réduire la consommation de coke chargé au gueulard, ce qui induit une plus grande proportion d'aggloméré dans la charge solide enfournée, et donc aussi une plus grande sensibilité de la marche du haut-fourneau à toute variation des propriétés physico-chimiques de l'aggloméré.
[0011] Par ailleurs, on utilise de plus en plus de minerais riches en fer en vue d'une maximisation des performances de l'agglomération et du haut-fourneau en termes de productivité et de consommation de combustible.
[0012] Malheureusement, ce faisant, on finit par nuire à la qualité de l'aggloméré car l'augmentation de la teneur en fer des agglomérés correspond à une diminution des quantités de phases liantes (ferrites de chaux, silicates, ...) pour lesquelles on ne peut pas descendre en dessous du seuil critique. Plus les minerais sont riches, plus la cuisson est hétérogène sur la hauteur de couche et entraîne une cuisson trop faible dans le dessus de la couche et une sur-cuisson dans le bas de la couche, ce qui induit à la fois un manque d'homogénéité de la qualité de l'aggloméré et se traduit par une distribution granulométrique plus étalée, et une valeur moyenne plus faible de la plupart des indices de qualité.
Il s'agit en particulier d'une réductibilité et d'une résistance à chaud
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médiocres suite à une sur-cuisson dans le bas, induisant la formation de phases néfastes comme les silicates et les hématites secondaires.
[0013] Une façon connue d'obtenir une cuisson approximativement uniforme sur la hauteur de couche, et donc une qualité homogène, consiste à jouer sur la ségrégation granulométrique au chargement. En effet, le combustible solide étant en moyenne plus petit que le minerai de fer, les grains de combustible solide se retrouvent après granulation à l'eau essentiellement dans la couche extérieure des granules. Dès lors, si au chargement les granules les plus gros se retrouvent en dessous et les plus petits au-dessus, la concentration en combustible solide s'avère être plus élevée dans la partie supérieure de la couche. Ce phénomène est observé dans un chargement normal, mais n'est pas très marqué.
On peut néanmoins accentuer ce phénomène et il en résultera un certain équilibrage entre les apports et les besoins thermiques locaux sur toute la hauteur de couche.
L'inconvénient de ce système est néanmoins le fait que le combustible solide n'est pas le seul à subir une ségrégation verticale, les autres additifs tels que les fondants ont également une granulométrie plus fine et provoquent ainsi une hétérogénéité physico-chimique de l'aggloméré produit. Les systèmes basés sur la granulométrie modifient à la fois au moins deux paramètres essentiels que sont la répartition du coke et la perméabilité du lit, mais pas forcément de façon optimale pour les deux. Un tel procédé est décrit dans Tadahiro Inazumi et al., Basic analysis of the influence of material grain size segegation on sintering , Proceedings of the 6th International Iron & Steel Congress, 1990, Nagoya, pp. 110-117.
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[0014] Une autre façon mieux contrôlée d'obtenir une cuisson approximativement uniforme sur la hauteur de couche consiste à charger au moins deux couches superposées de teneurs en combustible solide différentes. Ce principe a été testé industriellement au Japon (Wakamatsu sinter plant of Yawata works, Nippon Steel). Ce procédé en double couche conduit en principe à une consommation énergétique moyenne plus faible pour une qualité au moins égale d'aggloméré par rapport à une cuisson en simple couche. Ce procédé est décrit dans Toda H. et al., Relationships between Heat Pattern in Sintering Bed and Sinter Properties , Transactions ISIJ, Vol. 24,1984, pp. 187-196.
[0015] En ce qui concerne le recyclage des fumées, celui-ci permet de rééquilibrer quelque peu les besoins et apports thermiques locaux, et donc d'économiser du combustible solide. Il existe maintenant en Europe deux systèmes opérationnels au niveau industriel que sont les procédés LEEP de HKM ( Hüttenweke Krupp Mannesmann ) et EOS de Lurgi.
