FR2500481A1 - Procede et appareil pour la reduction de minerais metalliques - Google Patents

Abstract

CE PROCEDE POUR LA REDUCTION DE MINERAI METALLIQUE EN METAL FAIT INTERVENIR UN REACTEUR A CUVE VERTICALE 10 A COUCHE MOBILE DANS LEQUEL ON ETABLIT, DANS LA PARTIE SUPERIEURE, UNE ZONE DE REDUCTION 12 ET, DANS LA PARTIE INFERIEURE, UNE ZONE DE REFROIDISSEMENT 16. SELON L'INVENTION, ON MINIMISE LE MELANGE ENTRE LE GAZ REDUCTEUR TRAVERSANT LA ZONE DE REDUCTION 12 ET LE GAZ DE REFROIDISSEMENT TRAVERSANT LA ZONE DE REFROIDISSEMENT 16 EN ETABLISSANT UNE ZONE INTERMEDIAIRE 14 DONT LES FORMES ET DIMENSIONS SONT PREVUES POUR OBTENIR UNE BONNE OPTIMISATION. L'INVENTION PERMET NOTAMMENT D'OBTENIR UN ACCROISSEMENT DE LA PRODUCTION D'EPONGE DE FER FORTEMENT METALLISEE, UN MEILLEUR REGLAGE DE LA CARBURATION, ET UNE MEILLEURE UNIFORMITE DE LA CARBURATION.

Description

- 1 - Procédé et appareil pour la réduction de minerais métalliques.

L'invention concerne la réduction gazeuse de minerais en particules à l'état de métaux en particules dans un réacteur à cuve verticale à couche mobile et plus particulièrement, un procédé perfectionné pour commander la réduction du minerai et le refroidissement des particules métalliques obtenues. L'invention concerne en outre un réacteur à cuve verticale de conception optimale qui assure la possibilité de régler indépendanment et plus efficacement aussi bien la réduction que le

refroidissement des particules métalliques.

Dans la description ci-après, on décrit le procédé

à titre d'exemple dans son application à la réduction de minerai de fer en éponge de fer. Toutefois, au fur

et à mesure de la description, il deviendra évident

pour l'homme de l'art que l'invention est aussi applicable

au traitement de minerais autres que le minerai de fer.

En général, la fabrication d'éponge de fer dans un réacteur à cuve verticale & couche mobile comporte deux étapes principales, à savoir la réduction du minerai au moyen d'un gaz réducteur chaud approprié, dans une zone de réduction du réacteur et ensuite le refroidissement de l'éponge de fer obtenue au moyen d'un agent de refroidissement gazeux, dans une zone de refroidissement du réacteur. Le gaz réducteur est typiquement un gaz composé en grande partie de monoxyde de carbone et d'hydrogène à des températures de l'ordre de 750 à 11000C, de préférence de 800 à 1000C. Habituellement, on introduit le gaz réducteur chaud en bas de la zone de réduction et on le fait monter à travers le réacteur pour réduire le minerai métallique dans celui-ci. Dans plusieurs procédés proposés antérieurement, on effectue le refroidissement de l'éponge de fer en faisant passer de bas en haut, à travers la zone de refroidissement - 2 du réacteur, une portion du gaz réducteur à une température relativement basse, ce qui fait que la température du gaz réducteur s'élève et que la température de l'éponge

de fer s'abaisse.

Très souvent, on utilise l'éponge de fer tirée du réacteur à cuve à couche mobile pour constituer la totalité ou une partie de la charge amenée à un four électrique de fabrication de l'acier. On a trouvé que pour maximiser l'économie et l'efficacité du fonctionnement du four, il faut carburer de façon réglable l'éponge de fer utilisée. On peut effectuer cette carburation en utilisant comme gaz de refroidissement un gaz carboné qui se décompose en passant sur l'éponge métallique chaude et y dépose du carbone. Toutefois,-pour réaliser et maintenir un degré particulièrement désiré de carburation de l'éponge de fer en même temps que l'effet de refroidissement désiré, il faut régler la composition et le débit du gaz de refroidissement indépendamment des conditions qui existent dans la zone de réduction

du four à cuve.

Il est important aussi de refroidir suffisamment l'éponge de fer avant de la sortir du réacteur pour éviter une réoxydation de l'éponge lorsqu'elle est exposée à l'atmosphère pendant qu'elle est à des

températures excessives.

