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La présente invention est relative à un procédé pour réduire des minerais du type du minerai de fer en métal en mettant le minerai en contact dans un lit fluidisé à des températures modérées avec un gaz à teneur élevée en CO qui contient également du carbone entraîné, ledit gaz riche en CO étant produit par une gazéification à température élevée de matières carbonées dans un second lit fluidisé. La présente , invention s'applique particulièrement à la production de fer spongieux à partir de minerai de fer.
On a déjà décrit un procédé de réduction de mine- rais dans lequel des matières carbonées sont transformées en un gaz contenant du CO, en partie cependant qu'on les mélange intimement dans un lit fluidisé avec le minerai à réduire. Le OQproduit est l'agent principal pour effectuer la réduction du minerai. Etant donné la nature de la matière carbonée, il est parfois nécessaire de maintenir le lit fluidisé dans ce pro- cédé à des températures relativement élevées de l'ordre de 980 C environ et davantage, en vue d'obtenir un produit de gazéifi- cation suffisamment riche en CO pour réaliser une réduction satisfaisante du minerai de fer mélangé à la matière carbonée en cours de gazéification.
Fréquemment, des températures de cet ordre sont suffisamment élevées pour provoquer une agglo- mération et se traduisent par une fluidisation insatisfaisante du lit de minerai. Ceci peut se produire même si un substantiel excès de carbone solide qui tend à empêcher le collage du mine-' rai réduit est présent .
La présente invention a pour objet un procédé grâce auquel on peut conserver tous les avantagea résultant de
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l'emploi d'agents réducteurs solides, bon marché et disponibles pour la réduction du minerai , cependant que l'on élimine complètement le désavantage susmentionné.
Selon la présente invention, un gaz à teneur élevée en CO contenant du carbone entraîné est fabriqué à partir d'un solide carboné, tel que du charbon, du charbon de bois, du coke, du coke de pétrole, de la tourbe, de la lignite ou analogues dans une zone de gazéification fluidisée et séparée.
Le solide carboné est ajouté au procédé dans un rapport équivalent à environ 0,3 à environ 0,75 partie en poids de carbone par partie de minerais. A la fois le solide carboné et le minerai de fer peuvent être réduits en par- ticules possédant approximativement la même granulométrie, à savoir 20 à 500 microns. Cependant, le carbone peut être un peu plus grossier que le minerais lorsqu'il est chargé, sa granulométrie ne pouvant cependant pas être supérieure à celle qui correspond à une ouverture de maille de 0,84 mm; la densité moins élevée du carbone lui permet d'être fluidisé plus aisément que le minerais, de même que sa granulométrie diminue à mesure qu'il est consommé au cours du traitement.
Le gaz ainsi produit est introduit dans une zone de réduction de minerai fluidisé qui est de préférence superposée directement au-dessus de la zone de gazéification et qui opère généralement à une température inférieure à celle régnant dans la zone de gazéification. Dans la zone de réduction, le minerai est réduit à l'aide du gaz riche en CO qui est amené dans la zone de réduction à partir du gazéificateur. Le métal réduit en même temps que du cerbo@e n'ayant pas réagi entraî- né à partir du gazéificateur est enlevé de la zone de réduction et amené à une zone de séparation à vitesse peu élevée
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ou un gaz non oxydant ou réducteur de nature sépare une couche supérieure de carbone d'une couche inférieure de métal réduit.
Les minerais convenant pour subir le traitement selon la présente invention englobent les minerais deer oxydique, tels que l'hématite, la magnétite, la lionite, la sidérite et la latérite. Ainsi qu'on le sait parfaitement bien, ces minerais de fer se trouvent dans des roches sédimen- taires et métamorphiques, habituellement associés à d'autres constituants minéraux, tels que du quartz et des argiles. Pour convenir aux fins de la présente invention, il est souhaitable que les minerais de fei contiennent au moins environ 40% de Fe, de préférencr environ 50 de Fe.
