FR2591234A1 - Procede et appareil pour le traitement pyrometallurgique de materiaux finement divises - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un appareil pour le traitement pyrométallurgique de matériaux finement divisés. Le procédé utilise un réacteur 10 comportant deux branches verticales et coaxiales 12, 20 de réaction. Le procédé consiste à former dans la chambre supérieure des gaz réactionnels chauds, riches en combustible, à les faire passer par déversement dans la seconde chambre verticale dans laquelle le matériau finement divisé à traiter est introduit, et à faire réagir ce matériau avec les gaz réactionnels chauds. L'écoulement par déversement des gaz de la première dans la seconde chambre est obtenu par l'établissement d'une zone de brusque expansion à la jonction des deux chambres. Domaine d'application : réaction de métaux à partir de minerais, de concentrés, de résidus, de laitiers et autres matériaux finement divisés. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

L'invention concerne le traitement pyro-

métallurgique de minerais, concentrés, résidus, mattes, laitiers et autres matériaux finement divisés, et plus particulièrement un procédé et un appareil à utiliser dans un tel traitement.

L'extraction d'éléments métalliques de maté-

riaux dans lesquels ils sont présents, à la fois, par exemple, naturellement sous la forme de minerais et artificiellement sous la forme de laitiers et de résidus, fait l'objet d'importants bouleversements dus au coût toujours croissant de l'énergie et à une plus grande préoccupation pour l'environnement. La chimie de ces processus d'extraction est ancienne et bien connue;

fondamentalement, le problème consiste à séparer l'élé-

ment métallique d'autres éléments ou composés chimiques auxquels il est lié, par exemple de l'oxygène (oxydes) et du soufre (sulfures). La solution traditionnelle a été d'appliquer de l'énergie, sous toute forme et en toute quantité nécessaires pour effectuer l'extraction et sans faire grand cas de la nature des sous-produits résultant de tels processus d'extraction ou de leur impact sur l'environnement. Une telle approche ne peut

plus être tolérée pour des raisons économiques, de pro-

tection de l'environnement ou légales. Les points nou-

veaux importants dans les procédés d'extraction de métaux

concernent donc la minimisation des capitaux, le rende-

ment énergétique, la productivité et la récupération des sous-produits, et en particulier des sous-produits

solides, fondus et gazeux et la maîtrise des effluents.

Un exemple notable du problème ci-dessus

porte sur la production de zinc. Le zinc à l'état d'élé-

ment est inconnu dans la nature et, par conséquent, il doit être extrait de matières zincifères par des procédés choisis. Ces procédés, qui ont été ou qui sont actuellement utilisés de façon industrielle, peuvent

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être classés comme étant les procédés (a) de pyrogénation en four horizontal, (b) de pyrogénation en four vertical,

(c) électrothermique, (d) à haut-fourneau, et (e) électro-

lytique. En général, les procédés thermiques, à savoir (a) à (d) cidessus, sont basés sur le principe d'une

réduction carbothermique pour extraire le zinc de maté-

riaux zincifères. Du monoxyde de carbone gazeux (CO)

ou du carbone solide constitue l'agent réducteur princi-

pal dans ces processus, mais l'oxyde de zinc peut être réduit en zinc métallique uniquement à des températures bien au-dessus du point d'ébullition du zinc élémentaire qui est de 907 C. De grandes quantités d'énergie sont

dépensées pour arriver et se maintenir à de telles tempé-

ratures.

Les procédés thermiques classiques sont

affectés de plusieurs inconvénients comprenant la néces-

sité de préparer une charge agglomérée dure pour suppor-

ter le passage au four; de faibles vitesses de réac-

tion exigeant de longs temps de séjour, habituellement dans un très gros réacteur ou dans de nombreux petits réacteurs; l'utilisation de grandes quantités et de formes coûteuses d'énergie telles que de gros morceaux de coke, du charbon de bois, de l'électricité et du gaz naturel, dans certains cas par suite d'un chauffage indirect de la charge; et un capital et des coûts de fonctionnement élevés par unité de produit, ce qui exige

que les installations possèdent des capacités relative-

ment grandes pour être intéressantes d'un point de vue

économique. De la même manière, le processus électrolyti-

que, bien que plus perfectionné du point de vue technique

que la plupart des procédés thermiques, est encore affec-

té de coûts d'investissement en capitaux, d'énergie

et de fonctionnement élevés.

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Au cours des dernières années, un certain nombre d'efforts ont été consacrés, de par le monde, à l'élimination de certains des inconvénients propres à la fusion thermique classique. Ces efforts ont abouti à plusieurs procédés de récupération de métaux intéres- tants à partir de minerais, de concentrés, de produits de calcination et de laitiers finement divisés par fusion instantanée

dans des enceintes du type réacteur. La fusion instan-

tanée n'exige pas une agglomération préalable des charges métallifères; elle présente un débit volumétrique de production élevé (ou un court temps de séjour); elle

peut utiliser des formes moins coûteuses d'énergie ther-

mique telles que du coke, du charbon, du charbon de

bois et des résidus carbonés, et/ou du combustible conte-

nant des sulfures, finement divisés; elle peut être

aisément automatisée; et elle peut être souvent accompa-

gnée d'un soufflage d'oxygène, ce-qui diminue le volume et les problèmes de traitement des gaz résiduels. Par

conséquent, ce procédé utilise généralement mieux l'éner-

gie et présente de moindres coûts de fonctionnement que les procédés classiques. En outre, ces réacteurs nécessitent généralement un investissement en capitaux plus faible et la dimension de l'unité peut être très inférieure à celle des installations de fours classiques

de même capacité.

Des exemples du procédé venant d'être cité

sont donnés, par exemple, dans le brevet des Etats-

Unis d'Amérique N 3 271 134 (produit de calcination du zinc), le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 607 224 (minerai de fer); et les ouvrages "Flash Smelting of Lead Concentrates", Bryk et collaborateurs, J. of Metals, Décembre 1966, 1298-1302; "The KIVCET Cyclone Smelting Process for Impure Copper Concentrates", Melcher et collaborateurs, J. of Metals, Juillet 1976, 4-8; "The

Boliden INRED Process for Smelting Reduction of Fine-

Grained Iron Oxides and Concentrates", Elvander et colla-

borateurs, Third Int. Iron & Steel Cong. Proc., Avril 1978, Chicago, IL, 195-200; et "The Chemistry of the

ELRED Process" (minerai de fer), Bengtsson et collabora-

teurs, I & SM, Octobre 1961, 30-34. Ces procédés ont rencontré du succès à des degrés divers-, mais semblent tous être limités par (a) la complexité et le coût des équipements associés nécessaires à leur mise en pratique, (b) l'instabilité à traiter diverses matières de charge, et/ou (c) la difficulté à maîtriser et stabiliser des paramètres de ces procédés. Certains des procédés n'ont jamais été mis en oeuvre à l'échelle industrielle. En général, la plupart des unités industrielles de fusion instantanée sont limitées à une oxydation en une seule étape de charges contenant des sulfures, tandis que d'autres procédés portant sur des charges contenant des oxydes nécessitent plus d'une étape ou plus d'un réacteur. L'invention telle que décrite ici vise à

éliminer certains des inconvénients propres à la techno-

logie actuelle de la fusion instantanée.

La présente invention satisfait la demande actuelle portant sur le rendement énergétique et la protection de l'environnement en proposant un procédé de traitement pyrométallurgique pour l'extraction de métaux intéressants à partir de minerais et d'autres

complexes dans un réacteur unique à étages multiples.

L'invention propose en outre une réaction plus complète des constituants et donne des produits plus souhaitables à des coûts unitaires d'énergie plus bas qu'il

n'était possible jusqu'à présent.

