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L'invention se rapporte d'une manière générale à la mise en contact de matières solides finement divisées avec des gaz selon la technique dite des solides fluidifiés. Elle se rapporte plus spécialement à un procédé et des moyens pour
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utiliser plus efficacemetn la chaleur ajoutée ou engendrée lors de la mise en oeuvre de procèdes de ce genre, afin de réduire la demande do combustible et de rendre l'opération plus approximativement autogène..
Un objet de l'invention est de fournir un système de récupération de chaleur, dans lequel une quantité enfermée de vapeur circulant constamment, par exemple de la vapeur d'eau saturée, sous pression, est employée comme agent véhi- culant de la chaleur et dont de la chaleur 3st extraite effi- cacement par condensation en relation d'échange thermique avec les solides d'alimentation, de façon à préchauffer ces solides au moyen de chaleur latente de vaporisation.
Le dessin annexé montre une vue partielle en coupe d'un exemple d'exécution d'un appareil pour la mise en oeuvre de l'invention, certains éléments étant montrés en élévation pour la clarté du dessin.
Dans l'exemple illustré, le vase de réaction ou réacteur R comprend une enveloppe verticale 11 formée d'une paroi extérieure 12 en acier, revêtue de matière réfractaire
13. Ce réacteur est fermé à sa base par un tronçon conique 14 muni d'une vanne de vidange 16 appropriée, et à son sommet par une plaque de couverture 17.
Le réacteur est divisé en plusieurs comparrtiments de réaction superposés, au moyen de cloisons transversales 18,19, 21, 22, 23-et 24. Les cloisons 18, 19, 21, 23 et 24 sont perméables aux gaz et seront appelées plaques d'étran- glement, celles-ci étant traversées par du gaz de fluidifica- tion passant par des passades appropriés 26, tandis au'elles - supportent des masses de matières solides 27, 28, 29, .31 et 32 devant être mises en réaction.
La cloison transversale restante 22 est une plaoue imperméable aux gaz et fait par- tie d'un système servant à éviter que des gaz chargés de
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pourssières sortant du lit 31 n'entrent dans le lit 29, tel ;¯n'il sera décrit d'une façon plus détaillée ci-après.
Les matières solides sont amenées au réacteur par n conduit 33 pourvu d'une vanne, de façon à entrer dans le supérieur 27, d'où elles débordent dans le lit immédiatement nférieur 28, par un conduit de transfert 34. Ce 'dernier est ,ourvu d'une soupape à cône appropriée 36 qui sert à. Maintenir .e courant de solides et à minimiser le passage de gaz vers haut à travers le conduit 34. Depuis le li-t 28, les solides débordent à travers un deuxième conduit de transfert 37 dans le lit 29 se trouvant immédiatement au-dessous, le conduit 37 étant également muni d'une soupape à cône 38.
Depuis le lit 29 les solides sont transportés à travers le conduit de -transfert 39 (et la soupape à cône 41) dans le lit 31 se trouvant immé- diatement au-dessous, d'où ils sont ensuite transportés par un quatrième conduit de transfert 42 (et la soupape à cône 43) dans un lit final 32 de refroidissement des solides, d'où ils sont finalement déchargés par un conduit de décharge usuel 44 muni d'une vanne.
Le fond conique 14 et la cloison transversale infé- rieure 24- forment ensemble une boîte à vent 46. Des gaz de fluidification et/ou de traitement sont amenés au réacteur par un conduit 16 muni d'une vanne, qui délivre ce gaz dans la boîte à vent 46, d'où il s'écoule vers le haut, successivement à travers les divers compartiments du réacteur pour finalement s'échapper par le conduit 47 dans le séparateur de poussières 48 où les solides entraînés sont séparés du gaz, les gaz exempts de solides étant déchargés par le conduit 49, tandis que les solides ainsi séparés sont déchargés par un tuyau d'évacuation 50, soit dans un autre appareil de traitement, soit dans un lit inférieur du réacteur en passant par un conduit 51 muni d'une vanne et coopérant avec un injecteur d'air 51'.
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Comme montré dans le dessin, la plaque transversale solide 22 se trouve à une certai.ne distance sous la plaque d'étranglement 21, de façon à former une deuxième boite à vent 52, de sorte que des gaz chargés de poussières, qui s'échappent de l'espace libre 53 au-dessus du lit 31, sont lérivés par un conduit 54 dans un séparateur de poussières 56, où les matières solides entraînées sont enlevées avant que les gaz ne soient amenés par le conduit 57 dans la boîte à vent 52, pour traverser ensuite les chambres restantes du réacteur. Cela constitue une phase importante dans certains procédés, tels que la réduction de minerai de fer, qui sont mis en oeuvre dans l'appareil illustré, puisque dais un tel procédé le lit 31 est un lit de réaction où los solides du minerai de fer sont ré- duits.
