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L'invention est relative à un procédé d'exploitation d'un four de réduction du produit en cours de traitement, en particulier d'un four à cuve, comme par exemple un four de réduction des métaux, d'un four à éponge de fer, d'un haut fourneau etc... Ordinairement, on assure le fonctionnement de ces types de fours, ou fours à cuve, avec des combusti- bles solides, comme le charbon, et en particulier le coke. Dans ces types connus de fours, une partie des combustibles solides exerce son action uniquement sous la forme d'un agent de réduction. Par conséquent, il y a besoin de combustibles solides d'une part pour la quantité de combustible nécessaire à la combustion et d'autre part'pour répondre au besoin d'agents de réduction.
Dans ces conditions, l'invention consiste essentiellement dans les fours de ce genre, à insuffler dans la::zone de réaction du four, au- dessus des buses ou tuyères à. travers lesquelles on fait entrer dans le four l'air de combustion, des gaz réducteurs, en particulier du gaz naturel, ou des huiles, en particulier du pétrole, sous une forme pulvérisée, vapo- risée ou gazéifiée, pour remplacer de cette manière une partie du combus- tible solide habituel. Cette insufflation du gaz réducteur au-dessus des buses d'air dans la zone de réaction du four est fondamentalement différente de l'exploitation d'un four avec des combustibles gazeux en tant que tels, ou le gaz est en effet brulé avec l'air immédiatement lorsqu'il entre dans le four et où il sert d'agent de chauffage.
Par conséquent, d'après la présente invention, on insuffle les gaz réducteurs ou agents analogues dans le four à une hauteur telle au-dessus des tuyères conduisant l'air de combustion que, dans la région de l'insufflation, il n'y ait aucun oxygène libre disponible, de telle sorte que les gaz réducteurs soient mis à profit dans leur totalité pour la réduction de l'agent en cours de traitement.
De cette façon, l'invention permet de réaliser une économie sur les combustibles solides, ce qui a de l'importance dans les pays où on se dispose pas de gisements suffisants de combustibles solides et dans les régions où les frais de transport entrent en ligne de compte. Mais, parla présente invention on obtient surtout l'avantage que l'introduction,dans la zone de réduction, de l'agent réducteur, sous la forme de gaz réducteurs ou d'huiles vaporisées, pulvérisées ou gazéifiées, fournit la possibilité de régler dans une large mesure le déroulement du processus et par conséquent; de s'en rendre maître d'une manière essentiellement meilleure que lorsqu'on alimente le four avec des agents réducteurs.solides sous la forme de com- bustibles solides.
D'après la présente invention, les gaz réducteurs ou agents ana- logues peuvent être insufflés par le côté, au-dessus des tuyères d'insuffla- tion de l'air, d'une manière régulièrement répartie sur le pourtour du four, et dans un plan horizontal au moins de ce dernier. On peut obtenir de cette façon que l'agent réducteur'désormais'gazéifié puisse effectivement être correctement réparti dans la section de la cuve, et on peut exercer une influence très grande sur l'allure ou l'accomplissement de la réaction dans le four. C'est ainsi que, dans le cadre de la présente invention, on peut par exemple régler l'accomplissement de la réaction dans le four par le choix que l'on fait de la température des gaz réducteurs ou agents analogues à insuffler dans le four, ou par une variation ou modification arbitraire de cette température.
Par une augmentation de la température des gaz ou agents réducteurs analogues à insuffler, on peut accélérer la réaction, ou bien on peut la freiner par un abaissement de la température. Le degré du réchauffage préalable des gaz ou agents réducteurs analogues peut être déterminé à l'avance pour le processus prévu, et ce réchauffage peut
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s'effectuer de façon simple dans des échangeurs de chaleur ou récupérateurs connus.
Mais, lorsque le déroulement de la réaction au cours du fonction- nement doit être réglé d'une manière variable, il est avantageux, pour obtenir une variation rapide de la température des gaz ou agents réducteurs analogues à insuffler, de mettre le procédé en oeuvre en introduisant des gaz ou agents réducteurs analogues les uns à température élevée et d'autres à température faible, et en réglant le niveau de la température dans la zone de réaction par modification de la proportion du ou des gaz ou agents ana- logues insufflés qui sont à température élevée et de ceux qui sont , tem- pérature basse, les gaz ou agents réducteurs analogues à température élevée et ceux à température basse pouvant être insufflés à l'état mélangé ou par des buses séparées.
