FR2581396A1 - Procede et appareil pour separer simultanement des metaux volatils et des metaux non volatils - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE POUR SEPARER DES METAUX VOLATILS (ZINC, PLOMB, ETC.) ET DES METAUX NON VOLATILS (CUIVRE, ETC.) DE MELANGES DE METAUX ET D'OXYDES DE METAUX. DANS UN APPAREIL 10 COMPRENANT UNE ENCEINTE BASSE DE REACTION 12 ET UNE ENCEINTE HAUTE DE REFLUX 13, ET UN FUT CREUX 11 RELIANT LES DEUX ENCEINTES, ON REMPLIT PERIODIQUEMENT LE FLUX AVEC UN GARNISSAGE 26 (MELANGE DE MORCEAUX DE METAUX AVEC UN MINIMUM D'OXYDES ET D'UN MATERIAU CARBONE). DU METAL PULVERISE, POUVANT INCLURE DE GRANDES QUANTITES D'OXYDES, EST CHARGE EN CONTINU DANS L'ENCEINTE BASSE, AVEC UN MATERIAU CARBONE ET UN GAZ CONTENANT DE L'OXYGENE. UN GENERATEUR DE PLASMA 30 Y PROVOQUE UNE REDUCTION ET UNE FUSION DES METAUX VOLATILS, QUI FORMENT UNE MARE45 ET DES SCORIES 46 AU-DESSUS DE LA MARE, TANDIS QUE LES METAUX VOLATILS, VAPORISES, MONTENT DANS L'APPAREIL, EN ETANT LAVES ET FILTRES PAR LE GARNISSAGE. DANS L'ENCEINTE HAUTE, LA PRESSION ET LA VAPEUR SONT TELLES QUE LES VAPEURS DE PLOMB SEULEMENT SONT CONDENSEES, CELUI-CI RETOMBE PAR GRAVITE JUSQU'A LA MARE. LES METAUX NON CONDENSES (ZINC) SONT AMENES VERS UN CONDENSEUR 57 POUR FORMER DU ZINC COMMERCIAL. LA MARE ET LES SCORIES SONT SOUTIREES POUR OBTENIR RESPECTIVEMENT UN ALLIAGE DE CUIVRE COMMERCIAL ET UN AGGREGAT NON TOXIQUE A UTILISATION INDUSTRIELLE.2.581.397

Description

PROCEDE ET APPAREIL POUR SEPARER SIMULTANEMENT DES METAUX

VOLATILS ET DES METAUX NON VOLATILS

Au cours de la fabrication du zinc, du cuivre, du laiton et de l'acier à usage commercial, il se forme des déchets comme sous-produits qui comprennent des mélanges de métaux et d'oxydes métalliques et d'autres ingrédients non métalliques. Ces déchets sous-produits se présentent par-

fois sous la forme de crasses, d'écumes et de cendres pro-

duites lors de la fonte et de l'affinage des métaux. Quelle

que soit leur forme, ces déchets sont considérés comme pré-

sentant un danger pour l'environnement et nécessitent un rejet spécial car beaucoup d'entre eux sont lixiviables

et peuvent pénétrer dans les systèmes d'eaux souterrai-

nes. Ainsi, ne peut-on souvent pas rejeter ces déchets

courants simplement en les déchargeant.

De plus, ces déchets contiennent couramment des mé-

taux qui présentent un intérêt commercial à condition d'ê-

tre séparés de façon économique. Divers types de procédés

de séparation ont été mis au point pour récupérer les mé-

taux des sous-produits mais ceux-ci nécessitent générale-

ment un traitement en plusieurs étapes relativement coûteux

par rapport à la valeur des métaux récupérés.

De plus, la récupération du zinc dans les minerais de zinc de mauvaise qualité qui comprennent principalement, après grillage et calcination, des quantités d'oxyde de zinc, nécessite un fort pourcentage de matériau zincifère

pour une récupération économique du zinc dans ces minerais.

Ces minerais nécessiteraient normalement une quantité ap-

préciable d'étapes de concentration pour améliorer la qua-

lité de la teneur en zinc suffisamment pour rendre la récu-

pération du zinc économiquement praticable. Les minerais de zinc complexes comme les silicates de zinc et les complexes zinc-fer procurent encore plus de difficultés au cours de la récupération et sont donc habituellement rejetés comme

minerais de zinc convenables dans la pratique courante.

On pourrait utiliser ces minerais comme charge d'alimenta-

tion de cette invention avec seulement un minimum de prépa-

ration.

L'objet de la présente invention est donc de four-

nir un procédé économique, relativement simple, et un appa- reil de récupération et de séparation de certains métaux, en particulier le zinc et le cuivre, à partir des déchets sous-produits, des minerais de zinc de mauvaise qualité et de certains minerais de zinc complexes qui ne satisfont pas aux pratiques courantes de récupération et de matériaux analogues qui sont normalement considérés comme présentant peu d'intérêt, et simultanément de transformation de ce qui serait autrement un matériau toxique ou dangereux en

résidu non toxique et utilisable commercialement.

