Brevet FR2016266A1 — publié le 19700508

La présente invention concerne une installation de -préparation continue de matériaux à grain fin, sous forme de conglomérats ou sous forme non conglomérée, en particulier une installation d'épuration de vieux sable ou sable usagé de fonderie, munie d'un dispositif d'échauffement du matériau à préparer par des gaz chauds dirigés à contre-courant du matériau, ainsi que d'un dispositif de refroidissement subséquent du matériau échauffé. L'invention concerne, en outre, un procédé d'exploitation d'une telle installation de préparation. Dans l'industrie, des matériaux à grain fin, sous forme conglomérée ou non conglomérée, doivent être préparés par un traitement thermique. Un tel cas se présente, par exemple, pour l'épuration de vieux sable (sable de moulage, sable à noyaux) provenant de fonderies qui est enrobé d'élements combustibles et gazéifiables après l'ueage.- r s Pour la préparation thermique de ceux-ci et de matériaux analogues à grain fin, on connaît des installations se composant d'un four tubulaire rotatif et d'un tambour de refroidissement monté en aval. De telles fnstallattons---prEsentent-cepen- dant différents inconvénients. Lors du traitement thermique effectué dans ces installations connues, les conglomérats de matériaux ne sont pas entièrement pulvérisés - comme le montre la pratique - . I1 est, en conséquence, nécessaire de fractionner d'abord très finement les matériaux à préparer, dans un dispositif particulier monté en amont du four tubulaire rotatif. I1 est, en outre, désavantageux que, lors de la préparation dans le four tubulaire rotatif, les fines indésirables ne soient pas triés du matériau à préparer, mais soient au contraire entraînées comme une charge inutile à travers toute l'installation. L'utilisation de fours tubulaires rotatifs présente, en outre, les inconvénients d'une consommation de chaleur relativement élevée, d'une mauvaise aptitude au réglage et dtun temps de séJour relativement long du matériau dans l'installation. Dans ces installations connues, constituées par des fours rotatifs et des tambours de refroidissement, il est, par ailleurs, désavantageux qu un refroidissement brusque et stabilisant la cristallisation du. matériau échauffé, refroidissement généralement souhaité pour la préparation, ne puisse être obtenu que par un processus nécessitant des équipements coûteux. Dans ce but, on a essayé d'introduire dans le tambour de refroidissement,en même temps que le matériau échauffé, du sable frais, humide et froid. Le mélange rapide et homogène des-deux eompo- sants, nécessaire pour un refroidissement brusque de ltensemble du matériau, ne peut cependant pas être obtenu d'une façon simple dans un tambour de refroidissement. Pour la préparation de matériaux à grain fin, on connatt, en outre, une installation comprenant comme constituant essentiel un four à lit fluidisé à plusieurs étages. Dans ces installations, il stavère cependant difficile d'obtenir un matériau préparé uniformément, pour des formes de grain différentes, des réparttions granulométriques non homogènes, ou des produits à grain très fin. Un autre inconvénient de ces dispositifs connus réside dans la lenteur avec laquelle les réglages produisent leur effet, en raison de la couche relativement épaisse de matériau se trouvant aux différents étages du lit fluidisé, ce qui influe de façon préjudiciable sur la qualité désirée du matériau. Enfin, dans ces installations connues elles aussi, les conglomérats se trouvant dans le matériau à préparer ne sont pas entièrement pulvérisés par le traitement thermique. L'invention a donc pour objet, en évitant les inconvénients des réalisations connues, de mettre au point une installation du type ci-dessus mentionné qui, avec des moyens d'une technique opérationnelle simple, rend possible une préparation intégrale du matériau à grain fin, permettant donc, en- parti- culier lors du traitement thermique, un refroidissement brusque du matériau échauffé, une pulvérisation des conglomérats par le traitement thermique et un triage des fines Cet objet est atteint, conformément à l'invention, du fait que, pour l'échauffement et le refroidissement du matériau, on prévoit un dispositif connu en soi compose de plusieurs échangeurs directs de chaleur, sous forme de cyclones ou de chambres de turbulence, montés les uns au-dessus des autres, reliés par des conduites