Technologies pour l'amélioration du processus de frittage

Retour fin - processus de frittage de minerai de fer enrobé de mosaïque

Afin d'augmenter la perméabilité du lit de frittage pour la productivité du minerai de frittage, le procédé "Return Fine - Mosaic embedding Iron Ore Sintering" (RF-MEBIOS) a été développé. Le procédé RF-MEBIOS, qui est une technique de granulation by-passing fine retour. Dans ce processus, les particules sèches sont ajoutées aux matières premières granulées, puis chargées dans la machine de frittage, ce qui entraîne une augmentation de la productivité de la machine de frittage.

L'augmentation de la productivité est provoquée par l'augmentation de la taille des pseudo-particules lors de la granulation et par la diminution de la densité apparente du lit garni d'aggloméré après le chargement. Le premier est obtenu par une teneur en humidité plus élevée dans les matières premières lors de la granulation. Ce dernier est obtenu par un frottement plus élevé dans le lit de frittage composé d'un composé de particules sèches et humides, qui a pour rôle de diminuer la densité apparente. En augmentant le rapport fin de retour de dérivation et la taille, la vitesse de frittage et la productivité du frittage sont augmentées.

La figure 3 montre le flux de matériau typique à l'usine d'agglomération. Le transport des amendes de retour diverge en deux itinéraires par un amortisseur de divergence. L'un est vers le bac fin de retour existant et l'autre sur le nouveau bac fin de retour by-pass. Les fines de retour du bac de retour existant et les autres matières premières d'agglomération sont mélangées et granulées avec de l'eau dans le mélangeur. Les fines de retour du bac de retour des fines by-pass sont ajoutées après le mélangeur. La section donnée sur le côté droit de la figure 3 montre la relation de position entre l'amortisseur et le convoyeur à bande. La position du registre est ajustée pour contrôler le rapport des fines de retour du by-pass. L'amortisseur peut séparer les fines de retour entre la couche supérieure (fines de retour by-pass) et la couche inférieure (fines de retour de granulation). Le convoyeur à bande évacue bien sûr les particules en tant que couche supérieure, de sorte que les particules relativement grosses sont transportées vers le bac fin de retour de dérivation.

Fig 3 Disposition typique de l'itinéraire de transport fin de retour à l'usine d'agglomération

La perméabilité est augmentée par deux facteurs, à savoir (i) un faible rapport de taille de pseudo-particules fines (moins 0,25 mm) et (ii) une faible densité apparente. Le premier est causé par la granulation à haute teneur en humidité due à l'ajout de fines de retour sèches après la granulation lorsque la teneur en humidité au chargement est constante.

Chargement double couche

Avec une charge uniforme de mélange de frittage sur le brin de frittage, cela peut entraîner une température plus élevée provoquant la fusion du mélange de frittage. Cela limite le flux d'air descendant et le processus de frittage. Dans le chargement à double couche, des matériaux de charge de plus petite taille de grain avec une concentration plus élevée de poussier de coke sont chargés dans la couche supérieure. Un matériau de plus grande granulométrie (minerai et retour d'agglomération) avec une concentration inférieure de poussier de coke est chargé dans la couche inférieure. Cela garantit un bon passage de la chaleur dans les couches inférieures, une perméabilité élevée du lit et une utilisation efficace du combustible.

Améliorations dans l'équipement d'alimentation de mélange d'agglomération

Le chargement de mélange séparé du mélange de frittage se traduit par de grosses particules au bas du mélange de frittage sur les granulés tandis que de petites particules au sommet du mélange de frittage sur les palettes du brin de la machine de frittage. Le chargement du mélange séparé contribue à la perméabilité du mélange et contribue donc à améliorer la productivité de la machine. Il existe plusieurs conceptions du système de charge pour le chargement séparé. Certains d'entre eux sont (i) l'installation d'un écran supplémentaire sur la goulotte inclinée conventionnelle, (ii) un alimentateur à tamisage intensifié, (iii) un fil fendu séparé et (iv) un alimentateur à rupture magnétique. La figure 4 montre le système de chargement sans système de chargement de mélange séparé ainsi que les systèmes de chargement avec différents types de systèmes de chargement du mélange d'agglomération.

