Brevet FR2517422A1 — publié le 19830603

-1- PROCEDE ET DISPOSITIF DE RECUPERATION DE CGAZ CO}MBUSTIBLES DANS UN FOUR D'ELECTROMETALLURGIE La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la ré- cupération de gaz combustibles et, plus particulièrement, du monoxyde de carbone, dans un four d'électrométallurgie. De nombreux procédés d'élaboration électrothermique de métaux et al- liages passent par un stade de réduction d'un composé oxydé par le carbone dans un four à arc électrique, avec production corrélative d'une quantité importante d'oxyde de carbone qui vient brûler à la par- tie supérieure de la charge C'est le cas, notamment, de la fabrica- tion du silicium, des alliages à base de silicium, de chrome, de manga- nèse,' ainsi que dans la fabrication du carbure de calcium. La nécessité d'économiser l'énergie dans ces fabrications, et aussi d'améliorer les conditions de travail dans l'environnement du four, ont conduit à l'idée de capter et de récupérer les gaz émis qui sont à température élevée et contiennent une proportion de monoxyde de carbone, variable selon les fabrications, mais généralement suffisante pour justifier et rentabiliser cette opération. On a déjà tenté d'effectuer ce captage par fermeture intégrale du four, notament pour la production de ferro-silicium De tels disposi- tifs ont été décrits, entre autres, dans les brevets US 3 213 178 (ELK Et, US 3 163 520 (ELKEF), US 3 615 346 et 3 679 806 (DEMAG), FR 2 431 546 (JAPAN DETALS) Mais, cette fermeture intégrale en- traîne des sujétions très contraignantes pour toutes les opérations de chargement des matières premières, de surveillance de la marche du four et de la descente et de la répartition de la charge, d'interven- tion sur les électrodes, et aussi pour la tenue de la voûte soumise à l'action directe des flammes. Cette fermeture est souvent impraticable sur un four existant, et elle alourdit le devis de construction d'un nouveau four de façon souvent dissuasive. -2- Dans le brevet US 4 005 252 (ELKE?, on décrit un dispositif de cap- tage des gaz émis par un four ouvert, constitué par un corps annulai- re disposé à la partie supérieure et à l'intérieur du four, d'une part, et par la cuve de ce dernier, d'autre part, les deux éléments mobiles l'un par rapport à l'autre étant reliés par un joint d'étan- chéité Dans sa partie située à l'intérieur du four, le dispositif est constitué par une cloison étanche inclinée qui pénètre obligatoi- rement dans la charge jusqu'à une profondeur qui atteint habituelle- ment le niveau des extrémités des électrodes Des moyens hydrauliques permettent de faire tourner le dispositif par rapport à la cuve Ce dispositif est relativement compliqué, et on peut se poser la ques- tion de sa fiabilité et de son efficacité, étant donné sa position par rapport à la charge et aux électrodes. La présente invention se propose de résoudre par un nouveau moyen simple, efficace et fiable, le problème du captage des gaz combus- tibles. Un premier objet de l'invention est un procédé de récupération de gaz combustibles dans un four d'électrométallurgie comportant une en- veloppe métallique externe et un garnissage réfractaire interne dans lequel au moins un composé oxydé est réduit par du carbone, les diffé- rents constituants étant introduits sous forme d'une charge divisée qui descend progressivement vers la zone de réaction en passant par une zone de frittage, procédé selon lequel on capte par aspiration les gaz combustibles produits dans la zone de réactionpar une plura- lité d'orifices ménagés dans l'enveloppe métallique externe et le gar- nissage réfractaire interne, et disposés à un niveau correspondant à la partie inférieure de la charge avant son entrée dans la zone de frittage. Un autre objet de l'invention est un dispositif pour la mise en oeu- vre du procédé de récupération de gaz combustibles comportant une plu- ralité d'orifices ménagés dans l'enveloppe métallique externe et le garnissage réfractaire interne, chaque orifice