BE1016305A6 - Procede de production d'eponges de fer a partir de fines de minerais. - Google Patents

Abstract

Procédé de production d'éponges de fer à partir d'un mélange (12) de fines minerais (1) et éventuellement de faibles quantités de charbon ou de coke (2) introduit dans un préchauffeur (3) où il est chauffé, par les gaz (4) sortant du réacteur principal (5), à une température d'au moins 600°C. Ce mélange (12) est ensuite introduit tangentiellement dans le réacteur principal (5) grâce aux injecteurs (14) ce qui donne au mélange un nouvement tourbillonnaire favorisant le contact avec le gaz réducteur (22) insufflés à la base tronoconique du réacteur principal (5) par les injecteurs (16) (17). Ce gaz réducteur (22) est composé d'hydrogène pratiquement pur provenant de la décomposition, par arc électrique ou de préférence par torche plasma, du gaz naturel (CH4) et de la vapeur d'eau (H2O) introduits à la base du réacteur principal (5) par les injecteurs (16)(17). Ce gaz (22) ayant un mouvement ascendant freine très fortement la descente du mélange (12) augmentant ainsi le temps de séjour dans le réacteur principal (5) et par là la réduction dudit mélange.

Description

  Procédé de production d'épongés de fer à partir de fines de minerais.
La production classique d'acier se pratique en deux phases principales, à savoir le passage par la phase "fonte" par enfournement dans un haut-fourneau de coke et de minerais de différentes compositions ainsi que de chaux et d'additions diverses suivant le produit final désiré.

   La fonte ainsi obtenue est alors affinée dans des conteneurs (fours ou cornues) pour en faire de l'acier et lui donner les caractéristiques désirées.
Depuis quelques années certaines usines productrices, de construction plus récente, utilisent une réduction directe du minerai pour obtenir de l'acier et cela sans passer par la phase fonte.
De nombreux procédés, avec plus ou moins de succès, ont vu le jour dans ce domaine de la réduction directe.
En général le procédé de réduction directe utilise soit le principe du lit fixe descendant (principe du haut-fourneau) et ce avec de grosses granulométries soit le principe du lit fluidisé où le minerai, généralement concassé pour obtenir des dimensions plus réduites, est mis en suspension par insufflation par le bas de gaz réducteur.
De nombreux brevets connus (entre autres par exemples les brevets US 3.749.386;

   3.764.123; 3.816.101; 3.816.101; 4.336.063; 4.428.072 etc ..) ont d'ailleurs été déposés dans ce domaine des lits fluidisés.
Néanmoins les méthodes décrites dans ces brevets présentent de grands inconvénients car si le flux de support n'est pas suffisant les particules les plus grosses restent en amas. Par contre si le flux est suffisant pour ces particules plus grosses, les particules très fines de minerai sont soit emportées par le flux de gaz ou alors elles s'agglutinent (stratification de la matière) et forme une masse difficilement réductible et augmentent également les difficultés d'extraction.

   De même cette méthode présente des zones mortes où la réduction ne peut se produire sinon il faut utiliser des lits fixes circulants ce qui exige une plus grande dépense d'énergie pour les ventilateurs, et par là un rendement moindre du procédé.
Certains brevets ont d'ailleurs tenté de résoudre ces inconvénients mais cela en utilisant des moyens supplémentaires pour arriver à un résultat plus ou moins probant.
Ainsi les brevets US 5.435.831; 4.886.246; 5.762.681 indiquent que les fines sont séparées et ensuite traitées dans un autre système avant d'être réinjectées dans le réacteur de base.

   Le brevet US 5.529.291 indique qu'il utilise plusieurs lits fluidisés couplés en série.
Le brevet US 6.132.489 décrit un procédé qui utilise deux zones superposées à savoir d'abord une zone pour le traitement des fines et au-dessus un lit fluidisé pour les plus grosses particules. Le brevet US 6.224.649 quant à lui est une "continuation in part" du brevet ci-avant. Ces brevets présentent les mêmes inconvénients que les précédents (nécessité d'appareillages supplémentaires de traitement des fines).
L'idée objet du présent brevet apporte une solution aux divers inconvénients décrits ci-avant.

