FR2486962A1

FR2486962A1 - Procede pour reduire la consommation d'agents reducteurs dans un appareil de reduction-fusion des minerais metalliques, notamment dans un haut-fourneau siderurgique

Info

Publication number: FR2486962A1
Application number: FR8015765A
Authority: FR
Inventors: Lucien De St-Martin; Yann Delassat De Pressigny
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
Priority date: 1980-07-15
Filing date: 1980-07-15
Publication date: 1982-01-22
Also published as: FR2486962B1

Abstract

PROCEDE POUR REDUIRE LA CONSOMMATION D'AGENT REDUCTEUR D'UN APPAREIL DE REDUCTION-FUSION DES METAUX A PARTIR DE LEUR MINERAI, NOTAMMENT UN HAUT FOURNEAU SIDERURGIQUE. LE PROCEDE SELON L'INVENTION SE CARACTERISE EN CE QUE LE VENT SOUFFLE HABITUELLEMENT AUX TUYERES DE L'APPAREIL 1 EST SUPPRIME ET REMPLACE PAR LE GAZ DE GUEULARD PRODUIT PAR LEDIT APPAREIL QUE L'ON RECYCLE INTEGRALEMENT APRES UNE PURGE 5 ET DECARBONATION AU MOINS PARTIELLE 6 ET QUE L'ON PRECHAUFFE AVANT REINJECTION A UNE TEMPERATURE PERMETTANT UN FONCTIONNEMENT NORMAL DE L'APPAREIL. CE PRECHAUFFAGE PEUT ETRE MODERE (1000C) ET, DANS CE CAS, ON INJECTE, CONJOINTEMENT AUDIT GAZ, DE L'OXYGENE PUR D'APPOINT. LE FONCTIONNEMENT DU FOUR PEUT EGALEMENT ETRE ASSURE UNIQUEMENT PAR LE GAZ RECYCLE QUI EST ALORS FORTEMENT PRECHAUFFE (2700C) PAR DES MOYENS APPROPRIES TELS QUE DES TORCHES A PLASMA, A LA PLACE DES TUYERES DE L'APPAREIL. LE PROCEDE ASSURE, NON SEULEMENT UNE REDUCTION DE LA CONSOMMATION D'AGENTS REDUCTEURS COMME LE COKE, MAIS EGALEMENT UNE SOLUTION DEFINITIVE AU PROBLEME DE L'UTILISATION DES EXCEDENTS DE GAZ DE GUEULARD NOTAMMENT, AINSI QU'UNE POSSIBILITE D'UTILISATION MASSIVE DE L'ENERGIE ELECTRIQUE AU HAUT FOURNEAU SIDERURGIQUE EN PARTICULIER.

Description

PROCEDE POUR REDUIRE LA CONSOMMATION D'AGENTS REDUCTEURS DANS UN APPAREIL
DE REDUCTION-FUSION DES MINERAIS METALLIQUES,
NOT4MENT DANS UN HAUT FOURNEAU SIDERURGIQUE
La présente invention se rapporte à la production de métaux fondus dans un appareil de réduction-fusion des minerais, notamment un haut fourneau sidérurgique et concerne plus précisément des opérations de conduite de l'appareil permettant de réduire la consommation des agents réducteurs et énergétiques utilisés comme le coke notamment.

On sait que, malgré les progrès considérables réalisés au cours des vingt dernières années et qui ont permis notamment d'atteindre un rendement thermique excellent, de l'ordre de 90 % et plus, la part prise par le haut fourneau dans la consommation d'énergie de la sidérurgie, notamment sous forme d'agents réducteurs, reste importante (près de 50 % > .

En particulier, le haut fourneau présente l'inconvénient de produire en grande quantité un gaz de gueulard à faible pouvoir calorifique (75 % de
N2 + CO2) dont la valorisation reste difficile et qui provient de surcroit d'une consommation dans l'appareil de combustibles nobles, tels que le coke et dans une proportion moindre le fuel-oil. Ce gaz est actuellement utilisé, en partie, pour la couverture des besoins internes des usines, les excédents étant généralement brûlés dans des centrales thermiques.

D'un autre côté, le développement de l'électro-nucléaire, qui va probablement, à court ou moyen terme, modifier en profondeur le contexte énergétique de nombre de pays développés, et de la France en particulier, incite à réfléchir à de possibles modifications du schéma classique de fonctionnement du haut fourneau pour au moins deux raisons majeures
- l'utilisation de gaz de gueulard dans les centrales thermiques devrait voir sa rentabilité chuter très fortement, si ce n'est disparaltre.

