FR3135095A3 - Valorisation de gaz sidérurgiques - Google Patents

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Abstract

Titre de l’invention : valorisation de gaz siderurgiques Procédé sidérurgique dans lequel de la fonte est produite à partir de minerai de fer dans un haut fourneau émettant un gaz de haut fourneau (20) contenant de l’eau, au moins une partie de la fonte produite étant transformée en acier dans un convertisseur émettant un gaz de convertisseur (10) contenant également de l’eau, procédé dans lequel le gaz du haut fourneau (20) est soumis à un traitement d’enrichissement en gaz réducteurs par extraction de gaz non-réducteurs dudit gaz de haut fourneau, au moins une partie du gaz de haut fourneau enrichi en gaz réducteurs étant recyclée vers le haut fourneau, le gaz de convertisseur (10) étant soumis à une compression au moyen d’un compresseur (50), la chaleur de compression générée étant utilisée pour réduire la saturation en eau d’un gaz sidérurgique choisi parmi le gaz de haut fourneau (20), le gaz de convertisseur (10) et des mélanges du gaz de haut fourneau (20) avec du gaz de convertisseur (10). Figure de l’abrégé : Fig. 2

Description

valorisation de gaz siderurgiques
La présente invention concerne un procédé sidérurgique optimisé et plus particulièrement un procédé optimisé de fabrication de fonte et d’acier.
Le principe de fonctionnement d’un haut fourneau en mode TGRBF (acronyme anglais de « Top Gas Recycle Blast Furnace » ; en français : haut fourneau avec recycle de gaz de haut fourneau) est de valoriser les gaz réducteurs contenus dans le gaz de haut fourneau ou gaz de gueulard (également désigné par l’acronyme anglais BFG de « Blast Furnace Gas ») en recyclant ces gaz réducteurs, après traitement du gaz de haut fourneau. » L’objectif de ce traitement est de recycler dans le haut fourneau un gaz enrichi en gaz réducteurs (CO et H2), par rapport au gaz de haut fourneau tel qu’évacué du haut fourneau. Pour cet enrichissement, on retire une partie ou la totalité des gaz inertes tels que le CO2, l’N2, présents dans le gaz de haut fourneau et on cherche à obtenir des taux de récupération du CO et de l’H2les plus élevés possibles dans le gaz recyclé. L’injection de gaz recyclé à effet réducteur permet de réduire les quantités de coke et/ou de charbon pulvérulent injectées dans le haut fourneau et donc de réduire les émissions directes de gaz à effet de serre générées. L’injection de charbon pulvérulent est également connue sous l’acronyme anglais PCI de « Pulverised Coal Injection »).
Du gaz de convertisseur à oxygène ou, bref, gaz de convertisseur (également connu sous l’acronyme anglais BOFG de « Basic Oxygen Furnace Gas ») peut à son tour être valorisé en le mélangeant au BFG. En effet, le BOFG étant riche en CO, il est intéressant de recycler également ce gaz dans le haut fourneau après traitement.
Le BFG et le BOFG sont des gaz chargés en impuretés et poussières qui ne sont pas toujours compatibles avec les technologies de traitement de ces gaz. On peut mentionner, à titre d’exemple, l’adsorption à pression modulée (également connue sous l’acronyme anglais PSA de « Pressure Swing Adsorption ») / l’adsorption à vide alternée (également connue sous l’acronyme anglais VPSA de « Vacuum Pressure Swing Adsorption), la séparation par membranes, par unité cryogénique ou par lavages aux amines comme techniques pour l’extraction de CO2 et/ou de l’N2du BFG et/ou du BOFG.
Le BOFG est un gaz contenant de l’eau, voire saturé en eau, disponible en général à pression et température proches de l’ambiante.
Dans le présent contexte, un gaz est dit saturé en eau quand la saturation en eau dudit gaz atteint 100%, la saturation en eau du gaz dépendant non seulement de la teneur en eau du gaz, mais également de sa température et de sa pression.
Afin de pouvoir effectuer le traitement du BOFG, tel que par exemple la filtration, le dépoussiérage et l’extraction de goudron, il est nécessaire de monter la pression du BOFG, c’est à dire de surpresser (en anglais : « booster ») le BOFG, à entre 100 kPa (pression atmospherique) et 500 kPa (entre 1 et 5 bar), préférentiellement 500 kPa (5bar) afin de vaincre la perte de charge liée au dit traitement. Pour cela on utilise un compresseur, tel qu’une soufflante, également désignée par les mots anglais « booster / blower ». A cause de l’effet de compression du gaz, la température du BOFG en sortie de ce compresseur augmente pour atteindre entre 25 à 120°C selon la température initiale du BOFG et du taux de compression.