[0016] Dans le cas du procédé LEEP (Low émission and energy optimised sintering process), il s'agit du recyclage sélectif des fumées de fin de cuisson en début de cuisson, un des buts principaux étant dans ce cas de détruire ou de capter des polluants présents en grande proportion dans les fumées recyclées lors de leur passage à travers le gâteau d'agglomération. Dans ce type de procédé, les dioxines sont détruites dans le front de flamme et les poussières ultrafines sont filtrées ; c'est aussi a priori la meilleure technique pour récupérer un maximum de chaleur en réinjectant des. calories là où il existe un déficit thermique en début de cuisson, juste après l'allumage.
[0017] Le procédé EOS de Lurgi consiste en un recyclage non sélectif d'une partie ( 50%) de l'ensemble des fumées, le but étant dans ce cas plutôt de réduire le
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plus possible le volume de gaz résiduel en vue d'une diminution du coût de son traitement end-of-pipe, bien qu'il résulte intrinsèquement en une certaine réduction de la plupart des émissions polluantes.
[0018] L'utilisation de gaz chauds en remplacement d'une partie du combustible solide a été pratiquée à l'échelle industrielle dans des hottes dites de traitement thermique post-allumage alimentées en gaz ou en fuel. Il s'est avéré qu'il est effectivement possible d'obtenir une économie nette d'énergie grâce à une émission moindre de CO et un rendement de cuisson plus uniforme sur la hauteur de couche. Cependant, pour un taux de couverture élevé de la chaîne (>1/3), une température élevée des fumées, et une faible teneur en oxygène et/ou une forte teneur en vapeur d'eau des fumées, on a observé des chutes significatives de productivité.
But de l'invention [0019] L'invention vise à proposer un nouveau procédé d'agglomération permettant une diminution drastique des émissions de SOx, NOx, POP, VOC, CO, CO2 et des poussières sans devoir recourir ni à un traitement endof-pipe coûteux des effluents gazeux, ni à la suppression du recyclage de coproduits sidérurgiques dans le mélange d'agglomération.
[0020] Elle vise en outre à proposer un procédé permettant d'obtenir une cuisson idéale et homogène de l'aggloméré sur toute la hauteur de couche.
[0021] La présente invention a par ailleurs pour objectif de présenter un procédé d'agglomération dans lequel la consommation de combustible solide est au moins diminuée de 50%.
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Brève description des figures [0022] Les figures la et lb représentent une comparaison des profils thermiques des méthodes d'agglomération classiques (Fig. la) par rapport au procédé selon l'invention (Fig. lb) à l'intérieur du lit d'agglomération. L'ordonnée représente la température des matières en cours d'agglomération, l'abscisse le pourcentage du temps total d'agglomération. La ligne (X) représente le dessus du lit, la ligne (Y) le milieu du lit, la ligne (Z) le fond du lit.
[0023] Les figures 2a et 2b représentent un profil des répartitions de concentration des différents gaz émis le long d'une chaîne d'agglomération classique.
[0024] La figure 3a représente une vue schématique de la chaîne d'agglomération selon l'invention avec le profil correspondant des répartitions de concentration des différents gaz émis représentés sur les figures 3b et 3c.
[0025] La figure 4 représente un mode d'exécution de l'invention avec un module distinct de la hotte d'allumage et de début d'agglomération pour la génération de gaz chauds et l'incinération de fumées recyclées, avec un profil de température décroissant dans la hotte d'allumage et de début d'agglomération.
[0026] La- figure 5 représente la variante 1 du procédé selon l'invention.
[0027] La figure 6 représente les variantes 2,3 et 4 du procédé selon l'invention.
La figure 7 représente un mode d'exécution de l'invention avec une hotte distincte pour l'allumage et au moins une autre hotte recevant les fumées recyclées à incinérer.
