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L'invention est relative à un procédé perfec- tionné pour la réduction d'un oxyde de"fer, par exemple un minerai de fer, en fer métallique fondu.
Conformément à l'invention, un oxyde de fer ré- ductible, par exemple un minerai de fer, en morceaux est mis en contact avec un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène à une température suffisante pour produire la réduction de l'oxyde de fer en métal et la fusion du fer métallique qui en résulte. La réduction de l'oxyde de fer solide en métal fondu a lieu dans un four réduc- teur dans lequel est maintenu ln lit mobile d'oxyde des- cendant. L'oxyde est versé sur la partie supérieure du lit et le fer métallique fondu s'écoule depuis la partie inférieure de celui-ci. Un gaz réducteur est introduit à proximité de la partie inférieure du lit et monte en contre-courant par rapport à l'écoulement de l'oxyde de fer.
Le gaz réducteur est produit à partir d'un combusti-' ble approprié que l'on fait réagir avec de l'oxygène, plus particulièrement des schistes huileux, du coke ou une quelconque des divers genres de houilles, y compris le lignite, l'anthracite et le charbon bitumineux.
L'invention convient plus particulièrement pour la production de fonte brute à partir de minerai de fer.
Pour la production de fonte brute dans un haut fourneau ordinaire, du coke et des fondants, généralement de la chaux, sont introduits dans le four en même temps que le minerai. De l'air est admis dans la base du haut four- neau pour faire brûler le coke et pour produire du mono- xyde de carbone qui, à son tour, réduit le minerai. Le procédé, faisant l'objet de l'invention, diffère des opé-
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rations qui ont lieu dans un haut fourneau ordinaire en ce sens qu'au moins une partie du gaz réducteur, nécessai' re dans le four, est produit dans un générateur à gaz séparé. Dans de nombreux cas il est avantageux de former la totalité des gaz réducteurs dans le générateur à gaz.
Pour le procédé selon l'invention, une partie ou la totalité du coke, nécessaire pour les opérations dans un haut fourneau usuel, peut être supprimée. Ceci constitue un avantage pratique énorme en ce sens que plu- sieurs sources de minerai de fer de qualité élevée se trouvent à une grande distance d'une source de charbon à coke. La production de fonte brute peut maintenant être rendue indépendante des charbons cokéfiés.
On connaît plusieurs procédés pour la produc- tion de monoxyde de carbone et d'hydrogène à partir de divers combustibles. Pour le procédé faisant l'objet de l'invention, le monoxyde de carbone et l'hydrogène sont obtenus par la combustion partielle d'un combustible car- bonacé solide avec un gaz contenant de l'oxygène. Alors que l'air peut être utilisé comme gaz contenant de l'oxy- gène, on préfère se servir d'oxygène relativement pur.
On utilise, de préférence, de la vapeur d'eau en combi- naison avec de l'oxygène pour tous les combustibles ex- ceptés des hydrocarbures gazeux. Le générateur à gaz ré- ducteur fonctionne à une température comprise entre envi- ron 1100 et 1650 , de préférence à une température supé- rieure à environ 1200 , suffisante pour que l'on soit certain que le métal et le laitier soient à l'état fondu.
Pour la production de fonte brute, une température du gaz réducteur d'environ 1320 est à peu près la température minimum nécessaire quand tout le gaz réducteur est formé à l'extérieur du four servant à la réduction du minerai.
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Un générateur à gaz, du genre à écoulement libre, est utilisé de préférence pour la production du gaz réducteur dont on se sert pour le procédé faisant l'objet de l'invention. Le générateur à écoulement libre est caractérisé par la réaction du combustible avec un gaz, contenant de l'oxygène, dans un réacteur non garni.
Quand on utilise un combustible solide, les particules de combustible sont en suspension dans les réactifs gazeux et la réaction de gazéification a lieu avec les particu- les solides en suspension dans les réactifs et les pro- duits de réaction gazeux. Pour que le fonctionnement d'un générateur de ce genre fonctionne avec le plus de succès pour la production de monoxyde de carbone et d'hydrogène, la température, régnant dans tout le générateur doit être maintenue à une valeur supérieure à environ 1100 . La température peut atteindre 1650 mais, en général, il est indésirable de maintenir la'température à cette valeur car la plupart des matériaux de revêtement réfractaires sont détériorés rapidement à des températures de 1650 et plus.
Des considérations pratiques, plus particulièrement des limitations en ce qui concerne les appareils, limitent généralement la température du fonctionnement entre 1430 et 1540 .
Pour la mise en oeuvre de l'invention selon un mode de réalisation spécifique, de l'oxyde de fer est ré- duit en fer métallique dans un four cylindrique analogue à un haut fourneau ordinaire. Du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, formés dans un générateur à gaz réducteur séparé par combustion partielle de combustible avec de l'oxygène, sont introduits dans la partie inférieure dudit four à une température supérieure à environ 1320 . Ces gaz montent en cntrecourant par rapport au lit descendant
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d'oxyde de fer en réduisant celui-ci en fer métallique fondu.
A moins que l'on utilise de l'oxyde de fer pur, il est généralement avantageux d'ajouter un fondant mélan- gé à l'oxyde de fer pour former un laitier fluide à la base; du four. Un fondant est utile pour réduire la température de fusion du laitier et pour le rendre plus fluide. Des fondants convenables sont connus dans le domaine s'occu- pant des hauts fourneaux. De la chaux convient générale- ment comme fondant pour les minerais de fer mais il peut être avantageux, dans certains cas, d'ajouter du spath fluor, de la silice, de l'alumine ou de la magnésie pour augmenter la quantité et la fluidité du laitier. Le genre et la quantité de fondant nécessaires peuvent être déter- minés en se basant sur la composition du minerai de fer comme bien connu pour les hauts fourneaux.