Avant de charger le minerai dans l'installation servant à réaliser le procédé de la présente invention, ce minerai est broyé ou pulvéri@é de la manière ci-dessus indi- quée. La granulométrie optimale dépend quelque peu de la den- sité du minerai et de la vitesse ascendante du gaz fluidi- sant dans le réacteur, vitesse qui peut être comprise entre environ 9,14 m/minutes et 91,44 m/minutes ou, de préférence, entre environ 27,43 m/minutes et environ 54,86 m/ minutes.
Avec les vitesses préférées de gaz juste précitées, la gra- nulométrie moyenne du minerai peut avantageusement être de l'ordre d'environ 20 à 150 microns.
La zone de gazéification peut être fluidisée de avec de l'air manière appropriée bien que d'autres gaz comburants, tels que de l'air enrichit en oxygène, de l'oxygène pur ou des mélanges d'oxygène et de vapeur d'eau puissent être utilisés dans le même but. Evidemment, le minerai est fluidisé dans la zone de réduction du minerai par le gaz de combustion
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riche en CO produit dans la zone de gazéification. La quantité d'air ou de gaz comburant est injectée dans la zone de gazéification en une quantité suffisante pour donner environ 941 à 1881 litres d'oxygène par kilo de carbone introduit.
Le carbone à son tour est amené à une vitesse d'environ 0,3 à 0,75 partie par partie de minerai .Le facteur qui détermine principalement les besoins en carbone du procédé est la quantité de chaleur qui doit être fournie tout en maintenant un pouvoir réducteur suffisamment élevé comme indiqué par la teneur en CO du gaz évacué.
L'invention sera à présent mieux comprise en se référant au dessin ci-annexé dont la figure unique représente une vue semi-schématique en élévation d'un type d'appareil convenant à la mise en oeuvre de la présente invention.
La notation de référence 1 représente un récipient comprenant une zone A inférieure de gazéification à température élevée ainsi qu'une zone B supérieure de réduction. La zone de gazéification contient un lit de matière solide carbonée finement divisée 23 subissant la gazéification. La couche supérieure de ce lit est représentée par L'. Ce lit est supporté par une grille 3. Dans la zone de réduction directement située au-dessus du gazéificateur se trouve un lit fluidisé de minerai solide 2 supporté par une grille 10. La couche supérieure du lit de inerai est représentée par L.
A la partie inférieure du récipient 1 on a prévu une conduite 6 pour l'introduction ascendante d'air préchauffé dans la zone de gazéification à température élevée; une conduite 5 pour l'introduction de coke finement divisé dans la zone de gazé- ification, une conduite 4 pour l'introduction de minerai finement divisé dans la zone de réduction de minerai ,une conduite 21 pour l'évacuation du métal réduit et du carbone
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de la zone de réduction de minerai vers une zone de séparation 11, une conduite 25 pour le transfert de gaz à teneur élevée en CO du gazéificateur à la zone de séparation, un système de cyclone 7 pourvu d'un coupe-air 8 pour le retour de fines récupérées des gaz quittant la zone de réduction,
une conduite 9 pour l'évacuation de gaz provenant de la zone de réduction par l'intermédiaire du système à cyclone et une conduite 24 pour le retour du carbone récupéré de la zone de séparation au gazéificateur sont aussi prévus sur le récipient 1.
Le sépérateur 11 est ur. récipient dont le diamètre est de préférence plus petit que celui du récipient 1, séparateur dans lequel le mélange de métal réduit et de carbone est transféré à partir de la zone de réduction par l'intermédiaire d'une conduite 21.
Le récipient est pourvu d'une conduite 27 à sa partie inférieure pour l'introduction du gaz réducteur à vitesse peu élevée en vue de séparer le carbone du métal réduit, d'une conduite 14 équipée d'une valve à tiroir 26 pour l'évacuation du métal réduit 13t d'une conduite 24 pour le retour de carbone séparé 12 de la zone de séparation 11 au gazéificateur à température élevée et d'une conduite 22 pour l'évacuation des gaz d'échappement.
On décrira la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention en prenant en exemple la réduction d'un mine- rai d'hémalite contenant 78,6 de Fe203, 7,3% Si02 et 14,1% de H20.
