Procède pour le traitement par la chaleur d'une matière solide finement divisée,
et installation pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La présente invention concerne un procédé et une installation pour le traitement par la chaleur d'une matière solide finement divisée.
Les opérations de calcination de matières solides finement divisées sont jusqu'ici généralement mises en oeuvre dans des fours rotatifs par échange direct de chaleur entre des gaz de combustion et les particules de la matière solide. Quoique ce procédé soit satisfaisant pour de nombreuses applications, il présente un certain nombre d'inconvénients, dont trois des principaux sont les suivants :
1. Il est pratiquement impossible de vécu- pérer éeonomiquement la majeure partie de la chaleur sensible restant dans les gaz d'échappement.
20 Les gaz dégagés pendant le traitement de matières telles que les minerais sulfurés et. les matières similaires sont dilués par les gaz de chauffage, ce qui augmente les dépenses pour leur récupération, par exemple sous la forme d'acides dilués ou concentrés.
3"La matière soumise au traitement est toujours contaminée dans une certaine mesure par les produits de la combustion du fluide de chauffage, ce qui constitue un inconvénient majeur si le produit à obtenir doit être très pur.
Le chauffage de matières solides finement divisées dans des conditions ne présentant pas ces inconvénients était jusqu'ici impossible, sauf sur une très petite échelle et a, un prix très élevé ; la présente invention remédie à cette situation.
Le procédé selon l'invention est caracté- risé en ce qu'on fait s'écouler horizontalement une couche épaisse de la matière en la maintenant mouvante par un courant de gaz la traversant de bas en haut, et en ce que, en des régions au moins de son parcours d'écoulement, on transmet de la chaleur à cette matière.
L'installation pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus est caractérisée en ce qu'elle comprend un canal horizontal de profondeur supérieure à sa largeur, des moyens pour créer un courant de gaz traversant ledit canal de bas en haut en chaque endroit de sa longueur, un dispositif pour introduire de façon continue de la matière finement divisée à une extrémité dudit canal, un dispositif pour extraire de façon continue ladite matière à l'extrémité opposée dudit canal, et des moyens de chauffage disposés dans ledit canal et répartis sur la longueur de celui-ci.
Cette installation peut être avantageusement raccordée à un appareil de refroidissement, ou le canal. peut être également divisé en au moins deux zones dont la dernière peut être munie d'un dispositif pour le refroidissement de la matière en voie de traitement et permettant la récupération de la chaleur qu'elle eontient. Dans cette zone de refroidissement, des serpentins de refroidissement dans lesquels circule un fluide de refroidisse ment peuvent être disposés dans le canal, et celui-ci peut être avantageusement un peu plus large dans cette zone que dans la partie dans laquelle sont disposes les moyens de chauffage.
Le refroidissement peut être effectué par exemple sensiblement suivant les indications données dans le brevet N 297557.
Lors du traitement de matières qui dégagent des produits gazeux pendant leur traitement, il peut être indiqué de diviser la partie du canal dans laquelle sont disposés les moyens de chauffage en un certain nombre de compartiments pour permettre l'évacuation sépa- rée des gaz dégagés dans chacun de ces compartiments, en vue d'obtenir des produits gazeux suffisamment concentrés, dans lesquels il est ensuite possible de récupérer des cons tituants de valeur.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, plusieurs formes d'exécution de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et illustre, à titre d'exemple également, diverses mises en oeuvre de ce procédé.
La fig. 1 est une coupe longitudinale ver ticale d'une forme d'exécution de l'installation établie pour la calcination à basse température et pour la récupération de la chaleur sensible du produit calciné, les éléments chauffants étant des tubes à circulation de vapeur.
La fig. 2 est une coupe transversale suivant la ligne 2-2 de l'installation que montre la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe horizontale partielle de l'installation représentée à la fig. 1, et montre l'agencement général du compartiment de refroidissement.
La fig. 4 est une coupe longitudinale d'une forme d'exécution de l'installation construite pour le grillage de minerais sulfurés, et montre de quelle manière la zone de chauffage ; e du tunnel peut être divisée en plusieurs compartiments en vue du fractionnement des gaz dégagés.
La fig. 5 est une coupe longitudinale d'un four montrant l'utilisation d'éléments ehauf- fants électriques en forme de bandes, assemblés en grilles contenant des rangées verticales multiples de résistances.
La fig. 6 est une coupe longitudinale analogue à celle de la fig. 5, dans laquelle la zone de calcination est divisée en plusieurs compartiments.
La fig. 7 est une coupe transversale suivant la ligne 7-7 de la fig. 6.
La fig. 8 est une vue schématique, en coupe longitudinale verticale, d'une résistance en forme de bande, et montre le mode d'écoulement des gaz et des particules solides par rapport à l'élément chauffant.
La fig. 9 est un graphique montrant les quantités de chaleur nécessaires en fonction de l'élévation de température au cours de la calcination de la gibbsite.
La fig. 10 est une coupe horizontale montrant encore une autre forme d'exécution de l'installation.
Le four que montrent les fig. 1, 2 et 3 est particulièrement établi pour la calcination à basse température. Ce four est essentiellement constitué par un tunnel allongé, de section transversale rectangulaire, comportant des parois latérales réfractaires 10, Il, un toit ré fraetaire 12 et un fond 13. Les parties réfrac- taires du four sont naturellement maintenues par une armature appropriée, non représentée sur le dessin pour plus de clarté.
Le tunnel eontient une membrane 14 per méable aux gaz, parallèle au fond et s'éten- dant d'un bout à l'autre. Cette membrane est imperméable à la matière finement divisée qui doit être soumise au traitement, et elle est suffisamment réfraetaire pour résister à la température atteinte au cours de l'opération de calcination. On peut par exemple utiliser une toile métallique reposant sur une grille plus résistante en fil métallique. On peut également utiliser une ou plusieurs couches de tissu d'amiante intercalées entre des toiles métalliques. Dans les fours fonctionnant à haute température, il peut être indiqué d'utiliser une matière réfractaire poreuse.
En général, eependant, et pour les opérations à température moyenne et basse, il est préférable d'utiliser une toile métallique, ou un tissu d'amia-nte intercalé entre des toiles métalliques. Le tun- nel est muni à une extrémité d'une trémie d'alimentation 15 qui communique avec l'inté- rieur 16 du tunnel par l'ouverture 17 située sous 1'écran 18 à passage par en dessous. Le fond 19 de la trémie d'alimentation est incliné de faeon que la matière que contient cette trémie 13 puisse glisser à l'intérieur 16 du tunnel sous l'action de la pesanteur. Un dispositif (non représenté) est prévu pour faire arriver la, matière à traiter avee un débit prédéterminé dans la trémie d'alimentation 15.
A l'autre extrémité du tunnel est prévue une trémie d'évacuation 20 qui communique avec l'intérieur 16 du tunnel par l'espace 21 situé au-dessus d'un déversoir 22. La trémie 20 est munie d'un conduit d'évacuation deseendant 23.
Le tunnel est divisé en une zone de chauffage A et une zone de refroidissement B par un écran séparateur 24 qui descend du toit du tunnel jusqu'en un point situé au-dessous du niveau normal de la. matière en voie de traitement dans le tunnel, et par un écran séparateur 25 s'étendant entre les parois latérales 10 et 11 du tunnel et laissant un intervalle 26 entre lui et l'écran séparateur 24, et un autre intervalle 27 entre le fond du tunnel et la membrane 14. L'écran séparateur 28 divise l'espace du tunnel situé au-dessous de la membrane poreuse 14 en deux chambres A'et B'.
Au fond 13 du tunnel sont raccordés des conduits adducteurs 29 et 30 débouchant respectivement dans les chambres A'et B'et servant à amener des gaz destinés à maintenir mouvante la matière à traiter. Le conduit adducteur 31, qui aboutit au conduit 30, est raccordé a.
un échangeur de chaleur indiqué schématiquement en 32. Des cheminées d'évacuation sépa- rées 33 et 34 sont respectivement prévues pour les compartiments A et B. Une cheminée d'évacuation supplémentaire 35 peut partir du haut de la trémie d'évacuation 20. Le dispositif faisant arriver lesdits gaz aux conduits 29 et 30 est muni des organes usuels (non représentés) pour régler le débit de ces gaz respectivement dans les chambres A'et B'.
Ces organes sont agencés de façon que les quantités de gaz fournies à chaque chambre A' et B'puissent être réglées indépendamment.
A l'intérieur de la. zone de chauffage A sont logés les tubes de vapeur 36, qui sont disposés en rangées entre des collecteurs 36a de la manière indiquée sur la fig. 2. La largeur du tunnel est principalement déterminée par les caractéristiques d'écoulement de la matière finement divisée en voie de traitement.
Cette largeur doit être suffisante pour élimi- ner la possibilité de phénomènes de surface le long des parois latérales qui pourraient contrarier l'écoulement régulier de la matière.
