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'La présente invention est relative à la réduction di- recte d'oxyde de fer, spécialement de minerais d'oxyde de fer, par l'utilisation d'un gaz réducteur comprenant principalement de l'oxyde de carbone et de l'@hydrogène.
On a proposé beaucoup de procédés différents pour la production de fer métallique à partir de minerais de fer. Ce- , pendant, pour des conditions inhabituelles de matières premiè res, on a considéré l'utilisation du haut fourneau habituel comme étant la technique la plus économique et la plus prati-
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cable industriellement en vue de la production de fonte en gueuses.
En dépit de sa très large utilisation, le haut four- neau présente deux handicaps sérieux associés aux matières premières qui y sont chargées : (1) le minerai de fer utilisé dans le haut fourneau doit avoir des dimensions de particules assez grandes, de manière que ces particules ne soient pas pro- jetées hors du haut fourneau au sommet de celui-ci ; (2) le seul combustible réellement satisfaisant pour l'utilisation dans le haut fourneau est le coke métallurgique qui possède une résistance suffisante pour supporter une colonne de soli- des dans¯le haut fourneau.
Ces deux limitations imposées aux matières premières de haut fourneau deviennent un problème de plus en plus aigu.
Par exemple, pour ne mentionner qu'un aspect du problème des minerais, divers procédés de concentration des minerais de fer, actuellement utilisés, produisent une matière finement divisée qui ne peut pas être chargée telle quelle au haut fourneau mais doit d'abord être transformée en boulettes ou agglomérée. Evi- demment-, cette phase nécessaire augmente considérablement le coût de l'opération dans le haut fourneau.'En ce qui concerne le coke; sous les conditions actuelles, la fourniture de bons ,charbons de cokéfaction décroît .rapidement et le coût des insta, lations de coke augmente. Il en résulté que le coût du coke représente aujourd'hui le poste particulier le plus important dans la conversion de minerai de fer en fonte en gueuses dans le haut fourneau.
De plus, l'élévation rapide des frais d'in- vestissement pour l'installation d'un nouveau haut fourneau rend impérative la trouvaille d'un moyen de remplacement plu simple et moins coûteux pour le haut fourneau.
Il est connu depuis longtemps qu' usinerai de fer subdivisé ou granulaire peut être converti en un- mélange de fer métallique et de gangue en le traitant à une température
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élevée avec des gaz,réducteurs convenables. En fait, la techni, que antérieure est pleine de découvertes et de suggestions de divers types de procédés de réduction directe. Cependant, pour beaucoup.de raisons différentes, aucun des procédés suggérés n'a été adopté à l'échelle industrielle.
Bien qu'une réduction directe de minerai de fer pour la production de fonte dite cen- dreuse ou de scrap synthétique ait peut-être reçu la plus grande.attention, personne, à la connaissance de la demanderesse.' n'a proposé jusqu'à présent un procédé de fusion complet techni- quement praticable et intéressant du point de vue économique, comprenant la réduction directe de minerai de fer par un gaz réducteur et la fusion du fer réduit pour produire du métal chaud convenant pour être utilisé dans un procédé de fabrica- tion d'acier.
Les processus de réduction et de fusion combinés suggérés dans la pratique antérieure sont caractérisés, soit par une sérieuse déficience de chaleur, soit par une consomma-''' tion excessive de combustible avec le résultat que de tels pro- cédés sont techniquement inappropriés ou peu praticables du point de vue économique. De plus, dans les mêmes cas au moins, les procédés proposés dans la technique antérieure sont sujets à de sérieuses difficultés opératoires.
La présente invention est basée sur la découverte qu'en utilisant certaines techniques opératoires préférées dans les diverses phases du procédé et qu'en utilisant une certaine combinaison coordonnée de conditions opératoires critiques, il est possible de réaliser une réduction directe du minerai de fer et une fusion du fer réduit d'une manière-pratique et éco- ment nomique praticable qui n'était pas possible précédemment.
Comme expliqué plus complètement ci-après, le point capital de la présente invention est le concept d'un procédé "équilibré '
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dans lequel le gaz produit par combustion de combustible dans c@rtaines phases.du procédé est équilibré par rapport aux ou étroitement coordonné avec les exigences de gaz dans la phase de réduction du procédé, ce qui réalise ainsi une consommation minimum de combustible, tout en assurant en même temps toutes les exigences chimiques et thermiques du procédé. Ce concept d'un procédé "équilibré " est remarquable en pratique et est responsable de la praticabilité technique et économique du présent procédé, comparativement aux propositions antérieures non satisfaisantes et non pratiques.
En conséquence, un but principal de l'invention est de procurer un nouveau procédé amélioré de réduction directe de minerai de fer et de fusion du fer réduit.
Un autre but de l'invention est de procurer un nou- veau procédé du type ci-avant, qui soit intéressant du point de vue économique, comparativement aux propositions antérieu- res.
Un autre but de l'invention est de procurer un nou- veau procédé " équilibré " pour là réduction de minerai de fer et la fusion du fer réduit, dans lequel les exigences thermi- ques et chimiques du procédé sont satisfai --tes avec une con- sommation minimum de combustible.
