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La. présente invention concerne un procédé et un appareil pour le traitement des gaz contenant des particules solides en suspension, et notamment des gaz pollués par des poussières d'une dimension inférieure au micron.
Les gaz de carneau qui se forment au cours des opérations métallurgiques renferment souvent suffisamment de poussières pour provoquer une contamination très forte de l'air si on les laisse s'échapper dans l'atmosphère sans leur avoir fait subir un traitement préalable. Jusqu'à pré- sent, ce sont les équipements de séparation des poussières du type cyclone ou du type à cuve électrostatique de préci- pitation qui ont été considérés comme convenant le mieux au traitement des gaz pollués. Mais, dans certaines opéra- tions industrielles, comme par exemple l'oxydation des impu- retés des métaux fondus par insufflation de ces métaux par
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de l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène, les fumées produites renferment des particules d'oxydes métalliques de très petites dimensions, à savoir inférieures au micron.
Ces particules sont tellement petites que les séparateurs cyclones de type connu sont incapables de les retirer des fumées, et que les appareils connus à cuve électrostatique de précipitation ne sont pas entièrement efficaces pour purifier ces fumées. En outre, dans des applications indus- trielles à grande échelle, le matériel du type à cuve élec- trostatique de précipitation est très onéreux.
L'un des principaux buts de la présente invention est donc de surmonter ces difficultés et de fournir, pour le traitement des gaz contenant en suspension des particules solides gênantes, un procédé et un appareil permettant de retirer les particules de toutes dimensions, avec un meil- leur rendement et à meilleur marché.
L'invention concerne également un procédé continu pour réduire les particules d'oxydes métalliques réductibles par le carbone qui se trouvent en suspension dans un gaz de carneau, et pour récupérer les métaux qui en résultent.
L'invention vise encore un procédé pour la sépara- tion par voie essentiellement chimique des particules soli- des finement divisées en suspension dans un gaz, ce procédé permettant d'utiliser ultérieurement le gaz ainsi nettoyé comme combustible gazeux.
Aux dessins annexés : la figure 1 représente un schéma simplifié d'écou- lement conforme au procédé perfectionné selon l'invention; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un appareil de séparation des poussières mettant en appli- cation les principes de la présente invention; la figure 3 représente une variante de la figure 2.
Pour exposer le procédé et décrire l'appareil selon
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l'invention, on utilisera un gaz de carneau renfermant des particules d'oxyde de fer d'une taille inférieure au micron et se trouvant dans ce gaz en suspension ou à l'état dis- persé.
Si l'on se reporte aux dessins, on voit que le procédé selon l'invention comporte, entre autres opérations, le passage du gaz de carneau pollué par l'oxyde de fer à travers une colonne chauffée contenant des particules de coke. Les particules d'oxyde de fer entraînées par le coke sont réduites à l'état de fer dans une partie de la colonne, et le gaz de carneau est débarrassé des solides en suspen- sion au cours de son passage dans l'ensemble de la colonne.
Bien que le mécanisme de la réaction qui a lieu dans la @ colonne ne soit pas parfaitement connu, on pense que cette @ réaction comprend la combinaison d'une réduction chimique et d'une adsorption. En même temps que le gaz de carneau pénètre dans la colonne de coke, on peut introduire de la vapeur et/ou de l'oxygène en quantité suffisantes pour com- mander la température-de réaction à l'intérieur de la partie de la colonne qui agit comme réducteur. Il est évident tou- tefois que l'on peut faire appel à d'autres modes de chauf- fage et de commande de la température dans la mise en appli- cation de l'invention.
Le mélange gazeux, ainsi obtenu peut, selon la composition du gaz de carneau et des gaz que l'on y ajoute, posséder un pouvoir calorifique comparable à celui du gaz à l'eau, et il est pratiquement exempt de particules solides. Les caractéristiques physiques du fer obtenu par réduction peuvent être réglées en faisant varier le rapport vapeur/oxygène des gaz introduits dans la colonne de coke; une valeur élevée de ce rapport permet de récupérer le fer métallique à l'état solide plutôt qu'à l'état liquide.
Sur la figure 1 les références 1, 2,3 désignent respectivement l'arrivée de vapeur, l'arrivée d'oxygène et/ou d'air et du gaz de carneau renfermant des .particules d'oxyde -
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à réduire ; la référence 4 désigne l'appareil où. s'effectue la réduction des oxydes métalliques; les références 5 et 6 désignent respectivement la sortie du mé-cal obtenu par réduc- tion des oxydes et la sortie du gaz combustible nettoyé.
Sur les figures 2 et 3 un. appareil 10 pour la séparation des poussières et la production de combustible conformément à la présente invention, comporte une colonne, ou cuve verticale 12. en acier munie d'un revêtement en matière réfractaireou chemise isolante 14 ainsi que d'une ou plusieurs goulottes 16 classiques de chargement placées à son sommet et servant à introduire un matériau carboné, comme par exemple du coke.