En revanche, le tunnel ne doit pas être assez large pour permettre la formation de courants transversaux et de remous. D'une manière générale, la largeur du tunnel sera comprise entre 30 cm et 1, 80 m. La hauteur du tunnel dans la zone de chauffage doit être supérieure à sa largeur, et elle atteint généralement environ 1, 80 m à 2, 13 m. En principe, la hauteur du tunnel peut être réduite à 0, 90 m. Toutefois, étant donné que la couche de matière dans un tunnel aussi peu profond présenterait des aptitudes défavorables à l'échange de e chaleur, il est préférable, pour toutes les installations, sauf pour les plus petites, de donner au tunnel une hauteur d'au moins 1, 50 m.
L'espacement et la densité des rangées d'éléments chauffants 36 sont prévus de façon à assurer le taux de chauffage optimum pour la matière particulière qui doit être calcinée.
S'il ne se produit pas de changement de phase, la température en un point quelconque à l'intérieur du tunnel est fonction de la distance par rapport à l'entrée et des propriétés thermiques de la matière à chauffer, ainsi que de la vitesse de déplacement de la couche de matière à travers l'appareil. Lorsqu'il se produit des changements de phase entraînant une absorption ou une émission d'énergie, la quantité de chaleur nécessaire qui est augmentée ou réduite peut être calculée en partant de facteurs connus ou être déterminée empiriquement. Il est ainsi possible de calculer avec une certaine exactitude la température et les besoins de chaleur en un point quelcon- que du tunnel, et d'établir l'appareil en conséquence.
L'espacement des éléments chauffants est donc plus resserré dans les régions de l'appareil correspondant à des états exigeant une plus grande quantité de chaleur, par exemple à cause de changements de phase endothermiques au sein de la matière, ou inversement.
Pratiquement, il est possible de disposer les éléments chauffants de façon que la quantité de chaleur fournie aux diverses températures corresponde exactement à la courbe des besoins de chaleur de la matière en voie de traitement pour une opération particulière quel- conque. Dans les régions où ne se produit pas de changement de phase, 1'espacement des éléments chauffants est déterminé par la capacité calorifique (c'est-à-dire la chaleur spéeifique et le poids) de la matière dans ces régions.
Il va de soi que, si on le désire, on peut diviser la zone de chauffage en deux ou plusieurs compartiments à l'aide de dispositifs de cloisonnement du type utilisé pour séparer les zones de chauffage et de refroidissement. Un agencement de ce genre peut être utile si la nature ou la quantité du gaz dégagé change pendant le chauffage au fur et à mesure que la température de la. matière augmente,
La zone de refroidissement du tunnel peut être un peu plus large que la zone de chauffage A pour permettre le raccourcissement de l'appareil, et pour offrir au eonstrue- teur une certaine liberté dans l'agencement des éléments échangeurs de chaleur dans cette e zone.
Dans l'exemple des fig. 1 et 3, la zone de refroidissement B eontient une série d'éléments échangeurs de chaleur 37 constitués par des serpentins tabulaires plans dans lesquels on peut faire circuler un fluide échangeur de chaleur.
L'installation qui vient d'être décrite fonc- tionne de la manière suivante :
Le gaz destiné à maintenir mouvante la matière à traiter peut être de l'air, un gaz de combustion, une vapeur quelconque, etc. Il est envoyé dans les chambres A'et B'et s'élève en traversant la membrane 14. La matière ré
duite en particules qui doit être traitée arrive
dans la trémie d'alimentation 15, passe sous
l'écran 18 sous l'action de la pesanteur et
s'écoule sur la membrane 14.
Ledit gaz, qui
s'élève en traversant la membrane 14, rend et
maintient mouvante la matière qui pénètre
dans l'espace 16 du tunnel en sortant de la
trémie d'alimentation 15, et réduit ainsi sensi
blement à zéro l'angle de son talus d'éboule-
ment naturel, de sorte qu'elle s'écoule sensi
blement comme un liquide, et remplit l'espace
16 à l'intérieur du tunnel jusqu'à ce que le
niveau de sa surface dépasse le niveau du seuil
du déversoir 22 à la sortie du tunnel.
Le ni
veau de la matière que contient le tunnel reste 'ensuite sensiblement eonstant, et eette ma
tière se déverse d'une manière continue par
l'espace 21 dans la trémie 20 avec un débit
égal à celui de la matière entrant dans la tré
mie d'alimentation 15. Il se forme done dans
le tunnel une couche mouvante épaisse 38 se
déplaçant horizontalement. La hauteur de la
couche est en général de deux tiers à trois
quarts environ de la hauteur totale du tunnel.
Grâce à l'arrivée ininterrompue de matière
fraîche dans la couche, et à l extraetion eonti-
nue de matière à l'extrémité de la couche cor
respondant à la sortie, la totalité de cette
couche se déplace horizontalement d'une ma
nière continue en direction de la sortie à une
vitesse qui dépend du taux d'alimentation.
L'état de division de la matière introduite
dans le tunnel peut varier considérablement.
Des matières en grains d'une grosseur eorres
pondant au tamis de 5 mailles (norme améri-
eaine normale) peuvent être traitées dans un
appareil de ce genre. Il est. cependant préfé-
rable que la matière introduite dans le tun-
nel soit divisée en grains d'une grosseur infé-
rieure au tamis de 20 mailles.
Au fur et à mesure que la matière pro
gresse dans la zone de chauffage l, elle est
chauffée par les éléments 36. Dans le cas de
matières humides ou hydratées, l'eau est chas
sée sous la forme de vapeur. Etant donné que
cette vapeur contribue elle-même à maintenir
mouvante la matière, il convient de régler
l'arrivée de gaz dans la chambre A'de telle manière que l'effet combiné des gaz traversant la membrane 14 et de la vapeur dégagée penclant la calcination soit sensiblement uniforme d'un bout à l'autre du compartiment A. On peut, par exemple, diviser la chambre A'en deux ou trois chambres, le débit d'alimentation de chaque chambre étant alors réglé en vue d'obtenir l'uniformité désirée de l'effet total.
L'écran séparateur 24 descendant en dessous de la surface de la couche 38 forme un joint étanche retenant dans l'espace 39, au de. s. sus de la couche dans le compartiment A, le maz ehauffé, de sorte qu'il peut être extrait séparément par une cheminée 33, la chaleur qu'il eontient pouvant être récupérée sous la forme de vapeur de traitement ou d'une autre manière appropriée. Cet agent peut, par exem- ple, servir de fluide échangeur de chaleur dans l éehangeur 32, en vue du chauffage préalable du gaz arrivant par le conduit 31.
A la sortie de la zone A, la matière en voie de traitement, qui est alors un produit calciné chaud, passe par les intervalles 26 et 27 dans la zone de refroidissement B, où elle est refroi (lie par les rangées de serpentins de refroidissement 37.
Il va de soi que le refroidissement de la matière chaude peut être effectué d'une autre manière que dans une partie du tunnel telle que le compartiment B. Par exemple, on peut désirer refroidir la matière calcinée d'une manière usuelle, ou faire passer la matière du eompartiment A par-dessus un déversoir pour la faire descendre par un puits vertical dans un tunnel de refroidissement, du type décrit dans le brevet N 297557 déjà cité.
La chaleur récupérée par le fluide de re froidissement circulant dans les serpentins tubulaires 37 peut servir à divers usages, par r exemple pour la production de vapeur de traitement ou d'une autre manière désirée.
Finalement, le produit calciné et refroidi passe par-dessus le déversoir 22 et tombe dans la trémie d'évacuation 23 pour l'ensaehage ou un traitement complémentaire suivant le cas.
L'installation que montre la fig. 4 est un bon exemple d'un agencement permettant de mettre à profit les facteurs favorables qui se présentent pendant le traitement de certaines matières. L'installation représentée est desti- née au grillage de minerais sulfurés, et elle diffère principalement de celle des fig. 1, 2 et 3 par la division de la zone de chauffage en deux compartiments séparés, et par l'utili- sation d'éléments chauffants électriques remplaçant. les tubes de vapeur ou de gaz.
Les principales parties du tunnel sont similaires à celles que montrent les fig. 1, 2 et 3, et elles sont done désignées par les mêmes chiffres de référence.
Comme on le voit sur la figure, l'installation est divisée en un compartiment de chauffage préalable C, un compartiment de grillage
D et un compartiment de refroidissement E par des dispositifs de cloisonnement constitués chacun par un déversoir 40 et un 6cran à passage par en dessous parallèle au déversoir et à quelque distance de celui-ci sur le côté aval (c'est-à-dire sur le côté opposé à l'entrée de l'appareil). Les plaques imperméables 42 empêchent que le gaz traversant la membrane 14 ne pénètre dans l'intervalle compris entre les écrans 40 et 41. Ces dispositifs de cloisonnement séparent efficacement les matières solides et les gaz des zones adjacentes, sans contrarier sensiblement l'écoulement horizontal, à travers l'installation, des matières solides mouvantes.
Ainsi qu'on l'a représenté, le niveau de la couche en aval de chaque dispositif de cloisonnement est plus bas qu'à l'amont, ce qui correspond à une légère perte de charge introduite par ce dispositif, laquelle est cependant sans importance pour le fonctionnement de l'installation.
L'espace compris entre la membrane 14 et le fond 13 de l'appareil est divisé en chambres à gaz C', D'et E'séparées par des cloisons 28, qui sont placées au-dessous des plaques imper méables 42. Les chambres C', D'et E'reçoi- vent respectivement des gaz différents c, d et e provenant de sources indépendantes.