Un but supplémentaire de l'invention est de procurer une nouvelle combinaison coordonnée d'une phase de génération de gaz de fusion avec une phase de régénération de.gaz,destinée à être utilisée dans un procédé du type ci-avant.
D'autres buts et avantages de l'invention apparaîtront de la description détaillée suivante, donnée avec référence au dessin annexé qui est un schéma illustrant un procédé pré- féré de mise en oeuvre de l'invention.
D'une façon générale, l'invention englobe trois pha- ses principales de traitement : (1) une zone combinée de fusion
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et de génération de gaz, également désignée par zone de foyer, dans laquelle un combustible est brûlé avec de l'oxygène afin de fondre et de séparer le fer, du minerai réduit et de produire en même temps un gaz de combustion, (2) une zone d'amé- lioration ou de régénération, dans laquelle le gaz de combus- tion provenant de la/première zone est traité avec du compbusti- ble additionnel et de l'oxygène pour augmenter sa capacité de réduction, et (3 une zone de réduction dans laquelle du mi- nerai de fer subdivisé est mis en contact avec le gaz régénéré venant de%la seconde zone,
et de laquelle le minerai de fer ré- duit résultant est envoyé à la première zone.
Un procédé de la technique antérieure du type général ci-avant est.exemplifié par le brevet U.S.A. n 2.526.658 dans lequel un milieu ambiant oxydant est obtenu dans la zone de foyer par combustion d'un combustible avec de l'air, et en- suite les produits riches en CO2 de combustion sont dits être régénérés par réaction avec du carbone incandescent. Cependant ce type de procédé de la technique antérieure est déficient en ce qu'il est impossible de réaliser le degré requis de régéné- ration avec le carbone incandescent et qu'il en résulte qu'il y a une production inappropriée de gaz réducteur dans la phase de régénération pour pourvoir aux exigences chimiques dans la : 'zone de réduction.
Il en résulte qu'il est nécessaire d'ajouter du carbone à la charge de minerai de manière qu'une partie de la réduction soit réalisée par réaction avec le carbone ajouté et qu'une partie de la réduction soit réalisée par le gaz ré- ducteur provenant de la zone de régénération. Comme la réduc- tion du minerai avec le carbone exige une température opéra- toire relativement plus élevée, il devient également néces- saire de fournir un supplément de chaleur grâce à des brûleurs
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.distincts dans la zone de réduction.
Même la substitution d' oxygène à l'air dans la phase de combustion à la zone de foye ne peut pas surmonter la déficience inhérente de chaleur du procédé; à cause de la perte de la chaleur sensible du content en azote de l'air, et la seule manière par laquelle le défi- cience de chaleur peut être surmontée réside dans la combus- tion de quantités excessives de combustible à la fois dans la zone de foyer et la zone de réduction.
D'autres procédés suggérés précédemment en pratique ont visé à régler la combustion du combustible dans la zone de foyer de manière que la flamme et ses produits de combus- tion soient de type réducteur, c'est-à-dire que le carbone du combustible est principalement brûlé en CO. Par exemple, dans le brevet U.S.A. n 2.750.277, on envisage que les pro- duits de combustion aurons un rapport CO/CO2 non inférieur à 2 et un rapport H2/H2O non inférieur à 1. La théorie de tels procédés de la technique antérieure est probablement que le ga , riche en CO produit dans la zone de foyer peut être utilisé @ directement dans la réduction de minerai de fer sans nécessité d'une régénération ou d'un enrichissement intermédiaires.
Ce- pendant, la demanderesse a trouvé que, dans un tel système, il devient nécessaire de consommer des quantités excessives de combustible et d'oxygène dans la zone de foyer afin de sa- tisgaire aux exigences thermiques de l'opération de fusion et, de plus, il résulte de la grande consommation de combustible qu'il y a une production énorme de gaz. Le coût élevé du com- bustible et de, l'oxygène et les dimensions accrues de l'instal lation pour traiter le grand volume de gaz dans le système rendent le procédé non intéressant et non.pratique du point de vue économique.
'De la sorte, les procédés de la technique antérieure qui prétendent procure une opération complète de réduction
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directe et de fusion pour la production de fonte en fusion à partir de minerai de fer ont été caractérisés, soit par ure dé- ficience de chaleur et de capacité de réduction, soit par une consommation excessive de combustible et une production exces sive de gaz.
La demanderesse a trouvé qu'en admettant une cer- taine combinaison critique de conditions opératoires et de pro cessus, il est possible de réaliser une opération équilibrée dans la.quelle toutes les exigences thermiques et chimiques des phases de fusion et de réduction peuvent être satisfaites avec une consommation minimum de combustible et d'oxygène et sans rencontrer une déficience ou une production excessive de gaz ra réducteur. Comme cela apparaît ci-après, le présent procédé n'exige pas l'introduction de carbone extérieur ou la combus- tion de combustible supplémentaire dans la zone de réduction.
