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Procédé pour la conduite d'un haut-fourneau La présente invention concerne un procédé pour la conduite d'un hautfourneau assurant la fabrication de fonte par réduction de minerai de fer.
On sait que, dans un haut-fourneau, la charge se compose traditionnellement de couches alternées de minerai de fer et de coke chargés successivement par le gueulard. Un courant d'air chaud, appelé vent chaud, injecté par des tuyères à vent situées légèrement au-dessus de la base du hautfourneau, assure la combustion du coke.
Cette combustion du coke fournit d'une part le gaz réducteur requis pour opérer la réduction des oxydes de fer du minerai et d'autre part une quantité de chaleur suffisante pour couvrir les besoins thermiques des réactions chimiques et pour assurer la fusion du métal et de la gangue. Outre ce double rôle de source de chaleur et d'agent réducteur, le coke remplit encore une troisième fonction, d'ordre mécanique, qui est de constituer une grille de support favorisant le mouvement à contre-courant des gaz ascendants et des matières fondues descendantes.
Depuis de nombreuses années déjà, on cherche à réduire la mise au mille de coke au haut-fourneau, c'est-à-dire la quantité de coke nécessaire à la production d'une tonne de fonte.
Dans un premier temps, une réelle diminution de la consommation de coke, dans ses fonctions d'agent thermique et d'agent réducteur, a été obtenue par l'injection de combustibles auxiliaires au niveau des tuyères à vent, éventuellement combinée à une augmentation de la température du vent ou encore à une suroxygénation de ce vent.
Certaines techniques particulières ont ensuite permis d'atteindre des réductions de mise au mille de coke dépassant de loin celles que l'on peut obtenir par une simple injection de combustibles auxiliaires aux tuyères.
A cet égard, on connaît diverses propositions portant sur l'injection d'agents réducteurs au niveau des tuyères principales et de gaz réducteur chaud au niveau de la zone de réserve dudit four à cuve.
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Par l'expression "au niveau des tuyères principales", il faut entendre le niveau correspondant à la partie supérieure du creuset du haut-fourneau, où sont situées les tuyères à vent, dites tuyères principales, d'un hautfourneau conventionnel.
Les agents réducteurs (combustibles auxiliaires) ont longtemps été des hydrocarbures liquides ou gazeux. A l'heure actuelle, ces hydrocarbures liquides ou gazeux ont cependant perdu une bonne part de leur intérêt économique au profit du charbon. Ainsi, dans certains hauts-fourneaux, on injecte à présent jusqu'à 200 kg de charbon par tonne de fonte, ce qui a permis de réduire la mise au mille de coke d'environ 160 kg.
Par l'expression"zone de réserve", bien connue des praticiens, il faut entendre la région de la cuve du haut-fourneau dans laquelle la charge se trouve à une température d'environ 1000oC. Dans cette zone de réserve, la charge est donc encore à l'état solide.
Le gaz réducteur chaud injecté au niveau de la zone de réserve est principalement constitué d'hydrogène (H2) et de monoxyde de carbone (CO), avec de très faibles quantités d'anhydride carbonique (C02) et de vapeur d'eau (H2O).
De nombreux sidérurgistes cherchent aujourd'hui des moyens pour réduire encore davantage la mise au mille de coke, soit par un accroissement du taux d'injection de charbon soit par d'autres voies.
La présente invention s'inscrit dans une évolution plus récente, qui consiste à injecter du charbon pulvérisé et de l'oxygène au niveau des tuyères principales et du gaz réducteur chaud au niveau de la zone de réserve du haut-fourneau.
Dans ce cadre, il a déjà été proposé, en particulier par la demande de brevet EP-A-0302041, d'injecter dans la zone de réserve un gaz réducteur chaud dérivé du gaz de gueulard dudit haut-fourneau. Selon ce procédé connu, on prélève une partie du gaz de gueulard, on soumet le gaz prélevé à une opération de décarbonatation pour restaurer son caractère réducteur, puis on le réchauffe à une température comprise entre 8500C et 1200 C. On
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l'injecte ensuite dans le haut-fourneau, au niveau de la zone de réserve. Le réchauffage du gaz réducteur est généralement assuré par la combustion d'une autre partie du gaz de gueulard.
Cette technique est intéressante au point de vue économique, car elle permet de recycler immédiatement une partie importante du gaz de gueulard produit sur place. Elle présente cependant certains inconvénients dans l'optique de sa mise en oeuvre en liaison avec la conduite d'un hautfourneau.
La décarbonatation est une opération de séparation complexe, dont l'efficacité dépend de nombreux facteurs tels que le débit, la pression et la teneur en CO du gaz traité. Son coût est d'autant plus élevé que le taux de décarbonatation est plus poussé. De plus, elle conduit à un débit de gaz réducteur (CO + H) qui ne représente plus qu'environ les deux tiers du débit de gaz de gueulard initialement prélevé. Ce débit réduit de gaz réducteur peut s'avérer insuffisant pour la bonne marche du haut-fourneau.