L'invention élimine donc les inconvénients

associés aux procédés antérieurs utilisés dans des réac-

teurs de fusion instantanée du type à suspension, en permettant une meilleure maîtrise des opérations se déroulant dans le réacteur, une utilisation plus efficace du combustible et des produits finaux plus

souhaitables des points de vue à la fois de la composi-

tion et du rendement; en outre, le réacteur de la pré-

sente invention est moins volumineux et d'une construc- tion relativement simple, et il est donc moins coûteux

que les réacteurs connus.

Au sens large, le procédé de l'invention comprend les étapes qui consistent: à introduire, dans une première chambre verticale, des gaz réactionnels chauds riches en combustible; à faire passer les gaz chauds, par écoulement de décharge, dans une seconde chambre s'étendant verticalement; à introduire dans la seconde chambre les matériaux finement divisés à

traiter; et à faire réagir les matériaux finement divi-

sés avec les gaz réactionnels chauds et riches en combus-

tible. Les gaz réactionnels chauds et riches en combus-

tible sont avantageusement fournis par la formation,

à l'intérieur de la première chambre, d'un mélange réac-

tionnel d'une substance contenant un combustible, tel que des fines de charbon ou de coke, et d'une substance oxydante telle que de l'oxygène, de l'air ou de l'air enrichi en oxygène, et par mise en réaction importante du mélange, à l'intérieur de la première chambre, sous

des conditions riches en combustible.

Le procédé de l'invention nécessite d'établir une zone de réaction gazeuse dynamiquement stable dans la première chambre et une zone de réaction gazeuse dynamiquement stable dans la seconde chambre. Dans la première chambre, la stabilisation est obtenue par une action combinée de tourbillonnement et de déversement ou déchargement, cette dernière étant considérée comme

étant la formation d'un écoulement stabilisé à "tour-

billon annulaire" dû à une brusque expansion du mélange réactionnel lorsqu'il descend en passant dans une zone

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de passage d'écoulement augmentant rapidement. En ce sens, la première chambre du réacteur de traitement peut, en pratique, être subdivisée en deux chambres

dont la plus basse présente une section de passage d'écou-

lement supérieure à celle du passage supérieur dans lequel l'action de mélange des corps réactionnels a lieu. Une action

de déversement se produit alors lorsque le mélange réac-

tionnel pénètre dans le passage d'écoulement plus grand.

Une seconde zone de réaction gazeuse dynamiquement stable est établie dans la seconde chambre par descente du mélange réactionnel riche en combustible, en écoulement

de déversement ou de déchargement, dans la seconde cham-

bre qui présente une section de passage d'écoulement

encore plus grande que celle du passage situé au-dessus.

Dans cette description, le terme "combustion" est utilisé

pour désigner une réaction chimique entre des combus-

tibles et un gaz contenant de l'oxygène afin de donner

des produits solides, liquides ou gazeux et de la cha-

leur. La présente invention propose en outre un

appareil pour la mise en oeuvre du procédé pyrométal-

lurgique décrit ci-dessus. L'appareil comprend un réac-

teur vertical possédant des premier et second étages en série, le premier étage comportant une section de mélange et d'allumage de corps réactionnels, alimentant une section de décharge dont la sortie alimente le second étage par l'intermédiaire d'une autre section de décharge, le second étage ayant une sortie pour la matière traitée,

des moyens étant accouplés au premier étage pour y intro-

duire une substance contenant un combustible et une substance oxydante afin de produire dans le premier étage un mélange réactionnel chaud destiné à réagir par la suite, et des moyens étant accouplés au second

étage pour y introduire un matériau à traiter par réac-

tion avec le mélange réactionnel chaud précipité afin

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de donner une matière traitée souhaitée qui s'évacue

par la sortie du second étage.

Ainsi qu'on peut le voir, le procédé de l'invention peut comprendre le traitement de matériaux dans des atmosphères chimiquement oxydantes ou réduc- trices. Par exemple, des charges métallifères contenant des sulfures, telles que des concentrés, peuvent être

mises en réaction dans une atmosphère globalement oxy-

dante afin qu'une partie ou que la totalité du soufre et des impuretés indésirables en soient éliminées, que de la chaleur soit produite et que l'on obtienne des produits fondus ou solides valorisés tels que des mattes,

des laitiers ou des éléments métalliques qui contien-

nent des métaux intéressants. Le traitement de charges métallifères oxydantes telles que des laitiers, des produits de calcination et des résidus, peut être effectué sous une atmosphère globalement réductrice. Dans ce dernier exemple, les composés de carbone et d'hydrogène que

l'on trouve dans des combustibles carbonés sont partiel-

lement oxydés pour donner du monoxy e de carbone et

de l'hydrogène constituant des gaz réducteurs qui s'ajou-

tent aux C02, H20, à la chaleur et à d'autres composés mineurs. Les oxydes métalliques contenus dans le matériau de charge sont alors réduits en éléments métalliques, soit sous forme de vapeur, soit sous forme fondue pour être ensuite recueillis et séparés de la gangue et des impuretés indésirables afin de produire des éléments métalliques ou des mattes métalliques concentrés. En variante, des vapeurs d'éléments métalliques peuvent

ensuite être mises en réaction avec de l'air ou de l'oxy-

gène pour produire des oxydes métalliques concentrés.

Les expressions "atmosphère oxydante" et "atmosphère réductrice" sont bien connues dans le domaine de la

thermochimie. La maîtrise des conditions régnant à l'inté-

rieur du réacteur est un pointimportant pour la mise en oeuvre

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convenable de l'invention et elle exige un dosage et

un proportionnement précis des charges solides et gazeu-

ses, conformément à des principes thermochimiques bien connus. L'invention sera décrite plus en détail

en regard des dessins annexés à titre d'exemples nulle-

ment limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié montrant

les étapes du traitement d'une matière de charge métal-

lurgique à l'aide du procédé de l'invention pour donner des produits fondu et gazeux; la figure 2 représente schématiquement le

réacteur de l'invention ainsi que ses circuits d'alimen-

tation en matériaux; la figure 3 est une élévation avec coupe partielle du réacteur selon l'invention; et

la figure 4 est une vue schématique illus-

trant la dynamique des gaz qui semblent régner dans

le procédé de l'invention.

Sur les différentes figures, les mêmes réfé-

rences numériques désignent les mêmes éléments ou des

éléments similaires.

La figure 1 représente d'une façon générale le procédé de traitement selon l'invention. Une source SCC d'une substance contenant un combustible et une source SGO de gaz oxydant alimentent par le sommet un réacteur à deux étages, agencé verticalement et désigné globalement par la référence numérique 10. Suivant la nature du matériau de charge métallurgique à traiter dans le procédé, la substance contenant un combustible peut être une matière carbonée solide, telle que des fines de charbon ou de coke; un hydrocarbure gazeux

ou liquide tel que du gaz naturel; ou une matière conte-

nant du soufre, telle qu'un concentré ou un minerai contenant un sulfure métallique. La nature de la substance

contenant un combustible dépend des objectifs du traite-

ment métallurgique ainsi que du bilan thermique du réac-

teur; de la même manière, la substance oxydante fournie au réacteur 10 peut être de l'oxygène pur, de l'air enrichi en oxygène, de l'air normal ou une autre

substance oxydante équivalente, en fonction, comme précé-

demment, des conditions de réduction ou d'oxydation souhaitées et des objectifs métallurgiques d'ensemble du procédé de traitement. Le but de l'introduction de la substance contenant un combustible et de la substance oxydante est de former de façon maîtrisée et de faire réagir partiellement ce mélange dans l'étage supérieur du réacteur 10 pour produire un mélange réactionnel chaud, riche en combustible, destiné à entrer ensuite en réaction avec une matière métallurgique de charge

CHM dans l'étage inférieur-du réacteur 10.