En général, la fusion la plus satisfaisante est obtenue quand le poids total de chaux et de magnésie contenu dans les matières admises dans le four est approximativement égal au poids total de l'alumine et de la silice. 'La chaux ou la-magné- sie peut être ajoutée sous la forme de carbonates mais doit être convertie en quantités équivalentes de l'oxyde pour déterminer la quantité du flux nécessaire.
Quand un combustible solide est utilisé dans le générateur à gaz, un fondant peut être ajouté au'contenu de ce générateur pour abaisser la température de fusion et pour assurer l'obtention de cendres fondues fluides. Les conditions à remplir pour un fondant satisfaisant peuvent être déterminées par la composition des cendres en suivent la règle susdite pour la fusion du minerai. Pour la plu- part des;charbons, la chaux constitue un fondant satis- faisant..En général, il est désirable d'écarter le lai- tier fourni par le générateur mais. si on le désire on peut
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décharger directement les cendres fondues fluides, prove- nant du générateur, dans le four servant à la réduction du minerai en même temps que les gaz chauds.
Le four réducteur peut fonctionner à la pression atmosphérique ou à une pression élevée. Une pression éle- vée est avantageuse en ce sens qu'elle permet d'augmenter la capacité de l'appareil en accélérant les réactions in- tervenant pour la réduction de l'oxyde métallique. Le générateur à gaz fonctionnant de préférence à une pression'.' . élevée supérieure à environ 7 kg/cm2 en surpression et, de préférence à une pression d'au moins 7 kg/cm2 plus élevée que celle régnant dans le four réducteur.
La réduction de l'oxyde métallique peut se faire, avec du monoxyde de carbone ou de l'hydrogène ou avec des mélanges de monoxyde dé carbone et d'hydrogène générale- ment en toute proportion désirée.
On a dit plus haut que, lorsque l'oxyde métalli- que est un oxyde ou minerai de fer, il est préférable de faire fonctionner le four à une température de l'ordre de 13800 ou plus, afin que le fer ainsi que le laitier puis- sent être prélevés à l'état fondu comme dans le cas d'un haut fourneau ordinaire. La température à la base du four peut dépasser parfois la température régnant dans le géné- rateur, Cette température plus élevée dans le four peut résulter de la réaction se produisant entre le gaz et l'oxyde de fer.
Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, le gaz réducteur est fourni à un haut fourneau du genre usuel. Le haut fourneau est alimenté, de la maniè- re ordinaire, avec du minerai de fer, du coke et de la chaux mais avec une.quantité moindre de coke qu'ä l'habi- tude. De l'air, ou, de préférence de l'oxygène, est four- ni au haut fourneau, comme d'habitude, mais en une quanti-
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té inférieure à celle utilisée d'ordinaire. Gomme la quantité de coke fournie. au hout fourneau est inférieure à celle utilisée généralement, une quantité moindre d'oxy- gène est nécessaire pour réagir avec le coke.
Le manque en gaz réducteur résultant de la diminution de la quantité de coke introduite dans le four, est compensé par la four- niture d'hydrogène et de monoxyde de carbone provenant d'un générateur de gaz séparé. Ce traitement permet de réduire la quantité de coke nécessaire à des opérations de haut fourneau et permet l'application de l'invention à des installations existantes comportant des hauts four- neaux.
Dans certains cas, il peut être avantageux d'in- troduire dans le four des pièces en céramique, par exemple des pièces en briques réfractaires, pour compenser la sup- pression du coke et pour supporter la charge dans le réac- teur tout en permettant l'écoulement libre du gaz vers le haut à travers la charge. Ceci présente l'inconvénient de nécessiter la fusion des briques ou, autrement, de faire fonctionner le four d'une manière discontinue ou par charges.
Le dessin ci-annexé montre, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention.
@ -La figure 1 montre, schématiquement, un mode de réalisation de l'invention appliqué à la production de fonte brute à partir de minerai de fer; - la figure 2 montre, schématiquement, l'applica' tion du procédé selon l'invention au traitement dans un haut fourneau.
On désigne par 5 un four rempli avec du minerai de fer dans lequel le minerai est réduit en métal fondu.
Le minerai est, de préférence, réduit dans un appareil ayant la forme d'une colonne ou d'un four vertical de
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grande hauteur et dont le diamètre au fond est légèrement plus grand qu'au sommet. Le minerai de fer et la chaux sont introduits comme charges dans l'extrémité supérieure du four comme indiqué respectivement en 6 et 7. Le fer fondu et le laitier sont prélevés au fond du four comme indiqué en 8,
Le gaz réducteur est produit dans un générateur à gaz 11 dans lequel le combustible et l'oxygène sont com- binés pour former un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Pour cet exemple, le générateur fonctionne, à une température d'environ 1430 C Le courant d'hydrogè- ne et de monoxyde de carbone s'écoule, sans être refroidi, par le conduit 12 et pénètre directement dans la partie inférieure du four.
La température à laquelle le généra- teur à gaz fonctionne est, de préférence, la température maximum qui peut être tolérée dans le générateur sans di- minuer inutilement la durée d'usage du revêtement réfrac- taire.