On peut alors choisir les zones des températures des gaz ou agents analogues à insuffler de telle sorte que ces gaz etc.. aient une température plus élevée ou plus faible que la température qui règne dans la zone de hauteur de la cuve dans laquelle se fait l'insuffla- tion. Une élévation de la température des gaz ou agents analogues à in- suffler, au-dessus du niveau de température qui règne dans la zone de hauteur considérée de le cuve, prcvoque une accélération notable de la réaction chimique qui s'y produit, tandis que, lors de l'insufflation de gaz ou agents analogues plus frids, le degré de freinage de la réaction dépend de l'importeace de la différence entre les températures régnant au nivea' considéré le la cuve et les températures des gaz à insuffler, ejn a ainsi, grace à la présente invention,
la possibilité de réchauffer les gaz réducteurs, avant leur entrée dans le four, jusqu'à la température qui règne au point d'insufflation dans le four, ou bien jusqu'à la température de réaction, et de porter ainsi les gaz réducteurs, alors qu'ils sont encore à l'extérieur du four,à un état où ils sont prets à entrer en réaction.
Par le choix de la hauteur des buses d'insufflation des gaz ou agents réducteurs analogues dans la cuve, combiné avec le choix de la température du gaz ou agent analogue insufflé, on peut réaliser un dépla- cement arbitraire et en même temps une intensification des zones de réaction dans le four à cuve. Par le choix et la modification de la zone de hauteur dans laquelle se fait l'insufflation des gaz ou agents analogues réducteurs, ou bien de la direction dans laquelle se fait l'insufflation, ou à la fois par le choix ou la variation de l'un et l'autre de ces deux facteurs, on peut déplacer la zone de réaction de façon simple.
On peut prévoir des rangées de buses ou tuyères pour l'insufflation des gaz ou agents analogues réducteurs dans des zones situées à des hauteurs différentes du four à cuve, zones qu'on peut à volonté et arbitrairement mettre en service et hors service, de telle sorte que l'insufflation puisse se faire dans une zo- ne plus élevée ou plus basse de la cuve, suivant la rangée de buses sur laquelle on fait arriver les gaz ou agents réducteurs analogues. Mais on peut aussi dispcser les buses en un rang, mais en les orientant radialement et obliquement vers le haut ou vers le bas, ou à la fois les unes vers le haut et les autres vers le bas, les gaz réducteurs étant alors introduits à volonté dans les groupes correspondants de buses.
En dernier ressort, on peut aussi dévier le courant gazeux sortant des buses vers le haut ou vers le bas et déplacer par ce moyen la zone de réaction, la déviation du courant gazeux ou analogue pouvant se faire par exemple par un montage mobile des buses. Mais l'invention offre également la possibilité de dé- placer horizontalement le centre de la réaction à l'intérieur d'une même zone de hauteur du four, ou de répartir la zone de réaction d'une manière uniforme sur toute la section de la cuve à l'intérieur d'une même zone de hauteur.
Cela peut se faire, conformément à la présente invention, en insufflant les gaz ou agents réducteurs analogues dirigés dans le four dans
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une même zone de hauteur du forr sous la forme de courants partials ayant des vitesses différentes ou pertés à des pressions différentes. Plus la pression avant la buse ou la vitesse des gaz ou agents réducteurs analogues sortant de la buse est grande,
plus ces gaz ou agents réducteurs s'avancent vers le centre dela cuve. Plus la pression en amont (le la buse et par conséquent la vitesse de circulation des gaz ou agents réducteurs analogues insufflés est faible;, plus c'est la région do la périphérie de la cuve qui est traversée par les gaz.
On peut aussi obtenir un tel passage des gaz dans la zone périphérique en déplaçant la direction d'insufflation des buses on direction de la tangente, l'insufflation sous haute pression pou- vant être conservée. la pression élevée en amont de la buse peut alors être avantageuse pour le nain tien du dégagement de l'orifice de la buse, Par ce moyen;
, on peut donc atteinder toute la section de la cuve. Confor- mêment à la présente invention, une partie des gaz ou agents réducteurs analogues peut être insufflée ä peu près radialement sous une pression re- la'civement élevée et une autre partie de ces agents à peu près radialement sous une pression moindre, ou bien également sous une pression relative- ment élevée, mais dans une direction déviée en direction de la tangente, la proportion de la première fraction par rapport à la seconde étant celle que la section de la cuve du four soit balayée d'une manière à peu près uniiorme.