La nature de la matière métallurgique de charge à traiter par le procédé de l'invention peut

varier largement. Des exemples de tels matières ou maté-

riaux comprennent des oxydes et des sulfures métalliques et ces matières peuvent se présenter sous la forme de minerais, de laitiers, de résidus, de concentrés et

matériaux analogues finement divisés. Un exemple parti-

culier d'une matière à traiter est un laitier de fourneau (sous-produit obtenu par la fusion de charges d'oxyde métallique) contenant principalement du zinc comme métal

récupérable, comme décrit en détail ci-dessous.

Dans l'étage inférieur du réacteur 10, le matériau métallurgique de charge, à l'état finement divisé, entre en contact avec le mélange réactionnel chaud riche en combustible produit en amont pour donner des éléments métalliques dans leurs états normaux aux températures du réacteur (par exemple à l'état de vapeur ou de liquide), en même temps que du laitier fondu, des produits fondus contenant des métaux (tels que des

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mattes) et des sous-produits gazeux.

Les produits de la réaction se produisant

dans l'étage inférieur du réacteur 10 sont ensuite re-

cueillis ou traités par des procédés classiques et con-

nus; par exemple, on peut les faire passer dans un séparateur de produits fondus o tous produits liquides tels qu'un métal, une matte métallique et un laitier fondus sont séparés des produits gazeux. Les produits liquides sont ensuite retirés du procédé pour être encore

séparés en métaux intéressants utilisables et en laitier.

Les produits gazeux de la réaction se produisant dans l'étage inférieur du réacteur 10 peuvent être dirigés

vers un élément effectuant une opération unitaire fonda-

mentale, telle qu'un condenseur, pour faire passer la vapeur métallique à l'état liquide et la séparer des constituants gazeux restants. Le gaz du réacteur (sans la vapeur métallique) peut ensuite être récupéré pour être réutilisé ou traité afin de satisfaire les normes

concernant l'environnement avant d'être libéré à l'atmo-

sphère. Les produits gazeux peuvent également être soumis à une postcombustion avec de l'air ou de l'air enrichi en oxygène pour produire un oxyde métallique relativement

pur et de l'énergie de sous-produit récupérable.

En référence à la figure 2, on décrira à présent un dispositif destiné à charger de matériau le réacteur 10. Le réacteur 10 comprend un premier étage ou une section pilote 12 constitué d'une section pilote

supérieure 14 montée verticalement et coaxialement au-

dessus d'une section pilote inférieure 16 qui comprend une section 18 d'injection de gaz et qui est disposée verticalement et coaxialement audessus d'un second étage 20 qui comprend une section 22 d'injection de

charge et une section 24 de réaction.

Dans la description donnée précédemment,

la section pilote supérieure 14, la section pilote infé-

1 1 rieure 16 et la section 18 d'injection de gaz constituent ensemble la première chambre ou le premier étage, tandis que la section 22 d'injection de charge et la section 24 de réaction constituent ensemble la seconde chambre ou le second étage. Pour déclencher le fonctionnement du réacteur , une source de préchauffage et d'allumage est prévue

sous la forme d'un allumeur 29 o un combustible hydro-

carboné sous forme liquide ou gazeuse, tel que du gaz naturel provenant d'une source 28, est mélangé à de

l'air, par exemple provenant d'une source 36, et allumé.

Le gaz en flamme passe dans un tube 30 d'allumage o il peut être mélangé et mis en réaction avec un gaz

oxydant s'écoulant dans un tuyau 33. Le gaz allumé pénè-

tre ensuite dans la section pilote supérieure 14, afin de la préchauffer et de constituer une - source de mise à feu pour l'écoulement initial de la substance contenant un combustible. Une fois que la réaction de la substance contenant un combustible est auto-entretenue, l'allumeur

29 est arrêté.

Une substance contenant un combustible arrive d'un ensemble 40 à magasin/distributeur et pénètre dans un conduit 46. Suivant sa nature, la substance contenant

un combustible peut être entraînée dans un gaz transpor-

teur tel que de l'air s'écoulant dans un conduit 42.

La substance contenant un combustible est ensuite con-

duite vers le bas jusque dans la section pilote supé-

rieure 14 o elle entre en contact avec le gaz oxydant arrivant par le tuyau 33, de toute manière appropriée pour produire une action de mélange turbulent intense sur le mélange gazeux oxydant-combustible résultant

et d'amorcer les réactions combustible/gaz oxydant.

Le gaz oxydant passant dans le tuyau 33 peut être de l'air provenant de la source 36 et mélangé, comme nécessaire, avec de l'oxygène pur provenant d'une

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source d'oxygène 52. Le gaz oxydant peut être introduit dans la section 18 d'injection de gaz au moyen de tuyaux (A) de manière à se mélanger et réagir avec le mélange réactionnel chaud et à le stabiliser, et il peut être composé de l'air provenant de la source 36, en mélange, comme nécessaire, avec de l'oxygène pur provenant de la source d'oxygène 52. Le gaz oxydant introduit dans la section pilote supérieure 14 par le tuyau 33 et celui introduit dans la section 18 d'injection de gaz par le tuyau 60 peuvent être de compositions similaires ou différentes. L'un des courants de gaz oxydant, ou les deux courants, peuvent être préchauffés par des

moyens classiques.

La matière de charge (F) à traiter dans le réacteur 10 est stockée dans une ou plusieurs trémies ou un ou plusieurs magasins 66 et est ensuite dosée et dirigée vers la section 22 d'injection de la charge au moyen de conduits 68 après avoir été entraînés dans un gaz de transport (de l'air comme montré sur la figure 2, bien que de l'azote ou d'autres gaz puissent être utilisés). La manière exacte dont le matériau de charge est introduit dans le second étage 20, à la section

22 d'injection de la charge, sera décrite ci-dessous.

Des fondants ou une autre substance contenant un com-

bustible peuvent également être ajoutés à la charge du réacteur par l'intermédiaire d'un système de charge

similaire à celui décrit ci-dessus.

Avant de développer davantage le procédé de la présente invention, il convient de décrire les détails de construction du réacteur 10 en se référant

à la figure 3. Sur la figure 3, la section pilote supé-

rieure 14 du premier étage 12 est représentée comme étant constituée d'une structure cylindrique creuse comportant des parois supérieure et latérale 72 et 74, respectivement, et une bride 76. Ces parois et cette

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bride peuvent être réalisées en alliage pour haute tempé-

rature, tel qu'un alliage de la série "Inconel 600", produit par la firme International Nickel Co., et elles peuvent être refroidies extérieurement par pulvérisation d'air ou par une chemise de refroidissement. La section pilote supérieure 14 constitue la section de mélange et d'allumage du premier étage 12 du réacteur 10. L'homme

de l'art appréciera que les tuyaux utilisés pour intro-

duire la substance contenant un combustible et le mélange gazeux oxydant dans la section pilote supérieure 14 peuvent être placés de façonsdiversesles uns par rapport aux autres pour produire l'action de mélange turbulent souhaitée. Une section pilote inférieure 16, située immédiatement au-dessous de la section pilote supérieure 14 à laquelle elle est reliée coaxialement, se présente sous la forme d'une structure cylindrique creuse dont le diamètre intérieur est supérieur à celui de la section

pilote supérieure 14. Ce brusque accroissement de dia-

mètre produit une action de "déversement" ou "décharge-

ment" dans le mélange combustible/gaz oxydant descendant

dans le réacteur 10, d'une manière décrite ci-dessous.