Afin, de dermettre l'obtention d'une réduction chimi- que efficace des particules fines d'oxyde en suspension, le coke utilisé doit être d'une dimension convenable, de pré- férence d'un diamètre compris entre 1,25 cm et 10 cm., la dimension des particules étant fonction du diamètre et de la hauteur de la colonne; les particules de coke de cette dimension constituent en outre un lit perméable aux gaz et qui peut s'écouler sous l'effet de la pesanteur au bas de la cuve 12 en étant traversé par un courant ascendant de gaz de carneau.
Conformément à la pratique reconnue du passage d'un gaz à travers une colonne chargée, les particules de coke doivent avoir une taille qui laisse dans la colonne un espa- ce libre allant de 35 à 65 %
Le gaz de carneau poussiéreux que l'on désire trai- ter est introduit dans la zone réductrice 18 du séparateur
10 par un conduit d'admission 2u et passe par une ouverture appropriée étanche aux gaz, si niée au voisinage de l'extré- mité inférieure de la paroi de la cuve 12 et du revêtement 14. Le gaz traverse le lit de coke 22 et monte au sommet de la colonne, d'où il s'échappe par un tuyau 24 d'évacua,-
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tion sous l'action d'un aspirateur 26.
Dans la mise en application du procédé selon l'in- vention, on peut introduire de la vapeur et de l'air ou de . l'air enrichi en oxygène dans la zone réductrice 18 du lit de coke afin de les faire réagir avec les particules de coke. La vapeur et l'air peuvent pénétrer dans la zone 18 par une ouverture d'admission séparée (non représentée) où ils peuvent être mélangés au gaz de carneau à traiter et introduits par le conduit 20. Le mélange combustible résul- tant possède un pouvoir calorifique élevé, et dans son mouvement ascendant à travers le lit de coke il donne un gaz combustible pratiquement exempt de particules solides en suspension.
Les caractéristiques physiques du fer produit dans la zone réductrice 18 sont réglées par la température de la dite zone. Ainsi, pour récupérer le fer à l'état solide, on peut faire passer dans le lit de coke un courant de vapeur possédant une vitesse suffisante pour entretenir dans ce lit une température permettant de réduire les oxydes métalliques indésirables, mais qui soit cependant notable- ment inférieure à la gamme de températures de fusion du fer à haute teneur en carbone. On peut récupérer le fer à l'état liquide en diminuant le 'rapport vapeur/gaz de carneau à l'entrée du lit de coke, afin d'obtenir dans la zone de réac- tion des températures notablement supérieures à celles de la fusion du fer à haute teneur en carbone.
La figure 2 représente un appareil convenant à la séparation des poussières d'oxyde de fer du gaz de carneau et qui réduit les particules d'oxyde de fer finement divisées ainsi obtenues tout en maintenant des températures inférieu- res à la température de fusion du fer de ces particules.
Sous 1'extrémité inférieure de la colonne 12 est placée un bac 50 muni d'une admission 32 d'eau de refroidis- sement et d'un trop-plein 34 et qui constitue un joint
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draulique 36 pour la colonne. Ce joint hydraulique refroi- dit les produits déversés par la colonne, qui consistent en' particules de coke à l'état de cendres et en fer à l'état métallique, et, par des moyens connus, il les rejette par dessus le trop-plein 34 Ensuite, les cendres et le fer peuvent être séparés par application de procédés de sépara- tion physiques connus, à supposer que l'on cherche à récu- pérer le fer.
Dans la variante représentée sur la figure 3, l'ex- trémité inférieure de la colonne 12 se termine par une paroi 38 revêtue d'un produit réfractaire qui reçoit les produits fondus déversés par la colonne. En ménageant des trous de coulée 40 42 à différentes hauteurs dans la paroi de la cuve 12 et au voisinage de la paroi inférieure 38, le fer fondu, les scories et les cendres peuvent être respectivement retirées de l'appareil séparateur, soit de 'façon périodique, soit de façon continue. Un tel agencement présente l'avan- tage de permettre l'emploi d'un coke de basse qualité dans la colonne ; enoutre,- le métal obtenu par réduction peut être recueilli à l'état liquide.
L'exemple suivant fera comprendre quels résultats avantageux peuvent être obtenus grâce au procédé selon l'in- vention. On insuffle dans une coulée de 45 kgs de fonte bru- te de l'oxygène pur, en vue de la fabrication, d'acier. L'o- pération donne naissance à des fumées épaisses de couleur brun-roux caractéristiques, qui consistent principalement en particules d'oxyde de fer d'une taille inférieure au micron.