de gaa et de matériau, et traversés de haut en bas par le matériau circulant à contre-courant du gaz ascendant et par le fait qu'un échangeur de chaleur, formant une zone de pré-refroidissement et situe å la partie inférieure, est raccordé à une conduite d'amenée d'air froid, t andis qu'un échangeur de chaleur, monté plus haut, est rac- cordé à une conduite d'amenée de gaz chaud. Une telle installation permet réchauffer rapidement le matériau à préparer à la température nécessaire et de le soumettre immédiatement après à un pré-refroidissement brusque stabilisant la cristallisation. Lientrée brusque du matériau échauffé dans la zone de pré-refroidissement alimentée en air froid est assurée, dans 11 installation conforme à lglnvenm tion, du fait que la zone de pré-refroidissement forme la partie la plus basse d un groupe diéchangeurs de chaleur montés les uns au-dessus des autres, de sorte que le matériau à refroidir parvient dans la zone de pré-refroidissement grâce à la simple action de la gravité, sans moyens auxiliaires supplémentaires0 Comme le montrent des essais, l'installation conforme à l'invention rend possible, sans moyens auxiliaires supplémentaires, une pulvérisation par voie thermique des conglomérats se trouvant dans le matériau à préparer0 Un autre avantage essentiel de l'installation conforme à l'invention réside en outre dans la possibilité de séparer, déjà pendant l'échauffe- ment ainsi que pendant le refroidissement subséquent, les fines présentes dans le matériau et celles produites lors de la pulvéirisation des conglomérats, les gaz chauds et l'air froid servant d'air de triage. La séparation des fines à l'intérieur de l'installation présente l'avantage que, lors de la préparation de minéraux quartzifères, les constituants fins du matériau transformé en tridymite sont précipités séparément0 Ces constituants fins sont aspirés facilement et d'après les derniers résultats de la recherche, ils sont en partie responsable du développement de la silicose, La réalisation, en forme de cyclnes ou de chambres à turbulence, des échangeurs de chaleur assure non seulement un bon transfert thermique entre le gaz et le produit, mais favorise aussi la pulvérisation rapide des conglomérats se trouvant dans le matériau à préparer, en raison des impacts et des forces cen trifuges auxquels le matériau est soumis. Les débits et les vitesses d'écoulement des gaz chauds et de l'air froid sont réglés, dans l'installation conforme à l'invention, de sorte que les fines indésirables du matériau sont séparées et emportées dans le courant de gaz. La part des fines séparée est d'ailleurs aussi influencée par la conformation des dispositifs (par exemple par une conformation appropriée des échangeurs de chaleur). Selon une autre caractéristique avantageuse~de l'in Invention une zone tampon calorifugée est prévue entre 1 échangeur de chaleur constituant la zone de pré-refroidissement et l'échan geur de chaleur raccordé à la conduite diamentée des gaz chauds Si l'installation sert à la préparation de minéraux quartz @ères, le matériau est opportunément recuit dans cette zone tampon à une température de plus de 8700C environ, le quartz se transformant en tridymite,et le matériau est,immédiatement après,refroidi brusquement à une température inférieure à 870 C, dans la zone de pré-refroidissement.La température régnant dans la zone tampon favorise la transformation du quartz en tridymite Ces caractéristiques, et de nombreuses autres, de liin- vention ressortent de la description suivante de quelques exemples de réalisation illustrés par les figures 1 à 7 des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique dîune installation de traitement complète, selon l'invention d - les figures 2 à 7 montrent chacune une partie de l'installation illustrée à la figure 1, suivant des formes de réalisation différentes L'installation selon la figure 1 comprend quatre échangeurs de chaleur 1, 2, 3 et 4 montés les uns au-dessus des autres et formés par des cyclones, un silo 5 pour le matériau à traitera une chambre de combustion 6, un ventilateur 7 d'amenée d'air froid, deux autres échangeurs de chaleur 8 et-9 en forme de cyclones, une rigole à lit fluidisé 10, un autre ventilateur 11 servant à l'amenée d'air froids un dépoussié- reur 12 et un ventilateur d'extraction des gaz brûlés 13. Les échangeurs de chaleur 1 à 3 forment un dispositif d'échauffement