A l'intérieur du tunnel sont montés les éléments chauffants électriques à résistance 43, agencés de façon qu'ils soient complètement noyés dans la couche de matière et dis tribués d'un bout à l'autre de celle-ci. Ces éléments chauffants sont disposés en travers de la couche. Ils peuvent se présenter sous la forme de tubes ou de barres, ou encore sous la forme de bandes plates. Ils sont montés de préférence de la manière indiquée sur les fig. 5, 6 et 7 et qui sera décrite plus loin.
Ils peuvent être faits en un métal ou, lorsque la température est élevée ou lorsqu'il se produit un dégagement de gaz ou de vapeurs corrosifs, en carbure de silicium ou en une autre matière similaire résistant à la chaleur et à la corrosion. Ces résistances 43 peuvent être connectées d'une manière permettant le réglage indépendant de l'énergie appliquée aux éléments des compartiments C et D.
Les minerais métalliques contenant des sulfures en quantités insuffisantes pour assurer le grillage complet de ces sulfures par oxy- dation exothermique peuvent être traités avec un avantage particulier, et le fonctionnement de l'installation représentée dans la fig. 4 sera décrit en supposant que l'on traite un minerai de ce genre.
Le minerai arrive dans la trémie d'alimentation 15 et pénètre dans le compartiment C par l'ouverture 17 ménagée sous l'écran 18 à passage par en dessous. Le minerai est rendu mouvant dans ce compartiment de la manière précédemment décrite et s'écoule de lui-même sous la forme d'une couche mouvante se dé- plaçant horizontalement. Le gaz c, utilisé pour maintenir mouvante la matière dans le compartiment C, est dans ce cas un gaz inerte tel que l'azote, le gaz carbonique ou un gaz de combustion. Les éléments chauffants 43 apportent dans le compartiment C une quantité de chaleur suffisante pour porter la matière en voie de traitement à une température juste au-dessous de celle à laquelle l'oxydation exothermique des particules de sulfure s'amorce d'elle-même.
La matière chaude passe ensuite par-dessus le déversoir 40 et descend sous l'action de la pesanteur pour pénétrer dans le compartiment
D par l'ouverture ménagée au-dessous de l'écran à passage par en dessous 41. Le gaz d, qui est injecté dans le compartiment D, est un mélange d'air et d'une partie du gaz d'éehappement d'sortant par la partie supérieure du compartiment D. Au fur et à mesure que la matière progresse dans le compartiment
D, sa température s'élève jusqu'au point où s'effectue l'oxydation exothermique des partieules de sulfure. La quantité de chaleur fournie à ce compartiment est calculée de façon à achever l'oxydation.
Une partie des gaz d'échappement d'est remise en circulation avee les gaz arrivant par le bas dans le eompartiment D, pour porter la concentration en Soudes gaz d'au maximum. La quantité d air
(ou d'oxygène) ajoutée est done juste suffisante pour assurer une oxvdation complète.
La masse principale des gaz d'peut servir à la production d'acide sulfurique. Avec cette installation, on peut donc obtenir dans les gaz d'échappement une concentration en 802 qu'il est autrement impossible d'obtenir lorsqu'on grille des minerais de ce genre, ce qui permet d'obtenir de l'acide sulfurique comme sousproduit et de traiter de façon économique des minerais qui seraient autrement à la limite des produits sans valeur.
La consommation d'énergie pour ce genre d'application dépend de la composition du minerai. Elle peut être limitée à quelques kilowatts-heure par tonne de produit grillé qui peut être récupérée en grande partie sous la forme de vapeur de traitement engendrée par le fluide de refroidissement circulant dans les serpentins 37 du compartiment E de l'ins- tallation.
Les fig. 5, 6 et 7 montrent de quelle manière les éléments chauffants peuvent être agencés en rangées verticales multiples en forme de grilles. On voit que l'agencement général pour l'obtention d'une couche épaisse de matière mouvante en voie de traitement s'écoulant horizontalement est le même que dans les modes de réalisation précédemment décrits ; en conséquence, seules seront décrites les particularités différenciant les modes de réalisation des fig. 5, 6 et 7 de ceux repré- sentés sur les fig. 1 à 4.
Dans l'installation représentée dans la fig. 5, la zone de chauffage. F n'est séparée de la zone de refroidissement C que par l'écran à passage par en dessous 50. Cette installation est principalement destinée au traitement de matières pour lesquelles les changements d'état de la matière pendant le traitement ne donnent pas lieu au dégagement de gaz de valeur, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'assurer une séparation exacte des gaz de la zone de ehauf- fage de ceux provenant de la zone de refroidissement, tandis que des gaz de composition similaire peuvent servir pour maintenir mouvante la matière dans les deux zones.
Bien entendu, un agencement de ce genre n'est uti- li. sable que si les pressions régnant dans les zones F et C sont sensiblement les mêmes. Si le passage de gaz entre les deux zones devient trop important, on peut prévoir des dispositifs de cloisonnement du genre représenté sur la fig. 4. Il y a lieu de noter également que la chambre à gaz au-dessous de la zone de chauffage F est divisée en deux comparti ments F'et F"alimentés indépendamment l'un de l'autre et séparés par une cloison 51.
Le but de cet agencement est de permettre de modifier le débit de gaz de façon qu'il corres- ponde à l'état de la matière au fur et à mesure que celle-ci progresse dans la zone F. Il peut être avantageux de faire varier la quantité de gaz pour diverses raisons. L'une de ces raisons, déjà indiquée, est le dégagement d'un gaz par la matière au cours de son chauffage. ce gaz servant alors à son tour à maintenir mouvante la matière lorsqu'il est libéré, permettant ainsi de réduire la quantité de gaz à introduire dans la partie de l'installation donnant lieu à un dégagement de gaz. Une autre raison bien connue réside dans le fait que la viscosités de la. couche diminue au fur et à mesure qu'on augmente la quantité de gaz servant à la. rendre mouvante.
Etant donné que la résistance à l'écoulement à l'intérieur de l'installation peut varier d'un compartiment au suivant, soit par suite de changements dans la densité ou dans la disposition des éléments chauffants, soit à cause de chan gements dans la nature de la matière en voie de traitement, il peut être indiqué de régler la quantité de gaz injecté d'une manière permettant une variation de la résistance à l'écoulement, de façon que la hauteur de la matière à l'intérieur de chaque compartiment soit aussi uniforme que possible d'un bout à l'autre de ce compartiment.
Il convient également de signaler que les pertes résultant de l'entraînement de fines particules de matière par les gaz d'échappement deviennent de plus en plus élevées au fur et à mesure qu'on augmente les vitesses spatiales du gaz au sein de la couche et au-dessus d'elle. Il convient donc de maintenir toujours la vitesse spatiale du gaz aussi basse que possible, dans la mesure compatible avec l'efficacité des opérations de e chauffage et de refroidissement à réaliser.
Pratiquement, on a trouvé qu'il est possible, par un réglage approprié des vitesses spatiales, de réduire les pertes par poussières entraînées avec une matière aussi facile à entraîner que l'alumine en poudre, à une valeur aussi basse que 6 /o environ, tout en maintenant une viscosités suffisamment faible au sein de la couche pour permettre la mise en oeuvre effi cace de l'opération de calcination. La vitesse spatiale idéale varie naturellement d'une matière à l'autre, et dépend également dans une certaine mesure de l'appareil particulier utilisé. Pratiquement, il est cependant simple de la déterminer pour un ensemble quelconque de conditions particulières.
Les éléments chauffants 52 des appareils que montrent les fig. 5, 6 et 7 sont montés en rangées verticales multiples. Ils sont reliés entre eux de chaque côté et alimentés en éner- gie par une barre de distribution verticale 53.
Les barres de distribution sont connectées par leur extrémité supérieure à des traverses 54, qui sont à leur tour connectées au milieu à des barres omnibus principales verticales 55, dont l'extrémité supérieure est connectée à un câble de branchement (non représenté) situé au-dessus de l'appareil. L'espacement approprié entre les barres de distribution verticales, de chaque côté des éléments chauffants 52, est maintenu par des isolateurs d'espacement 56 qui s'étendent entre les barres de distribution aux extrémités de chaque grille ou de chaque groupe de rangées. Chaque grille peut être supportée d'une manière appropriée dans le tunnel à l'aide de blocs en matière céramique, par exemple à l'aide de blocs 57 placés sous la membrane 14, et d'autres blocs 58 reposant sur cette membrane.
Toutefois, les grilles n'exigent un appui que sous les barres de distribution aux extrémités et, en général, la surface d'appui sera aussi réduite que possible afin que l'entrée des gaz par le bas. ne soit contrariée qu'au minimum.
Le toit du tunnel est formé par des blocs en matière céramique qui sont agencés de façon à former des panneaux amovibles 59 directement au-dessus des grilles d'éléments chauffants, afin que ces grilles puissent être retirées par le haut pour leur visite et leur entretien, sans qu'il soit nécessaire de démonter l'ensemble de l'installation à cet effet.