Eléments caractéristiques de l'invention [0028] La présente invention divulgue un procédé d'agglomération sur grille mobile d'un lit de minerais de
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fer à utilisation réduite en combustibles solides et à faible émission de gaz polluants, comprenant essentiellement une première étape d'allumage et/ou de propagation du front de combustion dans une zone Zl, une seconde étape de propagation du front de combustion dans une zone Z2 et une troisième étape de refroidissement dans une zone Z3 caractérisé en ce que des fumées générées lors de l'étape de propagation tant dans la zone Zl que Z2 sont aspirées en dessous de la grille mobile et réintroduites, éventuellement après enrichissement en oxygène, dans la zone Zl et/ou dans la zone Z2 pour y être incinérés par des brûleurs, préférentiellement à gaz ou au fuel,
dans au moins une hotte dans la zone Zl, et/ou par le front de combustion dans la zone Z2 et en ce que l'utilisation des gaz chauds issus de cette incinération permet de réduire la consommation de combustibles solides au sein du mélange d'agglomération d'au moins 50 % par rapport à une opération d'agglomération classique.
[0029] Dans une variante du procédé d'agglomération selon la présente invention, il existe dans la zone Zl en outre une autre hotte appelée hotte d'allumage servant à initier l'allumage du gâteau sur la grille d'agglomération, ladite hotte étant pourvue de brûleurs servant à produire des fumées chaudes.
[0030] Selon la présente invention, l'incinération des fumées émises sur ladite grille mobile peut se faire dans au moins une unité d'incinération séparée et distincte de la ou des hotte(s) couvrant totalement ou partiellement la zone Zl.
[0031] Toujours selon la présente invention, l'incinération des fumées émises sur ladite grille mobile comprend l'incinération de composés organiques volatiles, de polluants organiques persistants et de monoxyde de carbone.
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[0032] De préférence, l'incinération des fumées émises sur ladite grille mobile qui se fait dans au moins une unité d'incinération séparée de la hotte d'allumage permet l'utilisation des gaz chauds issus de cette incinération pbur générer un profil de température décroissant dans la zone Zl tel que T2 est supérieur ou égal à 500 C.
[0033] Avantageusement, la zone Zl ne couvre pas plus de 50% de la longueur totale de la grille d'agglomération.
[0034] Dans le procédé d'agglomération selon l'invention, la température générée au sein du lit d'agglomération est essentiellement homogène et ne dépasse pas 1 300 C.
[0035] Dans un mode d'exécution particulier, le lit de minerai de fer est chargé en au moins deux couches sur la grille mobile avec une couche supérieure et une couche inférieure et en ce que ladite couche supérieure comprend une concentration réduite en combustible d'au moins 30 % par rapport à la couche inférieure.
[0036] De préférence, le combustible contenu dans ladite couche inférieure est partiellement ou entièrement remplacé par des combustibles de substitution tels que le charbon maigre ou gras, le charbon de bois, les déchets de plastiques, la biomasse et autres déchets combustibles.
[0037] Avantageusement, le chargement du minerai de fer en deux couches permet la réduction de l'épaisseur totale du lit d'agglomération d'environ 20% pour la même capacité de production et une qualité d'aggloméré au moins égale.
[0038] Selon l'invention, l'émission des gaz SO2 issus dudit procédé est réduite d'au moins 50% par rapport à un procédé d'agglomération classique.
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[0039] Par ailleurs, l'émission des gaz NOx issus dudit procédé est réduite d'au moins 50% par rapport à un procédé d'agglomération classique.
[0040] De plus, l'émission des gaz CO issus dudit procédé est réduite d'au moins 80% par rapport à un procédé d'agglomération classique.
[0041] La présente invention divulgue en outre un procédé d'agglomération dans lequel l'émission des polluants organiques persistants issus dudit procédé est réduite d'au moins 80% par rapport à un procédé d'agglomération classique.
[0042] De manière avantageuse, l'émission des composés organiques volatils issues dudit procédé est réduite d'au moins 80% par rapport à un procédé d'agglomération classique.
