Brevet FR2126388A1 — publié le 19721006

La présente invention concerne des procédés et un appareil de transmission de chaleur entre-une matière en poudre et un gaz. Elle s'applique tout particulièrement au préchauffage du mélange brut destiné à la formation de ciment par cuis-5 son donnant un clinker dans un four de cuisson, par échange thermique avec les gaz évacués par le four, mais elle peut aussi s'appliquer au chauffage d'autres matières et/refroidis-sement de matières^en poudre, par exemple du ciment évacué d'un broyeur ou d'alumine évacuée d'un four rotatif. 10 On sait que si un gaz- ascendant remonte dans une cham bre par un orifice relativement petit, avec une vitesse suffisamment élevée, il se forme des tourbillons dans la chambre après le passage du gaz par l'orifice. L'invention met en oeuvre ce fait. 15 L'invention concerne un procédé d'échange thermique en tre une matière en poudre et un courant de gaz, la matière pénétrant à une extrémité d'un canal incliné suivant sa longueur et comportant un orifice longitudinal dans sa partie inférieure, le gaz remontant par l'orifice du canal avec une vi-20 tesse telle qu'il se forme des tourbillons au-dessus de l'orifice, ces tourbillons entraînant l'essentiel de la matière et descendant le long du canal incliné. Un angle de 15- pour l'inclinaison du canal suffit normalement pour assurer la descente des tourbillons le long du canal. L'échange thermi-25 que dans ces tourbillons est intense. Certaines particules ne sont pas entraînées par les tourbillons, de manière -inévitable, et la vitesse du gaz ascendant doit être suffisamment élevée pour que les particules remontent en étant entraînées par les gaz et ne descendent pas 30 par l'orifice du canal, à contre-courant par rapport aux gaz, car il est en général souhaitable et il peut même être essentiel que toutes les particules, sauf une petite quantité entraînée par les gaz, atteignent l'extrémité inférieure du canal . y inferieure 35 Lorsqu'ils atteignent 1'extrémité/du canal, les tour billons sont détruits et les particules précipitent. La destruction des tourbillons peut être assurée de la façon la plus simple par choc contre une paroi verticale. Le déplacement 72 06267 2 2126388 ultérieur des particules précipitées dépend de la nature de l'opération (chauffege ou refroidissement),ainsi aue de la construction de l'appareil dans lequel est réalisée l'opération. La longueur du canal peut être réduite par mise en 5 place de deux ou plusieurs canaux côte à côte. Selon une caractéristique importante de l'invention, le procédé est répétitif, car les gaz, après leur passage par l'orifice inférieur d'un canal (ou par les orifices inférieurs d'un jeu' de canaux montés côte a côte) remontent par l'orifice 10 inférieur d'un autre canal (ou d'un autre- jeu. de canaux) placé au-dessus du premier canal, les matières transportées par déplaeemént des tourbillons dans le canal supérieur étant précipitées à l'extrémité inférieur du canal et introduites à l'extrémité supérieure du canal inférieur. Cette alimentation T5 peut être assurée par passage des tourbillons de l'extrémité inférieure du canal dans une chambre qui communique directement avec l'extrémité supérieure du canal suivant, les tourbillons étant détruits dans la chambre, essentiellement lorsqu'ils heurtent une paroi. L'introduction à l'extrémité supé-20 rieure d'un canal inférieur peut cependant être aussi effectuée par descente des particules par l'orifice inférieur à l'extrémité du canal. Une telle descente a lieu si le canal aboutit à une paroi verticale qui détruit les tourbillons, car il se forme un nuage de particules à l'extrémité du canal, 25 avec une densité telle que les particules descendent malgré le courant ascendant de gaz. Le cas échéant, on peut accroître la largeur de l'orifice inférieur d'une faible valeur à l'extrémité inférieure du canal de manière que la vitesse ascendante des gai, soit localement réduite. 