Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Procédé d'intégration d'un haut-fourneau
et d'une unité de séparation de gaz de l'air
La présente invention concerne un procédé d'intégration
d'au moins un haut-fourneau et d'au moins une unité de
séparation des gaz de l'air, procédé dans lequel n haut-
fourneaux et d'au moins une unité de séparation des gaz de
l'air sont alimentés en air par au moins n+1 compresseurs
avec ri 1, et de préférence > 1.
Le haut-fourneau est l'équipement le plus répandu pour
produire de la fonte essentiellement composée de fer (de
92 à 95 % en poids), de carbone (de 3 à 5 % en poids), et
d'autres éléments en faible quantité tels que le silicium,
le manganèse, le phosphore, le souffre etc_
Cette fonte est ensuite convertie en acier dans un
convertisseur à oxygène par injection d'oxygène dans la
fonte à l'état liquide permettant une oxydation notamment
du carbone.
L'acier obtenu sera ensuite affiné et mis à la nuance
désirée (silicium, manganèse etc_) avant d'être coulé en
lingots, en brames, en blooms, ou en billettes).
Un haut-fourneau est essentiellement alimenté par du
minerai de fer (en général de 1,3 à 1,6 tonnes par tonne de
fonte produite) sous forme d'agglomérés ou de pellets
(en langue anglaise) enfournés par le gueulard du haut-
fourneau, du coke (entre 250 et 500 kg par tonne de fonte)
également enfourné par le gueulard, du charbon pulvérisé et
injecté au niveau des tuyères, avec une quantité injectée
qui peut varier entre 0 et 250 kg par tonne de fonte, ou
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tout autre combustible tel que du gaz naturel, du fioul, du
gaz de cokerie, des matières plastiques, et de l'air que
l'on dénomme encore vent pour un débit qui peut varier
de 800 à 1200 Nm3 par tonne de fonte produite enrichie ou
non en oxygène, cet enrichissement pouvant varier de 0 à
% en volume environ, soit de 0 à 150 Nm3 d'oxygène par
tonne de fonte produite.
Grâce à ce haut-fourneau, on produit principalement de la
10 fonte, du laitier (de 200 à 400 kg par tonne de fonte
produite), laitier qui peut être ensuite valorisé dans
différentes applications, des gaz, contenant notamment de
l'azote (40 à 60 % en volume), du monoxyde de carbone CO
(de 20 à 25 % en volume), du dioxyde de carbone CO2 (de 20
15 à 25% en volume) et de l'hydrogène (de 1 à 7 % en volume).
Il peut également exister divers autres éléments en teneur
inférieure à 1 %.
Le gaz ou mélange de gaz issu du haut-fourneau est
généralement récupéré et utilisé pour sa valeur thermique,
soit en échange direct pour abaisser sa température et
augmenter celle du gaz ou du fluide avec lequel il est en
échange thermique, soit par combustion, par exemple CO avec
de l'oxygène afin de produire des calories additionnelles.
Le vent du haut-fourneau enrichi ou non en oxygène est
injecté à la base du haut-fourneau au niveau de tuyères qui
sont réparties tout autour de la circonférence du haut-
fourneau.
Ce vent est injecté sous une pression qui peut varier de
1 à 7x105Pa., pour vaincre la perte de charge dans le haut-
fourneau ainsi que la pression existant au-dessus de la
charge dans le haut-fourneau.
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Les débits d'air nécessaires sont très élevés, variant de
5000 Nm3/heure pour des haut-fourneaux très petits (par
exemple des haut-fourneaux que l'on voit aujourd'hui en
Chine notamment) jusqu'à 500000 Nm3pour de très gros haut-
fourneaux industriels.
Pour amener l'air ambiant à cette pression, on utilise des
compresseurs d'air ou soufflantes très puissants, une
soufflante (ou plusieurs) étant dédiée à un haut-fourneau.