[0043] De manière particulièrement avantageuse, l'apport énergétique nécessaire dans l'opération d'incinération dans la zone Zl est issu totalement ou en partie de gaz naturel, de gaz de haut-fourneau enrichi, de gaz de cokerie, de torche plasma, de biomasse ou de déchets plastiques.
[0044] De préférence, l'apport énergétique nécessaire dans l'opération d'incinération dans la zone Z1 est issu totalement ou en partie de l'utilisation des gaz de haut fourneau en combinaison avec des déchets plastiques à forte capacité calorifique.
[0045] Dans une autre forme d'exécution, le lit de minerai de fer comprend une seule couche et en ce que la moitié supérieure de ladite couche comprend au maximum 40% du total du combustible présent dans la couche.
[0046] Enfin, selon le procédé d'agglomération de la présente invention, le lit de minerai de fer comprend une seule couche avec une quantité réduite de combustible concentrée dans le dessous de ladite couche et au moins une
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partie dudit combustible est du combustible de substitution.
[0047] De préférence, ledit combustible de substitution est concentré dans la moitié inférieure de ladite couche.
[0048] Dans une forme d'exécution supplémentaire, on réalise une charge déposée sur la grille d'agglomération, mono ou multicouches, en favorisant la concentration des matières à l'origine des polluants organiques, telles que pailles huileuses, poussières d'électrofiltres ou autres, poussières de haut-fourneau, dans la moitié inférieure de ladite charge.
Description de l'invention [0049] L'idée de base de l'invention repose sur le fait que la chaleur nécessaire au processus d'agglomération peut en grande partie être fournie par une source d'énergie extérieure comme par exemple des gaz chauds aspirés à travers le lit d'agglomération en remplacement d'une partie significative du combustible solide normalement présent dans celui-ci. Pour ce faire, (cf. figure 3a) une hotte 1 amenant des gaz chauds générés à partir d'un combustible 5, d'air 7 et de gaz recyclés 6, est placée au-dessus du lit d'agglomération 4 sur une zone Zl, mais pas sur toute la surface, car cela nuirait fortement à la productivité. La surface couverte doit être au maximum de 50%.
[0050] La cuisson est initiée dans la partie Z1 dans le dessus de la couche grâce à l'oxygène contenu dans les gaz aspirés qui permet l'allumage de la quantité de combustible solide réduite contenue dans la couche, portant ainsi la température du lit à la température d'agglomération. Il s'ensuit une propagation d'un front de
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combustion 12 vers le bas. Ceci est schématiquement représenté dans.la figure 3a.
[0051] A la sortie de la zone Zl couverte par la hotte amenant des gaz chauds, dans une zone Z2 couverte par une hotte 2, du gaz beaucoup plus froid (constitué essentiellement d'air 9 et de gaz recyclé 8) est aspiré dans la couche, ce qui refroidit le dessus de la couche tout en préchauffant en partie le gaz entrant (par échange convectif).
[0052] Pour pouvoir maintenir le même niveau thermique dans le front de combustion, il est nécessaire d'avoir un peu plus de combustible solide dans la partie de la couche qui voit du gaz entrant plus froid, c'est à dire la couche inférieure. C'est pourquoi, dans un premier mode d'exécution préféré de l'invention, le chargement des matières se fait en deux couches superposées 3 et 4, permettant de régler indépendamment et au mieux les apports en combustible solide dans chacune des deux couches.
[0053] Pour réduire au maximum les émissions polluantes et récupérer de la chaleur in situ, les fumées 10 sortant vers la fin du processus d'agglomération (plus chaudes et plus polluées que la moyenne) émises principalement dans la zone 2 sont recyclées dans une unité 1 de production de gaz chauds destinés à la première zone d'agglomération Zl. La chaleur sensible et latente des fumées recyclées 6 est ainsi récupérée, et les polluants organiques sont incinérés. Le reste des fumées à recycler 8 est envoyé vers le dessus de la seconde zone Z2 pour y subir une dilution dans de l'air 9 et une aspiration à travers le lit d'agglomération.