30 Dans le cas particulier d'un préchauffeur d'un mélange brut destiné à la préparation du cimenty on peut disposer une série de canaux l'un au-dessus de l'autre, dans une cuve verticale, de manière que le mélange brut rencontre les gaz plusieurs fois au cours du procédé d'échange thermique, la tempé-35 rature des gaz étant cependant supérieure à chaque rencontre, lorsque la matière descend d'un étage à-1 ' autre . Dans son ensemble, le procédé implique un échange thermique progressif à contre-courant, l'échange thermique dans çhaqjie canal indivi 72-06267 3 2126388 duel pouvant être considéré comme un échange à contre-courant. L'échange total est excellent. On peut avantageusement disposer les eanaux les uns au-dessus des autres en zig-zag de manière que les tourbillons, 5 lorsqu'ils parviennent à l'extrémité d'un canal, pénètrent dans le suivant, et s'écoulent en sens opposé dans celui-ci. Dans une installation de cuisson de ciment, le volume et la vitesse des gaz quittant le four dépendent essentiellement du débit, et on doit prévoir un préehaufïear en fonction de ces 10 facteurs. Plus précisément, il faut donner à l'orifice inférieur des canaux la largeur appropriée. De manière générale, la vitesse des gaz lorsqu'ils passent par l'orifice inférieur peut être comprise entre 3 et 12 m/s, essentiellement suivant la nature des particules» 15 En particulier, lorsqu'on applique l^invention au re froidissement de matières en poudre, il peut être avantageux de disposer deux ou plusieurs canaux en ligne, l'extrémité inférieure du premier se trouvant au-dessus de l'extrémité supérieure du second et ainsi de suite» Lb meilleure disposition 20 dépend en partie de l'utilisation la plus appropriée de l'espace disponible. L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur destiné à la mise en oeuvre du procédé de l'invention et comprenant un boîtier ayant une entrée et une sortie pour un courant 25 de gaz et comportant à l'intérieur un canal incliné dans le sens longitudinal et comportant un orifice inférieur, le canal étant disposé de manière que le courant de gaz doive passer par l'orifice en remontant de l'entrée à la sortie, le boîtier comprenant un dispositif d'introduction de matières en poudre 30 dans le canal incliné et un dispositif de retrait de la matière en poudre du canal. Dans un exemple d'échangeur de chaleur convenant particulièrement au préchauffage du mélange brut d'un ciment avant la cuisson dans un four comprend une cuve verticale ou prati-35 quement verticale ayant à son extrémité inférieure une entrée de gaz et à son extrémité supérieure une sortie de gaz, un, deux ou plusieurs canaux disposés cote à cote et inclinés lon-gitudinalement, comportant un étroit orifiee longitudinal infé 72 06267 4 2Ï26388 rieur,et étant disposés transversalement,^ "bien que le gaz remontant dans la cuve doit passer par le ou les orifices. De plus, la cuve comprend une entrée de matière disposée à l'extrémité supérieure du ou des canaux et une sortie dispo-5 sée à l'extrémité inférieure, cette entrée et cette sortie étant réalisées de manière à empêcher que le gaz circule à côté du ou des canaux. Une variante d1échangeur qu'on peut utiliser comme refroidisseur de ciment dans une installation de broyage, com-10 prend un boîtier allongé dans le sens horizontal et comprenant intérieurement un canal incliné en direction longitudinale et disposé transversalement au boîtier, le canal ayant un étroit orifice longitudinal inférieur, si bien que l'air atmosphérique de refroidissement circulant dans le boîtier doit passer 15 par l'orifice, l'air de refroidissement pénétrant dans le boîtier par une ou plusieurs entrées placées au fond du boîtier et le quittant par un orifice disposé à la partie supérieure. L^appareil peut comprendre deux ou plusieurs canaux disposés côte à côte. 