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Il Procédé et dispositif pour l'obtention de métux"
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La présente invention est relative à un procédé pour l'obtention de métaux et, en particulier de la fonte . Ce procédé consiste à introduire le minerai, en particulier du minerai de fer, avec des combusti- bles, dans un bain de scorie liquide où il est réduit par les combustibles qui sont répartis sous forme de fines dans la scorie et qui sont dégazés et gazéifiés dans cette dernière.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, au commence- ment de l'opération, les combustibles appropriés,par exemple le lignite, sont dégazés et gazéifiés en quan- tité telle et dans des conditions telles qu'il se pro- duise une quantité suffisante de scorie liquide. On met alors dans la scorie liquide le minerai, par exemple du minerai de fer, éventuellement avec addition, d'au- tres métaux, ainsi que d'autres quantités de combusti- ble. Il se produit d'abord une solution du minerai et de ces additions avec formation d'une nouvelle scorie dont les oxydes métalliques sont réduits par le combus- tible finement réparti dans la scorie.
La scorie li- quide est maintenue en mouvement ondulatoire ou circu- laire par l'agent de gazéification introduit à grande vitesse , ce qui fait que le combustible admis, à l'état de fines et même de poussières, est uniformément répar- ti . Entre le combustible, la scorie contenant le mine- rai et l'agent de gazéification, il se produit,en succession rapide, avec formation de gaz, des échanges chimiques se renouvelant constamment du fait du con- tact intime et de la turbulence des trois participants à la réaction jusqu'à ce que le combustible soit amené
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en totalité à l'état gazeux.
La température du bain de scorie mobile est uniforme car l'échange de tempéra- ture entre les corps en réaction s'effectue rapidement pour les mêmes raisons que pour la transformation des matières décrites ci-dessus, en introduisant dans le bain de scories, en des endroits séparés, différents agents de gazéification du minerai et du combustible, les différentes réactions peuvent s'effectuer égale- ment dans le bain, plus ou moins séparément et on peut les régler sûrement, de même qu'on peut obtenir une cir- culation positive de la scorie d'après l'emplacement et la nature des dites introductions.
En séparant les chamtres à gaz, au-dessus du bain de scories, on peut récupérer séparément les produits gazeux résultant d'une part, du dégazage et de la gazéifi- cation du combustible avec différents agents de gazéifi- cation et, d'autre part, de la réduction des minerais.
De préférence, la séparation s'opère de telle sorte que les agents de réduction, réagissent de façon exothermique avec le combustible et la scorie (par exemple l'air, l'oxygène ou l'air enrichi en oxygène), sont, insufflés au-dessous de l'une des chambres (chambre de chauffage) tandis que le combustible et, éventuellement, les agents de gazéification réagissent de façon endothermique (par exemple la vapeur d'eau et l'anhydride Carbonique ) sont introduits en dessous de l'autre chambre (chambre de dégazage et de gazéification) La scorie circulant entre les deux chambres sert de véhicule thermique en prenant de la chaleur.,
dans la chambre de chauffage et la cédant dans la chambre de dégazage et de gazéifi-
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b "'1 '",.,". 2 .c-"t t.L-l" cation. Le combustible est gazéifiépe ce fait, en totali- tc z:¯'1 tzar t'? -- - -- - 'flaiTlb"te f.2l.Ticcti0î1 .'.ver té ou en partie dans la chambre de gazéification j.vec
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réduction du minerai de fer, et le combustible résiduel finement divisé, contenu encore dans la scorie, est, de préférence, complètement gazéifié ou brûlé dans la chambre de chauffage.
En conséquence, on retire de la chambre de gazéification un gaz riche ne contenant que peu de parties inertes et de la chambre de chauffage (suivant l'agent de gazéification utilisé et la façon dont a été conduite la gazéification, par exemple avec de l'air comme agent de gazéification) un gaz pauvre ou un gaz à évacuer. Suivant l'invention, le mouvement de la scorie peut être adapté à l'allure des réactions dans la scorie et aux propriétés du combustible grâce au mode d'introduction de l'agent de gazéification et du combustible .