I1 serait donc opportun de chercher à en limiter les excédents
- dans un futur relativement proche, le coût de l'électricité, au moins durant certaines périodes de l'année, devrait être inférieur à celui des autres sources d'énergie, ce qui devrait donner un certain attrait aux techniques permettant son utilisation plus ou moins massive dans les unités grosses consommatrices, comme celle du haut fourneau en particulier.

Le but de la présente invention est de réduire la consommation des agents réducteurs utilisés dans un haut fourneau sidérurgique en particulier, et dans tout appareil de réduction-fusion des métauxà partir de leur minerai, en général, en résorbant la totalité des gaz sortant de l'appareil.

Un autre but est l'utilisation massive de l'énergie électrique dans les appareils du type précité.

Avec ces objectifs en vue, l'inventiln a pour objet un procédé pour réduire la consommation d'agents réducteurs dans un appareil de réductionfusion des métaux à partir de leur minerai, notamment dans un haut fourneau sidérurgique, caractérisé en ce que l'on supprime le vent soufflé aux tuyères et on le remplace par le gaz produit par ledit appareil, que l'on recycle intégralement dans ce dernier après en avoir éliminé au moins partiellement le gaz carbonique et pratique une purge, de manière à maintenir à une valeur désirée la teneur du gaz recyclé en éléments inertes, comme l'azote en particulier, et en ce que l'on préchauffe ledit gaz-avant son injection dans l'appareil, de façon à régler la température de la zone d'élaboration à un niveau assurant un fonctionnement normal de l'appareil.

Selon une caractéristique de l'invention, on assure un fonctionnement normal de l'appareil en préchauffant modérément le gaz avant sa réinjection, à une température de l'ordre de 600 - 1 300"C et en ce que lTon le réinjecte dans l'appareil, conjointement avec de l'oxygène pur d'appoint.

Conformément à une autre caractéristique, on assure un fonctionnement normal de l'appareil en préchauffant le gaz à très haute température, de l'ordre de 2 700 C et plus, par utilisation massive d'énergie électrique, notamment au moyen de torches à plasma, avantageusement disposées sur l'appareil à la place des tuyères à vent.

Comme on le comprend, l'invention consiste en un recyclage intégral du gaz qui sort de l'appareil et à définir les conditions opératoires qui rendent un tel recyclage compatible avec un fonctionnement normal et de préférence optimal, de l'appareil. Ces conditions sont essentiellement de deux ordres : celles qui portent sur l'appareil lui-même et d'autres qui concernent plus précisément le gaz recyclé.

Le gaz recyclé doit avant tout présenter une composition régulière en ses éléments. I1 s'agit donc en premier lieu d'éviter le phénomène d'accumulation, par répetition des cycles, des éléments neutres du gaz, l'azote en particulier, et des gaz de réactions qui n ont plus d'utilité, à savoir le gaz carbonique notamment (GO2).

Le gaz sortant de l'appareil doit donc avant d'être réinjecté, subir un traitement d'épuration qui comprend une élimination du C02 produit dans l'appareil et une purge pour l'évacuation des éléments inertes, comme l'azote.

A cet regard, on comprend qu'il est nécessaire de minimiser les entrées d'azote pour que l'enrichissement du gaz en éléments inertes puissent être contrebalancé par une purge aussi faible que possible. L'azote ne doit donc plus être apporté en permanence par le vent insufflé aux tuyères, lequel par conséquent, est supprimé.

L'elimination du C02 formé peut se faire par tout traitement approprié connu, par exemple par passage du gaz dans une solution de potasse ou de méthylamine, etc...

Les conditions opératoires liées à la marche de l'appareil consistent à assurer la couverture des besoins thermiques de celui-ci, de manière à produire la quantité voulue de métal fondu (fonte).

Conformément à l'invention, ces besoins thermiques, en l'absence du vent chaud, sont couverts par un préchauffage du gaz recyclé qui peut s opérer de diverses façons possibles, en particulier
- par un préchauffage modéré du gaz recyclé, complété par une production de chaleur "in situ", dans la zone d'élaboration elle-meme, grâce à la combustion d'une partie du coke obtenue au moyen d'une injection d'oxygène pur d'appoint,
- ou par un simple préchauffage du gaz recirculé, mais à très haute température cette fois qui, actuellement, est possible technologiquement par l'utilisation massive d'énergie électrique dans des torches à plasma montées sur le four, avantageusement à la place des tuyères à vent, dans le cas de fours preexistants.

