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PROCEDE POUR LA MISE EN CONTACT DE MATIERES SOLIDES AVEC DES GAZ.
La présente invention se rapporte au traitement thermique des fi- nes particules solides thermiquement-réactives en présence d'une masse fluidi- fiée de particules solides thermiquement stables à l'état incandescent. Elle convient particulièrement au traitement de composés tels que les carbonates, sulfures ou hydrates de métaux.
Les matières typiques pouvant être traitées par le procédé selon la présente invention comprennent les boues chargées de chaux, telles que la boue des usines de préparation de la pâte à papier, pro- venant d'opérations de caustification, la boue provenant des opérations d'a- doucissement d'eau, la boue provenant de la première carbonatation ou d'autres opérations relatives à la fabrication de sucre et fournissant une boue char- gée de chaux, la boue rouge provenant du procédé Bayer de traitement de la bauxite,les minerais contenant du soufre sous forme de sulfure, etc.
De telles matières solides thermiquement réactives sont couramment grillées ou calcinées ou traitées dans des fours à griller à action rapide ou des fours rotatifs; toutefois,le coût de telles installations est élevé et leur fonctionnement n'est pas particulièrement efficace ou satisfaisant., cela en partie par suite d'une absence d'un contrôle précis de la températu- re, tant généralement que localement, ainsi qu'en raison d'une consommation élevée de combustible et du fonctionnement poussiéreux. Partant de là, la présente invention a pour but de vaincre les difficultés des procédés anté- rieurs et de réaliser un traitement thermique efficace des fines particules solides thermiquement réactives.
Par "matières solides thermiquement réactives" on entend des matières solides qui, sous l'influence de la chaleur, subissent des réactions chimiques se traduisant soit par décomposition en un gaz et en un dérivé à poids moléculaire moins élevé de la matière solide initiale, soit par inter- action avec des substances réactionnelles solides gazeuses ou autres. Une réaction typique impliquant une décomposition se présente lorsque le car- bonate de calcium se décompose en oxyde de calcium et en bioxyde de carbone gazeux.
Un exemple typique de l'interaction avec une substance réactionnelle
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se présente lorsqu'un minerai sulfureux "tel que la pyrite" est grillé à l'air, fournissant ainsi l'anhydride sulfureux gazeux et l'oxyde de fer ou lorsque l'hématite (Fe20 ) est réduite à l'état de magnétite (Fe3O4). D'autres exemples s'imposeront d'eux-mêmes à l'esprit des techniciens au courant du domaine auquel s'applique la présente invention.
La présente invention constitue une amélioration du brevet améri-- cain N 2.465410, demandé le 26 juin 1946 et délivré le 29 mars 1949. Ce der- nier brevet décrit une invention concernant la production de globules ou de pastilles à partir de fines particules de matières solides chargées de chaux, pendant que ces matières sont calcinées en présence d'une masse de particules incandescentes plus grandes,maintenues à l'état fluidifié par un courant de gaz ascensionnel à la vitesse de fluidification de particules solides. Grâce à ce traitement,les fines particules solides calcinables sont décomposées chimiquement mais, de plus, s'agglomèrent de façon à présenter une forme phy- sique ou des dimensions qui résistent à l'entraînement dans le courant ascen- sionnel de gaz de traitement.
Toutefois, dans de nombreux cas, il est désira- ble d'éviter l'agglomération de la matière décomposée obtenue lors du traite- ment thermique, de façon que le produit solide obtenu demeure sous la forme finement divisée, état qui seré désigné ci-après comme "ultra-fin". Les par- ticules solides ultra-fines offrent souvent des avantages techniques lors de leur traitement ultérieur, par exemple dans la conduite de certaines réac- tions chimiques comprenant l'extinction, ou même lors de la préparation d'un mélange physique. De plus, certaines matières ultra-fines ne sont pas fluidifiables, c'est-à-dire, elles s'agglomèrent ou ont une tendance à croître par opposition lors de la fluidification, cela dans une mesure qui rend impos- sible la poursuite du traitement.
Une caractéristique essentielle de la présente invention réside en ce que le traitement thermique des particules solides thermo-réactives ultra-fines a lieu en présence d'une masse fluidifiée de particules solides incandescentes plus grosses mais thermiquement stables, qui sont suffisamment grandes ou lourdes pour résister d'une façon générale à l'entraînement dans un courant de gaz ascensionnel de fluidification, tout en présentant encore un calibre susceptible de fluidification, de telle sorte que les particules solides ultra-fines se trouvent brièvement exposées à l'énergie thermique par rayonnement, par conduction et par convection de la part des particules flui- difiées et du gaz de fluidification qui les entoure, cela à un degré tel que les particules ultra-fines réagissent de la manière décrite ci-dessus,
après quoi elles sont évacuées de l'enceinte de traitement par entraînement dans le gaz ascensionnel. Par une masse thermiquement stable de particules solides on entend une masse dans laquelle la plus grande partie de ces particules ne sont pas chimiquement réactives de par leur nature ou ont déjà atteint la limite de leur réaction, compte tenu des conditions existant dans le lit.