Le gaz réducteur, fourni par le conduit 12, monte dans le four dans lequel il est mis en contact avec l'oxyde de fer et la chaux qui descendent lentement dans le four. Dans la partie inférieure de celui-ci, l'oxyde de fer est, en substance, complètement réduit en fer mé- tallique. L'oxygène, provenant de l'oxyde de fer pendant sa réduction, sert à convertir le monoxyde de carbone e't l'hydrogène, qui montent dans le four, en bioxyde de car- bone et en vapeur d'eau. Seulement une partie du courant gazeux ascendant est oxydée, de sorte qu'un peude monoxy- de de carbone et d'hydrogène se trouve encore dans la par- tie supérieure du four. Les gaz sont évacués hors de la partie supérieure du four par le conduit 13.
Ces gaz con- tiennent des quantités considérables de chaleur qui peu- vent être utilisées pour la production de vapeur d'eau.
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L'air pu l'oxygène peut être introduit dans la partie supérieure du four par le conduit 14 pour faire brûler le monoxyde de carbone et l'hydrogène n'ayant pas réagi. La combustion de ces gaz dans la partie supérieure du four assure le préchauffage de la charge admise de mine- rai de'fer et de chaux. Il est généralement avantageux de- recycler le gaz depuis un point intermédiaire du four vers le générateur de gaz indiqué sur la figure 1 par le con- duit 15. Le courant de recyclage peut correspondre à en- viron 70 % du gaz montant dans le four.
Le soufre peut être séparé du gaz réducteur avant que celui-ci' soit introduit dans le four. L'enlèvement du soufre peut être effectué en faisant passer le courant de gaz réducteur chaud sur du fer ou sur de la chaux.
Pour le procédé selon l'invention il est préférable de faire passer' le gaz à travers un lit de chaux ou d'oxyde de calcium pour l'enlèvement du soufre. L'oxyde de cal- cium peut être introduit subséquemment dans le four avec le minerai et le soufre peut en être séparé par combustion avec de l'air ou de l'oxygène introduit par le conduit 14.
La séparation du soufre d'avec le gaz réducteur est avan- tageux quand le combustible fourni au générateur de gaz de synthèse contient une quantité appréciable de soufre, par exemple colmme la'houille, le schiste huileux, du gaz natu- rel acide ou des huiles hydrocarbonées acides.
La figure 2 montre l'application des principes de l'invention à la production de fonte dans un haut four- neau ordinaire. Le haut fourneau 16 est chargé avec un mélange de miserai de fer, de coke et d'un fondant, par @ exemple du calcaire. Conformément à l'invention on utilise une quantite de coke inférieure à la quantité ordinaire ce qui, par conséquent, diminue les besoins en chaux. Par conséquente la charge du four est plus riche en minerai de
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fer que celle d'un haut fourneau ordinaire. Du fer fondu et du laitier sont prélevés à la partie inférieure du haut fourneau de la manière usuelle. De l'air ou tout autre gaz contenant de l'oxygène, de préférence de l'oxygène re- lativement pur, est introduit dans le haut fourneau par les tuyères usuelles 17.
Les gaz sont évacués, à l'extré- mité supérieure du four, par le conduit 18.
Un courant de gaz réducteur, comprenant-du mono- xyde de carbone, est formé dans le générateur de gaz ré- ducteur 17 par la combustion partielle d'un combustible contenant du carbone à l'aide d'un gaz contenant de l'oxy- gène, de préférence de l'oxygène relativement pur. Ces gaz sont introduits par le conduit 20 dans le haut fournea\ en un point intermédiaire au-dessus du point d'introduc- tion de l'air. Une partie des gaz peut être recyclée à partir de la partie supérieure du haut fourneau, par le conduit 21, vers le générateur de gaz réducteur. Ces gaz contiennent du bioxyde de carbone et de la vapeur d'eau résultant de l'oxydation de l'hydrogène et du monoxyde de carbone par 1-'oxygène fourni par le minerai.
Dans le gé- nérateur du gaz réducteur le bioxyde de carbone et la va- peut d'eau sont à nouveau convertis en monoxyde de carbone 'et en hydrogène.
Il est évident qu'en fournissant un courant auxi- liaire de gaz réducteur depuis un générateur extérieur par rapport ..au haut fourneau, on fait des économies en rédui- sant la quantité de coke, de qualité élevée, à utiliser.
Quand la chaux, introduite dans la four, a été utilisée préalablement pour séparer le soufre des gaz provenant du générateur de gaz réducteur, le soufre peut être séparé , de la chaux par l'introduction d'air ou d'oxygène dans le four, comme décrit plus haut. On convertit ainsi le sou= fre, associé à la chaux ou'au minerai de fer en bioxyde de soufre qui est évacué hors du four en même temps que les
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EXEMPLE
Du minerai de fer, contenant 63 % en poids de fer, est réduit dans un four en utilisant, comme fondant, une chaux cpntenant environ 97 % en poids de carbonate de calcium. Le minerai est introduit avec un débit de 20 tonnes par heure, en mélange avec environ 3,25 tonnes par heure de chaux et environ 6,5 tonnes de coke par heure.
L'air est fourni avec un débit de 17.840 m3/heure au haut fourneau par des tuyères de la manière usuelle. Au-dessus du niveau où se trouvent les tuyères dtair 186.900 m3/jour de gaz réducteur sont introduits dans le four à partir d'un générateur à gaz dont l'effet est décrit avec plus de détails ci-après.
Le haut fourneau fonctionne à une pression d'en- viron 2,8 kg/cm2 en surpression et avec une température de foyer (à la partie inférieure du four) de 1500 . Le four fournit environ Il,4 tonnes de fonte brute par heure, cette fonte contenant environ 99 % en poids de fer métal- lique et environ 0,01 en poids de soufre. Le fer fondu et le laitier sont prélevés à la partie inférieure du four comme pour les traitements usuels dans un haut fourneau.