étant relié à une ca- nalisation qui débouche à l'extérieur de l'enveloppe métallique ex- -3- terne et qui est connectée à un moyen d'aspiration des gaz. L'invention a été spécialement réalisée pour des fours entièrement ouverts, mais on verra que rien ne s'oppose à sa mise en oeuvre dans des fours semi-fermés ou fermés. La figure 1 montre schématiquement, en coupe verticale, un four équipé du dispositif objet de l'invention. Le four comporte une carcasse métallique externe ( 1), un garnissage réfractaire ( 2), complété, s'il y a lieu, selon le type de fabrication envisagée, par un garnissage carboné ( 3) dans la partie inférieure en contact avec le métal liquide ( 4). Le trou et le bec de coulée n'ont pas été représentés Le courant est amené par les électrodes ( 5), qui peuvent être en nombre quelconque selon le type de four. En fonctionnement normal, la charge ( 6), qui est essentiellement for- mée d'un mélange de minerai oxydé, de réducteur carboné (charbon mi- neral, charbon de bois, coke, bois, etc) et, éventuellement, d'additions telles que de la chaux pour former un laitier avec les constituants du nineraiet des déchets ou du minerai de fer si l'on fabrique un ferroalliage comporte, du haut vers le bas, plusieurs zones: 1 la zone A, qui est la charge "froide", en cours de préchauffage. par la conduction thermique et, en l'absence de la mise en oeuvre de l'invention, par la combustion, en surface, des gaz et, notam- ment, du monoxyde de carbone, produits par les réactions de réduc- tion carbothermique dans la zone C. 2 la zone B, dans laquelle, en raison de la température croissante qui atteint et dépasse environ 1000 à 1200 'C, commence le "frittage" de la charge, du fait du ramonlissement progressif de ses constitu- ants les plus fusibles. 3 la zone C, qui est la zone de réaction proprement dite, directe- ment soumise au rayonnement de l'arc, et dans laquelle se produi- -4- sent l'essentiel des réactions conduisant au métal qui se rassen ble en ( 4), surmonté, le cas-échéant, d'une couche de laitier ( 7), et à la formation de l'oxyde de carbone. La demanderesse a constaté qu'il était possible de collecter la plus grande partie des gaz de réaction en disposant, à la périohérie du four, une pluralité d'orifices débouchant dans la charge, et à un ni- veau qui se situe sensiblement à la transition entre les zones A et B et en procédant, par ces orifices, à une aspiration pour extraire ces gaz et les conduire jusqu'à des moyens de récupération et d'utilisa- tion immédiate ou différée. Les orifices de captage ( 8) peuvent déboucher au ras du garnissage ou être légèrement en retrait ou en saillie Il est préférable de pré- voir des moyens pour éviter que les constituants de la charge n'aient tendance à s'introduire dans les orifices de captage en jouant soit sur leur forme et leur orientation, soit sur la géométrie du garnis- sage réfractaire ( 2) dans la partie qui surmonte les orifices Le nombre et la dimension des orifices ( 8) et la section transversale totale des orifices doivent être adaptés à la géométrie du four. Un captage par un anneau continu, entourant le four, est concevable, mais il a l'inconvénient d'affaiblir la structure du four au niveau de cet anneau. Dans une réalisation particulière, sur un four d'essai de 120 k W des- tiné à la production de silicium métal, on a prévu 12 orifices équi- distants, à section rectangulaire de 140 x 60 mm, le grand côté étant horizontal, représentant 75 % de la surface interne du réfractaire à ce niveau. Il est également préférable de disposer dans les canalisations ( 9) qui se raccordent aux orifices ( 8) des moyens tels que le ringard ( 0) pour décolmater éventuellement les orifices soit manuellement, soit de façon automatique en fonction d'un programme préétabli ou d'une mesure de débit ou de pression indiquant la nécessité de cette cpération. -5- Les canalisations ( 9) sont reliées par un tube ( 11) à un collecteur central ( 12) situé dans l'axe du four Cette disposition n'est