Le procédé selon la présente invention peut être désigné le plus exactement comme étant un procédé de traitement par élévation. En d'autres termes, les particules solides ultra-fines à traiter sont introduites dans un lit fluidifié, en un point situé au-dessous de la surface de celui-ci et se déplacent généralement vers le haut à travers le lit de particules solides fluidifiées relativement grosses pour être finalement évacuées vers le haut depuis ce lit, sous la forme de particules solides entraînées dans un courant ascensionnel de gaz de fluidification.
Par le terme de "fluidifié" on entend un état de suspension dense de particules solides, semblable à un liquide, qui se produit lorsqu'un cou- rant de gaz ascendant,.animé d'une vitesse comprise dans certaines limites (qui sont bien connues des techniciens) est amené à passer à travers une masse de particules solides: Une masse ou un lit fluidifié de telles particules solides apparaît comme un liquide bouillonnant; les particules solides d'un tel lit exécutent un mouvement rapide turbulent en zig-zag; ce lit possède une température sensiblement uniforme ou est thermiquement homogène dans toute sa largeur et profondeur; ce lit se déplace sous l'influence d'une colonne fluide statique.
Un lit fluidifié peut être obtenu en établissant et en main- tenant dans l'enceinte d'un réactor (ou vase de réaction) ou d'un four, une
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masse de fines particules solides au-dessus d'une plaque ou cloison perméa- ble au gaz, à travers laquelle le gaz de suspension et de fluidification est refoulé à une vitesse spatiale qui est en relation avec le calibre et la densité des grosses particules solides contenues dans le lit. Les vitesses spatiales de fluidification connues sont comprises entre 0,2 pieds par seconde (1 pied = 0,3048 m) et environ 20 pieds par seconde.
Selon la présente invention, les particules solides ultra-fines sont fournies d'une façon continue au lit situé à l'intérieur du réactor et, une fois la réaction accomplie au cours de leur bref sejour dans le lit fluidifié, sont pour une large part évacuées de cette chambre ensemble avec le gaz ascensionnel de fluidification. Ce traitement est caractérisé en ce que la chambre de réaction contient des particules que l'on dénommera ici "grosses particules solides thermiquement stables et résistant à l'entraîne- ment"; c'est-à-dire des particules solides comprises entre le passé du tamis 14 et le refus du tamis 65 de la série (Tyler) et auxquelles sont amenées les particules réactives ultra-fines.
Les particules solides du lit fluidifié sont maintenues aux tem- pératures de réaction en vue des réactions endothermiques telles que la décom- position du carbonate de calcium en oxyde de calcium et en bioxyde carbonique gazeux, soit par une combustion directe de combustible dans le lit, soit par réchauffage préalable du gaz de fluidification même; dans certains cas, on peut employer une combinaison de ces deux méthodes.
Lorsqu'on exécute une réaction exothermique, telle que le grillage de minerais sulfureux, la chaleur produite par la réaction suffit généralement à maintenir la température de réaction dans le lit. Dans ce cas, les parti- cules solides inertes du lit servent d'accumulateur de chaleur destiné à fournir la chaleur nécessaire pour amorcer la réaction, après quoi elles ab- sorbent à nouveau la chaleur produite par cette réaction. Si la chaleur pro- duite par la réaction exothermique ne suffit pas pour entretenir celle-ci, on peut apporter de la chaleur au lit comme dans le cas de réactions endothermi- ques.
D'autre part, lorsque la réaction libère une trop grande quantité de chaleur,la température maximum du lit peut être réglée par une addition d'eau faite directement dans le lit ou par une introduction, dans ce lit, de parti- cules solides inertes relativement froides, la disposition étant telle que la turbulence du lit a pour effet de répartir l'effet réfrigérant des matières de refroidissement à travers tout le lit, avec le résultat que la températu- re est contrôlée uniformément dans celui-ci.