L'invention permet ainsi de résoudre dénifitivement le problème du placement du gaz de gueulard. Elle permet également, comme on va le voir de façon plus précise, de diminuer fortement la consommation en coke du haut fourneau à la tonne de fonte produite, puisque les seules sorties de l'appareil en sous-produits gazeux sont constituées par du gaz carbonique, -c'est-à-dire un gaz sous une forme totalement oxydée, qui n'est plus valorisable, au moins sur le plan énergétique.

L'invention assure ainsi un rendement chimique du coke pratiquement égal à 100 %. En réalité, ce rendement n'est pas égal à 100 % en raison de la purge nécessaire du gaz en ces éléments neutres avant recyclage, qui entraîne inévitablement une légère perte en gaz réducteur utile, à savoir l'oxyde de carbone en particulier (CO).

L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages ressortiront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre purement illustratif et en référence aux tableaux 1, 2 et 3 et aux figures 1 et 2 annexées. Cette description montre en détail deux marches d > un haut fourneau sidérurgique à recyclage intégral du gaz de gueulard, respectivement avec préchauffage modéré du gaz combiné à un apport d'oxygène pur en appoint (tableau 2 et figure 1), et avec préchauffage à haute température du gaz dans des torches à plasma montées sur l'appareil en lieu et place des tuyeres classiques de soufflage du vent (tableau 3 et figure 2).

Auparavant, on a indiqué, dans le tableau 1, les caractéristiques d'une marche classique du haut fourneau qui servira de référence pour la comparaison des résultats.

1 ) Marche avec recyclage du gaz prech~uffage modéré et aEport d' 2 Eur
Les données et résultats sont consignés dans le tableau 2 ci-après. Le schéma de principe est donné sur la-figure 1. Au cours d'une période transitoire nécessaire à l'établissement d'un régime permanent de recirculation du gaz dans le haut fourneau 1, le vent soufflé aux tuyères 2 est peu à peu remplacé, jusqu'à suppression complète, par un débit progressif de gaz de gueulard jusqu'à recyclage intégral de celui-ci, accompagné au niveau des tuyères par un apport d'oxygène d'appoint.

Parvenu à ce stade, le haut fourneau fonctionne selon les caractéristiques de marche suivantes
Le gaz de gueulard sort par l'extrémité supérieure 3 de l'appareil avec un débit de 1 365 normaux mètres cubes par tonne de fonte (Nm3/tF) et sous une température voisine de 12Q C. Après un traitement classique 4 de dépoussiérage et d'évacuation des boues obtenues, le cycle de recirculation commence par une purge 5 du gaz suivie en 6 d'une élimination quasi-totale du CO2. Ces deux opérations consécutives permettent globalement de faire passer les teneurs du gaz, en Azote de 13 à 20 % environ, en CO2 de 37 à 5 %, et en CO de 50 à 75 % environ.

Le gaz est ensuite préchauffé jusqu'à@ @ 0000C par des moyens classiques 7, par exemple et de façon avantageuse, dans les cowpers existants alimentés en gaz de cokerie. Il est alors envoyé dans les tuyères 2 du four. Le débit total de gaz de gueulard ainsi recyclé est alors de 900 Nm3/tF.

Il est accompagné par une injection d'oxygène pur et froid sous un débit relatif de 20 z soit 180 Nm3/tF environ. Dans ces conditions, la température de la zone d'élaboration mesurée au nez des tuyères (température de flamme) s'élève à 1 8550C grâce à la combustion d'une partie du coke de la charge par I'oxygène pur injecté. Le gaz transite ensuite à contre-courant au travers de la charge du four avec laquelle elle échange de la chaleur et réagit chimiquement pour réduire les oxydes selon les mécanismes classiques bien connus. Il ressort du gueulard 3 avec un débit initial de 1 365 Nm3/tF, et le cycle recommence.

La présence de C02 dans le gaz recirculé n'est pas une condition impérative de mise en oeuvre de l'invention. Toutefois, en raison des difficultés rencontrées pour le préchauffage d'un gaz à très haute teneur en CO comme c'est le cas ici, il est préférable de régler la décarburation de façon à laisser 5 % de CO2 résiduel dans le gaz et limiter ainsi les risques de depôt de carbone
L'exploration d'un large domaine de variations des principaux paramètres de fonctionnement de l'appareil, a montré que les conditions de marche habituelle sont respectées avec des débits de gaz recyclé de l'ordre de 800 à 1 000 Nm3/tF, à condition que ce gaz soit préchauffé jusqu a une température comprise entre 6.00 et 1 3000C environ.

