Brevet FR2473553A1 — publié le 19810717

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour introduire un gaz contenant de l'oxygène moléculaire dans un lit fluidisé en vue de réduire dans celui-ci une matière finement divisée se composant essentiellement d'oxyde de fer, tel qu'un concentré de minerai de fer, en utilisant des gaz réducteurs formés par combustion partielle dans le lit d'une matière carbonée finement divisée qui a été placée dans ledit lit. Selon l'invention, on empêche le dépôt de matière solide du lit, qui se produirait autrement, par suite de la viscosité de la matière solide résultant de l'admission du gaz contenant de l'oxygène moléculaire. Il est bien connu qu'une des raisons pour lesquelles le procédé faisant intervenir un lit fluidisé est applicable de façon très limitée à la réduction d'une matière à grains fins contenant de l'oxyde de fer réside dans la difficulté à éviter une viscosité s'établissant dans le lit aux tempéra- tures élevées de réaction nécessaires pour obtenir un rende- ment de production satisfaisant. Cependant, on a réalisé ultérieurement des progrès considérables dans ce domaine. En faisant en sorte que les lits fluidisés contiennent un excès de matière carbonée solide à grains fins empêchant les grains métalliques réduits de coller ensemble, en utilisant des lits fluidisés à circulation (pour leur définition, se référer au document de L.Reh "Fluidized Bed Processing", Chemical Engineering Progress, vol. 67, no 2, février 1971, pages 58-63), qui établissent un mélange rapide des matières introduites, et en utilisant des buses profilées et placées de façon appropriée pour l'admission d'un gaz contenant de l'oxygène moléculaire, il a été possible de réduire une matière finement divisée contenant de l'oxyde de fer, en faisant intervenir des gaz réducteurs produits par combustion partielle dans le lit de matière carbonée finement divisée à l'aide dudit gaz contenant de l'oxygène moléculaire, par exemple de l'air. Les buses ont été de préférence engagées dans le lit fluidisé d'une distance au moins égale au double du diamètre des buses. De cette manière, il a été possible d'éviter l'effet défavorable de la faible vitesse d'écoulement à proximité de la paroi du lit fluidisé. Dans des tentatives faites pour produire une telle réduction avec augmentation de la pression (au-dessus de 2 bars), on a trouvé cependant qu'il se posait certains problèmes de viscosité ou collage dans les buses. Conformément au brevet suédois n0 326.158, il est possible d'empêcher l'agglomération d'une matière pulvérulente dans des lits fluidisés utilisés dans des processus de séchage et de grillage en ajoutant de l'air de refroidissement par l'inter- médiaire d'un canal annulaire entourant la buse d'admission de gaz chaud de fluidisation. Cependant.ce procédé n'a pas permis d'empêcher lé collage de matière pulvérulente sur les buses et les parois des lits fluidisés utilisés-pour la réduc- tion de matières contenant de l'oxyde de fer. On a trouvé que c'est principalement l'oxyde de fer qui colle, ce qu'on peut imputer au fait que la matière métallique réduite est réoxydée et est ainsi chauffée audessus de la température d'apparition de viscosité et d'aptitude au collage sur des parois. Le fer réduit a une chaleur de combustion qui est élevée. En consé- quence, un refroidissement avec de l'air n'est pas suffisant pour refroidir la surface extérieure de la buse de façon à empêcher le collage de l'oxyde de fer sur cette dernière. Les agglomérats visqueux et collants augmentent et perturbent le fonctionnement du lit. Ils se désagrègent en morceaux qui créent des difficultés dans d'autres parties de l'installation. Des revêtements protecteurs placés sur les buses ou leur isolation n'ont pas permis d'empêcher ce collage. L'invention remédie aux inconvénients précités, à la fois pour des lits à circulation et d'autres lits fluidisés, et - elle est caractérisée en ce que l'embouchure et l'extérieur des buses d'admission du gaz contenant de l'oxygène moléculaire sont refroidis à une température inférieure de 2000C au point de fusion du fer réduit. Les buses doivent être refroidies sur une longueur au moins égale au double du diamètre intérieur de leur orifice. Les buses sont,de préférence, refroidies avec de l'eau passant dans une chemise de refroidissement entourant la buse correspondante. Lesdites buses doivent pénétrer dans le lit fluidisé d'une distance au moins égale au double du diamètre intérieur de l'orifice de buse, ce qui signifie que la distance entre le garnissage réfractaire du réacteur à lit fluidisé et l'extrémité de buse doit être au moins égale au double du diamètre