   Elle se base sur le principe du réacteur cyclonique destiné à brûler des déchets tel que décrit dans le brevet européen n[deg.] 1.143.195 qui a été déposé par le même inventeur que la présente demande.
Le minerai, généralement broyé pour obtenir de fines particules de l'ordre du rnillimètre et éventuellement mélangé à de faibles quantités de charbon ou de fines de coke, est introduit dans un préchaufièur, de type four tournant ou similaire, pour être chauffé à une température d'au moins de 600[deg.]C et ce par l'intermédiaire d'une partie des gaz combustibles sortant du réacteur principal à une température de l'ordre de 800[deg.]C.

   Ces gaz combustibles doivent encore être purifiés car en sortant du réacteur principal ils emportent malgré tout les particules de minerais les plus fines (de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre) et on les en retire dans un séparateur, de type classique, placé juste à la sortie du réacteur principal.
L'autre partie de ces gaz passent dans un échangeur puis dans un condenseur où la vapeur d'eau qu'ils contiennent est condensée, fls sont ensuite injectés dans un réacteur où s'effectue la séparation du dioxyde de carbone (CO2) par un procédé classique bien connu tel que le procédé chimique MEA ou le procédé physico-chimique PSA.
Ce gaz épuré est alors envoyé, par l'intermédiaire d'un ventilateur, dans le réchauffeur où sa température est amenée au moins à 600[deg.]C.
Le mélange de fines de minerais-fines de charbon ou coke, ainsi préchauffé,

   est amené dans le conduit où il est repris par les gaz chauds provenant de l'échangeur et le tout est ensuite introduit tangentiellement, et de préférence pneumatiquement, dans le réacteur principal, et ce via une écluse rotative ou un sas ceci afin d'éviter toute fuite vu la composition de l'atmosphère et la légère pression régnant dans le réacteur principal.

   Le fait d'introduire tangentiellement le mélange lui donne un mouvement tourbillonnaire.
Dans la partie basse du réacteur principal qui présente une forme tronconique on introduit, par des tuyères, un gaz réducteur qui est composé de gaz naturel auquel on a ajouté de la vapeur d'eau.
Un avantage important et primordial est que ce gaz réducteur et la vapeur d'eau sont, avant introduction dans le réacteur principal, soumis à l'action soit d'arcs électriques soit de préférence à l'action de torches à plasma telles que décrites dans le brevet WO 03010088, ce qui provoquent ainsi la dissociation du gaz naturel (CH4) en carbone (C) et hydrogène (2H2) ainsi que la décomposition partielle de la vapeur d'eau en hydrogène (H2) et oxygène (O), ce dernier permettant une recomposition du carbone (C) en monoxyde de carbone (CO).

   Cet hydrogène en quantité importante étant pratiquement pur et à une température de sortie de près de 1250[deg.]C a, bien entendu, un pouvoir de réduction très puissant. Ce gaz réducteur ayant un mouvement ascendant, vu l'inclinaison des tuyères, maintient en suspension le mélange minerai-charbon/coke et permet ainsi une réduction des oxydes dudit mélange afin d'obtenir du fer sous forme d'épongés.
Une partie du gaz naturel décomposé reste également sous forme de fines particules de carbone qui interviennent de façon bénéfique dans la réduction de l'oxyde de fer ainsi que dans la réduction de la vapeur d'eau pour donner du monoxyde de carbone (CO) et libérer de l'hydrogène (2H2).

