Brevet FR2666592A1 — publié le 19920313

DISPOSITIF D'EXTRACTION DE METAUX VOLATILS, TELS QUE LE ZINC ET LE PLOMB, SOUS FORME D'OXYDES A PARTIR DE DECHETS OXYDES CONTENANT DU FER, ET PROCEDE UTILISANT CE DISPOSITIF Le domaine de l'invention est l'extraction du zinc et du plomb contenus dans des déchets oxydés renfermant du fer, tels que des poussières produites par les usines sidérurgiques. Les poussières produites par les appareils d'usines sidérurgiques, notamment les hauts-fourneaux, les convertisseurs et les fours électriques, contiennent des oxydes de fer mélangés à d'autres oxydes tels que de la chaux et de la silice. Il est souhaitable de réutiliser ces poussières, par exemple en les incorporant au minerai traité dans une chaine d'agglomération, ce qui permet de récupérer le fer qu'elles contiennent. On améliore ainsi le rendement fer global de l'usine sidérurgique. Un obstacle à un tel recyclage des poussières est cependant constitué par leur concentration relativement élevée en oxydes de zinc et de plomb. Ces éléments indésirables sont présents à l'origine dans les minerais et les ferrailles. La remise dans le circuit de production d'acier de ces poussières conduirait au bout d'un certain nombre de cycles à une détérioration importante du fonctionnement des appareils sidérurgiques, notamment des hauts-fourneaux. C'est pourquoi ce recyclage n'est pratiqué qu'après que les poussières ont été débarassées du zinc et du plomb. D'autre part, même si l'on ne désire pas recycler ces poussières, leur stockage est problématique car le zinc et surtout le plomb sont des polluants dangereux. Il est donc de toute façon préférable de récupérer le zinc et le plomb, d'autant que ces métaux peuvent être eux-mêmes valorisés. Le réacteur le plus classique pour la récupération du zinc et du plomb des poussières d'aciérie est le four dit "four WAELZ", dont le fonctionnement est décrit notamment dans l'article "Recovery of zinc and lead from electric furnace steelmaking dust at Berzelius" (journal of Metals, janvier 1980, pages 53-58). Les poussières, mélangées à du coke, sont placées dans un four rotatif dont les brûleurs fonctionnent avec un excès d'air. Les poussières sont portées à une température supérieure aux températures de vaporisation du zinc et du plomb. Les oxydes de zinc et de plomb sont réduits par le coke, le zinc et le plomb ainsi produits sont vaporisés et à nouveau oxydés par l'air en excès. Ces oxydes et les gaz résultants sont extraits du four, et les oxydes de zinc et de plomb sont ensuite filtrés et récupérés. Cette méthode n'est économiquement viable que dans le cas où la teneur en zinc des poussières dépasse 15%, ce qui en sidérurgie limite son emploi au traitement des poussières de four électrique d'aciérie. Mais elle permet d'extraire 90% environ du zinc et du plomb contenus dans les poussières initiales.Le fer qu'elles contenaient sous forme d'oxydes est récupéré sous forme métallique essentiellement, par exemple par séparation magnétique du reste des scories. Plus récemment ont été développées des installations du type dit "de fusion-reduction". Les poussières à purifier sont introduites dans un cyclone, après avoir été mélangées à de l'oxygène et à du carbone. A l'intérieur du cyclone, le mélange est porté à une température de 150O17000C. Les oxydes de zinc et de plomb sont réduits et le zinc et le plomb métalliques sont vaporisés, alors que les oxydes de fer, la silice, la chaux et les autres oxydes contenus dans les poussières sont recueillis à l'état liquide au fond d'un récipient auquel est connecté le cyclone. Les gaz s'échappant de ce récipient sont essentiellement constitués de CO, de C02 de vapeurs de zinc et de plomb. Après abaissement de leur température, ils subissent ensuite un traitement de post-combustion qui a pour effets de transformer le CO en C02 et le zinc et le plomb en oxydes, qui sont enfin filtrés et 2 récupérés. Ces appareils peuvent traiter des poussières relativement pauvres en zinc et en plomb (quelques %) dans des conditions plus économiques que les fours WAELZ.Toutefois, les rendements de récupération du zinc et du plomb y sont moindres (80-85%), notamment parce que les échanges entre l'atmosphère et le laitier liquide, après le passage dans le cyclone, sont trop limités pour que la réduction des oxydes de zinc et de plomb résiduels contenus dans le laitier liquide soit poursuivie de manière poussée. Le but de l'invention est d'améliorer les performances d'une installation du type qui vient d'être décrit, sans pour autant lui adjoindre des dispositifs supplémentaires complexes qui viendraient grever exagérément son coût. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif d'extraction des métaux volatils, tels que le zinc et le plomb, contenus dans des déchets oxydés, notamment des poussières d'usines sidérurgiques, du type comportant successivement sur le trajet des matières : un cyclone de fusion-réduction dans lequel est introduit un mélange comprenant les déchets oxydés à traiter, de l'oxygène et une matière carbonée, un récipient connecté audit cyclone dans lequel est recueilli un laitier liquide formé par les oxydes de métaux non volatils contenus dans les déchets, une conduite d'évacuation des fumées formées par les gaz de combustion et les métaux volatils sous forme gazeuse, une installation de post-combustion desdits gaz de combustion et d'oxydation des métaux volatils, des moyens pour récupérer les oxydes de métaux volatils à partir des fumées, et des moyens pour mettre lesdites fumees en mouvement au travers du dispositif, dispositif caractérisé en ce que ledit récipient comporte des moyens d'insufflation d'un gaz à l'intérieur dudit laitier liquide. Les moyens d'insufflation sont constitués par des tuyères ou des éléments réfractaires perméables aux gaz implantés dans la partie inférieure du récipient. Les connexions du cyclone et de la conduite d'évacuation des fumées sont placées hors de l'axe de symétrie du récipient. Le fond du récipient comporte des moyens de vidange du laitier liquide. Enfin, des moyens sont prévus pour granuler le laitier. Selon un procédé utilisant ce dispositif, le gaz insufflé est un gaz réducteur. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à favoriser la réduction des oxydes de zinc et de plomb qui subsistent dans le bain de laitier liquide, voire à effecter cette réduction au sein même du bain de laitier liquide, dont l'épuration est poussée aussi loin que possible. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence à la figure unique annexée qui représente schématiquement en coupe une installation selon l'invention. Dans l'exemple qui va être décrit, les matières à traiter consistent en des poussières issues d'appareils sidérurgiques. Dans le cas de poussières d'aciérie électrique, une gamme de composition typique est ZnO PbO FeO MnO CaO MgO SiO 2 22-34% 2-4% 26-30% 4-5% 5-12% 1,2-4,5% 1,5-6% etc... Ces poussières oxydées sont mélangées à un composé carboné réducteur, solide ou gazeux, et introduites dans un courant d'oxygène à l'intérieur d'un cyclone 1. A l'intérieur de ce cyclone, qui a été préalablement préchauffé, la température des fumées et des poussières est portée à 1500-1700 OC par suite des réactions chimiques dont elles sont le siège. Les oxydes de zinc et de plomb sont réduits par le carbone et transformés en zinc et en plomb à l'état de vapeur. Les autres oxydes de métaux non volatils sont soit réduits, soit demeurent partiellement ou totalement à l'état d'oxydes. En tout état de cause, les matières non volatiles se déposent à l'état liquide ou solide dans la partie inférieure d'un récipient récepteur 2 revêtu intérieurement d'un matériau réfractaire 18, pour former un bain liquide 3.Comme sur les installations habituelles de ce type, la voûte 4 du récipient récepteur 2 est percée de deux orifices principaux. Sur l'orifice 5 est connecté le cyclone 1. Sur l'orifice 6 est connectée la canalisation 7 par laquelle s'évacuent les matières gazeuses produites par les réactions chimiques qui ont lieu dans le cyclone 1 et le récipient récepteur 2. Ces matières gazeuses traversent un échangeur de chaleur 8 fonctionnant, par exemple, par circulation d'eau, qui, si nécessaire, abaisse leur température avant leur passage dans le réacteur de post-combustion 9. Dans ce réacteur, les matières gazeuses reçoivent l'apport d'un gaz oxygéné, tel que l'air, de manière à transformer le restant de CO en C02 et à oxyder les vapeurs de zinc et de plomb. Ces oxydes sont alors à l'état solide, sous forme de poussières.Les matières gazeuses et ces poussières passent ensuite par un filtre 10 qui laisse passer les gaz et retient les oxydes de zinc et de plomb qui sont récupérés à ce niveau. A la suite du filtre 10 se trouve un ventilateur 11, ou tout autre moyen de pompage, qui assure l'extraction des matières gazeuses du récipient récepteur 2. Selon l'invention la paroi inférieure 12 du récipient récepteur 2 est équipée d'un ou de plusieurs dispositifs d'insufflation de gaz réducteur dans le laitier liquide 3. Dans l'exemple représenté, ces dispositifs sont constitués par des éléments réfractaires perméables aux gaz 13, 13' incorporés au revêtement réfractaire du récipient 2. A la place de ces éléments perméables, on peut envisager d'implanter tout autre dispositif connu d'insufflation de gaz dans un récipient métallurgique, tel que des tuyères, ou au moins une lance dont l'extrémité est immergée dans le laitier liquide 3. Le gaz réducteur peut être du CO ou un hydrocarbure. Les effets de cette insufflation sont multiples. D'une part, elle permet de réaliser la réduction des oxydes, notamment de zinc et de plomb, qui n'ont pas été réduits dans le cyclone ou dans la partie supérieure du récipient récepteur, et ont été entrainés dans le laitier 3. Le courant de gaz chauds circulant dans le récipient 2 maintient le laitier 3~à l'état liquide. Une fois réduits à l'état métallique, ces éléments peuvent s'échapper du bain 3 à l'état gazeux et sont évacués avec les autres matières gazeuses.Enfin, l'agitation du bain 3 causée par l'insufflation de gaz réducteur au moyen des éléments 13,13' homogénéise le bain 3, tant du point de vue thermique que du point de vue chimique, et favorise les échanges thermiques et chimiques du bain 3 avec les matières gazeuses