Brevet FR2521454A1 — publié le 19830819

La présente invention se rapporte à un dispositif de séparation de particules fondues, en particulier de gouttelettes de plomb, à partir des gaz d'échappement de fours métallurgiques, tel un four à fusion instantanée et un four électrique, et de renvoi de ces particules dans l'en- ceinte du four L'invention vise également un procédé de récupération du plomb à partir des gaz d'échappement d'un four métallurgique, par exemple un four à fusion instantanée traitant des concentrés de plomb et un four électrique utilisé pour purifier les scories provenant d'un tel four. C'est un trait caractéristique du fonctionnement de beaucoup de fours pyrométallurgiques au'une partie de la matière en traitement s'échappe sous forme de poussière, en même temps que les gaz du four. La poussière peut être classée en deux groupes principaux: "les poussières mécaniques" qui sont entraînées avec les gaz en raison de leur état finement divisé, sous forme fondue ou solide, et les "poussières" qui, du fait de leur tension de vapeur élevée, s'échappent du four sous forme gazeuse Les poussières du premier groupe sont généralement des composants des scories, des métaux en cours de production ou leurs composés Dans le dernier groupe, on rencontre souvent les impuretés nuisibles, par exemple de l'arsenic, du bismuth, de l'antimoine, du plomb et du zinc Les pous- sières qui s'échappent sous forme gazeuse se condensent d'abord, en petites gouttelettes fondues, puis en poussière fine- ment divisée lorsque la température tombe au-dessous du point de fusion, à la sortie du four. De façon courante, les poussières qui s'échappent avec les gaz de sortie sont renvoyées à nouveau dans le four, en même temps que la charge de ce dernier En plus des coûts engendrés par ce recyclage des poussières, celles-ci provo- quent de grandes difficultés dans le fonctionnement de la chaudière de récupération de chaleur et dans le maintien de cette chaudière en état de propreté Il est également très désavantageux que les impuretés volatiles se concentrent dans la circulation de poussière, ce qui diminue la tolérance du système aux impuretés. On connait, par la DE-OS-2 946 032, un procédé dans lequel les gaz de sortie contenant du plomb et du zinc, qui proviennent du traitement du plomb dans un four à cuve, sont traités dans un appareil de condensation séparé Dans l'appa- reil de condensation, le gaz traverse plusieurs unités de condensation contenant du plomb fondu La direction des gaz est ensuite changée de 900 environ et, en même temps, les gaz entrent en contact des projections portées par les parois de l'appareil ou sur des chicanes déflectrices indépendantes. Ces dispositions permettent de communiquer aux gaz un mouvement de vortex, de façon à ce que toutes les gouttelettes fondues qui se trouvent encore dans les gaz tombent dans le plomb fondu situé au-dessous Ce procédé permet d ffectuer la condensation de la vapeur de plomb dans le gaz, et également partiellement du zinc, mais la plus grande partie du zinc reste dans la phase gazeuse et s'échappe de l'appareil. La présente invention a en conséquence pour but de pourvoir à un dispositif de séparation des particules fondues, par exemple des gouttelettes de plomb ou de scories, à partir des gaz de sortie de fours métallurgiques, et de renvoi de ces particules dans l'enceinte du four, ledit dispositif étant extrêmement simple et peu coûteux et permettant aux i i particules fondues qui ont été séparées des gaz de sortie, d'être renvoyées dans l'enceinte du four sous forme liquide, simplement à l'aide de la chaleur contenue dans les gaz de sortie L'invention a également pour but de pourvoir à un procédé qui permet de récupérer le plomb à partir des gaz de sortie d'un four métallurgique, par exemple un four à fusion instantanée ou un four électrique, de façon à ce que la plus grande partie possible à la fois du plomb gazeux et du plomb condensé dans les gaz de sortie soit séparée des gaz de sortie et renvoyée au four, alors qu'en même temps les substances plus volatiles contenues dans les gaz de sortie, par exemple le zinc, restent dans la phase gazeuse et s'échappent avec les gaz. La température de fonctionnement du dispositif visé doit être supérieure à la température de solidification des gouttelettes fondues dans les gaz Comme la température des fours