Au contraire, les exigences chimiques et thermiques de la zone de réduction sont entièrement satisfaites par la capacité réductrice et la chaleur sensible du gaz de combus- tible régénéré venant de la zone de foyer. De plus, le présent procédé procure une chaleur appropriée dans le foyer sans con- sommation excessive de combustible et d'oxygène. La combinai- son critique des conditions requises pour réaliser un procédé équilibré de ce type sera maintenant décrite.
ZONE DE FOYER
La demanderesse a trouvé qu'il est impossible de sa- tisfaire aux exigences thermiques de l'opération de fusion d'un point de vue pratique économique, à moins que la combus- tion du combustible ne soit suffisamment complète pour produire une quantité importante de CO2. Si on vise à fournir la cha- leur requise pour la fusion par combustion du combustible uni- quement en CO, des quantités excessives de combustible et d'o- xygène sont alors consommées et un volume excessif de gaz doit être traité. Dans la présente'invention, on doit avant tout
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employer un combustible carboné ou hydrocarboné ayant un rapport atomique H/C de moins de 3.
Bien que des gaz et des -liquides hydrocarbonés satisfaisant à cette exigence puissent être uti- lisés, le combustible préféré est un combustible carboné solide, tel que de l'anthracite, du charbon gras, de la lignite, de la.tourbe ou du coke. D'une façon générale, du charbon pulvéri- sé est le combustible préféré. La raison de la limitation ci- avant du rapport H/C du combustible est d' é,viter une réduc- tion indésirable de la luminosité de la flamme et la réduction résultante du transfert de chaleur dans le foyer. De plus, il est désirable de minimiser la quantité de H2O et de H2 dans le gaz réducteur pour des raisons expliquées plus en long ci- après.
Il est également nécessaire que le gaz oxydant pour le combustible dans la zone de foyer contienne au moins 85% d'oxygène. Normalement, on préfère employer une qualité com- merciale d'oxygène libre qui peut être d'une pureté d'environ 99%, mais il entre également dans les visées de l'invention d'utiliser de l'air enrichi en oxygène ou un autre gaz inerte mélangé à de l'oxygène pourvu que la teneur totale en oxygène soit d'au moins 85%. Du charbon sous forme granulaire ou pul- vérulente peut être brûlé avec l'oxygène dans la zone de foyer grâce à des brûleurs convenables dont divers types sont bien connus en pratique.
Pour obtenir l'opération équilibrée désirée, il est essentiel que les quantités relatives de combustible et d'oxy, gène et les autres conditions de combustion dans la zone de foyer soient réglées de telle sorte que le .gaz de combustion ait un rapport CO2/CO d'environ 0,7 à environ 3 avec le résul-.
@ tat que le gaz est oxydant pour le fer. Sous ces conditions, on obtient une température d'environ 1595 C à environ 1925 C
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dans la zone de foyer, et le chaleur de combustion est suffi- sante pour assurer une fusion du fer dans les particules de mi, nerai, réduit de manière à séparer le fer, de la gangue du mine rai. De plus, l'existence d'une atmosphère oxydante dans la zone de foyer a pour résultat un degré sensiblement plus éle- vé d'enlèvement de silicium que ce n'est possible dans le haut fourneau habituel. Si le rapport CO2/CO dans la zone de foyer est inférieur à la limite inférieure donnée ci-avant, qui est de 0,7, une déficience en chaleur existera dans la zone de .foyer et l'opération équilibrée désirée est sacrifiée.
Si le rapport CO2/CO est supérieur a la limite supérieure donnée, qui est d'environ 3, les conditions oxydantes résultantes dans le foyer sont rigoureuses au point qu'il y a une rébxydation excessive de fonte en fusion et qu'une détérioration rapide du revêtement réfractaire du foyer peut également se rencon- trer. Cependant, lorsque le rapport CO2/CO est dans la gamme d'environ 0,7 à environ 3, les exigences thermiques'de la phas de fusion sont satisfaites et en même temps la consommation de combustible et la production de gaz peuvent être coordonnées avec la phase de régénération suivante pour atteindre l'équili bre global désiré.
Bien que l'atmosphère de combustion dans la zone de soit oxydante pour le fer comme signalé foyer/ci-avant, la fonte en fusion est protégée contre une ré- oxydation excessive grâce à une addition de carbone, soit du carbone extérieur, soit du carbone venant des brûleurs. On com- prendra que l'addition de carbone à la zone de foyer sera in- corporée dans la scorie qui est formée dans cette zone à par- tir de la gangue du minerai réduit et également à partir des cep- dres du charbon, lorsque le charbon est employé comme combusti- ble. On a également en vue que , des matières extérieures forma- trices de scories, telles que la pierre à chaux, etc, peuvent être ajoutées à la zone de foyer pour faciliter la formation de scories.
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ZONE DE REGENERATION
Comme le gaz de combustion venant de la zone de foyer contient une quantité importante de CO2, comme décrit ci-avant, il doit être soumis à un traitement d'amélioration ou de régé- ration avant de pouvoir être utilisé pour les besions de la réduction du minerai.