Il a également pu être montré que la mise au mille du coke est à peu près indépendante du débit de gaz recyclé ou de sa teneur en CO2, mais dépend, comme on peut s > y attendre, de la température : le tableau 2 indique une valeur proche de 340 Kg/tF pour un gaz préchauffé à 1 000 C, soit un gain de mise au mille de plus de 75 Kg/tF par rapport à la marche de référence (tableau 1). Pour un préchauffage du gaz à 1 3000C, la mise au mille coke est encore abaissée jusqu'à 325 Kg/tF environ.

La présence de GO2 dans le gaz agit par contre sur la répartition de la consommation de coke : la consommation de coke dit de "régénération" (de l'oxyde de carbone selon la réaction de Boudouard) baisse environ de 25 KgttF lorsque la teneur en CO2 passe de Q à 5 %.

Si l'on se reporte maintenant au tableau 2, on voit que la quantité de coke brulé aux tuyères est sensiblement la même (240 Kg/tF environ) que celle obtenue en marche de référence avec soufflage de vent (tableau 1). La baisse de la mise au mille du coke provient donc essentiellement de la diminution de la consommation de coke de régénération, laquelle passe, comme on peut s'en rendre compte, de 1Q7 à 29 Kg/tF environ. A ce sujet, il doit être noté que le fonctionnement du four dans les conditions de l'exem- ple décrit, c'est-à-dire avec des gaz préchauffés à I 000 C et contenant 5 % de CO2 peut s'avérer parfois délicat, la consommation de coke de régénération tombant au-dessous de 30 Kg/tF, valeur généralement considérée comme une limite.

Par ailleurs, on a également pu montrer que le débit et la température du gaz de gueulard sont nettement dépendants du débit de gaz recyclé.

Compte tenu de la diminution des enfournements de coke due à l'amélioration de sa mise au mille, une même température du gaz de gueulard, à 10 % pres, est obtenue avec des débits beaucoup plus faibles que pour la marche de référence : 1 365 Nm3/tF (tableau 2) au lieu de 1 565 Nm3/tF environ (tableau 1). D'un autre côté, pour de faibles débits de gaz recyclé, par exemple 800 Nm3/tF, la température du gaz de gueulard s'abaisse nettement endessous de 100 - 1100G. La réserve de chaleur au niveau du gueulard risque alors d'être insuffisante pour assurer un bon échauffement de la charge dans les parties hautes de l'appareil. Le débit de gaz recyclé ne doit donc pas être très inférieur à une valeur de l'ordre 900 Nm3/tF.Par ailleurs, un débit de gaz recyclé supérieur 1 300 Nm3/tF environ entraîne des températures de gaz de gueulard voisines de 200"C et plus. Il y a alors trop de gaz, ce qui ne présente aucun intérêt. Que le gaz recyclé soit du CO pur, ou qu'il contienne 5 % de CO2, son débit doit donc se situer de préférence dans la plage de 850 à 950 Nm3/tF.

En ce qui concerne I'oxygène pur injecté conjointement avec le gaz recyclé, il a pu être observé que sa consommation n1 est que faiblement influencée par le débit de gaz recyclé ou par sa teneur en C02. Elle baisse par contre sensiblement (de l'ordre de 10 %) lorsque la température de préchauffage du gaz augmente de 1000 à 1 3000C.

Il doit être noté que la présence d'azote dans le gaz recyclé est inévitable et nécessaire.

En effet, même avec un recyclage intégral du gaz de gueulard, de légères entrées d'azote ont lieu immanquablement par le coke et même par l'oxygène d'appoint. Par ailleurs, la présence d'azote présente l'avantage de rapprocher la marche de l'appareil des conditions optimales pour la réduction des oxydes de fer et qui peuvent même être atteintes pour des gaz recyclés à 5 % de C02 et 20 % de N2. Une purge des gaz de gueulard en vue d'éliminer une partie de l'azote est indispensable pour éviter l'accumulation de cet élément par répétitivité du cycle de recirculation, mais on comprend l'avantage d'opérer cette purge de manière assez modérée, de façon à maintenir une teneur régulière en azote, de l'ordre de 10 à 30 %, ce qui permet, comme on l'a dit, de s'approcher des caractéristiques de marche optimale de l'appareil.

En conclusion, on observe donc que la mise en oeuvre de l'invention avec recyclage intégral du gaz de gueulard modérément préchauffé et apport d'oxygène pur aux tuyères est tout-à-fait compatible avec l'existence d'un domaine de fonctionnement habituel et même optimal du haut fourneau.

Il doit être rappelé que, dans l'exemple précédemment décrit, la totalité du gaz recyclé a été injectée aux tuyères, ce qui conduit à une température de flamme de 1 8550C seulement et à une consommation de coke de régénération à la limite de l'acceptable dans les conditions habituelles de marche d'un haut fourneau.

