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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2512313A1
Family ID 2284958
Probable Assignee Skf Steel Eng Ab
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title PROCEDE D'UTILISATION D'UN DISPOSITIF DE CHAUFFAGE A ARC A
PLASMA POUR FOURNIR DE L'ENERGIE THERMIQUE A UN REACTEUR
Abstract
_________________________________________________________________
DANS UN PROCEDE POUR FOURNIR DE L'ENERGIE THERMIQUE AU MOYEN D'UN
DISPOSITIF DE CHAUFFAGE A ARC A PLASMA A UN REACTEUR 1 REMPLI D'UN
MATERIAU DE REDUCTION SOLIDE EN FRAGMENTS 8, L'ENERGIE THERMIQUE EST
FOURNIE PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN ARC EXTERNE OU TRANSFERE, DONT UNE
ELECTRODE EST FORMEE PAR LE DISPOSITIF DE CHAUFFAGE 3 ET L'AUTRE
ELECTRODE PAR LE MATERIAU DE REDUCTION 8 CONTENU DANS LE REACTEUR.
Description
_________________________________________________________________
Procede d'utilisation d'un dispositif de chauffage a arc a
plasma pour fournir de l'energie thermique a un reacteur.
La presente invention concerne un procede pour utiliser un dispositif
de chauffage a arc a plasma pour fournir de l'ener- gie thermique a un
reacteur, et un appareil pour mettre en oeuvre le procede Le reacteur
ressemble a un four a cuve rempli d'un materiau de reduction solide et
en fragments, dans lequel est envoye un materiau pulverulent reacteur,
et o se produisent des reactions endothermiques, de preference la
reduction d'un oxide metallique en metal.
Lors de la production de metals a partir de materiaux contenant un
oxide metallique au moyen d'un gaz de reduction dans un four a cuve
rempli d'un agent reducteur, il est connu en soi de fournir l'energie
thermique au gaz de reduction au moyen d'un dispositif de chauffage a
arc a plasma On fait passer le gaz au travers d'un arc electrique
engendre dans le dispositif de chauffage, suite a quoi le gaz est
converti sous forme de plasma L'oxide metallique pulverulent est
injecte en meme temps que le gaz de reduction et il est envoye dans le
gaz a l'aval de l'arc electrique, c'est-a-dire dans le plasma gazeux
qui est forme Un gaz qui contient de l'oxygen, un element formateur de
scories, des materiaux charbonneux tels que des hydrocarbons, de
l'huile ou une boue de charbon, etc, peut etre egalement envoye a
l'amont, dans et/ou a
l'aval de l'arc electrique Ce procede est extremement effica-
ce et avantageux, aussi bien du point de vue economique que
technique, mais il reste certains problemes a resoudre.
Les dispositifs de chauffage a arc a plasma actuels utili-
sent un arc interne, c'est-a-dire un arc engendre entre deux
electrodes espacees a l'interieur du dispositif de chauffage.
Quand le plasma gazeux tres chaud qui est engendre vient en contact
avec le dispositif de chauffage, on constate une dissipation
considerable de la chaleur par les parois Pour eviter ce phenomene, on
fait tourner le gaz de maniere que du gaz froid balaye les surfaces de
l'electrode, augmentant ainsi
le rendement Cependant, ceci entraine divers inconvenients.
La rotation du gaz entraine sa projection radiale vers l'exterieur
quand il sort du dispositif de chauffage Les parois du recipient du
reacteur sont alors soumises a des contraintes locales tres
considerables, ayant pour resultat une deterioration rapide de la
chemise du four dans cette zone, et provoquant des arrets de
fonctionnement et de cou- teuses reparations La rotation du gaz
entraine egalement des difficultes pour l'injection du materiau
pulverulent dans le courant gazeux, du fait que de petites particules
tendent a
etre expulsees du courant gazeux en raison de la rotation.
D'autres inconvenients viennent de ce que les dispositifs
de chauffage a arc a plasma comprenant un arc interne entrai-
nent une usure tres importante des-deux electrodes qui doivent etre
souvent changees En outre, une grande partie des pertes de chaleur
dans le dispositif de chauffage vient des pertes
d'electrodes.
De facon surprenante, on a constate que grace au procede decrit dans
l'introduction de cette demande, il est possible
d'eliminer sensiblement les inconvenients indiques ci-dessus.
