Brevet FR2260379A1 — publié le 19750905

La présente invention concerne un matérial pour la réalisation de processus physiques et chimiques avec mise en oeuvre d'un plasma à basse température et se rapporte notamment aux réacteurs à plasma pour le traitement de matières pulvérisées. te réacteur proposé peut trouver des applications, principalement dans la réalisation de réactions chimiques au sein d'un plasma à basse température, ainsi que dans le traitement de matières pulvérisées visant leur sphéroldisation, l'obtention de poudres ultrafines, la réalisation de revêtements par projection plasmatique de matières réfractaires ou autres. On connait un réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées, notamment pour la réalisation de processus chimiques dans une couche en suspension, comprenant une chambre de travail verticale à la partie supérieure de laquelle sont disposés des moyens pour l'admission de la matière pulvérisée, et à la partie inférieure de laquelle sont disposés des moyens pour le chauffage et l'injec- tion du gaz de travail dans la chambre de travail, réalisés sous la forme d'un plasmotron à flamme monté dans l'axe vertical de la chambre de travail. Le réacteur comporte aussi une trémie. te gaz de travail chauffé dans le plasmotron à flamme arrive dans la chambre de travail par le bas. A l'aide de moyens pour son admission, la matière pulvérisée est admise par le haut dans la chambre de travail, dans laquelle elle subit l'action du jet de plasma de gaz de travail à une température moyenne massique de 3 000 à 5 0000K. Les produits gazeux de l'interaction de la matière pulvérisée avec le gaz de travail sortent à travers des moyens d'évacuation des produits gazeux, tandis que la phase solide est dirigée vers la trémie. Un des inconvénients du réacteur connu est l'impossibilité d'y traiter les matières pulvérisées réfractaires elles matières pulvérisées qui donnent au chauffage, des particules en fusion ou des scories liquides, car ces particules ou ces scories peuvent pénétrer dans la tuyère du plasmotron et compromettre son régime de fonctionnement. Le réacteur connu ne permet pas le traitement de matières pulvérisées pour leur sphéroldisation ni la réalisation de revêtements par la projection, car il se forme des particules en fusion qui peuvent pénétrer dans la tuyère du plasmotron. On B'est proposé de créer un réacteur à plasma à grande intensité d'action, qui permettrait de traiter les matières pulvérisées donnant au chauffage, par suite de transformation physiques et chimiques, des produits gàzeux, liquides et solides, y compris les matières pulvérisées réfractaires et les matières pulvérisées de faible conductivité thermique. La solution consiste en ce que, dans le réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées, comprenant une chambre de travail verticale, des moyens pour l'admission de la matière pulvérisée dans cette chambre, situés à sa partie supérieure, des moyens pour le chauffage au plasma et l'injection dans la partie inférieure de la chambre d'un gaz de travail, des moyens pour évacuer hors de la chambre de travail les produits gazeux, ainsi qu'unie trémie disposée sous la chambre de travail et mise en communication avec sa partie inférieure, suivant l'invention les moyens pour le chauffage au plasma et l'injection du gaz de travail sont constitués par une rangée de plasmotrons dont les tuyères sont disposées suivant la périphérie de la partie inférieure de la chambre de travail et orientées perpendiculairement à l'axe vertical de la chambre de travail. tes moyens pour l'évacuation des produits gazeux peuvent être situés à la partie supérieure de la chambre de travail. La trémie peut être dotée de moyens pour l'évacuation des produits gazeux. La chambre de travail peut être mise en communication avec la trémie au moyen d'une tubulure de raccordement, et les moyens pour l'évacuation des produits gazeux hors de la trémie peuvent être réalisés, sous la forme d'une tubulure entourant la tubulure de raccordement, ce qui assure le chauffage extérieur de cette tubulure par les produits gazeux évacués. A la partie supérieure de la chambre de travail on peut monter un dispositif de chauffage au plasma servant à chauffer la matière pulvérisée admise dans la chambre de travail. Ledit dispositif de chauffage au plasma peut être constitué par un plasmotron coaxial monté dans l'axe de la chambre de travail, l'électrode centrale'de ce plasmotron étant creuse pour l'admission de la matière pulvérisée à travers elle. te dispositif de chauffage au plasma peut être réalisé sous la forme d'une chambre de mélange avec des plasmotrons disposés radialement. tes moyens pour