Si l'on utilise des courants gazeux de composition différente et de température différente dans les deux zones du réacteur, à savoir les zones de réduction et de refroidissement, les gaz ont tendance à se mélanger entre les deux zones ce qui cause des variations incontrôlables des propriétés de l'un des courants

gazeux ou de tous les deux. Des variations incontr8lées-

dans la composition, la température et le débit des gaz réducteur et de refroidissement ont un effet néfaste sur la qualité et l'efficacité du processus global de -3- réduction. De nombreux inconvénients associés au mélange des gaz entre les zones de réduction et de refroidissement ont déjà été reconnus et on a fait des tentatives pour minimiser ces conditions d'écoulement indésirables des gaz. Plus précisément, les brevets US 3 775 872 et 3 799 521 décrivent les avantages d'assurer au sein du réacteur à cuve une boucle de gaz de refroidissement pouvant être réglée indépendamment ainsi qu'un procédé et un appareil efficaces pour réaliser ce réglage indépendant de l'écoulement des gaz dans les zones de réduction et de refroidissement. La solution fournie par ces inventions antérieures porte sur un procédé et un appareil permettant de minimiser le mélange du gaz réducteur et du gaz de refroidissement en utilisant un régulateur de pression différentielle pour maintenir la pression du gaz en bas de la zone de réduction pratiquement égale à la pression du gaz en haut de la zone de refroidissement de manière à établir une zone

isobarique entre les zones de réduction et de refroidis-

sement. Il est indiqué aussi qu'en maintenant pratiquement égaux les débits de gaz entrant et de gaz sortant de la zone de refroidissement, on obtient une configuration d'écoulement de gaz dans laquelle il existe un écoulement net pratiquement nul de gaz réducteur ou de gaz de refroidissement entre les zones de réduction et de refroidissement. Bien que l'on puisse utiliser ces enseignements antérieurs pour diminuer et mattriser efficacement le mélange entre les gaz au sein du réacteur à cuve, on a découvert maintenant, de façon surprenante, que, s'il est vrai que l'on peut réaliser un état d'écoulement net nul entre la zone de réduction et la zone de refroidissement, une portion du gaz réducteur de la partie inférieure de la zone de réduction a encore - 4 - tendance à s'écouler vers le bas en arrivant dans la zone de refroidissement tandis qu'une portion du gaz de refroidissement de la partie supérieure de la zone de refroidissement a tendance à s'écouler vers le haut en arrivant dans la zone de réduction. De nombreux inconvénients résultent du mélange des gaz entre les deux zones du réacteur méme dans des situations o la quantité de gaz s'écoulant-entre les zones est relativement petite. Par exemple, l'efficacité et l'économie globales du processus de réduction directe sont influencées indésirablement par suite de la composition très différente du gaz réducteur et du gaz de refroidissement. Typiquement, le gaz de refroidissement sortant a une teneur relativement élevée en eau et en méthane en comparaison du gaz réducteur qui présente typiquement une teneur très supérieure en carbone total avec une moindre teneur en eau et en méthane. Si du gaz de refroidissement afflue à la zone de réduction, le méthane subit un reformage local à une température très supérieure, par l'action catalytique de l'éponge de fer, donnant du monoxyde de carbone et de l'hydrogène par une réaction endothermique qui entratue un abaissement de la température de la zone de réduction. Par suite, la réduction de minerai dans la zone de réduction est influencée indésirablement. Par contre, ai du gaz réducteur à très haute teneur en carbone afflue à la zone de refroidissement, le minerai qui s'y trouve se carbure

de façon incontrôlable.

Un autre inconvénient associé au mélange des gaz réside dans l'effet sur l'efficacité thermique globale du procédé. Si du gaz réducteur chaud est détourné directement de l'entrée à la sortie de la zone de refroidissement et traverse ensuite celle-ci, il en résulte une perte d'énergie du gaz réducteur précédemment _5_ chauffé. On a découvert en outre que lorsque les gaz réducteur et de refroidissement s'écoulent entre les zones de réduction et de refroidissement, la réduction uniforme du minerai est notablement entravée. Etant donné que des gaz s 'écoulent vers le haut à travers le milieu du réacteur et s'écoulent vers le gaz le long des parois du réacteur, on obtient une configuration non uniforme de distribution de gaz et par suite une réduction non

uniforme du minerai.

On a donc besoin d'un procédé et d'un appareil de réduction gazeuse permettant de fabriquer une éponge de fer fortement métallisée tout en assurant un réglage efficace de la carburation de l'éponge de fer. On a fortement besoin aussi d'un procédé et d'un appareil permettant de fabriquer une éponge de fer ayant un degré de métallisation et de carburation particulièrement désiré tout en constituant simultanément un réacteur de conception optimale pour minimiser les investissements tout en maximisant l'efficacité globale du procédé de

réduction gazeuse.

En conséquence, un but de l'invention est de fournir un procédé et un appareil pour la réduction gazeuse de minerais métalliques dans un réacteur de réduction & cuve verticale à couche mobile, avec accroissement de la

production d'éponge de fer fortement métallisée.

