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Procédé pour l'élaboration directe d'un métal à partir d'un minerai sous forme d'oxyde et de charbon fin.
La présente invention concerne un procédé pour l'élaboration directe d'un métal à partir d'un minerai sous forme d'oxyde et de charbon fin.
La description qui va suivre est principalement axée sur l'élaboration de fer à partir de minerai constitué d'oxydes de fer. Cette application particulière est uniquement destinée à servir d'exemple pour illustrer le procédé de la présente invention, qui peut en fait s'appliquer avec avantage à d'autres métaux dont l'élaboration fait appel à des techniques de même nature.
A l'heure actuelle, la voie usuelle pour transformer du minerai de fer en acier comporte généralement les étapes de préparation des minerais de fer, par exemple par agglomération, de production de coke à partir de charbons sélectionnés, d'élaboration de fonte dans un haut fourneau et d'affinage de cette fonte dans des aciéries presque toujours pneumatiques.
Ce processus classique permet de fabriquer successivement une fonte et un acier de bonne qualité, mais il présente actuellement plusieurs inconvénients. Pour atteindre le niveau de qualité requis, le haut fourneau exige que le coke et le minerai soient préparés de manière optimale. La fabrication du coke nécessite d'une part des installations coûteuses et d'autre part l'utilisation de charbons cokéfiables ; ceux-ci ne constituent qu'une faible partie des réserves de charbon connues et sont par conséquent également chers. De même, l'agglomération des minerais est réalisée dans des installations qui requièrent des investissements élevés et elle consomme actuellement du minerai spécialement préparé appelé"sinter feed".
Enfin, aussi bien la fabrication du coke que l'agglomération des minerais sont soumises à des prescriptions de plus en plus sévères en matière de protection de l'environnement, ce qui contribue à augmenter encore le prix de revient de ces matières.
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D'autres voies sont actuellement explorées pour tenter de remédier à ces inconvénients. On a ainsi proposé différents procédés de fusion réductrice, pour produire du fer directement à partir de minerai de fer et de charbon fin.
Ces procédés sont en général handicapés par le fait qu'ils génèrent un excédent de gaz, constitué principalement de CO et de CO2, car il est nécessaire de produire d'une part un gaz réducteur tel que CO pour assurer la réduction et d'autre part une quantité de chaleur, par combustion sous forme de Cl2, suffisante pour réaliser la fusion. Une autre voie envisage l'utilisation d'un four électrique consommant des ferrailles.
On se heurte ici au problème de la pureté de l'acier, en raison notamment de la présence d'éléments d'alliage ou de revêtement dans les ferrailles ; en outre, la croissance de la demande fait augmenter le prix des ferrailles d'autant plus que la quantité de ferrailles internes des usines sidérurgi- ques diminue du fait de la généralisation de la coulée continue de l'acier.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé permettant de remédier aux divers inconvénients précités. Ce procédé pour l'élaboration directe d'un métal à partir d'un minerai sous forme d'oxyde et de charbon fin remplace les opérations de fabrication de coke et d'agglomération des minerais ainsi que de production de fonte au haut fourneau. Il permet de générer de façon simultanée et indépendante le gaz réducteur et la chaleur nécessaires à la production de métal totalement réduit. Dans le cas particulier du minerai de fer, on obtient ainsi une éponge de fer pouvant ensuite alimenter un réacteur de fusion pour produire une fonte de qualité, ou un four d'aciérie, tel qu'un four électrique ou un convertisseur, pour produire un acier de qualité.
Conformément à la présente invention, un procédé pour l'élaboration directe d'un métal à partir d'un minerai sous forme d'oxyde et de charbon fin, est caractérisé par les opérations suivantes : a) on soumet le charbon fin à une opération de séchage et de préchauffage en le portant à une température comprise entre 200. C et 350. C ; b) le charbon séché et préchauffé est ensuite gazéifié et transformé en semi-coke en le portant rapidement à une température comprise entre 700. C et 1400.
C ;
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c) on recueille, à la sortie de l'étape de gazéification (b), un gaz réducteur composé essentiellement de CO et de H2, à une température comprise entre 700ex et 1400OC ; ce gaz provient de la gazéification du charbon fin et de la réaction du semi-coke avec des gaz recyclés contenant (CO, et H2O) ; d) on soumet le minerai à une opération de séchage et de préchauffage en le portant à une température comprise entre 200. C et 1000. C ; e) le minerai séché et préchauffé subit une préréduction au moyen d'au moins une partie du gaz réducteur chaud quittant l'étape de réduction finale (f) du minerai à une température comprise entre 400. C et 1200.