La présente invention porte sur un procédé pour la conduite d'un hautfourneau, basé sur l'injection simultanée de charbon pulvérisé et d'oxygène au niveau des tuyères principales et de gaz réducteur chaud au niveau de la zone de réserve, qui exploite les avantages de la technique précitée de décarbonatation sans en présenter les inconvénients.
Conformément à la présente invention, un procédé pour la conduite d'un haut-fourneau, dans lequel on injecte du charbon pulvérisé et un gaz comburant au niveau des tuyères principales et un gaz réducteur chaud au niveau de la zone de réserve dudit haut-fourneau, est caractérisé en ce que l'on injecte simultanément un combustible gazeux tel que du gaz de four à coke au niveau desdites tuyères principales.
Il est précisé ici que ledit gaz comburant présente une teneur en oxygène d'au moins 21 % en volume et de préférence d'au moins 55 % en volume. Ce gaz comburant peut donc être l'air, ou un air enrichi en oxygène ; il faut dans ce cas tenir compte du volume total du gaz, qui peut contenir jusqu'à 79 % d'azote.
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Avantageusement, ce gaz comburant est injecté à l'état "froid", c'est-àdire que sa température n'a pas été élevée par chauffage et est dès lors sensiblement égale à la température ambiante.
Selon une mise en oeuvre particulière, on prélève du gaz de gueulard, on soumet le gaz de gueulard prélevé à une opération de décarbonatation pour lui rendre un caractère réducteur, on porte ledit gaz réducteur à une température comprise entre 8500C et 12000C, et on injecte ce gaz réducteur chaud au niveau de la zone de réserve dudit haut-fourneau.
Il va de soi que le gaz de gueulard prélevé provient de préférence du haut-fourneau dans lequel on pratique lesdites injections. Il n'est cependant pas exclu d'utiliser du gaz de gueulard provenant d'un ou de plusieurs autre (s) haut (s)-fourneau (x), soit seul soit en mélange avec le gaz de gueulard provenant dudit haut-fourneau.
La méthode de décarbonatation pourra être choisie de manière conventionnelle, en tenant compte notamment de la nature et de l'état du gaz de gueulard disponible.
Le taux de décarbonatation sera déterminé en fonction de la composition et du débit du gaz de gueulard disponible, ainsi que de la nature et de la quantité du gaz de four à coke disponible pour l'injection simultanée au niveau des tuyères.
Le procédé de l'invention permet dès lors d'adapter la conduite du hautfourneau, en particulier sa mise au mille de coke ou la quantité de gaz réducteur injecté, en faisant varier la quantité de gaz de gueulard prélevée, le taux de décarbonatation de ce gaz et le débit du gaz de four à coke injecté.
Le procédé de l'invention sera maintenant décrit de façon plus détaillée, en faisant référence à la figure unique annexée, qui illustre schématiquement un exemple de mise en oeuvre de ce procédé.
Dans un haut-fourneau A, on charge du coke (1) et du minerai de fer de manière conventionnelle par le gueulard. Au niveau des tuyères princi-
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pales, on injecte d'une part de l'oxygène (2) et d'autre part du charbon pulvérisé (3). L'oxygène est dit"froid"parce qu'il n'est pas préchauffé et qu'il se trouve donc à la température ambiante. On injecte aussi un gaz réducteur chaud (4) au niveau de la zone de réserve du haut-fourneau.
Simultanément, on injecte du gaz de four à coke (5) au niveau des tuyères principales. Enfin, on recueille le gaz de gueulard (6) au sommet de la cuve.
En application de la variante particulière précitée de la présente invention, on prélève une partie (7) du gaz de gueulard (6) et on soumet cette partie (7) à une opération de décarbonatation dans un réacteur B afin de lui rendre un caractère réducteur, c'est-à-dire de l'enrichir en CO et H2 par extraction du CO2 (8). Le gaz réducteur obtenu (9) est introduit dans un réacteur C, chauffé par combustion d'une autre partie (10) du gaz de gueulard (6) provenant également du haut-fourneau A ; dans ce réacteur C, le gaz réducteur (9) est porté à une température comprise entre 8500C et 12000C et le gaz réducteur chaud obtenu (4) est alors injecté dans le haut-fourneau A au niveau de la zone de réserve.
Le reste du gaz de gueulard (11) et le C02 extrait (8) sont destinés à d'autres utilisations.
Les valeurs correspondant à un exemple chiffré de mise en oeuvre sont indiquées dans la figure et reprises dans le tableau qui suit ; elles sont rapportées à une tonne de fonte produite. Il est précisé que le gaz réducteur chaud 4 contient une certaine quantité de vapeur d'eau, en l'occurrence 11 m3N, dont il n'est pas tenu compte dans les gaz 6 et 7.