On met en suspension 83,5 tonnes par jour de charbon bitumineux broyé dans 85,2'tonnes dteau par jour.
Le charbon bitumineux utilisé a la composition suivante, trouvée par analyse ultime : carbone = 77,29; hydrogène = 4,93; oxygène = 5,38; azote = 1,50; soufre = 2,59 ; cendres = 8,31.
La suspension est pompée dans un serpentin chauf- fant tubulaire dans lequel elle est chauffée à une tempéra- ture de 400 Dans le serpentin chauffant, l'eau est vapo- risée pour former une dispersion de particules de charbon
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dans de la vapeur d'eau. On fait passer cette dispersion dans un séparateur à cyclone dans lequel 71,5 tonnes par jour de vapeur d'eau sont séparées de la dispersion vapeur- charbon et sont évacués hors de l'appareil pour être uti- lisées pour des traitements ou pour le chauffage. La dis- persion restante du charbon dans la vapeur est introduite dans un générateur à gaz fonctionnant à une pression de 35 kg/cm2 en surpression et à une température de 1395 .
On fait réagir 71,5 tonnes par jour d'oxygène, ayant une pureté de 95 %, et préchauffé à une température de 150 , avec la dispersion vapeur/charbon pour produire 186.900 m3 par jour de gaz synthétique pour la réduction du minerai, ce gaz ayant la composition suivante :
EMI11.1
<tb> % <SEP> en <SEP> volume
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> hydrogène <SEP> 32,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> monoxyde <SEP> de <SEP> carbone <SEP> 62,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> bioxyde <SEP> de <SEP> carbone <SEP> 1,4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> eau <SEP> 1,8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> méthane <SEP> 0,2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> azote <SEP> 1,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> hydrogène <SEP> sulfuré <SEP> 0,8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sulfure <SEP> de <SEP> carbonyle <SEP> 0,1
<tb>
Environ 10,8 tonnes par jour de laitier contenant du char- bon non converti et des cendres sont sorties du générateur.
Le fonctionnement du générateur à gaz à une pres- sion notablement plus élevée que la pression régnant dans' le haut fourneau, par exemple de 7 à 35 kg/cm2 plus élevée que la pression du haut fourneau, constitue une particula- rité importante de l'invention. La différence entre la pression régnant dans le générateur à gaz et celle du haut fourneau, produit un jet à vitesse élevée de gaz réducteur à l'endroir où il est introduit dans le haut fourneau. On obtient ainsi une pénétration profonde du jet de gaz ré-
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du'cteur dans le lit de minerai. Une tuyauterie du type de Laval (tuyère convergente - divergente) peut être uti- lisée pour procurer une vitesse maximum au jet du gaz réducteur.
La vitesse du courant de gaz réducteur, à l'endroit où à lieu la diminution de pression, est de pré- férence supérieure à environ 300 mètres par seconde.
On a découvert qu'un gaz réducteur auxiliaire qui convient à être utilisé dans un haut fourneau, peut être obtenu par une oxydation partielle d'un combustible carbonacé à'une température de 1100 à 1650 , de préféren- ce à une température de 1320 à 1540 . Le gaz réducteur obtenu contient entre environ 2 et environ 8 % de vapeur d'eau et environ 1 à 4 % de bioxyde de carbone, en volu- me. Il est préférable de maintenir la teneur en vapeur d'eau du courant de gaz réducteur à peu près au-dessous de 4 % en volume.
Pour la méthode d'alimentation en charbon d'un générateur à gaz en formant une suspension qui peut cou- ler, comme expliqué plus haut, on a trouvé qu'il est né- cessaire d'utiliser au moins 45 % en poids d'eau dans cett< suspension pour former un mélange qui peut être pompé.
L'eau utilisée pour la formation de la suspension est un réactif pour l'opération de la séparation du gaz dans le traitement selon l'invention et seulement de l'eau non convertie apparaît dans le gaz obtenu par synthèse. On a découvert qu'il est nécessaire de maintenir la teneur en eau de la dispersion fournie à la zone pour la génération du gaz, à une valeur inférieure à environ 20 % en poids, pour former un gaz ayant une teneur en eau inférieure à la vapeur critique de 8 % en volume dont question plus haut.
Pour l'exemple ci-dessus, la dispersion fournie à la zone de génération du gaz contient environ 14 % en poids
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de vapeur d'eau et le gaz produit contient 1,8 % en volume d'eau et 1,4 % en volume de bioxyde de carbone, ces valeur se trouvant bien dans la gamme préférée. La formation. d'une suspension qui peut être pompée et la diminution de la teneur en eau de la dispersion charbon - vapeur formée pour produire un gaz sortant du générateur de gaz de syn- thèse contenant moins de 8 % de vapeur d'eau, constituent des caractéristiques importantes du procédé faisant l'ob- jet de l'invention.
REVENDICATIONS 1.' Procédé pour réduire un oxyde de fer, par exem- ple, un minerai de fer, en fer métallique fondu, dans le- quel cet oxyde de fer, par exemple ce minerai, mélangé avec du coke et un fondant est mis en contact, dans une zone de réduction verticale, de forme allongée, avec un courant ascendant d'un gaz réducteur contenant du monoxy- de de carbone, afin que l'oxyde de fer, par exemple un mi- nerai de fer, soit réduit en fer fondu, un gaz contenant de l'oxygène étant introduit dans la partie inférieure de ladite zone de réduction pour que le coke soit converti en monoxyde de carbone,
dans lequel procédé on forme un courant auxiliaire d'un gaz réducteur comprenant du mono- @ xyde de carbone et de l'hydrogène et ne contenant pas plus de 8 % de vapeur d'eau et pas plus de 4 % de bioxyde de carbone, en volume, en faisant réagir un combustible car- bonacé solide avec un gaz contenant de l'oxygène, et moins qu'environ 20 % en poids de vapeur d'eau basés sur le poids dudit combustible, à une température comprise entre environ 1100 et 1650 , dans une zone séparée pour la génération du gaz et on introduit ledit courant auxiliaire de gaz réducteur, en substance à ladite température de réaction, directement dans la zone de réduction,
à un endroit au-dessus de celui où ledit gaz contenant de l'oxy.
