Brevet FR2552778A1 — publié le 19850405

La présente invention concerne un procédé de traitement pyrométallurgique de matières solides à grains fins donnant des produits liquéfiés aux températures de traitement, comme par exemple des concentrats de minerais de S métaux non ferreux, avec des gaz contenant de l'oxygène, les matières solides étant mélangées avec les gaz sous forme d'une suspension et étant insufflées au moyen d'une tuyère dans un volume de réaction o les matières solides sont mises en réaction et fondues dans un jet de particules de 10 grande densité d'écoulement de matière et de température élevée, conformément à la demande de brevet allemand P 32 12 100 8 En outre l'invention concerne une installation pour la mise en oeuvre du procédé. L'objet de la demande de brevet allemand précitée 15 concerne un procédé et une installation pour effectuer des processus pyrométallurgiques, notamment pour faire réagir par fusion des matières solides à grains fins, qui sont introduites au moyen d'une tuyère sous forme d'un mélange de matières solides et de gaz réagissant exothermiquement et qui sont insufflées sur un bain de fusion sous forme d'un jet vertical de particules de grande densité d'écoulement de matière Pour la formation du jet vertical de particules, la matière solide à grains fins, par exemple un concentrat sulfuré de minerai de métaux non ferreux, est mise es suspen25 sion dans de l'oxygène et est canalisée dans une tuyère d'accélération qui est disposée dans la paraoi de: toit d'un réacteur de fusion Pour l'inflammation du jet de particules, il est prévu une flamme annulaire d'inflammiatian qui entoure concentriquement le jet dans la zone de l'embouchure de la 30 tuyère Du fait que dans un jet de particules en combustion, à cause des hautes températures supérieures à 1700 àK, de la grande surface de réaction et de l'échange intensif de matières entre le gaz et la matière solide, on est assuré d'obtenir de hauts degrés de volatilisation de métaux d'accompagnement volatils et de hauts degrés de fusion de constituants non volatils, la réaction de fusion du procédé conforme à la demande de brevet allemand précitée est particulièrement importante pour la production pyrométallurgique 2 2552778 directe par exemple de cuivre à partir de concentrats sulfurés de minerai de cuivre, également à partir de concentrats complexes, en produisant un cuivre brut comparativement pur et un laitier pauvre en cuivre. L'invention a pour but d'apporter des perfectionnements à l'objet de la demande de brevet allemand L'objet de la présente invention consiste en ce que le jet de particules est injecté dans le volume de réaction sous la forme d'un jet libre groupé ayant une densité d'écoulement de 10 matière supérieure à 50 kg/m 2 seconde et une vitesse élevée supérieure à 35 m/s excluant un rétro-allumage dans le jet et en ce que le jet de particules est enflammé par ses gaz de combustion chauds et/ou par une flamme d'allumage. La grande densité d'écoulement de matière du jet de particules contenant les matières solides donnant des produits liquéfiés aux températures de traitement permet d'obtenir une grande vitesse de projection des particules, supérieure à 35 m/s et qui est d'autant plus élevée que le 20 gaz de suspension du jet est plus faiblement enrichi en oxygène Des densités d'écoulement de matière et des vitesses aussi élevées du jet de particules permettent d'obtenir de forts débits spécifiques pour le réacteur de fusion avec mise en suspension, ainsi que des temps de 25 réaction qui sont de l'ordre de quelques fractions de secondes Du fait des grandes vitesses du jet de particules, il ne se produit plus un rétro-allumage de la partie du jet en combustion dans la partie encore non en combustion et qui est adjacente à la tuyère d'injection, de sorte que le jet 30 de particules est enflammé spontanément par ses gaz de combustion chauds se trouvant à une température de 2000 K par exemple et qui sont renvoyés vers l'embouchure de la tuyère d'injection ou bien qui sont aspirés par le jet de particules, et/ou par une flamme d'allumage. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le jet de particules est injecté dans un cyclone de fusion essentiellement vertical constituant le volume de réaction de manière que le jet de particules constitue une 3 2552778 sécante à peu près horizontale par rapport à la périphérie du cyclone, cette sécante étant placée à distance de la paroi intérieure du cyclone En assurant la fusion du jet de particules dans un cyclone vertical de fusion, il est possible d'augmenter encore le débit spécifique de production, essentiellement le débit de production rapporté au volume de la chambre de réaction Du fait que le jet de particules n'est pas injecté dans le cyclone de fusion suivant une tangente mais suivant une sécante par rapport à la périphérie intérieure du cyclone, on obtient l'avantage que la paroi refroidie du cyclone n'extrait pas trop de chaleur du jet de particules de sorte que le degré de volatilisation des métaux d'accompagnement volatilisables et le degré de fusion des constituants non volatilisables 15 peuvent être augmentés au maximum Grâce à l'injection du jet de particules non suivant une tangente mais suivant une sécante dans le cyclone de fusion, on évite en outre que, par un effet de déflecteur, le jet de particules soit divisé dans le cyclone de fusion de telle sorte que les plus grosses 20 particules solides parviennent plus rapidement sur le film de fusion se trouvant sur la paroi intérieure du cyclone que les particules solides plus petites, ce qui se traduirait par une inégalité de traitement des particules du jet et le cas échéant par une réaction incomplète de ces particules. 25 Le débit spécifique de production du cyclone de fusion est encore augmenté lorsque, conformément à une autre caractéristique de l'invention, on injecte dans le cyclone vertical de fusion constituant le volume de réaction plusieurs, par exemple quatre jets de particules, situés dans 30 un plan horizontal de section du cyclone, le long d'une sécante de manière que les jets de particules n'entrent pas en collision Tous les jets de particules injectés suivant une sécante dans le cyclone et répartis dans un plan de section sur la périphérie du cyclone sont traités de façon 35 complètement uniforme car les temps de séjour de tous les jets de particules sont égaux pour des sécantes de même longueur et pour des hauteurs égales de tous les jets de particules jusqu'à l'ouverture de décharge du bain de fusion 4 2552778 qui est prévue à l'extrémité inférieure du cyclone de fusion. Par contre, dans le cas d'un cyclone de fusion non vertical, et notamment dans le cas d'un cyclone de fusion horizontal, comme cela correspond à l'art antérieur ( par exemple la demande de brevet allemand DE-OS 20 06 945 1, par suite de la masse en fusion se rassemblant sur la paroi intérieure située en bas du cyclone, on ne peut effectuer une injection multiple de matières solides que le long de 10 la génératrice supérieure du cyclone de sorte que les différentes zones d'injection de matière solide doivent être placées dans différents plans de section du cyclone de fusion, o il existe pour les matières solides injectées à chaque fois des conditions différentes de réaction et des 15 temps de séjour différents, ce qui a pour conséquence un traitement non uniforme des matières solides dans un cyclone de fusion horizontal On remédie conformément à l'invention à cet inconvénient important car, dans le cas d'un cyclone vertical 20 de fusion, il est possible de placer à la même hauteur plusieurs ouvertures d'injection de matières solides qui sont réparties sur la périphérie du cyclone et o les conditions de réaction sont identiques sur toute la périphérie du cyclone. L'installation pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisée conformément à l'invention en ce qu'il est prévu au moins une tuyère d'injection qui est disposée dans la virole du cyclone de fusion de manière que les orifices de sortie des tuyères assurant l'éjection de la 30 suspension matière solide/gaz sortant sous forme d'un jet groupé de particules soient dirigés suivant une sécante par rapport à la périphérie intérieure du cyclone séparateur vers la paroi de cyclone placée en regard de la tuyère correspondante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin unique annexé qui est une coupe horizontale schématique 2552778 d'un cyclone vertical de fusion pour la mise en oeuvre de l'invention. Le dessin représente schématiquement une coupe horizontale d'un cyclone vertical de fusion comportant une paroi refroidie 10 en forme d'anneau circulaire, qui diminue de section vers le bas avec un profil conique en direction de l'ouverture centrale 11 de décharge du cyclone Le diamètre intérieur du cyclone de fusion s'élève dans sa zone supérieure à environ 2,25 m Dans cette zone, la paroi 10 du cyclone de fusion est équipée de quatre tuyères