L'agencement des éléments chauffants en rangées multiples ou grilles offre de nombreux avantages. En premier lieu, il permet natu- rellement un enlèvement et un réglage faeiles des éléments chauffants, rendant ainsi possible toute modification de l'agencement, de la densité et de l'apport de chaleur dans chaque partie de l'appareil, sans qu'il soit nécessaire de reconstruire celui-ci. Il en résulte une plus grande souplesse de fonctionnement.
Au point de vue de l'économie thermique, un fait très important consiste en ce que deux barres d'ali- mentation seulement traversent le toit du tunnel pour chaque grille, de sorte que les causes de perte de chaleur sont réduites à un nombre très faible, ee qui augmente l'économie de marche, surtout pour le cas d'opérations mises en oeuvre à des températures élevées.
Les éléments chauffants 52 peuvent avoir une forme quelconque. Au point de vue de la simplicité, de la disponibilité et du coût. il est très avantageux d'utiliser des résistances en bande. Toutefois, si on place les résistances en bande avee leurs faces planes dans un plan horizontal, 1'espace au-dessus des bandes ne reçoit, plus les gaz s'écoulant de bas en haut, de sorte que de la matière se dépose sur la face supérieure des éléments. La plus grande partie de cette matière est entraînée au fur et à mesure que la couche progresse horizontalement, mais une quantité importante reste en permanence sur la face supérieure de chaque élément. En même temps, une poche de gaz se forme sous chaque résistance.
Non seulement la durée des éléments est considérablement réduite de cette manière, mais tout l'effet qui maintient mouvante la matière est troublé.
On conçoit que si on dispose les résistances plates avee leurs faces planes dans un plan vertical, la résistance totale opposée à l'écoule- ment horizontal de la couche devient beaucoup trop importante pour un fonctionnement pratique.
Or, on a constaté que si les faces planes des résistances sont inclinées d'un certain angle par rapport à l'horizontale, les bords du côté aval étant situés au-dessus des bords du côté amont, les matières solides et les gaz passent entre les bandes à une très grande vitesse, de la manière indiquée sur la fig. 8, tandis que les effets nuisibles précités sont évités. Expérimentalement, on a. observé que si l'angle d'inclinaison d des bandes est eompris entre 75 et 45 environ par rapport à l'horizontale, les éléments d'une largeur de 25 mm peuvent présenter une densité pouvant atteindre 516 m linéaires par mètre cube, sans arrêter l'écoulement régulier des matières solides de la couche et sans contrarier sensiblement. leur maintien à l'état mouvant.
Pour obtenir les résultats les plus favorables, il importe que la vitesse horizontale de la couche soit relativement élevée, car les inconvénients précités sont d'autant plus importants que la vitesse est plus réduite. On a. constaté que des vitesses de la couche de 6 à 150 em par minute conviennent pour une installation répondant à la conception la plus générale, et dont les éléments chauffants sont tubulaires ou formés par des parois rayonnantes, tandis qu'avec des résistances en bande agencées de la manière décrite, il convient de faire fonctionner l'installation avee une vitesse d'écoulement de la couche comprise dans la partie supérieure de ces limites.
La limite supérieure de 150 em par minute n'est nullement critique en ce qui concerne la. possibilité de mise en oeuvre, elle est simplement indiquée à titre d'exemple d'une limite supérieure souhaitable du point de vue pratique. La raison pour laquelle il convient de ne pas dépasser considérablement cette vitesse réside simplement dans le fait que la zone de chauffage doit être d'autant plus longue que la vitesse d'écoulement de la couche est plus grande, pour permettre à la matière de recevoir la quantité de chaleur nécessaire en traversant cette zone.
On peut utiliser l'appareil avec des vitesses très supé rienres, mais ee n'est généralement pas économique à cause du capital élevé investi par unité de capacité, et également à cause des plus grandes surfaces de déperdition de cha- leur par rayonnement et conduction.
Il convient de signaler que, quoique les éléments chauffants représentés sur les des sins soient, d'une manière générale, orientés horizontalement, en travers de la couche, on peut également les agencer d'une autre manière. En fait, les éléments peuvent être disposés verticalement ou longitudinalement par rapport au tunnel de chauffage, ou encore sous un angle intermédiaire. Lorsqu'on utilise des tubes de vapeur ou de gaz chaud, l'agen- cement peut être similaire à celui des conduits de refroidissement dans les compartiments de refroidissement, tels qu'ils sont représentés sur le dessin.
D'une façon générale, il est pré férable d'utiliser des éléments horizontaux disposés en travers du tunnel à cause de la simplicité de construction, de la souplesse de l'agencement et de la facilité de réglage en marche.
L'installation que montre la fig. 6 est une variante de celle qui est représentée dans la lifg. 4, la zone de chauffage étant divisée en compartiments H et K, et le compartiment K étant séparé de la zone de refroidissement L par des dispositifs de cloisonnement constitués par des déversoirs 60 en forme de coins, et par des écrans à passage par en dessous 61.
Les éléments chauffants sont constitués par (les résistances en bande montées en rangées multiples ou grilles. Le fonctionnement de cette installation est analogue à celui de l'ins- tallation que montre la fig. 4, mais elle est construite pour des vitesses d'écoulement horizontal un peu plus élevées, qui sont avanta- geuses avec des éléments chauffants à résistance du type en bande, la. perte de charge d'un compartiment au suivant et aux vitesses d'écoulement élevées étant bien moindre avec ce dispositif de cloisonnement qu'avec le dispositif que montre la fig. 4.
Pour montrer de quelle manière l'installation peut être adaptée à la mise en oeuvre d'une opération particulière quelconque, et aux divers facteurs entrant dans le calcul de l'installation, on donnera ci-après un exemple de calcul concernant par exemple la calcination de l'alumine. En partant de cet. exemple, un technicien n'éprouvera aucune difficulté à adapter de façon convenable l'installation à d'autres mises en oeuvre du procédé selon l'in- vention.
Il est tout d'abord nécessaire de tenir compte des caractéristiques thermiques de la matière qui doit. être traitée et, à titre d'exemple, on supposera que la matière à chauffer est la gibbsite, qu'elle est pure et n'est absolument pas humide lorsqu'elle pénètre dans l'installation. On ne dispose généralement pas de renseignements thermiques précis pour les matières d'origine minérale, mais une détermination suffisamment exacte des facteurs nécessaires pour la construction rationnelle de l'installation peut être faite en divisant en tranches la gamme des températures dans laquelle la matière doit être chauffée, et en calculant la quantité moyenne de chaleur né- cessaire dans chaque tranche de températures.
Pour les besoins du présent exemple, on a établi par des essais que la gibbsite commence à se décomposer à 150 C, et que la matière est complètement déshydratée à une température de 510 C. Entre ces deux limites, la déshydratation est de 25 /o à 315 C, et de 75"/. à 400 C.
La chaleur de réaction pendant la trans formation peut. être calculée d'après les indications de Bichovsky et Rossini (Reinhold Publishing Corp. New York, 1936) pour la réaction 2AI (OH) 3 = Al203 (y) + 3H2O (g) à 600 absolus.
Etant donné que 600 (absolus) (327 C) est une température proche de celle correspondant à la déshydratation à 50 /o,
il est possible, pour des raisons pratiques, de
négliger la chaleur absorbée pour le chauffage
de l'eau dégagée de la température de base de
327 C jusqu'à la température de sortie. Cette 5 supposition est également justifiée par le fait
que, dans l'installation décrite, l'eau de dés-
hydratation est évacuée de la. couche presque
au point où elle est libérée de la molécule.
Elle ne subit donc ni chauffage, ni refroidissement supplémentaire dans la couche, et n'en- traîne aucune consommation supplémentaire de chaleur dans les zones ultérieures à travers lesquelles la couche s'écoule.
En partant des données précitées, les renseignements thermiques nécessaires à la construction d'une installation appropriée peuvent être facilement, calculés et sont indiqués dans le tableau ci-après :
Tableau :
Caleination de l'alumine.
Renseignements thermiques pour l'obtention de 907 kg d'alumine Gamma en partant de
1388 kg de gibbsite sèche.
Limites Poids total Chaleur totale Chaleur necessaire
de températures moyen nécessaire Q température nécessaires
de kg en cal. tempe oature necessaires
Cal/C
110-177 1388 19432 290 22, 6
177-315 1328 154 034 1116 179, 0
315-400 1147 249885 2940 290, 4
400-510 967 140329 1276 163, 1
510-566 907 13104 236 15, 2
566-677 907 26 208 236 30, 5
677-1065 907 91728 236 106, 6
Total 694720 727, 5 807, 4
110-1065 s Moyenne.
Les chiffres qui précèdent ont été utilises pour construire le graphique de la fig. 9. La courbe 90 représente la chaleur nécessaire pour l'opération à mettre en oeuvre. On peut naturellement préparer une courbe similaire pour une matière quelconque se prêtant à être rendue mouvante sous la forme finement divisée, une fois que les propriétés thermiques générales de la matière ont été reconnues.
L'étape suivante de l établissement d'une installation appropriée consiste à déterminer la capacité par unité de temps qu'elle doit avoir.