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gène est introduit dans la zone de réduction.
2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel ledit courant auxiliaire du gaz réducteur est formé à une pression qui est au moins de 7 kg/cm2 supérieure à celle régnant dans ladite zone de réduction, le courant gazeux passant dans une zone ayant une section transversale étranglée qui procure une vitesse supérieure à 300 mètres par seconde audit courant.
3. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendica- tions 1 et 2, dans lequel ledit courant auxiliaire du gaz réducteur ne contient pas plus de 4 % de vapeur d'eau en volume.
4. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendica- tions 1 à 3, dans lequel le combustible carbonacé solide que l'on fait réagir avec le gaz contenant l'oxygène, est obtenu en formant une suspension pompable du combustible dans de l'eau, en faisant passer cette suspension, sous la forme d'un courant confiné, dans une zone de chauffage tubulaire, chauffée extérieurement, dans laquelle toute l'eau est, en substance, vaporisée à' partir de ladite sus- pension, pour former une dispersion des particules de com- bustible dans la vapeur, une partie de cette vapeur étant séparée de ladite dispersion afin que la teneur en vapeur d'eau de ladite,dispersion soit maintenue à une valeur in- férieure à environ 20 % en poids.
5. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendica- tions 1 à 4, dans lequel le combustible carbonacé contient du soufre et le courant auxiliaire du gaz réducteur s'écou- le en étant mis en contact avec de l'oxyde de calcium dans une zone de traitement du gaz à une température comprise entre environ 1100 et environ 1650 , ce qui provoque la séparation du soufre d'avec ledit gaz réducteur, le courant auxiliaire du gaz réducteur ainsi obtenu, exempt de compo- sés de soufre, passant ensuite dans la zone de réduction.
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6. Procédé suivant la revendication 5, dans lequel on enlève l'oxyde de calcium contenant les composés de soufre hors de ladite zone pour le traitement du gaz,.on introduit ledit oxyde de calcium contenant le soufre dans la partie supérieure de ladite zone de réduction en même temps que l'oxyde de fer, par exemple le minerai de fer, on introduit une quantité d'air suffisante dans la partie supérieure de ladite zone de réduction pour obtenir la combustion du monoxyde de carbone non converti et, simul- tanément, la conversion du soufre contenu dans l'oxyde de calcium en bioxyde de soufre, et l'on évacue les -produits de combustion obtenus, contenant ce bioxyde de soufre, hors de la partie supérieure de ladite zone de réduction.
7. Procédé pour la réduction d'oxyde de fer, par exemple un minerai de fer, du fer métallique fondu, en substance, tel que décrit plus haut.
8. Fer obtenu par le procédé suivant l'une ou l'au- tre des revendications précédentes.
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The invention relates to an improved process for reducing an iron oxide, eg, iron ore, to molten metallic iron.
In accordance with the invention, a reducible oxide of iron, for example iron ore, in pieces is contacted with a mixture of carbon monoxide and hydrogen at a temperature sufficient to produce the reduction of the oxide. iron into metal and the resulting melting of metallic iron. The reduction of the solid iron oxide to molten metal takes place in a reducing furnace in which a moving bed of descending oxide is maintained. The oxide is poured onto the upper part of the bed and the molten metallic iron flows from the lower part thereof. A reducing gas is introduced near the bottom of the bed and rises in countercurrent to the flow of iron oxide.
The reducing gas is produced from a suitable fuel which is reacted with oxygen, more particularly oil shale, coke or any of the various kinds of coal, including lignite, lignite. 'anthracite and bituminous coal.
The invention is more particularly suitable for the production of pig iron from iron ore.
For the production of pig iron in an ordinary blast furnace, coke and fluxes, usually lime, are introduced into the furnace along with the ore. Air is admitted to the base of the blast furnace to burn the coke and to produce carbon monoxide which in turn reduces the ore. The method forming the subject of the invention differs from the operations
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Rations which take place in an ordinary blast furnace in the sense that at least part of the reducing gas required in the furnace is produced in a separate gas generator. In many cases it is advantageous to form all of the reducing gases in the gas generator.
For the process according to the invention, part or all of the coke, necessary for the operations in a conventional blast furnace, can be omitted. This is a huge practical advantage in that several sources of high quality iron ore are located a great distance from a source of coking coal. Pig iron production can now be made independent from coked coals.
Several processes are known for the production of carbon monoxide and hydrogen from various fuels. For the process forming the subject of the invention, the carbon monoxide and the hydrogen are obtained by the partial combustion of a solid carbonaceous fuel with a gas containing oxygen. While air can be used as the oxygen-containing gas, it is preferred to use relatively pure oxygen.
Preferably, steam is used in combination with oxygen for all fuels except gaseous hydrocarbons. The reducing gas generator operates at a temperature of between about 1100 and 1650, preferably above about 1200, sufficient to ensure that the metal and slag are at the same level. molten state.