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente une partie d'une installation de préchauffage et de cuisson d'un mélange brut de ciment, le 25 préchauffeur étant représenté en coupe verticale ; la figure 2 est une coupe du préchauffeur suivant la ligne II-II de la figure 1 ; la figure 3 est une coupe à grande échelle suivant la ligne III-III de la figure 1 ; 30 la figure 4 est une coupe analogue à celle de la figu re 3 d'une variante de préchauffeur ; la figure 5 est analogue à la figure 1 mais montre une autre variante ; la figure 6 est une coupe suivant la ligne VI-VI de la 35 figure 5 ; la figure 7 est une élévation latérale en coupe partielle du dispositif de refroidissement ; 72 06267 5 2Î26388 la figure 8 est une coupe suivant la ligne YIII-VTII de la figure 5, à grande échelle ; la figure 9 est une élévation latérale d'une partie d'un dispositif de refroidissement, à la même échelle que la 5 figure 6 ; et la figure 10 réprésente une partie d'une installation comprenant deux dispositifs de refroidissement du type représenté sur la figure 5, montés en série. La figure 1 représente un appareil de préchauffage d'un 10 mélange brut de ciment et d'introduction de celui-ci à l'extrémité supérieure d'un four rotatif légèrement incliné. Les gaz chauds provenant du four passent par une tuyauterie 2 et parviennent à un préchauffevr 3. Dans celui-ci, les gaz donnent leur chaleur au mélange brut qui est ensuite cuit sous 15 forme d'un clinker dans le four et sont eux-mêmes refroidis. Les gaz quittent le préchauffeur 3 à son extrémité supérieure par une tuyauterie 4 rejoignant un cyclone 5 dans lequel est précipité le mélange brut entraîné. Une tuyauterie 6 prélève les gaz du cyclone 5 du cSté de l'aspiration d'un ventilateur 20 7 dont le refoulement est relié par une tuyauterie 8 à l'entrée d'un .précipitateur électrostatique 9 de poussière. Une tuyauterie 10 relie l'extrémité de sortie du précipitateur de poussière à une cheminée non représentée par laquelle les gaz s'échappent dans l'atmosphère. 25 Le 'préchauffeur comprend essentiellement un étroit car ter de section rectangulaire comportant, deux parois principales parallèles 23 et 24 et deux parois latérales relativement étroites. Les parois principales 22 et 23 sont reliées par quatre canaux 16, 17, 18 et 19 tous inclinés et disposés en zig-zag 30 comme représenté. Chaque canal comprend deux parois latérales inclinées vers l'intérieur et vers le bas 26 et 27, qui aboutissent à des flasques verticaux 28 et 29 qui délimitent un orifice continu 30 à la partie inférieure de chaque canal. Chaque canal est ouvert à son extrémité supérieure, si bien 35 que les gaz remontant par l'orifice 30" de l'un des canaux re-.montent dans.le carter et passent par l'orifice 30 du canal suivant, ou du canal 16 à la tuyauterie 4. 72 06267 6 2126388 Une petite chambre 14 dépassant d'une paroi latérale du carter est disposée à chaque extrémité de chaque canal. Chaque chambre 14 comprend un orifice 25 de sortie commandé par un dispositif 15 d'étanehéité qui permet le passage du mélange 5 brut mais non des gaz. Ce dispositif 15 est un clapet pivotant chargé par un contrepoids qui pivote sous le poids du mélange brut mais qui empêche le passage des gaz, le clapet fermant alors l'orifice 25. Le mélange brut destiné à être préchauffé pénètre par 10 une trémie -11 qui débouche dans la chambre supérieure 14. Une tuyauterie 13 fait passer le mélange précipité dans le cyclone 5 dans la même chambre et les matières combinées passent dans le canal 16. En pénétrant dans celui-ci, les particules du mélange sont immédiatement entraînées par les gaz remontant par 15 l'orifice inférieur 30 et elles sont mises en suspension dans des tourbillons qui se forment au-dessus de l'orifice comme représenté par la figure 4.. Du fait de l'inclinaison du canal, le^4ourbillans descendent de l'extrémité supérieure à l'extrémité inférieure du canal et, au cours de ce déplacement , est 20 l'échangé thermique/ intense entre les gaz chauds et le mélange brut qui est plus froid. Lorsque le tourbillon atteint la chambre 14 suivante, il est détruit et le mélange brut est précipité dans la chambre. Il pénètre ensuite dans les canaux 17, 18 et 19 où le procédé se répète, jusqu'à ce qu'il atteigne 25 la chambre inférieure 14 à partir de laquelle il s'écoule par une tuyauterie 20 dans le four 1. La poussière précipitée dans le précipitateur 9 pénètre dans un transporteur 21 à vis qui la transporte par déplacement alternativement dans un sens et dans un autre à une tuyauterie 30 22 par laquelle elle peut revenir au four rotatif ou à partir de laquelle on peut la récupérer en vue d'une autre utilisation, par exemple comme