-Un autre but est de fournir un procédé et un appareil de réduction gazeuse de minerais métalliques qui permettent

de mieux régler la carburation de l'éponge de fer.

Un autre but de l'invention est de fournir un procédé et un appareil de réduction de minerais métalliques qui améliorent globalement l'efficacité thermique de la

réduction et du refroidissement de l'éponge de fer.

Un autre but est encore de fournir un procédé et un appareil perfectionnés pour la réduction uniforme - 6 - du minerai de fer avec utilisation d'un réacteur de conception optimale pour assurer une efficacité maximale

du procédé avec le minimum d'investissements.

D'autres buts de l'invention sont évidents, d'autres encore seront indiqués plus loin. Comme précédemment indiqué, on a réellement besoin d'un procédé et d'un appareil permettant de maîtriser efficacement la migration de gaz réducteur vers la zone de refroidissement et de gaz de refroidissement vers la zone de réduction. Bien que les avantages d'assurer un réglage indépendant dans la boucle de gaz rdtucteur comme dans celle de gaz de refroidissement aient été déjà reconnus, avant l'invention, on concentrait principalement l'attention sur un procédé permettant de réaliser et de régler un écoulement uniforme des

gaz à travers les zones de réduction et de refroidissement.

On craignait communément que si l'on établissait une zone isobarique au sein du réacteur entre les zones de réduction et de refroidissement, l'écoulement net de gaz

à travers cette zone serait nul.

L'homme de l'art croyait en outre que si l'on pouvait réaliser un équilibre matériel dans les boucles de gaz réducteur et de gaz de refroidissement, on pourrait établir un état d'écoulement net nul entre les zones de refroidissement et de réduction quelle que soit la distance effective entre l'entrée et la sortie du gaz réducteur comme du gaz de refroidissement, voir 'Gas Penetration Problems for Direct Reduction in Shaft Furnaces", Rudolf

Jeschar et coll., Stahl u. Bisen, n 17 (août 1979).

Un moyen évident de minimiser le mélange entre les gaz serait d'augmenter la hauteur totale du réacteur de sorte que la distance effective entre les zones de réduction et de refroidissement serait accrue. Toutefois, en augmentant arbitrairement la hauteur du réacteur, on

obtiendrait une structure de réacteur extrêmement coûteuse.

- 7 - Un autre moyen de mattriser et de minimiser le mélange entre les gaz réducteur et de refroidissement consiste à utiliser des age1*ements intérieurs dans le réacteur pour briser le parcours d'écoulement des gaz. Une telle solution entratnait un accroissement assez notable des investissements et, chose plus importante, aurait un effet indésirable sur l'écoulement par gravité du minerai à travers le réacteur. Un troisième moyen de minimiser le mélange des gaz réside dans une structure de réacteur présentant un plus petit diamètre entre les zones de réduction et de refroidissement pour inhiber l'écoulement des gaz d'une zone à l'autre. Toutefois, si l'on prévoit un diamètre non uniforme du réacteur entre les zones de réduction et de refroidissement, il faut un déflecteur conique relativement raide entre

les deux zones pour maintenir un débit massique uniforme.

Etant donné les températures relativement élevées auxquelles on réduit le minerai, les particules de minerai ont tendance à adhérer ou à s'agglomérer et un déflecteur conique aurait tendance à former des ponts de particules comportant des aas de boulettes d'éponge de fer qui interrompraient l'écoulement régulier et uniforme à travers le réacteur. Une telle structure de réacteur serait coûteuse et il serait très difficile de

la faire fonctionner régulièrement.

On a maintenant trouvé de façon surprenante que même lorsqu'on établit une zone pratiquement isobarique entre les zones de réduction et de refroidissement, il se produit encore un mélange indésirable des gaz par convection. On a trouvé en outre qu'il existe une corrélation entre le degré de mélange des gaz des zones de réduction et de refroidissement et le rapport de la hauteur équivalente au diamètre équivalent de la zone intermédiaire entre les entrées et sorties effectives de gaz. En optimisant la conception du réacteur et - 8 - plus particulièrement la hauteur équivalente et le diamètre équivalent de la zone intermédiaire entre les zones de réduction et de refroidissement, on peut isoler de façon réglable les gaz qui entrent au réacteur et en sortent pour éviter les effets indésirables du

mélange des gaz.