C ; f) le minerai préréduit subit une réduction finale au moyen dudit gaz réducteur chaud, recueilli en (c), à une température comprise entre 700. C et 1400. C ; g) on recueille le gaz réducteur chaud, enrichi en C02 et H2O, à la sortie des étapes de réduction finale (f), de préréduction (e) et/ou de séchage et préchauffage (d) du minerai et on recycle au moins une partie dudit gaz dans l'étape de gazéification (b), le CO2 et le H20 servant à oxyder partiellement le semi-coke dans ladite étape de gazéification (b) ;
h) on brûle une autre partie du gaz réducteur chaud quittant au moins une desdites étapes de réduction finale (f), de préréduction (e) et de séchage et préchauffage (d) du minerai pour maintenir la température de l'étape de gazéification (b) entre 700ex et 1400. C ; i) on recueille le métal chaud réduit à la sortie de l'étape de réduction finale (f).
Dans la présente demande, il sera largement question d'une étape de gazéification. Sauf indication contraire, il s'agit de l'étape (b) ci-dessus, qui comprend non seulement la gazéification proprement dite du charbon fin mais aussi la production de gaz réducteur (CO + H2) par réaction du semicoke avec des gaz recyclés contenant (C02 et H2O), comme cela sera expliqué plus loin.
La mise en oeuvre de ce procédé peut être réalisée suivant différentes variantes particulières, qui peuvent être combinées entre elles. A cet égard, on peut avantageusement :
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- effectuer l'étape de gazéification (b) à une température comprise entre 800. C et 1100.
C ; - opérer la réduction finale du minerai préréduit, à une température comprise entre 700ex et 1100OC ; - sécher et préchauffer le minerai au moyen de fumées provenant du chauf- fage (h) de l'étape de gazéification (b) ; - séparer le séchage et le préchauffage du minerai, le séchage étant effectué au moyen de fumées provenant du chauffage (h) de l'étape de gazéification (b) et le préchauffage étant effectué au moyen d'au moins une partie du gaz réducteur chaud quittant l'étape de préréduction (e) et/ou l'étape de réduction finale du minerai (f) ; - sécher et préchauffer le charbon fin au moyen d'au moins une partie des fumées provenant du chauffage de l'étape de gazéification (b) et/ou de l'étape de séchage et/ou de préchauffage du minerai (d) ;
- sécher et préchauffer le charbon fin au moyen de fumées oxydantes, pour détruire les propriétés agglutinantes dudit charbon ; - sécher et préchauffer le minerai et/ou le charbon fin, par combustion directe d'au moins une partie du gaz réducteur chaud quittant l'étape de préréduction (e) et/ou l'étape de réduction finale (f) du minerai ; - opérer le séchage et/ou le préchauffage du minerai au moyen d'au moins une partie du gaz réducteur chaud quittant l'étape de préréduction (e) et/ou l'étape de réduction finale (f) du minerai ; - remplacer totalement ou partiellement le gaz réducteur chaud quittant l'étape de préréduction (e) et/ou l'étape de réduction finale (f) du minerai par du gaz réducteur chaud recueilli en (c) pour opérer le séchage et/ou le préchauffage (d) du minerai ;
- remplacer totalement ou partiellement le gaz réducteur chaud quittant l'étape de réduction finale (f) du minerai par du gaz réducteur chaud recueilli en (c) pour opérer la préréduction (e) du minerai ; - injecter de l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène dans l'étape de gazéification, au moins pendant la phase de démarrage de la réaction de gazéification du charbon ; - soutirer au moins une partie du semi-coke résultant de la gazéification du charbon fin et brûler ce semi-coke pour maintenir la température de l'étape de gazéification et/ou pour sécher et préchauffer le minerai et/ou le charbon fin et/ou pour réchauffer ou surchauffer ledit gaz réducteur recyclé ;
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- effectuer dans une étape unique le séchage, le préchauffage et la gazéi- fication du charbon fin ;
- effectuer dans une étape unique les opérations de préréduction (e) et de réduction finale (f) du minerai ;
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- effectuer dans une étape unique les opérations de séchage et préchauffage (d) et préréduction (e) du minerai ; - effectuer dans une étape unique les opérations de préchauffage, préré- duction (e) et réduction finale (f) du minerai ; - effectuer dans une étape unique les opérations de séchage et préchauf- fage (d), préréduction (e) et réduction finale (f) du minerai ; - effectuer à une même température de l'ordre de 1000'C, les étapes de gazéification (b), de préréduction (e) et de réduction finale (f) ;