l'évacuation des produits gazeux de la chambre de travail peuvent être réalisés sous la forme de tubulures placées entre le dispositif de chauffage au plasma et les plasmotrons, à deux niveaux Par matériau pulvérise il convient d'entendre des particules liquides ou solides de la matière à traiter, ainsi que la vapeur de cette matière. Par gaz de travail il convient d'entendre un gaz ou un mélange de gaz, un liquide ou un mélange de liquides, ainsi qu'un mélange de gaz et de liquides chauffés dans les plasmotrons. Par produits gazeux il convient d'entendre le gaz de travail et les produits de ses transformations physiques et ehimiques, ainsi qu'unmélange du gaz de travail et des produits de ses transformations physiques et chimiques avec les produits des transformations physiques et chimiques de la matière à traiter se trouvant en phase gazeuse. te réacteur à plasma proposé, utilisant en tant que moyen pour le chauffage au plasma et l'injection du gaz de travail une rangée de plasmotrons montés suivant la périphérie de la partie inférieure de la chambre de travail, a l'avantage d'être de conception simple et de pouvoir être utilisé pour le traitement de diverses matières pulvérisées en vue de la réalisation de réactions sous plasma, de la aphéroidisation, de revêtements par projection et de l'obtention de poudres ultra-fines, les matières à traiter pouvant être des matières donnant au chauffage des particules en fusion ou des scories liquides, des matières pulvérlsées réfractaires et des matières pulvérisées de faible conductivité thermique. tes autres avantages du réacteur proposé sont mis en évidence par la description de son fonctionnement faite en référence aux des sinus annexés dans lesquels la Fig. I représente en coupe longitudinale, un réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées, suivant l'invention; la Fig. 2 représente une coupe suivant la ligne II de la Fig. 1; la Fig. 3 -représente une coupe suivant laligne III-III de la Fig. 2; ia Fig. 4 représente en coupe longitudinale une première variante du réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées, suivant l'invention; la Fig. 5 représente, en coupe longitudinale une seconde variante du réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées, suivant l'invention;; la Fig. 6 représente, en coupe longitudinale une troisième variante possible du réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées, suivant l'invention; la Fig. 7 représente en coupe longitudinale, une quatrième variante possible du réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées, suivant l'invention. te réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées comprend une chambre de travail verticale 1 (Fig.1). A la partie sú- périeure delta chambre de travail 1 sont montés des moyens d'admis sion ae la matière pulvérisée, réalisés sous la forme d'une tubulure 2. A la partie inférieure de la chambre de travail 1 sont montés des moyens pour le chauffage au plasma et l'injection du gaz de travail, constitués par une rangée de plasmotrons 3, dont les tuyères 4 sont disposées suivant la périphérie et orientées perpendiculairement à l'axe vertical de la chambre de travail 1. La partie inférieure de la chambre de travail 1 est mise en communication avec une trémie 5.. A la partie supérieure de la chambre 1 il y a des moyens pour l'évacuation des produits gazeux, réalisés sous la forme de tubulures 6. Chaque plasmotron 3 est monté à la périphérie de la partie inférieure de la chambre de travail 1 de la façon suivante. Bur la paroi de la chambre de travail 1 est soudé un manchon 7 (Fig. 2), dans lequel est vissé le corps 8 de l'électrode 9 du plasmotron 3. Dans l'électrode 9 il y a un canal constituant la tuyère 4. L'électrode 9 est soudée dans le corps 8. Dans l'intervalle 10 entre le corps 8 et l'électrode 9 est placée une chicane 11 canalisant le fluide de refroidissement. Dans la paroi de la chambre de travail 1 est ménagé un trou 12 aligné avec la tuyère 4 et la mettant en communication avec le canal 1 (Fig. 1,2) de la partie inférieure de la chambre de travail 1. Entre le corps 8 (Fig. 2) et la paroi de la chambre de travail 1 est interposé un joint annulaire 14. Dans la paroi de la chambre de travail 1 sont réalisés des trous 15 (Fig. 2,3) pour le fluide de refroidissement. te fluide de refroidissement pénètre dans les trous 15 et en sort à travers des raccords 16 (Fig.3), soudés à la paroi de la chambre de travail 1, dans lesquels sont vissés des raccords 17 présentant un canal 18. tes canaux 18 des raccords 17 communiquent avec des canaux circulaires 19 et avec les trous verticaux 15 de la chambre de travail 1. La trémie 5 peut