[0054] Une dernière zone Z3, relativement courte, est aménagée en fin de chaîne, pour permettre un début de refroidissement de l'aggloméré sur chaîne, de manière à :
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- décharger un aggloméré d'une température suffisamment faible pour pouvoir lui faire subir les mêmes traitements qu'en cuisson conventionnelle c'est à dire un bris du gâteau suivi d'un transport vers le refroidisseur; - disposer d'air chaud 14 en sortie du lit 4 , destiné à être mélangé avec les fumées 13 sortant essentiellement de la première zone Zl et à porter le tout à une température suffisante pour satisfaire aux conditions de rejet en cheminée 11 (cf. point de rosée acide, tirage, etc....).
[0055] Les coproduits (plus particulièrement susceptibles de générer des émissions de VOC et de POP) seront préférentiellement placés dans la couche du bas 4, de telle sorte que les émissions qui en découlent soient en grande partie reprises dans les fumées recyclées. Il en résulte que ces émissions n'aboutiront pas à la cheminée 11, mais seront incinérées une première fois dans l'unité de production de fumées chaudes 1 et une seconde fois au passage de ces fumées chaudes dans le front de combustion dans le lit d'agglomération 12.
[0056] Le profil de concentration des différents gaz émis sur une ligne d'agglomération classique est représenté dans les figures 2a et 2b. Comparativement, le profil de concentration des différents gaz émis sur une ligne d'agglomération selon l'invention est représenté dans les figures 3b et 3c qui correspondent respectivement aux figures 2a et 2b citées précédemment.
[0057] Dans un second mode d'exécution de l'invention, on utilise dans la couche du bas un combustible de substitution meilleur marché (tel que charbon autre qu'anthracite) ou un combustible de substitution auquel des crédits CO2 sont éventuellement attribués (tel que déchets de plastiques, charbon de bois, etc.). En effet, les
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combustibles solides contenant trop de matières volatiles (typiquement plus de 8-10%) sont quasiment proscrits en agglomération classique en raison d'une mauvaise valorisation thermique des matières volatiles qui se dégagent du lit d'agglomération avant l'arrivée du front de combustion ; outre la forte pollution atmosphérique qui en découle, cela induit un risque important de feu voire d'explosion dans les électro-filtres de dépoussiérage des fumées.
L'évolution du profil de concentration des VOC en agglomération classique est montrée dans les figures 2a et 2b.
[0058] Ces inconvénients sont gommés dans le cadre de l'invention. Les matières volatiles émanant de la couche du bas 4 étant recyclées et incinérées, elles n'occasionneront pas de problème dans les électro-filtres 15 et n'aboutiront pas comme polluant dans l'atmosphère. La valorisation thermique des matières volatilisées et recyclées se fera par ailleurs avec un rendement maximal dans l'unité de production de gaz chauds 1.
[0059] Les avantages du procédé en terme de qualité de l'agglomérat et en terme de réduction de combustible solide, par rapport à une cuisson classique sont les suivants : - Le remplacement d'une proportion importante de combustible solide dans le mélange d'agglomération par des combustibles de substitution (agglomération avec fumées chaudes) donne une meilleure qualité d'agglomération grâce à l'absence au sein du lit d'agglomération de températures localement beaucoup plus élevées que le point de fusion du laitier primaire, en général de l'ordre de 1 200 C. Ceci est visible sur les courbes de température montrées dans les figures la et
1b.
Dans l'agglomération classique (Fig. la), la température est nettement supérieure à 1 200 C, par
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contre sur la figure lb, agglomération suivant le procédé de l'invention, le maximum reste de l'ordre de 1 200 C.
Un agglomérat de très bonne qualité a d'ailleurs été produit par l'inventeur sans aucun combustible solide (malgré un temps de séjour au-dessus de 1100 C inférieur à 3 minutes) .