intérieur de l'orifice de la buse. Le procédé selon l'invention est avantageusement combiné avec les moyens connus servant à réduire la viscosité ou effet de collage. On maintient la teneur en carbone solide finement divisé dans le lit entre 20 et 50 % en poids, le carbone étant constitué de façon appropriée par du coke formé dans la phase de combustion partielle de la matière carbonée finement divisée introduite, qui peut être aussi bien du combustible solide tel que par exemple de l'anthracite, du charbon oudu coke, que du combustible liquide tel que par exemple de l'huile combustible, de l'huile lourde ou d'autres produits du pétrole. Le cas échéant, la matière carbonée finement divisée peut être introduite dans les buses d'injection du gaz contenant de l'oxygène moléculaire et, dans ces conditions, de préférence à l'aide d'un tuyau placé au centre de la buse. Puisque le gaz contenant de l'oxygène moléculaire est, de préférence, préchauffé, ce tuyau peut être entouré par un conduit annulaire, dans lequel est introduit un gaz de refroi- dissement à l'aide duquel on évite une décomposition prématurée de la matière carbonée>et par conséquent les dép8ts dans le tuyau. La combustion partielle de la matière carbonée s'effec- tue plus lentement et ne produit pas des produits de réaction aussi chauds que la réaction entre l'oxygène et le métal réduit. On diminue ainsi le risque de collage autour des buses. L'invention est principalement destinée à être utilisée dans des lits fluidisés à circulation avec une pression supé- rieure à 2 bars, de préférence de 2 à 15 bars, mais elle peut aussi être appliquée à des pressions plus basses, et même à des lits fluidisés classiques. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d' exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels Figure 1 représente une buse conforme à l'invention, fixée dans la paroi d'un réacteur à lit fluidisé, Figure 2 représente une seconde buse conforme à l'inven- tion, o une matière carbonée à grains fins est simultanément introduite par l'intermédiaire de la buse, Figure 3 représente un appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention Sur la figure 1-, on a représenté une buse conforme à la présente invention, qui est fixée dans une paroi 1 d'un réacteur à lit fluidisé comportant un garnissage réfractaire 2. A partir d'un tuyau d'alimentation 3, qui peut être, par exemple, un conduit annulaire entourant le réacteur, du gaz contenant de l'oxygène moléculaire, par exemple de l'air préchauffé, s'écoule par l'intermédiaire d'un tuyau 4 dans le réacteur. Un agent de refroidissement 5, par exemple de l'eau, parvient par l'intermédiaire d'un tuyau 6, dans une chemise 7 entourant le tuyau d'alimentation en gaz 4. Il est prévu dans la chemise 7 des canaux 8 agencés de manière que l'ensem- ble de la chemise 7 et l'ouverture 9 soient bien refroidis. -L'agent de refroidissement est évacué à l'aide d'un tuyau 10. Le tuyau d'alimentation 3, ainsi que le tuyau de buse 4, sont revêtus de façon appropriée d'un garnissage réfractaire, de sorte que le refroidissement du gaz contenant de l'oxygène moléculaire est réduit. L'ouverture 9 de la buse est placée de façon appropriée, à l'intérieur de la paroi revêtue 4, 2,- à une distance qui est au moins égale au double du diamètre du tuyau de buse 4. La figure 2 représente un mode de réalisation o une matière carbonée finement divisée est introduite par l'inter- médiaire d'un tube central 11 dans une buse d'admission de gaz contenant de l'oxygène moléculaire. La matière carbonée finement divisée est dans ce cas supposée être sous une forme de poudre et elle est injectée, par l'intermédiaire d'un conduit 12 et d'un distributeur sectoriel 13, dans un courant de gaz non oxydant introduit par l'intermédiaire d'un tuyau 14 et à l'aide duquel elle est propulsée dans la chambre de réaction. Un gaz de refroidissement, par exemple de l'air froid, peut éventuellement être insufflé a partir d'un tuyau d'alimentation 15, par l'intermédiaire d'un intervalle annulaire 16>autour du tuyau d'admission de la matière car- bonée à grains fins. Le gaz de refroidissement peut être de l'oxygène gazeux si, pour une raison ou une autre, on doit fournir plus d'oxygène qu'il n'en existe dans le gaz contenant l'oxygène moléculaire, qui est lui-même introduit dans la buse par l'intermédiaire du tuyau d'alimentation 3 et du tuyau d'admission de gaz 4. Cet oxygène gazeux est ensuite principa- lement consommé par combustion de la matière carbonée et on diminue le risque que du fer réduit se trouvant dans le lit fluidisé entre en contact avec de l'oxygène gazeux fortement concentré. Sur la figure 2, on