Par conséquent les solides quittant ce lit par entraî- nement avec le courant de gaz sont des solides complètement traités qui doivent être récupérés co@me produit, plutôt que d'être soumis à des conditions d'oxydation dans le lit de combustion 29 qui se trouve au-dessus.
Les solides recueillis dans le séparateur de poussières 56 peuvent être déchargés directement, par exemple par le conduit descendant 58 muni d'une vanne, ou être transférés, par le conduit 59 muni d'une vanne et l'injecteur d'air 61, dans le lit de refroidissement 32, afin d'effocteur la récupération de la chaleur sensible de la façon qui sera décrite ci-après.
Le système de récupération et d'utilisation de la cha- leur selon la présente invention comprend la disposition de serpentins 62 dans le li t supérieur et de serpention 63 dans le lit infériaur, qui sont reliés par un système de conduits de raccordement qui sera décrit d'une façon plus détaillée ci- après.
Comme signalé ci-dessus, l'appareil illustré convient pour réaliser la réduction endothermique d'oxyde ferrique en oxyde ferrosoferrique, dans laquelle les solides à réduire
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entrent dans un ou plusieurs lits supérieurs ou initiaux (27 et 28) d'où ils sont transfères dans un lit intermédiaire 29 où se produit la combustion de constituants combustibles du gaz de fluidification pour chauffer les solides à une température de réduction, habituellement supérieure à 500 F (260 C). Les solides chauffés sont ensuite transférés vers un lit 31 situé plus bas, où ils sont réduit s par l'action des constituants réducteurs du gaz de fluidification entrant qui possède le potentiel réducteur requis, et les solides réduits sont déchargés comme produit.
Dans un tel procédé, les gaz chauds montant depuis la zone de combustion servent à préchauffer les solides entrant dans le lit supérieur,tan- dis que les gaz froids qui entrent sont préchauffés à un certain degré par contact avec les solides constituant le produit, dans un lit 32 de refroidissement des solides, qui fait suite au lit de réduction,
Bien que le procédé antérieur à phases multiples décrit ci-dessus réalise une certaine récupération de chaleur sensible par l'écoulement en contrecourant de gaz et de soli- des, il y a toujours une grande quantité de chaleur sensible qui est perdue dans les 'solides produits qui sont déchargés du système, puisque le gaz entrant ne peut absorber qu'une faible partie de cette chaleur.
Selon la présente invention, un grand pourcentage de cette chaleur sensible, qui était perdue jusqu'à présent est récupérée sous une forme utilisable grâce aux nouvelles phases consistant à absorber de la chaleur sensible desdits solides prodduits, au moyen de serpentins pour engendrer ainsi de la vapeur d'eau saturée sous pression ou une vapeur équivalente, tandis 'que l'on fait ensuite passer cette vapeur par des ser- pen-bins dans le lit'supérieur, en contact avec les solides d'alimentation froids entrant dans le système et qui, en-raison.
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de leur 'température plus basse , provoquent la condensation de ladite vapeur avec libération concommitate de chaleur latente de vaporisation.
De cette façon une quantité consi- dérable de chaleur estlibérée dans le lit de préchauffage, avec seulement une faible chute de température de la vapeur .
Comme montré dans le dessin, un système véhiculant de la chaleur et constamment en circulation est formé par la combinaison de serpentins 62 et 63 reliés entre eux, avec un réservoir 64 dont l'emploi est désirable comme réservoir de vapeur et de condensat. De l'eau du réservoir 64, dont le niveau est contrôlé par un indicateur de niveau approprié 66, s'écoule vers le bas à travers le conduit de condensât 67, ,,pour entrer dans le serpentin inférieur 63 se trouvant dans le lit de refroidissement de solides'fluidifiés 32. Les soli- des entrant dans ce lit sont ceux déchargés directement du lit de réduction 31 et, dans le cas d'un processus de reduc- tion de minerai de fer,
ils se trouvant à une température d'environ 12000F (environ 650 C). Dans le lit 32, une quanti- té suffisante de chaleur sensible dos solides est absorbée par les serpentins 63 pour transformer le condensât qui s'y -trouve, en vapeur saturée sous pression qui accède par le conduit 68 au cylindre de sortie 69 dans le réservoir 64, d'où elle s'é- coule par le conduit 71 dans les serpentins supérieurs 62, où elle vient en contact avec le lit relativement froid 27 de solides entrant dans le système. Cela produit une chute de .température et donc une condensation de vapeur et une libéra- tion de chaleur latente de vaporisation.