- Dans l'agglomération classique, il faut principalement trouver un compromis entre une agglomération insuffisante dans la partie supérieure du lit et de la chaleur en excès dans le bas du lit (trop de fusion). Ceci est très accentué quand on utilise une grande proportion de minerais à teneur élevée en fer (> 64%), ce qui est actuellement une pratique courante surtout en Europe.
L'utilisation de deux couches superposées avec des concentrations en combustible solide différentes permet d'ajuster l'apport de chaleur aux nécessités locales de manière contrôlée et de réduire la consommation de combustible. Elle permet en outre - d'améliorer la qualité de l'aggloméré (valeur moyenne élevée et qualité homogène).
- de réaliser une économie d'énergie d'au moins 10%, grâce au recyclage des gaz (récupération de chaleur) et à une combustion plus complète (moins d'émission de CO) ; - de réaliser une économie de combustible solide jusqu'à 70%.
Elle permet enfin de réduire la sollicitation thermique de la grille mobile.
[0060] Les avantages du procédé en terme de productivité, par rapport à une cuisson classique sont les suivants :
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- Productivité maintenue au même niveau (pour la même aspiration et une hauteur de lit moindre, typiquement
350mm à la place de 450mm). En effet, l'utilisation de fumées chaudes augmente la perte de pression sur la couche supérieure chaude, mais ceci est compensé par un rendement d'agglomération plus élevé, qui se traduit par une moindre quantité de fines de retour et par les effets positifs sur la perméabilité du lit, énumérés ci-après.
- Les résultats de l'alimentation en double couche entraîne un lit moins compact grâce aux hauteurs de chute moindres des deux demi-mélanges .
- La suppression d'une proportion importante de combustible solide entraîne une meilleure aptitude du mélange de matières premières à se granuler lors de l'opération de bouletage.
- Aucune apparition de chaleur excessive dans la couche inférieure ce qui empêche une fusion trop importante et améliore donc la porosité du lit pendant l'agglomération.
La chaux vive peut être mise préférentiellement dans la couche inférieure ainsi que les minerais de fer qui donnent après bouletage des pseudo-particules plus grosses que celles de la couche supérieure et/ou plus résistantes à la condensation de vapeur d'eau dans la zone humide en dessous du front de flamme. On peut aussi optimiser séparément l'humidité de chaque couche.
[0061] Les avantages du procédé en terme de réduction de rejets de gaz, par rapport à une cuisson classique sont les suivants : - Moins d'émissions carbonées (CO+CO2) grâce à l'économie d'énergie et au remplacement d'une partie du combustible solide par des sources d'énergie pauvres en C (dans le cas de fumées chaudes produites à partir de gaz naturel:
26 % en moins d'émission de CO+C02).
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- Crédits de C02 si recours à des sources d'énergie renouvelable (charbon de bois, biomasse, ...) pour la production de gaz chauds.
- Emissions de SOx réduites d'environ 60 % grâce à un apport calorifique pauvre en S (moins de combustible solide) et une meilleure rétention de S dans le produit aggloméré (grâce à une température maximale moindre et à un temps de résidence limité aux hautes températures).
- NOx réduit d'environ 60 % grâce à l'apport réduit en N organique (moins de combustible solide) et aux températures maximales réduites dans le lit.
- CO réduit d'environ 90% grâce à moins de combustible solide, aux températures maximales inférieures dans le lit d'agglomération et à la post-combustion du CO contenu dans les fumées recyclées.
- Émission de poussières fines grandement réduite grâce au recyclage sélectif des fumées d'agglomération contenant la plus grande concentration de poussière très fine (à la fin du processus d'agglomération); le lit d'agglomération sert de filtre pour ces poussière fines recyclées.