On fait passer cette fumée dans un four tubulaire en graphite de 1,80 m de long sur 7,5 cm de diamètre, rempli de particules de coke d'une taille uniforme de 2,5 cm. On entretient une température réductrice d'environ 1000 0 dans la colonne (ou tube) de réaction rempli de coke. On ne cons- tate alors la présence d'aucune particule solide dans les
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gaz de sortie si on les soumet à l'analyse des produits solides par une méthode connue.
La présente invention fournit un procédé et un appareil pour le nettoyage des gaz chargés,de poussières et contenant des particules d'oxydes métalliques réductibles par le carbone, comprenant des particules d'une taille infé- rieure au micron, gaz dans lesquels les particules en sus- pension sont réduites par voie chimique et séparées du gaz en faisant passer ce dernier dans une colonne remplie de particules d'un produit carboné.
Il est évident que, bien que la description de l'invention porte sur la séparation des particules d'oxyde de fer d'un gaz de carneau, d'autres métaux importants, tels que le manganèse, sont simultanément récupérés.
Il va de soi que la présente invention a été décri- te ci-dessus à titre explicatif et nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toutes modifications de détail sans sortir de son cadre ; en particulier, l'invention s'applique aussi aux domaines connexes dans lesquels on a affaire à d'autres particules d'oxyae réductibles par le carbone, en particulier à desparticules ayant une dimension inférieure au micron. En outre, on peut réaliser les températures de réduction par d'autres procédés que la combustion directe du coke, par exemple par chauffage électrique ou au gaz.
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The present invention relates to a method and an apparatus for the treatment of gases containing solid particles in suspension, and in particular gases polluted by dust of a size less than one micron.
The flue gases which form during metallurgical operations often contain enough dust to cause very severe contamination of the air if they are allowed to escape into the atmosphere without having subjected them to prior treatment. Until now, it is the dust separation equipment of the cyclone type or of the type with an electrostatic precipitation tank which has been considered to be most suitable for the treatment of polluted gases. But, in certain industrial operations, such as, for example, the oxidation of impurities in molten metals by blowing these metals by
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oxygen or oxygen-enriched air, the fumes produced contain very small particles of metal oxides, namely less than a micron.
These particles are so small that known type cyclone separators are unable to remove them from the fumes, and known electrostatic precipitation vessel devices are not fully effective in purifying these fumes. Further, in large scale industrial applications, the electrostatic precipitation vessel type equipment is very expensive.
One of the main objects of the present invention is therefore to overcome these difficulties and to provide, for the treatment of gases containing in suspension troublesome solid particles, a method and an apparatus making it possible to remove particles of all sizes, with better - their yield and cheaper.
The invention also relates to a continuous process for reducing the carbon-reducible metal oxide particles suspended in a flue gas, and for recovering the resulting metals.
The invention also relates to a process for the essentially chemical separation of the finely divided solid particles in suspension in a gas, this process making it possible subsequently to use the gas thus cleaned as gaseous fuel.
In the appended drawings: FIG. 1 represents a simplified flow diagram in accordance with the improved process according to the invention; Figure 2 is a longitudinal sectional view of a dust separation apparatus embodying the principles of the present invention; FIG. 3 represents a variant of FIG. 2.
To explain the process and describe the apparatus according to
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The invention will use a flue gas containing iron oxide particles of a size less than one micron and present in this gas in suspension or in the dispersed state.
Referring to the drawings, it can be seen that the process according to the invention comprises, among other operations, the passage of the flue gas polluted with iron oxide through a heated column containing coke particles. The iron oxide particles entrained by the coke are reduced to iron in one part of the column, and the flue gas is freed from suspended solids as it passes through the entire column. column.
Although the mechanism of the reaction which takes place in the column is not fully understood, it is believed that this reaction involves the combination of chemical reduction and adsorption. At the same time as the flue gas enters the coke column, sufficient steam and / or oxygen can be introduced to control the reaction temperature within the part of the column. which acts as a reducing agent. It is evident, however, that other modes of heating and temperature control may be employed in the practice of the invention.
The gas mixture thus obtained may, depending on the composition of the flue gas and the gases added thereto, have a calorific value comparable to that of gas in water, and it is practically free of solid particles. The physical characteristics of the iron obtained by reduction can be adjusted by varying the vapor / oxygen ratio of the gases introduced into the coke column; a high value of this ratio makes it possible to recover metallic iron in the solid state rather than in the liquid state.
In Figure 1 the references 1, 2, 3 respectively denote the arrival of steam, the arrival of oxygen and / or air and flue gas containing oxide particles -
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To reduce ; reference 4 designates the device where. the reduction of metal oxides takes place; references 5 and 6 respectively denote the outlet of the metal obtained by reduction of the oxides and the outlet of the cleaned fuel gas.