La présente invention est particulièrement utile

dans la production simultanée d'un produit de zinc de qua-

lité commerciale, d'alliages de cuivre de qualités utili-

sable sur le plan commercial et d'un résidu de scorie non

toxique utilisable sur le plan commercial. L'appareil com-

prend une cuve verticale ou fût disposé verticalement dont

l'extrémité inférieure est reliée à une enceinte de réac-

tion élargie et dont l'extrémité supérieure est reliée à une enceinte de reflux élargie. Des mélanges pulvérisés de matériau sous forme métallique et d'oxyde métallique et analogue et de coke ou autre matériau carboné convenable et d'oxygène ou d'air sont chargés en continu dans l'enceinte

de réaction inférieure. Le matériau y est soumis à la cha-

leur intense d'un générateur de plasma à arc transféré qui produit un arc de plasma ainsi qu'à la chaleur produite par le courant d'électrons entre la torche à plasma et une anode. Cette chaleur intense, ainsi que les gaz réducteurs formés par le carbone pulvérisé et l'air injectés, sont responsables d'une réaction de réduction qui a lieu et qui,

simultanément, fait fondre les matériaux non volatils, com-

me le cuivre, le fer, les métaux précieux, etc., et vapori-

se les métaux volatils, comme le zinc et le plomb.

Les métaux fondus s'écoulent par gravité vers le fond de l'enceinte de réaction inférieure pour former une mare ou flaque de métal en fusion. Les scories produites dans l'enceinte de réaction formentunecouche au dessus de la ma-

re. Pendant ce temps, les vapeurs des métaux volatils s'é-

lèvent verticalement dans la cuve ou le fût vertical pour

pénétrer dans l'enceinte de reflux ou de condensation.

Le fût est rempli d'un -mélange de morceaux de maté-

riaux métalliques, comportant un minimum d'oxydes ou pas du tout, mélangés avec des matériaux carbonés, comme du coke, de sorte que les vapeurs sont soumises à une réaction de réduction et également à un effet de lavage au fur et à mesure de leur passage à travers le garnissage de la cuve

verticale.

Le remplissage de la cuve est réalisé en laissant tomber des charges du matériau formant le garnissage par le sommet de l'enceinte de reflux o elles tombent vers le bas pour pénétrer dans l'extrémité supérieure de la cuve ou du

fût vertical. L'enceinte de reflux est normalement her-

métiquement fermée pour empêcher toute fuite de pression ou toute entrée d'air. Le passage périodique des différentes

charges de matériau à travers l'enceinte de reflux pour pé-

nétrer dans l'extrémité supérieure du fût absorbe la cha-

leur qui s'élève verticalement vers le haut du fût de manière à réguler la gamme de températures au sein de l'enceinte de reflux. La pression régnant dans l'enceinte

de reflux est aussi régulée pour être entre certaines limites.

En maintenant la chaleur et la pression de l'en-

ceinte de reflux entre des limites définies qui condense-

ront le plomb mals ne condenseront pas le zinc, les vapeurs de plomb s'agglutinent autour des noyaux de plomb dans l'enceinte pour se condenser et forment des gouttes qui

passent vers le bas pour retraverser la cuve et attein-

dre la flaque contenue dans l'enceinte de réaction. Le pas-

sage vers le bas des gouttelettes de plomb ramasse le plomb libre s'élevant vers le haut du fait de son entraînement

par les vapeurs ascendantes.

La vapeur de zinc, ainsi que d'autres vapeurs de métaux, comme le cadmium, et éventuellement de petites

quantités de vapeurs de plomb qui ne se sont pas conden-

sées, sont éliminées de l'enceinte supérieure par les con-

duites de sortie qui peuvent être refroidies sur leur lon-

gueur pour réduire la température des vapeurs. Les vapeurs

s'écoulent ensuite dans un condenseur classique à une tem-

pérature juste supérieure à la température de condensation.

Les vapeurs y sont condensées pour donner un zinc de quali-

té commerciale utilisable contenant de faibles quantités de

plomb, de cadmium et analogues. Ceci peut conduire à pro-

duire du zinc "Western" de premier choix ou du zinc de qua-

lité commerciale analogue que l'on peut utiliser directe-

ment comme produit ou que l'on peut soumettre à un traite-

ment supplémentaire pour améliorer la pureté du zinc ou

pour récupérer les autres métaux contenus dans celui-ci.

En contrôlant de façon adéquate la quantité des ma-

tériaux cuprifères chargés dans le réacteur, que ce soit

par la charge pulvérisée introduite dans le réacteur infé-

rieur ou par inclusion dans le matériau métallique chargé dans l'extrémité supérieure du réacteur, on peut produire un alliage de cuivre de qualité commerciale dans la mare ou flaque de l'enceinte de réaction inférieure. La mare peut

être soutirée périodiquement pour retirer le métal en fu-

sion que l'on peut ensuite utiliser comme matériau de qua-

lité commerciale ou encore que l'on peut affiner ou combi-

ner en alliage. De même, puisque les métaux précieux sont non volatils et s'écouleront dans la mare, ceux-ci peuvent

être séparément récupérés par des procédés connus.

Les scories qui se forment pendant la réaction sont non

toxiques et peuventdoncêtresoutirées-et solidifiées et utili-

sées commeagrégat ou autre matériau de remplissageoupeuvent tredéchargéessans exigences de stockage spéciales telles que celles qui sont nécessaires pour manipuler et rejeter des

déchets dangereux.

Le procédé envisage l'emploi d'une température très élevée, à savoir l'énergie calorifique intense fournie par

une torche à plasma, complémentée par l'énergie calorifi-

que résultant des réactions chimiques et du courant d'é-

lectrons. Dans ce but, on peut utiliser une ou plusieurs torches à plasma dans l'enceinte de réaction et une ou plusieurs anodes sont situées sur le fond de l'enceinte de

sorte que l'anode soit recouverte par la mare de cuivre.