Au cours du procédé, du coke de pétrole est introduit dans la sec- tion A du récipient 1 à une vitesse d'environ 0,35 partie de mine- rai et ce coke est gazéifié avec de l'air dans le lit fluidisé 23 à une température élevée de l'ordre de 815 à 1?480 C, par exemple, 1200 C. On amène de l'air dans un lit de gazéification à une
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équivalent à environ 941 litres d'oxygène par kilo de coke; l'oxygène qu'il contient est sensiblement entièrement consommé dans le lit 23. Ce lit est, de préférence, le lit inférieur du récipient à deux lits, comme montré sur le dessin.
Cependant, la zone de gazéification peut aussi se trouver dans un récipient entièrement séparé. La profondeur du lit de gazéification est comprise, de préférence, entre environ 3 mètres et 9 mètres, par exemple 6 mètres, de manière à aider à garder une concentration élevée en monoxydede carbone par rapport à l'anhydride carbonique. Dans chaque cas, la gazéification du coke s'opère à température élevée, ce qui conduit à la production d'un gaz à teneur élevée en CO et à teneur peu élevée en C02. Ce gaz chaud est dirigé à travers une grille 10 distributrice dans un lit de minerai 2 qui est maintenu par la chaleur sensible du gaz réducteur à un niveau de température modéré convenant à la réduction du minerai par le gaz riche en C0.
Ce niveau de température est de l'ordre de 538 à 815 C et peut même s'élever jusqu'à 1093 C, cette température étant de préférence d'environ 704 C. La chute de pression à travers les trous de la grille distributrice 10 est telle que le gaz s'écoule du gazéificateur dans la zone de réduction à une vitesse qui empêche le passage du solide de la zone de réduction du minerai dans le gazéificateur. Normalement, une chute de pression à travers la grille de 0,035 à 0,07 kilo par cm2 environ est satisfaisante.
Du minerai finement divisé est chargé directement dans le lit 2 par l'intermédiaire de la conduite 4. Les gaz chauds provenant de la zone de gazéification véhiculent également dans le lit de réduction une quantité substantielle de carbone entraîné qui sert alors au but très intéressant de minimiser la tendance que possèdent les particules de métal
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de coller l'une à l'autre, Il s'en suit que la température opé- ratoire dans ledit lit de réduction peut être considérablement plus élevée que celle que l'on peut tolérer en l'absence de telles particules de carbone. Gâce à ce fait, la vitesse de réduction peut être sensiblement augmentée par rapport aux vitesses mises en oeuvre lors de la réduction vers un gaz riche en CO en l'absence de carbone solide.
Les vitesses dans les zones de gazéification et de réduction sont d'environ 45,72 mètres par minute. A cette vitesse, la turbulence maintenue dans les lits respectifs est telle que dans la sone de réduction les solides sont dispersés dans tout le lit et qu'un mélange intime de mine- rai et de carbone soit obtenu, rendant que dans le gazéificateur la formation de points chauds dans la zone de combustion forte- ment exothermique est évitée de manière efficace. Le procédé peut être mis en oeuvre des des pressions allant jusqu'à environ 10 ou 20 atmosphères mais on préfère normalement opérer à des pres- sions sensiblement voisines de la pression atmosphérique. Aucun dispositif pour la séparation des solides entraînés n'est néces- saire entre la zone de gazéification et la zone de réduction.
Cependant, 11 peut à l'occasion être souhaitable d'évacuer de la chaleur du carbone entraîné et des gaz produits dans le gazéifi- cateur à l'aide d'un appareil 29 d'échange de chaleur indirect, tel qu'un boiler à chaleur perdue. Les solides sont récupérés des gaz quittant la zone de réduction par le système à cyclone 7 et ramené au lit 2 à l'aide du coupe-air 8.
Un mélange de métal réduit et de carbone déborde du lit fluidisé réducteur 2 dans la conduite 21 est introduit dans un séparateur 11 à vitesse peu élevée, de préférence dans la partie médiane de celui-ci. Le séparateur opère à une température @ de l'ordre de celle qui existe dans le ----------------------------
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lit de réduction du minerai.. Dans ce séparateur, le mélange se sépare en une phase métallique 13 inférieure et en une phase supérieure 12 de carbone. La séparation s'effectue à l'aide d'un gaz réducteur à vitesse peu élevée introduit à la partie inférieure du séparateur par la conduite 27. Une partie du gaz produit dans le procédé par gazéification de la charge de carbone peut être utilisée à cette fin.