Le BFG est aussi un gaz contenant de l’eau, voire saturé en eau. La saturation et la présence d’eau sous forme liquide sont à éviter pour les technologies de filtration avec média filtrant métallique, céramique ou polymère. Il est donc nécessaire de surchauffer le BFG afin de s’éloigner de sa saturation en eau avant d’introduire le gaz dans de tels filtres. Cette étape est primordiale pour éviter le risque de condensation en entrée et dans le filtre. En effet, l’eau liquide en présence de poussières ou de particules forme une “pâte” colmatant la matière filtrante et réduit par conséquent significativement l’efficacité. Afin d’éviter le colmatage du filtre, on utilise généralement un réchauffeur avec source de chaleur externe (électrique ou vapeur ou fumées) pour réchauffer le BFG avant de l’introduire dans le filtre.
De plus, les BFG et/ou BOFG peuvent contenir des goudrons (en anglais : « tars »). Les goudrons sont des composés visqueux, collants, diminuant par colmatage la fiabilité des machines rotatives (p. ex. des soufflantes), des instruments rotatifs (p. ex. les vannes), des adsorbants, et des plateaux ou remplissages (en anglais « packings ») des colonnes de distillation, etc.
Quand ces goudrons ne font pas l’objet d’un traitement de séparation spécifique, leur présence implique des coûts supplémentaires. En effet, les dépenses d'investissement (également désignées par l’acronyme anglais CAPEX de « CApital EXpenditure ») sont augmentées afin de pouvoir redonder les machines, équipements, ou instruments et maintenir la fiabilité. La multiplication des équipements (2x100% ou 3x50% ou 2x 50%) nécessite en outre une maintenance plus importante. Les dépenses d'exploitation ou coûts opératoires (également désignés par l’acronyme anglais OPEX de « OPerational EXpenditure ») sont donc plus importants. La fréquence de remplacement de certaines pièces ou équipements est également plus importante.
Pour s’affranchir de ces surcoûts direct (CAPEX) et indirect (OPEX), les goudrons peuvent être retirés du gaz, par exemple à travers des lits de charbon actif avant que le BFG et/ou BOFG les contenant soient soumis à un traitement tel que l’adsorption à pression modulée (avec un compresseur de gaz en amont), l’adsorption à vide alternée, du lavage aux amines ou autre avant leur introduction du gaz ainsi traité dans un haut fourneau de type TGRBF.
La présente invention concerne un procédé sidérurgique dans lequel de la fonte est produite à partir de minerai de fer dans un haut fourneau. Le haut fourneau émet un gaz de haut fourneau contenant de l’eau. Suivant l’invention, le gaz du haut fourneau est soumis à un traitement d’enrichissement en gaz réducteurs par extraction de gaz non-réducteurs dudit gaz de haut fourneau. Au moins une partie du gaz de haut fourneau enrichi en gaz réducteurs ainsi obtenu est recyclée vers le haut fourneau. Au moins une partie de la fonte produite est transformée en acier dans un convertisseur. Le convertisseur émet un gaz de convertisseur. Toujours suivant l’invention, le gaz de convertisseur est soumis à une compression au moyen d’un compresseur. Cette compression génère de la chaleur de compression qui est utilisée pour réduire la saturation en eau d’un gaz sidérurgique choisi parmi le gaz de haut fourneau, le gaz de convertisseur et les mélanges de gaz de haut fourneau avec du gaz de convertisseur
Le gaz de convertisseur est préférentiellement comprimé à une pression entre 100 kPa (1 bar) et 500 kPa (5 bar), voire entre 100 kPa (1 bar) et 300 kPa (3 bar).
Suivant une forme de réalisation, la saturation en eau du gaz de haut fourneau est réduite en amont de son traitement d’enrichissement par mélange d’au moins une partie du gaz de convertisseur comprimé contenant la chaleur de compression.
Il est également possible d’utiliser la chaleur de compression pour réduire la saturation en eau du gaz de haut fourneau en chauffant ce dernier en amont de son traitement d’enrichissement par échange thermique dans un échangeur de chaleur avec au moins une partie du gaz de convertisseur comprimé contenant la chaleur de compression.
Suivant une autre forme de réalisation, la chaleur de compression est utilisée pour réduire la saturation en eau du gaz de convertisseur et éviter ou réduire ainsi l’inhibition par de l’eau de l’absorbant utilisé pour l’extraction de goudrons. Suivant une telle forme de réalisation, le gaz de convertisseur est soumis à un traitement d’absorption de goudrons présents dans le gaz de convertisseur. Le gaz de convertisseur comprimé est refroidi. Le gaz de convertisseur comprimé refroidi est partiellement déshumidifié par condensation d’eau. La chaleur de compression est utilisée pour réduire la saturation du gaz de convertisseur partiellement déshumidifié en amont du traitement d’absorption de goudrons par échange de chaleur dans un échangeur de chaleur entre le gaz de convertisseur comprimé contenant la chaleur de compression et le gaz de convertisseur partiellement déshumidifié.