Une caractéristique essentielle de l'invention consiste en ce que les fines particules soumises au traitement sont mises en contact avec les particules solides, formant véhicule thermique, du lit fluidifié, cela pen- dant une durée suffisante pour assurer pratiquement l'achèvement de la réac- tion qui s'opère dans ces fines particules. L'inventeur a constaté que la durée du contact entre les particules fines et le lit peut être contrôlée en réglant, dans certaines limites, la vitesse du courant de gaz ascensionnel de fluidification ou en réglant la profondeur du lit à grosses particules inertes que traversent les fines particules, ou en appliquant une combinaison de ces deux opérations.
Ainsi, on peut réaliser un temps de contact plus long pour les particules fines en réduisant la vitesse du courant gazeux ascen- sionnel ou en augmentant la profondeur du lit que traversent les particules fines. On peut réaliser une durée de contact plus courte soit en augmentant la vitesse du courant de gaz ascensionnel, soit en réduisant la profondeur du lit inerte, soit en appliquant les deux méthodes.
De temps en temps on peut ajouter au lit une certaine quantité de grosses particules solides, qui sont thermiquement stables au moins après avoir atteint la température de réaction, afin de compenser l'attrition ou les pertes inévitables par entraînement (ces grosses particules pouvant même être introduites d'une façon continue en tant que partie de l'alimentation).
Ce lit fluidifié de grosses et fines particules permet de réaliser les avan- tages principaux du procédé de fluidification, dont quelques-uns sont : une température uniforme, une combustion répartie sur une grande surface, un contact intime entre le gaz et le solide et une transmission rapide de la
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chaleur. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront à la lecture du présent mémoire.
Comme la présente invention peut être réalisée sous plusieurs for- mes sans que l'on s'écarte de son esprit ou de ses caractéristiques essentiel- les, le mode d'exécution décrit ici ne l'a été qu'à titre illustratif et non limitatif, et l'invention couvre toutes les variantes susceptibles d'être comprises dans son cadre.
Dans les dessins annexés : la Fig. 1 est une vue partielle idéalisée montrant le fonctionne- ment du dispositif selon l'invention , la Fig. 2 est une vue en perspective, partiellement brisée, d'une chambre de réaction à compartiment unique pour particules solides fluidifiées, montrant un mode d'exécution préféré de l'invention.
Dans la Fig. 1, on a montré un lit fluidifié enfermé 22 de parti- cules solides inertes relativement grosses, au-dessus desquelles se trouve un espace libre 23. Le lit repose sur une plaque d'étranglement munie d'ou- vertures 21. Les matières fines 37 sont introduites dans le lit au-dessous de la surface ou du niveau 40 de ce lit à travers un conduit ou canal d'a- limentation 35
Le gaz de fluidification 30 se dirige vers le haut à travers les orifices 21 de la plaque 20 à une vitesse réglée de façon à maintenir le lit 22 à l'état fluidifié et animé d'un mouvement turbulent, de telle façon que les grosses particules solides soient maintenues en tant qu'une suspension dense et que les fines particules solides introduites dans le lit soient dispersées à travers celui-ci,
tout en se déplaçant de façon généralement as- cendante à travers ce lit par suite de l'action d'entraînement du courant de gaz ascensionnel.
La vitesse du courant de gaz ascensionnel est maintenue suffi- samment réduite pour éviter ou du moins réduire au minimum l'entraînement des grosses particules solides.
On voit donc que tout en étant rapidement dispersées à travers le lit et retenues dans celui-ci pendant un certain temps, les particules fi- nes suivent néanmoins un trajet général ascendant à travers le lit et l'es- pace libre situé au-dessus de celui-ci. Ce mouvement vers le haut peut être désigné le plus avantageusement par le terme de traitement par ascension.
En d'autres termes, la réaction considérée peut être dénommée grillage par ascension ou calcination par ascension, suivant le cas. La Fig. 2 montre un réactor à compartiment unique pour particules solides fluidifiées, qui con- vient à la réalisation du procédé selon l'invention.
Dans la Fig. 2, le réactor R est constitué par un cylindre verti- cal présentant une paroi extérieure métallique 12 et garni de briques réfrac- taires ou d'une autre matière réfractaire 13. Ce réactor comporte une paroi supérieure 14 équipée d'un conduit d'évacuation 15 pour les particules soli- des entraînées par le gaz, ce conduit étant pourvu d'une vanne 16. Cette paroi supérieure 14 est en outre munie d'un conduit 25 destiné à l'introduc- tion des grosses particules solides et pourvu d'une vanne 26.