Bien que théoriquement la régénération du
CO2 puisse être réalisée par plusieurs processus différents, il est essentiel, en vue d'obtenir l'opération équilibrée qui constitue l'objectif de la présente invention, de réaliser la régénération. par introduction du gaz de foyer dans une zone de régénération où un excès de combustible est brûlé avec de l'oxy gène en mélange avec le gaz de foyer pour réaliser une réaction endothermique du CO2 et du H2O du gaz de foyer avec le carbone et l'hydrogène provenant de l'excès de combustible..En d'autres mots, une partie du combustible introduit à la zone de régéné- ration est brûlée avec de l'oxygène pour procurer de la chaleur pour les-réactions de régénération endothermiques,
et la. teneur en carbone et en hydrogène d'une autre partie du combustible introduit à la zone de régénération réagit de façon endo- thermique avec le CO2 et le H2O pour obtenir respectivement du CO et du H2. En même temps, la température du gaz de combus- tion venant de la zone de foyer est diminuée de façon appré- ciable. Par exemple, la température dans la zone de régénérai tion et la température du gaz effluent régénéré peu ent d'en- viron 1040 C à environ 1315 C. Comme c'était le cas dans la zone de foyer, le combustible préféré pour l'opération de régé- nération est du charbon pulvérisé et le gaz riche en oxygène préféré est de l'oxygène libre de qualité commerciale.
Afin d'assurer une capacité réductrice appropriée sans volume excessif de gaz, il est essentiel que la teneur en CO2 du gaz de foyer soit diminuée dans la phase de régénération jusqu'au point que le gaz régénéré ne contient pas.plus d'en- viron 10% de CO2 avec un rapport CO/CO2 d'au moins environ
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7, de préférence pas plus d'environ 5% de CO2 avec' un rapport CO/CO2 d'au moins environ 10. De plus, il est également impor tant que la teneur en hydrogène des gaz régénérés soit limi- tée autant que possible .Suivant la nature du combustible qui est brûlé dans la zone de foyer et dans la zone de régénéra- tion, une certaine quantité d'hydrogène sera présente dans le gaz régénéré.
De même, toute humidité présente dans le gaz de foyer peut être réduite par réaction avec du carbone dans la zone de régénération, corme expliqué) pour former de l'hydro- gène supplémentaire. Cependant, en veillant au choix et à la préparation du combustible, il est possible d'éviter la présen- ce de quantité excessives d'hydrogène dans les gaz régénérés.
Comme limite supérieure,.le rapport H2/CO ne devrait en aucun cas être supérieur à environ 1, et on préfère que ce rapport ne soit pas supérieur à environ 0,5. Pour des considérations stoechiométriques et thermodynamiques, on a trouvé que l'utili- sation optimum de gaz, c'est-à-dire, le pourcentage de gaz ré- ducteur qui est consommé par réaction avec de l'oxyde de fer, est réalisée à une température de réaction inférieure pour des mélanges riches en CO, et que la température de réaction pour l'utilisation optimum de gaz augmente avec la teneur croissante d'hydrogène dans le gaz réducteur.
De plus, la réac tion de l'oxyde de fer avec le H2 est endothermique, tandis que la réaction de l'oxyde de fer avec le CO est légèrement exothermique, de sorte qu'une charge non nécessaire de chaleur est imposée sur la zone de réduction ai le rapport H2/CO est trop élevé dans le gaz réducteur. De même, si-la teneur en hy- drogène du gaz réducteur est trop, élevée, la réaction du CO2 avec le H2 produit de grandes quantités d'eau qui sont perdues lorsque le gaz est nettoyé ou réagissent pour produire plus de CO2 lorsque la température est abaissée durant l'utilisation
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ultérieure du gaz dans la zone de réaction.
L'opération coordonnée d'une zone de foyer et d'une zone de régénération de la manière décrite ci-avant est es- sentielle afin d'obtenir une opération équilibrée dans la- quelle les exigences thermiques et chimiques du procédé sont satisfaites sans consommation excessive de combustible ou d'oxygène et avec une production optimum de gaz. On a trouvé suivant l'invention que la seule manière par laquelle cet équi- libre peut être atteint consiste à utiliser une phase de ré- génération du type décrit, dans laquelle, dans sa forme pre- férée, un excès de charbon est brûlé avec un gaz riche en oxygène en mélange avec le gaz' de combustion venant de la zone foyer, ayant un rapport CO2/CO d'environ 0,7 à environ 3.
Par exemple, si les conditions du foyer sont telles que la zone de combustion a un rapport CO2/CO voisin de la limite inférieure d'environ 0,7, la quantité de CO2 à régénérer dans la zone de régénération est moindre et la consommation de charbon et d'o- xygène dans cette zone est diminuée mais en même temps une consommation accrue de charbon et d'oxygène est nécessaire dans la zone de foyer afin de satisfaire aux exigences thermi- ques de cette zone.