Dans le présent contexte, on comprend par échangeur de chaleur un dispositif dans lequel de la chaleur est transférée d’un premier fluide, dit fluide caloporteur, vers un deuxième fluide, dit fluide à chauffer, à travers au moins une paroi, sans contact direct ou mélange entre ces deux fluides.
La présente invention propose ainsi de surpresser le BOFG et d’utiliser sa chaleur de compression pour désaturer le BFG et/ou le BOFG avant une ou plusieurs étapes de filtration et/ou avant une ou des étapes d’extraction de goudron. Cette étape de surpression présente les intérêts suivants :
  • ne pas avoir à dimensionner les installations en aval pour maintenir le vide --> réduction de CAPEX ;
  • éviter les entrées d’air dans le système.
    Des entrées d’air et donc d’oxygène peuvent être problématiques dans ces applications. En effet, les gaz sidérurgiques contiennent des composés soufrés (H2S, ...), nitrés (NO, ...) qui, associés à l’oxygène, peuvent augmenter le risque de corrosion (entre autres). Les phénomènes de corrosion ont des impacts non négligeables sur le CAPEX et l’OPEX de ce type d’installation ;
  • disposer d’un fluide chaud permettant une intégration thermique au niveau de l’aciérie.
La chaleur de compression du BOFG peut être utilisée pour désaturer le BFG avant les étapes de filtration :
  • soit en mélangeant les deux gaz avant l’étape de filtration,
    Ceci présente un intérêt majeur lorsque les traitements à mettre en œuvre sur le BOFG et BFG sont similaires (pas de nécessité de séparer les traitements) pour satisfaire les contraintes des procédés en aval (exemples: compression + PSA, VPSA ou lavage aux amines ou autres).
  • soit au travers d’un échangeur si le mélange des deux gaz n’est pas opportun pour l’utilisation ultérieure de ces gaz.
    Pour un usage ultérieur du BOFG, il est dans ce cas judicieux de chauffer le BOFG dans l’échangeur de manière à ce que le BOFG sorte de l’échangeur à une température suffisamment éloignée du point de saturation de ce gaz.
La chaleur de compression du BOFG peut également être utilisée pour désaturer le BOFG avant l’étape d’extraction de goudron. Les goudrons sont des composés très hydrophobes. Dans le cas où de l’eau liquide viendrait pelliculer sur les charbons actifs, leur capacité à adsorber les goudrons serait inhibée. Par conséquent, le gaz dont le goudron doit être extrait ne doit pas être saturé en eau (pour limiter le risque de condensation). L’idéal est d’entrer dans le lit de charbon actif à une humidité relative du gaz entre 65-75%.
Les gaz sidérurgiques présentant des goudrons sont généralement saturés en eau, il est donc nécessaire de les réchauffer pour s’éloigner de la saturation en eau du gaz en entrée des lits de charbon actif. L’invention propose une intégration thermique de la chaleur de compression afin d’opérer le lit de charbon actif dans les conditions optimales. Pour cela, le gaz à traiter est d’abord refroidi, pour condenser une partie de l’eau présente dans le gaz, puis est réchauffé en amont du lit de charbon actif en utilisant la chaleur de compression du BOFG, plus particulièrement :
  • soit en mélangeant les deux gaz avant l’étape de filtration.
  • soit au travers d’un échangeur de chaleur.
La présente invention est illustrée dans les figures 1 et 2 ci-après qui sont des représentations schématiques de deux méthodes alternatives pour le traitement du gaz de haut fourneau et du gaz de convertisseur dans le contexte du procédé sidérurgique suivant l’invention.
La montre de manière schématique une première méthode de traitement desdits gaz sidérurgiques, méthode dans laquelle le gaz de convertisseur 10 issu du convertisseur (non-illustré) est comprimé à une pression entre 100 kPa et 300 kPa dans un compresseur 50. Le gaz de convertisseur comprimé 11 ainsi obtenu contient la chaleur de compression générée lors de cette compression et présente donc une température plus élevée que le gaz de convertisseur 10 avant compression.
Le gaz de convertisseur comprimé est ensuite mélangé dans le mélangeur 60 avec le gaz de haut fourneau 20 issu du haut fourneau (non-illustré). Un mélange 30 des deux gaz sidérurgiques est ainsi obtenu. La saturation en eau du mélange 30 est inférieure à la saturation en eau du gaz de haut fourneau 20 avant le mélange.