d'injection 12 a à 12 d réparties sur la périphérie et servant à l'injection d'une suspension formée par exemple d'un concentrat sulfuré de minerai de cuivre et d'un gaz contenant de l'oxygène Les tuyères d'injection 12 a à 12 c respectivement 15 identiques se composent chacune d'un tube intérieur 13 a à 13 c, dans lequel pénètre de l'air primaire préchauffé 14 a à 14 c, qui peut être enrichi en oxygène jusqu'à environ 40 % et qui est mélangé avec le concentrat de minerai De l'air secondaire 15 a à 15 c, qui peut également être enrichi en 20 oxygène, est mis en turbulence dans un carter en spirale 16 a à 16 c, il s'écoule à une vitesse d'environ 100 m/s dans un volume annulaire entourant concentriquement les tubes 13 a à 13 c et il se mélange dans la zone de l'embouchure de tuyère d'injection avec la suspension de concentrat/air 25 primaire. A la différence des tuyères d'injection 12 a à 12 c, la tuyère d'injection 12 d fonctionne par exemple sans air secondaire et avec de l'oxygène 17 à la place de l'air primaire Les quatre tuyères d'injection 12 a à 12 d sont disposées dans la virole 10 du cyclone de manière que les orifices de sortie des tuyères permettant l'injection de la suspension matière solide/gaz sortant sous forme d'-un jet groupé de particules 18 a à 18 d soient orientés suivant une sécante par rapport à la périphérie intérieure du cyclone de 35 fusion en direction de la paroi de cyclone placée respectivement en regard de la tuyère correspondante, o les particules des jets 18 a à 18 d ayant réagi et essentiellement liquéfiées arrivent sur le film de fusion tournant sur la paroi intérieure du cyclone La direction de rotation du film de fusion est indiquée par les flèches 19 a à 19 d du tourbillon formé par les gaz de combustion ou les fumées se formant dans le cyclone de fusion. Les jets de particules 18 a à 18 d sont injectés dans le cyclone de fusion sous la forme de jets groupés libres ayant une densité d'écoulement de matière supérieure à 50 kg/m 2 seconde, qui peut augmenter jusqu'à 5000 kg/m 2. seconde et plus, ainsi qu'une grande vitesse excluant un 10 rétroallumage dans le jet, sous forme de sécantes à peu près horizontales dans le cyclone de fusion, cette vitesse étant supérieure à 35 m/s pour la tuyère 12 d opérant avec de l'oxygène et étant supérieure à 100 m/s, par exemple de 177 m/s, pour les tuyères 12 a à 12 c opérant avec de l'air 15 ou bien avec de l'air enrichi en oxygène, cette vitesse étant mesurée à chaque fois dans l'embouchure de tuyère. Pour des températures très élevées de 2000 OK et plus, les particules réagissent dans le jet avec les gaz chauds 19 a à 19 d tournant avec une forte turbulence en quelques fractions 20 de secondes:et les constituants non volatilisables fondent. Alors que les jets de particules 18 a à 18 c sont enflammés d'eux-mêmes par les gaz chauds 19 a à 19 c tournant à l'intérieur du cyclone, on injecte dans l'exemple de réalisation représenté sur les dessins un gaz d'allumage 20 dans le volume annulaire de la tuyère 12 d, de sorte qu'il se produit dans l'embouchure de tuyère une flamme d'allumage 21, représentée en pointillés sur le dessin et entourant avec une forme annulaire le jet de particules 18 d, cette flamme enflammant spontanément le jet de particules 18 d. Avec l'agencement conforme à l'invention du ou des jets de particules, les conditions de réaction dans le cyclone de fusion sont améliorées par le fait qu'aussi bien les fumées 19 a à 19 d que le film de fusion se formant sur la paroi intérieure du cyclone sont soumis à un mouvement 35 puissant de rotation Les deux phases, c'est-à-dire la matière fondue et les fumées très fortement enrichies en SO 2 sortent du cyclone de fusion par l'intermédiaire de l'orifice de sortie 11 placé au centre à son extrémité inférieure Comme le montre nettement le dessin, les tuyères d'injection 12 a à 12 d sont disposées de manière que les jets de particules 18 a à 18 d sortant des tuyères suivant des sécantes n'entrent pas mutuellement en collision On peut également éviter une intersection des jets de particules en faisant en sorte que les zones d'arrivée des jets de particules sur la paroi du cyclone soient respectivement décalées en hauteur par rapport à la tuyère d'injection respectivement adjacente, ce résultat pouvant être obtenu 10 par une légère inclinaison des jets de particules à partir du plan commun horizontal de section de cyclone. La fusion de jets de particules réalisée conformément à