Lorsque le combustible a une teneur élevée en constituants volatils, on fait circuler, de préfé- rence, la scorie de bas en haut dans les deux chambres et on introduit l'agent de gazéification, le minerai et le combustible par le fond ou sur les côtés de la cham- bre de gazéification. Il peut également être avantageux, par exemple, de faire circuler la scorie de haut en bas dans la chambre de gazéification et d'introduire le combustible dans cette chambre au-dessus ou immédiate- ment au-dessous du niveau supérieur de la scorie . Dans les deux cas, on peut obtenir un mouvement positif de la scorie à 11-aide de.canaux de liaison correspondants ou d'ouverture dans la cloison séparant les deux chambres.
Cependant, on peut également laisser la scorie se dé- placer librement dans la chambre à scorie constituée par le fait que la cloison de séparation se termine dans le bas au-dessous du niveau supérieur de la scorie . Parmi les différentes trajectoires possibles que peut suivre le déplacement de la scorie, entre la chambre de chauffe et celle de gazéification, on peut mentionner comme inté-
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ressante du fait de sa simplicité, celle suivant la- quelle la scorie se déplace surtout circulairement et horizontalement dans la cuve à scorie située au-dessous des chambres séparées par une cloison et non remplies - de scorie.
On peut introduire dans le bain de scorie le mine- rai et le combustible avec les agents de gazéification ou indépendamment de ceux-ci .De plus, il est économique d'utiliser des combustibles contenant l'humidité d'ex- traction ou seulement partiellement séchée lorsqu'on attache de l'importance à un rendement élevé an gaz.
Lors de son introduction dans la scorie liquide, l'eau se vaporise sous la'.forme explosive et le combustible s'épar- pille en très petites particules. La vapeur d'eau ainsi . produite constitue l'agent de gazéification ou l'un de ces agents. De préférence, on introduit le combustible dans la scorie à l'état si humide que l'eau qu'il contient est suffisante pour produire la réaction du gaz à l'eau donnant le gaz riche ,ayant la qulité t la composition désirées, ou le degré de gazéification désiré du combus- tible dans la chambre de gazéification.
La température élevée de la scorie entraîne une tem- pérature de sortie élevée des gaz produits. On augmente sensiblement l'économie du procédé, selon l'invention, en réchauffant les agents de gazéification . Par suite, on utilise partiellement la chaleur sensible des gaz produits pour réchauffer les agents de gazéification dans des échangeurs de chaleur. On peut utiliser l'autre partie de cette chaleur pour produire de la vapeur, sécher le combustible etc.
Le métal produit dans le bain de scorie se dépose du fait de sa plus grande densité, dans le fond de la cuve
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à scorie et il est reçu dans un creuset d'où on le coule.
La scorie supplémentaire, provenant des cendres du combus- tible et des constituants non métalliques du minerai, est évacuée, dans la mesure eu elle se forme , de façon continue par un trop-plein, ou, périodiquement, par un trou de coulée On peut la granuler ou la couler dans des moules et l'utiliser comme matériau pour la construction.
On peut, éventuellement , améliorer la composition, le compor- tement et les propriétés de la scorie au moyen d'additions de matières minérales appropriées, en particulier des additions intéressantes pour la réduction du minerai et favorisant la réalisation de l'opération, soit en abaissant son point de fusion, soit en augmentant sa viscosité , etc.. et/ou, après solidification, permettant de l'utiliser comme matériau de valeur ou comme matière première pour l'industrie des matériaux de construction.
L'invention présente l'avantage que le procédé suivant celle-ci peut être appliqué avec des combustibles et-des minerais de faible valeur ce qui élargit sensible- ment la gamme des minerais et des combustibles utilisables, par exemple pour faire de la fonte.
Grâce à la combinaison des possibilités procurées par l'invention, on peut réunir en une même installation l'obtention de fonte et la production d'énergie sous forme de gaz et de vapeur d'eau., car on peut régler entre des limites éloignées la production de gaz et de vapeur d'eau en modifiant le degré de gazéification. En gazéifiant faiblement le combustible dans la chambre de gazéification, il reste plus de combustible disponible pour l'obtention du métal et pour la combustion dans la chambre de chauf- fe.