En supposant que les éléments chauffants ont la forme préférée de résistances électriques en bande inclinées d'un certain angle par rapport à l'horizontale, de la manière précédemment décrite, il est facile de calculer quelle doit être la section transversale de la couche mouvante pour que la quantité correcte de matière solide passe en un point donné quelconque par unité de temps, avee une vitesse d'écoule- ment horizontal de la couche d'environ 150 em par minute, qui est une vitesse convenable pour 1'écoulement de la couche lorsqu'on uti- lise des résistances en bande, ainsi qu'il a été expliqué précédemment.
La vitesse d'écoulement étant connue, ainsi que la chaleur spécifique de la matière, un calcul simple permet de déterminer quelle est la quantité de chaleur qui doit être introduite dans s l'installation pour que la matière passant en un point donné soit portée à la tempéra ture de 177 C. Pour la calcination de la gibbsite, il est avantageux d'intercaler en ce point un dispositif de cloisonnement, de préférenee du type représente dans la fig. 6.
En utilisant le graphique de la. fig. 9, il est simple de déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour porter la matière à la température de 315 C, et les éléments ehauffants peuvent être agencés et constitués pour fournir cette quantité de chaleur. De même, en se reportant à la fig. 9, on peut noter qu'entre les températures de 315 et 400 C, il faut une quantité de chaleur plus importante, tandis qu'entre les températures de 400 à 510 C, il faut fournir une quantité de cha- leur bien inférieure.
D'une façon générale, il serait avantageux de placer un dispositif de cloisonnement dans l'installation un peu au- dessus de la température de 510 C, parce que c'est en ce point que l'eau cesse de se dégager de la matière.
Suivant le produit final qu'on désire obte nir, la matière passe ensuite soit dans un compartiment, de refroidissement dans lequel on produit de l'alumine gamma, ou cette matière peut être envoyée dans un autre compar- timent de chauffage pour être portée à une température d'environ 1065 C pour produire de l'alumine normale. Le graphique de la fig. 9, ainsi que les chiffres du tableau montrent cependant que le chauffage entre 510 et 1065 C n'absorbe que 19 /o environ de la chaleur totale nécessaire à, l'opération.
Quoiqu'il soit parfaitement possible d'utili- ser des résistances électriques jusqu'à une tem pérature de 1065 C et plus, notamment en ntilisant des éléments chauffants en carbure (le silicium, le chauffage à l'aide d'éléments électriques à résistance trouve son application la plus avantageuse à des températures infé r ienres à 640 C. Etant donné que les pertes électriques peuvent être plus importantes dans Sa ealeination à haute température, il est généralement plus économique d'utiliser des parois rayonnantes de chaque côté du tunnel, parois chauffées de l'extérieur à l'aide de brûleurs d'un type quelconque.
Il convient cependant d'indiquer que fréquemment il sera avantageux d'utiliser le chauffage par résistances électriques, même aux températures élevées, parce que les avantages obtenus peuvent plus que compenser le moins bon rendement de l'électricité à ces températures.
En partant des chiffres qui viennent d'être indiqués (qui ne sont naturellement qu'approximatifs), l'obtention de 907 kg d'alumine gamma à une température de 1065 C exige environ 694 500 cal. sur lesquelles on peut récupérer environ 239 000 cal. sous forme de vapeur. La consommation totale approximative de chaleur (minimum) est donc d'environ 455 500 cal. pour 907 kg, soit 502 000 cal. par tonne, au lieu d'une consommation d'environ 972 000 cal. par tonne qui est le chiffre le plus favorable lorsqu'on calcine la même matière dans des fours, rotatifs. La présente invention permet donc d'économiser presque la moitié de la chaleur nécessaire à l'exécution de la même opération par le procédé usuel.
Quoiqu'il ait été question du traitement par le procédé selon l'invention de l'alumine et de minerais sulfurés de qualité inférieure, il va de soi que ces matières n'ont été citées qu'à titre d'exemples. L'invention est appli- cable au traitement d'une matière quelconque pouvant être rendue mouvante sous la forme finement divisée. A ce sujet, il convient de signaler que eertaines matières finement divi- sées ont tendance à se fritter lorsqu'elles sont chauffées, ou forment des agglomérations à structure spécifique, qu'on appelle parfois des gels aéro-thixotropiques , lorsqu'on tente de les rendre mouvantes. D'autres matières s'ag- glomèrent, et bien entendu toutes ces matières ne peuvent naturellement pas être traitées conformément à la présente invention.
Les matières pouvant être rendues mouvantes sont bien connues dans la technique, et les publications en indiquent un grand nombre. D'autre part, un essai très simple permet de vérifier si une matière finement divisée peut être rendue mouvante ou non.
Un autre agencement, utilisable dans la eaFleination de l'alumine, est représenté à titre d'exemple sur la fig. 10. On voit que l'instal- lation se compose de trois sections de chauf fage P, Q et R et de deux sections de refroidissement S et T placées cote à côte, la matière entrant dans l'installation par un conduit de descente 101 et sortant par un autre conduit de descente 102.
La chaleur est fournie à la matière par des rangées multiples de résistances en bande 103 du type décrit en regard de l'appareil représenté sur les fig. 5, 6 et 7, tandis que la chaleur sensible du produit caleiné est en grande partie récupérée par un liquide de refroidissement circulant dans les serpentins tabulaires de refroidissement 104 disposés dans les sections de refroidissement
S et T. Les connexions électriques peuvent être aisément prévues au-dessus de l'appareil, ainsi que les raccords pour la circulation du liquide de refroidissement.
Au point de vue économie de chaleur, l'avantage procuré par cette installation apparait immédiatement, parce qu'il ne se produit aucune perte calorifique à travers les cloisons intermédiaires 105, 106, 107 et 108, tandis que la forme ramassée de l'ensemble offre un avantage important au point de vue de l'économie de place.
Quoique la. majeure partie de la. description qui précède concerne le traitement de matières sur une grande échelle, il existe de nombreux cas de traitement par la chalelir sur une échelle réduite, où le procédé selon l'in- vention peut avantageusement être appliqué.
Par exemple, dans la production de pigments, notamment de pigments à base d'oxyde de fer, le réglage extrêmement précis de la température de chauffage du pigment ainsi que la durée de ee chauffage sont des facteurs très importants. La présente invention permet ce réglage exact et simultanément la mise en oeuvre continue de l'opération.
Process for the heat treatment of a finely divided solid material,
and installation for the implementation of this method.
The present invention relates to a method and an installation for the heat treatment of a finely divided solid material.
Finely divided solids calcination operations have heretofore generally been carried out in rotary kilns by direct heat exchange between combustion gases and the particles of the solid. Although this method is satisfactory for many applications, it has a number of drawbacks, three of the main ones being as follows:
1. It is practically impossible to economically experience most of the sensible heat remaining in the exhaust gases.
The gases given off during the processing of materials such as sulphide ores and. similar materials are diluted by the heating gases, which increases the expense for their recovery, for example in the form of dilute or concentrated acids.
3 "The material subjected to the treatment is always contaminated to some extent by the products of the combustion of the heating fluid, which constitutes a major drawback if the product to be obtained is to be very pure.
Heating of finely divided solids under conditions not exhibiting these drawbacks has heretofore been impossible except on a very small scale and at a very high cost; the present invention remedies this situation.
The process according to the invention is characterized in that a thick layer of the material is made to flow horizontally while keeping it moving by a current of gas passing through it from the bottom up, and in that, in regions at least of its flow path, heat is transmitted to this material.
The installation for implementing the above method is characterized in that it comprises a horizontal channel with a depth greater than its width, means for creating a stream of gas passing through said channel from bottom to top at each location of its length, a device for continuously introducing finely divided material at one end of said channel, a device for continuously extracting said material at the opposite end of said channel, and heating means disposed in said channel and distributed over the length of it.
This installation can be advantageously connected to a cooling device, or the channel. can also be divided into at least two zones, the last of which can be provided with a device for cooling the material undergoing treatment and allowing the recovery of the heat which it contains. In this cooling zone, cooling coils in which a cooling fluid circulates can be arranged in the channel, and the latter can advantageously be a little wider in this zone than in the part in which the means of cooling are arranged. heater.
The cooling can be carried out for example substantially according to the indications given in patent N 297557.
When treating materials which give off gaseous products during their treatment, it may be advisable to divide the part of the channel in which the heating means are arranged into a number of compartments to allow the separate discharge of the gases given off in. each of these compartments, in order to obtain sufficiently concentrated gaseous products, in which it is then possible to recover valuable constituents.
The appended drawing represents, by way of examples, several embodiments of the installation for implementing the method according to the invention and illustrates, also by way of example, various implementations of this method.
Fig. 1 is a vertical longitudinal section of an embodiment of the installation established for calcination at low temperature and for the recovery of the sensible heat of the calcined product, the heating elements being tubes with vapor circulation.
Fig. 2 is a cross section taken along line 2-2 of the installation shown in FIG. 1.
Fig. 3 is a partial horizontal section of the installation shown in FIG. 1, and shows the general arrangement of the cooling compartment.
Fig. 4 is a longitudinal section of an embodiment of the installation constructed for roasting sulphide ores, and shows how the heating zone; The tunnel can be divided into several compartments for the purpose of fractionation of the evolved gases.