D'autre part, si le foyer est mis en fonc- tionnement de manière que le rapport CO/CO du gaz de combus- tion soit voisin de la limite supérieure d'environ 3, les exi- gences en combustible du foyer sont considérablement réduites mais une quantité accrue de combustible doit être brûlée dans la zone de régénération pour réaliser une régénération de la plus grande quantité de CO2 dans le gaz de foyer.
Cependant, sur toute la gamme de 0,7 à 3 pour le rapport CO/CO, la con- sommation combinée de combustible et la consommation'combinée ,d'oxygène pour le foyer et la zone de régénération sont sensi- blement constantes et, de même, la production combinée de gaz du foyer et de la zone de régénération est pratiquement cons-
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tante.
C'est seulement grâce à la technique de régénération décrite ici qu'il est possible de faire fonctionner la zone de foyer de manière à satisfaire aux exigences thermiques du foyer sans rencontrer de conditions de foyer oxydantes de façon excessive.-, tout en procurant en même temps une quantité optimum de gaz de foyer régénéré ayant une capacité réductrice et une chaleur sensible appropriée pour réaliser les réactions ultérieures de réduction dans la zone de réduction.
ZONE DE REDUCTION
Dans la phase de réduction du procédé, de l'oxyde de fer subdivisé ou granulaire est mis en contact avec le gaz ré- généré à une température d'environ 480 C à environ.98500 et à une pression atmosphérique ou légèrement supérieure. Les mine- rais qui peuvent être utilisés dans le' procédé sont les mine- rais de fer bien connus, notamment l'hématite, la magnétite et d'autres, qui peuvent conenir environ 5 à 45% en poid.s de matières formant gangue, spécialement de la silice et de l'alu- mine. D'autres minerais semblables au minerai de fer, tels que des minerais de fer-manganèse, peuvent également être utilisés.
Il entre également dans le cadre de l'invention de charger à la zone de réduction, d'autres matières d'oxyde de fer, telles que des se crises de laminoir.
Dans le mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, le minerai de fer subdivisé et le gaz réducteur sont mis en contact dans une opération à contre-courant, le minerai se dé- plaçant de haut en bas de manière continue tandis que le gaz réducteur s'élève à travers ce minerai. Bien que le contact à contre-courant du minerai de fer subdivisé avec le gaz réduc- teur puisse être mené sous des conditions dites fluidifiées, dans lesquelles la vitesse du'gaz ascendant est suffisante pour assure'r un état de fluide turbulent au lit de particules soli- des, cet état ressemblant sous beaucoup de rapports à un liquide
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en ébullition, on préfère faire fonctionner la zone de réduc- tion comme un simple lit mobile non fluidifié,
dans lequel la - vitesse du gaz réducteur ascedant est maintenue inférieure à la vitesse de débit de fluidification, en n'excédant pas de préférence environ 80% de la vitesse requise pour cette fluidi- fication.
Dans la zone de réduction, la réduction d'oxyde de fer est réalisée entièrement par réaction avec du CO et du H2 dans le gaz réducteur et la chaleur de réaction est fournie pratiquement totalement par la chaleur sensible contenue dans le gaz réducteur. De la sorte, le minerai de fer subdivisé alimenté à la zone de réduction peut être pratiquement exempt de carbone, et l'addition de carbone extérieur à la charge de minerai, qui étais requise dans certains procédés de la techni. que antérieuren'est pas nécessaire. De plus, la combustion de combustible dans la zone de réduction pour fournir la chaleur nécessaire aux réactions de réduction n'est pas nécessaire non plus.
Les particules de minerai effluents ve- nant de la zone de réduction, comprenant du fer réduit, de la gangue et une certaine quantité d'oxyde de fer non réduit, sont envoyées de la zone de réduction à la zone de foyer. Le gaz réducteur effluent de teneur amoindrie en CO et H2 est enlevé de la zone de réduction et peut être utilisé comme combustible ou pour-d'autres besoins suivant la teneur en CO et H2 qui n'ont pas été consommés. Par réglage des conditions opératoires dans la zone de réduction, telles que la température et la durée de séjour, une utilisation très importante de la capaci- té de réduction du gaz peut être réalisée.
Le degré ou quantité de réduction d'oxyde de fer dans la zone de réduction est,de préférence, limité de manière que le fer total (c'est-à-dire, fer réduit + teneur de fer de
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l'oxyde de fer non réduit) dans les solides qui sont alimentés de la zone de réduction à la zone de foyer comprenne environ 5 à 35% en poids d'oxyde de fer ou FeO non réduit. De préfé- rence, la quantité d'oxyde de fer ou FeO non réduit devrait être d'environ 10 à 25% en poids. En d'autres mots, la zone de réduction devrait être mise en fonctionnement de manière qu'environ 65 à 95% en poids, de préférence environ 75 à 90%, du fer- total dans les solides alimentés à la zone de foyer soient présents sous forme de fer réduit.
Cette caractéristi- que est importante dans la réalisation de l'opération équili- brée désirée car elle influence la quantité de gaz produit et la consommation de combustible et d'oxygène. Par exemple, si on essaie de réaliser la réduction de l'oxyde de fer prati- quement totalement dans la zone de réduction, les exigences en chaleur du foyer sont alors diminuées au point que la combu tibn d'une quantité suffisante de combustible pour réaliser la fusion seule ne produira pas suffisamment de gaz pour réali ser le degré désiré de réduction dans la zone de réduction.