être dotée de moyens pour l'évacuation des produits gazeux, réalisés sous la forme de tubulures 20 (Fig. 4). La chambre de travail 1 peut être raccordée à la trémie 5 à l' aide d'une tubulure 21 (Fig.5), et les moyens pour l'évacuation des produits gazeux de la trémie 5 peuvent hêtre réalisés sous la forme d'une tubulure 22 entourant la tubulure 21. A la partie supérieure de la chambre de travail on peut monter un dispositif de chauffage au plasma, comme sur la chambre de travail 23. (Fig.6). Ce dispositif à plasma est constitué par un plasmotron coaxial 24 avec une électrode centrale creuse 25, servant à chauffer la matière pulvérisée admise dans la chambre de travail 23. Entre le plasmotron coaxial 24 et les plasmotrons 3 sont placés des moyens pour l'évacuation des produits gazeux hors de la chambre de travail 1, réalisés sous la forme de tubulures 26. Les tubulures 26 peuvent être placées à deux niveaux, comme représenté à la Fig. 7. Le réacteur à plasma peut aussi comporter un dispositif de chauffage à plasma réalisé sous la forme d'une chambre de mélange 27 avec des plasmotrons 28 disposés radialement. te réacteur à plasma proposé pour le traitement de matières pulvérisées fonctionne de la façon suivante. La matière pulvérisée à traiter est admise (Fig.1) dans la chambre de travail 1 à la vitesse requise, à travers la tubulure 2. Le gaz de travail-chauffé dans le plasmotron 3 est injecté dans la chambre de travail 1 à travers la tuyère 4. Le gaz de travail injecté se déplace vers le haut, en chauffant la matière pulvérisée circulant à contre-courant, puis il sort à travers les tubulures 6. Au cours de sa descente, la matière pulvérisée subit des transformations physiques et chimiques. Dans la chambre de travail 1 la matière pulvérisée peut s'évaporer et se décomposer; dans ce cas les produits d'évaporation et de décomposition sortent à travers les tubu lures 6 ensemble avec le gaz de travail. tes particules fondues de la matière pulvérisée et/ou les scories tombent à travers la partie inférieure de la chambre de travail 1 et arrivent dans la trémie 5 d'où elles sont soutirées en continu ou périodiquement. L'avantage du mode de réalisation du réacteur à plasma poule traitement de matières pulvérisées qui vient d'être décrit, consiste en ce que, grâce à la disposition des plasmotrons 3 suivant la périphérie de la partie inférieure de la chambre de travail 1, les scories en fusion formées, qui peuvent couler suivant les parois de la chambre 1, et la matière pulvérisée ne gênent pas le fonctionnement des plasmotrons 3 et n'influent pas sur leur régime. Dans le cas du traitement d'une matière pulvérisée dans le réacteur à plasma réalisé suivant la variante représentée à la Fig. 4, le gaz de travail injecté par les plasmotrons va en partie à la partie supérieure de la chambrede travail 1, où il chauffe la matière pulvérisée se déplaçant à contre-courant, jusqu'aux températures nécessaires, par exemple jusqu'à des températures suffisantes pour l'évaporation de l'eau et/ou des constituants volatils de la matière pulvérisée. Cette eau et/ou ces constituants volatils sont évacués de la chambre de travail 1 à travers les tubulures 6, ensemble avec la partie du gaz de travail passée à la partie supérieure.La matière pulvérisée chauffée et débarrassée de l'eau et/ou des constituants volatils, continue son traitement dans la partie restante du gaz de travail descendant et est évacuée à travers les tubulures 20 placées sur la trémie 5. L'utilisation de la variante de réacteur i plasma représentée à la Fig. 4 permet de diviser le gaz de travail en deux veines, chacune desquelles entratne des produits déterminés du traitement de la matière pulvérisée. Ceci rend possible l'accroissement de la concentration des produits gazeux dans la veine et, par celà même de simplifier et de rendre moins cher le processus de leur extraction. Le traitement de la matière pulvérisée peut être exécuté dans un réacteur à plasma réalisé suivant la variante représentée en Fig. 5. Dans ce cas, la veine de gaz de travail à haute température, chauffé dans les plasmotrons 3, et les produits gazeux arrivant dans la trémie 5 lèchent la paroi intérieure et la paroi extérieure de la tubulure de raccordement 21, et maintiennent la température de la paroi intérieure de cette tubulure à un niveau suffisamment élevé, par exemple plus haut que la température de fusion de la matière à traiter. Gn assure ainsi une réduction des pertes thermiques à travers les parois du réacteur à plasma, le maintien de la veine de gaz de travail à une température élevée sur une plus grande longueur de la zone de réaction et, par celà même, l'augmentation de