Le courant tourbillonnaire qui se forme devant les buses par 7.'air insufflé peut, dans -toua les cas;, être influencé par le courant de gaz ou agents analogues insufflé au-dessus des buses à air, de telle sorte qu'on obtienne par ce moyen une circulation uniforme des gaz ou agents réducteurs analogues à travers la cuve.
L'effet essemtiel de la présente invention consiste en ce que, par l'insufflation de gazréducteurs au-dessus des buses à air, donc séparément d l'air de combustion, la pression partielle de 1'.anhydride carbonique s'abaisse, et que, de cette manière, on améliore le degré auquel l'atmosphère du four se trouve préparée pour la réaction.
Du fait qu'on introduit l'agent réducteur conformément à la présente invention dans la zone de réaction sous la forme d'un gaz ou sous la forme d'huiles pulvérisées, vaporisées ou gazéifiées, on a des possibilités presque illi- mitées pour régler la réaction. la forme gazer se ou analogue de l'agent réducteur perme' alors de régler l'accomplissement de la réaction dans le four, même si elle doit être codifiée de façon quelconque pendant le fenctionnemens, avec une netteté etune précision entières. Le déplacement de la zone de réaction peut se faire aussi bien dans le sens de la hauteur,
en disposant d'une manière correspondante les buses pour les gaz réducteurs, par l'orientation des buses et par le choix de la vitesse de circulation dans les buses ou ;le la pressieon des gaz réducteurs en amont des buses, et par ce moyen on peut avoir la possibilité de faire passer les gaz d' une manière uniforme à travers la cuve du four et de répartir la réaction par conséquentsur toute la section de la cuve. L'utilisation de l'agent réducteur gazeux offre également la possibilité de régler à volonté l'in- tensité de la réaction dans certaines sections de la cuve ou dans les parties individuelles d'une telle section, et de corriger à volonté le déroulement de la réaction.
Mais, dans tous les cas, l'insufflation de l'agent réducteur se fait dans une zone située au-dessus des buses d' insufflation de l'air dans laquelle il n'y a plus oxygène libre. L'air insufflé par les buses brûle directement devant les buses d'air avec les combustibles solides en fournissant de l'anhydride carbonique, lequel se réduit immédiatement en oxyde de carbone par suite de la température rég- nante et du carbone libre présent. Par l'insufflation des gaz réducteurs
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dans le four, la pression partielle de l'anhydride carbonique qui se forme,
par la réduction de l'oxyde métallique par ]oxyde de carbone, s'abaisse et de ce fait l'aptitude des gaz à entrer en réaction augmente sans qu'on ait consommé pour cela du combustible solide.
Dans ces conditions, on peut, conformément à la présente inven- tion, influencer la position et l'étendue de la zone de réduction dans le four par insufflation d'oxygène ou de vapeur d'eau, ou à la fois de l'un et de l'autre, dans la région des buses à travers lesquelles on introduit dans le four l'air de combustion, en particulier en ajoutant, par mélange à l'air de combustion, de l'oxygène ou de la vapeur d'eau, ou à la fois de l'un et de l'autre. L'addition d'oyygène ou de vapeur d'eau à l'air de combustion est en elle-même cornue dans les fours à cuve, il se produit toutefois avec une telle opération un effet spécial dans le cadre de la présente invention.
Par l'addition d'oxygène à l'air de combustion, le volume des gaz d'échappement, pour une même quantité de carbone gazéifiée dans l'unité de temps, dininue (par suite de la teneur moindre en azote), ce qui a pour effet, il est vrai, qu'il se produit une température plus élevée dans la zone de gazéification ou de combustion, mais que, d'autre part, le refroidissement des gaz qui montent se fait beaucoup plus rapi- dement, en raison de leur volume moindre.