En consequence, la presente invention propose un procede d'utilisation
d'un dispositif de chauffage a arc a plasma pour fournir de l'energie
thermique a un reacteur se presentant sous forme d'un four a cuve
rempli d'un materiau de reduction, comprenant le fait de faire passer
un gaz de reduction en totalite ou en partie par le dispositif de
chauffage et de le convertir en plasma gazeux, d'envoyer un materiau
pulverulent au reacteur pour que se deroulent les reactions
endothermiques, et d'envoyer l'energie thermique par un arc electrique
externe,
dont une electrode est constituee par le dispositif de chauf-
fage et l'autre electrode par le materiau contenu dans le four
a cuve.
L'utilisation d'un arc externe ou transfere est connue en soi dans le
domaine de la siderurgie, bien que seulement pour la fusion de
l'acier, c'est-a-dire la fusion de riblons Dans cette technique, on
utilise pour former le-plasma gazeux un gaz inerte tel que de l'argon,
le gaz n'etant utilise que pour former le ulilieu pour l'arc
electrique et ne prenant pas part a une reaction chimique quelconque
Dans ce procede connu (voir "Iron and Steel Engineer", octobre 1980,
pages 81-82 "Plasma steelmaking The Freital system"), on utilise un
four
de fusion a plasma, comprenant plusieurs dispositifs de chauf-
fage a arc a plasma disposes angulairement et cooperant avec
une electrode inferieure centrale Le principe est generale-
ment le meme que celui des fours a arc electrique classiques, mais les
electrodes verticales en graphite sont remplacees par des dispositifs
de chauffage a arc Cependant, il-n'a jamais ete propose d'utiliser
dans la pratique un arc transfere selon la presente invention, o
l'agent reducteur contenu dans le reacteur est utilise comme electrode
pour la reduction directe
de l'oxide metallique en metal.
Grace au procede de l'invention, on a constate avec sur-
prise qu'il etait possible d'obtenir un arc stable entre d'une part le
materiau de reduction solide contenu dans le reacteur, et d'autre part
le dispositif de chauffage a arc faisant saillie au travers de la
paroi du reacteur Au cours de la phase de demarrage, une cavite est
immediatement formee a l'amont de la sortie du dispositif de
chauffage, en raison de
la temperature tres elevee Les reactions desirees se derou-
lent ensuite dans cette cavite Il est egalement surprenant que l'agent
de reduction solide contenu dans le reacteur ne soit consomme que dans
de tres faibles proportions apres
qu'ait ete formee la cavite, et qu'il n'y ait pas d'affaisse-
ment du materiau solide qui pourrait conduire a la formation
d'un arc instable.
Le procede selon l'invention procure egalement un avantage substantiel
venant de l'elimination totale de l'une au moins des electrodes, du
fait que l'agent de reduction fonctionne en tant qu'electrode Quand le
materiau reducteur tel que du coke fonctionne en tant qu'electrode,
une partie de celui-ci est naturellement consommee, mais meme dans ce
cas, ceci constitue un benefice du point de vue du procede se
presentant sous la forme de carbon oxide en carbon monoxide et en
carbon dioxide En outre, il n'est plus necessaire de maintenir le gaz
en rotation, ce qui facilite a la fois l'introduction du materiau
pulverulent dans le courant gazeux et evite les effets nocifs sur la
chemise du four que l'on constatait dans
les procedes classiques.
Un autre avantage vient du fait qu'il y a une chute de tension de
l'electrode dans l'agent de reduction, ce qui
augmente encore plus le rendement d'environ 5 %, ceci consti-
tuant une augmentation considerable pour un rendement deja eleve.
L'invention procure egalement un appareil pour mettre en oeuvre une
reaction endothermique en utilisant des dispositifs de chauffage a arc
a plasma pour l'alimentation en energie thermique d'un reacteur, en
utilisant un gaz de reaction qui est entierement ou partiellement
envoye dans le reacteur et converti en plasma gazeux, l'appareil
comprenant un reacteur se presentant sous la forme d'un four a cuve
devant etre rempli d'un materiau de reduction, une section de
chargement a la partie superieure du reacteur pour envoyer de facon
continue le materiau de reduction solide en fragments et pour
determiner une baisse de pression de maniere que les gaz chauds
contenus dans le reacteur ne soient pas devies du fait du
contre-courant superieur vers la section d'alimentation, une sortie de
gaz dans la partie superieure du reacteur, des sorties au fond du
reacteur et destinees au metal et aux scories respectivement, un
dispositif de chauffage a arc a
plasma comprenant des conduites d'alimentation pour le mate-
riau pulverulent et le gaz de reduction a la partie inferieure
du reacteur et reliees a une source de courant, et des conduc-
teurs de courant prevus pour etre immerges dans le materiau de
reduction qui a ete alimente par l'intermediaire de ladite section de
chargement superieure, lesdits conducteurs de courant etant relies a
la source de courant du dispositif de chauffage de maniere que le
materiau reducteur puisse former une electrode et que le dispositif de
chauffage a arc a plasma forme l'autre electrode dans un circuit
electrique, en vue
d'engendrer un arc electrique externe.