Le réactor présente une paroi de fond conique 17 munie d'un conduit de nettoyage 18 pourvu d'une vanne 19. îfne plaque horizontale 20 est disposée dans la partie inférieure du réactor et s'étend sur toute la section transversale de celui-ci, cette plaque étant munie d'orifices 21 et étant prévue pour supporter un lit 22 de matières solides fluidifiées au-dessus duquel se trouve l'espace libre 23
Le gaz de fluidification est fourni au réactor par l'intermé- diaire du conduit 29, lequel est muni d'une vanne de réglage appropriée 30.
Le niveau fluide du lit 22 est maintenu constant par des conduits de trop- plein 32, 34 et 36, à travers lesquels les grosses particules solides s'é- coulent en quittant la chambre de réaction. La profondeur du lit 22 est
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réglée au moyen d'un conduit d'évacuation commun 31 et des conduits de trop- plein 32, 34 et 36, lesquels sont munis respectivement de vannes appropriées
33, 35, et 37. Ainsi, pour maintenir le niveau fluide représenté dans la
Fig. 2, on ferme les vannes 33 et 37 et l'on ouvre la vanne 35, de sorte que les particules solides s'évacuent par le conduit de sortie 34 vers le conduit commun 31.
En faisant varier la profondeur du lit, on a la possibilité d'aug- menter ou de réduire la durée du contact entre les particules fines traversant le lit et celui-ci, c'est-à-dire la durée pendant laquelle ces particules sont exposées à la chaleur accumulée dans le lit.
Le combustible nécessaire au démarrage est fourni à travers une conduite 27, munie d'une vanne 28, ce combustible étant brûlé dans un brûleur non représenté. Après que la température du lit 22 s'est suffisamment élevée pour brûler le combustible y contenu, on ferme la vanne 28, après quoi le combustible est fourni à travers une conduite 44 et une vanne 45. Lorsque la réaction est exothermique au point de ne plus nécessiter un apport de combustible,l'arrivée de celui-ci est arrêtée. Si la réaction dégage une trop grande quantité de chaleur, il peut être nécessaire d'y introduire un liquide de refroidissement, de l'eau, par exemple, à travers le conduit 44 ou un conduit analogue.
Les particules solides ultra-fines à traiter sent introduites dans le fond du lit 22 par le conduit 38 et la vanne 39, ces particules étant transportées, depuis une source non représentée, à travers le conduit 38, sous la forme de particules solides entraînées par le gaz, selon des métho- des bien connues.
Les fines particules solides se dirigent sous une forme dispersée vers le haut à travers le lit 22, dans lequel elles sont retenues pendant une durée suffisante pour assurer la réaction. Les particules fines déjà trai- tées quittent le lit 22 en montant, se dirigent à travers l'espace libre 23 et s'échappent du réactor à travers le conduit 15.
Les gaz chargés de matières solides pénètrent dans le dispositif de dépoussiérage 40, où a lieu la séparation des particules solides entraînées.
Les particules séparées sont évacuées par le tuyau de vidange 41 en tant que produit de la réaction, tandis que les gaz s'échappent par le conduit 42, pour être soit traités, soit éjectés, soit dirigés vers un autre poste d'épuration, en vue de la récupération des matières solides entraînées restantes.
Une variante du fonctionnement de l'installation consiste à intro- duire un mélange alimentaire de particules grosses et fines par le conduit 25. Des particules fines seront grillées ou traitées d'une autre manière, comme décrit ci-dessus,tandis que les grosses particules seront retenues dans le lit et, une fois traitées, seront évacuées du lit par un des conduits de trop-plein. Les matières solides d'alimentation ainsi traitées peuvent ser- vir à compléter le lit de grosses particules inertes,un mélange alimentaire de particules solides grosses et fines pouvant être traité continuellement de façon à conférer une capacité élevée à l'installation.
Comme la présente invention est applicable à des matières solides décomposables qui dégagent un gaz lors de leur décomposition, il est évident que le gaz traversant le lit de traitement fluidifié 22 provient de plusieurs sources. Celles-ci sont constituées par :a) l'excédent d'air et les pro- duits de la combustion, qui s'élèvent depuis le lit; b) les gaz de réaction dégagés par la décomposition des matières solides introduites; et c) la va- peur d'eau provenant de la dessication initiale de ces matières solides. Le volume total par unité de temps de ces gaz importe peu; il est par contre essentiel que les vitesses de fluidification ne soient pas dépassées. Il est préférable que les vitesses de fluidification spatiales se situent dans une gamme moyenne., c'est-à-dire d'environ 4 à 18 pieds par seconde.
Ceci peut être obtenu au cours du fonctionnement en maintenant une relation con- venable entre la vitesse d'amenée des matières solides d'une part et l'admis- sion d'air et de combustible au réactor R, d'autre part.