Cette saturation en eau plus faible du mélange 30 facilite les traitements initiaux en vue de l’obtention d’un gaz enrichi en gaz réducteurs à envoyer vers le haut fourneau. Comme indiqué ci-dessus, la saturation en eau plus faible du mélange facilite la filtration du mélange 30 contenant le gaz de haut fourneau 20 et/ou l’extraction de goudron du mélange 30 dans l’installation 70. Le mélange 40 issu du ou de ces traitements initiaux est ensuite soumis à un ou des traitement d’enrichissement en gaz réducteurs (non-illustré). Le mélange enrichi en gaz réducteurs est au moins partiellement recyclé vers le haut fourneau.
La montre de manière schématique une deuxième méthode de traitement desdits gaz sidérurgiques. Selon cette deuxième méthode, le gaz de convertisseur 10 issu du convertisseur (non-illustré) est à nouveau comprimé à une pression entre 100 kPa et 300 kPa dans un compresseur 50. Le gaz de convertisseur comprimé 11 ainsi obtenu, qui contient la chaleur de compression générée lors de cette compression, est introduit, en tant que gaz caloporteur, dans un échangeur de chaleur 80.
Le gaz de haut fourneau 20 issu du haut fourneau (non-illustré) est introduit dans l’échangeur de chaleur 80 en tant que fluide à chauffer. On obtient ainsi, du gaz de haut fourneau chauffé 21 et du gaz de convertisseur comprimé tempéré 12. Le gaz de haut fourneau chauffé 21 présente, du fait de sa température plus élevée, une saturation en eau inférieure à la saturation en eau du gaz de haut fourneau 20 en amont de l’échangeur de chaleur 80.
Cette saturation en eau plus faible du gaz de haut fourneau chauffé 21 facilite à nouveau les traitements en vue de l’obtention d’un gaz enrichi en gaz réducteurs à envoyer vers le haut fourneau. La saturation en eau plus faible du mélange facilite notamment la filtration et/ou l’extraction de goudron du gaz de haut fourneau chauffé 21 dans l’installation 70. Le gaz de haut fourneau 22 issu du ou de ces traitements est ensuite soumis à un ou des traitement d’enrichissement en gaz réducteurs (non-illustré). Le gaz de haut fourneau enrichi en gaz réducteurs est ensuite au moins partiellement recyclé vers le haut fourneau.

Claims (5)

  1. Procédé sidérurgique dans lequel :
    1. de la fonte est produite à partir de minerai de fer dans un haut fourneau, le haut fourneau émettant un gaz de haut fourneau (20) contenant de l’eau, le gaz du haut fourneau (20) étant soumis à un traitement d’enrichissement en gaz réducteurs par extraction de gaz non-réducteurs dudit gaz de haut fourneau, au moins une partie du gaz de haut fourneau enrichi en gaz réducteurs étant recyclée vers le haut fourneau ; et ;
    2. au moins une partie de la fonte produite est transformée en acier dans un convertisseur, le convertisseur émettant un gaz de convertisseur (10) contenant de l’eau ;
    procédé dans lequel :
    • le gaz de convertisseur (10) est soumis à une compression au moyen d’un compresseur (50), cette compression générant de la chaleur de compression et ;
    • ladite chaleur de compression est utilisée pour réduire la saturation en eau d’un gaz sidérurgique choisi parmi le gaz de haut fourneau (20), le gaz de convertisseur (10) et des mélanges du gaz de haut fourneau (20) avec du gaz de convertisseur (10).
  2. Procédé sidérurgique suivant la revendication 1, dans lequel le gaz de convertisseur (10) est comprimé à une pression entre 100 kPa et 500 kPa, préférentiellement entre 100 kPa et 300 kPa.
  3. Procédé sidérurgique suivant la revendication 1 or 2, dans lequel on réduit la saturation en eau du gaz de haut fourneau (20) en mélangeant au moins une partie du gaz de convertisseur comprimé (11) contenant la chaleur de compression avec le gaz de haut fourneau (20) en amont de son traitement d’enrichissement.
  4. Procédé sidérurgique suivant l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on réduit la saturation en eau du gaz de haut fourneau (20) en chauffant le gaz de haut fourneau (20) en amont de son traitement d’enrichissement par échange thermique dans un échangeur de chaleur (80) avec au moins une partie du gaz de convertisseur (10) comprimé contenant la chaleur de compression.
  5. Procédé sidérurgique suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel le gaz de convertisseur (10) est soumis à un traitement d’absorption de goudrons présents dans le gaz de convertisseur (10) et dans lequel le gaz de convertisseur comprimé (11) est refroidi et le gaz de convertisseur comprimé refroidi (12) est partiellement déshumidifié par condensation d’eau, la chaleur de compression étant utilisée pour réduire la saturation du gaz de convertisseur partiellement déshumidifié en amont du traitement d’absorption de goudrons par échange de chaleur dans un échangeur de chaleur entre le gaz de convertisseur comprimé contenant la chaleur de compression et le gaz de convertisseur partiellement déshumidifié.
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