Ainsi, le courant d'électrons traverse le cuivre en fu-

sion, lequel a une résistance relativement faible au passa-

ge des électrons et aide à la production d'énergie calori-

fique par le courant électronique. Ainsi, ce type de géné-

rateur de plasma utilisé de la manière décrite ci-dessus produit de la chaleur avec un rendement très élevé. Cette chaleur intense dans une atmosphere totalement réductrice est exploitée pour provoquer simultanément les étapes de

réduction, de fusion et de vaporisation.

Le procédé de cette invention peut aussi traiter d'autres formes de compositions métalliques, comme des chlorures métalliques, etc., en plus des oxydes métalliques mentionnés. En outre, on envisage que le procdé puisse être utilisé pour traiter des minerais de zinc de mauvaise

qualité pouvant contenir 40% de zinc ou moins, en particu-

lier des silicates de zinc. et autres formes complexes.

Un autre objet de cette invention est de fournir un

procédé de transformation de sous-produits, déchets métal-

liques, qui peuvent se présenter sous la forme de poussiè-

re ou de fines particules, en utilisant le matériau sous cette forme pour fournirla charge continue dans le réacteur inférieur o il est soumis à la chaleur produite par le

générateur de plasma.

Un autre objet de l'invention est de fournir un autre mode économique de stockage ou de rejet des déchets toxiques contenant des métaux utiles comme du plomb et du zinc et de fournir un dispositif de récupération du zinc, du plomb, du cuivre et analogues à partir des sous-produits métalliques oxydés résultant de divers procédés de fabri-

cation du zinc, du cuivre et du laiton.

Un autre objet de cette invention est en outre de

prévoir l'ascension verticale des vapeurs de métaux vola-

tils de telle manière que les vapeurs de plomb puissent se

détendre et se condenser dans l'enceinte de reflux supé-

rieure et que le plomb condensé puisse alors retomber en pluie à travers la cuve remplie de carbone. Cela simplifie et raccourcit le trajet de l'écoulement des vapeurs et de la condensation. En outre, du fait du passage à travers la

cuve remplie de carbone, on assure une réduction supplé-

mentaire et un lavage.

Ces objets et avantages de la présente invention,

ainsi que d'autres, vont apparaître à la lecture de la des-

cription qui suit, à laquelle sont annexés les dessins.

La figure 1 est une vue schématique en coupe droite

du réacteur et de l'équipement de condensation externe.

La figure 2 est une vue schématique en coupe droite

prise dans le sens des flèches 2-2 de la figure 1.

Le réacteur 10 possède une cuve ou fût central

11 disposé verticalement dont l'extrémité inférieu-

re s'ouvre dans une enceinte de réaction inférieure 12.

L'extrémité supérieure du fût s'ouvre dans une enceinte de

reflux supérieure 13.

L'enceinte supérieure 13 comporte un orifice d'ali-

mentation 14 à son sommet,au-dessus duquel est placée une

trémie d'alimentation 15. Cette trémie comprend une ferme-

ture 16 en cloche retournée ou tronconique logée à l'inté-

rieur et scellée contre une base d'appui 17. La fermeture

peut être relevée pour s'ouvrir par-rapport à la base d'ap-

pui au moyen d'un mécanisme de levage convenable qui est représenté schématiquement par un câble de levage 18 relié à une bague 19 sur la fermeture et s'enroulant autour d'une

poulie 20 située près du sommet de la trémie. Le câble pas-

se à l'extérieur de la trémie pour être relié à un moteur convenable destiné à appliquer la force destinée à soule-

ver la fermeture.

La trémie est remplie d'un matériau de charge 21 qui est placé dans la trémie au moyen d'une goulotte 22 qui est normalement fermée par une fermeture 23. Une colonne

d'échappement des gaz convenable 24 est située sur l'extré-

mité supérieure de la cuve.

Comme l'indiquent les flèches 25, lorsque la fer-

meture 16 est relevée, une charge annulaire oude forme tori-

que tombe à travers l'orifice supérieur d'alimentation 14 de l'enceinte de condensation. La charge tombe par gravité à travers l'enceinte et pénètre dans l'extrémité supérieure

ouverte de la cuve 11. Ainsi, la cuve se remplit d'un maté-

riau de remplissage 26 par chargement périodique par le haut. Ce matériau de remplissage se compose de morceaux de matériaux métalliques tels que des matériaux de zinc, de

cuivre et autres et de coke ou autre matériau carboné équi-

valent. L'enceinte de réaction inférieure 12 est alimentée en chaleur concentrée intense au moyen d'un ou plusieurs générateurs de plasma à arc transféré dont les torches s'étendent à travers la paroi de l'enceinte de réaction mais affleurent à la surface de la paroi intérieure de cette enceinte de réaction. Les dessins montrent de manière schématique l'utilisation de deux de ces torches, maisilpeut

être préférable d'en utiliser davantage, suivant la dimen-

tion et la capacité de l'équipement. Comme le montre la fi-

gure 2, il est préférable de donner d l'enceinte de réaction une forme allongée ovale, bien qu'elle puisse être ronde,

comme la cuve.

Le fond de l'enceinte de réaction 31 est de préfé-

rence muni d'une anode centrale 32 mise à la terre en 33.

Ainsi, la torche à plasma produit son nuage ou enveloppe de plasma 34 qui procure une chaleur concentrée intense, par exemple de l'ordre de 12000 à 15000 degrés F (6650C à 8300 C). De plus, le générateur de plasma à arc transféré

est aussi caractérisé en ce qu'il produit un courant élec-

tronique 35 qui, dans ce cas, se dirigera vers l'anode cen-

trale et qui produit de la chaleur en plus de la chaleur du plasma. Le courant électronique, représenté par les traits

pointillés 35 sur la figure 1, traverse l'enceinte de réac-

tion pour y produire une température d'environ 2950'F

(16210C).