Il est toutefois possible de corriger la situation de plusieurs manières : soit en augmentant le préchauffage du gaz, par exemple jusqu a une température de 1 1000C, soit en.abaissant la teneur en CO2 en-decà de 5 X, soit encore en augmentant la quantité de coke brûlé aux tuyères au moyen d'une élévation du débit d'oxygène d'appoint. Bien entendu, ces possibilités peuvent être combinées entre elles.

Une autre possibilité, conformément à une variante de l'invention, consiste à répartir géographiquement le débit de gaz recyclé en l'injectant par exemple à deux niveaux distincts dans le four, pour partie aux- tuyères et le complement en bas de cuve.

Dans l'exemple considéré, on a ainsi pu montrér qu'une injection partielle de 600 Nm3/tF de gaz aux tuyères et le reste, soit 300 Nm3/tF, en bas de cuve, permet de faire remonter la température de flamme au voisinage de 2 2000C et à augmenter la consommation de coke de régénération nettement au-dessus de la valeur critique de 30 Kg/tF.

Tableau 1 : Marche de référence

Coke
<tb> - <SEP> Mise <SEP> au <SEP> mille <SEP> Kg/tF <SEP> 415
<tb> dont <SEP> : <SEP> coke <SEP> brûlé <SEP> aux <SEP> tuyères <SEP> " <SEP> 238
<tb> coke <SEP> de <SEP> régénération <SEP> " <SEP> 107
<tb> Mazout
<tb> - <SEP> Mise <SEP> au <SEP> mille <SEP> Kg/tF <SEP> 40
<tb> Vent
<tb> - <SEP> Teneur <SEP> O2 <SEP> % <SEP> 21
<tb> - <SEP> Débit <SEP> Nm3/tF <SEP> 1 <SEP> 090
<tb> - <SEP> Température <SEP> C <SEP> 1 <SEP> 230
<tb> Gaz <SEP> de <SEP> gueulard
<tb> - <SEP> Débit <SEP> Nm3/tf <SEP> 1 <SEP> 508
<tb> - <SEP> Température <SEP> C <SEP> 130
<tb> - <SEP> Analyse <SEP> : <SEP> CO <SEP> % <SEP> 20
<tb> CO2 <SEP> % <SEP> 22
<tb> N2 <SEP> % <SEP> 50
<tb> H2O <SEP> % <SEP> 3
<tb> Température <SEP> de <SEP> flamme <SEP> : <SEP> C <SEP> 2 <SEP> 235
<tb> Tableau 2 :Marche avec recyclage du gaz et injection d'O2

Coke
<tb> - <SEP> Mise <SEP> au <SEP> mille <SEP> Kg/tF <SEP> 339
<tb> dont <SEP> : <SEP> coke <SEP> brûlé <SEP> aux <SEP> tuyères <SEP> " <SEP> 248
<tb> coke <SEP> de <SEP> régénération <SEP> " <SEP> 29
<tb> Gaz <SEP> de <SEP> gueulard
<tb> - <SEP> Débit <SEP> Nm3/tF <SEP> 1 <SEP> 365
<tb> - <SEP> Température <SEP> C <SEP> 120
<tb> - <SEP> Analyse <SEP> : <SEP> CO <SEP> % <SEP> 50
<tb> CO2 <SEP> % <SEP> 37
<tb> N2 <SEP> % <SEP> 13
<tb> Gaz <SEP> recyclé
<tb> - <SEP> Débit <SEP> total <SEP> Nm@/tF <SEP> 900
<tb> - <SEP> Température <SEP> C <SEP> 1 <SEP> 000
<tb> - <SEP> Analyse <SEP> : <SEP> CO <SEP> % <SEP> 75
<tb> CO2 <SEP> % <SEP> 5
<tb> N2 <SEP> % <SEP> 20
<tb> Oxygène <SEP> : <SEP> Débit <SEP> total <SEP> aux <SEP> tuyères <SEP> Nm3/tF <SEP> 180
<tb> Température <SEP> de <SEP> flamme <SEP> :<SEP> C <SEP> 1 <SEP> 855
<tb> 2 ) Marche avec recyclage du gaz préchauffé à très haute température
Au lieu de produire "in situ" la chaleur requise par la zone d'élaboration du haut fourneau, comme c'est le cas pour le fonctionnement classique au vent ou pour les marches avec recyclage du gaz associé à une injection d'oxygène pur, qui viennent d'être exemplifiés, on peut, conformément à une autre mise en oeuvre de l'invention, produire cette chaleur à l'extérieur de l'appareil, sa transmission à la zone d'élaboration se faisant grâce à des injections de gaz recyclés portées à très haute température.Quel que soit le mode de fonctionnement envisage, la zone des tuyères doit se trouver à une température de l'ordre de 2 0000C ou plus, ce qui implique que le gaz recyclé doit être préchauffé à une température supérieure, le niveau requis étant d'autant plus élevé que le gaz contient plus d'éléments endothermiques, le gaz carbonique (CO2) en particulier.

