Brevet FR2512313A1 — publié le 19830304

Procédé d'utilisation d'un dispositif de chauffage à arc à plasma pour fournir de l'énergie thermique à un réacteur. La présente invention concerne un procédé pour utiliser un dispositif de chauffage à arc à plasma pour fournir de l'éner- gie thermique à un réacteur, et un appareil pour mettre en oeuvre le procédé Le réacteur ressemble à un four à cuve rempli d'un matériau de réduction solide et en fragments, dans lequel est envoyé un matériau pulvérulent réacteur, et o se produisent des réactions endothermiques, de préférence la réduction d'un oxyde métallique en métal. Lors de la production de métaux à partir de matériaux contenant un oxyde métallique au moyen d'un gaz de réduction dans un four à cuve rempli d'un agent réducteur, il est connu en soi de fournir l'énergie thermique au gaz de réduction au moyen d'un dispositif de chauffage à arc à plasma On fait passer le gaz au travers d'un arc électrique engendré dans le dispositif de chauffage, suite à quoi le gaz est converti sous forme de plasma L'oxyde métallique pulvérulent est injecté en même temps que le gaz de réduction et il est envoyé dans le gaz à l'aval de l'arc électrique, c'est-à-dire dans le plasma gazeux qui est formé Un gaz qui contient de l'oxygène, un élément formateur de scories, des matériaux charbonneux tels que des hydrocarbures, de l'huile ou une boue de charbon, etc, peut être également envoyé à l'amont, dans et/ou à l'aval de l'arc électrique Ce procédé est extrêmement effica- ce et avantageux, aussi bien du point de vue économique que technique, mais il reste certains problèmes à résoudre. Les dispositifs de chauffage à arc à plasma actuels utili- sent un arc interne, c'est-à-dire un arc engendré entre deux électrodes espacées à l'intérieur du dispositif de chauffage. Quand le plasma gazeux très chaud qui est engendré vient en contact avec le dispositif de chauffage, on constate une dissipation considérable de la chaleur par les parois Pour éviter ce phénomène, on fait tourner le gaz de manière que du gaz froid balaye les surfaces de l'électrode, augmentant ainsi le rendement Cependant, ceci entraîne divers inconvénients. La rotation du gaz entraîne sa projection radiale vers l'extérieur quand il sort du dispositif de chauffage Les parois du récipient du réacteur sont alors soumises à des contraintes locales très considérables, ayant pour résultat une détérioration rapide de la chemise du four dans cette zone, et provoquant des arrêts de fonctionnement et de coû- teuses réparations La rotation du gaz entraîne également des difficultés pour l'injection du matériau pulvérulent dans le courant gazeux, du fait que de petites particules tendent à être expulsées du courant gazeux en raison de la rotation. D'autres inconvénients viennent de ce que les dispositifs de chauffage à arc à plasma comprenant un arc interne entraî- nent une usure très importante des-deux électrodes qui doivent être souvent changées En outre, une grande partie des pertes de chaleur dans le dispositif de chauffage vient des pertes d'électrodes. De façon surprenante, on a constaté que grâce au procédé décrit dans l'introduction de cette demande, il est possible d'éliminer sensiblement les inconvénients indiqués ci-dessus. En conséquence, la présente invention propose un procédé d'utilisation d'un dispositif de chauffage à arc à plasma pour fournir de l'énergie thermique à un réacteur se présentant sous forme d'un four à cuve rempli d'un matériau de réduction, comprenant le fait de faire passer un gaz de réduction en totalité ou en partie par le dispositif de chauffage et de le convertir en plasma gazeux, d'envoyer un matériau pulvérulent au réacteur pour que se déroulent les réactions endothermiques, et d'envoyer l'énergie thermique par un arc électrique externe, dont une électrode est constituée par le dispositif de chauf- fage et l'autre électrode par le matériau contenu dans le four à cuve. L'utilisation d'un arc externe ou transféré est connue en soi dans le domaine de la sidérurgie, bien que seulement pour la fusion