engrais. On peut accroître la capacité de l'appareil en élargissant le carter et en doublant chaque canal, comme représenté 35 sur la figure 4, qui représente clairement les tourbillons 36 et 37. Le préchauffeur des figures 5 et 6 ressemble tellement à celui des figures 1 et 2 qut^ la plupart des références sont 72 06267 7 2126388 les mêmes. La première variante et la plus importante concerne les chambres 14 qui relient les canaux 16 et 17, 17 et 18 et 18 et 19, qui ont été supprimées. Chacun des canaux 16 à 18 aboutit maintenant à une paroi-.verticale du préehsuffeur 5 3. En conséquence, les tourbillons qui descendent dans ces trois canaux se détruisent lorsqu'ils heurtent la paroi verticale , en formant des nuages denses comme décrit précédemment, et ils descendent par l'orifiee inférieur de. chacun des canaux jusqu'au canal qui se trouve au-dessous. Les parois latérales 10 verticales du préchauffeur 3 sont donc continues de leur partie supérieure à leur partie inférieure, mise à part la sortie 25 de la chambre 14 par laquelle la matière brute pénètre dans le canal 16 et un orifice par lequel la matière préchauffée quitte le canal 19. 15 La figure 5 représente une seconde variante, la matière brute nouvelle pénétrant par une trémie 11 et une tuyauterie 12 dans la tuyauterie 4 où elle est entraînée par les gaz ascendants et transportée dans le cyclone 5.Ainsi, la matière brute reçoit de la chaleur des gaz qui circulent dans la tuyau-20 terie 4. Evidemment,, le cyclone 5 doit assurer au maximum la séparation de la matière brute et des particules entraînées par les gaz, en ne laissant .que la poussière s'échapper dans le précipitateur 9- Pour :éviter que les gaz ne remontent par la tuyauterie 12, on dispose dans celle-ci un distributeur ro-25 tatif 39 ou un dispositif équivalent. Une troisième variante apparaissant sur la figure 5 est la modification de la forme du raccord entre l'extrémité supérieure du.four 1 et 1?extrémité inférieure du préchauffeur, ce raccord portant la référence 38 et guidant avantageusement les 30 gaz du four dans le préchauffeur. Naturellement, on peut utiliser l'une quelconque de ces trois variantes des figures 5 et 6 sans"les autres. On se réfère maintenant aux figures 7 à 9 qui représentent un appareil comprenant un canal unique disposé entre les 35 parois latérales verticales 40 et 41 aboutissant à des parois inclinées 42 et 43 qui aboutissent elles-mêmes à des flasques verticaux 44 et 45. La partie supérieure du canal est fermée par un couvercle 46. Un espace,délimité par les parois inclinée 72 06267 s 2126388 vers le bas et vers 1'extérieur 47 et 48 et une plaque inférieure 49, est disposé au-dessous du canal, et il est divisé en compartiments séparés par des cloisons 50. Chacun de ces compartiments reçoit de l'air par une tuyauterie 54, toutes ces 5 tuyauteries 54 étant raccordées à un conduit d'alimentation 55 relié au refoulement d'un ventilateur 56. Ce dernier aspire lrair de l'atmosphère par son aspiration 57. L'air est alors distribué en direction verticale par le fond du canal, dont les extrémités sont fermées par des plaques 51 et 52. La tota-10 lité de l'air s'échappe par un orifice de sortie 62. La matière à refroidir est introduite par une tuyauterie 58 commandée par un distributeur rotatif 59 ou un dispositif analogue, et la matière refroidie sort par un orifice 60 commandé par un distributeur rotatif analogue 61. 15 Pour le refroidissement de l'alumine en particulier, il est avantageux de placer de tels dispositifs 63 et 64 de refroidissement en série, comme représenté sur la figure 10. La sortie du refroidisseur 63 est reliée par une tuyauterie 65 à l'entrée du refroidisseur 64. Un ventilateur 66 fournit de 20 l'air au refroidisseur 64 et l'air quittant celui-ci passe par une tuyauterie 67 et parvient à un cyclone 68 dans lequel la matière solide qui peut avoir été mise en suspension dans l'air est précipitée et recueillie. L'air quittant le cyclone 68 passe par une tuyauterie 69 vers l'aspiration du ventila-25 teur 70, et il est distribué par ce dernier dans le refroidis-seur 63 que l'air quitte par une tuyauterie 71. La matière à refroidir pénètre évidemment dans le refroidisseur 63 par une tuyauterie 58 et elle quitte l'appareil par le refroidisseur 64 et une tuyauterie 60. 