a représenté un autre mode de réalisation de la chemise de refroidissement entourant la buse, qui comprend deux canaux concentriques séparés par une paroi intermédiaire concentrique 17. Les buses conformes à l'invention peuvent être placées en des endroits appropriés dans les parois d'un réacteur à lit fluidisé. Par exemple, elles peuvent être placées dans une surface inclinée, comme indiqué sur la figure 3, ou bien dans une paroi verticale, comme indiqué sur les figures 1 et 2. La figure 3 représente un appareil comportant un réacteur à lit fluidisé opérant avec un lit fluidisé à circulation. L'appareil comprend un réacteur à garnissage réfractaire 41, délimitant une chambre de réaction supérieure et verticalement allongée 42, de préférence cylindrique, et une chambre de réaction inférieure 43, également de préférence cylindrique. La hauteur de la chambre de réaction inférieure est comprise entre 1/4 et 1/6 de la hauteur totale de la chambre de réaction supérieure et elle a une section droite qui est seulement comprise entre 1/3 et 1/2 de celle de la chambre de réaction supérieure. Entre les chambres de réaction supérieure et inférieure, il est prévu une zone conique 44. De l'air de combustion est fourni par un compresseur 45, par l'intermé- diaire d'un conduit annulaire d'alimentation 56 et de buses 46 qui pénètrent dans le réacteur en traversant la partie de 6 ' 24?3555 paroi conique 44. Les buses 46 peuvent être du type indiqué sur les figures 1 et 2. Les buses partent de la face inté- rieure de la paroi du réacteur vers l'intérieur de celui-ci, et elles débouchent à une distance égale au moins au double du diamètre intérieur desdites buses. Ce diamètre doit être suffisant pour que l'air de combustion insufflé ait une force vive assez grande pour assurer un mélange rapide de l'air avec le contenu de la chambre/de réaction. La direction des buses peut éventuellement s'écarter du plan horizontal au plus de 450 vers le bas et au plus de 800 vers le haut. Au-dessus des buses, il est prévu un ou plusieurs orifices de décharge pour la poudre de matière carbonée arrivant par l'intermédiaire d'un conduit 47. La chambre supérieure de réaction 42 est reliée à un séparateur principal à cyclone 48 à garnissage réfractaire servant à séparer les solides du courant gazeux. Un conduit 49 part du cyclone séparateur 48 de façon à recycler les matières solides en direction du fond de la chambre inférieure de réaction 43. Pour l'alimentation en gaz de fluidisation de nature réductrice, il est prévu des buses 50 débouchant dans le fond de la chambre inférieure de réaction 43. Une colonne mince de soutirage 51 est également reliée audit fond, - cettecoOtonnftant également en liaison, à l'aide d'In conduit de fluidisation 53, avec un dispositif 54 servant à refroidir la matière soutirée. Un tuyau de dérivation 55 s'étend du conduit principal de gaz de fluidisation 32 jusqu'à la partie inférieure de la colonne de soutirage 51. Le gaz qui s'écoule ainsi vers le haut dans la colonne 51 empêche la matière déchargée de s'agglomérer dans ladite colonne et peut également créer un effet de séparation par soufflage dans ladite colonne,' de manière à enlever des particules de carbone assez légères de la matière déchargée dans la colonne '51. Les gaz s'échappant du cyclone séparateur 48-sont canalisés vers un réchauffeur à venturi 57 o ils rejoignent le concen- tré de minerai qui arrive par l'intermédiaire d'un tuyau d'ali- mentation 18 et d'un séparateur à cyclone 19, relié en série avec le réchauffeur à venturi 57, ledit séparateur à cyclone 19 séparant le concentré de minerai du courant gazeux et renvoyant les poussières vers la chambre inférieure de réaction 43 par l'intermédiaire du tuyau 23, équipé d'un piège à gaz 21. Le concentré de minerai qui est préchauffé par le gaz sortant du séparateur à cyclone 19 parvient dans un second réchauffeur à venturi 25 par l'intermédiaire dudit tuyau d'alimentation 18. Le concentré de minerai est séparé du courant gazeux dans un second séparateur à cyclone 26 et il est déchargé dans le réchauffeur à venturi 57 précité à l'aide d'un piège à gaz 27. Les gaz d'échappement sont épurés dans un séparateur à cyclone 28 supplémentaire, à partir duquel les poussières sont canalisées jusqu'au réacteur par l'intermé- diaire d'un tube 24 contenant un piège à gaz 22. Les matières solides sortant du séparateur à cyclone principal 48 parvien- nent par l'intermédiaire d'un piège à gaz 29 dans le conduit 49. Les pièges à gaz 21, 22, 27, 29, qui peuvent être des vannes à opercules ou des sas à poudre, laissent passer les poussières mais ils empêchent le gaz de parvenir dans les cyclones