- opérer à une pression différente de la pression atmosphérique dans au moins une des étapes de gazéification (b), de préréduction (e) et de réduction finale (f) du minerai, par exemple en légère dépression dans l'étape de gazéification (b) et en surpression dans les étapes de pré- réduction (e) et/ou de réduction finale (f) du minerai ; - effectuer l'opération de semi-cokéfaction du charbon dans une étape distincte, avant l'étape de gazéification et à une température de 6000C maximum ; - prélever une partie du gaz réducteur chaud quittant l'étape de réduction (f) et/ou l'étape de préréduction (e) et le brûler pour maintenir la température de l'étape de gazéification (b) entre 7000C et 1400oC ;
- recueillir le gaz réducteur chaud quittant l'étape de séchage et pré- chauffage du minerai et le brûler pour maintenir la température de l'étape de gazéification entre 700ex et 1400oC ; - laver et dépoussiérer le gaz réducteur chaud provenant d'au moins une des étapes de réduction finale, de préréduction et de séchage et pré- chauffage du minerai, comprimer ledit gaz, brûler au moins une partie dudit gaz pour maintenir la température de l'étape de gazéification (b), réchauffer le reste dudit gaz à une température comprise entre 5000C et 1400.
C et le recycler dans l'étape de gazéification (b) ; - brûler ladite partie du gaz réducteur à l'extérieur de l'étape de gazéi- fication, et maintenir la température de ladite étape de gazéification au moyen des fumées produites par ladite combustion ;
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- réchauffer ledit reste du gaz réducteur au moyen soit des fumées quit- tant le chauffage de l'étape de gazéification (b), soit de fumées pro- duites par la combustion d'une partie du gaz réducteur recyclé.
Les différentes opérations précitées sont effectuées dans des réacteurs appropriés qui, pour simplifier, seront appelés dans la suite : - sécheur (A), pour le réacteur de séchage et de préchauffage du charbon fin (étape a) ; - gazéificateur (B), pour le réacteur de gazéification et de semi-coké- faction du charbon fin (étape b) ; - sécheur (C), pour le réacteur de séchage et de préchauffage du minerai (étape d) ; - préréducteur (D), pour le réacteur de préréduction du minerai (étape e) ; - réducteur (E), pour le réacteur de réduction finale du minerai (étape f) ; - sécheur (C'), pour le réacteur séparé de séchage du minerai ; - préchauffeur (C"), pour le réacteur séparé de préchauffage du minerai ; - réacteur (F = A + B), pour le réacteur unique de séchage, préchauffage et gazéification du charbon fin ;
- réacteur (G = D + E), pour le réacteur unique de préréduction et réduc- tion finale du minerai ; - réacteur (H = C + D), pour le réacteur unique de séchage, préchauffage et préréduction du minerai ; - réacteur (I = C + D + E), pour le réacteur unique de séchage, préchauf- fage, préréduction et réduction finale du minerai.
- réacteur (J = C"+ D + E) pour le réacteur unique de préchauffage, pré- réduction et réduction finale du minerai.
Selon une mise en oeuvre intéressante, le procédé de l'invention peut être complété par une opération de production de fonte, par fusion dans un réacteur approprié avec addition éventuelle de fondants. La fusion peut dans ce cas être assurée par combustion d'une partie des gaz réducteurs quittant le gazéificateur (B), le sécheur (C), le préréducteur (D) ou le réducteur (E) ou leurs combinaisons (G, H, I, J) et/ou par combustion du semi-coke provenant du gazéificateur (B) ou encore par combustion de tout autre combustible, en particulier du charbon frais.
Les fumées chaudes quittant le réacteur de fusion sont de préférence utilisées pour maintenir
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la température de l'étape de gazéification (b), soit en réchauffant le gaz réducteur avant son recyclage dans le gazéificateur (B), soit par échange de chaleur avec le gazéificateur (B).
L'avantage de cette combinaison est qu'elle associe deux processus continus.
Une autre mise en oeuvre intéressante de l'invention consiste à compléter le présent procédé par une opération de production directe d'acier. Dans ce cas, l'éponge de fer chaude, résultant de l'opération de réduction, est chargée dans un four d'aciérie, tel qu'un four électrique ou un convertisseur, où elle est fondue et transformée en acier.