Fig 4 Système de chargement du mélange d'agglomération

Brûleur à fentes multiples dans le four d'allumage

Lors de l'allumage du haut du lit de mélange de frittage sur la machine de frittage dans le four d'allumage, la stabilité de la flamme du brûleur est essentielle. Les brûleurs à fentes multiples aident à produire une seule grande flamme stable qui élimine les zones sans flamme et fournit un apport de chaleur minimal pour l'allumage. Cela se traduit à son tour par une économie d'énergie dans le capot d'allumage. Il a été signalé dans une usine japonaise que l'apport de chaleur total pour l'allumage avec des brûleurs à fentes multiples a été réduit d'environ 30 % par rapport aux brûleurs conventionnels. Le contour du brûleur à fentes multiples est illustré à la Fig 5.

Fig 5 Schéma d'un brûleur à fentes multiples

Stand support frittage

Une nouvelle technique de frittage appelée «frittage de support de support», pour soutenir le gâteau de frittage avec des supports en acier (barres ou plaques) attachés à des palettes a été développée au Japon. Cette technique améliore les taux de retrait, de porosité et de réductibilité. Grâce au système de support de support, la productivité de la machine de frittage augmente considérablement et la machine fonctionne de manière plus stable.

Dans le procédé de frittage sur support de support, la charge de gâteau de frittage dans la partie supérieure du lit de mélange de frittage est supportée par des supports en acier pendant le processus de frittage. La charge du gâteau de frittage sur la zone de fusion par combustion en dessous fait rétrécir le lit de mélange de frittage (compactage du lit), et détériore ainsi considérablement la perméabilité du lit. Les supports installés à l'intérieur des palettes de frittage commencent à supporter la charge du gâteau de frittage au-dessus au moment où la partie de lit de mélange de frittage autour des sommets des supports commence à se solidifier après chauffage et fusion. Le processus de frittage de la partie inférieure du lit se déroule ensuite sous une charge réduite, et un réseau de perméation se développe bien dans la partie pour améliorer la perméabilité.

Récupération de chaleur perdue

La récupération de chaleur à l'usine d'agglomération est un moyen d'améliorer l'efficacité du processus de fabrication d'agglomération. Le fritté chaud doit être refroidi. La chaleur récupérée du refroidisseur de frittage est utilisée pour préchauffer l'air de combustion pour les brûleurs dans le four d'allumage ou pour générer de la vapeur à haute pression qui peut être utilisée pour la génération d'énergie électrique. En cas de génération de vapeur à haute pression, la configuration de l'installation du système de récupération d'énergie des gaz résiduaires comprend une hotte, un dépoussiéreur, une chaudière de récupération de chaleur, un ventilateur de circulation et un désaérateur.

L'usine de frittage se compose de deux sections de mesure, à savoir (i) la section de frittage et (ii) la section de refroidissement du frittage à chaud. La récupération de chaleur des deux parties a été développée à partir des gaz d'échappement de la section de frittage et des gaz de refroidissement de la section de refroidissement. La figure 6 montre la répartition de la température du gaz des deux sections. Comme le montre la figure, il existe une grande différence de température en fonction de la position de la section. La température moyenne des gaz dans les deux sections se situe entre 100 et 150 degrés Celsius, ce qui est trop bas pour une récupération efficace de la chaleur. La récupération de chaleur est limitée à la zone à haute température des gaz, à la partie finale de la section de frittage et à la partie initiale de la section de refroidissement, où une température de gaz de 300 deg C ou plus est disponible. Bien que la zone de récupération de chaleur soit limitée, le volume de gaz du processus de frittage est suffisamment important pour une récupération de chaleur pratique qui est commercialement viable. De plus, en raison de sa corrosivité, la température du gaz après récupération de chaleur doit être maintenue au-dessus du point d'acidité du gaz.

Fig 6 Récupération de la chaleur perdue dans l'usine d'agglomération

La récupération de la chaleur des gaz d'échappement de la machine de frittage peut être classée en type de circulation et type de non-circulation (Fig 6). Dans le type à circulation, le gaz après récupération de chaleur circule vers la machine de frittage en remplacement du gaz de refroidissement, tandis que dans le type sans circulation, le gaz après récupération de chaleur est dirigé directement vers l'installation de traitement des gaz. Le type de circulation est adopté pour améliorer l'efficacité de la récupération de chaleur.