De preference, les conducteurs de courant sont mis a la terre, mettant
ainsi egalement a la terre l'agent de reduction
utilise dans le reacteur On obtient ainsi un avantage resul-
tant du fait qu'il est inutile de prevoir une isolation entre le
dispositif de chauffage et le four du fait que le carter du dispositif
de chauffage est egalement relie a la terre On
elimine ainsi totalement tout risque pour le personnel tra-
vaillant dans l'usine, qui serait provoque par l'electricite
de l'arc.
Pour mieux comprendre la presente invention, on en decrira maintenant
et simplement a titre d'exemple un mode de realisa- tion, avec
reference au dessin ci-annexe dans lequel l'unique figure represente
un mode de realisation de l'appareil selon l'invention.
La figure n'est qu'une vue schematique d'un mode de reali-
sation prefere d'un appareil selon l'invention, et les details qui y
sont incorpores peuvent etre appliques a d'autres modes de realisation
sans s'ecarter du concept inventif tel qu'il
est defini par les revendications.
En principe, l'appareil comprend un reacteur 1 comportant une section
superieure de chargement etanche 2, et dans lequel est dispose au
moins un dispositif de chauffage a arc a plasma
3 et des conducteurs de courant 4.
Le reacteur 1, qui ressemble a un four a cuve, est equipe a sa partie
superieure d'une sortie de gaz 5 destinee aux gaz et a tous metals
volatiles A sa partie inferieure, le reacteur 1 comprend une ouverture
de sortie 6 destinee au metal et une
sortie 7 situee a un niveau plus eleve et destinee aux scories.
En utilisation, le reacteur est rempli d'un materiau de reduc-
tion solide en fragments 8 qui, a mesure qu'il est consomme, est
continuellement fourni au reacteur par l'intermediaire de
la section de chargement superieure 2.
La section de chargement superieure 2 comprend de prefe-
rence une multiplicite de conduites d'alimentation fermees 9
reparties uniformement autour de la peripherie du reacteur 1.
La partie superieure 2 autorise une alimentation continue du materiau
reducteur, en fonction des besoins, alors que dans le meme temps il
forme une trape a gaz, ce qui signifie que la baisse de pression le
long des conduites 9 est si importante que le gaz ne peut pas sortir
par cette voie Par mesure de securite, on peut envoyer de l'nitrogen
sous pression dans la chambre de tranquillisation qui alimente les
conduits La sortie de gaz 5 est representee sur la figure comme
amenagee au centre de la partie superieure, mais en variante elle peut
etre disposee sur le cote du reacteur 1 La structure illus-
tree convient plus particulierement au mode de realisation
comportant la partie superieure qui vient d'etre decrite.
Le dispositif de chauffage a arc a plasma 3 n'est represen-
te que schematiquement,-et non en coupe, du fait que son
fonctionnement est rendu tout a fait clair par la description
qui suit Il comprend deux electrodes cylindriques, avec un interstice
annulaire intermediaire Au moins une partie du gaz
de reduction est envoyee au travers de cet interstice, even-
tuellement avec un hydrocarbon ou une autre substance, par
l'intermediaire des conduits 11, 12 Des lances ou buses 13,
14 sont disposees sur la partie avant du dispositif de chauf-
fage pour injecter du materiau pulverulent et eventuellement
de l'oxygen, de l'water et/ou un formateur de scories ou sco-
rifiant Le dispositif de chauffage peut en outre comprendre une entree
amont 15 destinee a un gaz comprime tel que de l'argon ou de l'air,
pour souffler a l'interieur du reacteur un arc de forme appropriee
entre lesdites deux electrodes cylindriques En regle generale, il
suffit d'augmenter la vitesse du courant entrant du gaz de reduction
qui est envoye dans l'interstice annulaire pour que l'arc soit souffle
a
l'interieur du reacteur et vienne a nouveau frapper le mate-
riau de reduction contenu dans ce dernier.