séparateurs. Le conduit de sortie 30 partant du dernier séparateur à cyclone 28 traverse un échangeur de chaleur 35 pour réchauffer Je gaz de reflux. Le gaz est cana- lisé dans un refroidisseur 36 et un dépoussiéreur 37,par exemple un électrofiltre. Une partie du gaz est évacuée par un conduit 31 de décharge d'excès de gaz et peut parvenir dans une centrale électrique à vapeur. Le gaz restant est pompé par un compresseur 34 vers un appareil de lavage 33 servant à enlever H20 et CO2 du gaz. Le gaz lavé est canalisé par l'intermédiaire d'un conduit 32 au travers de l'échangeur de chaleur 35, o il est réchauffé, puis il est finalement canalisé jusqu'aux buses 50 placées au fond de la partie de réacteur 43. A titre d'exemple, l'appareil représenté sur Ja figure 3 a été équipé des buses 46 représentées sur la figure 2. On a utilisé cet appareil pour la réduction de concentrés de minerai de fer, en faisant intervenir de la poudre de charbon comme agent de chauffage et de réduction. On a trouvé que toute la 2 2473553 quantité de charbon en poudre pouvait être ajoutée par l'intermédiaire des buses 46, c'est-à-dire à l'aide du tuyau 12, du distributeur 13 et du tube central 11. En conséquence, il n'a pas été nécessaire d'ajouter de charbon par l'inter- médiaire du tuyau d'alimentation 47-de la figure 3. De l'air préchauffé a été fourni à l'aide des buses 46 au débit nécessaire pour produire la chaleur de réduction et pour la maintenir, par combustion partielle du charbon,à une tempé- rature de 970oC dans le réacteur. On a obtenu du fer réduit se composant d'un alliage de fer-carbone ayant un point de fusion d'environ 11300C. Les buses 46 ont été refroidies avec de l'eau à une température bien en dessous de 9300C. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réduction de matière à base d'oxyde de fer finement divisée dans un réacteur à lit fluidisé à l'aide de gaz réducteurs formés par combustion partielle de matière carbonée finement divisée dans le lit fluidisé par un gaz contenant de l'oxygène moléculaire, qui est introduit dans le lit fluidisé à l'aide de buses pénétrant dans ledit lit d'une distance au moins égale au double du diamètre de buse caractérisé en ce qu'on refroidit l'ouverture et la surface extérieure des buses à une température inférieure de 2000C au point de fusion du métal réduit, les buses étant ainsi refroidies à partir de leur ouverture sur une distance au moins égale au double du diamètre intérieur de ladite ouverture, à l'aide d'un agent réfrigérant passant dans une chemise de refroidissement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les buses sont refroidies par de l'eau. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réduction s'effectue sous une pression accrue. 4.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le lit fluidisé contient une matière carbonée solide finement divisée, intervenant dans une teneur de préférence comprise entre 20 et 50 % en poids. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on introduit dans le lit fluidisé de la matière carbonée liquide ou solide à l'état finement divisé en quantité telle que la teneur en carbone dudit lit soit maintenue constante. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz contenant de l'oxygène molécu- laire se compose d'air préchauffé. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le lit fluidisé est un lit fluidisé à circulation. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la matière carbonée finement divisée est introduite par l'intermédiaire d'un tuyau d'alimentation 2473553,: placé au centre d'une ou plusieurs des buses. 9. Buse pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, -caractérisée en ce qu'elle comprend un tube intérieur (4) pour l'alimentation en air de combustion préchauffé, en.ce que ledit tube intérieur est entouré par une chemise de refroidissement-- (7) contenant des canaux (8) de passage d'eau de refroidis- sement et en ce que la buse s'étend intérieurement par rapport au garnissage du réacteur à lit fluidisé sur une distance au moins égale au double du diamètre dudit tube intérieur (4). 10. Buse pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un tube central intérieur (11) pour l'alimentation en matière carbonée finement divisée, et-un tuyau (4) entourant ledit tube (11) et assurant l'alimentation en gaz contenant de l'oxygène moléculaire, ledit tuyau (4) étant pourvu d'une chemise extérieure de refroidissement (7). 11. Buse selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'il est prévu un autre tuyau (.), placé concentriquement autour du tube complètement intérieur (11), pour assurer l'alimentation en gaz de refroidissement.