de fusion métallurgiques est souvent un peu supé- rieure au point de fusion des matières qui sont traitées, le dispositif doit être d'une construction telle qu'une partie minimale de la chaleur transportée par les particules fondues recueillies dans les gaz se dissipe sous forme de pertes calorifiques et que les particules fondues restent à l'état liquide. Lorsqu'on utilise un cyclone pour la séparation des poussières présentes dans les gaz, il est usuel de placer ce cyclone à l'extérieur du four Dans ce cas, la température des gaz dans le cyclone doit être telle que les poussières restent à l'état solide, à l'exception de certains métaux à bas point de fusion La récupération des scories à haut point de fusion et des particules métalliques fondues, à partir de l'extérieur du four, du cyclone, puis leur renvoi dans le four est extrêmement difficile et nécessite non seulement des conduits étanches aux gaz mais également des moyens de chauffage efficaces. Conformément à l'invention, un cyclone est prévu à l'intérieur du four ou dans son voisinage immédiat, ce cyclone étant placê sensiblement de façon à ce que le cyclone et le passage qui y est raccordé pour renvoyer dans le four les particules fondues récupérées soient maintenus par la chaleur du four à une température suffisamment élevée, ledit cyclone comprenant une chambre cylindrique sensible- ment verticale, un passage qui débouche tangentiellement dans la chambre pour l'introduction des gaz d'échappement dans la chambre, un orifice d'évacuation ménagé dans la partie supérieure de la chambre pour la sortie des gaz, et un trou de coulée ménagé dans la partie inférieure de la chambre pour renvoyer vers le four la matière fondue qui a été séparée des gaz Comme le cyclone conforme à l'invention est conçu pour être placé à l'intérieur de l'enceinte du four propre- ment dite, ou immédiatement à côté, les pertes de chaleur vers le milieu ambiant, à partir des gaz d'échappement et de la matière fondue qui est renvoyée dans le four, sont réduites, le cyclone de récupération de matière fondue peut être placé à un niveau supérieur à celui du fond de l'enceinte du four et, par suite, la matière fondue séparée des gaz d'échappement s'écoule d'elle-même dans le four. Afin d'obtenir la condensation la plus complète du plomb contenu dans les gaz d'échappement, un élément de refroidissement peut être placé en amont du passage tangen- tiel conduisant au cyclone, dans le but de refroidir les gaz d'échappement avant leur admission dans le cyclone. Le cyclone conforme à l'invention, pour la sépara- tion des poussières fondues, peut être disposé dans la partie inférieure de la cheminée de sortie d'un four à fusion instantanée ou dans un four électrique. Lorsque le plomb en fusion se concentre dans un four a fusion instantanée, on obtient un bouillon de plomb métallique et des scories et les scories contiennent égale- ment du zinc sous forme oxydée, en plus du plomb Dans le traitement, les scories ci-dessus peuvent être réduites, par exemple dans un four électrique, afin de récupérer ce plomb. En fonction de la température et du degré de réduction, une partie plus ou moins grande du zinc présent dans les scories est réduite à l'état de métal et, du fait de sa tension de vapeur élevée, se retrouve dans la phase gazeuse du four, dans laquelle une partie du plomb réduit s'est également évaporée. Dans le procédé conforme à l'invention, la tempéra- ture et la pression partielle d'oxygène des gaz sortant du four sont réglées de manière à ce que le plomb contenu dans les gaz se condense principalement en particules de brouil- lard de métal, tandis que le zinc reste encore à l'état gazeux Les particules de brouillard de plomb sont ensuite séparées des gaz du four, conformément à l'invention, dans un cyclone de séparation de poussières fondues, tandis que le zinc et le plomb gazeux qui reste encore éventuellement dans les gaz traversent le cyclone et ils peuvent ensuite être éliminés des gaz de façon connue, par exemple après chauffage et refroidissement des gaz, au moyen de filtres à sac. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en élévation et en coupe suivant la ligne B-B de la fiture 2, d'un four de fusion instantanée destiné à être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention; la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne A-A de la figure 1; la figure 3 est un diagramme des concentrations en zinc et en plomb dans les gaz, en fonction de la tempé- rature et de la pression d'oxygène; la figure 4 est une vue en élévation avec coupe suivant la ligne B-B de la figure 5, d'un four électrique dans lequel a été placé le cyclone de séparation de pous- sières fondues; et -,la figure 5 est une vue en,coupe suivant la ligne A-A de la figure 4. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'in- vention, dont ils ne constituent en aucune manière une limi- tation. A la partie supérieure d'un four de fusion instan- tanée ou d'un four de fusion en suspension, le concentré et l'oxygène, ou l'air enrichi en oxygène, sont introduits par le brûleur de concentré 1, sous la forme d'une suspension, dans la cheminée de réaction ou la zone 2 de fusion en suspension Lorsque la direction de déplaceement de la suspension dans le four à fusion instantanée change de 900, la plus grande partie de la matière fondue/solide dans la suspension se sépare des gaz et se dépose sur le fond de la cuve de dépôt 3 Le gaz contenant de l'anhydride sulfureux, séparé de la suspension dans la cuve de dépôt 3, contient des poussières mécaniques et des gouttelettes fondues, par exemple des composés de plomb. La cheminée de sortie 4, ou zone d'écoulement ascendant, est en fait constituée par le séparateur de pous- sières fondues, ou cyclone chaud, d'o les gaz épurés sont évacués par l'orifice 5 Un mouvement tangentiel est communi- qué aux gaz et, par suite, les gouttelettes fondues contenues dans les gaz sont projetées sur les parois du cyclone et descendent dans la cuve de dépôt, par l'intermédiaire du passage 6 Celui-ci est disposé de façon à ce que les gout- telettes fondues qui s'écoulent vers le bas ne rencontrent pas de gaz, le passage 6 débouchant sous la surface 7 du bain. L'orifice 8 d'entrée tangentielle, par lequel les gaz pénè- trent dans le cyclone, a une dimension déterminée pour que la vitesse des gaz soit optimale en vue de la récupération de ces gouttes fondues Pour qu'on puisse séparer, à l'aide du cyclone, une partie substantielle des composés de plomb présents dans la phase gazeuse, les gaz peuvent être refroidis au point désigné par le repère 9, avant le cyclone, à l'aide d'un fluide de refroidissement, de l'eau par exemple. Sur la figure 3, les concentrations en plomb gazeux et en'zinc sont indiquées en fonction de la tempéra- ture et de la pression d'oxygène calculées thermodynamique- ment avec une activité Zn O de 1 De même, la figure 3 indique la limite de stabilité du fer métallique avec une activité Fe O de 1. Dans la purification des scories du procédé de traitement du plomb, dans un four électrique, la pression d'oxygène est règlée à une valeur aussi faible que possible, de manière à ne pas former de fer métallique La plus grande partie possible du plomb métallique présente dans les gaz peut être condensée, pour former des particules de brouillard de plomb, par réglage de la pression d'oxygène à une valeur voisine de la courbe de stabilité du fer représentée à la figure 3, du côté de la plus grande pression d'oxygène et dans la plage o la pression partielle d'oxygène est de l'ordre de 10 16 à 10 10, et par réglage de la température à sa valeur minimale acceptable de 1250 à 1450 K, compte tenu de la teneur en zinc des gaz Lorsque les gaz sont envoyés du four électrique à travers le cyclone conforme à l'inven- tion, les particules de brouillard de plomb se séparent des gaz et reviennent au four de réduction Si, par exemple, dans un four de réduction de scories de plomb, la pression d'oxygène et la température des gaz sont réglées de manière à se trouver au point indiqué par le repère ( 1) sur le diagramme de la figure 3, les gaz d'échappement peuvent contenir environ 13,1 g de zinc par mole et pas plus de 0,57 g de plomb par mole, c'est-à-dire que le rapport des masses de z Inc et de plomb dans les gaz sortant du four est de l'ordre de 23/1. La figure 4 illustre l'utilisation du cyclone de séparation de poussières fondues en combinaison avec un four électrique Le four électrique est désigné par le repère et le cyclone par le repère 11 Les gaz qui s'échappent du four électrique 10 sont introduits dans le cyclone 11, par une ouverture d'entrée tangentielle 12 Les gouttelettes fondues qui se séparent du courant de gaz s'écoulent vers