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Décarbonatation de gaz de gueulard et injection de gaz de four à coke (5)
EMI6.1
<tb>
<tb> Réactif <SEP> Unité <SEP> Température <SEP> Quantité
<tb> Coke <SEP> (1) <SEP> kg/tf <SEP> 156
<tb> oc <SEP> 25
<tb> Oxygène <SEP> [99 <SEP> % <SEP> ou <SEP> (2) <SEP> m3N/tf <SEP> 252
<tb> C <SEP> 25
<tb> Charbon <SEP> pulvérisé <SEP> (3) <SEP> kg/tf <SEP> 250
<tb> C <SEP> 25
<tb> Gaz <SEP> réducteur <SEP> (4) <SEP> m3N/tf <SEP> 570
<tb> <SEP> 950
<tb> % <SEP> CO <SEP> 53, <SEP> 92
<tb> % <SEP> CO2 <SEP> l <SEP> 00
<tb> % <SEP> H2 <SEP> 38, <SEP> 33
<tb> % <SEP> H20 <SEP> 2, <SEP> 00
<tb> % <SEP> N <SEP> 4, <SEP> 75
<tb> Gaz <SEP> de <SEP> four <SEP> à <SEP> coke <SEP> (5) <SEP> m3N/tf <SEP> 60
<tb> C <SEP> 25
<tb> Gaz <SEP> de <SEP> gueulard <SEP> (6) <SEP> m3N/tf <SEP> 1108
<tb> OC <SEP> 169
<tb> % <SEP> CO <SEP> 37, <SEP> 57
<tb> % <SEP> C02 <SEP> 32,
41
<tb> % <SEP> H2 <SEP> 26,71
<tb> % <SEP> H. <SEP> O <SEP> 0,00
<tb> % <SEP> N <SEP> 3,31
<tb> Gaz <SEP> prélevé <SEP> (7) <SEP> m3N/tf <SEP> 818
<tb> C <SEP> 25
<tb> % <SEP> CO <SEP> 37,57
<tb> % <SEP> CO2 <SEP> 32,41
<tb> % <SEP> H2 <SEP> 26, <SEP> 71
<tb> % <SEP> H20 <SEP> 0,00
<tb> % <SEP> N <SEP> 3, <SEP> 31
<tb> CO2 <SEP> extrait <SEP> (8) <SEP> m3N/tf <SEP> 259
<tb> OC <SEP> 25
<tb> Gaz <SEP> décarbonaté <SEP> (9) <SEP> m3N/tf <SEP> 570
<tb> OC <SEP> 25
<tb> % <SEP> CO <SEP> 53, <SEP> 92
<tb> % <SEP> CO2 <SEP> 1,00
<tb> % <SEP> H2 <SEP> 38, <SEP> jj
<tb> % <SEP> H20 <SEP> 2, <SEP> 00
<tb> 01 <SEP> N2 <SEP> 4, <SEP> 75
<tb> Gaz <SEP> combustible <SEP> (10) <SEP> m3N/tf <SEP> 113
<tb> C <SEP> 25
<tb> % <SEP> CO <SEP> 37,57
<tb> % <SEP> CO.
<SEP> 32,41
<tb> % <SEP> H/ <SEP> 26, <SEP> 71
<tb> % <SEP> H-2O <SEP> 0,00
<tb> % <SEP> N2 <SEP> 3, <SEP> 31
<tb>
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La mise au mille de coke (1) dépend des quantités de matières injectées au niveau des tuyères principales (2,3, 5) et au niveau de la zone de réserve (4).
L'injection de gaz de four à coke au niveau des tuyères principales permet par ailleurs de moduler la température adiabatique de flamme, et notamment de la maintenir entre 21000C et 23500C. Dans le cas de l'exemple décrit plus haut, cette température adiabatique de flamme est de 2336 C.
La quantité de gaz réducteur chaud injecté pourrait en principe être aussi élevée que possible, afin de remplacer idéalement la majeure partie du coke consommé au haut-fourneau. Elle dépend cependant entre autres de la quantité de gaz de four à coke (5) disponible.
Le procédé de l'invention permet d'adapter la conduite du haut-fourneau en faisant varier la quantité de gaz réducteur chaud injecté (4), c. à. d. en agissant sur le volume de gaz de gueulard prélevé (7), éventuellement sur le taux de décarbonatation en (B) et/ou sur la quantité de gaz de four à coke injecté (5).
L'invention n'est pas limitée à la mise en oeuvre qui vient d'être décrite et illustrée. En particulier, elle s'étend à l'emploi d'autres agents gazeux que le gaz de four à coke et à l'utilisation de tout combustible approprié pour le réchauffage du gaz réducteur (9) dans le réacteur (C).