La section pilote inférieure 16 comporte une section de combustion principale 78 s'étendant entre des brides 80 et 82 et formée d'une paroi intérieure 84 disposée concentriquement à l'intérieur d'une paroi extérieure 86 de plus grand diamètre. La paroi intérieure 84 peut être réalisée en acier inoxydable de la série 300, tandis que la paroi extérieure 86 peut être en acier inoxydable ou en acier au carbone. Des moyens appropriés tels que des tuyaux ou des canaux d'écoulement 88 sont disposés entre les parois 84 et 86 pour faire circuler un fluide

de refroidissement tel que de l'eau. Un soufflet facul-

tatif de dilatation (non représenté), de réalisation bien connue, peut entourer une partie de la section

de combustion principale 78 afin de permettre les dila-

tations et contractions thermiques différentielles des parois 84 et 86 suivant des principes bien connus. La quantité de fluide de refroidissement mise en circulation dans les canaux 88 et sa capacité de refroidissement

doivent être ajustées en fonction de critères bien éta-

blis pour permettre à la paroi intérieure 84 de supporter les températures pouvant s'élever, à l'intérieur de la section de combustion principale 78, à 2750 C, sans que cette paroi fonde ni qu'une couche de laitier ne

se solidifie sur la surface intérieure de la paroi 84.

Bien qu'illustrée, sur la figure 3, comme

pouvant être séparée de la section de combustion prin-

cipale 78 au niveau d'une bride 82, la section 18 d'injec-

tion de gaz peut être considérée simplement comme étant un prolongement de la section de combustion principale 78 avec laquelle elle forme une section de combustion pilote inférieure (ou de déversement) 16. La section

18 d'injection de gaz est de la même construction géné-

rale que la section 78, comportant une paroi intérieure en acier inoxydable de la série 300, une paroi extérieure

en acier inoxydable ou au carbone et des canaux ou cana-

lisations intermédiaires d'écoulement d'un fluide de refroidissement. Ainsi qu'on peut mieux le voir sur la figure 3, deux tuyaux 90 et 92 d'injection de gaz sont, par exemple, placés de façon diamétralement opposée à la périphérie de la section 18. Les tuyaux 90 et 92 sont raccordés (par des moyens incomplètement représentés) au tuyau 60 de gaz oxydant du système montré sur la figure 2. L'injection d'un gaz oxydant dans la section 18, radialement vers l'intérieur, au moyen des tuyaux et 92 tend à élever le niveau de turbulence dans la décharge gazeuse du brûleur pilote inférieur 16 à sa sortie et à accroître la réactivité des courants dans le second étage 20 du réacteur 10. En outre, en

agissant comme étrangleur dynamique des gaz envers l'écou-

lement provenant de la section pilote 16, les injecteurs radiaux favorisent le confinement de la combustion à l'intérieur du premier étage 12 du réacteur 10. Ces effets peuvent être considérés, du point de vue de la dynamique des gaz, comme "basculant" la couche limite

de l'écoulement et "pinçant" la masse de l'écoulement.

L'injection de gaz peut également permettre une augmen- tation de la production sans allongement du brûleur pilote 16, aide le

système de combustion à supporter les variations de pression du réacteur, et réduit les effets nuisibles de ces variations sur la stabilité

de la réaction.

Le second étage 20 du réacteur 10 est réalisé d'une façon quelque peu similaire à celle de la section pilote inférieure 16 du premier étage 12. Autrement

dit, le second étage 20 comprend une structure cylindri-

que creuse alignée coaxialement sur le premier étage 12 ayant un diamètre intérieur plus grand que le diamètre

de la section du brûleur pilote inférieur 16 ci-dessus.

Comme précédemment, ce brusque accroissement du diamètre provoque une action de déversement sur les constituants en réaction descendant dans le réacteur 10. Le matériau de charge à traiter est entraîné des magasins 66 de

stockage (voir figure 2) vers la section 22 d'alimenta-

tion et est injecté dans le second étage 20 en passant dans deux tuyaux 94 et 96, ou plus (ainsi qu'on peut

mieux le voir sur la figure 3). La section 22 d'alimen-

tation ou de charge est formée de parois cylindriques intérieure et extérieure entre lesquelles sont disposés

des éléments de circulation d'un fluide de refroidis-

sement. - La partie restante du second étage 20, à savoir le corps 98 du réacteur, est formée d'une ou

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plusieurs sections cylindriques creuses similaires 100 et d'une section de sortie 102. Chaque section 100 du

corps 98 du réacteur est constituée d'une paroi inté-

rieure 104, d'une paroi extérieure concentrique 106 et d'éléments 108 de circulation d'un fluide de refroi- dissement disposés entre les parois. Les parois 104 et 106 sont avantageusement réalisées en acier inoxydable

de la série 300 et en acier au carbone, respectivement.

* Un soufflet facultatif de dilatation (non représenté)

peut entourer chaque section 100.

La surface intérieure de la paroi intérieure 104 de chaque section 100 peut être suffisamment protégée pour supporter les effets des gaz effluents chargés de particules solides et fondues, à des températures pouvant dépasser 1750 C. Le dispositif destiné à faire circuler un fluide de refroidissement entre les parois 104 et 106 doit être capable d'extraire suffisamment

de chaleur des parois pour qu'il en résulte avantageuse-

ment la formation d'une mince couche protectrice de laitier solidifié sur la surface intérieure. Un procédé pour réaliser le réacteur consiste à fixer de nombreux goujons en alliage pour hautes températures à la paroi intérieure 104 afin de favoriser une transmission de la chaleur vers la chemise de refroidissement, et à prévoir un support mécanique supplémentaire pour la couche de laitier solidifié. En variante, la surface intérieure de la paroi intérieure 104 de chaque section peut être garnie d'un réfractaire 110 pour service

sous hautes températures (>2000 C), ce réfractaire pou-

vant être, par exemple, une matière plastique riche

en alumine, à l'oxyde de chrome, liée par un phosphate.

Le réfractaire 110 doit avoir pour propriétés de résister

au laitier fondu, aux métaux fondus, aux vapeurs métal-

liques, aux chocs thermiques et à l'abrasion, et il doit avoir une haute conductibilité thermique et une faible dilatation thermique. Le réfractaire 110 peut

également être utilisé avec les goujons mentionnés ci-

dessus, de façon à assumer la fonction d'une couche protectrice initiale qui est progressivement remplacée, en partie ou en totalité, par du laitier solidifié pen- dant le fonctionnement du réacteur. La section 102 de sortie est d'une construction similaire à celle des sections 100, mais elle est de forme conique et comprend une sortie 112 pour l'évacuation des produits de la

réaction se déroulant à l'intérieur du corps 98 du réac-

teur. On décrira à présent les étapes du procédé

de l'invention en se basant sur la description précé-

dente d'un réacteur et d'un dispositif de chargement

convenant à la mise en oeuvre du procédé de l'inven-

tion. La description englobe une explication portant

sur la dynamique des gaz qui semble intervenir à l'inté-

rieur du réacteur. En référence aux figures 2, 3 et

4 et en particulier à la figure 4, au démarrage du pro-

cédé, l'allumeur 29 produit, en utilisant des gaz oxy-

dants et un combustible hydrocarboné, une flamme suffisante pour préchauffer la section pilote supérieure 14, en

particulier les parois latérales 74, jusqu'à une tempé-

rature radiante, suffisante pour provoquer la mise à feu de l'écoulement initial du mélange combustible/air à son entrée dans la section pilote supérieure 14. Une fois que le processus de combustion (réaction du mélange combustible/air) est devenu auto-entretenu, l'allumeur 29 est retiré du circuit. Un gaz oxydant arrive par le tuyau 33 et est introduit à peu près radialement dans la section pilote supérieure 14 afin de provoquer un mélange intense des constituants, avec un certain

tourbillonnement, comme indiqué par la flèche 120. L'ac-

tion turbulente est utilisée pour produire un mélange convenable du combustible et du gaz oxydant afin de

2 591234

maintenir une inflammation auto-entretenue du mélange.