La torche à plasma est un dispositif disponible dans le commerce. Un exemple de torche convenable est une torche à plasma de 2-3 mégawatts fabriquée par Plasma Energy Corporation, Raleigh, Caroline du Nord U.S.A. Onpeutse procurer d'autres unités disponibles dans le commerce. Ce type de torche est décrit de manière générale, bien que pas dans les mêmes détails que les torches du commerce, dans des brevets, comme le brevet US n 3 673 375 délivré le 27 juin 1972 à Camacho et le brevet US n 3 818 174 délivré le 18 juin 1974 à Camacho, chacun de ces brevets décrivant un

"générateur de plasma formant une longue colonne d'arc".

L'enceinte de réaction 12 est chargée en continu d'un mélange pulvérisé d'oxydes métalliques, de métaux et de coke ou autre matériau carboné équivalent. Ce matériau peut être obtenu sous forme de fine poussière en tant que déchet sous-produit, par exemple déchet des procédés de

production de l'acier au moyen de fours à arc électrique.

Il peut aussi se présenter sous forme de petites parti-

cules, par exemple de l'ordre demaille 100 ou moins produi-

tes en tant que sous-produits de procédés de fabrication du zinc ou du cuivre ou du laiton ou analogues, dans lesquels ces déchets peuventêtrecapturésenfiltrant les gaz de combustion. En variante, le matériau peut se présenter sous forme de morceaux plus gros qui nécessitent un broyage ou une pulvérisation avant l'emploi dans le procédé décrit dans la présente invention. Lorsqu'une pulvérisation est nécessaire, on peut utiliser des pulvérisateurs ou des broyeurs classiques. La granulométrie du matériau pulvéri- sé n'est pas critique, bien qu'il soit préférable qu'elle

soit inférieure à la maille 100.

La charge est insérée dans l'enceinte de réaction par un-tube d'alimentation 38 comme l'indique la flèche 39

qui représente, schématiquement, le matériau de la charge.

De plus, on introduit de l'air ou de l'oxygène, depuis une

soufflerie ou une source d'alimentation en oxygène convena-

ble, par un tube 40, comme l'indique la flèche 41, dans le tube d'alimentation 38 pour qu'il pénètre dans l'enceinte

de réaction.

On peut aussi ajouter une petite quantité d'eau, par exemple de l'ordre de moins de 5%, lorsque le matériau

chargé est sec.

Dans l'enceinte de réaction, la chaleur intense

provoque une réaction de réduction qui réduit les oxydes.

La chaleur dissocie également l'eau, lorsqu'on utilise de

l'eau ou lorsque de l'eau est présente sous forme d'humi-

dité, pour produire de l'hydrogène et du monoxyde de car-

bone pour promouvoir les réactions de réduction.

Simultanément, les métaux non volatils qui sont in-

troduits par l'intermédiaire de la charge pulvérisée ali-

mentée en contlnu dans l'enceinte de réaction, ainsi qu'à partir des matériaux qui sont chargés par le sommet dans le fût et qui progressent vers le bas pour se diriger vers l'enceinte de réaction, sont fondus et forment une flaque ou bain ou mare 45 sur le fond 31 de l'enceinte de réaction 12. Ces métaux non volatils comprennent le cuivre, le fer, l'étain, les métaux précieux comme de l'or, l'argent ou le platine, et analogues. Comme ce procédé est particulièrement adapté pour produire un alliage de cuivre

ou du laiton utilisable sur le plan commercial, il est pre-

férable de charger une quantité suffisante de cuivre dans le système pour que la mare soit formée principalement de

cuivre, les autres métaux non volatils jouant le rôle d'im-

puretés ou d'additifs. Dans le cas d'lmpuretés, comme des métaux précieux, un traitement supplémentaire de la mare peut être effectué autre part pour les récupérer. Dans le cas de l'emploi d'additifs, l'alliage de cuivre peut être

utilisé comme cuivre ou laiton de qualité commerciale. -

De plus, l'enceinte de réaction produit une couche

de scories enfusion 46 au-dessus de la mare, laquelle pro-

tège la mare une fois que le matériau en fusion l'a re-

joint. De préférence, les scories sontdenature à repousser le zinc,de sorte que le zinc n'est pas entraîné dans les

scories oudans la mare.

Les métaux volatils comme le zinc, le plomb et le cadmium, qui soit sont initialement sous forme métallique, soit deviennent disponibles par réduction, se vaporisent. Comme on l'a indiqué, lesscoriesont tendance à repousser les oxydes de zinc et à les empêcher de pénétrer dans lesscories. Par exemple, l'oxyde ferreux etl'oxyde ferrlque de ces scories

auront tendance à repousser l'oxyde de zinc.

L'enceinte de réaction est munie d'un robinet clas-

sique ou d'un orifice normalement fermé 47 permettant de soutirer périodiquement la mare de métal en fusion. De même, un orifice ou robinet 48 de scoriesestprévu pour

soutirerles scories oubien en continu, ou bien périodique-

ment, selon les cas.