pas obligatoire, mais elle présente le double avantage d'une perte de charge analogue sur les différents circuits aboutissant aux diffé- rents orifices, et d'unme adaptation facile à un four animé d'une rotation autour de son axe, en constituant le collecteur ( 12) en deux parties, une supérieure ( 13), solidaire du four, et une partie infé- rieure fixe ( 14) avec, entre les deux, un joint tournant étanche ( 15), la partie fixe ( 14) étant reliée au moyen d'aspiration des gaz, non représenté. Il est également possible de prévoir, sur les canalisations ( 9 ou 11) des moyens de réglage du débit d'aspiration, qui peuvent aller jus- qu'à la fermeture totale et qui peuvent être asservis à plusieurs paramètres tels que le débit, la pression, la température, la teneur du gaz aspiré en un constituant donné. La mise en marche de l'aspiration des gaz, dans le dispositif objet de l'invention, se traduit de façon visible par la diminution progres- sive des flammes à la partie supérieure de la charge. Sur un four destiné à la production de silicium métal, les gaz cap- tés avaient une composition située dans les limites suivantes: CO: 90 95 % CO 2: 1 2 % 2 7 N 2: 3 7 % avec, en outre, de petites quantités d'oxygène, de méthane et homo- logues supérieurs, d'hydrogène et de vapeur d'eau. Le taux de récupération du monoxyde de carbone, par rapport h la quantité théorique calculée est au moins égal à 60 % et atteint faci- lement 70 % et même plus. Si l'on augmente l'aspiration, les flammes disparaissent totalement à la surface de la charge, mais l'analyse des gaz montre que la proportion de CO a quelque peu diminué, et la proportion d'azote a -6- augmenté, ce qui montre que l'on a aspiré, au travers de la charge, lun peu d'air extérieur. Il y a donc, en fonction de l'épaisseur de la charge et de sa permé- abilité, un niveau d'aspiration optimal que l'homme de l'art détermi- nera aisément, par exemple en mesurant le débit d'aspiration et la te- neur en C O O et N 2 des gaz aspirés. Le gaz combustible ainsi récupéré peut être utilisé par tout procédé connu, de façon immédiate ou différée, et, en particulier: Pour préchauffer ou préréduire les constituants de la charge avant leur introduction dans le four. Pour effectuer diverses opérations métallurgiques faisant appel à un gaz réducteur. Pour produire, dans une chaudière, de la vapeur capable d'entraîner une génératrice électrique. Pour alimenter une turbine-à gaz couplée à une génératrice électri- que. La mise en oeuvre de l'invention procure un certain nombre d'avan- tages: 1 Dans la conception du four: En dehors de l'adjonction des orifices de captage et des canalisa- tions, le four n'est pas modifié et l'invention peut être mise en oeu- vre sur des fours existants au prix de modifications relativement mi- neures. 2 Dans la conduite du four: L'aspiration des gaz abaisse la température superficielle du four Du fait que le CO et les produits volatils combustibles ne bralent plus en surface, on réduit fortement le rayonnement, d'ou résultent une amélioration importante des conditions de travail et une plus grande longévité des équipements (porte-1 électrodes, engins de service) En outre, la charge a moins tendance à coller et descend plus réguliè- rement. S'y ajoutent tous les avantages classiques des fours ouverts: -7- facilité de piquage, d'égalisation de la charge qui est amenée loca- lement par une trémie de chargement, de récupération des mégots d'électrodes et contrôle visuel permanent auquel le personnel d'ex- ploitation reste très attaché, et que l'on n'a plus dans les fours S fermés. La marche du four n'est pas perturbée par le captage des gaz combus- tibles. 