En conséquence, un excès de combustible devrait être brûlé dans la zone de foyer ou dans la zone de régénération. D'autre part, si le degré de réduction dans la colonne de réduction est inférieur à celui spécifié ci-avant, les exigences en cha- leur du foyer pour réaliser à la fois la fusion et la réduc- tion ultérieure sont si grandes que le combustible brûlé pro- duit un volume plus grand de gaz que ce n'est nécessaire pour satisfaire aux exigences chimiques de la zone de réduction.
Comme mentionné ci-avant, une matière carbonée ou hydrocarbonée est introduite dans la zone de foyer pour proté- ger la fonte en fusion contre une réoxydation. Cette addition de matière carbonée ou hydrocarbonée réalise en outre une nou- vellë réduction, qui est pratiquement totale dans la plupart
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des cas, de l'oxyde de fer non réduit alimenté à'la zone de foyer. Le carbone ajoute peut consister en toute forme conve- nable de matière carbonée solide, telle que coke, charbon ou graphite, mais du charbon pulvérisé conviendra habituellement le mieux et sera le plus économique. L'introduction du car- bone est, de préférence, réalisée en l'ajoutant directement à la zone de foyer, soit seul, soit en mélange avec les solides alimentés de la zone de réduction.
Cependant, l'introduction de carbone dans la zone de foyer peut également être réalisée sous certaines conditions par contrôle des brûleurs à charbon- oxygène dans la zone de foyer, de manière à obtenir une dimi- nution de l'excès de charbon non brûlé. Dans l'un et l'autre cas, le carbone ajouté est rapidement assimilé dans le système scorie-métal liquide et, sous les conditions de haute terapé- rature existant dans la zone de foyer, la réduction suivante désirée de l'oxyde de fer est rapidement réalisée et la pro- tection désirée de la fonte en fusion contre une réoxydation . est également obtenue. De plus, le carbone ajouté à la zone de foyer peut également réaliser une carburation de la fonte en fusion pour donner un produit de la teneur désirée en carbone.
Par exemple, en limitant ,le degré de carburation, on peut obte- nir une fonte en fusion ayant une teneur en carbone de 1% en poids ou moins, ou bien, si de plus grandes quantités de car- bone sont introduites, on peut obtenir une fonte en fusion ayant 2 à 4% en poids de carbone comme produit final du pro- cédé.
DESSIN
En se référant au dessin, un agencement particulier d' appareil pour la mise en oeuvre du procédé sera maintenant dé- crit. Dans la forme de réalisation illustrée, la zone combinée de fusion et de génération de gaz consiste en un foyer ou
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creuset 10 à revêtement retraduire, dans lequel le minerai de fer réduit est alimenté par un conduit de décharge 11 en provenance d'une colonne de réduction 12.
Dans le foyer 10, du charbon est brûlé avec l'oxygène introduit sous forme d'un' mélange préformé, en 13. Comme décrit ci-avant en détail, les conditions de combustion sont réglées pour assurer une atmos- phère oxydante dans laquelle le gaz de combustion a un rapport CO2/CO d'environ 0,7 à 3, et la température dans le foyer 10 peut être d'environ 1595 à 1925 C.
La fonte en fusion,dans le foyer 10 est désignée par 14 et la nappe de scorie surnageante est désignée par 16.
La fonte en fusion et la scorie peuvent être enlevées'du foyer 10 respectivement par les conduit 17 et 18.
Le gaz de combustion venant du foyer 10 passe par un conduit. 19 vers un gazéificateur de charbon ou appareil de régénération 21 auquel sont alimentés de l'oxygène et un excès de charbon par un conduit 22. Le carbone issu d'une partie du charbon alimenté en 22 réagit avec le CO2 du gaz de combus- tion alimenté en 19, et les exigences en chaleur endothermiè que pour les réactions de réduction sont fournies par la chaleur / sensible du gaz de combustion complétée par la chaleur supplémentaire développée dans l'appareil de régénération 21 par combustion d'une autre partie du charbon fourni par le conduit 22.
Comme du charbon est brûlé dans l'appareil de régé- nération 21, de la cendre résiduaire est laissée dont une par- tie peut être enlevée par un conduit 20 sous forme d'une scorie liquide ou semi-solide, et dont le restant est emporté par le gaz régénéré sortant par un conduit 23. Comme décrit ci- avant, le degré de régénération réalisé dans la zone 21 ne contient pas plus d'environ 10% de C02 avec un rapport CO/CO2 d'au ..moins environ 7, de préférence pas plus d'environ 5%
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de CO2 avec un rapport CO/CO2 d'au moins environ 10. De plus, corme décrit également précédemment, le rapport H2/CO dans le gaz enlevé par-le conduit 23 ne devrait pas être supérieur à environ 1, de préférence non supérieur à environ 0,5.