For the production of pig iron, a reducing gas temperature of about 1320 is about the minimum temperature necessary when all the reducing gas is formed outside the furnace for ore reduction.
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A gas generator, of the free-flowing type, is preferably used for the production of the reducing gas which is used for the process which is the object of the invention. The free-flowing generator is characterized by the reaction of fuel with a gas, containing oxygen, in an unfilled reactor.
When a solid fuel is used, the fuel particles are suspended in the gaseous reactants and the gasification reaction takes place with the solid particles suspended in the reactants and gaseous reaction products. In order for the operation of a generator of this kind to work most successfully for the production of carbon monoxide and hydrogen, the temperature prevailing throughout the generator must be maintained above about 1100. The temperature can reach 1650 but, in general, it is undesirable to maintain the temperature at this value because most refractory lining materials deteriorate rapidly at temperatures of 1650 and above.
Practical considerations, especially device limitations, generally limit the operating temperature between 1430 and 1540.
For carrying out the invention according to a specific embodiment, iron oxide is reduced to metallic iron in a cylindrical furnace similar to an ordinary blast furnace. Carbon monoxide and hydrogen, formed in a reducing gas generator separated by partial combustion of fuel with oxygen, are introduced into the lower part of said furnace at a temperature above about 1320. These gases rise in current relative to the descending bed
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of iron oxide by reducing it to molten metallic iron.
Unless pure iron oxide is used, it is generally advantageous to add a flux mixed with the iron oxide to form a fluid slag at the base; from the oven. A flux is useful for reducing the melting temperature of the slag and for making it more fluid. Suitable fluxes are known in the blast furnace art. Lime is generally suitable as a flux for iron ores, but it may be advantageous in some cases to add fluorspar, silica, alumina or magnesia to increase the quantity and fluidity. slag. The kind and amount of flux needed can be determined based on the composition of the iron ore as well known for blast furnaces.
In general, the most satisfactory melt is obtained when the total weight of lime and magnesia contained in the materials fed into the furnace is approximately equal to the total weight of alumina and silica. Lime or magnesia can be added in the form of carbonates but must be converted to equivalent amounts of the oxide to determine the amount of flux needed.
When a solid fuel is used in the gas generator, flux may be added to the contents of this generator to lower the melting temperature and to ensure that a fluid molten ash is obtained. The conditions to be fulfilled for a satisfactory flux can be determined by the composition of the ash by following the above rule for melting the ore. For most coals, lime is a satisfactory flux. In general, it is desirable to discard the slag supplied by the generator but. if we want we can
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discharge the fluid molten ash directly from the generator into the ore reduction furnace along with the hot gases.
The reducing furnace can operate at atmospheric pressure or at elevated pressure. A high pressure is advantageous in that it enables the capacity of the apparatus to be increased by accelerating the reactions involved in the reduction of the metal oxide. The gas generator preferably operating at a pressure '.' . high greater than approximately 7 kg / cm2 under overpressure and preferably at a pressure of at least 7 kg / cm2 higher than that prevailing in the reducing furnace.
The reduction of the metal oxide can be carried out with carbon monoxide or hydrogen or with mixtures of carbon monoxide and hydrogen generally in any desired proportion.
It has been said above that when the metal oxide is an iron oxide or ore, it is preferable to operate the furnace at a temperature of the order of 13,800 or higher, so that the iron as well as the slag can be taken in the molten state as in the case of an ordinary blast furnace. The temperature at the base of the furnace can sometimes exceed the temperature prevailing in the generator. This higher temperature in the furnace can result from the reaction occurring between the gas and the iron oxide.
According to another embodiment of the invention, the reducing gas is supplied to a blast furnace of the conventional type. The blast furnace is fired in the usual way with iron ore, coke and lime, but with less coke than usual. Air, or, preferably oxygen, is supplied to the blast furnace as usual, but in an amount.
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tee less than that normally used. Erases the amount of coke supplied. in the oven is less than that used generally, less oxygen is needed to react with the coke.
The lack of reducing gas resulting from the decrease in the quantity of coke introduced into the furnace is compensated for by the supply of hydrogen and carbon monoxide from a separate gas generator. This treatment makes it possible to reduce the quantity of coke necessary for blast furnace operations and allows the application of the invention to existing installations comprising blast furnaces.
In some cases, it may be advantageous to introduce ceramic parts, for example refractory brick parts, into the furnace to compensate for coke removal and to support the load in the reactor while allowing the free flow of gas upward through the load. This has the disadvantage of requiring the melting of the bricks or, otherwise, of operating the furnace in a batch or batch fashion.
The accompanying drawing shows, by way of example, one embodiment of the invention.
@ -Figure 1 shows, schematically, an embodiment of the invention applied to the production of pig iron from iron ore; - Figure 2 shows, schematically, the application of the method according to the invention to the treatment in a blast furnace.
Referred to as a furnace filled with iron ore in which the ore is reduced to molten metal.
The ore is preferably reduced in an apparatus having the form of a column or a vertical furnace of
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large height and whose diameter at the bottom is slightly larger than at the top. The iron ore and the lime are introduced as charges in the upper end of the furnace as indicated respectively in 6 and 7. The molten iron and the slag are taken from the bottom of the furnace as indicated in 8,
The reducing gas is produced in a gas generator 11 in which fuel and oxygen are combined to form a mixture of carbon monoxide and hydrogen. For this example, the generator is operating at a temperature of about 1430 ° C. The stream of hydrogen and carbon monoxide flows, without being cooled, through line 12 and enters directly into the lower part of the furnace.
The temperature at which the gas generator operates is preferably the maximum temperature which can be tolerated in the generator without unnecessarily decreasing the service life of the refractory lining.