Un avantage pratique important de la présente invention réside dans l'amélioration qu'elle réalise par rapport à un procédé de fluidifica-
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tion de seules particules solides décomposables ultra-fines. Par exemple,, en traitant un calcaire dont les fines particules forment en substance le passé d'un tamis de 200 mailles au pouce linéaire (Tyler), (1 pouce = 2,54 cm) il est nécessaire de maintenir la vitesse spatiale du gaz au-dessous de 1 pied par seconde. Or, comme la chaleur requise pour la réaction de décompo- sition provient de l'opération de combustion gazeuse, ceci signifie que la vitesse d'écoulement de gaz admissible pour un réactor donné est très exac- tement limitée ou réduite.
Donc, pour équilibrer les facteurs représentés par l'apport de chaleur et la vitesse du gaz de fluidification;, la vitesse d'amenée de la masse totale de matière solide doit être maintenue à une va-'- leur réduite. En particulier, au cours d'une fluidification appliquée à la calcination d'un calcaire très fin,, en l'absence de particules solides plus grosses, thermiquement stables et résistant à l'entraînement? l'inventeur a déterminé que la capacité du réactor était inférieure à 500 livres par pied carré (1 livre : 0,4536 Kg) de section de passage par jour.
Par contre, en traitant la même matière en présence de particules solides incandescentes plus grosses, résistant à l'entraînement et thermiquement stables, comme indiqué dans la présente invention, on a pu traiter complètement environ 5.000 livres, par pied carré de section du réactor, par jour. Ceci représen- te une augmentation d'environ 900%. En d'autres termes, un réactor dix fois moins grand peut donner les mêmes résultats qu'un réactor de grandeur courante. Il va de soi que ceci représente une économie de capital très importante.
Ce fait illustre les avantages commerciaux de la présente in- vention, dont le but principal consiste à appliquer un traitement thermi- que à de fines particules solides décomposables par la chaleur, dont la durée du séjour dans le lit est réduite en présence de particules solides plus gros- ses, thermiquement stables qui demeurent dans le lit du fait que la durée de leur séjour dans celui-ci est notablement plus longue que celle des fines particules solides. Si les grosses particules solides résiduaires ont la même composition chimique que les particules ultra-fines traitées, l'écla- tement ou la désagrégation des grosses particules solides par attrition n'a pas pour effet de contaminer les particules ultra-fines avec une substance étrangère.
Lorsque le procédé selon l'invention sert à griller des minerais tels que la pyrite ou d'autres minerais sulfureux., les gaz traversant le lit et s'échappant de celui-ci contiennent également une quantité de gaz d'anhy- dride sulfureux dégagés par la réaction de grillage. Il y a donc lieu de rappeler d'une façon générale que la réaction en cours influence notablement les vitesses de gaz traversant le lit et l'espace libre situé au-dessus, de sorte que la vitesse du gaz de fluidification fourni initialement doit être réglée de manière que la vitesse finale de ce gaz ne dépasse pas les vitesses de fluidification mentionnées plus haut.
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PROCESS FOR CONTACT OF SOLID MATERIALS WITH GASES.
The present invention relates to the heat treatment of thermally reactive fine solid particles in the presence of a fluidized mass of thermally stable solid particles in the incandescent state. It is particularly suitable for the treatment of compounds such as carbonates, sulphides or hydrates of metals.
Typical materials which can be treated by the process according to the present invention include lime laden sludge, such as slurry from pulp preparation plants, from causticizing operations, sludge from milling operations. a- water softening, sludge from the first carbonation or other operations relating to the manufacture of sugar and providing a lime-laden sludge, red sludge from the Bayer bauxite treatment process, ores containing sulfur in the form of sulphide, etc.
Such thermally reactive solids are commonly roasted or calcined or processed in fast acting broilers or rotary ovens; however, the cost of such installations is high and their operation is not particularly efficient or satisfactory. This is in part due to a lack of precise temperature control, both generally and locally, as well as. due to high fuel consumption and dusty operation. Hence, the object of the present invention is to overcome the difficulties of the prior processes and to achieve efficient heat treatment of the thermally reactive fine solid particles.
By "thermally reactive solids" is meant solids which, under the influence of heat, undergo chemical reactions resulting in either decomposition into a gas and a lower molecular weight derivative of the initial solid, or by interaction with gaseous or other solid reaction substances. A typical reaction involving decomposition occurs when calcium carbonate decomposes into calcium oxide and carbon dioxide gas.