Pendant ce temps, les vapeurs ascendantes (repré-

sentées schématiquement par les flèches 50) des métaux vo-

latils s'écoulent vers le haut en traversant le garnissage

26 du fût 11 et pénètrent dans l'enceinte de reflux supé-

rieure 13. Ces vapeurs, qui contiennent des vapeurs deploeb lourdes, se détendent et voient leur température rédite dans l'enceintedereflux élargie. Cependant, certaines des vapeurs de plomb lourdes forment un chapeau ou nuage 51, sur le sommet du fût ouvert, qui recouvre ainsi le garnissage et

joue le rôle d'un filtre.

La température et la pression régnant dans l'en-

ceinte de reflux supérieure sont régulées dans des limites suffisantes pour provoquer la condensation des vapeurs de

plomb et leur coalescence en gouttelettes de plomb métalli-

que qui, telles la pluie, tombent vers le bas dans le fût. Ce-

pendant, la combinaison de température et de pression est maintenue à un niveau qui est insuffisant pour condenser le zinc. Ainsi, comme l'indiquent les flèches 52, le plomb condensé tombe vers le bas tandis que les vapeurs de zinc,

représentées de manière générale par les flèches 54, s'é-

coulent vers le haut et sortent par un ou plusieurs con-

duits 55. Ces conduits sont refroidis par des réfrigérants de

précondensation 56(représentés schématiquement) qui peu-

vent, par exemple, comprendre des serpentins d'eau de re-

froidissement. Les vapeurs de zinc sont refroidies pres-

qu'au point de condensation et pénètrent ensuite dans un condenseur classique 57, par exemple des condenseurs du type à projection d'eau. Dans ce condenseur, le zinc se condense en un bain 58 qui peut être périodiquement retiré par un robinet 59. La température du bain en fusion dans le puits du condenseur est maintenue à 1022 F (550 C) par l'insertion de serpentins d'eau de refroidissement dans

le puits du condenseur.-

Une petite quantité de vapeur de plomb ou de plomb condensé peut être entraînée avec la vapeur de zinc, ainsi que d'autres vapeurs non condensées, comme du cadmium et analogue. Lorsque celles-ci se condensent pour former le bain de zinc métallique, le bain est suffisamment pur pour être utile comme zinc de qualité commerciale. Par exemple, il peut former du zinc "Western" de premier choix, qualité

commerciale comportant plus de 98,5% de zinc, avec une pe-

tite quantité de plomb, par exemple 0,5%, et de cadmium, etc. En outre, les gaz et les vapeurs non condensés, comme les chlorures de zinc, ressortent du condenseur par un conduit d'évacuation des gaz 60 et sont refroidis par un système d'échange de chaleur convenable 61 Jusqu'à une tem-

pérature légèrement plus élevée que la température de con-

densation du chlorure de zinc,d'o ils sont ensuite en-

voyés par une conduite 62 dans un condenseur de chlorure de zinc classique o les chlorures métalliques (principalement de zinc) présents dans le courant gazeux sont condensés et

retirés du système. Les gaz restants ressortent du conden-

seur de chlorures et sont soumis à un traitement supplé-

mentaire afin d'être utilisés ultérieurement comme gaz com-

bustibles pour le séchage préliminaire des matériaux d'a-

limentation,ou d'autres usages. Ces gaz sont essentielle-

ment constitués par du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote. Les systèmes de traitement des gaz et les condenseurs de chlorures sont des équipements que l'on peut se procurer dans le commerce et on ne donne donc pas de

détails supplémentaires dans la présente invention.

Au cours du fonctionnement, qui est continu dans

l'enceinte de réaction, les vapeurs ascendantes transpor-

tent la chaleur vers le haut dans l'enceinte de reflux 13.

La pression régnant dans le fût est maintenue relativement faible, par exemple a une pression manométrlque de 4-5 psi (27,6-34,5 Pa), pour permettre l'ascension des vapeurs chauffées. La chaleur à l'intérieur de l'enceinte de reflux est régulée dans une mesure considérable par la quantité et le cadencement de la chute de la charge dans le sommet de cette enceinte. A savoir, la charge est relativement froide de sorte qu'elle absorbe de la chaleur pour refroidir ainsi l'enceinte et l'empêcher de surchauffer au point o le plomb ne peut pas se condenser. En outre, la pression de l'atmosphère del'enceinte est maintenue à son niveau voulu par la régulation de l'extraction de la vapeur de zinc vers les condenseurs et la prévention d'une entrée d'air dans l'enceinte ou de l'échappement non contrôlé des vapeurs sous pression de l'enceinte au moyen du type de fermeture et de trémie utilisés pour charger périodiquement le matériau dans le sommet dé l'enceinte. D'autres types de mécanismes de charge à fonctionnement étanche peuvent être utilisés à condition que l'entrée d'air et l'échappement des gaz sous pression soientminimisés afin de maintenir les gammes de pression et de température de fonctionnement nécessaires

dans l'enceinte de reflux.

Le plomb métallique redescendant dans le fût a tendance à ramasser le plomb qui est entraîné vers le haut par les.vapeurs. De plus, le garnissage du fût, qui est formé principalement de carbone, maintient une atmosphère réductrice,de sorte que les vapeurs ascendantes nepourront pas se réoxyder. La chaleur transportée par les vapeurs et

produite par la torche à plasma, ainsi que les gaz ré-

* ducteurs ascendants,provoque des réactions de réduction

dans le fût.

Tandis que l'on peut modifier la dimension et la capacité de l'équipement, en suivant des modes opératoires connus dans la technique, un exemple de cet équipement est

le suivant.