Dans une usine produisant de la fonte et qui possède plus
d'un haut-fourneaux, on dispose généralement pour n haut-
fourneaux de n+1 au moins soufflantes, et quelques fois de
n+2 soufflantes afin d'assurer une production continue de
fonte lorsque l'une de ces soufflantes tombe éventuellement
en panne (ou doit être arrêtée pour maintenance ou toute
autre cause).
En effet, les soufflantes redondantes (encore appelées
secondes soufflantes) par rapport au nombre de haut-
fourneaux sont généralement montées à côté des autres
soufflantes en fonctionnement, et sont en position
d'attente, prêtes à démarrer de manière à assurer la
continuité de la production de fonte, même lorsqu'on
détecte une pression et/ou débit d'air sur une soufflante
inférieure à une valeur pré-déterminée, en deçà de laquelle
il est nécessaire de remplacer cette soufflante par l'une
des soufflantes en attente.
D'une manière générale, pour l'enrichissement en oxygène du
vent d'air, on prévoit sur le site de production de fonte,
à proximité des haut-fourneaux, ou reliés à ceux-ci par des
canalisations, une ou plusieurs unités de production
d'oxygène de grande capacité, généralement des unités de
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séparation cryogéniques de l'air produisant un oxygène de
pureté industrielle, c'est à dire généralement supérieure à
80 % vol. de préférence supérieure à 90 % vol., plus
préférentiellement supérieure à 95 % vol., et quelques fois
de pureté supérieure à 99 % vol.
L'augmentation des besoins en oxygène d'un site de
production de fonte peut intervenir, soit dans le cas de
l'augmentation de la production de fonte dans les haut-
fourneaux existants, soit par ajout d'un ou plusieurs
nouveaux haut-fourneaux sur le site, soit par augmentation
de la consommation spécifique d'oxygène dans chaque haut
fourneau par suite, par exemple, de l'ajout de plus de
combustible tel que le charbon, le gaz naturel, le fioul,
le gaz de cokerie, les matières plastiques, etc_ (Cet ajout
se fait généralement au niveau des tuyères). Cette
augmentation peut résulter de l'utilisation d'oxygène pour
un autre objectif technique, tel que par exemple
l'enrichissement d'air dédié au préchauffage des cowpers.
Dans ce cas, l'augmentation des besoins en oxygène peut
conduire à la construction d'une nouvelle unité de
production d'oxygène, que ce soit une unité de séparation
cryogénique de l'air, ou par des procédés dits de VPSA.
Lorsqu'il est nécessaire de faire un tel investissement
d'une nouvelle unité de séparation des gaz de l'air, compte
tenu du coût élevé d'une telle unité, il peut s'avérer
nécessaire ou préférable d'utiliser des éléments existants
déjà sur le site.
Le procédé selon l'invention permet de répondre à ce
problème ainsi posé.
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4a
Un aspect de l'invention concerne un procédé d'intégration
de n -k 1 haut-fourneaux et d'au moins une unité de
séparation des gaz de l'air dans lequel les n haut-
fourneaux et l'unité de séparation de gaz de l'air
produisant de l'oxygène de pureté supérieure à 90% vol.
d'oxygène sont alimentés en air par au moins n+1
compresseurs, chaque haut-fourneau étant alimenté par au
moins un compresseur parmi les au moins n+1 compresseurs
disponibles, au moins un des compresseurs n'alimentant pas
un haut-fourneau, dit second compresseur, et étant utilisé
pour alimenter l'unité de séparation des gaz de l'air,
caractérisé en ce que dès que l'un des compresseurs, dit
premier compresseur, alimentant un haut-fourneau produit un
débit inférieur à un débit Dmin prédéterminé, ledit premier
compresseur est déconnecté dudit haut-fourneau et le second
compresseur est connecté audit haut-fourneau.