Les nombreux buts et avantages de l'invention pourront être le mieux compris à l'étude des dessins annexés qui illustrent des systèmes de fabrication d'éponge de fer comportant plusieurs modes d'exécution de l'appareil selon l'invention qui peut servir à la

mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

La figure 1 représente schématiquement un système de fabrication d'éponge de fer qui comprend un réacteur à cuve verticale présentant une zone intermédiaire située entre les zones de réduction et de refroidissement: La figure 2 montre un réacteur similaire à celui de la figure 1 dans lequel la zone intermédiaire a une section circulaire pratiquement constante s'étendant du haut de la zone de refroidissement au bas de la zone de réduction; La figure 3 illustre le mélange des gaz réducteur et de refroidissement & l'intérieur du réacteur; La figure 4 montre une courbe de la quantité de gaz qui se mélange, en pourcentage sur le gaz total amené soit à la zone de réduction soit à la zone de refroidissement, en fonction du rapport de la hauteur

équivalente au diamètre équivalent de la zone intermédiaire.

On considérera d'abord la figure 1 z la référence 10 désigne généralement un réacteur à cuve verticale à couche mobile comportant une zone de réduction 12 en sa partie supérieure, une zone de refroidissement 16 à la partie inférieure et une zone intermédiaire 14

située entre les zones de réduction et de refroidissement.

Le réacteur 10 est convenablement calorifugé et peut - 9 être doublé intérieurement d'une matière réfractaire,

de façon connue.

Le minerai en particules qu'il s'agit de traiter

est introduit dans le réacteur 10 par un tuyau d'intro-

duction 18. Le minerai introduit dans le réacteur peut être sous la forme de morceaux ou de boulettes préformées ou de mélanges de ceux-ci. Près de l'extrémité inférieure de la zone de réduction 12, le réacteur est muni d'une chambre de tranquilisation annulaire qui fait le tour de la périphérie du réacteur et constitue un moyen d'amenée du gaz réducteur au réacteur. Un déflecteur vertical 23 est aussi prévu et définit, avec la paroi du réacteur, l'espacement annulaire 22. Le minerai se déplace de haut en bas à travers la zone de réduction 12 o il est réduit largement en éponge de fer par du

gaz réducteur s'écoulant de bas en haut.

Le minerai de fer réduit quittant la zone de réduction 12 et entrant dans la zone intermédiaire 14 est généralement formé de fer élémentaire, de carbure

ferrique et de quantités résiduelles d'oxyde ferrique.

Les parois intérieures définissant la zone intermédiaire 14 doivent être conçues de manière à assurer un débit

massique uniforme du minerai qui se meut de haut en bas.

Il est important de minimiser le degré de mouvement entre particules au sein du minerai qui traverse la partie supérieure du réacteur que l'on fait fonctionner

à une température relativement élevée.

Le minerai de fer réduit qui se meut de haut en bas à travers la zone intermédiaire 14 entre dans la zone de refroidissement et il est fortement métallisé et à basse teneur en carbone. Près du bas de la zone de refroidissement 16 se trouve une autre chambre de tranquillisation annulaire 38, similaire à la chambre 22 et à travers laquelle un gaz de refroidissement peut être amené au réacteur. Un déflecteur tronconique 36

- 10 -

est aussi prévu et définit, avec la paroi du réacteur, l'espacement annulaire 38. L'éponge de fer s'écoule de haut en bas à travers la zone de refroidissement 16 o il est refroidi par le gaz de refroidissement s'écoulant au travers et quitte le réacteur par la sortie 39. On considérera maintenant les écoulements de gaz dans le présent système; du gaz réducteur frais largement composé de monoxyde de carbone et d'hydrogène entre dans le système (depuis une source appropriée non représentée) par le tuyau 45 à un débit réglé par le régulateur de débit 46. Le gaz réducteur peut être engendré par exemple par combustion partielle de combustibles, gazéification du charbon ou reformage catalytique d'hydrocarbures et de vapeur d'eau. D'autres types connus de gaz réducteur comme le gaz de cokerie peuvent être utilisés au lieu du gaz naturel reformé ou de l'une quelconque des autres sources de gaz

réducteur mentionnées plus haut.

Le gaz réducteur entrant dans le système de réduction par le tuyau 45 afflue au tuyau 49 puis à un serpentin chauffant 40 du dispositif de chauffage 42 o il est chauffé à une température d'environ 750 & 1100C, de préférence de 800 à 10000C. Le gaz chauffé sort du dispositif de chauffage par le -tuyau 44 et afflue à la chambre de tranquillisation 22. Le gaz réducteur s'écoule à travers la chambre 22 et arrive au réacteur près du bas de la zone de réduction 12. A son entrée dans le réacteur, le gaz réducteur s'ecoule de bas en haut à travers la zone de réduction 12, réduisant le minerai métallique qui s'y trouve et il est retiré près du haut du réacteur en passant par un raccordement d'évacuation

47 et un tuyau 48.