Il se produit par conséquent une réduction des dimensions de la zone de réaction avec élévation simultanée de la température Si on ajoute d'autre part de la vapeur d'eau à l'air de combustion insufflé, cette vapeur se décompose au contact du coke incandes- cent en hydrogène et en anhydride carbonique, ce dernier étant réduit en oxyde de carbone par suite du contact qu'il continue d'avoir avec le carbone incandescant. Cette dissociation de la vapeur d'eau fixe de la chaleur et abaisse par conséquent la température dans la zone de réaction, en même temps que, par la formation d'hydrogène libre à l'état naissant, il se forme un gaz très réactif. En outre, sous l'effet du volume plus grand et additionnel de gaz (oxyde de carbone et hydrogène), la chaleur latente des gaz qui montent augmente et la zone de réaction s'agrandit.
Par moyen, on a la possibilité, en introduisant l'oxygène ou la vapeur d'eau dans la région des buses pour l'introduction de l'air de combustion, ou par le réglage de la proportion de l'oxygène et de la vapeur d'eau dans l'air de combustion, de porter la zone de réduction dans la région des buses d' insufflation des gaz réducteurs, ou de maintenir le déroulement de tout le processus dans la région des buses par lesquelles on introduit les gaz réducteurs. Par une disposition de ce genre, on peut réduire le nombre des rangées nécessaires de buses pour l'introduction des gaz réducteurs dans les différentes zones de hauteur de la cuve du four, ou bien on peut améliorer les possibilités de réglage du déroulement du processus en main- tenant constant le nonbre des rangées de buses.
Par ce moyen, on peut égale- ment adapter la position de la zone de réaction à la position des buses pour l'insufflation de l'agent réducteur, ce qui est plus simple que l' adaptation de la position des buses à la position de la zone de réaction.
On obtient par ce moyen de plus grandes possibilités de variation et une adaptation plus précise et surtout continue et graduelle entre la position des buses pour l'agent réducteur et la position de la zone de réduction.
De cette façon, on peut également obtenir une augmentation des dimensions ou une réduction des dimensions de la zone 'de réduction,et¯influencer par ce moyen les conditions de la réaction. Mais on a également la possibilité, en cas d'enrichissement de l'air de combustion en oxygène, de maintenir la zone de réduction dans le four indépendamment de l'enrichissement en oxygène de l'air de combustion, tandis que, conformément à la présente invention, on ajoute à l'air de combustion environ 20 g de vapeur d'eau par m3 d'air et par degré de pourcentage additionnel d'oxygène.
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Par cette influence exercée sur la position et la grandeur de la zone de réaction, on peut, en cas de déplacements des zones de réaction prcvoquées par des perturbations dans la marche du four, ramener les zones de réaction très rapidement à leur position initiale, Par ce mcyen, on peut obtenir d'une manière certaine les conditions les plus favorables pour une marche du four sans perturbation, mais aussi déplacer d'autre part les zones de réaction de façon à réaliser les conditions les meilleures pour l'insuffla- tion des gaz réducteurs.
Par l'insufflation dans le four d'air de combustion suroxygéné, on obtient l'avantage que, par suite de la réduction du volume d'air, les quantités de gaz parvenant désormais dans le four ne soient pas augmentées de façon excessive par l'insufflation de gaz réducteurs ou d'agents ana- logues. Cela présente de l'importance en particulier quand on fait usage de gaz réducteurs ou agents analogues d'un faible pouvoir calorifique.
Quand il s'agit alors de faire fonctionner suivant le procédé de la présente invention un four à cuve établi pour fonctionner avec du combustible solide et avec insufflation d'air, dans lequel le combustible solide devait servir également d'agent réducteur, l'enrichissement en oxygène de l'air de combustion offre la possibilité de mrintenir le volume total de gaz (air, oxygène et gaz réducteurs ou agents analogues) insufflés dans l'unité de temps à une valeur à. peu près égale au volume de l'air à insuffler dans le cas du fonctionnement avec un agent réducteur solide.
Dans ce cas, on peut réduire le volume de l'air insufflé dans l'unité de temps pour une quantité d'oxygène restant constante, et comme le volume de gaz (y compris les gaz réducteurs ou agents analogues) insufflés au total reste constant, on peut maintenir la vitesse des gaz dans la cuve dans les limites fixées au préalable lors de l'établissement ou du calcul du four.
