Brevet FR2186524A1 — publié le 19740111

La présente invention concerne la production en continu de réducteurs gazeux composés d'hydrogène ou d'un mélange d'hydrogène et d'oxyde de carbone. On sait que lorsque l'on amène un hydrocarbure en contact intime avec du fer fondu ou un alliage de fer, cet hydrocarbure est pratiquement décomposé dans sa totalité en ses éléments constitutifs, c'est à dire en carbone et en hydrogène. L'hydrogène gazeux se dégage et le carbone libéré se dissout dans le métal fondu. Si l'on insuffle ensuite dans le métal carburé un gaz oxydant comme l'air, l'oxygène ou leur mélange, le carbone dissout par le métal fondu est oxydé en formant un mélange dioxyde de carbone. Cette réaction est exothermique à l'inverse de la réaction de décomposition de l'hydrocarbure.On voit que selon ce processus on obtient dans un premier temps de l'hydrogène et dans le deuxième temps de l'oxyde de carbone CO. I1 est bien entendu possible de mettre en oeuvre toute une série d'"unités" dont une partie est en phase de décomposition et une partie en phase oxydation et de mélanger les gaz receuil lis. On comprend cependant que cette multiplication de l'appareillage est cot- teuse et exige une surface d'implantation importante. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient et de fournir un procédé et un appareil pour produire en continu un réducteur gazeux constitué soit par de l'hydrogène soit par un mélange hydrogène et co. A cet effet la présente invention a pour objet un procédé pour produire en continu un réducteur gazeux constitué d'hydrogène ou d'un mélange d'hydro. gène et d'oxyde de carbone par injection d'hydrocarbure et d'oxygène dans un bain de fer ou d'alliage de fer fondu. Selon le procédé, on injecte dans une partie du bain un produit "hydrocarbonét - c'est à dire renfermant de lthydro~ gène et du carbone - sous forme gazeuse, liquide ou à l'état solide sous forme de poudre et dans une autre partie du bain on injecte de l'oxygène et on provoque un pompage du métal fondu tout en fournissant a' ce dernier un apport de calories par l'intermédiaire des moyens de pompage. Selon une variante de l'invention on injecte de l'oxygène et du fuel dans la partie du bain où l'on décarbure le métal.L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé constitué d'un récipient divisé en deux encein- tes verticales de forme allongée réunies entre elles par au moins un conduit et mises en communication par leur partie inférieure au moyen d'un chenal chauffant électromagnétique. Ce dispositif comprend également des tuyères pour insuffler l'hydrocarbure dans une enceinte et une autre série de tuyères pour insuffler à la fois de l'oxygène ou l'oxygène et l'hydrocarbure dans l'autre enceinte. En outre, le dispositif est équipé d'un ensemble de fermeture étanche pour receuillir isolément ou mélanger les gaz produits.On comprend que selon l'invention on procède à l'insufflation simultanée de l'hydrocarbure et de l'oxygène, ce qui permet de receuillir contintment et à volonté un réduc teur gazeux composé d'hydrogène ou un mélange d'hydrogène et d'oxyde de carbone. Ceci est rendu possible par le fait que l'on effectue ces injections dans des volumes séparés de métal liquide ne communiquant que par des conduits de faible section disposés dans la masse de métal liquide afin d'éviter des interactions entre gaz au sein du métal.Le principe de fonctionnement est le suivant : dans la partie de métal où l'on injecte lthydrocarbure, il y a décomposition de ce dernier en carbone et en hydrogène, ce qui conduit à une carburation du métal et un dégagement d'hydrogène sous forme de bulles à travers le métal, selon la réaction 1 i C H n C + 2 n H2 - ~ Q cal 4 métal Dans l'autre partie du métal où l'on injecte de l'oxygène avec ou sans hydrocarbure il y a oxydation du carbone en CO qui se dégage sous forme de bulles selon le schéma réactionnel suivant En se reportant aux réactions écrites ci dessus, on se rend compte qu'il est possible de "régénérer" le métal carburé dans la mesure où l'on assure une circulation du métal liquide d'une zone vers l'autre et réciproquement. On re marque par ailleurs que l'une des réactions est endothermique et que l'autre est exothermique, d'où une certaine compensation thermique. Selon l'invention, on assure la circulation du métal au moyen de deux conduits dont l'un est constitué par un chenal