du matériau à préparer et sont traver'jni après l'autre de bas en haut par les gaz chauds (flèches 14) produits dans la chambre de combustion 6, Le matériau à prépa- rer sortant du silo 5 est introduit- dans le courant de gaz chaud affluant à l'échangeur de chaleur 1 et traverse alors, à contre-courant des gaz chauds, dans le sens des flèches 15, successivement les trois échangeurs de chaleur 1, 2 et 3, de sorte qu'il est rapidement échauffé à la température exigée pour l'épuration (de 600 à 1 0000C suivant le matériau). Le matériau échauffé sortant de ltéehangeur de cha -leur 3 est introduit dans le -courant d'air froid provenant du ventilateur 7 et dirigé vers l'échangeur de chaleur 4 qui constitue une zone de pré-refroidissenient. De cette manière, le matériau se refroidit brusquement avant d'être amené, en direction des flèches 16, dans une zone de refroidissement postérieur constituée par les deux échangeurs de chaleur mentionnés 8 et 9. Grâce à l'air froid introduit dans ces échangeurs de chaleur 8 et 9 par le ventilateur 11, le matériau est refroidi à tel point qu'il peut être amené immédiatement après, dans la rigole à lit rluidisé 10, à une température. finale de 40 à 500C, de préférence. L'air déchappement de l'échangeur de chaleur 4 formant la zone de pré-refroidissement est amené en partie (flèche 17) à la chambre de combustion 6 en tant qu'air secondaire. Le reste (flèche 18) est conduit directement à l'échangeur de chaleur 3, situé le plus bas dans le dispositif d'échauffement. Les gaz d'échappement de l'échangeur supérieur. de chaleur 1 (flèche 19), tout comme les gaz d'échappement (flèche 20) de l'échangeur de chaleur 9 de la zone de refroidissement posté- rieur, sont conduits au dépoussiéreur 12, avant d'être refoulés à l'extérieur. Les fines du matériau à préparer séparées dans les échangeurs de chaleur 1 à 3 du dispositif d'échauffement et dans l'échangeur de chaleur 4 de la zone de pré-refroidissement, sont ainsi décantées dans le dépoussiéreur 12. Ces fines peuvent selon la répartition granulométrique souhaitée dans le matériau préparé, soit être de nouveau mélangées au matériau principal préparé, soit être employées à part. L'installation selon la figure 2 comporte une zone tampon calorifugée 21 située entre l'échangeur de chaleur 4 formant la zone de pré-refroidissement et l'échangeur de chaleur 3 raccordé à la conduite d'amenée de gaz chaud (flèche 14) e Le -matériauéchauf4 dans les échangeurs de chaleur 1, 2 et 3 est maintenu un certain temps encore à haute températuré pour favoriser les réactions ou les modifications cristallines, c'est-à-dire qu'il est recuit avant d'entrer dans la zone de pré-refroidissement (échangeur de chaleur 4) où il est refroidi rapidement0 Dans cet exemple de réalisation, l'air d'échappement de l'échangeur de chaleur 4 est conduit à l'échangeur de chaleur 3 (flèche 23) en contournant la zone tampon 21, pour autant que cet air ne soit pas amené, en direction de la flèche 17, à la chambre de combustion 6 et, en direction de la flèche 22, à un autre dispositif, par exemple à un dessic cafteur. La figure 3 montre une modification de l'instal- lation selon la figure 26 La zone tampon 21, prévue dans cette forme de réalisatiqn, entre les échangeurs de chaleur 3 et 4, est formée par un récipient à double paroi,- calorifugé sur sa paroi extérieure, et dont ltespace 24 entre les parois forme un canal d'écoulement pour les gaz chauds qui sont amenés (flèche 25) à l'échangeur de chaleur 3 monté au-dessus. Cet espace -24 entre les parois est raccordé, d'un coté, à une conduite d'amenée de gaz chaud provenant de la chambre de combustion 6 (flèche 26) et, d'un autre côté, à la conduite d'air d'échappement (flèche-27) de l'échangeur de chaleur 4 formant la zone de pré-refroidissement. Pour contraindre ces deux courants de gaz à bien se mélanger, l'espace 24 entré les parois du récipient qui forme la zone-tampon 21 peut être muni de chicanes-et/ou d'ouvertures tangentielles d'entrée de gaz. Le matériau sortant de l'échangeur de chaleur 4 (flèche 28) traverse l'espace intérieur 29 entouré par l'espace 24 entre les parois du recipient à double paroi, et y est soumis au recuit mentionné.Selon les dimensions du récipient formant la zone tampon 21 selon le débit des gaz passant parle récipient et selon le temps de séjour du matériau dans le récipient, la température du matériau dans ce