   La température régnant dans le réacteur principal est maintenue aux environs de 1000[deg.]C, éventuellement par injection d'oxygène mais cela en quantité excessivement limitée et ceci afin de limiter la consommation d'énergie électrique.
La matière réduite (éponges de fer) et une très faible partie de minerai s'accumulent à la base du réacteur principal sur une sole toujours en contact avec du gaz réducteur ce qui permet ainsi de poursuivre et d'achever la réduction.
Grâce à des racleurs la matière réduite (éponges de fer) est refroidie en cascade sur des soles successives.
Cas extrême, si la réduction n'était pas complète malgré l'atmosphère très riche en hydrogène donc très réductrice régnant dans le réacteur,

   on pourrait éventuellement coupler en série deux réacteurs semblables au cas décrit.
D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation avantageux repris ci après, à titre d'exemple non limitatif, et faisant référence au dessin annexé (figure 1).

   La figure 1 présente une forme préférée du réducteur appliquant le procédé.
Le minerai (1) broyé sous forme de fines d'une dimension de l'ordre du millimètre et qui peut éventuellement être mélangé à de faibles quantités de fines de charbon ou de coke (2), est introduit dans le préchauffeur (3), de type four tournant ou similaire, où il est réchauffé à une température de l'ordre de 600[deg.]C et ce par l'intermédiaire d'une grande partie des gaz combustibles (4) sortant du réacteur principal (5) à une température voisine des 800[deg.]C.

   et amenés dans ledit préchauffeur (3) par un conduit (6) récupérant les gaz à la sortie du séparateur (7) où s'effectue le retrait des très fines (quelques dixièmes de millimètre) particules de minerais emportées malgré tout.
Le restant des gaz combustibles (4) passe d'abord dans un échangeur (8) puis dans le condenseur (9) pour débarrasser ceux-ci de l'eau qu'ils contiennent. Ce gaz épuré est injecté dans un réacteur (10) où s'effectue la séparation du dioxyde de carbone (CO2) par un procédé connu tel que le procédé chimique MEA ou le procédé physicochimique PSA. Il est alors envoyé, par l'intermédiaire d'un ventilateur (11), dans l'échangeur (8) ou sa température est amenée vers 60.0[deg.]C.

   Le mélange (12) fines de minerai/fines de charbon ou de coke, ainsi préchauffé dans le préchauffeur (3) est amené dans le conduit (13) où il est repris par le gaz chaud provenant de l'échangeur (8) et ensuite introduit tangentiellement dans le réacteur principal (5) grâce aux injecteurs (14). Cette introduction tangentielle donne au mélange un mouvement tourbillonnaire tout le long de la paroi (15) du réacteur principal (5)
L'atmosphère régnant dans le réacteur principal (5) est composée en majorité d'hydrogène, avec de faibles quantités de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2).

   Vu la présence du CO et du CO2il est néanmoins utile de prévoir un système de séparation pour les retirer du mélange gazeux en vue d'augmenter le pourcentage en hydrogène.
Cette atmosphère est créée par l'introduction, par les conduits (16) et (17), situés dans la partie tronconique formée à la base du réacteur principal, de gaz naturel (CH4) (18) et de la vapeur l'eau (H2O) (19).

   Ce mélange est préchauffé dans le caisson (20) à une température d'environ 600[deg.]C.
Les conduits (16) et (17) sont pourvus de moyens (21) adéquats (arc électrique voire de préférence torche plasma telle que décrite dans le brevet WO 03010088) pour déclencher la décomposition de gaz naturel (CH*) en hydrogène (2H2) et en carbone (C) ainsi que la décomposition partielle de la vapeur d'eau (H2O) en hydrogène (Ffe) et en oxygène (O), le carbone du gaz naturel et l'oxygène de la vapeur d'eau amenant ensuite une recomposition en monoxyde de carbone (CO).
A noter qu'une partie du carbone issu de la décomposition du gaz naturel reste cependant sous forme de fines particules qui agissent en plus lors de la réduction des oxydes de fer du minerai.