Outre la récupération de chaleur, le système contribue à réduire les émissions de SOx, de NOx et de particules et à améliorer la productivité, le rendement et la résistance à froid de l'aggloméré. La récupération d'énergie à un niveau de 30 % est réalisée par cette méthode.

Système de frittage à émissions optimisées

Le volume élevé de gaz d'échappement et la faible concentration d'éléments à nettoyer ont toujours été l'un des problèmes des installations d'agglomération. L'objectif fondamental du système de frittage optimisé en matière d'émissions (EOS) est de réduire le volume des gaz à nettoyer (pour atteindre potentiellement une réduction allant jusqu'à 50 %) en plaçant une hotte au-dessus de la grille de frittage qui est alimentée à la fois par de l'air propre et recyclé. l'air des boîtes à vent. La figure 7 montre le toron fritté avec le système EOS.

Fig 7 Fil fritté avec système de frittage à émission optimisée

Contrôle des émissions de poussière

L'augmentation de la production dans les machines de frittage entraîne une plus grande génération de poussière, ce qui signifie des émissions de particules plus élevées. Ces émissions sont chargées de poussière et contiennent une grande variété de polluants atmosphériques dangereux (HAP) organiques et de métaux lourds. En envoyant les gaz résiduaires vers des précipitateurs électrostatiques à travers des tuyaux chargés négativement, les particules dans le flux de gaz résiduaires deviennent chargées négativement. L'acheminement de ce flux vers des plaques chargées positivement attire et collecte ensuite les particules chargées négativement, produisant ainsi des gaz résiduaires propres et augmentant la quantité de vapeur récupérée. Les poussières grossières sont éliminées dans des dépoussiéreurs secs et recyclées. L'utilisation d'ESP (précipitateur électrostatique) réduit le niveau de poussière des gaz de dégagement.

processus EPT

Ce processus est connu sous le nom d'absorbeur à flux entraîné (EFA). Il a été développé par Paul Wurth. Le processus EFA est installé à la fin du processus de l'usine d'agglomération. Il se compose essentiellement d'un absorbeur à flux entraîné et d'un filtre à manches. Grâce à cet équipement, les effluents gazeux de l'usine d'agglomération, les poussières, les oxydes de soufre, les acides chlorhydrique, fluorhydrique, les dioxines et les furanes sont captés. L'absorbeur fonctionne avec de la chaux hydratée (hydroxyde de calcium) et du coke de lignite pour absorber les dioxines et les furannes. Les conditions de réaction optimales sont atteintes au moyen d'eau pulvérisée dans le réacteur à haute pression et en maintenant la température dans la plage de 80 ° C à 110 ° C. L'eau injectée est évaporée et la poussière des gaz de dégagement est collectée dans le sac. -type de filtre. La teneur en soufre est inférieure à 50 mg par cum à STP, la teneur en poussière est inférieure à 5 mg par cum à STP et la teneur en furanes/dioxines est inférieure à 0,1 nanogramme par cum à STP.

processus MEROS

Le procédé de réduction maximisée des émissions du frittage (MEROS) est une technologie innovante qui a été développée par Primetals Technologies pour réduire les émissions polluantes des usines de frittage. Grâce à l'utilisation d'additifs spécifiques, les composants polluants du flux de gaz sont combinés et séparés dans un filtre en tissu connecté. Le procédé est « semi-sec » et donc 100 % sans effluent.

Le procédé MEROS est un procédé de nettoyage pour l'élimination des poussières, des gaz acides, des métaux toxiques et des composés organiques en plusieurs étapes. Le procédé comprend trois étapes, à savoir (i) l'injection d'adsorbants à base de carbone et d'agents de désulfuration dans le flux d'effluents gazeux d'agglomération à contre-courant pour lier les métaux lourds et les composés organiques, (ii) la circulation du flux gazeux à travers un réacteur de conditionnement où le gaz est humidifié et refroidi à une température d'environ 100 deg C au moyen d'un fin brouillard injecté (accélérant les réactions chimiques nécessaires pour lier et éliminer le SO2 et d'autres composants gazeux acides, et (iii) le flux de gaz de dégagement qui sort du réacteur de conditionnement passe à travers un filtre à manches où la poussière avec les polluants piégés est éliminée.