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Il est caractérisé en ce que, chaque haut fourneau étant
alimenté par au moins un compresseur parmi les n+1 au moins
compresseurs disponibles, au moins un des compresseurs qui
n'alimentent pas un haut fourneau (ci-après appelé second
5 compresseur) est utilisé pour alimenter l'unité de
séparation des gaz de l'air tandis que, dès que l'un des
compresseurs (ci-après appelé premier compresseur)
alimentant un haut-fourneau produit un débit d'air
inférieur à un débit prédéterminé Dmin, ledit premier
compresseur est déconnecté dudit haut-fourneau, et le
second compresseur est connecté au dit haut-fourneau et de
préférence déconnecté de l'unité de séparation des gaz de
l'air.
Le débit Dmin correspond typiquement au débit minimum requis
pour que le haut-fourneau auquel il est relié fonctionne
correctement.
De cette manière, on utilise une des soufflantes ou
compresseurs disponibles (second compresseur), lorsque les
autres soufflantes (premiers compresseurs) sont en état de
marche normale et alimentent normalement leur haut-fourneau
respectif, pour alimenter en air comprimé l'unité de
séparation des gaz de l'air (avec généralement un petit
compresseur supplémentaire de manière à augmenter la
pression de l'air fourni à l'unité de séparation de gaz de
l'air jusqu'à une valeur d'au moins 5x105 kPa environ et/ou
pour compléter le volume d'air fourni à l'unité de
séparation) et, lorsqu'un problème est détecté au niveau de
l'un des premiers compresseurs alimentant le haut-fourneau,
on arrête le premier compresseur ayant un problème et on le
remplace par le compresseur chargé entre-temps d'alimenter
en air comprimé l'unité de séparation des gaz de l'air,
cette unité étant, pendant ce temps là, mise en période
d'attente, jusqu'à ce qu'un (autre) second compresseur
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devienne disponible (après réparation du premier
compresseur) pour alimenter en air comprimé l'unité de
séparation des gaz de l'air. De préférence, un compresseur
complémentaire, dédié à l'unité de séparation des gaz de
l'air est prévu de manière à fournir une partie au moins de
l'air comprimé nécessaire à cette unité et/ou la
surpression nécessaire.
Dans le présent contexte, un compresseur est dit
connecté ou relié à un haut-fourneau ou à une unité
de séparation des gaz de l'air quand ledit compresseur
alimente le haut-fourneau, respectivement l'unité de
séparation des gaz de l'air en air comprimé. De manière
analogue, un compresseur est dit déconnecté d'un haut-
fourneau ou d'une unité de séparation des gaz de l'air
quand il n'alimente pas le haut-fourneau, respectivement
l'unité de séparation des gaz de l'air en air comprimé.
Selon le débit d'air nécessaire pour le haut-fourneau et
une unité de séparation des gaz de l'air, et le débit
maximum que peut fournir la soufflante (second compresseur)
disponible, il sera possible, dans certaines circonstances,
de continuer à faire fonctionner l'unité de séparation des
gaz de l'air pendant la période d'attente, avec un débit
réduit d'air comprimé, (diminué du débit nécessaire au
haut-fourneau auquel cette soufflante est maintenant
raccordée).
Différentes variantes de l'invention sont possibles :
une ou plusieurs soufflantes présentes sur le site et
prévue(s) pour la compression de l'air ou vent envoyé au
haut-fourneau, notamment les soufflantes en attente,
peuvent être utilisées pour comprimer au moins une partie
de l'air nécessaire à la fabrication de l'oxygène par une
ou des unités de séparation des gaz d'air.
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Les caractéristiques de l'une ou des soufflantes
initialement prévues pour travailler dans des plages de
fonctionnement adaptées aux besoins propres de pression et
de débit pour le haut-fourneau pourront être adaptées aux
besoins propres de pression et de débit pour l'unité de
production d'oxygène.
L'air comprimé à une pression dans tous les cas supérieure
à 2 bars absolus, produit par l'une des soufflantes
initialement dédiée à un haut-fourneau, pourra être envoyé
à l'unité de production d'oxygène ou au haut-fourneau.