Le fût peut avoir un diamètre intérieur d'environ 5 pieds (1,5 m), une hauteur de 10-12 pieds (3-3,6 m), le

diamètre intérieur de l'enceinte supérieure étant d'en-

viron 10 pieds (3 m). La hauteur qlobale du réacteur

est d'environ 55 pieds (16,8 m), y compris la trémie d'ali-

mentation au sommet. Le grand axe de l'ellipse du réacteur

inférieur peut être d'environ 10-12 pieds (3-3,6 m), le pe-

tit axe étant d'environ 5 pieds (1,5 m).

La charge de sommet doitêtre bien exempte d'oxydes, savoir contenir de préférence moins de 5% d'oxydes, afin d'empêcher la formation de dioxyde de carbone excessif qui résulte de la réduction de l'oxyde de zinc par le monoxyde de carbone. Ce dioxyde de carbone en quantité suffisante

peut réoxyder les vapeurs de zinc ascendantes.

L'équipement décrit ci-dessus produit environ 3 tonnes par heure de zinc de qualité commerciale au niveau du condenseur, environ 6 tonnes de scories par heure et en- viron une demi-tonne d'alliage de cuivre par heure. Pour

cette production, la charge de sormmet exige, approximative-

ment, 1200 lbs (544 kg) de zinc métallique par heure et en-

viron 1600 lbs (726 kg) de coke par heure. La charge in-

troduite dans le réacteur inférieur est d'environ 13000 lbs

(5897 kg) d'oxydes métalliques contenant 40% de zinc ou da-

vantage et environ 1600 lbs (726 kg) de fines particules de

carbone, comme du coke, qui y est insufflé en même temps.

De préférence, environ 5% d'eau au maximum y est contenue.

On y insuffle 3600 lbs (1633 kg) d'air par heure pour four- nir l'oxygène nécessaire à la formation initiale des gaz réducteurs.

Comme on l'a indiqué ci-dessus, l'eau se dissocie en H2 et 02' l'hydrogène servant de gaz réducteur et

l'oxygène étant absorbé par le carbone pour former du mo-

noxyde de carbone qui est aussi utilisé comme agent ré-

ducteur. Ainsl, une faible quantité d'eau est souhaitable

pour le fonctionnement du procédé.

La température régnant dans l'enceinte de reflux est de préférence maintenue approximativement à 1800 F (9820C) o le plomb se condense ou s'agglutine, mais

le zinc ne le fait pas. La pression et la température ré-

gnant dans l'enceinte supérieure sont maintenues à une va-

leur supérieure au point de rosée du zinc,mais dans l'in-

tervalle de condensation du plomb, afin de permettre au

zinc de continuer à rester sous forme de vapeur.

Les vapeurs métalliques quittent le fût à 11800C

environ et la vapeur de zinc et le gaz sortent de l'encein-

te de reflux à environ 1010*C. A mesure que les vapeurs et le gaz traversent le précondenseur, la température tombe à environ 880 C à l'entrée du condenseur de zinc à pulvérisation d'eau,o la vapeur et le gaz sont refroidis suffisamment pour condenser le zinc et pour maintenir le

zinc à environ 550 C dans le condenseur au moyen de serpen-

tins d'eau de refroidissement. Le gaz provenant du condenseur, qui est formé au cours des réactions de réduction, contient principalement

du monoxyde de carbone, de l'azote et de l'hydrogène.

Ainsi, enleur faisant traverser un élimlnateur de chlorure, appareillage du commerce, les petites quantités de chlorure de zinc sont condensées et éliminées et l'hydrogène et le

monoxyde de carbone peuvent ainsi être utilisés comme sour-

ce de combustible pour un séchage préliminaire du matériau d'alimentation et du coke, ou pour d' autres usages, selon

les besoins.

En calculant sur la base de pourcentages, un exem-

ple de fonctionnement est l'aliimentation du système avec une boue de crasses de zinc (par ex. 40%' de zinc, 30% de SIO2, 1% de chlorures), de la poussière de four à arc électrique (par ex. 18% de zinc, 38% de CaO, 26% de FeO), des scories

de laminoir (70% de Fe) et du coke broyé (85-90%deCséchéet dixen-

sionné à -3 mm). Le produit résultant sera un métal à base

de zinc contenant du plomb (par ex. 0 3-0,5% de Pb), un al-

liage cuivre-plomb et une scorie non toxique (par ex. con-

tenant 50% de SIO2 - 20% de FeO et 30% de CaO).

La consommation énergétique est d'environ 0,75 kWh parlivredezincproduit(1,65kWh/kg).LaconsoEmationdecarbone est d'environ 0, 54 kg de carbone par kg de zinc produit et les scories produites se situent à environ 1 kg de scories par kg de zinc produit. La consommation d'air est d'environ 0,49 kg

d'air par kg de zinc produit.

Claims (11)

R E V E N D I C A T I O N S

1.- Procédé de séparation simultanée de métaux non vo-

latils et de métaux volatils à Dartir de zinc, de plcob et de cuivre

contenus dans des déchets sous-produits résultant des procédés de fabri-

cation du zinc, du laiton et de l'acier et à partir de minerai de zinc de mauvaise qualité, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qul consistent à: (a) prévoir un réacteur (10) formé d'un fût vertical (11)

à extrémités ouvertes qui relie une enceinte de réaction in-

férieure élargie (12) possédant un fond (31) et une encein-

te supérieure élargie (13):