l'efficaci- té globale du réacteur à plasma.En outre, les scories ou la matière pulvérisée en fusion venant en contact avec la paroi intérieure chaude de la tubulure de raccordement 21 ne se figent pas sur cette paroi et descendent facilement dans la trémie 5. Dans le cas de ltutilisation du réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées représenté à la Fig. 6, la matière pulvérisée est préchauffée par le dispositif de chauffage au plasma réalisé sous la forme d'un plasmotron coaxial 24, dont l'électrode creuse 25 constitue le moyen d'admission de la matière à traiter. Ensuite la matière pulvérisée arrive dans la chambre de travail 23. Dans le gaz de travail à haute température débité dans le même sens par le plasmotron coaxial 24,. la matière pulvérisée est chauffée et accélérée. Lors du chauffage, l'eau et/ou les constituants volatils peuvent se dégager et s1en aller de la chambre de travail 23 à travers les tubulures 26. La température du gaz de travail évacué à travers les tubulures 26 doit être plus haute aue celle à laquelle doit être chauffée la matière pulvérisée afin d'en extraire l'eau et/ou les constituants volatils. Une partie insignifiante du gaz de travail chauffé dans les plasmotrons 3 monte de la partie inférieure de la chambre 23, à contre-courant'de la matière pulvérisée, chauffée et accélérée par le gaz de travail que débite le plasmotron coaxial 24, puis s'échappe à travers les tubulures 26. ta matière pulvérisée chauffée descend et arrive dans le reste de gaz à haute température débité par les plasmotrons 3 et descendant dans le meAme sens. Pendant le chauffage ultérieur, la matière pulvérisée, dont l'eau et/ou les constituants ont été extraits, est soumise à des transformations physicochimiques qui, dans le cas le plus général, aboutissent à la formation de produits gazeux, liquides et solides, ainsi que de scories. ta veine de gaz de mime sens mentionnée cède son énergie à la matière pulvérisée à chauffer et à la paroi de la partie inférieure de la chambre de travail 23 et de la trémie 5, de sorte que la température de ce gaz diminue. La température minimale de la veine de gaz de même sens dans la zone de formation des produits finals doit être plus haute que la température optimale à laquelle doit être portée la matière à chauffer. Ladite veine de gaz de même sens est évacuée en commun avec les produits gazeux à travers les tubulures 20, tandis que les scories ou les produits solides et liquides vont à la trémie 5, d'où ils tont soutirés en continu ou périodiquement. De pair avec les avantages résultant de la division des veines, l'utilisation de la variante de réacteur à plasma représentée à la Fig. 6 permet d'augmenter la longueur de la zone à haute température, d'admettre la matière pulvérisée chauffée dans la chambre de travail 23 à la vitesse nécessaire pour le traitement grâce à l'accélération des particules de la matière pulvérisée par la veine de gaz de travail de même sens, chauffée dans le plasmetron coaxial 24. L'utilisation d'un dispositif de chauffage au plasma constitué par un plasmotron coaxial 24 permet de maintenir la loi nécessaire de variation de la température et de la vitesse de la veine de gaz de travail sur tout le chemin parcouru par la matière pulvérisée. Une autre variante de réalisation du réacteur à plasma pour le traitement de matières pulvérisées, représentée à la Fig. 7, fonctionne ae la façon suivante. Le gaz de travail est chauffé dans les plasmotrons 28 et in jecté dans la chambre de travail 27. Simultanément, la matière pùl- vérisée est admise dans la chambre de mélange 27 à travers la tubulure 2. Dans la chambre 27 la matière pulvérisée se mélange à la veine de gaz à haute température formée par le gaz de travail chauffé dans les plasmotrons 28. La veine de gaz à haute température arrive ensuite dans la partie supérieure de la chambre de travail 23. Dans la chambre de mélange 27 et dans la partie supérieure de la chambre de travail 23, la matière pulvérisée est chauffée par la veine de gaz à haute température. La veine de gaz à haute-température, entraînant les produits gazeux s'étant formés pendant le chauffage de la matière pulvérisée, est évacuée à travers des tubulures 26 situées à un niveau plus élevé. Tout le gaz de travail chauffé dans les plasmotrons 3 est dirigé vers haut, à contre-courant de la matière pulvérisée, chauffée et accélérée dans la veine de gaz de travail de même sens qui s'est fomie dans la chambre de mélange 27. La veine de gaz de travail, chauffée dans les plasmotrons 3, et les produits gazeux, s'étant formé par suite de la continuation du chauffage de la matière pulvérisée, est évacuée dans sa plus grande