récipient reste stable ou bien s'y élève encore quelque peuO La figure 4 montre une forme de réalisation comportant des dinposltiSs de pulvérisation 30 et 31.Les premiers pulverisent de l'eau de refroidissement-dsns la conduite d'air froid allant du ventilateur 7 à l'échangeur de chaleur 4 (à savoir derrière l'amenée du produit chaud tandis que les dispositifs de pulvérisation 31 introduisent directement de l'eau de refroidissement dans l'échangeur de chaleur 4 formant la zone de prérefroidissement0 De cette manière, on obtient un refroidissement très brusque du matériau échauffé qui est introduits en direction de la flèche 32 > dans la conduite d'air de refroidissement. L'installation représentée sur la figure 5 comporte, en dehors des éléments déjà décrits, un dispositif de dessiccation, constitué par deux cyclones 33 et 34s auquel est amené un matériau préparé par voie humide et/ou un matériau non préparé humide, provenant d'un silo 35 (flèche 36). De l'air dséchappement, en provenant de l'échangeur de chaleur 4 formant la zone de pré-refroidissement, est conduit aux cyclones 33 et 34 du dispositif de dessiccation (flèche 37). Les deux cyclones 33 et 34 sont raccordés en parallèle à la conduite commune d'air de séchage, tandis que le matériau à dessécher traverse l'un après l'autre les deux cyclones0 Conjointement, une part du matériau desséché est amenée (flèche 38) avec le matériau à préparer provenant du silo 5 à l'échangeur de chaeur 1 du dispositif d'échauffement ; le reste.du matériau desséché est conduit à une rigole à lit fluidifié 40 (flèche 39), de sorte qu'immédiatement après, il peut être mélangé, par exemple, avec le matériau principal sortant de la rigole à lit fluidifié 10. Tandis que les gaz d'échappement du dispositif d'échauffement, formé par les échangeurs de chaleur 1, 2 et 3, sont conduits au dépoussiéreur 12, les gaz d'échappement, extraits séparément des cyclones 33 et'34 formant le dispositif de dessiccation, parviennent dans un dépoussiéreur 41 en aval duquel est monté un ventilateur particulier 42. Grâce au dépoussiérrage séparé des deux courants de gaz d'échappement, on obtient des composants séparés de fines, ce qui facilite l'obtention d'une répartition granulométrique déterminée et conforme aux désirs dans le matériau préparé. L'installation selon la figure 6 comporte également un silo 55 pour un matériau préparé par voie humide et/ou un matériau frais humide devant être desséché. Ce matêriau est, cependant, ajeuté, dans cette forme de réalisation dans l'échangeur de chaleur 4, au matériau pré-refroidi amené, en direction de la flèche 16, aux cyclones 8 et 9 de la zone de-retroidis- sement postérieur, La chaleur du matériau principal, qui a seulement subi un refroidissement préalable, dessèche le matériau additionnel humide provenant du silo 35.Dans le cyclone 8 se produit simultanément un mélange intime des deux composants du matériau, grâce à un intense tourbillonnement, L'introduction du matériau à dessécher dans la zone de refroidissement posté rieur zvite de transformations ou des réactions pa le zone tact avec du matériau principal trop chaud. L'installation selon la figure 7 comporte finalement un dispositif de pulvérisation 43 qui pulvérise de l'eau de refroidissement dans le second cyclone 9 de la zone de refroidissement postérieur, pour augmenter l'effet de refroidissement. La quantité de liquide est calculée de telle sorte que la température de de l'air d'échappement de ee cyclone 9 se situe entre 100 et 130 C, de façon à assurer une vaporisation totale du liquide dc refroidissement dans ee cylone 9 et dans le cyclone 8 monté en amont. REVENDICATIONS 1 - Installation de préparation continue de matériaux à grain fin, sous forme conglomérée ou sous forme ncn conglomérée notamment pour l'épuration de vieux sable de fon- derme, munie d'un dispositif d'échauffement du matériau à préparer par des gaz chauds dirigés à contre-courant du maté- riau, ainsi que d'un dispositif de refroidissement subséquent du matériau échauffé, caractérisée en ee qu'on prévoit, pour l'échauffement et le refroidissement du matériau, un dispositif connu en soi composé de plusieurs échangeurs directs de chaleur formés par des cyclones ou des chambres de turbulence, montés les uns au-dessus des autres, reliés par des conduites de gaz et de matériau, et traversés de haut en bas par le ma- t ériau circulant à contre-courant du gaz ascendant, et en ce qu'un échangeur de chaleur au moins, formant une zone de pré- refroidissement et situé à la partie inférieure, est raccordé à une conduite amenée d'air froid, tandis qu'un échangeur de chaleur monté plus haut est raccordé à une conduite d'ame- née de gaz chaud. 