A ce niveau de température, les moyens de préchauffage habituels ne suffisent plus. Une solution, conformément à l'invention, consiste, comme déjà dit, à employer à la place des tuyères, des torches à plasma qui impliquent donc une consommation massive d'électricité comme source d'énergie.

Dans le cas précédent, l'injection d'oxygène procurait un degré de liberté supplémentaire et il était possible de faire boucler le bilanmatière, quels que soient le débit, la composition et la température du gaz recyclé. Ce degré de liberté ayant maintenant disparu, le débit de gaz recyclé doit être ajusté de manière à équilibrer le bilan matière : le gaz de gueulard doit exactement fournir le gaz injecté après décarbonatation.

Le tableau 3 donne un exemple de fonctionnement d'un haut fourneau à torches à plasma avec recyclage intégral du gaz de gueulard.

La figure 2 donne le schéma de principe d'un tel fonctionnement.

Pour le démarrage, les torches à plasma 8, mises sur le four 1 à la place des tuyères classiques, sont alimentées par du gaz de gueulard provenant soit d'une réserve, soit d'un autre haut fourneau, soit de toute autre source appropriée.

L'appareil fonctionne alors avec les caractéristiques de marche suivantes
le gaz de gueulard sort du gueulard 3 avec un débit de 1 230 Nm3/tF et une température de 1050C. Le cycle de recirculation commence, comme dans la mise en oeuvre précédente après traitement 4 de dépoussiérage et d'évacuation des boues formées par une purge 5 suivie d'une décarbonatation 6'.

Toutefois, ici, l'élimination du CO2 n'est que partielle et les deux opérations successives -dont l'ordre d'ailleurs peut être inversé- permettent globalement de faire passer les teneurs du gaz, en CO de 54 à 70 %, en C02 de 39 à 20 z et en azote de 8 à 10 % environ.

Le gaz recyclé, dont le débit total n'est plus que de 943 Nm3/tF environ, est ensuite injecté dans l'appareil au travers des torches à plasma 8 qui préchauffent très fortement le gaz avant injection, jusqu'à 2 700"C environ. Dans ces conditions, la température dans la zone d'élaboration au voisinage des torches, se monte à 2 030"C. Le gaz s'élève et passe au travers de la charge du four qui devient le siège d'échanges de chaleur et de réaction de réduction des oxydes métalliques selon les processus habituels. Le gaz ressort du gueulard avec son débit initial de 1 230 Nm3/tF, et le cycle recommence.

La mise au mille du coke est de 228 Kg/tF, valeur à comparer aux 415 Kg/tF pour la marche de référence (tableau 1) et aux 339 Kg/tF pour la marche avec recyclage du gaz à préchauffage modéré et injection d'oxygène pur (tableau 2).

L'exploration d'un assez large domaine de variations des principaux paramètres de fonctionnement, à savoir la teneur en azote et en C02 du gaz recyclé, ainsi que sa température au niveau des torches à plasma, a permis de dégager les conclusions suivantes
Le premier résultat remarquable concerne la mise au mille de coke qui reste pratiquement constante et voisine de 230 Kg/tF, quelles que soient les conditions opératoires. En effet, tous les besoins en énergie du haut fourneau sont couverts par le préchauffage du gaz recyclé et le coke n'a plus de rôle énergétique à jouer, mais seulement un rôle chimique. Sa consommation sert uniquement à couvrir les besoins de carburation de la fonte et de réduction des oxydes de fer, l'oxygène ainsi libéré se combinant au carbone pour donner du C02 qui est la seule possibilité-de sortie d'oxygène du système.

La quantité de carbone gazéifié est donc constante et, quels que soient les paramètres de marche, le débit de gaz de gueulard est toujours supérieur de 300 Nm3/tF environ au débit de gaz recirculé dans l'appareil.

En ce qui concerne l'influence du CO2 dans le gaz recyclé, il a été constaté, de façon un peu surprenante, qu'une augmentation de sa teneur entraîne une diminution du débit de gaz injecté. Une explication possible réside dans l'augmentation du débit de gaz produit dans la zone d'élaboration après réaction du C02 sur le carbone du coke au nez des torches. En première approximation, les débits spécifiques de gaz recyclé à mettre en oeuvre s'étagent de 800 à 1 100 Nm3/tF environ.