de l'acier, c'est-à-dire la fusion de riblons Dans cette technique, on utilise pour former le-plasma gazeux un gaz inerte tel que de l'argon, le gaz n'étant utilisé que pour former le ulilieu pour l'arc électrique et ne prenant pas part à une réaction chimique quelconque Dans ce procédé connu (voir "Iron and Steel Engineer", octobre 1980, pages 81-82 "Plasma steelmaking The Freital system"), on utilise un four de fusion à plasma, comprenant plusieurs dispositifs de chauf- fage à arc à plasma disposés angulairement et coopérant avec une électrode inférieure centrale Le principe est générale- ment le même que celui des fours à arc électrique classiques, mais les électrodes verticales en graphite sont remplacées par des dispositifs de chauffage à arc Cependant, il-n'a jamais été proposé d'utiliser dans la pratique un arc transféré selon la présente invention, o l'agent réducteur contenu dans le réacteur est utilisé comme électrode pour la réduction directe de l'oxyde métallique en métal. Grace au procédé de l'invention, on a constaté avec sur- prise qu'il était possible d'obtenir un arc stable entre d'une part le matériau de réduction solide contenu dans le réacteur, et d'autre part le dispositif de chauffage à arc faisant saillie au travers de la paroi du réacteur Au cours de la phase de démarrage, une cavité est immédiatement formée à l'amont de la sortie du dispositif de chauffage, en raison de la température très élevée Les réactions désirées se dérou- lent ensuite dans cette cavité Il est également surprenant que l'agent de réduction solide contenu dans le réacteur ne soit consommé que dans de très faibles proportions après qu'ait été formée la cavité, et qu'il n'y ait pas d'affaisse- ment du matériau solide qui pourrait conduire à la formation d'un arc instable. Le procédé selon l'invention procure également un avantage substantiel venant de l'élimination totale de l'une au moins des électrodes, du fait que l'agent de réduction fonctionne en tant qu'électrode Quand le matériau réducteur tel que du coke fonctionne en tant qu'électrode, une partie de celui-ci est naturellement consommée, mais même dans ce cas, ceci constitue un bénéfice du point de vue du procédé se présentant sous la forme de carbone oxydé en monoxyde de carbone et en dioxyde de carbone En outre, il n'est plus nécessaire de maintenir le gaz en rotation, ce qui facilite à la fois l'introduction du matériau pulvérulent dans le courant gazeux et évite les effets nocifs sur la chemise du four que l'on constatait dans les procédés classiques. Un autre avantage vient du fait qu'il y a une chute de tension de l'électrode dans l'agent de réduction, ce qui augmente encore plus le rendement d'environ 5 %, ceci consti- tuant une augmentation considérable pour un rendement déjà élevé. L'invention procure également un appareil pour mettre en oeuvre une réaction endothermique en utilisant des dispositifs de chauffage à arc à plasma pour l'alimentation en énergie thermique d'un réacteur, en utilisant un gaz de réaction qui est entièrement ou partiellement envoyé dans le réacteur et converti en plasma gazeux, l'appareil comprenant un réacteur se présentant sous la forme d'un four à cuve devant être rempli d'un matériau de réduction, une section de chargement à la partie supérieure du réacteur pour envoyer de façon continue le matériau de réduction solide en fragments et pour déterminer une baisse de pression de manière que les gaz chauds contenus dans le réacteur ne soient pas déviés du fait du contre-courant supérieur vers la section d'alimentation, une sortie de gaz dans la partie supérieure du réacteur, des sorties au fond du réacteur et destinées au métal et aux scories respectivement, un dispositif de chauffage à arc à plasma comprenant des conduites d'alimentation pour le maté- riau pulvérulent et le gaz de réduction à la partie inférieure du réacteur et reliées à une source de courant, et des conduc- teurs de courant prévus pour être immergés dans le matériau de réduction qui a été alimenté par l'intermédiaire de ladite section de chargement