The reducing gas, supplied by the conduit 12, rises in the furnace in which it is brought into contact with the iron oxide and the lime which slowly descend into the furnace. In the lower part of this, the iron oxide is, in substance, completely reduced to metallic iron. The oxygen, coming from the iron oxide during its reduction, serves to convert the carbon monoxide and hydrogen, which rise in the furnace, into carbon dioxide and water vapor. Only part of the ascending gas stream is oxidized, so some carbon monoxide and hydrogen is still in the upper part of the furnace. The gases are evacuated out of the upper part of the oven through line 13.
These gases contain considerable amounts of heat which can be used for the production of water vapor.
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Air or oxygen can be introduced into the upper part of the furnace through line 14 to burn carbon monoxide and unreacted hydrogen. The combustion of these gases in the upper part of the furnace preheats the admitted charge of iron ore and lime. It is generally advantageous to recycle the gas from an intermediate point of the furnace to the gas generator shown in Fig. 1 via line 15. The recycle stream may correspond to about 70% of the gas rising in the furnace. .
The sulfur can be separated from the reducing gas before the latter is introduced into the furnace. Sulfur removal can be accomplished by passing the stream of hot reducing gas over iron or lime.
For the process according to the invention it is preferable to pass the gas through a bed of lime or calcium oxide for the removal of sulfur. The calcium oxide can be subsequently introduced into the furnace with the ore and the sulfur can be separated therefrom by combustion with air or oxygen introduced through line 14.
The separation of sulfur from the reducing gas is advantageous when the fuel supplied to the synthesis gas generator contains an appreciable amount of sulfur, for example plugs coal, oil shale, sour natural gas or oils. acidic hydrocarbon oils.
Figure 2 shows the application of the principles of the invention to the production of pig iron in an ordinary blast furnace. The blast furnace 16 is charged with a mixture of iron ore, coke and a flux, eg limestone. In accordance with the invention, a lower quantity of coke than the ordinary quantity is used, which consequently reduces the lime requirement. Consequently, the furnace charge is richer in ore than
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iron than that of an ordinary blast furnace. Molten iron and slag are taken from the lower part of the blast furnace in the usual manner. Air or any other gas containing oxygen, preferably relatively pure oxygen, is introduced into the blast furnace through the usual nozzles 17.
The gases are evacuated at the upper end of the furnace through line 18.
A reducing gas stream, comprising carbon monoxide, is formed in the reducing gas generator 17 by the partial combustion of a carbon-containing fuel with an oxy-containing gas. - gene, preferably relatively pure oxygen. These gases are introduced through line 20 into the blast furnace at an intermediate point above the point of introduction of air. A portion of the gases can be recycled from the upper part of the blast furnace, through line 21, to the reducing gas generator. These gases contain carbon dioxide and water vapor resulting from the oxidation of hydrogen and carbon monoxide by 1-oxygen supplied by the ore.
In the generator of the reducing gas the carbon dioxide and the vapor of water are again converted into carbon monoxide and hydrogen.
Obviously, providing an auxiliary stream of reducing gas from an external generator to the blast furnace saves money by reducing the amount of high grade coke to be used.
When the lime, introduced into the furnace, has been used beforehand to separate the sulfur from the gases coming from the reducing gas generator, the sulfur can be separated from the lime by the introduction of air or oxygen into the furnace, as described above. The sulfur, associated with lime or iron ore, is thus converted into sulfur dioxide which is discharged out of the furnace at the same time as the
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EXAMPLE
Iron ore, containing 63% by weight of iron, is reduced in a furnace using, as flux, a lime containing about 97% by weight of calcium carbonate. The ore is introduced at a rate of 20 tonnes per hour, mixed with about 3.25 tonnes per hour of lime and about 6.5 tonnes of coke per hour.
The air is supplied with a flow rate of 17,840 m3 / hour to the blast furnace by nozzles in the usual manner. Above the level where the 186,900 m3 / day air nozzles of reducing gas are located are introduced into the furnace from a gas generator, the effect of which is described in more detail below.
The blast furnace operates at a pressure of around 2.8 kg / cm2 in overpressure and with a hearth temperature (at the bottom of the furnace) of 1500. The furnace supplies about 11.4 tons of pig iron per hour, this pig iron containing about 99% by weight of metallic iron and about 0.01 by weight of sulfur. The molten iron and the slag are taken from the lower part of the furnace as for the usual treatments in a blast furnace.
83.5 tonnes per day of crushed bituminous coal are suspended in 85.2 tonnes of water per day.
The bituminous coal used has the following composition, found by ultimate analysis: carbon = 77.29; hydrogen = 4.93; oxygen = 5.38; nitrogen = 1.50; sulfur = 2.59; ash = 8.31.
The slurry is pumped into a tubular heating coil in which it is heated to a temperature of 400 In the heating coil, the water is vaporized to form a dispersion of carbon particles
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in water vapor. This dispersion is passed through a cyclone separator in which 71.5 tons per day of water vapor is separated from the vapor-carbon dispersion and is discharged out of the apparatus to be used for treatments or for cleaning. heater. The remaining dispersion of the coal in the steam is introduced into a gas generator operating at a pressure of 35 kg / cm2 under overpressure and at a temperature of 1395.