En marche normale , c'est à dire lorsque toutes les
soufflantes sont en état de marche, l'air de la soufflante
en attente (second compresseur) sera intégralement ou en
partie seulement, envoyé à l'entrée de l'unité de
séparation des gaz de l'air.
Par contre, en cas d'urgence, c'est à dire lorsqu'un nombre
insuffisant de soufflantes sera en état de marche normale
pour assurer l'injection du vent dans les haut-fourneaux,
l'air de cette soufflante additionnelle pourra être alors
envoyé de nouveau au haut-fourneau, la marche de l'unité de
production d'oxygène étant stoppée ou adaptée à une marche
dégradée, compatible avec la marche souhaitée des haut-
fourneaux.
On pourra prévoir un système de canalisations permettant
d'envoyer l'air comprimé sur l'une ou l'autre des
destinations (haut-fourneau ou unité de séparation des gaz
de l'air).
De préférence, on utilisera un système de régulation pour
optimiser l'adaptation, tandis que la plage de
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fonctionnement de la ou des soufflantes initialement en
position d'attente sera étudié pour permettre une souplesse
d'adaptation aux différentes situations possibles.
La marche de l'unité de séparation des gaz de l'air et
produisant de l'oxygène pourra être totalement arrêtée si
le besoin de production de fonte par les haut-fourneaux le
requiert et est choisi par l'opérateur comme étant
prioritaire.
De préférence, l'unité de séparation des gaz de l'air
produit de l'oxygène à une pureté supérieure à 90 % vol.
(dit encore oxygène impur) et préférentiellement à une
pureté supérieure à 95 % en volume d'oxygène.
De préférence également, on prévoira un compresseur
complémentaire dédié à l'unité de séparation des gaz de
l'air afin de fournir une partie de l'air nécessaire à
l'unité de séparation des gaz de l'air (si une forte
quantité d'air est nécessaire, trop importante pour la
capacité d'une soufflante). En outre, ce compresseur
complémentaire pourra être utilisé pour faire fonctionner
l'unité de séparation lorsque la soufflante (second
compresseur) sera récupérée par un haut-fourneau. Ce
compresseur complémentaire pourra être également utilisé
comme soufflante de remplacement en cas de deux pannes
simultanées, auquel cas l'unité de séparation sera
arrêtée).
L'oxygène produit par l'unité de séparation des gaz de
l'air pourra être destiné en partie aux haut-fourneaux ou
en partie à d'autres installations généralement présentes
sur le site comme les convertisseurs. Ainsi, une partie de
l'oxygène produit par l'unité de séparation des gaz de
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l'air est utilisée dans au moins un des convertisseurs
présents sur le site d'intégration.
Selon une variante, l'unité de séparation des gaz de l'air
présente deux modes de fonctionnement, un mode d'opération
dit régulier et un mode d'opération dit dégradé.
Typiquement, l'unité de séparation des gaz de l'air
fonctionne en mode d'opération régulier quand elle est
alimentée en air par le second compresseur, et en mode
d'opération dégradé quand le second compresseur est
connecté à un haut-fourneau, c'est à dire pendant la
période d'attente de l'unité de séparation des gaz de
l'air.
Selon une première forme de réalisation, l'unité de
séparation des gaz de l'air produit de l'oxygène de pureté
supérieure à 90 % vol. en mode d'opération régulier et de
pureté inférieure ou égale à 90 % en mode d'opération
dégradée. Selon une autre forme de mise en uvre, l'unité
de séparation des gaz de l'air produit de l'oxygène de
pureté supérieure à 95 % vol. en mode d'opération régulier
et inférieure ou égale à 95 % en mode d'opération dégradée.
L'unité de séparation des gaz de l'air peut également
générer un premier débit d'oxygène en mode d'opération
régulier et un deuxième débit d'oxygène inférieur au
premier débit en mode d'opération dégradé.
Ainsi, l'unité de séparation des gaz de l'air peut fournir
de l'oxygène et en particulier alimenter en oxygène les
canalisations d'air comprimé reliées au haut-fourneau, même
pendant la période d'attente.