Cette voie présente l'avantage d'être plus directe et plus rapide que la précédente pour la fabrication d'acier. De plus, elle pourra aisément être mise en oeuvre en combinaison avec les processus continus vers lesquels évolue actuellement la technique de l'élaboration de l'acier. Au stade actuel déjà, on peut proposer différents moyens pour combiner-le présent procédé à une opération discontinue de fabrication d'acier.
Selon un premier de ces moyens, on prévoit d'effectuer la réduction finale du minerai en alternance dans deux réacteurs de réduction, qui travaillent en parallèle et alimentent à tour de rôle le four d'aciérie.
Un autre de ces moyens consiste à opérer la réduction finale dans un réacteur de réduction de grande capacité, et de prélever périodiquement la quantité d'éponge de fer correspondant à la charge du four d'aciérie.
Encore un autre de ces moyens est de prévoir, entre l'étape de réduction finale et la transformation en acier, une étape de stockage de l'éponge de fer dans un réservoir de grande capacité, sous atmosphère inerte et de préférence thermiquement isolé, qui fait office de tampon pour alimenter périodiquement le four d'aciérie.
Afin de préciser les idées et de faire clairement comprendre le procédé de l'invention, on va maintenant décrire en détail une variante préférée de mise en oeuvre, qui est illustrée schématiquement dans la figure unique
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annexée.
Comme on l'a explicité plus haut, le procédé comprend cinq opérations principales, à savoir (1) le séchage et préchauffage du charbon fin ; (2) la gazéification du charbon fin et du semi-coke résultant ; (3) le séchage et préchauffage du minerai ; (4) la préréduction du minerai ; et (5) la réduction finale du minerai. Ces opérations sont effectuées respectivement dans les réacteurs (A), (B), (C), (D) et (E) définis plus haut.
Dans la variante représentée, le charbon fin C à 250C est chargé dans le sécheur (A), et il en sort à une température comprise entre 2000C et 350'C.
Le charbon fin séché et préchauffé est ensuite introduit dans le gazéificateur (B) où il est porté rapidement à une température de l'ordre de 1000. C. La gazéification du charbon produit un gaz réducteur essentiellement composé de (CO + H2) qui est maintenu à environ 1000. C, et un résidu solide qui est un semi-coke contenant des matières minérales. Le semi-coke réagit avec le CO2 et le H20 apportés par des gaz recyclés pour former également du CO et H2, augmentant ainsi la teneur en cendres du semi-coke.
Dans la figure, on a représenté schématiquement le chauffage du gazéificateur (B) par une double enveloppe (1), elle-même alimentée en gaz chaud par un brûleur (2). Il va de soi que tout autre moyen de chauffage pourrait convenir ; un brûleur est cependant avantageux parce qu'il permet d'une part de brûler le semi-coke SC produit dans le gazéificateur (B) et d'autre part de consommer le gaz réducteur excédentaire, comme cela sera indiqué plus loin. Le brûleur (2) est bien entendu relié à une source d'oxygène Q2, qui est généralement l'air atmosphérique.
Parallèlement, un minerai de fer oxydé M (contenant par exemple Fe203 et/ou Fie304), de préférence fin, est chargé à 250C dans un sécheur (C) alimenté en gaz chaud.
Il est ensuite transféré dans un préréducteur (D), où l'oxyde initial est partiellement réduit (par exemple en FeO) à l'aide de gaz réducteur chaud
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provenant d'un réducteur (E).
Le minerai préréduit est enfin transféré dans le réducteur final (E), où la réduction est achevée au moyen du gaz réducteur venant du gazéificateur (B) pour donner essentiellement du fer (Fe). On obtient ainsi dans ce cas une éponge de fer à environ IOOOOC, qui peut être utilisée de diverses façons.
Dans la variante représentée en trait plein, les opérations de réduction, de préréduction et de séchage-préchauffage du minerai sont assurées au moyen du gaz réducteur (CO + H2) produit dans le gazéificateur (B) et ayant une température initiale d'environ 1000'C. A chaque opération, le gaz réducteur s'enrichit en CO2 et en H2O, tout en s'appauvrissant en CO et H2.