Par ailleurs, la mise au mille du coke restant constante, toute augmentation de la teneur en C02 du gaz entraîne corrélativement une baisse de la consommation de coke de régénération. Toutefois, mise à part une marche à plus de 25 % de C02 dans les gaz recirculés et une temperature d'injection inférieure à 2 6000C environ, la consommation de coke de régénération demeure au moins égale à 30 Kg/tF et, par conséquent, les possibilités de fonctionnement ne seront donc que faiblement limitées par la présence de cette contrainte.

D'autre part, une augmentation du C02 dans le gaz recyclé provoque un abaissement de la température du gaz de gueulard, ce qui limite supérieurement la température d'injection du gaz recyclé. Ainsi, si cette température atteint 2 800"C, celle du gaz de gueulard ne dépassera pas 1200C environ et il est donc avantageux d'opter pour une température d'injection de 2 700 C environ, laquelle permet en outre d'obtenir, dans la zone des températures de 2 050 à 2 2500C environ, lorsque la teneur en C02 du gaz injecté est comprise entre 15 et 20 % environ.

Il doit être noté que le respect des contraintes sur les températures du gaz de gueulard et de la zone d'élaboration conduit à un excès de gaz réducteur dans l'appareil qui se traduit par une certaine détérioration des conditions optimales pour la réduction des oxydes de fer et, dans ce cas, comme précédemment, on a avantage, pour se rapprocher d'une marche optimale du haut fourneau, à cet égard, de prévoir un ballast d'azote dans le gaz recyclé.

Le tableau 3 regroupe les résultats caractéristiques d'un point de fonctionnement de l'appareil correspondant à des cdnditions proches des limites autorisées en ce qui concerne la température du gaz de gueulard. On note qu' avec un débit de gaz de l'ordre de 950 Nm3/tF injecté à une température proche de 2 700"C, on est conduit au niveau des torches à plasma à une consommation utile d'électricité de préchauffage voisine de 1 250 kWh/tF.

La consommation effective s' élève à un peu plus de 1 400 kWh/tF si l'on tient compte du rendement réel des torches à plasma (30 %) et des pertes électriques des circuits d'alimentation.

Bien entendu, la présente invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais s'étend à de nombreux équivalents ou variantes de mise en oeuvre.

Ainsi, les indications précitées concernant la présence souhaitable d'un ballast d'azote dans le gaz recycle en vue d'un fonctionnement optimal de l'appareil, au point de vue de la réduction des oxydes métalliques, sont valables non seulement pour cet élément, qui a été pris en exemple en raison de son abondance naturelle, mais encore pour tout autre élément gazeux neutre, c'est-à-dire inerte chimiquement dans le processus d'élabo ration de la fonte dans le haut fourneau.

De même, l'utilisation de torches à plasma pour le préchauffage du gaz recyclé a haute température peut également être mise à profit pour l'injection de matière solide réductrice des oxydes métalliques sous forme divisée, en particulier pulvérulente, comme du carbone en poudre notamment.

De même, l'application de l'invention n'est pas limitée au haut fourneau sidérurgique, mais s s'étend par exemple au four de préparation de ferro-alliage, etc... et de façon générale à tout appareil de réductionfusion des métaux à partir de leurs minerais.

Tableau 1 : Marche de référence

Coke
<tb> - <SEP> Mise <SEP> au <SEP> mille <SEP> Kg/tF <SEP> 415
<tb> dont <SEP> : <SEP> coke <SEP> brûlé <SEP> aux <SEP> tuyères <SEP> " <SEP> 238
<tb> coke <SEP> de <SEP> régénération <SEP> " <SEP> 107
<tb> Mazout
<tb> - <SEP> Mise <SEP> au <SEP> mille <SEP> Kg/tF <SEP> 40
<tb> Vent
<tb> - <SEP> Teneur <SEP> O2 <SEP> % <SEP> 21
<tb> - <SEP> Débit <SEP> Nm3/tF <SEP> 1 <SEP> 090
<tb> - <SEP> Température <SEP> C <SEP> 1 <SEP> 230
<tb> Gaz <SEP> de <SEP> gueulard
<tb> - <SEP> Débit <SEP> Nm3/tF <SEP> 1 <SEP> 508
<tb> - <SEP> Température <SEP> C <SEP> 130
<tb> - <SEP> Analyse <SEP> : <SEP> CO <SEP> % <SEP> 20
<tb> CO2 <SEP> % <SEP> 22
<tb> N2 <SEP> % <SEP> 50
<tb> H2O <SEP> % <SEP> 3
<tb> Température <SEP> de <SEP> flamme <SEP> : <SEP> C <SEP> 2 <SEP> 235
<tb> Tableau 3 :Marche avec recyclage du gaz à très haute température