Le gaz quittant le réacteur par le tuyau 48 entre dans un refroidisseur 50 dans lequel on introduit de l'eau par le tuyau 51 pour refroidir le gaz sortant

- il -

et en éliminer l'eau. Le gaz sort du refroidisseur 50 par le tuyau 52 et afflue au tuyau 53 qui est relié au côté d'aspiration de la pompe 56. Le mélange gazeux passant par la pompe 56 est évacué par le tuyau 57 et se réunit au gaz réducteur frais passant par le tuyau puis il est recyclé au réacteur par le tuyau 49, le dispositif de chauffage 42, le tuyau 44 et la chambre de tranquillisation 22. Une partie du courant de gaz qui passe par le tuyau 52 peut être amenée à affluer, par le tuyau 55, à un point d'utilisation approprié non représenté. Le tuyau 55 est aussi muni d'un régulateur de contre-pression 54 présentant un point de consigne réglable de manière à maintenir dans le système une pression positive et constante pour

améliorer l'efficacité globale du réacteur 10.

On considérera maintenant la partie droite de la figure 1 j du gaz de refroidissement de complément peut être amené d'une source appropriée (non représentée) par le tuyau 64 à un débit réglé par le régulateur de débit 65. Le gaz de refroidissement de complément afflue par le tuyau 68 à la boucle de refroidissement et s'écoule du tuyau 68 au tuyau 92 puis au côté d'aspiration de la pompe 94. Le gaz de refroidissement quitte la pompe

94 par le tuyau 96 et entre dans la zone de refroidis-

sement 16 du réacteur par la chambre de tranquillisation 38. Le gaz de refroidissement s'écoule de bas en haut à travers la zone de refroidissement 16, refroidissant ainsi l'éponge de fer qui se meut de haut en bas à

travers le réacteur.

Le gaz de refroidissement est retiré du réacteur par la chambre de tranquillisation 34, similaire aux chambres 22 et 38 et entre dans le tuyau 98. Le gaz de refroidissement arrive alors au refroidisseur 100 dans lequel on introduit de l'eau par le tuyau 102 pour refroidir le courant de gaz sortant. Le courant

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de gaz sort du refroidisseur 100 par le tuyau 104. Une partie du gaz, une fois réuni à du gaz de refroidissement de complément venant du tuyau 68, est recyclé, par le tuyau 92, la pompe 94, le tuyau 96 et la chambre de tranquillisation 38, au bas de la zone de refroidissement

16 du réacteur.

La configuration de la zone intermédiaire 14 qui est représentée sur la figure 1 a une hauteur équivalente, Ll, égale à la plus courte distance, le long de l'axe vertical du réacteur, entre le point d'injection effectif de gaz réducteur par la chambre de tranquillisation 22 et le point de retrait du gaz de refroidissement par la chambre de tranquillisation 34. Le diamètre équivalent L2 est égal à la plus courte distance entre les parois effectives de la zone intermédiaire 14. Par l'optimisation de la zone intermédiaire 14, le degré de mélange des

gaz réducteur et de refroidissement est négligeable.

On passera maintenant & la figure 2; le réacteur qu'elle représente est similaire sur la plupart des points à celui de la figure 1 et, par conséquent, sa

description sera limitée aux différences entre les

deux réacteurs. La figure 2 illustre un mode d'exécution préférentiel de l'invention dans lequel la zone intermédiaire 14 est conçue pour avoir une section circulaire pratiquement constante s'étendant du haut de la zone de refroidissement-16 au bas de la zone de réduction 12. La hauteur équivalente, Ll, est égale à la distance verticale entre le point d'injection effectif de gaz réducteur dans la couche de minerai par la chambre de tranquillisation 22 et le point de retrait effectif du gaz de refroidissement de la couche de minerai, par la chambre de tranquillisation 34, près du haut de la zone de refroidissement 16. Le diamètre équivalent, L2, est égal au diamètre de la section circulaire de la zone intermédiaire 14. Le mode d'exécution de la figure 2