Comme gaz réducteur, on peut insuffler dans la zone de réduction, conformément à la présente invention, du gaz naturel dont le méthane a été transformé avant l'insufflation en oxyde de carbone et en hydrogène.
Un tel gaz naturel transformé convient d'une manière particulière comme agent réducteur.
Lors de l'application du procédé selon l'invention au fonction- nement d'un haut fourneau, on insuffle selon la présente invention les gaz réducteurs dans la cuve du haut fourneau dans un ou plusieurs plans horizontaux à une hauteur de 0,5 à 16 m, et de préférence de 4 à 8 m au-dessus des buses par lesquelles on introduit dans le haut fourneau l'air d.e combustion.Quand on utilise par exemple du gaz mturel transformé à titre de gaz réducteur, on peut insuffler par heure 2000 à 4000 m3 de gaz naturel transformé (CO = 2H2) dans un haut fourneau de 1000 tonnes de production de fonte par jour.
Le -procédé selon l'invention convient principalement au fonction- nement des fours à, cuve, mais il peut éventuellement être utilisé également avec les fours à tambour rotatif,
Quand on applique la procédé selon l'invention à un haut four- neau,on peut procéder par exemple de la manière suivante.
Si on a utilisé, comme cela est usuel jusqu'ici un combustible solide comme agent réducteur, on procède de la manière suivante.
On introduit par le gueulard un minerai contenant environ 45% de fer (sous la forme de Fe2O3) et à raison de 22.000 kg de minerai par charge et de 100 kg de quarts pour 7.700 kg de coke. On charge quatre fois par heure.le temps de passage, c'est-à-dire le temps pendant lequel
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la charge descend à travers le haut fourneau, est d'environ 12 à 14 heures.
Le fourneau produit en fonctionnement normal (sans insufflation de gaz réducteurs) 1000 tonnes de fonte destinée à l'affinage en 24 heures..La consommation de coke est, en fonctionnement normal de 800 kg en chiffres ronds, par tonne de fonte d'affinage. La quantité d'air insufflé est de 100.000 m3 à l'heure pour une pression effective de 1,2 atmosphère et une température de l'air de 600 C
Avec le procédé qui fait l'objet de la présente invention, on insuffle alors dans la cuve du fourneau, à une hauteur de 6 m au-dessus des tuyères d'insufflation de l'air, et à travers huit buses supplémen- taires, 3. 600 m3 par heure de gaz naturel transformé (CO + 2H2) à une température de 900 C sous une pression effective de 3 atmosphères.
Les buses additionnelles ou supplémentaires ont un diamètre de 30 à 50 mm (correspondant à une vitesse de sortie de 150 à 200'm à la seconde pour les gaz réducteurs). Pour ne pas augmenter la quantité de gaz par l'in- sufflation supplémentaire des 3.600 m3 par heure de gaz réducteur, c'est- à-dire pour maintenir constante la vitesse des gaz dans la cuve du four, il faut réduire la quantité d'air de combustion à 96.400 m2/h et enrichir l'air insufflé en oxygène d'un pour cent et en porter la teneur en oxygène à 22%. Par cet enrichissement en oxygène, on rétrécit la zone de combustion en même temps qu'on élève la température. Cette élévation de la température conduirait éventuellement à des accrochages dans le four.
Pour les éviter et ramener à sa position initiale la zone de combustion ou de fusion et de réduction, on augmente la teneur en humidité de l'air insufflé en ajoutant 20 g de vapeur d'eau par m3 d'air. Par ce moyen, on réduit en même temps l'addition de coke, à savoir de 900 kg par charge, ce qui ramène à 6. 800 kg la quantité de coke par charge.
Par ce moyen, on obtient que la consommation de coke par tonne de fonte se réduise à environ 700 kg. Pour une quantité constante de coke gazéifié, la production du four s'élève à 1.100 à 1.150 tonnes de fonte d' affinage par jour.
En général, on peut réchauffer à une température de 600 à 1.300 C les gaz réducteurs à insuffler. La température de réchauffage est située de préférence entre 800 et 1000 C. La vitesse de sortie des gaz réducteurs à la sortie des buses peut être de préférence de 150 à 300 m à la seconde.