Coke
<tb> - <SEP> Mise <SEP> au <SEP> mille <SEP> Kg/tF <SEP> 228
<tb> dont <SEP> : <SEP> coke <SEP> brûlé <SEP> aux <SEP> tuyères <SEP> " <SEP> 115
<tb> coke <SEP> de <SEP> régénération <SEP> " <SEP> 51
<tb> Gaz <SEP> de <SEP> gueulard
<tb> - <SEP> Débit <SEP> Nm3/tF <SEP> 1 <SEP> 230
<tb> - <SEP> Température <SEP> C <SEP> 105
<tb> - <SEP> Analyse <SEP> : <SEP> CO <SEP> % <SEP> 54
<tb> CO2 <SEP> % <SEP> 39
<tb> N2 <SEP> % <SEP> 8
<tb> Gaz <SEP> recyclé
<tb> - <SEP> Débit <SEP> total <SEP> Nm3/tF <SEP> 943
<tb> - <SEP> Température <SEP> C <SEP> 2 <SEP> 700
<tb> - <SEP> Analyse <SEP> : <SEP> CO <SEP> % <SEP> 70
<tb> CO2 <SEP> % <SEP> 20
<tb> N2 <SEP> % <SEP> 10
<tb> Température <SEP> de <SEP> flamme <SEP> : <SEP> C <SEP> 2 <SEP> 090
<tb> Energie <SEP> utile <SEP> de <SEP> chauffage <SEP> kwh/tF <SEP> 1 <SEP> 250
<tb> par <SEP> torches <SEP> à <SEP> plasma
<tb>

Claims

REVENDICATIONS 1") Procédé pour réduire la consommation d'agents réducteurs dans un appareil de réduction-fusion des métaux à partir de leur minerai, notamment un haut fourneau sidérurgique, dans lequel du vent est soufflé au niveau de la zone d'élaboration de l'appareil, caractérisé en ce qu'on supprime le vent soufflé et on le remplace par le gaz produit par ledit appareil, que l'on recycle intégralement dans ce dernier après en avoir éliminé, au moins partiellement, l'anhydride carbonique et pratiqué une purge, de manière à maintenir à une valeur désirée la teneur du gaz recyclé en éléments inertes (l'azote en particulier), et en ce que l'on préchauffe ledit gaz avant son injection dans l'appareil de façon à régler la température de la zone d'élaboration à un niveau assurant la couverture des besoins thermiques de l'appareil.

20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on préchauffe modérément le gaz avant sa réinjection, à une température de l'ordre de 600 à 1 3000C environ et en ce qu'on l'introduit dans l'appareil conjointement avec de l'oxygène pur d'appoint.

3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on préchauffe le gaz avant sa réinjection, à très haute température, de l'ordre de 2 700"C par des moyens utilisant massivement l'énergie électrique.

4 ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens mis en oeuvre sont des torches à plasma que l'on monte directement sur l'appareil au niveau de la zone d'élaboration.

5 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de gaz recirculé dans l'appareil est au moins égale à 800 Nm3/tF environ et de préférence comprise entre 800 et 1 100 Nm3/tF environ.
60) Procédé selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que la quantité de gaz recirculé dans l'appareil est supérieure à 850 Nm3/tF environ et de préférence comprise entre 850 et 950 Nm3/tF environ.

7 ) Procédé selon les revendications 2 et 6, caractérisé en ce que la quantité d'oxygène pur introduite avec le gaz recyclé est comprise entre 150 et 200 Nm3/tF environ.

8") Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz de recyclage est préchauffé après élimination quasi-totale du gaz carbonique qui y est contenu à la sortie de l'appareil.

9 ) Procédé selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le gaz de recyclage est préchauffé après élimination modérée du gaz carbonique qui y est contenu à la sortie de l'appareil, de manière a présenter, avant injection, une teneur en cet élément comprise entre 15 et 25 % environ.
100) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on injecte le gaz de recyclage en deux niveaux différents de l'appareil : une partie au niveau de la zone d'élaboration et le reste à un niveau supérieur, par exemple dans la région du bas de cuve dans le cas dlun haut fourneau sidérurgique.

11") Procédé selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'on introduit dans le courant de gaz recyclé dans l'appareil, de la matière solide réductrice des minerais métalliques, sous forme divisée, notamment pulvérulente, comme de la poudre de carbone.