partie à travers des tubulures 26 situées à un niveau plus bas. La partie restante insignifiante de la veine de gaz de travail et de produits gazeux est évacuée à travers les tubulures 26 situées au niveau plus élevé. t'utilisation de la variante de réacteur à plasma représentée à la Fig. 7, permet, de pair avec les avantages résultant de l'éva- cuation séparée des veines et de l'augmentation de la longueur de la zone à haute température, d'assurer la vitesse nécessaire de la matière pulvérisée à son entrée dans la veine de gaz de travail à contre-courant et, par celà même, des conditions optimales de chauffage ae la matière pulvérisée. L'évacuation de toute la veine de gaz de travail chauffée dans les plasmotrons 23 et de la veine de gaz de travail chauffée dans les plasmotrons 3, à travers les tubulures 26 permet d'abaisser la température desdites veines à la sorte de la chambre de travail 23. Dans ce cas, la température desdites veines peut n'être que légèrement supérieure à la température de la matière pulvérisée dans la zone des tubulures 26, ce qui diminue-les pertes d'énergie avec les gaz sortants et, de la sorte, augmente le rendement du réacteur à plasma. t'utilisation d'un plasmotron coaxial 24 (Fig. 6) est avantageuse quand les débits de matière pulvérisée sont petits, de l'ordre de dizaines de kilogrnmmes par heure, quand le préchauffage de la matière pulvérisée n'exige pas d'importantes dépenses d'énergie. L'utilisation d'une chambre de mélange 27 (Fig. 7) est préférable quand les débits ae matière pulvérisée sont grands, de 1'ordre de centaines et de milliers de kilogrammes par heure, quand le préchauffage de la matière pulvérisée exige une quantité d 'énergie importante. L'utilisation simultanée d'une chambre de mélange 27 avec des plasmotrons 28 et des moyens de chauffage au plasma, constitués par une rangée de plasmotrons 3 disposés suivant la périphérie de la partie inférieure de la chambre de travail 23, permet de régler dans une plage étendue l'amenée d'énergie à la chambre de travail 23 et de changer le rapport entre les quantités de gaz de travail et d' énergie amenées par les plasmotrons 28 et les plasmotrons 3 dans la chambre de travail 23. Revendications 1 - - Réacteur à plasma pour lè traitement de matières pulvérisées, comprenant une chambre de travail verticale, des moyens pour lladmission d'une matière pulvérisée dans cette chambre, situés à sa partie supérieure, des moyens pour le chauffage au plasma et l'injection dans la partie inférieure de la chambre d'un gaz de travail, des moyens pour évacuer hors de la chambre de travail les produits gazeux, ainsi qu'une trémie disposée sous la chambre de travail et mise en communication avec sa partie inférieure, caractérisé en ce que les moyens pour le chauffage au plasma et l'injection du gaz de travail sont constitués par une rangée de plasmotrons dont les tuyères sont disposées suivant la périphérie de la partie inférieure de la chambre de travail et orientées perpendiculairement à l'axe vertical de la chambre de travail. 2 - Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour l'évacuation des produits gazeux sont disposés à la partie supérieure de la chambre de travail. 3 - Réacteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la trémie est dotée de moyens pour l'évacuation des produits gazeux. 4 - Réaçteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chambre de travail est mise en.communication avec la trémie au moyen d'une tubulure de raccordement, les moyens-pour l'évacuation des produits gazeux de la trémie étant réalisés sous la forme d'une tubulure entourant la tubulures de raccordement, ce qui assure le chauffage extérieur de cette tubulure par les produits gazeux évacués. 5 - Réacteur selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre de travail comporte à sa partie supérieure un dispositif de chauffage au plasma servant à chauffer la matière pulvérisée qui est admise dans ladite chambre. 6 - Réacteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage au plasma est constitué par un plasmotron coaxial monté dans l'axe de la chambre de travail, l'électrode centrale de ce plasmûtron étant creuse pour l'admission de la matière pulvérisée à travers elle. 7 - Réacteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage au plasma est réalisé sous la forme d'une chambre de mélange avec des plasmotrons disposés radialement. 8 - Réacteur selon les revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les moyens pour l'évacuation des produits gazeux de la chambre de travail sont réalisés sous la forme de tubulures placées à deux niveaux entre le dispositif de chauffage au plasma et les plasmotrons.