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est une structure préférentielle de réacteur dans laquelle on optimise le processus global de réduction en établissant des conditions de mélange pratiquement nul entre les gaz tout en minimisant les investissements totaux représentés par le réacteur lui-même. La figure 3 est une représentation schématique d'une conception préférentielle de réacteur illustrant l'invention. L'homme de l'art comprendra que la représentation schématique de la figure 3 illustre la configuration d'écoulement des gaz pour la moitié seulement de la section du réacteur, l'écoulement du gaz en travers de la section de la moitié restante du réacteur étant identique à celui qui est représenté. On comprendra en outre que les entrées et sorties de gaz peuvent être disposées à tout endroit désiré de la périphérie du réacteur. La zone de réduction 12, la zone de refroidissement 16 et la zone intermédiaire 14 sont similaires à celles que montre la figure 2, ayant une section circulaire pratiquement constante dans laquelle le gaz réducteur est injecté près du bas de la zone de réduction 12 et le gaz de refroidissement est retiré du réacteur près du haut de la zone de refroidissement 16. Le débit d'entrée de gaz réducteur est indiqué par FR et la sortie de gaz de refroidissement est indiquée par FC Les parcours d'écoulement du gaz réducteur injecté dans le réacteur de la figure 3 illustrent comment une

portion du gaz réducteur, Fd, afflue à la zone inter-

médiaire 14 et la traverse de haut en bas tandis que la majeure partie de FR afflue à la zone de réduction 12 et la traverse de bas en haut. De façon similaire, une portion du gaz de refroidissement sortant afflue à la zone intermédiaire et la traverse de bas en haut

et est indiquée par Fu.

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Comme on l'a dit plus haut, on peut établir une

zone pratiquement isobarique o la pression est pratique-

ment constante partout en réglant les débits et les pressions des boucles de gaz de refroidissement et de gaz réducteur. Lorsqu'il existe un écoulement net nul à travers la zone intermédiaire 14, la quantité de gaz réducteur s'écoulant de haut en bas à travers la zone intermédiaire 14, Pd' est égale à la quantité de gaz de refroidissement s'écoulant de bas en haut à travers la zone intermédiaire 14, F. Donc, dans des conditions stables o l'écoulement net est nul, le débit total de gaz réducteur passant par la zone de réduction 12,

YTR, est égal au débit d'entrée de gaz réducteur, FR.

La configuration d'écoulement de ces gaz à travers le réacteur, quand le débit net traversant la zone intermédiaire 14 est nul, peut être illustrée par les équations suivantes s (1) FiTa R + ( dU - d) (2) u Yd

(3) PTR FR

Toutefois, la figure 3 montre nettement que même dans des conditions d'état stable o l'écoulement net à travers la zone intermédiaire 14 est nul (c'est-à-dire Yu = Fd), il se produit encore un mélange entre les gaz réducteur et de refroidissement. Comme on l'a représenté, le gaz réducteur a tendance à s'écouler de haut en bas le long des parois du réacteur jusqu'au point de retrait du gaz de refroidissement tandis que le gaz de refroidissement a tendance à s'écouler de bas en haut à travers le milieu du réacteur et à

arriver à la zone de réduction 12.

On a trouvé que cet état inattendu de mélange de gaz a une importance fondamentale étant donné qu'un degré notable de mélange rend extrêmement difficile de

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maintenir les compositions indépendantes désirées dans chaque boucle de gaz. Une telle condition a un effet indésirable sur le degré de réduction et de carburation de l'éponge de fer. Par analyse expérimentale et simulation sur ordinateur, on a tiré une corrélation entre la relation géométrique spécifique de la zone intermédiaire et le degré de mélange des gaz. En conséquence, l'invention réside dans l'optimisation de la hauteur et du diamètre relatifs de la zone intermédiaire du réacteur de manière à maximiser l'efficacité du processus de réduction sans influencer indésirablement le débit massique de minerai

traversant le réacteur.

La figure 4 est une courbe du mélange de gaz, en pourcentage du gaz total amené à l'une des boucles de gaz réducteur ou de gaz de refroidissement, en fonction du rapport de la hauteur équivalente au diamètre équivalent de la zone intermédiaire. On a réalisé la quantification du mélange entre les gaz réducteur et de refroidissement séparés par une zone intermédiaire en simulant les configurations d'écoulement de gaz à travers une couche de minerai simulée, de façon similaire à ce qui est décrit par V. Stanek et J. Szekely dans AIChE Journal, volume 20, 5 ( 1974) pages 974 à 980 z J. Szekely et M.A.Propster dans Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, volume 19 (1977)

pages 21 à 30 et Fried et coll. dans ICCAD, 2nd Interna-

tional Symposium On Finite Element Methods, Italie, juin 1976, pages 695 à 700. En utilisant les modèles mathématiques décrits dans ces publications ainsi que des techniques expérimentales classiques de laboratoire, on a élaboré les données portées sur la figure 4 et elles peuvent être facilement reproduites par un praticien de la dynamique des fluides et del'analyse numérique. Les données indiquées par la figure 4 illustrent

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le schéma d'écoulement indiqué sur la figure 1, Ll étant la distance qui sépare l'entrée de gaz réducteur et la sortie de gaz de refroidissement et L2 étant le diamètre équivalent, égal au diamètre de la section à la sortie du gaz de refroidissement. La zone intermédiaire est

dans un état d'écoulement net nul.