Suivant la répartition de ce combustible résiduel sur l'obtention du minerai ou la combustion ou la gazéifica- tion, on peut faire fonctionner l'installation plus ou
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moins en vue de la production de vapeur d'eau . On peut également, suivant les besoins momentanés, entre les limites éloignées et en peu de temps, faire fonctionner l'installation en obtenant surtout de la fonte ou surtout de l'énergie. De cette façon, on peut à côté d'une ré- duction des frais en matières premières, réaliser égale- ment une économie sensible des frais de première instal- lation et de fonctionnement.
On a représenté schématiquement, sur le dessin annexé, quelques exemples de réalisation du dispositif servant à la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
La figure 1 représente, en coupe longitudinale, une installation d'obtention de métal avec chambre de réduction dans laquelle le combustible est gazéifie dans sa scorie liquide avec des agents de gazéification réagis- sant surtout de façon exothermique et les oxydes métalli- ques sont réduits dans la scorie par le combustible.
Dans le four 1 (figure 1) se trouve de la scorie liquide 2 dans laquelle on envoie, au moyen d'une pompe- à poussière 3 du minerai métallique, et du combustible en grains fins ou pulvérulent. Dans le fond du four, se trouvent des tuyères 4 servant à introduire l'agent de gazéification. Le combustible et le minerai sont amenés en 5 et leur alimentation est aidée par soufflage d'un agent d'entraînement sous pression en 6. Comme agent d'entraînement, on peut utiliser l'agent de gazéifica- tion lui-même du gaz produit comprimé ou un gaz étran- ger. L'agent de gazéification réagissant surtout de façon exothermique avec le combustible est amené à l'état froid ou réchauffé, par le tuyau 7, dans le sens indiqué par la flèche 8, dans la boîte 9 à agent de gazéification dans laquelle débauchent des tuyères 4.
Sous l'action de l'agent de gazéification du minerai et du cota-
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bustible arrivant à grande vitesse dans la scorie, ainsi qu'en disposant les tuyères 4 au-dessus d'une partie seulement de la surface du fond du four, on ob- tient en outre d'un malaxage intime des agents de gazéi- fication, du minerai , du combustible et de la scorie, un mouvement circulaire du bain de scorie qui est indi- qué par la flèche 10,En même temps que ce mouvement se propage vers le haut, le combustible se dégaze et se gazéifie. Le métal brut se dépose dans la cavicé 14 et est coulé par le trou de coulée 15.
Le gaz produit sort du four par le tuyau 11, La scorie nouvellement formée sort de façon continue par un trop..plein, non re- présenté sur le dessin, ou périodiquement par un trou de coulée.
Les figures'-2 et 3 représentent, en coupe longitudi- nale et en coupe transversale suivant A-B, une installa- tion de traitement de minerai dans laquelle la scorie est mise en circulation de façon positive par des canaux de liaison, et par l'intermédiaire d'une chambre de chauffage et d'une chambre de gazéification, le chauf- fage de la scorie, la gazéification du combustible et la plus grande partée de la réduction des oxydes métalliques se faisant dans un courant de scorie se dé- plaçant verticalement de bas en haut.
La chambre de chauffage la est reliée à la cham- bre de gazéification lb par des canaux 12 et 13. Le canal 12 commence en-dessous du niveau de la scorie 2a, dans la chambre de chauffe et débouche dans la chambre de gazéification au-dessus du fond Tandis que le canal 13 prend en-dessous du niveau de la scorie 2b dans la chambre de gazéification 1b et débouche dans la chambre de chauffe la, à la .hauteur de son fond. La pompe 3 à combustible est raccordée à la chambre de gazéification.
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Les tuyères 4 pour les agents de gazéification se trouvent dans le fond de la chambre de chauffe. Les gaz produits dans les deux chambres sont enlevés de façon séparée par les tubulures 11a et 11b, Grâce à l'énergie cinétique de l'agent de gazéification, on obtient une circulation positive de la scorie entre les deux chambres, par les canaux. Au bout du canal 13 se trouve la cavité 14 dans laquelle se dépose la fonte plus dense . On la retire par le trou de coulée 15.