Dans ce processus, la poussière, les gaz acides, les métaux dangereux et les composés organiques présents dans les gaz de frittage sont éliminés avec des taux d'efficacité élevés. En 2007, la première installation a été mise en service à Linz (Autriche), avec une capacité de traitement de gaz de 1 million de N m3 par heure. Les émissions de poussière avec le procédé MEROS sont réduites à moins de 5 mg par N cum. Les émissions de mercure, de plomb, de composés organiques (tels que les dioxines et les furanes (PCDD/F)), de HCl, de HF et de COV condensables totaux (composés organiques volatils) sont réduites à moins de 0,1 nm par N cum. L'une des caractéristiques les plus remarquables du procédé MEROS est qu'il respecte les réglementations environnementales en vigueur et peut fonctionner dans les limites qui peuvent être fixées dans un avenir prévisible. Le schéma de base du processus MEROS est illustré à la Fig 8.

Fig 8 Diagramme de base du processus MEROS

Système sélectif de recirculation des gaz résiduaires

Pendant le processus de frittage, le volume d'air aspiré est normalement supérieur à celui requis pour une combustion complète du combustible afin de permettre une vitesse élevée du front de flamme. Les gaz résiduaires d'agglomération contiennent donc généralement environ 12 % à 15 % d'oxygène résiduel. Il est également à une température bien supérieure au point de rosée critique. Ceci est suffisant pour la recirculation vers le processus de frittage après l'ajout d'une petite quantité d'air supplémentaire.

Dans le « système de recirculation sélective des gaz résiduaires », les effluents gazeux provenant de zones sélectionnées de la machine de frittage sont mélangés avec de l'air plus frais et sont ensuite recyclés vers le brin de frittage. Le système de recirculation sélective des gaz résiduaires a été initialement développé pour maintenir le volume de gaz de dégagement à un niveau constant tout en augmentant la capacité de frittage et en diminuant les émissions spécifiques. Cela permet de maintenir les coûts d'investissement et d'exploitation des installations d'épuration des gaz à des niveaux acceptables.

Un diagramme schématique typique du système de recirculation sélective des gaz résiduaires est donné à la figure 9. Dans cette figure, les gaz d'échappement résiduels chauds des première et troisième sections de la machine de frittage sont mélangés avec l'air du refroidisseur de frittage et l'air ambiant et sont recyclés vers la deuxième section de la machine de frittage. Une partie des gaz résiduaires est recyclée vers une hotte qui recouvre une partie du brin d'agglomération.

Fig 9 Schéma de principe typique d'un système sélectif de recirculation des gaz résiduaires

Les avantages du système sont (i) une réduction du volume de gaz résiduaires par unité d'agglomération d'environ 50 %, (ii) une réduction de la consommation spécifique de combustible solide de 10 % à 15 % en raison de l'utilisation de la chaleur des gaz résiduaires et du CO (monoxyde de carbone) post combustion, (iii) des coûts d'investissement et d'exploitation inférieurs pour l'installation d'épuration des gaz résiduaires, (iv) le niveau de productivité et la qualité de l'aggloméré sont maintenus, (v) une diminution des émissions de CO2 et (vi) des émissions spécifiques de SOx, NOx, PCDD/ PCDF (dibenzo-p-dioxines/dibenzofuranes) et métaux lourds.

Modélisation du processus de frittage

Au cours du processus de frittage, plusieurs réactions chimiques et transformations de phase ont lieu, non seulement en raison des changements de front de chaleur, mais également en raison des modifications de la composition locale des gaz et des températures de fusion initiales du mélange de matières premières. Lorsque la température locale et la composition des solides sont atteintes, les transformations de phase sont principalement entraînées par l'apport de chaleur et la diffusion qui ont lieu dans le lit de particules, le mécanisme de formation de liquide jouant le rôle principal. Les matériaux fondent partiellement lorsque la température locale atteint la température de fusion et lors de son déplacement, le contact avec le gaz froid favorise la re-solidification et ainsi, l'agglomération des particules forme un gâteau de frittage poreux continu. Les propriétés finales du gâteau de frittage dépendent fortement du cycle thermique, de la composition chimique initiale des matières premières et des propriétés thermophysiques développées pendant le frittage. Le modèle mathématique du processus de frittage simule les phénomènes se produisant au sein de la machine de frittage lors de la production industrielle d'aggloméré vers le haut fourneau.