Dans un tel cas, on utilise le courant d'écoulement qui passe par la conduite 25. Cependant, on peut substituer au gaz riche en C0 du procédé n'importe quel autre gaz non oxydant, tel que de l'azote. La faible vitesse du gaz dans le séparateur 11 est telle que les solides, cependant qu'ils sont aérés sous la forme d'une masse fluidisée dense, ne soient pas maintenus en mouvement turbulent tel qu'il existe dans la zone de gazéification et dans la zone de réduction. Il résulte de la différence considérable qui existe entre les légèretés des deux solides que la matière carbonée légère est aisément séparée sous forme d'une couche supérieure du fer réduit lourd qui forme la couche inférieure. La couche de fer est évacuée du système par la conduite 14 équipée d'une vanne ou valve 26.
Des vitesses superficielles appropriées mesurées dans toute la section transversale totale du séparateur 11 sont de l'ordre d'environ 0,36 à 9,14 mètres par minute, par exemple, 1,83 mètre par minute. Le carbone séparé est de préférence ramené par la conduite 24 au gazéificateur. Des gaz d'échappement évacués par l'intermédiaire de la conduite
22 sortant du séparateur, sont de préférence introduites par la conduite 28 au sommet du récipient 1 où ils se mélangent aux gaz provenant de la zone de réduction. Ceci permet d'uti- liser le même système à cyclone 7 à la fois pour les gaz d'échappement du séparateur et pour les gaz produits dans la
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zone de réduction.
On règle la système en chargeant du minerai de fer finement divisé d'une manière continue à une vitesse telle qu'une réduction satisfaisante soit obtenue, par exemple, en laissant le minerai séjourner dans le lit de réduction pendant environ 10 à 60 minutes et en évacuant le métal réduit du sépa- rateur 11 à une vitesse telle que l'on maintienne une profondeur fixe de la couche de métal 13 dans la zone de séparation 11,
Le carbone évacué de la zone de réduction avec le métal réduit sert également, au cours de passage à travers le séparateur et avant sa séparation de phase, à compléter l'éva- cuation .de tout oxygène sous la forme de minerai non réduit, con- tenu dans le courant qui y est intermélangé.
Le gaz de tête de la zone de @ duction correspond en nature à du gaz de haut four- là où un gaz combustible neau et convient pareillement comme combustiblede qualité peu élevée est satisfaisante.
Les particules de fer réduit évacuées par la con- duite 14 contiennent habituellement une quantité sensible de gangue, par exemple, entre environ 10 et 20%. Cette gangue peut subséquemment être séparée du fer réduit de n'importe quelle manière appropriée, notamment par le procédé décrit dans le bre- vet des Etats Unis d'Amérique n 2.540.593. De plus, certaines particules de gangue essentiellement exemptes de fer peuvent également être formées au cours de la mise en oeuvre du procédé.
Etant donné que de telles particules de gangue sont plus légères que le métal réduit, ces particules de gangue' ont une certaine tendance à sa séparer du lit de fer réduit 13 et à passer dans la couche de coke 12. Une accumulation excessive de gangue dans le système peut être empêchée dans un tel cas en évacuant un courant de purge de solides, de préférence de la couche 12, Ce
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de purge peut être soit jeté soit séparé ultérieurement dans un autre séparateur ou à l'aide d'autres moyens appropriés en gangué destinée à être jetée et en coke que l'on peut recycler au gazéificateur.
Il est évident que tous les rapports et pourcentages de matières cités dans le présent mémoire sont exprimée ; sur une base pondérale sauf spécification contraire.
Il est également évident que la description qui précède ne fait qu'illustrer la présente invention et que de nombreuses variantes et modifications peuvent être apportées au procédé de la présente invention sans pour autant sortir de son cadre et de son esprit. ,
REVENDICATIONS.
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