L'analyse des résultats indique qu'un rapport Ll/L2 supérieur à 0,5 environ aboutit à un degré négligeable de mélange entre les deux boucles de gaz, soit moins de 5 % du gaz total amené au réacteur. On a trouvé empiriquement que lorsque moins de 5 % du gaz amené au réacteur se mélange, il n'y a pas de perte appréciable de mattrise de la réduction ou de la carburation de l'éponge de fer. La courbe montre aussi qu'à de faibles valeurs de Ll/L2, le degré de mélange augmente exponentiellement lorsque Ll/L2 diminue. Toutefois, lorsque L1/L2 augmente, le degré de mélange approche asymptotiquement de zéro. On a trouvé en outre que, bien que le degré de mélange des gaz soit extrêmement faible pour des valeurs de L1/L2 supérieures à 2,0O lorsque le rapport Ll/L2 augmente au-dessus de 2,0, l'investissement représenté par le réacteur lui-même

augmente dans une mesure prohibitive.

La limite supérieure acceptable de mélange des gaz est déterminée par la possibilité de régler la métallisation et la carburation de l'éponge de fer fabriquée. En conséquence, on a trouvé qu'une conception économique du réacteur, assurant un réglage indépendant et suffisant de la métallisation et de la carburation de l'éponge de fer, peut être facilement obtenue à des rapports Ll/L2 d'au moins 0,5 et allant jusqu'à environ 2,0. On a trouvé que la gamme de 0,6 à 1,6 était préférable, la gamme de fonctionnement spécialement

préférentielle étant de 0,7 à 1,2.

Bien entendu, la description ci-dessus sert

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seulement d'illustration étant donné que l'on peut modifier de diverses façons les modes d'exécution décrits, dans le cadre de l'invention. Par exemple, le mode d'exécution des figures 1 et 2, o les parois intérieures de la zone intermédiaire 14 sont pratiquement lisses et constantes, pourrait avoir une configuration différente à condition que le rapport entre hauteur équivalente et diamètre équivalent soit convenablement ajusté. De même, l'invention est utile aussi lorsqu'on amène du

gaz de refroidissement au sammet de la zone de refroidis-

sement 16 en retirant du gaz réducteur près du bas de la zone de réduction 12. Autrement dit, les écoulements de gaz réducteur et de refroidissement à travers le réacteur pourraient être effectivement inversés

relativement à ce que représentent les figures 1, 2 et 3.

En outre, comme on l'a souligné au début de la

description, le procédé et l'appareil selon l'invention

peuvent servir à réduire des minerais autres que le minerai de fer, par exemple des minerais de métaux tels

que le nickel, le cuivre et l'étain.

Les termes et expressions employés sont descriptifs et non limitatifs et leur utilisation n'a pas pour effet d'exclure des équivalents quelconques des particularités représentées et décrites ou de parties de celles-ci, étant donné que diverses modifications sont possibles

dans le cadre de l'invention.

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Claims (15)

REVENDICATIONS

1.- Procédé de réduction de minerai métallique en métal dans un réacteur à cuve verticales 10 à couche mobile, qui consiste à établir et à maintenir dans la partie supérieure de celui-ci une zone de réduction 12 à travers laquelle on fait passer à contre-courant un gaz réducteur chaud composé en grande partie de monoxyde de carbone et d'hydrogène pour réduire le minerai en métal, dans la partie inférieure du réacteur 10 une zone de refroidissement 16 à travers laquelle on fait passer & contre- courant un gaz de refroidissement pour refroidir le métal et une zone intermédiaire allant du haut de la zone de refroidissement 16 au bas de la zone de réduction 12, en amenant le gaz réducteur chaud dans l'extrémité inférieure de la zone de réduction 12, à un premier point d'injection 22, en retirant le gaz réducteur en un premier point de retrait 47 à l'extrémité supérieure de la zone de réduction 12, en amenant le gaz de refroidissement dans la partie inférieure de la zone de refroidissement 16, à un deuxième point d'injection 36, en retirant le gaz de refroidissement en un deuxième point de retrait 34 dans l'extrémité supérieure de la zone de refroidissement 16, procédé caractérisé par le fait que l'on minimise le mélange entre du gaz réducteur traversant la zone de réduction 12 et du gaz de refroidissement traversant la zone de refroidissement 16 en établissant une zone intermédiaire 14 pratiquement optimisée ayant une hauteur équivalente égale à la distance verticale entre le premier point d'injection 22 et le deuxième point de retrait 34 et un diamètre équivalent égal à la plus courte distance entre les parois efficaces de la zone intermédiaire 14, la zone intermédiaire 14 ayant un rapport entre hauteur équivalente et diamètre équivalent compris entre 0,5

et 2,0.