Sur les figures 4 et 5, on a représenté, en coupe longitudinale et en coupe transversale suivant C-D, une installation avec des chambres de chauffe et de gazai fication qui sont séparées par une cloison disposée au-dessus de la cuve à scorie commune et au-dessus du niveau de la scorie . Le chauffage de la scorie et la gazéification du combustible s'effectuent dans un courant de scorie allant de bas en haut, le circulation de la scorie se faisant librement à l'intérieur de sa cuve .
La chambre de chauffe lc est séparée de la chambre de gazéification ld par une cloison 16 des- cendant jusqu'en dessous du niveau de la scorie de sor- te que les/chambres emplies de gaz sont séparées l'une de l'autre, tandis que la scorie elle-même peut circuler sans empêchement d'une chambre à l'autre dans la cuve 2c 2d s'étendant dans les deux chambres* Les tuyères servant à l'introduction de l'agent de gazéifi- cation du minerai et du combustible se trouvent dans le fond de la cuve à scorie, La.
position de cas tuyères les unes par rapport aux autres est telle qu'il se forme, dans la cuve, une circulation de scorie qui est indiquée sur les figures par des flèches.Dans ce cas également, le chauffage de la scorie et la gazéifi- cation du combustible s'effectuent, comme dans l'exemple
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précédent, dans le courant de scorie qui monte. Egalement en ce cas une cavité 14 sert à recevoir le métal réduit.
La figure 6 représente en coupe longitudinale une installation dans laquelle, au moyen de canaux entre la chambre de chauffe et la chambre de gazéification, la sco- rie est mise en circulation, son chauffage se faisant dans un courant montant et la gazéification ainsi que la réduc- tion des oxydes métalliques dans un courant descendant de scorie .
Le canal 17 réunit la chambre de chauffe le avec la chambre de gazéification lf. en-dessous du niveau de la scorie et le canal 18 réunit les deux chambres à leurs extrémités inférieuresOn introduit le minerai, le combustible et éventuellement un agent de gazéification dans la chambre de gazéification, à la hauteur du niveau de la scorie ou en-dessous de celui-ci. Dans la chambre de chauffe, les agents de gazéification sont insufflés par le fond. De ce fait, il y a un courant circulaire de scorie, commandé de façon positive, entre les deux chambres, le chauffage de la scorie se faisant dans le courant montant et la gazéification du combustible ainsi que la réduction des oxydes métalliques dans le courant descendant de scorie .
Pour la réduction par exemple, d'oxydes de fes, se trouvant dans la scorie du combusti- ble, le courant montant de scorie dans la chambre de gazéi- fication est avantageux. La font formée de cette façon dans la chambre de gazéification se dépose dans la cavi- té 14, d' où on peut la retirer par le trou de coulée 15.
Les figures 7 et 8 représentent, en coupe longitudi- nale une installation avec dispositifs de réchauffage de l'agent de gazéification, production de vapeur et séchage du combustible, et en coupe faite par la cuve à scorie dans laquelle la scorie est mise en circulation
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sensiblement horizontalement entre la chambre de chauffa- ge et celle de gazéification.
Il est prévu, en ce cas, une chambre de chauffage lg et une chambre de gazéification lh dont la cuve à scorie commune 2g 2h s'étend sous les deux chambres* Le minerai et le combustible sont refoulés dans la chambre de gazéification par les pompes à poussière 3.
Les agents de gazéification sont insufflés par les tuyères 19 dans la scorie 2g . Les tuyères pour le minerai, le combustible et les agents de gazéification sont dirigés obliquement vers le bas et obliquement par napport au sens de déplacement de la scorie, qui est indiqué par les flèches sur la figure 89, dans la cuve à scorie,On obtient ainsi un brossage énergique du minerai, du combustible, de la scorie et de l'agent de gazéification et on entretient la circulation de la scorie. L'appareil de gazéification est une chaudière à rayonnement. Ses pa- rois sont refroidies par des tuyaux d'eau qui débouchent dans des collecteurs supérieurs 20 et 21.