supérieure, lesdits conducteurs de courant étant reliés à la source de courant du dispositif de chauffage de manière que le matériau réducteur puisse former une électrode et que le dispositif de chauffage à arc à plasma forme l'autre électrode dans un circuit électrique, en vue d'engendrer un arc électrique externe. De préférence, les conducteurs de courant sont mis à la terre, mettant ainsi également à la terre l'agent de réduction utilisé dans le réacteur On obtient ainsi un avantage résul- tant du fait qu'il est inutile de prévoir une isolation entre le dispositif de chauffage et le four du fait que le carter du dispositif de chauffage est également relié à la terre On élimine ainsi totalement tout risque pour le personnel tra- vaillant dans l'usine, qui serait provoqué par l'électricité de l'arc. Pour mieux comprendre la présente invention, on en décrira maintenant et simplement à titre d'exemple un mode dé réalisa- tion, avec référence au dessin ci-annexé dans lequel l'unique figure représente un mode de réalisation de l'appareil selon l'invention. La figure n'est qu'une vue schématique d'un mode de réali- sation préféré d'un appareil selon l'invention, et les détails qui y sont incorporés peuvent être appliqués à d'autres modes de réalisation sans s'écarter du concept inventif tel qu'il est défini par les revendications. En principe, l'appareil comprend un réacteur 1 comportant une section supérieure de chargement étanche 2, et dans lequel est disposé au moins un dispositif de chauffage à arc à plasma 3 et des conducteurs de courant 4. Le réacteur 1, qui ressemble à un four à cuve, est équipé à sa partie supérieure d'une sortie de gaz 5 destinée aux gaz et à tous métaux volatiles A sa partie inférieure, le réacteur 1 comprend une ouverture de sortie 6 destinée au métal et une sortie 7 située à un niveau plus élevé et destinée aux scories. En utilisation, le réacteur est rempli d'un matériau de réduc- tion solide en fragments 8 qui, à mesure qu'il est consommé, est continuellement fourni au réacteur par l'intermédiaire de la section de chargement supérieure 2. La section de chargement supérieure 2 comprend de préfé- rence une multiplicité de conduites d'alimentation fermées 9 réparties uniformément autour de la périphérie du réacteur 1. La partie supérieure 2 autorise une alimentation continue du matériau réducteur, en fonction des besoins, alors que dans le même temps il forme une trape à gaz, ce qui signifie que la baisse de pression le long des conduites 9 est si importante que le gaz ne peut pas sortir par cette voie Par mesure de sécurité, on peut envoyer de l'azote sous pression dans la chambre de tranquillisation qui alimente les conduits La sortie de gaz 5 est représentée sur la figure comme aménagée au centre de la partie supérieure, mais en variante elle peut être disposée sur le côté du réacteur 1 La structure illus- trée convient plus particulièrement au mode de réalisation comportant la partie supérieure qui vient d'être décrite. Le dispositif de chauffage à arc à plasma 3 n'est représen- té que schématiquement,-et non en coupe, du fait que son fonctionnement est rendu tout à fait clair par la description qui suit Il comprend deux électrodes cylindriques, avec un interstice annulaire intermédiaire Au moins une partie du gaz de réduction est envoyée au travers de cet interstice, éven- tuellement avec un hydrocarbure ou une autre substance, par l'intermédiaire des conduits 11, 12 Des lances ou buses 13, 14 sont disposées sur la partie avant du dispositif de chauf- fage pour injecter du matériau pulvérulent et éventuellement de l'oxygène, de l'eau et/ou un formateur de scories ou sco- rifiant Le dispositif de chauffage peut en outre comprendre une entrée amont 15 destinée à un gaz comprimé tel que de l'argon ou de l'air, pour souffler à l'intérieur du réacteur un arc de forme appropriée entre lesdites deux électrodes cylindriques En règle générale, il suffit d'augmenter la vitesse du courant entrant du gaz de réduction qui est envoyé dans l'interstice annulaire pour que l'arc soit soufflé à