l'invention dans un cyclone vertical de fusion est également applicable avec un bon rendement à des matériaux 15 difficiles à mettre en oeuvre, par exemple pour obtenir des métaux nobles à partir de concentrats de minerais complexes ou bien à partir d'une matière difficile à réagir et qui était rejetée jusqu'à maintenant sur le terril, par exemple des cendres qui contiennent du charbon graphitisé 20 et difficilement inflammable. REVENDICATIONS 1 Procédé de traitement pyrométallurgique de matières solides à grains fins donnant des produits liquéfiés aux températures de traitement, comme par exemple des concentrats de minerais de métaux non ferreux, avec des gaz contenant de l'oxygè-ne, les matières solides étant mélangées avec les gaz sous forme d'une suspension et étant insufflées au moyen d'une tuyère dans un volume de réaction o les matières solides sont mises en réaction et fondues dans un jet de particules de grande densité d'écoulement de matière et de température élevée, caractérisé en ce que le jet de particules est injecté dans le volume de réaction sous la forme d'un jet libre groupé ayant une densité d'écoulement de matière supérieure à 50 kg/m 2 seconde et une 15 vitesse élevée supérieure à 35 m/s excluant un rétro-allumage dans le jet et en ce que le jet de particules est enflammé par ses gaz de combustion chauds et/ou par une flamme d'allumage. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce le jet de particules est injecté dans un cyclone de fusion essentiellement vertical formant le volume de réaction de manière que le jet de particules constitue par rapport à la périphérie du cyclone une sécante à peu près horizontale qui est placée à distance de la paroi intérieure du cyclone. 25 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la formation du jet de particules injecté, les matières solides à grains fins ont été mises en suspension dans de l'oxygène ou bien en ce que, lors de l'utilisation d'air primaire, qui contient environ jusqu'à 40 % d'oxygène, 30 la suspension matière solide/air primaire est mélangée dans la zone de l'embouchure de tuyère avec de l'air secondaire enrichi le cas échéant également en oxygène. 4 Procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la vitesse du jet de particules est 35 d'autant plus grande que 35 m/s que l'enrichissement en oxygène du gaz de suspension de jet est plus faible. Procédé selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que plusieurs, par exemple quatre jets de Farticules, placcs peu pres dans un plan horizontal de section de cyclone dans le cyclone vertical de fusion formant le v Lime de réaction, sont injectés chacun le long d'une sécante de telle sorte que les jets de particules ne se rencontrent pas. 6 Procédé selon une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les particules du jet ayant réagi et en majeure partie à l'état liquéfié arrivent avec une grande force d'impact, du côté opposé à la tuyère d'injection, sur le film en fusion tournant sur la paroi intérieure du cyclone. 7 Installation pour le traitement pyrométallurgique de matières solides à grains fins donnant des produits liquéfiés aux températures de traitement, comme par exemple 15 des concentrats de minerais de métaux non ferreux, avec des gaz contenant de l'oxygène, comportant un cyclone de fusion pourvu d'au moins une tuyère d'injection disposée sur la virole du cyclone et servant à injecter une suspension de matières solides/gaz, caractérisée en ce que la tuyère 20 d'injection ( 12 a à 12 d) est disposée dans la virole du cyclone de fusion ( 10) de manière que les orifices de sortie des tuyères assurant l'éjection de' la suspension matière solide/gaz sortant sous forme d'un jet groupé de particules ( 18 a à 18 d) soient dirigés suivant une sécante par rapport à la périphérie intérieure du cyclone séparateur vers la paroi de cyclone placée en regard de la tuyère correspondante. 8 Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le cyclone de fusion ( 10) est disposé sensiblement 30 verticalement et est pourvu, dans une zone supérieure de sa paroi, de plusieurs, par exemple quatre, tuyères d'injection ( 12 a à 12 d) réparties sur sa périphérie. 9 Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que les tuyères d'injection ( 12 a à 12 d) sont placées 35 dans un plan de section de cyclone sensiblement horizontal de telle sorte que les jets de particules sortant des tuyères suivant des sécantes ne puissent pas se rencontrer mutuellement.