le bas et rejoignent le bain par un passage 13 Les gaz qui ont été débarrassés des gouttelettes fondues quittent le cyclone par un orifice 14. En pourvoyant un four métallurgique d'un cyclone de séparation des poussières fondues, conforme à l'invention, il est possible d'éliminer des gaz la plus grande partie des poussières mécaniques entraînées Dans ce cas, des impuretés sous forme gazeuse principalement s'échappent du four en même temps que les gaz Il n'est plus nécessaire de renvoyer les poussières dans le four et la tolérance aux impuretés du traitement augmente. Une difficulté principale rencontrée dans la fusion de concentrés de plomb a jusqu'à présent été la grande quantité de poussières qui sont dues aux fortes ten- sions de vapeur des composés du plomb, surtout le sulfure et l'oxyde Dans le pire des cas, plusieurs dizaines de pour- cents du plomb qui est introduit dans le traitement peuvent se retrouver dans les poussières. A des pressions d'oxygène élevées, le plomb est présent principalement sous forme d'oxyde, dans les gaz d'échappement du four Aux températures normales de fusion, l'oxyde de plomb a une tension de vapeur élevée, par exemple supérieure à 0,1 bar à 13000 C Cette pression décroit toutefois rapidement lorsque la température diminue Ainsi, la pression n'est plus que de 0,01 bar environ à 1100 'C. Si on veille à ce que la température des gaz d'échappement soit raisonnablement élevée, il est possible de séparer, dans le cvclone de séparation des poussières fondues, une grande partie du plomb contenu dans les gaz Comme la tension de vapeur du plomb métallique est même inférieure à celle de l'oxyde, la quantité de poussières peut encore être réduite par règlage de la pression d'oxygène du gaz dans la plage du plomb métallique, conformément au brevet belge 888 410. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'in- vention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réali- sation et d'application qui viennent d'être décrits de façon explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de séparation de particules solides et fondues à partir des gaz d'échappement de fours métal- lurgiques, et de renvoi de ces particules dans l'enceinte du four ( 3,10), caractérisé en ce qu'il comprend un cyclone placé dans l'enceinte du four ou à son voisinage immédiat et comprenant une chambre cylindrique sensiblement verticale ( 4,11), un passage ( 8,12) venant de l'enceinte du four ( 3,10) et aboutissant tangentiellement à la chambre ( 4,11) afin de diriger les gaz d'échappement dans la chambre, un orifice de sortie ( 5,14) prévu dans la partie supérieure de la chambre, et un orifice de vidange ( 6,13) prévu dans la Dartie inférieure de la chambre pour renvoyer à l'enceinte du four ( 3,10) les matières fondues qui ont été séparées des gaz. 2; Dispositif suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que le cyclone est placé à un niveau supérieur à celui du fond de l'enceinte du four. 3 Dispositif suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend un élément ( 9) permettant de refroidir les gaz d'échappement avant leur entrée dans le cyclone, l'élément de refroidissement ( 9) étant disposé dans l'enceinte du four ( 3) immédiatement avant le passage tangen- tiel ( 8) conduisant au cyclone. 4 Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est placé dans la partie inférieure de la cheminée de sortie ( 4) d'un four à fusion instantanée ( 2,3,4). Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce au'il est placé au moins partiellement à l'intérieur d'un four électrique ( 10). 6 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est placé au moins partiellement à l'intérieur d'un four métallurgique. 7 Procédé de récupération du plomb à partir des gaz d'échappement d'un four métallurgique, caractérisé en ce que la pression partielle d'oxygène des gaz d'échap- pement est réglée de manière à être comprise entre 10 et 10-10 bar environ, à une température de 1250 à 1450 K, afin que la plus grande partie possible du plomb présent dans la phase gazeuse des gaz d'échappement se condense pour former des particules de brouillard de plomb, et en ce que les gaz d'échappement sont soumis sensiblement immé- diatement à une séparation centrifuge, afin de séparer du gaz les gouttelettes de brouillard de plomb et de renvoyer dans le four le plomb fondu ainsi séparé.