Des grilles de refroidissement 22, 23 et 24,25 disposées transversale- ment dans la chambre de chauffe et dans celle de gazéifi- cation servent à refroidir les gaz produits dans une mesure telle que les constituants facilement volatils de la scorie, entraînés sous fomre de vapeur avec les gaz, se solidifient. La vapeur produite passe dans un surchauffeur 26 qui communique avec le collecteur de vapeur 27, La vapeur d'eau surchauffée et encore sous pression se rend par la conduite 28, aux lieux d'utilisation. La chaleur sensible des gaz sortant par les tuyaux llf et lle est utilisée comme on va l'indiquer dans un exemple,
Du lignite brut,
concassé dans des cylindres à pointes et contenant 1 .'.humidité d'extraction, est amené par untransporteur 29 à un silo 30. De celui-ci le li-
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gnite passe dans le tuyau de séchage 31 où il subit, en montant, un séchage au moyen des gaz chauds sortant de la chambre de gazéification 1h, de faç.on connue . Après séparation du charbon dans un séparateur de poussière 32 disposé à la suite, le lignite arrive dans la tré- mie d'emmagasinage 33 où il est mélangé au minerai de fer à -réduire . Le gaz va du séparateur de poussières'par une canalisation 34, dans un laveur 35.
De celui-ci,le gaz débarrassé maintenant de l'eau, de la vapeur et de la poussière va par la conduite 36 au lieu d'utilisation.
Pour éviter une surchauffe du combustible dans le tuyau de séchage et régler ce dernier, on ajoute un courant partiel de gaz froid provenant de la conduite 34, par une soufflante 37, au: gaz chaud provenant de la conduite 11g. De la trémie 33, les pompes à poussière 3 refoulent le mélange de minerai et de combustible dans la scorie 2h où son gaz se dégage Le combustible résiduel sert d'abord à réduire les oxydes métalliques contenus dans la scorie, le métal tombant dans le fond et se rassemblait dans la cavité Il.} d'où on la retire par 15 .
La scorie arrive avec le combustible résiduel dans la chambre à scorie 2g où ce combustible est brûlé complè- tement au moyen de l'aire formbement chauffé qui est insufflé par les tuyères 19 dans la scorie . Le gaz brûlé monte dans la chambre de chauffe; il y cède, prin- cipalement par rayonnement, une partie de sa chaleur sensible aux parois froides et il va, par la conduite 11f dans des régénérateurs (cowper) 38 où il cède sa chaleur sensible résiduelle au treillis qui y est contenu . Les fumées s'échappent à l'air libre par une cheminée 39. Ainsi qu'on le sait, les régénérateurs fonc- tionnent alternativement.
Tandis que dans l'un d'eux passe du gaz chaud, dans un deuxième passe du gaz
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froid. Sur la figure 7, on n'a représenta qu'un régénéra- teur. Le gaz froid est constitué par de l'air qui est envoyé par une soufflante 40, au moyen d'un tuyau 41, dans le régénérateur 38 où il prend la chaleur accumulée dans le treillis pendant la période de passage du gaz chaud.
L'air chaud passe alors par une canalisation 42 pour aller au collecteur 43 dans lequel débouche les tuyères 19.
Le parcours de l'agent de gazéification dans la scorie doit avoir une longueur telle que la réaction entre le combustible et l'agent de gazéification soit terminée à la fin de ce parcours. En outre de la vitesse de l'agent de gazéification pénétrant dans le bain de scorie et la hauteur de ce bain, le diamètre, la forme, l'emplacement de l'entrée ainsi que la direction des tuyères sont d'importance capitale . En outre, les tuyères ont encore pour rôle d'introduire l'agent de gazéification dans le bain de scorie de façon telle que l'impulsion donnée à cet agent soit transmise en totalité ou en partie au bain de scorie et entretienne la circulation do celle-ci.
Sur les figures 9 et 10, on a représenté deux formes différentes de tuyères pour l'introduction de l'agent de gazéification dans le bain de scorie .
Les tuyères pour l'agent de gazéification, le com- bustible, le minerai et les additions, etc.. peuvent être disposées dans la paroi latérale et/ou dans le fond de la cuve à scorie . Dans la forme de réalisation de la figure 9, les tuyères 44 débouchent horizontalement dans le bain de scorie 2i. En regardant par dessus, leur direc- tion d'arrivée est analogue à celle des tuyères 19 repré- sentées sur la figure Les tuyères 45 de la figure 10 sont dans le fond de la cuve à scorie et débouchent obli- quement dans le bain de scorie 2j ce qui met la scorie en
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mouvement dans le sens de la flèche.