La combustion de la substance contenant un combustible avec le gaz oxydant commence dans la section pilote supérieure 14 et se poursuit dans la section pilote inférieure 16 située au-dessous. Bien que l'on ne souhaite être limité par

aucune théorie particulière portant sur le fonctionne-

ment, il semble qu'en entrant dans la section pilote inférieure 16, le courant de constituants en combustion ou brllés développe deux zones de recirculation. Une zone relativement faible est localisée centralement (cette zone étant connue comme étant la recirculation principale), comme représenté par les flèches 122 sur

la figure 4, et résulte d'un certain écoulement tour-

billonnant présent dans la section pilote supérieure 14. L'autre zone, relativement forte, est localisée dans une plage annulaire extérieure (connue sous le nom de recirculation secondaire), représentée par les flèches 124, et survient comme conséquence de

la séparation qui se produit au point d'expansion sou-

daine de l'écoulement, o le diamètre intérieur de la section pilote inférieure 16 est beaucoup plus grand

que le diamètre intérieur de la section pilote supé-

rieure 14. Ces zones de recirculation secondaire, carac-

térisées par un écoulement stabilisé à tourbillon annu-

laire, sont à la base de "l'écoulement de déversement"

au sens de la dynamique des gaz et constituent la signi-

fication à donner à l'expression "écoulement de déverse-

ment" ou "action de déversement" utilisée ici. Ces zones

de recirculation sont apparues être de forme essentiel-

lement torofdale et commencent en aval de la zone de

brusque expansion, en un point de recollement fluidi-

que (ou gazeux) à la paroi latérale située en aval, tel que déterminé par un certain nombre de propriétés

physiques du mélange en réaction.

Les points 126 de la figure 4 correspondent aux points de recollement gazeux relatifs dans la section

pilote inférieure 16. Par conséquent, une zone de combus-

tion stable résulte principalement de l'écoulement de déversement des constituants dans la section pilote inférieure 16 et, à un degré moindre, de l'action de

tourbillonnement établie dans la section pilote supé-

rieure 14. Le mélange combustible/gaz oxydant en combus-

tion passe ensuite dans la section 18 d'injection de

gaz o il subit les effets de "pincement" et de "bascu-

lage" du gaz injecté par les tuyaux 90 et 92, comme décrit précédemment, et se dirige vers la sortie de la section pilote inférieure 16; ces effets semblent contribuer également à la stabilisation de la flamme

dans la section pilote inférieure 16. Au moment o l'écou-

lement des constituants atteint cette sortie, la combus-

tion de la substance contenant du combustible est prati-

quement achevée.

Le diamètre intérieur du second étage 20

du réacteur 10 est suffisamment plus Grand que le dia-

mètre intérieur de la section pilote inférieure 16 pour provoquer l'établissement, dans le second étage 20,

d'une zone de recirculation secondaire pour les consti-

tuants en réaction. La matière de charge à traiter est introduite dans le second étage 20 par les tuyaux 94

et 96 disposés dans la section 22 d'alimentation. L'injec-

tion a lieu dans une zone de recirculation secondaire, représentée par des flèches 128, qui résulte du brusque accroissement de la section d'écoulement à l'interface entre les premier et second étages 12 et 20 du réacteur

10. D'autres zones de recirculation principale, repré-

sentées par les flèches 130, peuvent exister à l'inté-

rieur du noyau central de l'écoulement par suite du

tourbillon résiduel provenant de la section pilote supé-

rieure. Les points 132 indiquent les points de recol-

lement gazeux relatifs dans le second étage 20. Par

conséquent, ces phénomènes définissent une zone de réac-

tion stable du point de vue dynamique, qui semble exister

dans le second étage 20.

L'explication précédente de la dynamique des gaz qui semble régner à l'intérieur du réacteur est basée en partie sur des principes bien établis de la dynamique des gaz et en partie sur des observations réelles, comprenant l'observation des profils d'usure

du réfractaire à l'intérieur du réacteur. 10 et de l'écou-

lement ascendant de particules solides le long des parois du réacteur, à contre-courant de l'écoulement descendant

prépondérant dans le réacteur.

Les matières en réaction se dirigent ensuite vers le fond du corps 98 du réacteur qu'elles quittent

par la sortie 112 pour entrer dans les étages de sépara-

tion illustrés sur la figure 1.

EXEMPLES

Le procédé et l'appareil selon l'invention

seront développés davantage dans les exemples non limi-

tatifs suivants. En référence à la figure 3, le réacteur peut avoir, par exemple, les caractéristiques et dimensions suivantes:

DIMENSIONS D'UNE INSTALLATION PILOTE

Section Diamètre inté- Longueur rieur Premier étage (12) --- 119,38 cm

Section pilote supé-

rieure (14) 15,24 cm 38,10 cm

Section pilote infé-

rieure (16) 25,4 cm 63,5 cm Section d'injection de gaz (18) 25,4 cm 17,78 cm Second étage (20) --- 327,66 cm Injection d'alimentation (22) 45,72 cm 22,86 cm

Sections du réacteur (100)-3 45,72 cm 91,44 cm-

c.à.d 274,32 cm Transition (102) 45,72x25,4cm 30,48 cm conique, effilé

2 5 9 1 2 3 4

En outre, dans le réacteur 10, la dimension de l'épaulement (qui est la distance radiale comprise entre la paroi intérieure d'un passage d'écoulement cylindrique d'amont et la paroi intérieure d'un passage d'écoulement d'aval adjacent) entre la section pilote supérieure 14 et la section pilote inférieure 16 était de 5,08 cm et entre la section pilote inférieure 16

et la section 24 du réacteur de 10,16 cm.

EXEMPLE 1

Pour illustrer plus complètement le procédé

de l'invention, on donne l'exemple suivant d'installa-

tion pilote destinée au traitement du laitier d'un haut-

fourneau à plomb pour la récupération du plomb et du

zinc intéressants dans un produit oxydé et pour la production d'un lai-

tier final non toxique pour l'environnement. Les composi-

tions de charge sont données dans le tableau I. Des fines de charbon sont injectées avec de l'air dans la section pilote supérieure 14 o elles se mélangent et s'enflamment avec un courant d'air

enrichi en oxygène (ou avec un mélange de 02 et de N2).

Le mélange réactionnel chaud, riche en combustible, continue de réagir dans la section pilote inférieure 16 et davantage d'air enrichi en oxygène est injecté à la section 18 d'injection de gaz. Au sommet du second étage 20, deux courants séparés de laitier pulvérisé et brut de haut-fourneau sont injectés avec de l'azote (ou en variante avec de l'air) à la section 22 de charge au moyen de tubes diamétralement opposés, dans le mélange réactionnel chaud, riche en combustible, afin que le

laitier se mélange, réagisse et fonde complètement.

Le zinc et le plomb sont extraits du laitier par réduc-

tion en vapeurs métalliques, à des températures de 1300-

2000 C, et la gangue et les cendres de charbon qui res-

tent fusionnent pour former un laitier fondu. Les charges

solides et gazeuses sont régulées pour établir la composi-

tion et la température gazeuses souhaitées, mesurées en sortie du réacteur, à savoir CO/C02 = 0,6 et 1410 C

pour la température. Les compositions des produits résul-

tants sont données dans le tableau II.