A typical example of the interaction with a reaction substance
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occurs when a sulphurous ore "such as pyrite" is roasted in air, thus providing sulfur dioxide gas and iron oxide or when hematite (Fe20) is reduced to magnetite ( Fe3O4). Other examples will impose themselves on the minds of technicians familiar with the field to which the present invention applies.
The present invention is an improvement of US Patent No. 2,465410, filed June 26, 1946 and issued March 29, 1949. This latter patent describes an invention relating to the production of globules or pellets from fine particles of material. lime-laden solids, while these materials are calcined in the presence of a mass of larger glowing particles, maintained in a fluidized state by an ascending gas stream at the rate of fluidization of solid particles. As a result of this treatment, the fine calcinable solid particles are chemically decomposed but, in addition, agglomerate so as to have a physical shape or dimensions which resist entrainment in the upward flow of treatment gas.
However, in many cases it is desirable to avoid the agglomeration of the decomposed material obtained in the heat treatment so that the solid product obtained remains in the finely divided form, which state will be referred to herein as. after as "ultra-fine". Ultra-fine solid particles often offer technical advantages during their further processing, for example in carrying out certain chemical reactions including quenching, or even in preparing a physical mixture. In addition, some ultra-fine materials are not fluidizable, that is to say, they agglomerate or have a tendency to grow as opposed to during thinning, to an extent that makes it impossible to continue. treatment.
An essential feature of the present invention is that the heat treatment of the ultra-fine thermoreactive solid particles takes place in the presence of a fluidized mass of larger but thermally stable incandescent solid particles, which are large or heavy enough to resist. generally when entrained in an ascending flow of fluidizing gas, while still having a size capable of fluidization, such that the ultra-fine solid particles are briefly exposed to thermal energy by radiation, by conduction and by convection on the part of the fluidized particles and the fluidizing gas which surrounds them, this to a degree such that the ultra-fine particles react in the manner described above,
after which they are evacuated from the treatment enclosure by entrainment in the ascending gas. By a thermally stable mass of solid particles is meant a mass in which the majority of these particles are not chemically reactive by their nature or have already reached the limit of their reaction, taking into account the conditions existing in the bed.
The process according to the present invention can be most accurately referred to as an elevation treatment process. In other words, the ultra-fine solid particles to be treated are introduced into a fluidized bed, at a point below the surface thereof and generally move upwards through the bed of fluidized solid particles. relatively large to be finally evacuated upwards from this bed, in the form of solid particles entrained in an upward stream of fluidizing gas.
By the term "fluidized" is meant a state of dense suspension of solid particles, similar to a liquid, which occurs when a rising gas flow, animated at a velocity within certain limits (which are well). known to technicians) is caused to pass through a mass of solid particles: A mass or a fluidized bed of such solid particles appears as a bubbling liquid; the solid particles of such a bed execute a rapid turbulent zig-zag movement; this bed has a substantially uniform temperature or is thermally homogeneous throughout its width and depth; this bed moves under the influence of a static fluid column.
A fluidized bed can be obtained by establishing and maintaining in the enclosure of a reactor (or reaction vessel) or of a furnace, a
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mass of fine solid particles above a gas-permeable plate or partition, through which the slurry and fluidizing gas is forced at a space velocity which is related to the size and density of the large solid particles contained in the bed. Known fluidization space velocities range from 0.2 feet per second (1 foot = 0.3048 m) to about 20 feet per second.
According to the present invention, the ultra-fine solid particles are continuously supplied to the bed located inside the reactor and, after the reaction has been completed during their brief stay in the fluidized bed, are to a large extent. evacuated from this chamber together with the ascending fluidizing gas. This treatment is characterized in that the reaction chamber contains particles which will be referred to herein as "large solid particles thermally stable and resistant to entrainment"; that is to say, solid particles comprised between the past of the sieve 14 and the refusal of the sieve 65 of the series (Tyler) and to which the ultra-fine reactive particles are supplied.
The solid particles of the fluidized bed are maintained at reaction temperatures for endothermic reactions such as the decomposition of calcium carbonate into calcium oxide and gaseous carbon dioxide, either by direct combustion of fuel in the bed, either by preheating the fluidization gas itself; in some cases a combination of these two methods can be used.
When performing an exothermic reaction, such as roasting sulphurous ores, the heat produced by the reaction is generally sufficient to maintain the reaction temperature in the bed. In this case, the inert solid particles of the bed serve as a heat accumulator to supply the heat necessary to initiate the reaction, after which they again absorb the heat produced by this reaction. If the heat produced by the exothermic reaction is not sufficient to sustain it, heat can be applied to the bed as in the case of endothermic reactions.