- La majorité des POP (en particulier PCDD/F et PCB) sont émises à la fin du processus d'agglomération (même en agglomération classique à couche unique); elles sont donc recyclées et incinérées ; ne peuvent se reformer pendant le refroidissement grâce à la trempe radicale subie par les fumées recyclées dans la zone humide du lit d'agglomération.
- Puisque les matières émettrices de VOC sont mises dans la couche inférieure du lit d'agglomération, ces émissions sont recyclées et incinérées.
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Description de modes d'exécution préférés de l'invention I) Unité de production de gaz chauds pour première zone d'agglomération Zl (cf. figure 4) [0062] Cette unité de production de gaz chauds 1 est conçue : - soit comme une simple hotte d'allumage classique tout simplement plus longue, où gaz comburants et combustibles sont distribués vers des rangées de brûleurs (en voûte et/ou en paroi), les fumées de combustion (sortie brûleurs) étant directement aspirées à travers la couche à agglomérer ;
- soit dans une enceinte séparée 16 (chambre de combustion/incinération permettant en particulier de générer des fumées chaudes à partir de combustibles de substitution, tels que déchets de plastique, charbon de bois,...), les fumées chaudes étant ensuite transportées jusqu'à un ou plusieurs points d'entrée dans la voûte et/ou les parois latérales de la hotte zone 1.
[0063] Le¯procédé peut être optimisé du point de vue de l'adéquation entre apports et besoins thermiques locaux, en réalisant dans la hotte au-dessus de la zone 1 de la chaîne un profil thermique progressivement décroissant. De ce point de vue-là, une chambre séparée de combustion est plus flexible, car elle permet à la fois d'assurer une incinération complète des polluants qui y sont recyclés (grâce à une température suffisante, par ex. Tl > 1000 C), et de produire dans la hotte sur chaîne un profil thermique décroissant dans le sens d'avancement de la chaîne de Tl jusqu'à une température nettement inférieure T2 (par
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dilution croissante avec de l'air). Ce mode d'exécution est représenté dans la figure 4.
[0064] Notons que T2 devra toujours être supérieure ou égale à 500 C, pour éviter toute reconstitution de dioxines.
[0065] Les sources d'énergie pour la génération de gaz chauds peuvent être très variées : gaz naturel, gaz de haut-fourneau enrichi, gaz de cokerie, torche plasma, charbon maigre ou gras, charbon de bois, déchets de plastiques, biomasse, autres déchets combustibles, ou n'importe quelle combinaison de ces sources d'énergie.
[0066] Mais dans tous les cas, il conviendra de respecter les règles suivantes : - les gaz chauds générés doivent contenir au moins assez d'oxygène pour permettre une combustion complète du combustible solide contenu dans la couche supérieure de matière à agglomérer ; - la température des gaz chauds aspirés à travers la couche doit préférentiellement rester inférieure ou égale à la température de début de fusion de la couche (soit typiquement 1100-1200 C, fonction de la composition de la couche et de la teneur en oxygène du gaz), et ne peut en aucun cas dépasser la température de fusion quasi- complète de la couche qui induirait son effondrement (soit typiquement 1300-1400 C) ;
- les fumées chaudes seront produites dans des conditions telles qu'elles généreront le moins possible de NOx, et en tout cas nettement moins que la quantité produite en agglomération classique, soit préférentiellement moins de
200 mg/Nm3 voire moins de 100 mg/Nm3 ; pour y parvenir, il faudra en particulier limiter la température des fumées chaudes, et si besoin, utiliser des brûleurs low-
NOx. Notons que l'utilisation d'une grande proportion de
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fumées recyclées comme gaz comburant pour générer les gaz chauds va dans le bon sens (abaissement de la teneur en oxygène et en azote par rapport à l'air, présence de vapeur d'eau) ..
- Une destruction complète des dioxines présentes dans les fumées recyclées suppose un traitement thermique dans des conditions adéquates de TTT (temps, température, turbulence). Il convient en particulier d'incinérer à au moins 950 C voire 1000 C.