TABLEAU I

Composition de la charge Laitier pulvérisé et brut Charbon pulvérisé (% en (% en poids) poids) Pb 2,0 Zn 10,9

C 0,1

S 1,8

Fe 26,3 Valeurs définitives Si 12,4 Ca 7,7 Mg 3,6 Al 2,4 Granulométrie: 73 % < 0,074 mm

C 78,0

t

H20 2,1

H2 Hz 5,0 N2

N2 11,5

S 1,1

Valeurs approchées

V.M. 38,1

Cf 52,7 32,3.106 J/kg (tel que reçu) Cen- dres 7,0 02 (par diff) 5,3 granulométrie: 72 % <0,074 mm

TABLEAU II

Débits de charge Charbon

Laitier de haut-

fourneau à plomb Oxydant total 6,90 kg 19,93 kg Injection de charbon

Oxydant dans la sec-

tion pilote supé-

rieure Oxydant dans la chambre d'injection de gaz Injection de laitier 0, 41 t/h 1,19 t/h 17,81 m3/min (44,8 % de 02) 1,73 m3/min (air) 9,60 m3/min (73,2 % de 02) 3,65 m3/min (16,3 % de 02) 2,83 m3/min (100 % de N2)

2 591234

Les débits donnés en m3/min s'entendent

dans des conditions normales de température de pression.

Conditions dans le réacteur Température 1410 C Rapport COC/02 0,59 Composition des gaz résiduels du réacteur (% en volume sec)

CO 15,0 N 54,5

CO2 25,5 02 0,3

H2 4,6

Rendement en carbone 81 % Débits des produits Oxyde brut 3,86 kg 0,23 t/h Laitier produit 17,71 kg 1,06 t/h Compositions des produits (% en poids) Récupération (%) Oxyde brut Laitier* Sur l'oxyde Sur le laitier Zn 45,6 2, 4 80,4 19,6 Pb 9,3 0,11 95,3 4,7

*Le laitier a été considéré/ comme non dange-

reux au test EPA de toxicité des résidus solides.

EXEMPLE 2

Une autre illustration du procédé de l'inven-

tion peut être trouvée dans le traitement effectué dans l'installation pilote décrite ci-dessus, ce traitement portant sur des fumées générées pendant des opérations d'élaboration de l'acier effectuées dans un four à arc électrique (FAE). Dans ce processus de traitement, du zinc et du plomb intéressants sont récupérés dans un produit constitué d'oxyde brut et on produit un laitier non dangereux pour l'environnement. Les compositions des charges sont données ci-dessous dans le tableau III. De la poussière de coke pulvérisé est injectée avec de l'air dans la section pilote supérieure 14, o elle se mélange et s'enflamme avec un courant d'air enrichi en oxygène (ou un mélange N2, 02). Le mélange

réactionnel chaud riche en combustible continue de réa-

gir dans la section pilote inférieure 16, et on injecte davantage d'air enrichi en oxygène à la section 18 d'in-

jection de gaz. Au sommet du second étage 20, deux cou-

rants séparés de poussière de four à arc sont injectés avec de l'air (ou N2) à la section de charge 22 au moyen

de tubes diamétralement opposés, dans le mélange réac-

tionnel chaud, riche en combustible, afin de produire un mélange, une réaction et une fusion complets. Le zinc et le plomb sont extraits de la poussière de four

à arc par réduction en vapeurs métalliques, à une tempé-

rature de 1300 à 2000 C, et la gangue et les cendres de charbon restantes fusionnent pour former du laitier fondu. Les charges solides et gazeuses sont régulées pour donner en sortie du réacteur la composition gazeuse souhaitée, à savoir CO/C02 = 0,27, et la température de

1680 C. Les débits de charge et de produit, les composi-

tions et les récupérations de produits sont donnés dans

le tableau IV.

TABLEAU III

Composition de la charge Poussière de four Poussière de coke à arc Zn 12, 2 % Ct 83,2 % Pb 1,64 % VM 3,0 % Cd 0,097 % H20 0,4 % Fe 39,0 % Cendres 11,8 % Si 1,74 % 27,7.106 J/kg Al 0,40 % S 1,0 Cr 0,76 % Granulométrie 70 %< 0,074 mm Ca 3,64 % Granulométrie 100 %/3,18 mm

259 1234

TABLEAU IV

Débits de charge Poussière de coke Poussière de four à arc Oxydant total Injection de coke Oxydant dans la section pilote supérieure Oxydant dans la

chambre d'injec-

tion de gaz Injection de 9,31 kg/min 24,20 kg/min 0,56 t/h 1,45 t/h 21,98 m3/min

(54,3 % 02)

1,56 m3/min (air) 8,13 m3/min

(67,2 % 02)

,48 m3/min

(54,7 % 02)

poussière 1,81 m3/min (air) Les débits en m3/min sont donnés dans des

conditions normales de température et de pression.

Conditions dans le réacteur Température 1680 C Rapport CO/C0O2 0,27 Gaz résiduels du réacteur (% en volume sec)

CO 11,6 N 41,7

C02 42,5 02 0,3

H2 3,5

Rendement en carbone 97 % Débits de produits Oxyde brut 6,36 kg/min 0,38 t/h Laitier 19.52 ke/min 1.17 t/h * _ w _ _ O

2 5 9 1 234

Compositions des produits (% en poids) Récupérations (%) Oxyde brut Laitier* En- En oxyde laitier* Zn 35,4 2,4 80 Pb 6,5 0,3 86 Cd 0,79 0,005 97 Fe 7,5 43,9 94 Si 1,2 3,1 90 Ai 0,53 3,9 95 Cr 0,17 1,3 93 Ca 0,92 4,1 93

*Le laitier a été considéré comme non dange-

reux au test EPA de toxicité des résidus solides.

EXEMPLE 3

Un troisième exemple d'installation pilote est donné pour le traitement des charges combinées de formations secondaires de zinc de basse qualité et de laitier de haut-fourneau à plomb. Le zinc et le plomb intéressants sont récupérés sous forme d'un oxyde

brut par le procédé de la présente invention; ce pro-

duit peut être plus aisément soumis à des traitements de production de zinc que des produits secondaires de basse qualité. Le laitier de hautfourneau à plomb se

comporte comme un fondant pour les constituants de lai-

tier à haut point de fusion présents dans les produits

secondaires, et il les élimine en tant que résidus soli-

des pouvant être dangereux. Les compositions des charges

sont données dans le tableau V ci-dessous.

On injecte des fines de charbon avec de l'air dans la section pilote supérieure 14 o elles

se mélangent et s'enflamment avec un courant d'air en-

richi en oxygène (ou un mélange 02, N2). Le mélange réac-

tionnel chaud, riche en combustible, continue de réagir

dans la section pilote inférieure 16 et on injecte davan-

tage d'air enrichi en oxygène dans la section 18 d'injec-

tion de gaz. Au sommet du second étage 20, des courants séparés constitués de produits secondaires de zinc de basse qualité et d'un laitier de haut-fourneau à plomb (tous deux pulvérisés), sont injectés avec de l'azote (ou avec de l'air) dans la section 22 d'injection de charge au moyen de tubes diamétralement opposés, dans le mélange réactionnel chaud, - riche en combustible, afin de- produire un mélange, une réaction et une fusion

complets. Le zinc et le plomb sont extraits des maté-

riaux de charge par réduction en vapeurs métalliques, à des températures de 1300 à 20000C, et la gangue et les cendres de charbon restantes fusionnent pour former du laitier fondu. Les charges solides et gazeuses sont régulées afin que l'on obtienne en sortie du réacteur la composition gazeuse souhaitée de GO/CO2 = 0,19 et la température souhaitée et mesurée de 1620 C. Les débits de charge et de produit, ainsi que les compositions et les récupérations des produits sont donnés dans le

tableau VI.