Fig. 5 is a longitudinal section of a furnace showing the use of electric heating elements in the form of strips, assembled in grids containing multiple vertical rows of resistors.
Fig. 6 is a longitudinal section similar to that of FIG. 5, in which the calcination zone is divided into several compartments.
Fig. 7 is a cross section taken on line 7-7 of FIG. 6.
Fig. 8 is a schematic view, in vertical longitudinal section, of a resistor in the form of a strip, and shows the mode of flow of gases and solid particles with respect to the heating element.
Fig. 9 is a graph showing the amounts of heat required as a function of the temperature rise during calcination of gibbsite.
Fig. 10 is a horizontal section showing yet another embodiment of the installation.
The oven shown in fig. 1, 2 and 3 is particularly well established for low temperature calcination. This furnace is essentially constituted by an elongated tunnel, of rectangular cross section, comprising refractory side walls 10, II, a refractory roof 12 and a bottom 13. The refractory parts of the furnace are naturally held by an appropriate reinforcement, not shown in the drawing for clarity.
The tunnel contains a gas permeable membrane 14 parallel to the bottom and extending from end to end. This membrane is impermeable to the finely divided material which is to be subjected to the treatment, and it is sufficiently cool to withstand the temperature reached during the calcination operation. One can for example use a wire mesh resting on a more resistant wire grid. It is also possible to use one or more layers of asbestos fabric interposed between metal screens. In furnaces operating at high temperature, it may be advisable to use a porous refractory material.
In general, however, and for medium and low temperature operations, it is preferable to use a wire mesh, or an amia-nte fabric sandwiched between wire screens. The tunnel is provided at one end with a feed hopper 15 which communicates with the interior 16 of the tunnel through the opening 17 located under the screen 18 passing from below. The bottom 19 of the feed hopper is inclined so that the material contained in this hopper 13 can slide inside the tunnel 16 under the action of gravity. A device (not shown) is provided for supplying the material to be treated with a predetermined rate in the feed hopper 15.
At the other end of the tunnel is provided an evacuation hopper 20 which communicates with the interior 16 of the tunnel through the space 21 located above a weir 22. The hopper 20 is provided with a duct. evacuation during 23.
The tunnel is divided into a heating zone A and a cooling zone B by a separator screen 24 which descends from the roof of the tunnel to a point situated below the normal level of the. material being processed in the tunnel, and by a separator screen 25 extending between the side walls 10 and 11 of the tunnel and leaving a gap 26 between it and the separator screen 24, and another gap 27 between the bottom of the tunnel. tunnel and membrane 14. Separator screen 28 divides the tunnel space located below porous membrane 14 into two chambers A 'and B'.
Adductor conduits 29 and 30 are connected to the bottom 13 of the tunnel, opening out respectively into the chambers A ′ and B ′ and serving to supply gases intended to keep the material to be treated moving. The adductor duct 31, which leads to the duct 30, is connected to a.
a heat exchanger indicated schematically at 32. Separate exhaust stacks 33 and 34 are respectively provided for compartments A and B. An additional exhaust stack 35 can start from the top of the exhaust hopper 20. The device for supplying said gases to conduits 29 and 30 is provided with the usual members (not shown) for adjusting the flow rate of these gases respectively in chambers A 'and B'.
These members are arranged so that the quantities of gas supplied to each chamber A 'and B' can be adjusted independently.
Inside the. heating zone A are housed the steam tubes 36, which are arranged in rows between manifolds 36a as shown in fig. 2. The tunnel width is primarily determined by the flow characteristics of the finely divided material being processed.
This width should be sufficient to eliminate the possibility of surface phenomena along the side walls which could interfere with the smooth flow of the material.
On the other hand, the tunnel must not be wide enough to allow the formation of cross currents and eddies. In general, the width of the tunnel will be between 30 cm and 1.80 m. The height of the tunnel in the heating zone should be greater than its width, and it usually reaches about 1.80 m to 2.13 m. In principle, the height of the tunnel can be reduced to 0.90 m. However, since the layer of material in such a shallow tunnel would exhibit unfavorable heat exchange abilities, it is preferable for all installations except the smallest to give the tunnel a height of. at least 1.50 m.
The spacing and density of the rows of heating elements 36 are designed to ensure the optimum heating rate for the particular material to be calcined.
If no phase change occurs, the temperature at any point inside the tunnel is a function of the distance from the inlet and the thermal properties of the material to be heated, as well as the speed displacement of the material layer through the device. When phase changes occur resulting in energy absorption or emission, the amount of heat required which is increased or reduced can be calculated from known factors or be determined empirically. It is thus possible to calculate with some accuracy the temperature and heat demand at any point in the tunnel, and to set up the apparatus accordingly.
The spacing of the heating elements is therefore tighter in regions of the apparatus corresponding to conditions requiring a greater amount of heat, for example due to endothermic phase changes within matter, or vice versa.
In practice, it is possible to arrange the heating elements so that the amount of heat supplied at the various temperatures exactly matches the heat requirement curve of the material being processed for any particular operation. In regions where no phase change occurs, the spacing of the heating elements is determined by the heat capacity (ie, specific heat and weight) of the material in those regions.
It goes without saying that, if desired, the heating zone can be divided into two or more compartments by means of partitioning devices of the type used to separate the heating and cooling zones. Such an arrangement may be useful if the nature or amount of the evolved gas changes during the heating as the temperature of the. matter increases,
The tunnel cooling zone can be a little larger than the heating zone A to allow the shortening of the apparatus, and to give the builder some freedom in the arrangement of the heat exchanging elements in this zone. .
In the example of fig. 1 and 3, the cooling zone B contains a series of heat exchanger elements 37 formed by planar tabular coils in which a heat exchanger fluid can be circulated.
The installation which has just been described operates as follows:
The gas intended to keep the material to be treated moving can be air, combustion gas, any vapor, etc. It is sent to the chambers A 'and B' and rises by crossing the membrane 14. The material re
particulate pick that needs to be processed arrives
in the feed hopper 15, passes under
screen 18 under the action of gravity and
flows over the membrane 14.
Said gas, which
rises by crossing the membrane 14, makes and
keeps the material moving
in space 16 of the tunnel when leaving the
feed hopper 15, and thus reduced sensi
the angle of its collapse slope at zero
naturally, so that it flows sensi
as a liquid, and fills the space
16 inside the tunnel until the
level of its surface exceeds the threshold level
from the weir 22 to the exit of the tunnel.
The ni
calf of the material contained in the tunnel then remains substantially constant, and thus my
a continuous flow through
space 21 in hopper 20 with a flow
equal to that of the material entering the tré
feeding crumb 15. It therefore forms in
the tunnel a thick moving layer 38 is
moving horizontally. The height of the
layer is usually two-thirds to three
approximately quarters of the total height of the tunnel.
Thanks to the uninterrupted arrival of material
fresh in the diaper, and the extraction continued
bare material at the end of the horn layer
responding to the output, all of this
layer moves horizontally one ma
continue towards the exit at a
speed which depends on the feed rate.
The state of division of the introduced material
in the tunnel can vary widely.
Grains of the size of eorres
laying in a 5 mesh sieve (US standard)
normal) can be processed in a
device like this. It is. however prefer-
rable that the material introduced into the tunnel
nel is divided into grains of lesser size
higher through a 20 mesh sieve.
As the matter pro
gress in the heating zone l, it is
heated by the elements 36. In the case of
moist or hydrated matter, water is removed
dried in the form of vapor. Given that
this vapor itself helps to maintain
moving matter, it is necessary to
the arrival of gas in the chamber A ′ in such a way that the combined effect of the gases passing through the membrane 14 and of the vapor given off inclining the calcination is substantially uniform throughout the compartment A. It is possible, for example, dividing chamber A 'into two or three chambers, the feed rate to each chamber then being adjusted to achieve the desired uniformity of the total effect.
The separator screen 24 descending below the surface of the layer 38 forms a tight seal retaining in the space 39, at the. s. above the layer in compartment A, the fuel oil is heated so that it can be extracted separately through a chimney 33, the heat which it contains can be recovered in the form of process steam or in another suitable manner . This agent can, for example, serve as a heat exchanger fluid in the exchanger 32, with a view to the preliminary heating of the gas arriving through the duct 31.
On leaving zone A, the material being treated, which is then a hot calcined product, passes through the intervals 26 and 27 into the cooling zone B, where it is cooled (linked by the rows of cooling coils 37.
It goes without saying that the cooling of the hot material can be carried out in a way other than in a part of the tunnel such as compartment B. For example, it may be desirable to cool the calcined material in a usual manner, or to pass the material of the compartment A over a weir to lower it through a vertical shaft in a cooling tunnel, of the type described in patent No. 297557 already cited.
The heat recovered by the coolant circulating in the tubular coils 37 can be used for various purposes, for example for the production of process steam or in any other desired manner.
Finally, the calcined and cooled product passes over the weir 22 and falls into the discharge hopper 23 for bagging or additional treatment as appropriate.