On the other hand, when the reaction releases too much heat, the maximum temperature of the bed can be controlled by adding water directly to the bed or by introducing inert solid particles into this bed. relatively cool, the arrangement being such that the turbulence of the bed has the effect of distributing the cooling effect of the cooling materials throughout the bed, with the result that the temperature is controlled uniformly therein.
An essential characteristic of the invention is that the fine particles subjected to the treatment are brought into contact with the solid particles, forming a thermal vehicle, of the fluidized bed, for a period sufficient to ensure practically the completion of the reaction. - tion which takes place in these fine particles. The inventor has found that the duration of contact between the fine particles and the bed can be controlled by adjusting, within certain limits, the speed of the flow of rising fluidizing gas or by adjusting the depth of the bed of large inert particles through which the fine particles, or by applying a combination of these two operations.
Thus, a longer contact time for the fine particles can be achieved by reducing the speed of the upward gas flow or by increasing the depth of the bed through which the fine particles pass. A shorter contact time can be achieved either by increasing the speed of the upward gas stream, or by reducing the depth of the inert bed, or by applying both methods.
From time to time a certain quantity of large solid particles can be added to the bed, which are thermally stable at least after reaching the reaction temperature, in order to compensate for the attrition or the inevitable losses by entrainment (these large particles can even be introduced continuously as part of the diet).
This fluidized bed of large and fine particles makes it possible to achieve the main advantages of the fluidization process, some of which are: uniform temperature, combustion distributed over a large area, intimate contact between gas and solid and rapid transmission of
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heat. Other advantages and characteristics will emerge on reading this memorandum.
As the present invention can be carried out in several forms without departing from its spirit or from its essential characteristics, the embodiment described here has been done only by way of illustration and not. limitative, and the invention covers all the variants likely to be included within its scope.
In the accompanying drawings: FIG. 1 is an idealized partial view showing the operation of the device according to the invention, FIG. 2 is a perspective view, partially broken away, of a single compartment reaction chamber for thinned solid particles, showing a preferred embodiment of the invention.
In Fig. 1, an enclosed fluidized bed 22 of relatively large inert solid particles has been shown, above which is a free space 23. The bed rests on a throttle plate provided with openings 21. The fines 37 are introduced into the bed below the surface or level 40 of this bed through a supply duct or channel 35
The fluidizing gas 30 flows upwardly through the orifices 21 of the plate 20 at a speed controlled so as to maintain the bed 22 in a fluidized and turbulent state, so that the large particles solids are maintained as a dense suspension and the fine solid particles introduced into the bed are dispersed through it,
while moving generally upward through this bed as a result of the entraining action of the upward gas stream.
The velocity of the ascending gas stream is kept sufficiently low to avoid or at least minimize the entrainment of large solid particles.
It can therefore be seen that while being rapidly dispersed through the bed and retained therein for some time, the fine particles nevertheless follow a general upward path through the bed and the free space above. of it. This upward movement may be most advantageously referred to as the ascension treatment.
In other words, the reaction under consideration can be referred to as ascension roasting or ascension calcination, as the case may be. Fig. 2 shows a single compartment reactor for fluidized solid particles, which is suitable for carrying out the process according to the invention.
In Fig. 2, the reactor R is constituted by a vertical cylinder having a metal outer wall 12 and lined with refractory bricks or other refractory material 13. This reactor comprises an upper wall 14 equipped with an evacuation duct. 15 for the solid particles entrained by the gas, this conduit being provided with a valve 16. This upper wall 14 is further provided with a conduit 25 for the introduction of large solid particles and provided with a valve. a valve 26.
The reactor has a conical bottom wall 17 provided with a cleaning duct 18 provided with a valve 19. A horizontal plate 20 is arranged in the lower part of the reactor and extends over the entire cross section thereof, this plate being provided with orifices 21 and being provided to support a bed 22 of fluidized solids above which the free space 23 is located
The fluidizing gas is supplied to the reactor through line 29, which is provided with a suitable control valve 30.
The fluid level of bed 22 is kept constant by overflow conduits 32, 34 and 36, through which the large solid particles flow out of the reaction chamber. The depth of bed 22 is
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regulated by means of a common discharge duct 31 and overflow ducts 32, 34 and 36, which are respectively provided with suitable valves
33, 35, and 37. Thus, to maintain the fluid level shown in the
Fig. 2, the valves 33 and 37 are closed and the valve 35 is opened, so that the solid particles escape through the outlet pipe 34 to the common pipe 31.
By varying the depth of the bed, it is possible to increase or reduce the duration of contact between the fine particles passing through the bed and the bed, that is to say the duration during which these particles are. exposed to the heat accumulated in the bed.