Il en résulte une libération d'une grande quantité de chaleur avec une chute relativement faible de température, donnant ainsi une méthode extrêmement efficace pour communiquer de la chaleur aux solides entrant dans le lit de préchaurffage 27. La vapeur condensée dans le serpentin 62 s'écoule, encore sous pression, par le
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conduit 72 pour rejoindre 10 conduit de condensât 6'7 et être recyclé par le serpentin inférieur 63, où elle absorbe de la chaleur sensible en quantité suffisante pour être de nouveau vaporisée.
L'écoulement contrêlé do vapeur et condensât à travers le système est assuré au moyen d'une pompe conven- tionnelle qui est montrée schématiquement en 73. Une soupape appropriée de relâchement de la pression 74 et des soupapes de drainage 76 sont prévues pour. être utilisées de la façon usuelle. Un conduit 77, muni d'une soupape, est prévu pour permettre l'ajoute d'eau compensant la perte d'eau du système ou pour effectuer le remplissage du système après vidange.
Dans lé cas du traitement de réduction de minerai de fer, les lits supérieurs 27 et 28 sont des lits de préchauf- fage de solides, tandis que le lit intermédiaire 29 est uzae chambre de combustion dans laquelle sont brûlés les constitu- ants combustibles résiduels du gaz réducteur, l'air comburant étant fourni par un collecteur 78 et des tuyaux 79 munis de soupapes. Si on le désire, du combustible additionnel peut être introduit ensemble avec cet air comburant.
Le lit 31,' situé directement au-dessous du lit 29, est un lit de réduction de minerai, dans lequel la réduction de minerai de fer est effectuée en transformant l'hématite en magnétite. Le minerai réduit est transféré au lit de refroi- dissement 32 où il est refroidi par l'action combinée des courants gazeux montants et l'action réfrigérante des serpen- tins 63, après quoi il est déchargé comme produit du traite- ment.
Dans. un mode d'opération typique, la zone de combus- tion fonctionne à une température d'environ 1400 F ('760'0) la zone de réduction e'st maintenue à environ 1200 F (650 0) et le lit inférieur 32 de refroidissement des solides est
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maintenu à une température d'environ 800 F (426 C). En utili- sant deux lits de préchauffage 27 et 28, et en faisant circu- ler de la vapeur et du condensat à travers le système à une allure suffisante pour maintenir de la vapeur à approximati- vement 500 F (260 C) sous une pression absolue de 700 livres par pouce carré (49,21 kg/cm2), le lit supérieur de préchauf- fage peut être maintenu à ane température d'environ 240 F (115 C)
, ce qui permet à son tour de maintenir le deuxième lit de préchauffage à une température d'environ 650 F (343 C), Il faut évidemment observer un réglage convenable du débit de solides, de l'alimentation en combustible et du recyclage de vapeur, mais cela sera aisément déterminé par de simples essais dans n'importe quel système.
Comme exemple de l'économie réalisée par l'applica- tion de la présente invention, on peut considérer un réacteur à cinq compartiments (comme dans le dessin) ayant un diamètre intérieur de la chambre de combustion de 22 pieds (6,706 m) et conçu pour fonctionner aux températures suivantes:
(a) premier lit 27 de préchauffage (condensation de vapeur) à 240 F (115 0); (b) deuxième lit 28 de préchauffage à 650 F (343 0); (c) lit de combustion 29 à 1400 F (760 0); (d) lit de réduction 31 à 1200 F (650 C);
et (e) lit 32 de refroidis- sement des solides (génération de vapeur) à 800 F (426 C),
En appliquant le concept de la présents invention, un tel réacteur a une capacité de 2360 t d'alimentation de mine- rai de fer sec par jour et exige l'addition de chaleur sous la forme de combustible fourni à la chambre de comoustion, à raison de 707.200 BTU par tonne d'alimentation (1 BTU = 252 cal) afin de maintenir la température de 1400 F (760 C) dans la chambre de combustion, de façon à pouvoir maintenir un lit de réduction à 1200 F (650 C).
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Dais le même réacteur, mais sans utiliser le sys- tème de récupération de chaleur selon la présente invention, il est nécessaire d'ajouter 816.000 BTU par tonne d'alimen- tation dans le lit de combustion pour maintenir la température voulue de 12000F (650 C) dans le lit de réduction.