A cause des réactions endotheruiques réalisées dans l'appareil de régénération 21, la température du gaz régénéré est sensiblement inférieure à la température du gaz de foyer; par exemple, le gaz riche en CO déchargé en 23 peut être à une température d'environ 1040 à 1315 C. Avant que ce gaz ne puisse être employé dans la colonne de réduction 12, il doit être refroidi encore et doit également être traité en vue de l'enlèvement de la cendre de charbon entraînée.
Bien qu'un appareil de nettoyage de gaz, tel qu'un séparateur à cyclone ou un appareil de précipitation électrostatique, puisse être utilisa pour réaliser l'enlèvement de cendres, le dessin mon- tre, à titre d'illustration, un laveur à eau 24 qui réalise un enlèvement très complet de cendres de charbon mais exige un refroidissement préliminaire du gaz chaud. De ce fait, le gaz chaud passe du conduit 23 par un échangeur d chaleur 26 où le gaz est refroidi jusqu'à une température de l'ordre de 260 à 315 C/et est ensuite introduit par un conduit 27 vers la base du laveur 24. De l'eau ou un autre agent de nettoyage aqueux ou liquide sont introduits au sommet du laveur par un conduit 28 en vue d'un contact à contre-courant avec le gaz réducteur'.
Si on le désire, le liquide de lavage introduit pa le conduit 28 peut également comprendre un réactif ou solvant chimique, tel que de la monoéthanolamine, en vue d'un élève- ment sélectif d'autres quantités de CO2 à partir du az. Le liquide de lavage effluent est enlevé du laveur 24 par un con- duit 29 pour être rejeté, pour être remis er circulation ou pour'être récupéré, suivant le cas.
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Pour des raisons pratiques de simplification de la construction du foyer et de facilité de l'accès au foyer, on préfère habituellement.que la zone de foyer 10 soit mise en fonctionnement à une pression pratiquement atmosphérique. Sou de telles circonstances, il est nécessaire de prévoir une pompe ou un compresseur à gaz dans le système afin de réaliser le passage du gaz à travers les divers stades du procédé et spé- cialement par la colonne de réduction 12.
C'est ainsi que , '' dans le présent cas, le gaz réducteur propre effluent venant . du laveur 24 passe par un conduit 31 vers un compresseur 32 et, de là, par un conduit 33 vers l'échangeur de chaleur 26, dans lequel le gaz nettoyé et refroidi préalablement est ré- chauffé jusqu'à une température de réaction convenable d'envir@
480 à environ 1040 C. Le gaz Réducteur réchauffé passe ensui- te par un conduit 34 vers le fond de la colonne de réduction
12.
Avant d'être introduit dans la colonne de réduction
12, le minerai d'oxyde de fer subdivisé ou granulaire est en- voyé par un conduit 35 vers une zone de séchage et de pré- chauffage désignée par 36 en vue de l'enlèvement de l'eau li- bre et combinée associée au minerai. Suivant le,type de mine- rai impliqué et sa teneur en eau combinée, le minerai sera préchauffé jusqu'à une température d'environ 120 à 480 C dans la zone 36 et est ensuite introduit par un conduit 37 dans le haut de la colonne de réduction 12 où il descend de manière continue à contre-courant par rapport au gaz réduc- teur ascendant.introduit en 34.
Suivant le concept du procédé équilibré de la présente invention, la/chaleur sensible du courant 1 de gaz réducteur 34 est tout à fait appropriée pour satisfaire aux exigences thermiques des réactions de réduction qui s'effectuent dans la colonne de réduction 12 à une tempé. rature d'environ 4800 à environ 985 C. Le but de la phase
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de préchauffage dans la zone 36 est simplement de sécher le minerai et de contrebalancer également les pertes normales de chaleur.
Le gaz réducteur effluent est enlevé du sommet de la colonne 12 par un conduit 38 à une température d'environ 2050 à environ 540 C et peut être traité suivant les diverses techniques bien connues en pr.-tique pour la récupération de fines, Vu que le gaz de sortie enlevé par le conduit 38 con- tiendra habituellement du CO et du H2 qui n'ont pas réagi, le gaz peut être utilisé comme combustible ou pour d'autres besoins. Par exemple, ce gaz peut être brûlé pour fournir de la chaleur à la phase de séchage et de préchauffage du minerai 36.
Les solides réduits sont enlevés du bas de la colonne 12 par le conduit 11 et alimantés à la zone de foyer 10 comme décrit précédemment. Du charbon est, de préférence, ajou- té à ce stade par un conduit 39 pour fournir le carbone requis dans le foyer 10 en vue de protéger la fonte en fusion contre une réoxydation, pour achever la réduction de l'oxyde de fer non réduit dans les solides provenant de la colonne de ré- duction, et pour combiner la fonte en fusion. Bien qu'au dessi schématique illustré la fourniture de charbon introduite par le conduit 39 est mélangée avec les solides réduits du conduit 11, avant l'introduction dans la zone de foyer 10, on compren- dra que le charbon peut également être introduit directement au foyer 10 par un conduit séparé.