Les conducteurs de courant 4 sont disposes de maniere a
etre immerges dans le materiau de reduction 8, chaque conduc-
teur etant avantageusement en communication avec la meme source de
courant 16 qui alimente le dispositif de chauffage 3 Les conducteurs
sont en communication avec la terre, comme
le carter du dispositif de chauffage Comme deja mentionne ci-
dessus, on evite ainsi des problemes concernant l'isolation et
la securite des operateurs.
C'est intentionnellement que l'on exclut une description
de l'equipement electrique, du fait qu'il ne fait pas partie de la
presente invention et que la conception d'un systeme approprie est
facilement a la portee d'un technicien moyen
travaillant dans ce domaine Cependant on notera que le dis-
positif de chauffage est relie de maniere qu'une fois que l'arc
engendre entre les electrodes cylindriques est souffle a l'interieur
du reacteur et qu'un arc stable est forme entre le dispositif de
chauffage et le materiau reducteur 8, l'une des electrodes du
dispositif de chauffage soit deconnectee du
circuit du courant.
Lorsque le procede est demarre, un arc interne est ainsi forme entre
les deux electrodes cylindriques du dispositif de chauffage Le plasma
gazeux ainsi forme et dont la temperature est de l'ordre de 50000 C
brule alors le materiau de reduction immediatement a l'avant du
dispositif de chauffage, ce qui conduit a la formation d'une cavite 17
Les reactions se deroulent ensuite dans cette cavite 17 Par la suite,
ou plutot immediatement apres, l'arc est souffle dans la cavite et
vient frapper le materiau reducteur, suite a quoi, l'une des
electrodes du dispositif de chauffage peut etre deconnectee.
Lorsque cette operation a eu lieu, le materiau reducteur se consomme
dans des proportions tres faibles, par comparaison avec d'autres
procedes a plasma o ce materiau est consomme de
facon continue.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Procede d'utilisation d'un dispositif de chauffage a arc a plasma
pour fournir de l'energie thermique a un reacteur ( 1) se presentant
sous forme d'un four a cuve rempli d'un materiau de reduction ( 8),
caracterise en ce qu'il comprend le fait de faire passer un gaz de
reduction en totalite ou en partie par le dispositif de chauffage ( 3)
et de le convertir
en plasma gazeux, d'envoyer un materiau pulverulent au reac-
teur pour que se deroulent les reactions endothermiques, et d'envoyer
l'energie thermique par un arc electrique transfere,
dont une electrode est constituee par le dispositif de chauf-
fage et l'autre electrode par le materiau contenu dans le four
a cuve.
2 Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que les
reactions se deroulent dans une cavite ( 17) formee dans le -15
materiau de reduction ( 8) a l'avant du dispositif de chauffage ( 3).
3 Procede selon la revendication 2, caracterise en ce que
lors du demarrage, la cavite ( 17) est determinee par le dispo-
sitif de chauffage ( 3) a l'aide d'un plasma gazeux engendre
par un arc electrique interne.
4 Procede selon la revendication 3, caracterise en ce qu'au moment du
demarrage l'arc interne est engendre entre deux electrodes
cylindriques du dispositif de chauffage ( 3) et au travers d'un
interstice, cet arc interne etant ensuite souffle a l'interieur au
moyen du gaz de reduction qui est envoye dans l'interstice, et venant
frapper le materiau de
reaction contenu dans le reacteur sous forme d'un arc trans-
fere, et en ce que le materiau de reduction ( 8) est en commu-
nication, au moyen de conducteurs de courant, avec la source 'de
courant ( 16) qui alimente le dispositif de chauffage a arc
a plasma.
Procede selon l'une quelconque des revendications l a
3, caracterise en ce que le materiau pulverulent est envoye
dans le plasma gazeux engendre par l'arc electrique.
6 Procede selon l'une quelconque des revendications l a
3, caracterise en ce que le materiau pulverulent est envoye en
meme temps que des materiaux additifs.
7 Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a
3, caracterise en ce que la reaction endothermique est la
reduction directe de l'oxide metallique en metal.
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