71.5 tons per day of oxygen, having a purity of 95%, and preheated to a temperature of 150, are reacted with the steam / coal dispersion to produce 186,900 m3 per day of synthetic gas for ore reduction, this gas having the following composition:
EMI11.1
<tb>% <SEP> in <SEP> volume
<tb>
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<tb>
<tb> hydrogen <SEP> 32.3
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<tb> <SEP> carbon <SEP> monoxide <SEP> 62.1
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<tb> carbon <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> 1,4
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<tb> water <SEP> 1.8
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<tb> methane <SEP> 0.2
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<tb> nitrogen <SEP> 1.3
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<tb> hydrogen <SEP> sulphide <SEP> 0.8
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<tb>
<tb>
<tb> <SEP> carbonyl <SEP> sulphide <SEP> 0.1
<tb>
About 10.8 tonnes per day of slag containing unconverted coal and ash came out of the generator.
The operation of the gas generator at a pressure significantly higher than the pressure prevailing in the blast furnace, for example 7 to 35 kg / cm 2 higher than the pressure of the blast furnace, is an important feature of the process. 'invention. The difference between the pressure in the gas generator and that of the blast furnace produces a high velocity jet of reducing gas at the endroir where it is introduced into the blast furnace. A deep penetration of the gas jet is thus obtained.
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du'ctor in the ore bed. Laval type piping (converging - diverging nozzle) can be used to provide maximum speed to the reducing gas jet.
The speed of the reducing gas stream at the point where the pressure drop occurs is preferably greater than about 300 meters per second.
It has been found that an auxiliary reducing gas which is suitable for use in a blast furnace can be obtained by partial oxidation of a carbonaceous fuel at a temperature of 1100 to 1650, preferably at a temperature of 1320 to 1540. The resulting reducing gas contains between about 2 and about 8% water vapor and about 1 to 4% carbon dioxide, by volume. It is preferable to keep the water vapor content of the reducing gas stream at about 4% by volume.
For the method of supplying coal to a gas generator by forming a sinking slurry, as explained above, it has been found necessary to use at least 45% by weight of. water in this slurry to form a pumpable mixture.
The water used for the formation of the suspension is a reagent for the operation of the separation of the gas in the treatment according to the invention and only unconverted water appears in the gas obtained by synthesis. It has been found that it is necessary to keep the water content of the dispersion supplied to the zone for gas generation to be less than about 20% by weight to form a gas having a water content less than critical vapor of 8% by volume referred to above.
For the example above, the dispersion supplied to the gas generation zone contains about 14% by weight
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of water vapor and the gas produced contains 1.8% by volume of water and 1.4% by volume of carbon dioxide, these values being well within the preferred range. Training. of a slurry which can be pumped and the decrease in the water content of the coal-vapor dispersion formed to produce a gas leaving the synthesis gas generator containing less than 8% water vapor, are characteristics important aspects of the process forming the subject of the invention.
CLAIMS 1. ' A process for reducing an oxide of iron, for example, an iron ore, to molten metallic iron, in which this iron oxide, for example this ore, mixed with coke and a flux is contacted, in a vertical reduction zone, of elongated shape, with an ascending current of a reducing gas containing carbon monoxide, so that the iron oxide, for example an iron ore, is reduced to molten iron, an oxygen-containing gas being introduced into the lower part of said reduction zone so that the coke is converted into carbon monoxide,
wherein the process forms an auxiliary stream of a reducing gas comprising carbon monoxide and hydrogen and containing not more than 8% water vapor and not more than 4% carbon dioxide, by volume, by reacting a solid carbonaceous fuel with an oxygen-containing gas, and less than about 20% by weight of water vapor based on the weight of said fuel, at a temperature between about 1100 and 1650, in a separate zone for the generation of gas and said auxiliary stream of reducing gas is introduced, substantially at said reaction temperature, directly into the reduction zone,
at a location above where said gas containing oxy.
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gene is introduced into the reduction zone.
2. The method of claim 1, wherein said auxiliary stream of reducing gas is formed at a pressure which is at least 7 kg / cm2 greater than that prevailing in said reduction zone, the gas stream passing through a zone having a cross section. throttled transverse which provides a speed greater than 300 meters per second to said current.
3. A method according to either of claims 1 and 2, wherein said auxiliary stream of reducing gas contains no more than 4% water vapor by volume.
4. A process according to any of claims 1 to 3, wherein the solid carbonaceous fuel which is reacted with the oxygen-containing gas is obtained by forming a pumpable suspension of the fuel in a pumpable suspension. water, by passing this suspension, in the form of a confined stream, through a tubular heating zone, heated externally, in which all the water is, in substance, vaporized from said suspension, to form a dispersion of the fuel particles in the vapor, a part of this vapor being separated from said dispersion so that the water vapor content of said dispersion is kept at a value less than about 20% by weight. weight.
5. A method according to any of claims 1 to 4, wherein the carbonaceous fuel contains sulfur and the auxiliary stream of reducing gas flows by being contacted with carbon dioxide. calcium in a gas treatment zone at a temperature between about 1100 and about 1650, which causes the separation of sulfur from said reducing gas, the auxiliary stream of the reducing gas thus obtained, free of sulfur compounds, then passing into the reduction zone.
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6. The method of claim 5, wherein the calcium oxide containing sulfur compounds is removed from said gas treatment zone, said sulfur-containing calcium oxide is introduced into the upper part of said gas treatment zone. reduction at the same time as the iron oxide, for example iron ore, a sufficient quantity of air is introduced into the upper part of said reduction zone to obtain the combustion of the unconverted carbon monoxide and, at the same time , the conversion of the sulfur contained in the calcium oxide into sulfur dioxide, and the combustion products obtained, containing this sulfur dioxide, are discharged from the upper part of said reduction zone.
7. A process for the reduction of iron oxide, eg, iron ore, molten metallic iron, in substance, as described above.
8. Iron obtained by the process according to one or the other of the preceding claims.