La méthode de modélisation du processus de frittage d'une machine à torons industrielle est basée sur des équations de transport multiphases et multicomposants de quantité de mouvement, de masse et d'énergie pour les phases gazeuses, solides et liquides en tenant compte des phénomènes locaux de formation d'un fritté poreux ( figure 10). Le modèle considère les phases interagissant simultanément et l'espèce chimique de chaque phase est calculée sur la base des équations de conservation des espèces chimiques. Les descriptions précises du taux d'échange pour la quantité de mouvement, l'énergie et les réactions chimiques sont essentielles à la précision globale du modèle.

Fig 10 Transfert multiphase de quantité de mouvement, de masse et d'énergie pris en compte pour le modèle de frittage

Les espèces chimiques sont prises en compte individuellement en résolvant l'équation de transport de chaque espèce chimique des phases gaz et solide. La phase solide représente le mélange d'alimentation de frittage de minerai de fer, de frittage fin (frittage fin de retour), de poussier de coke (ou autre combustible solide), de tartre (fines provenant d'une aciérie) et de fondants. La phase liquide est composée de composants fondus et formés dans la phase liquide. La phase resolidifiée comprend les liquides resolidifiés et les phases formées au cours du processus de resolidification et dépend fortement de la composition liquide locale et de l'échange de chaleur. Le gâteau de frittage final est formé d'un mélange de ces matériaux et sa qualité dépend des compositions finales et des fractions volumiques de chacun de ces matériaux et de leur distribution au sein de la structure de frittage en mosaïque.

Dans le modèle de processus de frittage, on suppose que la phase liquide formée se déplace avec la phase solide restante en raison de la viscosité et compte tenu du fait que le liquide est formé attaché à la surface des particules non fondues, ainsi, les équations pour le transfert de quantité de mouvement et l'enthalpie de les solides représentent ce mélange de matières liquides et solides visqueuses. Dans le modèle, les propriétés thermophysiques dépendantes de la température et de la composition sont supposées suivre la règle de mélange pour prendre en compte les propriétés de chaque phase pondérées par leurs fractions volumiques de phase.

Système d'automatisation et de contrôle

Dans le but ultime de stabiliser le processus de frittage, d'augmenter la productivité et de réduire les coûts de production, un système d'automatisation et de contrôle est nécessaire dans l'usine de frittage pour assurer un fonctionnement optimal et stable tout au long du processus de frittage. Dans ce but, plusieurs efforts ont été faits pour comprendre les phénomènes en lit et orienter le procédé vers un fonctionnement optimal. Les principales techniques de contrôle du frittage sont le contrôle de la densité de charge pour obtenir un frittage uniforme sur toute la largeur du toron et le contrôle de la vitesse de la palette pour maintenir une productivité et une qualité de frittage optimales.

The automation and control system for sinter plant is a three-level hierarchical system which uses the distributed control system (DCS), centralized process computer system (PCS), and central computer systems (CCS) of the steel plant. DCS performs functions such as measuring wind velocity distribution and gas temperature distribution along the sinter strand, and also ‘direct digital control’ (DDC). PCS performs functions such as process control to optimize sinter plant operation, and information services to operators. CCS performs functions such as planning, managing, and data analysis of production and operation based on the general-purpose data base. Fig 11 shows the automation and control system for sinter plant.

Fig 11 Automation and control system for sinter plant

The closed-loop sinter expert system is designed so that operator has to take ‘as few actions as possible, as many as necessary’ with the target to enable an optimized sinter operation needing minimal operator interactions. The expert system, which is designed as a rule based decision system , counteracts process fluctuations caused by changes in the raw mix composition and quality, human factors or process conditions. The sooner the system responds to an abnormal or changing process situation, the smoother the overall sinter operation is. The accurate timing of control activities and anticipation of disturbances are of utmost importance to avoid critical process conditions and to maintain a high production rate at low costs.

With the automation and control system, optimum process control conditions are achieved since perfect alignment of process parameters takes place. Integrated level 2 automation system at the sinter plant, the standard deviation of quality parameters can be decreased by around 5 % to 10 %. This system also helps in reduction of coke breeze consumption can be reduced by around 3 % and productivity can be increased by around 3 % to 5 %.