2 w Installation selon la revendication 1, earac- térisée en ce quelle comporte au moins un étage de refroidis sement postérieur constitué par des cyclones, des chambres à turbulence et/ou une rigole à lit fluidifié. 3 - Installation selon la revendication 1, carac- térlsée en ce quelle comporte une zone tampon située entre l'échangeur de chaleur formant la zone de pré-refroidissement et l'échangeur de chaleur raccordé à la conduite d'amenée de gaz chaud. 4 - Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que la zone tampon est constituée par un récipient à double paroi, calorifugé sur sa paroi extérieure, et dont l'espace entre les parois constitue un canal d'écoulement pour les gaz chauds amenés à l'échangeur de chaleur monté au-dessus. 5 - Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'espace entre les parois du récipient à double paroi est raccordé d'un côté à une conduite d'amenée de gaz chaud et de l'autre côté à la conduis d'air d'échappement de l'échangeur de chaleur constituant la zone de pré-refroidisse ment et en ce que cet espace présente des chicanes et/ou des ouvertures d ' entre pour le mélange des deux courants gazeux 6 " Installation selon la revendication 12 munie d'au moins un dispositif de dessiccation monté en amont du dispositif d'échauffement, caractérisée en ee que, pour recu- parer les composants sépares des fines,-des dépoussiéreurs de gaz d'échappement distincts sont associés au dispositif d'échauffement et au dispositif de dessiccation 7 - Installation selon la revendication 1, carac- égrisée en ce ce qu elle comporte, pour la dessiccation préalable du matériau à séparer, au moins deux étages de dessiccation constitués de préférence par des cyclones ou des chambres à turbulence, qui sont raccordés en parallèle à une conduite commune d1air de dessiccation et qui sont reliés par des conduites de matériau, de sorte que le matériau passe suc ces sivement par les deux étages de dessiccation. 8 = Procédé d'exploitation dgune installation selon les revendications 1 et 4 pour la séparation de minéraux quartz fères, caractérisé en ce que le matériau est recuit dans la zone tampon à une température supérieure à environ 870 C, le quartz se transformant en tridymite et en ce que ce matériau se refroidit immédiatement après de manière brusque dans la zone de pré-refroidissement2 à une température inférieure à 870 C. 9 - Procédé d'exploitation d'une installation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un liquide réfrigérant est pulvérisé dans la zone de pré-refroidissement et/ou dans -la conduite d'amenée d'air froid-raccordée à la zone de prérefroidissement. 10 - Procédé d'exploitation d'une installation selon la revendication 1, caractérise en ce qu'un matériau séparé par voie humide et/ou un matériau frais humide sont dVabord desséchés et en même temps débarrassés des fines indésirables, en particulier de celles d'une granulation inférieure à 0,02 mm et en ce que au moins une partie de ce matériau des séché est additionnée au matériau à préparer introduit dans le dispositif a' échauffement 11 - Procédé d'exploitation d'une installation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un matériau séparé par voie humide et/ou un matériau -frais humide est ajouté au matériau refroidi brusquement dans la zone de pre-refroidis= sement et qui doit encore être refroidi postérieurement 12 - Procédé d'exploitation d'une installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans une zone de refroidissement postérieur, de préférence dans le deuxième étage de cette dernière, de l'eau de refroidissement est pulvérisée en quantité telle que la température de l'air d'échap pement s'établit entre 100 et 130 C. 13 - Procédé d'exploitation d'une installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit et la vitesse d'écoulement du gaz ascendant ainsi que la quantité de matériau y circulant à contre-courant sont déterminés les uns par rapport aux autres de manière que les particules de maté riau dgune granulation inférieure à 0,05 mm sont entraînées avec le courant de ga:L et décantées immédiatement après