l'intérieur du réacteur et vienne à nouveau frapper le maté- riau de réduction contenu dans ce dernier. Les conducteurs de courant 4 sont disposés de manière à être immergés dans le matériau de réduction 8, chaque conduc- teur étant avantageusement en communication avec la même source de courant 16 qui alimente le dispositif de chauffage 3 Les conducteurs sont en communication avec la terre, comme le carter du dispositif de chauffage Comme déjà mentionné ci- dessus, on évite ainsi des problèmes concernant l'isolation et la sécurité des opérateurs. C'est intentionnellement que l'on exclut une description de l'équipement électrique, du fait qu'il ne fait pas partie de la présente invention et que la conception d'un système approprié est facilement à la portée d'un technicien moyen travaillant dans ce domaine Cependant on notera que le dis- positif de chauffage est relié de manière qu'une fois que l'arc engendré entre les électrodes cylindriques est soufflé à l'intérieur du réacteur et qu'un arc stable est formé entre le dispositif de chauffage et le matériau réducteur 8, l'une des électrodes du dispositif de chauffage soit déconnectée du circuit du courant. Lorsque le procédé est démarré, un arc interne est ainsi formé entre les deux électrodes cylindriques du dispositif de chauffage Le plasma gazeux ainsi formé et dont la température est de l'ordre de 50000 C brûle alors le matériau de réduction immédiatement à l'avant du dispositif de chauffage, ce qui conduit à la formation d'une cavité 17 Les réactions se déroulent ensuite dans cette cavité 17 Par la suite, ou plutôt immédiatement après, l'arc est soufflé dans la cavité et vient frapper le matériau réducteur, suite à quoi, l'une des électrodes du dispositif de chauffage peut être déconnectée. Lorsque cette opération a eu lieu, le matériau réducteur se consomme dans des proportions très faibles, par comparaison avec d'autres procédés à plasma o ce matériau est consommé de façon continue. REVENDICATIONS 1 Procédé d'utilisation d'un dispositif de chauffage à arc à plasma pour fournir de l'énergie thermique à un réacteur ( 1) se présentant sous forme d'un four à cuve rempli d'un matériau de réduction ( 8), caractérisé en ce qu'il comprend le fait de faire passer un gaz de réduction en totalité ou en partie par le dispositif de chauffage ( 3) et de le convertir en plasma gazeux, d'envoyer un matériau pulvérulent au réac- teur pour que se déroulent les réactions endothermiques, et d'envoyer l'énergie thermique par un arc électrique transféré, dont une électrode est constituée par le dispositif de chauf- fage et l'autre électrode par le matériau contenu dans le four à cuve. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les réactions se déroulent dans une cavité ( 17) formée dans le -15 matériau de réduction ( 8) à l'avant du dispositif de chauffage ( 3). 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lors du démarrage, la cavité ( 17) est déterminée par le dispo- sitif de chauffage ( 3) à l'aide d'un plasma gazeux engendré par un arc électrique interne. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moment du démarrage l'arc interne est engendré entre deux électrodes cylindriques du dispositif de chauffage ( 3) et au travers d'un interstice, cet arc interne étant ensuite soufflé à l'intérieur au moyen du gaz de réduction qui est envoyé dans l'interstice, et venant frapper le matériau de réaction contenu dans le réacteur sous forme d'un arc trans- féré, et en ce que le matériau de réduction ( 8) est en commu- nication, au moyen de conducteurs de courant, avec la source 'de courant ( 16) qui alimente le dispositif de chauffage à arc à plasma. Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce que le matériau pulvérulent est envoyé dans le plasma gazeux engendré par l'arc électrique. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce que le matériau pulvérulent est envoyé en même temps que des matériaux additifs. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la réaction endothermique est la réduction directe de l'oxyde métallique en métal.