(b) charger en continu des matériaux métalliques fi-

nement pulvérisés contenant des matériaux zlncifères, plom-

bifères et cuprifères sous forme métallique ou sous forme d'oxyde métalllque,et un matériau carboné, et un gaz contenant de l'oxygène dans l'enceinte de réaction inférieure (12) (c) charger périodiquement des morceaux de matériau métallique, comprenant des matériaux zlnclfères, ayant une teneur en oxyde faible ou nulle, et un matériau carbone à travers l'enceinte supérieure et dans l'extrémité supérieure ouverte du fût (11) pour charger le fût et le maintenir en charge;

(d) appliquer un plasma intense suffisant et une éner-

gie calorifique produite électriquement suffisante, ainsi que des gaz réducteurs, dans l'enceinte inférieure (12) pour réduire et vaporiser les oxydes métalliques et pour

faire fondre les métaux non volatils, de sorte qu'ils s'é-

coulent par gravité vers le fond de l'enceinte inférieure

(31) pour y former une mare (45), et pour vaporiser les mé-

taux volatils et former une couche de scories(46) qui s'ac-

cumule au-dessus de la mare; (e) faire circuler les vapeurs de métaux volatils vers le haut à travers le fût (11) et sa charge (26) jusque dans

l'enceinte supérieure (13) pour permettre le lavage des va-

peurs ascendantes par le plomb condensé des-

cendant, et provoquer le piégeage dans le fût rempli de toute particule entrainée mécaniquement par les gaz et les vapeurs ascendants; (f) maintenir la température et la pression dans l'en- ceinte supérieure (13) dans des limites qui provoqueront la condensation des vapeurs de plomb en plomb métallique, mais qui sont trop élevées pour condenser le zinc, et condenser ainsi le plomb et faire circuler par gravité le plomb en fusion vers le bas à travers le fût (11) et la charge du fût (26) jusqu'à la mare (45) située

sur le fond (31) de l'enceinte inférieure; -

(g) retirer en continu la vapeur de zinc et de chlorure de zinc et toutes autres vapeurs non condensées depuis

l'enceinte supérieure (13) et condenser ces vapeurs à l'ex-

térieur du réacteur pour former séparément un zinc métalli-

que de qualité commerciale et un produit de chlorure de zinc, (h) soutirer périodiquement de l'enceinte inférieure (12) le métal en fusion de la mare (45) qui s'y

trouve et retirer les scories (46) de l'enceinte inférieure.

2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce

qu'il comprend la fourniture de chaleur à l'enceinte infé-

rieure au moyen d'un générateur de plasma à arc transféré comportant une anode (32) située dans le fond de l'enceinte inférieure en une position éloignée de la torche à plasma (30), de manière que le courant électronique produisant de la chaleur et provenant de la torche du générateur traverse

la mare de métal.

3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend l'injection de quantités prédéterminées

d'eau dans l'enceinte inférieure de sorte que l'eau se dis-

socie et que ses constituants réagissent avec les oxydes métalliques introduits dans l'enceinte inférieure et aident

à leur réduction.

4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plomb métallique s'écoulant vers le bas à travers la charge (26) du fût (11) lave les vapeurs ascendantes et

ramasse le plomb qu'elles contiennent.

5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend le maintien d'une couverture de vapeur de plomb (51) au-dessus de l'extrémité supérieure de la charge

du fût à des fins de filtration.

6.- Procédé de production simultanée de zinc de quali-

té commerciale et dalliages de cuivre utiles dans le com-

merce et de matériau de scorie non toxique utile dans le commerce provenant de déchets sous-produits de procédés de fabrication du zinc, du laiton, de l'acier et analogues ces sous-produits pouvant contenir des mélanges métalliques et des oxydes métalliques et analogues de métaux volatils

et non volatils qui sont principalement zincifères et cu-

prifères, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement les étapes quil consistent à:

(a) prévoir un réacteur vertical formé au sein d'une en-

ceinte inférieure (12) fermée, d'une enceinte supérieure

(13) fermée et d'un fût (11) de liaison allongé verticale-

ment s'étendant verticalement entre les deux enceintes et s'ouvrant dans chacune d'elles; (b) remplir le fût d'un mélange de morceaux de matériau

métallique (26) ayant une teneur en zinc substan-

tielle et une teneur en oxyde métallique faible, sinon nulle, et d'un matériau carboné.etmaintenirlenivea du garnissage (26) du fût en laissant tomber périodiquement

du matériau de garnissage par le sommet de l'enceinte su-

périeure de sorte que le garnissage tombe dans le sommet du fût, mais essentiellement sans changer la pression dans

l'enceinte supérieure ou permettre une circulation substan-

tielle d'air dans l'enceinte pendant le temps o le maté-

riau de garnissage y tombe (c) charger un matériau métallique et non métallique finement pulvérisé, possédant une forte teneur en zinc et contenantducuivre et du plomb, et un matériau carboné dans l'enceinte inférieure avec un gaz contenant de l'oxygène; (d) appliquer une chaleur intense dans l'enceinte infé- rieure ainsi que des gaz réducteurs, en quantité suffisante pour provoquer la réduction des oxydes, la fusion du cuivre et des autres métaux non volatils et la vaporisation du zinc, du plomb et des autres métaux volatils; (e) former une mare (45) de cuivre et de tout autre

mntal non volatil en fusion sur le fond (31) de l'enceinte in-

férieure (12) pour produire un alliage de cuivre et former simultanément une couche en fusion de scorie (46) au-dessus de la mare (45); (f) soutirer en continu du réacteur une partie du métal alliage de cuivre de la mare et soutirer périodiquement du réacteur une partie des scorlesde la couche de scories cn fusion; (g) faire circuler les gaz et les vapeurs réductrices vers le haut à travers le fût et son garnissage pour un lavage et le maintien d'une réaction de réduction;

(h) maintenir dans l'enceinte supérieure une températu-

re et une pression suffisantes pour condenser la vapeur de plomb, mais insuffisantes pour condenser la vapeur de zinc; (i) condenser la vapeur de plomb de telle sorte que le plomb fondu redescende par gravité le long du fût jusqu'à la mare et ait tendance à ramasser le plomb entrainé vers le haut par les vapeurs;

(j) retirer les vapeurs non condensées, qui sont prin-

cipalement composées de zinc, de l'enceinte supérieure et les condenser à l'extérieur du réacteur pour fournir un

zinc métallique de qualité commerciale.