In Figures 2 and 3 a. apparatus 10 for the separation of dust and the production of fuel in accordance with the present invention, comprises a column or vertical vessel 12 made of steel provided with a lining of refractory material or insulating jacket 14 as well as one or more conventional chutes 16 loading placed at its top and serving to introduce a carbonaceous material, such as for example coke.
In order to allow effective chemical reduction of the fine suspended oxide particles to be obtained, the coke used should be of a suitable size, preferably between 1.25 cm and. 10 cm., The size of the particles being a function of the diameter and the height of the column; the coke particles of this size furthermore constitute a bed which is permeable to gases and which can flow under the effect of gravity at the bottom of the vessel 12 while being traversed by an ascending stream of flue gas.
In accordance with accepted practice of passing a gas through a loaded column, the coke particles should be of a size which leaves a free space in the column of from 35 to 65%.
The dusty flue gas which it is desired to treat is introduced into the reducing zone 18 of the separator.
10 through an inlet duct 2u and passes through a suitable gas-tight opening, if denied near the lower end of the wall of the vessel 12 and the liner 14. The gas passes through the coke bed 22 and climbs to the top of the column, from which it escapes through an evacuation pipe 24, -
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tion under the action of a vacuum cleaner 26.
In carrying out the process according to the invention, it is possible to introduce steam and air or. the oxygen enriched air in the reducing zone 18 of the coke bed in order to make them react with the coke particles. Steam and air can enter zone 18 through a separate inlet opening (not shown) where they can be mixed with the flue gas to be treated and introduced through line 20. The resulting combustible mixture has power. high calorific value, and in its upward motion through the coke bed it gives a combustible gas practically free from suspended solid particles.
The physical characteristics of the iron produced in the reducing zone 18 are regulated by the temperature of said zone. Thus, to recover the iron in the solid state, it is possible to pass through the coke bed a stream of steam having a sufficient speed to maintain in this bed a temperature which makes it possible to reduce the undesirable metal oxides, but which is nevertheless significant. ment below the melting temperature range of high carbon iron. The iron can be recovered in the liquid state by reducing the vapor / flue gas ratio at the inlet of the coke bed, in order to obtain temperatures in the reaction zone which are significantly higher than those of the melting of the coke. high carbon iron.
Figure 2 shows an apparatus suitable for separating iron oxide dust from flue gas and which reduces the finely divided iron oxide particles thus obtained while maintaining temperatures below the melting temperature of the iron. of these particles.
Under the lower end of the column 12 is placed a pan 50 provided with an inlet 32 of cooling water and an overflow 34 and which forms a seal.
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hydraulic 36 for the column. This water seal cools the products discharged from the column, which consist of coke particles in the ash state and iron in the metallic state, and, by known means, it rejects them over the excess. full 34 Then, the ash and iron can be separated by application of known physical separation methods, assuming that one is trying to recover the iron.
In the variant shown in FIG. 3, the lower end of column 12 ends with a wall 38 coated with a refractory product which receives the molten products discharged by the column. By making tap holes 40 42 at different heights in the wall of the vessel 12 and in the vicinity of the bottom wall 38, the molten iron, slag and ash can be respectively removed from the separating apparatus, either by periodically or continuously. Such an arrangement has the advantage of allowing the use of low quality coke in the column; in addition, - the metal obtained by reduction can be collected in the liquid state.
The following example will make it clear which advantageous results can be obtained by virtue of the process according to the invention. Pure oxygen is blown into a 45 kg cast of pig iron for the production of steel. The operation gives rise to the characteristic thick reddish-brown fumes, which consist mainly of iron oxide particles smaller than one micron in size.
This smoke is passed through a tubular graphite furnace 1.80 m long by 7.5 cm in diameter, filled with coke particles of a uniform size of 2.5 cm. A reducing temperature of about 1000 0 is maintained in the reaction column (or tube) filled with coke. We do not then notice the presence of any solid particles in the
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exit gas if subjected to analysis for solid products by a known method.
The present invention provides a method and apparatus for cleaning charged gases, dust and carbon-reducible metal oxide particles, comprising particles of a size of less than one micron, in which gases the carbon particles. The suspension is chemically reduced and separated from the gas by passing the latter through a column filled with particles of a carbon product.
It is evident that although the description of the invention relates to the separation of iron oxide particles from a flue gas, other important metals, such as manganese, are simultaneously recovered.
It goes without saying that the present invention has been described above by way of explanation and in no way limiting and that any modifications of detail can be made to it without departing from its scope; in particular, the invention also applies to related fields in which one is dealing with other oxyye particles reducible by carbon, in particular with particles having a dimension less than one micron. In addition, the reduction temperatures can be achieved by methods other than direct combustion of the coke, for example by electric or gas heating.