   Le gaz réducteur (22), composé d'hydrogène pratiquement pur à une température d'environ 1250[deg.]C à la sortie des injecteurs (16) (17), étant introduit à la base du réacteur principal va, de par son mouvement ascendant freiner très fortement la descente du mélange fines de minerai-fines de charbon ou coke, augmentant par là le temps de séjour dans le réacteur principal et ainsi permettre une réduction pratiquement complète des oxydes de fer.
A noter que vu les dimensions réduites des fines de minerai le temps de séjour nécessaire n'est que de quelques dizaines de secondes. Le produit résultant (éponges de fer) tombe ensuite dans le fond du réacteur principal sur une sole (23), refroidie par eau ou par du gaz naturel, et munie d'un racleur.

   Cette sole reste toujours en contact avec le gaz réducteur ce qui permet ainsi de parachever, si nécessaire, la réduction. La quantité de matière admise sur la sole peut être réglée grâce à un cône
(24) commandé par un moteur (25) et un courant de gaz ascendant.
Le refroidissement peut être poursuivi sur des soles successives, la matière étant amenée de proche en proche par des racleurs.
Les éponges de fer résultant de la réduction des fines de minerais sont ensuite extraites à la base (26) du réacteur principal et stockées pour utilisation ultérieure.

Claims (10)

Revendications

1. Procédé de réduction de fines de minerais pour l'obtention d'épongé de fer par réduction directe caractérisé en ce que ces fines de minerais (1), éventuellement mélangées à des fines de charbon ou de coke (2), préchauffées par une partie des gaz (4) provenant du réacteur principal (5) à une température d'au moins 600[deg.]C, sont introduites tangentiellement dans le réacteur principal (5) par l'intermédiaire de conduits (14) qui leur donnent ainsi un mouvement tourbillonnaire et dont la descente est fortement freinée par le mouvement ascendant du gaz réducteur introduit par les injecteurs (16) et (17) situés à la base tronconique du réacteur principal (5) permettant par là un meilleur contact et un temps de séjour plus long et donc une meilleure réduction

2. Procédé suivant revendication 1 caractérisé en ce que les gaz sortant du réacteur principal (5) sont épurés des très fines particules de minerai par passage dans un séparateur (7).

3. Procédé suivant revendication 1 caractérisé en ce que le gaz réducteur (22) introduit à la base tronconique du réacteur principal (5) est composé en grande quantité d'hydrogène provenant de la décomposition, par arc électrique ou de préférence par torche plasma, de gaz naturel (CH4) et de vapeur d'eau (H2O).

4. Procédé suivant revendications précédentes caractérisé en ce que le contact des fines, vu leur faible dimension (de l'ordre du millimètre), avec le gaz réducteur (22) est maximum

5. Procédé suivant revendications précédentes caractérisé en ce que lors de la décomposition du gaz naturel il reste des fines particules de carbone qui réagissent avec l'oxygène et améliorent encore la réduction des oxydes de fer.

6. Procédé suivant revendications précédentes caractérisé en ce que la température régnant dans le réacteur principal (5) est, si nécessaire, maintenue aux environs de

1000[deg.]C par injection d'oxygène mais ce en quantité excessivement limitée;

7. Procédé suivant revendications précédentes caractérisé en ce que le produit résultant de la réaction est refroidi sur une sole (23) située à la base du réacteur principal (5).

8. Procédé suivant la revendication précédente caractérisé en ce que le produit résultant de la réaction reste en contact avec le gaz réducteur (22) de manière à parachever la réduction des oxydes de fer.

9. Procédé suivant la revendication précédente caractérisé en ce que le produit résultant de la réaction est refroidi en cascade sur des soles successives elles-mêmes refroidies.

10. Procédé suivant revendications précédentes caractérisé en ce que le produit résultant de la réaction est extrait après refroidissement sur les diverses soles et stocké pour utilisation ultérieure.