Le gaz réducteur (CO + H2) est utilisé en premier lieu pour la réduction finale, car sa pureté permet d'effectuer la réduction du FeO en Fe, qui est une réaction relativement difficile à réaliser. Le gaz chaud permet également de porter le minerai à une température suffisante pour la réaction.
Le gaz légèrement refroidi quittant le réducteur (E) est encore un gaz réducteur, avec toutefois une certaine teneur en H20 et CO2. Ce gaz est utilisé dans le préréducteur (D) pour l'échauffement et la préréduction du minerai, c'est-à-dire la réduction du Fe203 et/ou du Fe304 en FeO, qui est une réaction plus aisée et plus rapide.
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Le gaz quittant le préréducteur (D) présente une température plus faible et une teneur accrue en COg et H2O. Toutefois, sa température est encore suffisante pour qu'il puisse assurer le séchage et le préchauffage du minerai. Ce gaz, contenant essentiellement du CO, CO, H et H2O, est recyclé dans le procédé. Avant d'être recyclé, ce gaz est éventuellement dépoussiéré et épuré dans un dispositif approprié (3) pour éliminer par exemple les composés sulfurés. Le gaz est ensuite porté à la pression requise par un compresseur (4).
Une partie de ce gaz est réchauffée par les fumées provenant de la double enveloppe (1) du gazéificateur (B), par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (5), puis elle est réintroduite
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dans le gazéificateur (B) où le CO2 et le H20 se transforment en CO et H2 en présence de carbone solide :
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Chacune de ces réactions donne deux molécules de gaz à partir d'une seule molécule de gaz et d'un atome de carbone solide. C'est pourquoi il convient de ne recycler qu'une partie du gaz dans le gazéificateur (B), afin de conserver un volume et une pression constants.
L'excédent du gaz ainsi comprimé en (4) peut, après avoir éventuellement subi un traitement complémentaire en (6), être consommé dans le brûleur (2), ou éventuellement dans d'autres brûleurs, non représentés, équipant les sécheurs (A) et/ou (C), ou encore dans un échangeur de chaleur réchauffant le gaz réducteur recyclé.
Dans cette variante, le chauffage des sécheurs (A) et (C) est assuré par les fumées provenant de l'enveloppe chauffante du gazéificateur (B).
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Il est encore prévu la possibilité d'injecter un gaz oxygéné (02) dans le gazéificateur (B) pour y assurer le démarrage des réactions. En régime normal de fonctionnement, cette alimentation en oxygène est généralement fermée et l'oxygène nécessaire est fourni par les réactions de réduction du minerai dans les réacteurs (D) et (E). L'injection d'oxygène peut cependant être utilisée pour faciliter le maintien du gazéificateur (B) à sa température de fonctionnement.
La figure montre encore, en trait mixte, une variante selon laquelle le réacteur (C) est scindé en un sécheur (C') et un préchauffeur (C") pour le minerai. Dans ce cas, le sécheur (C') est chauffé, en série avec le sécheur (A), par les fumées provenant de l'enveloppe (1) du gazéificateur (B), et le préchauffeur (C") est chauffé par le gaz réducteur provenant du préréducteur (D).
D'autres variantes, illustrées également en trait mixte, indiquent qu'une partie du gaz réducteur peut être prélevée à la sortie du réducteur (E) et/ou du préréducteur (D), pour alimenter le gazéificateur (B) et/ou le
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brûleur (2). Il est d'ailleurs possible de prélever la totalité de ce gaz à la sortie du préréducteur (D) ; dans ce cas, le sécheur (C) serait chauffé par les fumées provenant de l'enveloppe (1) du gazéificateur (B). Cette dernière possibilité n'a pas été représentée dans la figure, afin de ne pas surcharger le dessin.
Le procédé de l'invention permet de régénérer le gaz réducteur (CO + H2) sans réaliser de combustion de charbon avec de l'oxygène, mais en recyclant un gaz contenant du (C02 + H2O) obtenu par la réduction des oxydes du minerai.
L'invention n'est évidemment pas limitée à la variante de mise en oeuvre qui vient d'être décrite et illustrée. Elle s'étend également à toute modification qu'un homme du métier pourrait y apporter, notamment en remplaçant une partie du charbon fin par une autre substance hydrocarbonée, solide (lignite, coke, poussier, matières plastiques), liquide (pétrole, fuel) ou gazeuse (gaz naturel).
Enfin, elle englobe l'élaboration de tout métal à partir de son minerai se présentant sous forme d'oxyde, dans le cadre défini par les revendications qui suivent.