électromagnétique chauffant. Cette particularité permet de fournir au métal un appoint de calories pour compenser les pertes qui pourraient déséquilibrer le bilan thermique global. L'invention sera d'ailleurs mieux comprise grâce à la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif en regard de la planche de dessin sur laquelle la figure unique représente schématiquement un dispositif de production de gaz réducteur. En se reportant à la figure, on voit que le dispositif est constitué de deux compartiments 1 et 2 de forme allongée dont les parois sont constituées par un revtement réfractaire 3 et une cuirasse métallique non représentée. Ces compartiments sont mis en communication à leur base par un conduit 4 et par leur fond au moyen d'un chenal électromagnétique 5. Le conduit 4, outre qu'il favorise ltéchange entre les compartiments, assure le bouchage du circuit magnétique. A l'intérieur de ce chenal on a représenté en 6 la cavité dans laquelle est logé l'inducteur 7. Le compartiment 1 est équipé dans sa paroi de dispositifs d'injection d'hydrocarbure 8 représentés ici au nombre de trois. En pratique, le nombre d'injecteurs peut être moindre ou plus élevé selon la taille de l'appareil. Le compartiment 2, quant à lui, reçoit des tuyères 9 permettant d'inJecter de l'oxygène par le conduit central 10 et de lthydrocar~ bure par le conduit périphérique 11. Comme pour les injecteurs d'hydrocarbure du compartiment l, le nombre de ces tuyères peut être adapté aux dimensions de l'appareil. En ce qui concerne les injecteurs comme les tuyères, il est nécessaire que ces dispositifs soient suffisgrm^~t é'cignés du fond du récipient pour éviter la formation de bulles dans la partie basse du bain de métal. En effet, le chenal électromagnétique n'a un fonctionnement correct que si le métal qui le parcourt ne renferme aucune formation gazeuse.Pour éviter cet effet néfaste, les tuyères ou injecteurs inférieurs sont situés à environ 60 cm au dessus du fond des enceintes. Par ailleurs, dans l'exemple, les tuyères et injecteurs sont disposés latéralement, mais il est également possible sans autre adaptation de les placer dans le fond des enceintes de manière à procéder à une injection par le fond. La disposition doit alors 8tre telle que lton évi- te également la circulation de métal contenant du gaz dans le chenal. Le dispositif est complété par deux couvercles 12 et 13 coiffant respectivement chacun des compartiments 1 et 2. Ces couvercles comportent des conduits d' évacua- tion 14 et 15 des gaz produits et sont appliqués de façon étanche sur les parois des compartiments 1 et 2 gracie à des joints 16.Enfin, en fonctionnement, les deux compartiments sont remplis de métal liquide, par exemple un alliage Fe-C, dont la température est voisine de 14000C pour 2 gaz On va maintenant expliquer le fonctionnement de l'installation selon le procédé objet de I1 invention. Lorsque les compartiments sont pleins de métal on insuffle par les injecteurs 8 un hydrocarbure qui contient par exemple 80 ffi de carbone et 20 % d'hydrogène. Comme il a été dit plus haut, cet hydrocarbure est décomposé en ses éléments, le carbone passant dans le métal et l'hydrogène se dégageant sous forme de bulles. En pratique on constate d'ailleurs, du fait de ce dégagement, la formation d'une émulsion métal gaz au dessus du métal liquide. Dans ces con ditions on receuille 33,6 N 2 d'hydrogène par kilomole de carbone et la tem- pérature s'abaisse. Simultanément, on injecte par les tuyères du compartiment 2 un mélange d'oxygène et d'hydrocarbure afin de compenser l'introduction de carbone par l'oxydation d'une quantité équivalente de cet élément. L'injection périphérique d'hydrocarbure n'est destinée qu'à assurer la protection des tuyères contre l'usure par oxydation selon une technique bien connue. On injecte donc, en théorie 11,2 Nm3 d'oxygène dans le bain et 1 kg d'hydrocarbure de protection. Cet hydrocarbure, de même que cela se passe dans le compartiment 1, est décomposé en ses éléments et fournit notamment 2,2 Nm3 d'hydrogène. L'oxydation du carbone fournit, quant à elle, 22,4 Nm3 de CO par kilomole de carbone. Toutefois, en pratique, il convient d'accroitre la quantité d'oxygène injecté afin d'oxyder le carbone provenant de l'hydrocarbure de protection, sinon on aboutirait à un enrichissement continu en carbone. L'oxydation de ce carbone fournit environ 1,34 Nm5 de