[0067] Une combinaison particulièrement intéressante de combustibles pour la génération de gaz chauds dans un mode d'exécution de l'invention, consiste à utiliser du gaz de haut-fourneau et des déchets plastiques. En effet, le gaz de haut-fourneau est un gaz "fatal" que l'on a du mal à valoriser correctement vu son PCI faible ( 3 MJ/Nm3). Il serait par ailleurs intéressant pour les sidérurgistes de le valoriser un peu plus en interne (bien souvent, il existe un excédent revendu à l'extérieur, mais il n'est pas toujours possible de trouver acquéreur, et qui plus est à un prix intéressant).
[0068] Dans le cadre du concept envisagé ici, brûlé seul en présence d'air et de fumées recyclées, le gaz de haut-fourneau ne permettrait pas d'obtenir des gaz chauds suffisamment riches en oxygène et/ou il ne permettrait pas de recycler beaucoup de fumées. La combinaison avec un combustible plus riche s'impose donc. Les déchets plastiques sont tout indiqués, car ils ont un PCI élevé, ils génèrent relativement peu de gaz à effet de serre (par MJ produit), les sidérurgistes peuvent en disposer à un prix très bas, voire négatif, et des crédits CO2 pourraient même y être associés.
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Ibis) Autre mode préférentiel relatif à Zl Dans la zone Zl, il existe au moins une autre hotte appelée hotte d'allumage 18 , ladite hotte servant à initier l'allumage du gâteau déposé sur la grille d'agglomération, elle est éventuellement pourvue d'au moins un brûleur servant à produire des fumées chaudes, alors qu'une au moins des autres hottes présentes dans la zone Zl est elle aussi apte à produire des fumées chaudes et/ou à recevoir des fumées chaudes issues d'une unité de production extérieure.
II) Autres modes d'exécution de l'invention Variante 1 (cf. figure 5) : [0069] De manière à limiter l'investissement, on ne charge qu'une seule couche 4 de matière au lieu de deux (on a donc une seule étape de préparation des matières, incluant mélangeage, granulation, transport et chargement sur chaîne). Le gain dans ce mode d'exécution, consiste dans ce cas surtout dans le remplacement d'une part de combustible solide par des gaz chauds, mais de manière moins optimale en termes d'adéquation entre apports et besoins thermiques locaux, et d'incinération. Le schéma de ce mode d'exécution est représenté dans la figure 5.
Variante 2 (cf. figure 6): [0070] Idem 1 avec un supplément de combustible solide introduit directement dans le bas du talus 17 de chargement => meilleure adéquation des apports et besoins thermiques locaux. Notons que le combustible additionnel peut contenir plus de matières volatiles que celui présent dans le mélange granulé, grâce à l'incinération lors du recyclage des fumées concernées.
Variante 3 (cf. figure 6): [0071] Idem 1 avec chargement de tout ou une partie des matières de recyclage posant problème au niveau des
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émissions d'organiques volatiles et/ou POPs directement dans le bas du talus 17 de chargement => meilleur rendement d'incinération des polluants concernés par rapport à variante 1.
Variante 4 (cf. figure 6): celle-ci consiste en une combinaison des variantes 2 et 3 et est représentée dans la Fig. 6.
Légende 1 hotte amenant des gaz chauds 2 hotte amenant des fumées à recycler sans incinération préalable 3 lit d'agglomération supérieur 4 lit d'agglomération inférieur 5 combustible 6 gaz/fumées recyclés destinés à Zl 7 air destiné à Z1 8 gaz/fumées recyclés destinés à Z2 9 air destiné à Z2 10 fumées sortant à la fin du processus d'agglomération 11 rejets de cheminée 12 front de combustion 13 fumées sortant essentiellement de la zone Zl 14 air chaud à la sortie du lit d'agglomération 15 électro-filtres 16 chambre de combustion/incinération 17 bas du talus de chargement 18 hotte d'allumage