Il est évident que l'économie de combustible réalisée par l'invention est importante, étant de l'ordre de 108.000 BTU par tonne. En outre, puisque le minerai est préchauffé plus efficacement selon l'invention, le temps requis pour- le traitement est également réduit, tel qu'il ressort des considérations ci-dessus, ladite application de l'invention permettant au réacteur de travailler avec une capacité de 2360 t (alimentation sèche) par jour, tandis que le même réacteur, sans faire application de l'invention, n'a qu'une capacité de 2040 t (alimentation sèche) par jour. Par consé- quent, l'invention permet non seulement de réaliser une éco- nomie de combustible d'environ 14 %, mais aussi d'augmenter la capacité environ dans la même proportion, ce qui réduit encore le prix par tonne de minerai traité.
Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en se référant spécialement ] la réduction endothermique d'héma- tite en magnétite, avec addition de combustible comme source de chaleur, il va de soi qu'elle peut aussi être adoptée pour d'autres réactions endothermiques, ainsi que pour des réac- tions exothermiques, dans lesquelles la chaleur de réaction est elle-même insuffisante pour maintenir un lit fluidifié simple en opération autogène.Dans ce dernier cas, en plus d'un lit de réaction, on utiliserait aussi bien un lit de préchauf- fage qu'un lit de refroidissement. Ces lits supplémentaires seraient agencés un de chaque côté du lit ,de réaction et on y disposerait des serpentins tels que 62 et 63.
De cette façon, les solides entrant dans l'appareil seraient préchauffés, en
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réduisant ainsi la quantité do BTU nécessaire pour porter et maintenir ces solides à la température de réaction dans le lit intermédiaire.
Tel qu'exposé ci-dessus, la présente invention rond de grandes quantités de chaleur disponibles pour préchauffer les solides d'alimentation entrant dans l'appareil, tout en n'exigeant qu'une faible chute de température pour obtenir ce résultat-. Toutefois , bien que la chute de température re- quise soit faible, il est hautement désirable qu'il existe une différence de température relativement grande entre les solides du lit de préchauffage et la vapeur ou la vapeur d'eau entrant dans ce lit, car cela assure une condensation rapide de cette vapeur et permet des vitesses d'écoulement relativement élevées. Il est aussi important que la vapeur et/ou le condensat soient enfermés pendant la circulation, afin de maintenir la prossion et donc des températures élevées dans le système à vapeur.
En ce qui concerne cette pression il convient de noter que tout le système vapeur-condensat se trouvera .toujours sous pratiquement la même pression, de façon à permettre la circulation avec un minimum d'effort.
Les pressions et températures exactes utilisées dans le système dépendront évidemment des conditions existant dans chaque réacteur considéré, mais elles pourront être aisé- ment déterminées empiriquement par tout homme de métier, en tenant compte, bien entendu, du fait que le coefficient de transmission de chaleur des matériaux employés influencera l'opération, tout comme la vitesse de passade des solides et la vitesse d'écoulement de vapeur-condensat.
En plus de la chaleur latente de vaporisation libé- rée dans le lit de préchauffage de solides, il y aura aussi une certaine transmission de chaleur sensible da condensât dans les serpentins 62 aux solides. Cela est cependant peu
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important comparativement à la source de chaleur principale et il n'en a donc pas été tenu compte dans le présent exposé.
Telle qu'utilisée dans la description et les re- vendications annexées, l'expression "zone de génération de chaleur" s'applique à toute zone dans laquelle de la chaleur est engendrée par réaction exothermique ou par la combustion de combustible additionnel, tandis que l'expression "zonne de combustion " se rapporte à une zone dans laquelle la Généra- .lion de chaleur est uniquement due à la combustion de combus- tible additionnel. L'expression ''zone de réaction" se rapporte à une zone'dans laquelle s'opère la réaction proprement dite.
REVENIDICATIONS.
1. Procédé pour le préchauffage de matières solides dans un système à solides fluidifiés comportant une zone initiale de, préchauffage de solides fluidifiés, une zone in- termédiaire fluidifiée de génération de chaleur pour recevoir et chauffer davantage lesdits sol.ides, et Lino zone fluidifiéc subséquente pour refroidir les solides reçus de ladite zone de génération de chaleur, caractérisé en ce qu'on utilise la chaleur sensible des solides dans la zone de refroidissement pour vaporiser un liquide enfermé, on transfère la vapeur qui en résulte au lit dans la zone de préchauffage, et on produit le préchauffée des solides dans ce lit initial au moyen de chaleur de vaporisation libérée en condensant ladite vapeur dans ce lit,
en relation d'échange thermique avec les solides fluidifiés dans celui-ci.