TABLEAU V

Compositions de charge (% en poids) Produits secondaires Laitier de de zinc de basse qualité haut-fourneau Charbon à plomb Zn 36,4 Zn 10,9 Ct 78, 0 Ct Pd 2,03 Pb 2,0 VM 18,1 Cd 0,014 Fe 26,3 H20 2,1 Fe 6,6 Si 12,4 Cendres 7,0 Si 3,4 Al 2,4 S 1,1 Al 9,6 Ca 7,7 32,3.10 J/kg

Ca 0,59 Mg 3,6 Granulomé-

trie 70% C 0,074 mm Mg 0,39

C 4,57

S 0,18

Granulométrie: % /0,074 mm

C 0,1

S 1,8

Granulométrie: % <0,074 mm

TABLEAU VI

Débits de charge Charbon 6,36 kg/min 0,38 t/h

Produits secon-

daires de zinc de basse qualité 11,44 kg/min 0,68 t/h

Laitier de haut-

fourneau à plomb 11,53 kg/min 0,69 t/h Oxyde total 16,68 m3/min (57,8 % deO2) Injection de charbon.1,70 m3/min (air) Oxydant dans la section 9,80 m3/min pilote supérieure (82,7 % de 02) Oxydant dans la chambre 2,38 m3/min d'injection de gaz (50 % de 02) Injection produits secon- 2,80 m3/min daires/laitier (100 % de N2) Les valeurs de m3/min sont données dans

des conditions normales de température et de pression.

Conditions dans le réacteur Température 1620 C Rapport CO/C02 0,19 Composition des gaz résiduels du réacteur (pourcentage en volume sec)

CO 8,2 N2 43,8

CO2 43,8 02 0,3

H2 3,8

Rendement en carbone 90 % Débits de produit Oxyde brut 8,63 kg/min 0,52 t/h Laitier produit 15,89 kg/min 0,95 t/h Compositions des produits (% en poids) Récupérations (%) Oxyde brut Laitier En En oxyde laitier Zn 62,8 3, 9 89 Pb 5,7 0,15 95 Fe 1,8 24,6 96 Si 1,3 11,4 94 Al 1,4 8,55 94

EXEMPLE 4

Un quatrième exemple d'installation pilote

est présenté pour le traitement d'un résidu de purifica-

tion dans une installation de production électrolytique de zinc, ce résidu étant riche en cobalt, en nickel et en cuivre. Le procédé de l'invention récupère un alliage Co-Ni-Cu commercialisable par élimination du zinc, du plomb et du cadmium qui sont eux-mêmes récupérés sous forme d'un oxyde brut. Les compositions des charges

sont données dans le tableau VII.

Des fines de charbon sont injectées avec de l'air dans la section pilote supérieure 14 o elles

se mélangent et s'enflamment avec un courant d'air enri-

chi en oxygène (ou un mélange 02, N2). Le mélange chaud, riche en combustible, continue de réagir dans la section

pilote inférieure 16 et on injecte davantage d'air en-

richi en oxygène à la section 18 d'injection de gaz.

Au sommet du second étage 20, on injecte deux courants séparés de résidus Co-Ni-Cu pulvérisés, avec de l'azote (ou avec de l'air) dans la section 22 d'injection de charge au moyen de tubes diamétralement opposés, ces injections s'effectuant dans le mélange réactionnel chaud, riche en combustible, pour produire un mélange, une réaction et une fusion complets. Le zinc, le plomb et le cadmium sont extraits des résidus par réduction en vapeurs métalliques, à des températures de 1300-2000 C, et l'alliage Co-Ni-Cu restant, avec une faible quantité de cendres de charbon, fusionne dans le courant d'alliage produit fondu. Les charges solides et gazeuses sont régulées afin que l'on obtienne, mesurées à la sortie du réacteur, une composition gazeuse souhaitée CO/C02 = 0,26 et une température souhaitée = 1690 C. Les débits

de charge et de produit, et les compositions et récupéra-

tions de produits sont donnés dans le tableau VIII.

TABLEAU VII

Composition de charge (% en poids) Résidus Co-Ni-Cu Charbon Co 6,2 C 78,0 t Ni 4,4 VM 38,1 Cu 10,1 H20 2,1 Zn 17,5 Cendres 7,0 Pb 15,6 S 1,1 Cd 4,4 J/kg 32,33.106 Granulométrie: Granulométrie: % <3,18 mm 70 % <0,074 mm

TABLEAU VIII

Débits de charge

Charbon 8,40 kg/min 0,50 t/h -

Résidus 18,16 kg/min 1,09 t/h Oxydant total 19,03 m3/min (57,7 % de 02) Injection de charbon 1,81 m3/min (air) Oxydant dans la section 11,70 7n/min pilote supérieure (73 % de 02) Oxydant dans la chambre 1,81 m3/min d'injection de gaz (69 % de 02) Injection de résidus 3,45 m3/min (100 % de N2) Les valeurs en m3/min sont données dans

* des conditions normales de température et de pression.

Conditions dans le réacteur Température 1690 C Rapport.CO/02 0,26 Composition des gaz résiduels du réacteur (% en volume sec)

CO 10,2 N2 59,4

C02 47,5 02 0,3

H2 - 2,8

, Débits de produit Alliage Co-Ni-Cu 6,17 kg/min 0,37 t/h Oxyde brut 9,76 kg/min 0,58 t/h Compositions des produits (% en poids) Récupérations (%) Alliage Oxyde En En alliage oxyde Co 13,7 1,0 90 Ni 12,3 0,73 91 Cu 24,4 3,2 83 Zn 3,2 37,0 94 Pb 2,2 29,4 95 Cd 0,008 7,9 99 Le dimensionnement des sections du réacteur dépend principalement du temps de séjour nécessaire

aux particules de charge dans chaque section pour attein-

dre le degré souhaité d'achèvement des réactions chimi-

aues et de fusion de la gangue. Un facteur secondaire, mais important, est le rôle de la recirculation qui

se produit conformément aux principes connus de la dyna-

mique des gaz, lorsque les gaz chauds s'expansent en passant d'une section à la section immédiatement suivante en descendant le long du réacteur. La recirculation a pour effet sur l'efficacité du réacteur d'achever

sensiblement les réactions en temps voulu; par consé-

quent, trois critères généraux sont à considérer pour la construction d'une installation à plus grande-échelle: (a) l'établissement d'un temps de séjour

suffisant dans le réacteur pour que les particules arri-

vent au degré souhaité d'achèvement des réactions chimi-

ques et de fusion de la gangue par réglage du diamètre/de la section transversale et si possible de la longueur proportionnellement à l'accroissement de la production; (b) l'établissement d'une recirculation suffisante dans le réacteur (par exemple en maintenant le même rapport de la largeur des épaulements au diamètre de la section amont); et (c) le respect d'une longueur minimale pour assurer un recollement gazeux des zones de recirculation,

cette longueur étant estimée, par la théorie de la dyna-

mique des gaz, comme étant égale à au moins cinq fois

la dimension de l'épaulement entre sections.

On a déterminé le temps de séjour en mesurant la température des gaz du réacteur, en calculant les

volumes des gaz sur la base d'une analyse des gaz pré-

sents dans le réacteur, puis en calculant la vitesse dans le réacteur. On peut également supposer qu'il est possible d'utiliser une thermochimie d'équilibre pour estimer l'achèvement des réactions et les volumes et les températures des gaz dans le réacteur. On peut alors

déterminer la longueur du réacteur en calculant la vites-

se des gaz dans le réacteur et en estimant le temps de séjour nécessaire pour l'achèvement des réactions

au degré souhaité.