The fuel required for starting is supplied through a pipe 27, provided with a valve 28, this fuel being burned in a burner, not shown. After the temperature of bed 22 has risen sufficiently to burn the fuel contained therein, valve 28 is closed, after which fuel is supplied through line 44 and valve 45. When the reaction is exothermic to the point of not being no longer require a supply of fuel, the arrival of this is stopped. If the reaction gives off too much heat, it may be necessary to introduce a cooling liquid, for example water, through line 44 or the like.
The ultra-fine solid particles to be treated are introduced into the bottom of the bed 22 through the conduit 38 and the valve 39, these particles being transported, from a source not shown, through the conduit 38, in the form of solid particles entrained by gas, according to well-known methods.
The fine solid particles move in a dispersed form upwardly through bed 22, where they are retained for a sufficient time to effect the reaction. The fine particles already treated leave bed 22 on an upward path, pass through the free space 23 and escape from the reactor through line 15.
The gases laden with solids enter the dedusting device 40, where the separation of the entrained solid particles takes place.
The separated particles are discharged through the drain pipe 41 as a reaction product, while the gases escape through the pipe 42, to be either treated, or ejected, or directed to another purification station, in view of the recovery of the remaining entrained solids.
A variant of the operation of the installation consists in introducing a food mixture of coarse and fine particles through line 25. Fine particles will be roasted or otherwise treated, as described above, while large particles will be retained in the bed and, once treated, will be evacuated from the bed through one of the overflow pipes. The feed solids thus treated can be used to supplement the bed of large inert particles, a feed mixture of coarse and fine solid particles which can be continuously processed to provide high capacity to the plant.
As the present invention is applicable to decomposable solids which give off a gas upon decomposition, it is evident that the gas passing through the fluidized treatment bed 22 comes from several sources. These consist of: a) excess air and the products of combustion, which rise from the bed; b) the reaction gases given off by the decomposition of the solids introduced; and c) the water vapor from the initial desiccation of these solids. The total volume per unit time of these gases does not matter; on the other hand, it is essential that the fluidization speeds are not exceeded. It is preferable that the spatial thinning rates be in a medium range, i.e., about 4 to 18 feet per second.
This can be achieved during operation by maintaining a suitable relationship between the rate of supply of solids on the one hand and the supply of air and fuel to the reactor R on the other hand.
An important practical advantage of the present invention resides in the improvement which it achieves over a process for fluidizing.
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tion of only ultra-fine decomposable solid particles. For example, when treating a limestone whose fine particles essentially form the past of a 200 mesh per linear inch (Tyler) sieve, (1 inch = 2.54 cm) it is necessary to maintain the space velocity of the gas below 1 foot per second. Now, since the heat required for the decomposition reaction arises from the gas combustion operation, this means that the allowable gas flow rate for a given reactor is very precisely limited or reduced.
Therefore, in order to balance the factors represented by the heat input and the speed of the fluidizing gas, the feed rate of the total mass of solid material must be kept at a reduced value. In particular, during a fluidization applied to the calcination of a very fine limestone, in the absence of larger solid particles, thermally stable and resistant to entrainment? the inventor determined that the capacity of the reactor was less than 500 pounds per square foot (1 pound: 0.4536 Kg) of passage section per day.
In contrast, by treating the same material in the presence of larger, entrainment resistant and thermally stable incandescent solid particles, as indicated in the present invention, approximately 5,000 pounds per square foot of reactor section could be completely treated. per day. This represents an increase of about 900%. In other words, a reactor ten times smaller can give the same results as a reactor of current size. It goes without saying that this represents a very important saving of capital.
This fact illustrates the commercial advantages of the present invention, the main object of which is to apply heat treatment to fine solid particles decomposable by heat, the residence time of which in the bed is reduced in the presence of solid particles. larger, thermally stable particles which remain in the bed because their residence time is significantly longer than that of fine solid particles. If the residual large solid particles have the same chemical composition as the treated ultra-fine particles, the shattering or disaggregation of the large solid particles by attrition does not contaminate the ultra-fine particles with a foreign substance. .
When the process according to the invention is used for roasting ores such as pyrite or other sulphurous ores, the gases passing through the bed and escaping from it also contain a quantity of sulphurous anhydride gas given off. by the scorching reaction. It should therefore be recalled in general that the reaction in progress significantly influences the gas velocities passing through the bed and the free space above it, so that the velocity of the fluidizing gas supplied initially must be regulated. so that the final speed of this gas does not exceed the fluidification speeds mentioned above.
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