CO.En définitive, pour 1 kilomole de carbone à oxyder, on recueille, dans les conditions exposées ci dessus, un mélange constitué de 23,74 Nm3 de CO et 2,24 Nm3 d'hydrogène, soit au total environ 25 Nm3 de gaz. De même que dans le compartiment 1 il se forme également une émulsion gaz métal à la surface du métal liquide. On remarquera également que les volumes de gaz recueillis ne sont pas identiques puisqu'ils sont respectivement de 33,6 Nm3 dans le compartiment 1 et de 25 Nm3 dans le compati ment 2. Par ailleurs, on comprend facilement que le procédé ne peut fonctionner en continu que dans la mesure où l'on peut assurer le renouvellement du métal d'un coEpartiment à 11 autre. Une telle circulation est réalisée au moyen du conduit inerte 4 et du chenal électromagnétique 5. On peut en effet orienter le champ magnétique de telle façon qu'il favorise la circulation d'un compartiment vers l'autre. Il importe cependant que ce sens de circulation ne contrarie pas celui qui s'établirait nornrrlement dans le conduit 4 dans le sens de 2 vers 1 en raison de la différence de densité entre les deux parties du bain métallique provoquée par le dégagement de quantités de gaz inégales.La direction du champ magnétique doit donc Entre choisie pour que le-métal circule, dans le chenal électromagnétique, de 1 vers 2. Dans ces conditions on obtient un brassage qui permet de renouveler continuellement le métal chargé en carbone par du métal qui vient dtebtre décarburé dans le compartiment 2. De plus, le chenal électromagnétique permet de fournir un apport de calories au métal et de compenser le déficit thermique qui pourrait apparattre. On peut par exemple utiliser un canal d'une puissance de 800 kw total (700 kw utiles, une certaine énergie étant dissipée par le refroidissement du canal lui même) qui s' avè- re largement suffisante.En ce qui concerne la collecte des gaz, elle peut Etre effectuée séparément, mais l'on peut également réunir les deux courants gazeux pour ne former qu'un seul mélange. A ce propos, il faut souligner que l'éclatement des bulles à la surface du métal provoque un entrainement vésiculaire de particules allant de quelques millimètres à quelques dizaines de microns. Les plus grosses de ces particules peuvent autre séparées par des techniques connues. On comprend que le procédé et le dispositif décrits permettent de préparer en continu un réducteur gazeux à partir de fuel injecté dans une masse de métal liquide. Ceci est rendu possible par la régénération continue du métal carburé et par l'équilibre du bilan thermique, ces deux résultats étant obtenus par la réalisation d'une circulation orientée du métal et par un apport de calories extérieures. Le réducteur gazeux obtenu peut autre constitué en ma jeure partie d'hydrogène ou par un mélange d'hydrogène et; d'oxyde de carbone, peut autre utilisé pour de nombreuses réactions de réduction, notamment pour la réduction des oxydes de fer. REUENDICATIONS 1 - Procédé pour produire en continu un réducteur, gazeux, constitué d'hy- drogène ou d'un mélange d'hydrogène et d'oxyde de carbone, par injection dans un bain de fer ou d'alliage de fer fondu d'un produit hydrocarboné d'une part et d'oxygène d'autre part, procédé caractérisé en ce que l'on injecte le produit hydrocarboné dans une partie du bain de métal, que l'on injecte de ltoxg- gène dans une autre partie du bain, que i on provoque un brassage du métal fondu et que l'on fournit au métal un apport de calories par les moyens de brassage. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que on injecte un produit hydrocarboné dans une partie du bain de métal et de l'oxygène et un hydrocarbure dans l'autre partie du bain de métal. 3 - Dispositif pour produire en continu un mélange gazeux réducteur constitué d'hydrogène et d'oxyde de carbone par injection d'hydrocarbure et d'oxygène dans un bain de fer ou d'alliage de fer fondu caractérisé en ce qu'il comprend - un récipient pour recevoir le métal divisé en deux enceintes verticales de forme allongée réunies entre elles par au moins un conduit et communiquant par leur partie inférieure au moyen d'un chenal électromagnétique. - des tuyères pour insuffler des hydrocarbures dans une des enceintes. - des tuyères pour insuffler de 11 oxygène et de l'hydrocarbure dans l'autre enceinte. - un ensemble de fermeture étanche pour recouvrir les enceintes et recueillir les gaz produits.