The installation shown in fig. 4 is a good example of an arrangement for taking advantage of favorable factors which arise during the processing of certain materials. The installation shown is intended for roasting sulphide ores, and it differs mainly from that of figs. 1, 2 and 3 by dividing the heating zone into two separate compartments, and by using alternate electric heating elements. steam or gas tubes.
The main parts of the tunnel are similar to those shown in fig. 1, 2 and 3, and they are therefore designated by the same reference numerals.
As can be seen in the figure, the installation is divided into a pre-heating compartment C, a roasting compartment
D and a cooling compartment E by partitioning devices each consisting of a weir 40 and a screen passing from below parallel to the weir and at some distance from the latter on the downstream side (i.e. on the downstream side). the side opposite to the appliance inlet). The impermeable plates 42 prevent the gas passing through the membrane 14 from entering the gap between the screens 40 and 41. These partitioning devices effectively separate the solids and the gases from the adjacent areas, without substantially hindering the horizontal flow, through the installation, moving solids.
As has been shown, the level of the layer downstream of each partitioning device is lower than upstream, which corresponds to a slight pressure drop introduced by this device, which is however of no importance. for the operation of the installation.
The space between the membrane 14 and the bottom 13 of the device is divided into gas chambers C ', D'and E' separated by partitions 28, which are placed below the waterproof plates 42. The chambers C ', D'and E are respectively different gases c, d and e from independent sources.
Inside the tunnel are mounted the electric resistance heating elements 43, arranged so that they are completely embedded in the layer of material and distributed from one end of the latter to the other. These heating elements are arranged across the layer. They can be in the form of tubes or bars, or in the form of flat bands. They are preferably mounted in the manner shown in Figs. 5, 6 and 7 and which will be described later.
They can be made of a metal or, when the temperature is high or when corrosive gases or vapors are given off, of silicon carbide or other similar material resistant to heat and corrosion. These resistors 43 can be connected in a manner allowing independent adjustment of the energy applied to the elements of compartments C and D.
Metal ores containing sulphides in insufficient quantities to ensure the complete roasting of these sulphides by exothermic oxidation can be treated with particular advantage, and the operation of the installation shown in fig. 4 will be described assuming that such ore is processed.
The ore arrives in the feed hopper 15 and enters the compartment C through the opening 17 made under the screen 18 passing from below. The ore is made moving in this compartment in the manner previously described and flows by itself in the form of a moving layer moving horizontally. The gas c, used to keep the material moving in the compartment C, is in this case an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide or a combustion gas. The heating elements 43 bring into the compartment C a sufficient quantity of heat to bring the material under treatment to a temperature just below that at which the exothermic oxidation of the sulfide particles begins by itself.
The hot material then passes over the weir 40 and descends under the action of gravity to enter the compartment
D by the opening made below the screen with passage from below 41. The gas d, which is injected into the compartment D, is a mixture of air and part of the exhaust gas d ' exiting through the upper part of compartment D. As the material progresses in the compartment
D, its temperature rises to the point where the exothermic oxidation of the sulphide particles takes place. The amount of heat supplied to this compartment is calculated so as to complete the oxidation.
Part of the exhaust gases is recirculated with the gases arriving from the bottom in the compartment D, to bring the concentration of welds to a maximum. The amount of air
(or oxygen) added is therefore just sufficient to ensure complete oxidation.
The main mass of gas can be used for the production of sulfuric acid. With this installation, it is therefore possible to obtain in the exhaust gases a concentration of 802 which is otherwise impossible to obtain when roasting ores of this type, which makes it possible to obtain sulfuric acid as a by-product. and economically process minerals that would otherwise border on worthless products.
The energy consumption for this kind of application depends on the composition of the ore. It can be limited to a few kilowatt-hours per tonne of roasted product which can be recovered largely in the form of treatment vapor generated by the cooling fluid circulating in the coils 37 of compartment E of the installation.
Figs. 5, 6 and 7 show how the heating elements can be arranged in multiple vertical rows in the form of grids. It can be seen that the general arrangement for obtaining a thick layer of moving material undergoing treatment flowing horizontally is the same as in the embodiments previously described; consequently, only the features differentiating the embodiments of FIGS. 5, 6 and 7 of those shown in FIGS. 1 to 4.
In the installation shown in fig. 5, the heating zone. F is separated from the cooling zone C only by the screen with passage from below 50. This installation is mainly intended for the treatment of materials for which changes in the state of the material during treatment do not give rise to the release of valuable gases, so that it is not necessary to ensure an exact separation of the gases in the heating zone from those coming from the cooling zone, while gases of similar composition can be used for keep the material moving in the two zones.
Of course, an arrangement of this kind is not useful. sand only if the pressures prevailing in zones F and C are more or less the same. If the passage of gas between the two zones becomes too great, it is possible to provide partitioning devices of the type shown in FIG. 4. It should also be noted that the gas chamber below the heating zone F is divided into two compartments F 'and F "supplied independently from one another and separated by a partition 51.
The aim of this arrangement is to allow the gas flow to be modified so that it corresponds to the state of the material as it progresses in zone F. It may be advantageous to do so. vary the amount of gas for various reasons. One of these reasons, already indicated, is the release of a gas by the material during its heating. this gas then serving in turn to keep the material moving when it is released, thus making it possible to reduce the quantity of gas to be introduced into the part of the installation giving rise to a release of gas. Another well-known reason lies in the fact that the viscosities of the. layer decreases as the quantity of gas used for the. make moving.
Since the resistance to flow inside the installation may vary from one compartment to the next, either as a result of changes in the density or in the arrangement of the heating elements, or because of changes in the nature of the material being treated, it may be advisable to adjust the quantity of gas injected in a manner allowing a variation in the resistance to flow, so that the height of the material inside each compartment is as uniform as possible from one end of this compartment to the other.
It should also be noted that the losses resulting from the entrainment of fine particles of matter by the exhaust gases become higher and higher as the spatial velocities of the gas within the layer are increased and above her. The space velocity of the gas should therefore always be kept as low as possible, to the extent compatible with the efficiency of the heating and cooling operations to be carried out.
In practice, it has been found that it is possible, by appropriate adjustment of the space velocities, to reduce the losses by entrained dust with a material as easy to entrain as powdered alumina, to a value as low as about 6%. , while maintaining a sufficiently low viscosities within the layer to allow the efficient implementation of the calcination operation. The ideal space velocity naturally varies from matter to matter, and also depends to some extent on the particular apparatus used. In practice, however, it is straightforward to determine it for any set of particular conditions.
The heating elements 52 of the apparatus shown in FIGS. 5, 6 and 7 are mounted in multiple vertical rows. They are interconnected on each side and supplied with energy by a vertical distribution bar 53.
The distribution bars are connected at their upper end to crossbars 54, which in turn are connected in the middle to vertical main busbars 55, the upper end of which is connected to a branch cable (not shown) located at the- top of the device. The proper spacing between the vertical distribution bars, on either side of the heating elements 52, is maintained by spacing insulators 56 which extend between the distribution bars at the ends of each grid or group of rows. Each grid can be supported in a suitable manner in the tunnel using blocks of ceramic material, for example using blocks 57 placed under the membrane 14, and other blocks 58 resting on this membrane.
However, the grilles only require support under the distribution bars at the ends and, in general, the support surface will be as small as possible so that the entry of gases from below. is only upset at a minimum.
The roof of the tunnel is formed by blocks of ceramic material which are arranged to form removable panels 59 directly above the grids of heating elements, so that these grids can be removed from above for their visit and maintenance. , without the need to dismantle the entire installation for this purpose.
Arranging the heating elements in multiple rows or grids offers many advantages. In the first place, it naturally allows easy removal and adjustment of the heating elements, thus making possible any modification of the arrangement, density and heat input in each part of the apparatus, without causing any modification of the arrangement, density and heat input in each part of the apparatus. it is necessary to rebuild it. This results in greater flexibility of operation.
From the point of view of thermal economy, a very important fact is that only two feed bars pass through the tunnel roof for each grid, so that the causes of heat loss are reduced to a very large number. low, ee which increases the economy of operation, especially for the case of operations carried out at high temperatures.
The heating elements 52 can have any shape. From the point of view of simplicity, availability and cost. it is very advantageous to use strip resistors. However, if the strip resistors are placed with their flat faces in a horizontal plane, the space above the strips no longer receives the gases flowing from bottom to top, so that material is deposited on the surface. upper face of the elements. Most of this material is carried away as the layer progresses horizontally, but a significant amount remains permanently on the top face of each element. At the same time, a gas pocket is formed under each resistance.
Not only is the duration of the elements considerably reduced in this way, but the whole effect which keeps matter moving is disturbed.
It will be appreciated that if the flat resistors are arranged with their flat faces in a vertical plane, the total resistance opposed to the horizontal flow of the layer becomes much too great for practical operation.
However, it has been found that if the plane faces of the resistors are inclined at a certain angle with respect to the horizontal, the edges of the downstream side being situated above the edges of the upstream side, the solids and the gases pass between the belts at a very high speed, as shown in fig. 8, while the aforementioned harmful effects are avoided. Experimentally, we have. observed that if the angle of inclination d of the strips is between approximately 75 and 45 with respect to the horizontal, the elements with a width of 25 mm can have a density of up to 516 linear m per cubic meter, without stopping the smooth flow of solids from the layer and without significantly hindering. keeping them in a moving state.