7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce

qu'il comprend l'application de chaleur au moyen d'un géné-

rateur de plasma à arc transféré comprenant au moins une

torche à plasma (30) produisant un arc de plasma et un cou-

rant électronique vers une anode (32) située en une posi-

tion éloignée de la torche et sur le fond (31) de l'encein- te inférieure de sorte que le courant électronique traverse

la mare (45) et produise de la chaleur dans l'enceinte ln-

férieureet une partie au moins de l'énergie calorifique s'élevant à travers le fût jusque dans l'enceinte supérieure (13) pour la chauffer: et le contrôle au moins partiel de la température dans l'enceinte supérieure par la régulation de l'alimentation en garnissage de l'enceinte supérieure en utilisant à cet effet l'absorption de chaleur par legarnissage er trant.

8.- Réacteur pour séparer simultanément des métaux vo-

latils, comprenant le zinc et le plomb, et des métaux non volatils, comprenant le cuivre, d'un matériau contenant ces métaux ou des oxydes de ces métaux et analogues, caractérisé en ce qu'il comprend: un fût (11) généralement vertical ouvert à ses extrémités dont l'extrémité inférieure s'ouvre dans le sommet d'une enceinte de réaction élargie (12) comportant un fond (31) et dont l'extrémité supérieure s'ouvre dans le fond d'une enceinte supérieure (13) fermée élargie un générateur de plasma à arc transféré disposé au sein de l'enceinte de réaction pour produire un arc de plasma et un courant électronique produisant de la chaleur

un dispositif d'alimentation d'un mélange finement pulvé-

risé de métaux, qui peuvent se présenter sous forme d'oxy-

des métalliques, contenant du zinc, du plomb et du cuivre, et d'un matériau carboné, dans l'enceinte de réaction (12) chauffée par le générateur de plasma ainsi que du gaz contenant de l'oxygène, pour

produire une réaction de réduction et dans laquelle le mé-

tal non volatil fond et forme une mare en fusion (45) sur

le fond (31) et une couche en fusion de scories (46) se for-

me au-dessus de la mare et o le métal volatil se vaporise et les vapeurs s'écoulent vers le haut à travers le fût et dans l'enceinte supérieure; un dispositif pour garnir substantiellement le fût avec un

mélange de morceaux de matériaux métallifères et de maté-

riau carboné, de sorte que les vapeurs s'élèvent à travers le qarnissage;

l'enceinte supérieure étant chauffée par l'énergie calo-

rifique s'élevant de l'enceinte de réaction et étant main-

tenue dans des limites de température et de pression suffi-

santes pour provoquer la condensation des vapeurs de plomb, mais insuffisantes pour condenser les vapeurs de zinc, le plomb en fusion étant condensé dans l'enceinte supérieure et redescendant par gravité le long du fût et à travers le garnissage du fût vers la mare; et un conduit (55) relié à l'enceinte supérieure et à un condenseur (57) situé à l'extérieur du réacteur, destiné à recevoir les vapeurs non condensées provenant de l'enceinte supérieure et à condenser ces vapeurs en du métal en fusion (58); et l'enceinte inférieure étant munie de robinets (47, 48) destinés à soutirer-périodiquement le métal de la mare (45)

et les scories de la couche de scories (46).

9.- Réacteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de remplissage du fût comprend une trémie (15) située au- dessus d'un orifice (14) donnant dans le sommet de l'enceinte supérieure et une fermeture (16)

fermant normalement le dit orifice, mais pouvant être ou-

verte sélectivement pour faire tomber le matériau de gar-

nissage depuis la trémie dans le sommet de l'enceinte et, donc, dans l'extrémité supérieure ouverte du fût, cette

fermeture étant formée pour empêcher toute perte substan-

tielle de pression depuis l'enceinte supérieure ou toute

entrée d'air dans l'enceinte supérieure lorsque la fermetu-

re est ouverte pour laisser tomber le garnissage dans l'en-

ceinte supérieure.

10.- Réacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la fermeture (16) présente la forme d'un bouchon aminci vers le bas et ajusté avec précision

dans une base d'appui annulaire (17) de forme correspondan-

te formée dans la trémie pour définir l'ouverture de la trémie afin de fermer hermétiquement l'ouverture et afin de permettre l'écoulement d'une charge de forme annulaire du garnissage dans l'enceinte supérieure lorsque le bouchon

est relevé en position ouverte et le blocage de tout échap-

pement de vapeur pressurisée depuis l'enceinte supérieure

ou de toute entrée d'air dans l'enceinte supérieure.

11.- Réacteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le générateur de plasma comporte au moins une torche à plasma pénétrant dans une partie latérale de l'enceinte de réaction et une anode située en une position éloignée de

la torche et dans le fond de l'enceinte de réactionper-

mettant de fournir un courant électronique produisant de la

chaleur à travers la mare en fusion située sur le fond.