3 Dans la récupération d'énergie: Par combustion de ce gaz, et, selon le type de fabrication, on peut récupérer: - soit sous forme thermique, au moins 60 % (et plus) de l'énergie électrique injectée, soit sous forme électrique jusqu'à 20 % de cette même énergie. Les gaz captés sont relativement propres et peu chargés en poussière. Leur température est relativement basse C 100 à 200 dans le collec- teur ( 12)_ 7, contrairement à ce qui se passe dans les fours semi- fermés dans lesquels les gaz de combustion sortent à température éle- vée ce qui implique des installations de dépoussiérage capables de résister à cette température, et une inséparabilité des fonctions de "dépoussiérage" et "récupération de chaleur", ce qui est très génant si l'une d'elles est sujette à une parolnne. Il imp)orte, cependant, de souligner que l'invention pourrait égale- ment s'appliquer à des fours fermés ou semi-fermés, sans les inconvé- nients que l'on vient de si gnaler, en particulier du fait de la fai- ble température de la partie supérieure de la charge (ce qui -règle le problème de tenue de la voûte), et que les gaz sont collectés avant combustion, donc à température relativement basse. 251742 2 -8 REVNDICATIONS 1 / Procédé de récupération de gaz combustibles dans un four d'électrométallurgie comportant une enveloppe métallique externe et un garnissage réfractaire interne dans lequel au moins un composé oxydé est réduit par du carbone, les différents constituants étant introduits dans le four sous forme d'une charge divisée qui descend progressivement vers la zone de réaction en traversant une zone de frittage, caractérisé en ce que l'on capte par aspiration les gaz combustibles produits dans la zone de réaction par une pluralité d'orifices ménagés dans l'enveloppe métallique externe et le garnis- sage réfractaire interne, disposés à un niveau correspondant à la partie inférieure de la charge divisée et avant son entrée dans la zone de frittage. 2 / Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que l'aspira- tion des gaz collectés par chaque orifice est asservie à au moins un des paramètres: température, pression et débit des gaz, concen- tration des gaz en monoxyde de carbone, en azote, ou autre consti- tuant. / Procédé selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les gaz collectés à chaque orifice sont conduits à un collecteur central et dirigés à volonté vers un moyen de stockage pour utilisation dif- férée, ou vers un moyen d'utilisation immédiate. 4 / Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de récupération de gaz combustibles, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'orifices ( 8), ménagés dans l'enveloppe métallique externe ( 1) et le garnissage réfractaire interne ( 2), disposés à un niveau correspondant à la partie inférieure de la charge divisée avant son entrée dans la zone de frittage, chaque orifice étant relié à une canalisation ( 9) qui débouche à l'extérieur de l'enveloppe métallique ( 1) externe et qui est connectée à des moyens d'aspiration et à des moyens d'utilisa- tion immédiate ou différée des gaz combustibles. / Dispositif selon revendication 4, caractérisé en ce que chaque canalisation ( 9) est munie d'un moyen ( 10) de décolmatage de l'ori- fice ( 8) correspondant. 6 / Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que chaque canalisation ( 9) est reliée par un tube ( 11) à un collecteur ( 12). 7 / Dispositif selon revendication 6, caractérisé en ce que le collecteur ( 12) est disposé dans l'axe vertical du four et en ce que les canalisations ( 9) et les tubes ( 11) offrent, au passage des gaz, une perte de charge sensiblement égale. 8 / Dispositif selon revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le collecteur ( 12) est en deux parties ( 13) ( 15) reliés par un joint tournant ( 14), dans le cas o la cuve du four tourne autour de son axe. 9 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que chaque canalisation ( 9) ou chaque tube ( 11) possède un moyen individuel de réglage du débit de gaz collectés. / Dispositif selon revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de réglage du débit de gaz collectés sont connectés à un moyen d'asservissement à au moins un des paramètres: température, pression et débit des gaz, concentration en monoxyde de carbone, en azote, ou autre constituant.