To obtain the most favorable results, it is important that the horizontal speed of the layer is relatively high, since the aforementioned drawbacks are all the more important as the speed is reduced. We have. found that layer speeds of 6 to 150 em per minute are suitable for an installation corresponding to the most general design, and whose heating elements are tubular or formed by radiating walls, while with band resistors arranged in As described, the plant should be operated with a layer flow rate within the upper part of these limits.
The upper limit of 150 em per minute is by no means critical to the. feasible, it is merely indicated by way of example of a desirable upper limit from a practical point of view. The reason why this speed should not be considerably exceeded is simply that the heating zone must be longer as the flow speed of the layer is greater, to allow the material to receive the amount of heat needed to pass through that area.
The apparatus can be used at very high speeds, but it is generally not economical because of the high capital invested per unit of capacity, and also because of the larger areas of heat loss by radiation and conduction. .
It should be noted that although the heating elements shown in the sins are generally oriented horizontally across the layer, they can also be arranged in another way. In fact, the elements can be arranged vertically or longitudinally with respect to the heating tunnel, or else at an intermediate angle. When using steam or hot gas tubes, the arrangement may be similar to that of the cooling ducts in the cooling compartments, as shown in the drawing.
In general, it is preferable to use horizontal elements arranged across the tunnel because of the simplicity of construction, the flexibility of the arrangement and the ease of adjustment in operation.
The installation shown in fig. 6 is a variant of that shown in the lifg. 4, the heating zone being divided into compartments H and K, and compartment K being separated from the cooling zone L by partitioning devices constituted by weirs 60 in the form of wedges, and by screens passing through from below 61.
The heating elements are constituted by the strip resistors mounted in multiple rows or grids. The operation of this installation is analogous to that of the installation shown in fig. 4, but it is constructed for flow velocities. horizontally, which are advantageous with strip type resistance heaters, the pressure drop from one compartment to the next and at high flow rates being much less with this partitioning device than with this partitioning device. with the device shown in Fig. 4.
To show how the installation can be adapted to the implementation of any particular operation, and to the various factors entering into the calculation of the installation, we will give below an example of calculation concerning, for example, calcination. alumina. Starting from this. For example, a technician will have no difficulty in suitably adapting the installation to other implementations of the process according to the invention.
It is first of all necessary to take into account the thermal characteristics of the material which must. be treated and, by way of example, it will be assumed that the material to be heated is gibbsite, that it is pure and is not at all humid when it enters the installation. Precise thermal information is generally not available for materials of mineral origin, but a sufficiently accurate determination of the factors necessary for the rational construction of the plant can be made by slicing the range of temperatures in which the material is to be. heated, and calculating the average amount of heat required in each temperature range.
For the purposes of this example, it has been established by tests that gibbsite begins to decompose at 150 C, and that the material is completely dehydrated at a temperature of 510 C. Between these two limits, the dehydration is 25%. at 315 C, and 75 "/. at 400 C.
The heat of reaction during transformation can. be calculated according to the indications of Bichovsky and Rossini (Reinhold Publishing Corp. New York, 1936) for the reaction 2AI (OH) 3 = Al2O3 (y) + 3H2O (g) at 600 absolute.
Since 600 (absolute) (327 C) is a temperature close to that corresponding to dehydration at 50 / o,
it is possible, for practical reasons, to
neglect the heat absorbed for heating
water released from the base temperature of
327 C up to the outlet temperature. This supposition is also justified by the fact
that, in the installation described, the des-
hydration is drained from the. almost layer
to the point where it is released from the molecule.
It therefore undergoes neither heating nor additional cooling in the layer, and does not entail any additional consumption of heat in the subsequent zones through which the layer flows.
On the basis of the above data, the thermal information necessary for the construction of a suitable installation can be easily calculated and are shown in the table below:
Board :
Alumina wedging.
Thermal information for obtaining 907 kg of Gamma alumina starting from
1388 kg of dry gibbsite.
Limits Total weight Total heat Required heat
average temperatures required Q temperature required
from kg to cal. temperature required
Cal / C
110-177 1388 19432 290 22, 6
177-315 1328 154 034 1116 179.0
315-400 1147 249885 2940 290, 4
400-510 967 140 329 1276 163, 1
510-566 907 13 104 236 15, 2
566-677 907 26 208 236 30, 5
677-1065 907 91728 236 106, 6
Total 694,720,727.5,807.4
110-1065 s Average.
The above figures were used to construct the graph of fig. 9. Curve 90 represents the heat necessary for the operation to be implemented. A similar curve can of course be prepared for any material suitable for being made to move in the finely divided form, once the general thermal properties of the material have been recognized.
The next step in establishing a suitable facility is to determine the capacity per unit of time that it should have.
Assuming that the heating elements are in the preferred form of strip electrical resistors inclined at a certain angle to the horizontal, as previously described, it is easy to calculate what the cross section of the moving layer should be for that the correct amount of solid matter passes at any given point per unit time, with a horizontal layer flow rate of about 150 µm per minute, which is a suitable rate for the layer flow when using strip resistors, as explained previously.
The speed of flow being known, as well as the specific heat of the material, a simple calculation makes it possible to determine the quantity of heat which must be introduced into the installation so that the material passing at a given point is brought to the temperature of 177 C. For the calcination of the gibbsite, it is advantageous to insert at this point a partitioning device, preferably of the type shown in FIG. 6.
Using the graph of the. fig. 9, it is simple to determine the amount of heat required to bring the material to the temperature of 315 C, and the heating elements can be arranged and made to provide this amount of heat. Likewise, referring to fig. 9, it can be noted that between temperatures of 315 and 400 C a greater amount of heat is required, while between temperatures of 400 to 510 C a much lower amount of heat must be supplied.
In general, it would be advantageous to place a partitioning device in the installation a little above the temperature of 510 C, because it is at this point that water ceases to escape from the material. .
Depending on the final product that is desired to be obtained, the material then passes either to a cooling compartment in which gamma alumina is produced, or this material can be sent to another heating compartment to be heated to. a temperature of about 1065 C to produce normal alumina. The graph of fig. 9, as well as the figures in the table show, however, that heating between 510 and 1065 C only absorbs about 19 / o of the total heat required for the operation.
Although it is perfectly possible to use electric resistances up to a temperature of 1065 C and more, in particular by using carbide heating elements (silicon, heating using electric resistance elements finds its most advantageous application at temperatures below 640 C. Since electrical losses can be greater in high temperature operation, it is generally more economical to use radiant walls on either side of the tunnel, walls heated from the outside using burners of any type.
However, it should be pointed out that frequently it will be advantageous to use electric resistance heating, even at high temperatures, because the advantages obtained can more than compensate for the poorer efficiency of electricity at these temperatures.
Starting from the figures which have just been indicated (which are of course only approximate), obtaining 907 kg of gamma alumina at a temperature of 1065 C requires approximately 694,500 cal. on which we can recover about 239,000 cal. in the form of vapor. The approximate total heat consumption (minimum) is therefore approximately 455,500 cal. for 907 kg, or 502,000 cal. per tonne, instead of consuming around 972,000 cal. per ton which is the most favorable figure when calcining the same material in rotary kilns. The present invention therefore makes it possible to save almost half of the heat necessary for carrying out the same operation by the usual method.
Although the treatment by the process according to the invention of alumina and sulphide ores of inferior quality has been discussed, it goes without saying that these materials have been mentioned only by way of example. The invention is applicable to the treatment of any material capable of being moved in the finely divided form. In this connection, it should be noted that some finely divided materials tend to sinter when heated, or form structurally specific agglomerations, sometimes called aero-thixotropic gels, when attempting to make them moving. Other materials aggregate, and of course not all such materials can be processed in accordance with the present invention.
Materials capable of being moved are well known in the art, and the publications indicate a large number of them. On the other hand, a very simple test makes it possible to verify whether a finely divided material can be made moving or not.
Another arrangement, which can be used in the removal of alumina, is shown by way of example in FIG. 10. It can be seen that the installation is made up of three heating sections P, Q and R and two cooling sections S and T placed side by side, the material entering the installation through a downcomer 101 and leaving through another downcomer 102.
Heat is supplied to the material by multiple rows of band resistors 103 of the type described with reference to the apparatus shown in Figs. 5, 6 and 7, while the sensible heat of the wedged product is largely recovered by a cooling liquid circulating in the tabular cooling coils 104 arranged in the cooling sections
S and T. Electrical connections can be easily provided above the unit, as well as connections for coolant circulation.
From the point of view of heat saving, the advantage provided by this installation appears immediately, because there is no heat loss through the intermediate partitions 105, 106, 107 and 108, while the gathered shape of the assembly offers an important advantage from the point of view of economy of space.
Although the. most of the. The above description relates to the treatment of materials on a large scale, there are many cases of chalelir treatment on a reduced scale, where the process according to the invention can advantageously be applied.
For example, in the production of pigments, especially iron oxide pigments, extremely precise control of the heating temperature of the pigment as well as the duration of heating are very important factors. The present invention allows this exact adjustment and simultaneously the continuous implementation of the operation.