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2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le minerai métallique en particules est

un minerai de fer.

3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le rapport de la hauteur équivalente au diamètre équivalent de la zone intermédiaire 14

est compris entre 0,7 et 1,6.

4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la zone intermédiaire 14 est pratiquement isobarique quant à l'équilibre de matière dans les

écoulements gazeux du réacteur.

5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la zone intermédiaire 14 est pratiquement isotherme. 6.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'écoulement descendant de la couche mobile de particules a une section pratiquement uniforme

dans la zone intermédiaire 14.

7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la zone intermédiaire 14 a une section circulaire pratiquement constante et est exempte d'obstructions intérieures pour permettre l'écoulement

libre des particules métalliques.

8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'on amène le gaz réducteur au premier point d'injection à travers un anneau 22 et que l'on retire le gaz de refroidissement du deuxième point de

retrait à travers un anneau 34.

9.- Procédé selon l'une des revendications 2 à 7

et 8, caractérisé par le fait que l'on égalise pratiquement l'écoulement descendant de gaz de refroidissement à travers la zone intermédiaire 14 à une valeur ne dépassant

pas 5 % du gaz (refroidissement) total amené au réacteur 10.

1O.- Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, dans un réacteur 10 comprenant

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une zone de réduction 12 en sa partie supérieure et une zone de refroidissement 16 en sa partie inférieure, une zone intermédiaire 14 allant du haut de la zone de refroidissement 16 au bas de la zone de réduction 12, un premier conduit d'amenée 44 relié au réacteur près d'une extrémité de la zone de réduction 12 pour amener du gaz réducteur chaud à la couche en un premier point d'injection 22, un premier dispositif relié au réacteur près de l'autre extrémité de la zone de réduction 12 pour retirer du gaz réducteur de la couche en un premier point de retrait 47, un deuxième conduit d'amenée 96 relié au réacteur 10 près d'une extrémité de la zone de refroidissement 16 pour amener du gaz de refroidissement à la couche en un deuxième point d'injection 36, et un deuxième dispositif relié au réacteur 10 près de l'autre extrémité de la zone de refroidissement 16 pour retirer du gaz de refroidissement de la couche en un deuxième point de retrait 34, appareil caractérisé par le fait que la zone intermédiaire 14 a une hauteur équivalente égale à la plus courte distance, le long de l'axe vertical du réacteur 10, entre celui des premier point d'injection 22 et premier point de retrait 47 qui est le plus proche du bas de la zone de réduction 12 et celui des deuxième point d'injection 36 et deuxième point de retrait 34 qui est le plus proche du haut de la zone de refroidissement 10, et qu'elle a un diamètre équivalent égal à la plus courte distance entre les parois effectives de la zone intermédiaire 14, le rapport de la hauteur équivalente au diamètre équivalent étant compris entre

0,5 et 2,0.

11.- Appareil selon la revendication 10, pour la réduction de minerai de fer en éponge de fer, caractérisé par le fait que le premier point d'injection 22 est proche du bas de la zone de réduction 12 et que le deuxième point de retrait 34 est proche du haut de la

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zone de refroidissement 16, ce qui permet des écoulements gazeux à travers le réacteur à contre-courant de la

couche descendante.

12.- Appareil selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'il est exempt d'obstructions intérieures

à l'écoulement libre et uniforme des particules métalli-

ques. 13.- Appareil selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le réacteur 10 a une section circulaire pratiquement constante sur sa longueur, de la zone de réduction 12 à la zone de refroidissement 16, et se

termine par une évacuation convergente.

14.- Appareil selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le rapport de la hauteur équivalente au

diamètre équivalent est compris entre 0,6 et 1,6.

15.- Appareil selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le rapport de la hauteur équivalente au

diamètre équivalent est compris entre 0,7 et 1,2.

16.- Appareil selon la revendication 14, caractérisé

par le fait que les points de retrait 34, 47 et d'injec-

tion 22, 36 comportent chacun un accès de gaz annulaire

uniforme traversant les parois du réacteur 10.

17.- Appareil selon la revendication 14, caractérisé par le fait que le premier conduit d'amenée 44 et le deuxième dispositif de retrait 34 comportent chacun un accès de gaz annulaire uniforme traversant les parois

du réacteur 10.

18.- Appareil selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens permettant d'établir fonctionnellement une zone intermédiaire 14 isobarique ayant ledit rapport suffisant pour limiter l'écoulement descendant égalisé de gaz réducteur et Vécoulement ascendant de gaz de refroidissement à 5 % au maximum de

la totalité du gaz de refroidissement fourni au réacteur.