Un exemple d'agrandissement d'échelle pouvant être- présenté porte sur le passage d'un réacteur de l'échelle sub-pilote à l'échelle pilote, ce qui multiplie approximativement par deux ou trois la production du réacteur avec un accroissement du diamètre de 50 %: Sub-pilote Pilote Rapport

pilote/sub-

pilote

Diamètre de la sec-

tion pilote supé- rieure

Longueur de la sec-

tion pilote supé-

rieure

Diamètre de la sec-

tion pilote infé-

rieure

Longueur de la sec-

tion pilote infé-

rieure

Diamètre du réac-

teur

Longueur du réac- teur Aire de la section du réacteur Débit de charge du réacteur Temps de

séjour pilote Temps de séjour dans le réacteur Vitesse dans le réacteur

Dimension de l'épau-

lement pilote supé-

rieur/pilote infé-

rieur

Dimension de l'épau-

lement pilote infé-

rieur/réacteur

% du diamètre épau-

lement à réacteur Il va de 7,62 cm 22,86 cm ,24 cm 71,12 cm 38,68 cm 2,13 m 7,34 dr? ,90 kg/ min 18 ms ms ,65 m/s 3,81 cm 7,62 cm soi que de ,16 cm 38,10 cm ,4 cm 81,28 cm ,72 cm 2,7 m 16,44 dm2 ,43 kg/ min 21 ms ms 13,72 m/s 1,33 1,67 1,67 1,14 1,50 1,29 2,25 3,5 1,2 1,0 1,29 7,62 cm 2,0 ,16 cm nombreuses 1,33 0,88 modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil décrits

et représentés sans sortir du cadre de l'invention.

2 591234

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour le traitement pyrométallur-

gique de minerais, concentrés, résidus, laitiers et matériaux analogues finement divisés, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire dans une première chambre verticale (12) des gaz réactionnels chauds, riches en combustible, à introduire ces gaz réactionnels chauds

et riches en combustible, par un écoulement de déverse-

ment, dans une seconde chambre verticale (20), à intro-

duire dans cette seconde chambre verticale les matériaux

finement divisés à traiter, et à faire réagir les maté-

riaux finement divisés avec les gaz réactionnels chauds

et riches en combustible.

2. Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que les gaz réactionnels chauds, riches en combustible, sont obtenus par formation d'un mélange réactionnel d'une substance contenant un combustible et d'un gaz oxydant à l'intérieur de la première chambre, et réaction substantielle du mélange à l'intérieur de

la première chambre, sous des conditions riches en com-

bustible.

3. Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que l'écoulement par déversement des gaz réactionnels chauds, riches en combustible, pénétrant dans la seconde chambre résulte de la présence d'une zone de brusque expansion dans le passage d'écoulement

de la première vers la seconde chambre.

4. Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que les matériaux finement divisés à traiter

sont introduits vers l'intérieur dans la seconde chambre.

5. Procédé selon la revendication 2, carac-

térisé en ce qu'il consiste en outre à établir au moins une zone d'écoulement de déversement à l'intérieur de

la première chambre.

6. Procédé selon la revendication 5, carac-

térisé en ce que la zone d'écoulement par déversement dans la première chambre est obtenue par la formation

d'une zone de brusque expansion dans le passage d'écoule-

ment de la première chambre.

7. Procédé selon la revendication 6, carac-

térisé en ce qu'il consiste en outre à introduire un gaz oxydant dans la première chambre en aval de la zone

d'écoulement par déversement dans cette chambre.

8. Procédé selon la revendication 2, carac-

térisé en ce que le mélange réactionnel est formé à l'intérieur de la première chambre par introduction de ladite substance contenant un combustible, vers le bas, et introduction dudit gaz oxydant sensiblement radialement pour produire une action de mélange turbulent

sur ledit mélange réactionnel.

9. Procédé selon la revendication 2, carac-

térisé en ce que le mélange réactionnel est formé dans la première chambre par introduction de ladite substance contenant un combustible sensiblement/ radialement et par introduction du gaz oxydant vers le bas pour produire

une action de mélange turbulent sur ledit mélange réac-

tionnel.

10. Procédé selon la revendication 2, carac-

térisé en ce que la substance contenant un combustible est enflammée dès son introduction dans la première chambre.

11. Procédé pour le traitement pyrométallur-

gique de minerais, concentrés, résidus, laitiers et autres matériaux finement divisés, caractérisé en ce qu'il consiste à former un mélange réactionnel d'une substance contenant un combustible et d'un gaz oxydant dans une première chambre verticale (12), à faire réagir sensiblement le mélange, à l'intérieur de la première chambre, pour donner des produits réactionnels chauds, riches en combustible, à établir dans la première chambre

au moins une zone d'écoulement par déversement, à intro-

duire un gaz oxydant dans la première chambre en aval de ladite zone d'écoulement par déversement, à faire passer par écoulement par déversement lesdits produits réactionnels chauds, riches en combustible, dans une seconde chambre verticale (20), à introduire dans cette seconde chambre les matériaux finement divisés à traiter, et à faire réagir les matériaux finement divisés avec

les produits réactionnels chauds, riches en combustible.

12. Appareil de réaction à utiliser dans le traitement pyrométallurgique d'un matériau finement divisé, caractérisé en ce qu'il comporte une structure cylindrique s'étendant verticalement formant des premier

et second étages en série, le premier étage (12) compor-

tant une section (14) de mélange turbulent alimentant une section (16) de déversement dont la sortie alimente ledit second étage (20) qui présente une sortie pour le matériau traité, des moyens (46, 42) étant accouplés

au premier étage pour y introduire une substance conte-

nant un combustible et un gaz oxydant afin de produire sensiblement à l'intérieur du premier étage un mélange

réactionnel chaud, riche en combustible, pour le traite-

ment du matériau, et des moyens (68) étant destinés à introduire ledit matériau à traiter dans le second étage pour qu'il réagisse avec le mélange réactionnel chaud, riche en combustible, afin de donner un matériau

traité qui s'évacue par la sortie du second étage.

13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens accouplés au premier étage comprennent une entrée (72) disposée au sommet du premier étage afin d'introduire dans ce premier étage ladite substance contenant un combustible, et une entrée

(33) disposée sur le côté du premier étage afin d'intro-

duire ledit gaz oxydant pour communiquer une action de mélange turbulent sur le mélange combustible/gaz

oxydant résultant.

14. Appareil selon la revendication 12,

caractérisé en ce que la section de déversement du pre-

mier état comprend une structure cylindrique creuse ayant un diamètre suffisamment plus grand que le diamètre de la section de mélange turbulent pour permettre aux constituants réactionnels présents dans la section de

déversement de former au moins une zone de recirculation.

15. Appareil selon la revendication 12, carac-

térisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (60) adjacents à la sortie de la section de déversement et destinés à injecter un gaz vers l'intérieur dans la

section de déversement.

16. Appareil selon la revendication 12,

caractérisé en ce que le second étage comprend une struc-

ture cylindrique creuse ayant un diamètre suffisamment plus grand que le diamètre de la section de déversement du premier étage pour permettre à des gaz chauds entrant dans le second étage de former au moins une zone de recirculation dans le second étage pour les constituants réactionnels.

17. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens destinés à introduire le matériau à traiter comprennent au moins une entrée (94) adjacente au sommet du second étage pour l'injection du matériau vers l'intérieur par rapport à la structure

cylindrique du second étage.