Comme expliqué ci-avant avec plus de détails, les exigences thermiques du foyer 10 seront affectées par la quantité d'oxyde de fer ou FeO non ré- duit dans les solides réduits alimentés par le conduit 11.
C'est ainsi que, si la quantité d'oxyde de fer non réauit ali- menté au foyer 10 est augmentée, les exigences thermiques à cause du degré supérieure de réduction du foyer sont augmentées/par la réaction avec du carbone, qui
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doit être réalisés dans le foyer mais en même temps la quantité de CO requise dans la colonne de réduction 12 est réduite de façon correspondante. D'autre part, si la quantité d'oxyde de fer non réduit alimenté au foyer 10 parle conduit 11 est dimi- nuée, les exigences thermiques pour le foyer sont également diminuées mais la quantité de CO nécessaire dans la colonne de réduction 12 augmente.
Comme signalé spécialement, on a trouvé qu'un équilibre optimum est atteint si le fer total dans les solides enlevés de la colonne 12 par le conduit 11 comprend environ 5 35% en poids d'oxyde de fer non réduit, de préfé-
En conséquence, on peut rence environ 10'à 25% en poidst/voir que l'invention procure une combinaison efficace de caractéristiques et de conditions opératoires équilibrées qui ont pour résultat un procédé glo- bal ayant un degré élevé de praticabilité et d'entérét écono- mique. L'exemple particulier suivant d'une opération complète d'après les principes précédents, illustrera et expliquera- encore l'invention.
EXEMPLE
Un appareil combiné englobant le système représenté au dessin était employé pour la réduction d'un minerai d'héma- tite de qualité élevée ayant une teneur d'environ 63% en fer et une dimension de particules d'environ moins de 3 mailles.
Sur un certain nombre de traitements ou essais expérimentaux, 1 équilibre de matière calculé, basé sur la production de 1 ton- ne de fonte de fer contenant 2% en poids de-carbone était le suivant .
Dans la zone de foyer, 253 kg de charbon gras étaient ajoutés en Liême temps que-10.540 pieds cubes standards d'oxy- gène de 99% de pureté par des brûleurs charbon-oxygène, tout en alimentant à partir de la colonne de réduction un total de 1098 kg de solides de minerai de fer réduit, dont la teneur
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totale en fer est d'environ 85% en poids de fer réduit et 15% en poids de FeO non réduit. En plus des 908 kg de fonte en fu. sion enlevés de la zone de foyer, 170 kg de scorie étaient également enlevés.
Le gaz de combustion provenant de la zone de foyer
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avait une composition noyenne de 'l-15,7 de 00, de 3567b de C021 de 24,2% de H 0 et de Lr, 5; de ii2. Un total de 17.o6o pieds cubes standards de ce gaz de combustion à une température de 1925 C était introduit dans l'appareil de régénération, dans lequel 550 kg supplémentaires de charbon gras étaient brûlés avec 8560 pieds cubes standards d'oxygène à 99%. Un total de 54.200 pieds cubes standards de gaz réducteur amélioré était enlevé de l'appareil de régénération à une température de 1205 C avec une composition de gaz comme suit : 66,3 % de CO, 5%
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de C02, 24% de H2 et 4,77& de H20.
Le gaz réducteur en'00 à 1205 C était envoyé de l'ap- pareil de régénération à travers l'échangeur de chaleur et y était refroidi jusqu'à 315. C le gaz refroidi était lavé avec de l'eau, et un total de 55.000 pieds cubes standards de gaz lavé à l'eau et exempt de candre'à 38 C était introduit au c8té d'aspiration du compresseur. A ce stade, la composition
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du gaz est la suivante : 65,5% de 00, 4,;ô de COp, 23,2jô de H2 et 6,5% de H2O.
Le gaz de décharge venant au compresseur à une pres- sion de 1,05 kg/cm2 et à une température de 65 C était envoyé à travers l'échangeur de chaleur dans lequel le gaz était réchauffé jusqu'à 815 C, et ensuite passé dans la colonne de réduction à contre-courant (et sans fluidification) par rapport au lit descendant du minerai de fer subdivisé. Le minerai était préchauffé jusqu'à 205 C avant d'être introduit dans la colonne de réduction, et mis en contact avec les gaz réduc- teurs à 815 C.
Un total de Il,,30 kg de minerai préchauffé était
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passé à travers la colonne de réduction et la composition du minerai de fer réduit, tel que chargé à la zone de foyer en provenance de la colonne de réduction, était environ la suivante (% en poids) : 67,9% de Fe métallique, 17,7% de FeO,
11,1% de SiO2 et 3,3% de Al2O3. Les gaz réducteurs "épuisés" effluents déchargés de la colonne de réduction à une tempéra- ture de 315 C avaient la composition suivante : 34,8% de CO2,
31,2% de CO, 23,4% de H et 10,6% de H2O.
Bien que l'invention ait été décrite en se référant à certaines formes de réalisation particulières, à titre d'il- es lustration, il sera entendu que divers variantes et équivalents peuvent être prévus sans sortir du cadre du présent brevet.
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