Selon une autre variante, l'unité de séparation comporte
des canalisations (18, 19) et des vannes (7, 8, 13)
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permettant de relier le second compresseur (16) soit à
l'une au moins des canalisations (5, 6) d'alimentation en
air des haut-fourneaux, soit à l'unité de séparation des
gaz dans l'air (20), soit au deux.
5
L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple de
réalisation suivant décrit sur la figure unique qui
représente un exemple de réalisation de l'invention à
l'aide de deux haut-fourneaux, une unité de séparation des
10 gaz de l'air et trois compresseurs.
Les haut-fourneaux respectivement 1 et 2 sont reliés
respectivement aux compresseurs 3 et 4 par l'intermédiaire
des lignes d'alimentation en air comprimé 5 et 6.
Sur la ligne 5, on retrouve un capteur de débit 9 mesurant
le débit minimum sur la ligne 5 et un capteur de débit 10
régulant le débit de l'air comprimé du compresseur 3.
On retrouve la même fonction avec les détecteurs 11 de
débit minimum sur la ligne 6 et 12 de régulation du
compresseur 4.
Les compresseurs 3 et 4 sont les soufflantes normalement
utilisées pour alimenter respectivement leurs haut-
fourneaux.
Sur le site, on dispose d'un compresseur ou soufflante
supplémentaire destiné à venir palier les défaillances des
compresseurs 3 ou 4.
Ce compresseur supplémentaire 16 est relié par la ligne
alimentation 19 et la vanne 13 à l'unité de séparation des
gaz de l'air 20, d'une part, et par la ligne 18 aux vannes
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7 et 8, elles-mêmes reliées respectivement aux lignes
d'alimentation 5 et 6.
Sur la ligne d'alimentation 19, on retrouve un capteur de
débit 17 chargé de réguler le débit d'air envoyé à l'unité
de séparation des gaz de l'air 20 par le compresseur 16
lorsque celui-ci est en fonctionnement.
L'unité de séparation des gaz de l'air 20 est reliée
respectivement par les lignes d'alimentation 21 et 22 aux
vannes 14 et 15 qui alimentent respectivement les lignes 6
et 5.
Le fonctionnement de ce système est le suivant : en
fonctionnement normal, c'est à dire lorsque les
compresseurs 3 et 4 fonctionnent normalement, c'est à dire
que le débit de l'air envoyé respectivement aux haut-
fourneaux 1 et 2 est supérieur au minimum requis pour le
fonctionnement normal de ces haut-fourneaux, et mesuré
respectivement par les détecteurs 9 et 11, les vannes 14 et
15 sont en position ouverte ainsi que la vanne 13.
Dans ce cas, le compresseur de remplacement 16 alimente par
l'intermédiaire de la vanne 13 en position ouverte, l'unité
de séparation des gaz de l'air qui elle-même débite son
oxygène à travers les vannes respectivement 14 et 15 aux
lignes d'alimentation de vent des haut-fourneaux 6 et 5 de
manière à enrichir ce vent de la quantité d'oxygène
souhaitée.
Lorsque, par contre, l'un et/ou l'autre des deux détecteurs
9 ou 11 détectent une anomalie de débit dans les lignes 5
ou 6, la vanne 13 qui était ouverte est alors fermée ou
partiellement fermée dans la ligne 19, les détecteurs 9
et/ou 11 commandant simultanément l'ouverture des vannes 7
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et/ou 8 (normalement fermées pendant la période de
fonctionnement normal ) de manière à pouvoir alimenter
en air comprimé les lignes 5 et/ou 6 à travers ces vannes 7
et 8.
Selon le choix fait par l'opérateur ou permis par
l'installation, les vannes 14 et 15 seront soit
complètement fermées (mode préférentiel),
soit
partiellement fermées si l'unité de séparation des gaz de
l'air 20 peut continuer à fonctionner en mode dégradé.