circulant dans la partie supérieure du récipient récepteur 2. Il est recommandé que les orifices 5 et 6 d'arrivée et de départ des matières gazeuses soient tous deux disposés hors de l'axe de symétrie du récipient 2 et aussi éloignés que possible l'un de l'autre. De cette façon, il y a création d'un mouvement de vortex à l'intérieur du courant gazeux, ce qui améliore la séparation entre le gaz et les gouttelettes et les particules de laitier. De même, le récipient 2 doit être étanche au niveau de sa voûte 4 et des connexions avec le cyclone 1 et la canalisation 7, afin que la composition de l'atmosphère, notamment le rapport CO/C02, soit bien maitrisée. La quantité de gaz réducteur insufflée est de l'ordre de 10 à 50 Nm3/t de laitier. Sa composition permet également d'ajuster le degré d'oxydation du fer présent dans le bain de laitier 3. Elle est choisie de telle façon que les oxydes de zinc soient réduits sans qu'il y ait réduction de la wüstite en fer métal. Par exemple pour une température de 1200C le rapport CO/C02 du gaz sera inférieur à 32. Dans ces conditions, on peut escompter un taux de récupération du zinc et du plomb dépassant 90%, y compris pour les déchets à faibles teneurs en zinc et en plomb. De telles performances sont au moins équivalentes à celles constatées sur les fours WAELZ pour des déchets riches en zinc et en plomb. Afin de permettre la récupération du laitier 3, le fond 12 du récipient récepteur 2 est équipé de moyens de vidange, par exemple une busette 14 obturée par un dispositif tel qu'un clapet 15, ou une fermeture à tiroir du type de celles qui équipent les poches de coulée d'aciérie. En dessous de cette busette, se trouve un récipient 16 pour recueillir le laitier. Optionnellement, on peut également prévoir un dispositif 17 pour la granulation du laitier lors de son écoulement, par exemple, comme représenté, par projection d'eau sur le jet de laitier. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit et représenté. Des variantes sont possibles, à commencer par celle qui consiste à insuffler un gaz neutre et non un gaz réducteur dans le récipient récepteur 2. Ce faisant, on se prive de la possibilité de réduire les poussières d'oxydes de zinc et de plomb disséminées au sein du laitier 3. Mais l'amélioration des échanges thermiques et chimiques entre le laitier et les matières gazeuses en circulation au-dessus du laitier 3 est conservée. D'autre part des déchets oxydés autres que les poussières d'usines sidérurgiques peuvent être traités par un tel dispositif, pourvu qu'ils contiennent des oxydes de métaux volatils, mélangés à des oxydes et des métaux à points de vaporisation plus élevés. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'extraction des métaux volatils, tels que le zinc et le plomb, contenus dans des déchets oxydés, notamment des poussières d'usines sidérurgiques, du type comportant successivement sur le trajet des matières un cyclone de fusion-réduction (1) dans lequel est introduit un mélange comprenant les déchets oxydés à traiter, de l'oxygène et une matière carbonée, un récipient (2) connecté audit cyclone (1) dans lequel est recueilli un laitier liquide (3) formé par les oxydes de métaux non volatils contenus dans les déchets, une conduite d'évacuation (7) des fumées formées par les gaz de combustion et les métaux volatils sous forme gazeuse, une installation de post-combustion (8,9) desdits gaz de combustion et d'oxydation des métaux volatils, des moyens (10) pour récupérer les oxydes de métaux volatils à partir des fumées, et des moyens (11) pour mettre lesdites fumées en mouvement au travers dudit dispositif dispositif caractérisé en ce que ledit récipient comporte des moyens d'insufflation (13,13') d'un gaz à l'intérieur dudit laitier liquide (3). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'insufflation sont constitués par des tuyères implantées dans la partie inférieure dudit récipient. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'insufflation sont constitués par au moins une lance dont l'extrémité est immergée dans le laitier liquide. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'insufflation sont constitués par des éléments réfractaires perméables aux gaz (13,13') implantés dans la partie inférieure dudit récipient. 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les connexions du cyclone (1) et de la conduite d'évacuation (7) au récipient (2) où est recueilli le laitier liquide sont placées hors de l'axe de symétrie dudit récipient. 6) Installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond (12) du récipient où est recueilli le laitier liquide comporte des moyens (14,15) de vidange dudit laitier liquide. 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'elle comporte des moyens (17) pour granuler le laitier liquide à sa sortie du récipient (2). 8) Procédé d'extraction des métaux volatils, tels que le zinc et le plomb, contenus dans des déchets oxydés, notamment des poussières d'usines sidérurgiques, du type selon lequel on utilise un selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on utilise un gaz réducteur pour alimenter les moyens d'insufflation (13,13')