30 II est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. 72 06267 9 2126388 REVENDICATIONS 1. Procédé d'échange thermique entre une matière en poudre et un courant de gaz, caractérisé en ce que la matière est introduite à une extrémité d'un canal incliné en direction 5 longitudinale et comportant un orifice longitudinal à sa partie inférieure, le gaz remontant par l'orifice du canal à une vitesse telle qu'il provoque la formation de tourbillons au-dessus de l'orifice, les tourbillons entraînant l'essentiel de la matière et se déplaçant le long du canal incliné. 10 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de gaz remonte par l'orifice inférieur de deux canaux parallèles inclinés au moins, disposés côte a côte-. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le courant de gaz, après son passage dans 15 l'orifice inférieur d'un canal (ou par les orifices inférieurs dTun jeu de canaux disposés côte à côte), remonte par l'orifice (ou les orifices) d'un autre canal (ou d'un autre jeu de canaux) placé au-dessus du premier canal (ou du premier jeu de canaux), la matière descendant lors de la descente de tour— 20 billons dans le canal (ou le jeu de canaux) supérieur, quittant l'extrémité inférieure de ce canal (ou ce jeu de canaux) et pénétrant à l'extrémité supérieure du canal (ou du jeu de canaux) placé au-dessous. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce 25 que le canal(ou le jeu de canaux) supérieur a une inclinaison longitudinale inverse de celle du canal (ou du jeu de canaux) placé au-dessous. 5» Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière en poudre est un mélange 30 brut destiné à être cuit sous forme d'un clinker de ciment dans un foUr de cuisson de ciment, le courant de gaz étant formé par les gaz évacués du four, l'échange thermique dans les tourbillons ayant lieu entre les gaz et le mélange brut qui est préchauffé avant la cuisson, les gaz étant eux-mêmes re-35 froidis. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2,' caractérisé en ce que la matière en poudre est un produit pulvérulent obtenu dans un four rotatif, le gaz étant de l'air at 72 06267 10 2126388 mosphérique, la matière pulvérulentq^tant refroidie et l'air chauffé. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la matière en poudre est du ciment éva- 5 cué d'un broyeur, le gaz étant de l'air atmosphérique, le ciment en poudre étant refroidi et l'air chauffé. 8. Echangeur de chaleur, notamment destiné à la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des re- , en vendications 1 à 7 caractérisé/ce qu'il comprend un boîtier 10 comportant une entrée et une sortie pour un courant de gaz, le boîtier comportant de plus dans sa partie intérieure un .canal incliné en direction longitudinale et comportant un orifice inférieur longitudinal, ledit canal étant disposé de manière que le courant de gaz remonte de l'entrée à la sortie 15 en passant par l'orifice, le boîtier comprenant un dispositif d'introduction de matières en poudre dans le canal incliné et un dispositif de retrait de matières en poudre du canal. 9. Echangeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le canal incliné a des parois latérales qui convergent 20 vers le bas, vers l'orifice inférieur. 10. Echangeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deux bords de l'orifice inférieur du canal incliné sont dirigés vers le bas en formant un clapet vertical séparé. 11. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 25 8 à 10, caractérisé en ce qu'il est destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2 et en ce que le boîtier comprend deux ou plusieurs canaux parallèles disposés côte à côte. 12. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 30 8 à 11, caractérisé en ce qu'il est destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3 et en ce que la cuve comprend deux ou plusieurs canaux (ou jeux de canaux) placés côte à côte, disposés les uns au-dessus des autres, les canaux (ou jeux de canaux) alternés étant inclinés en sens opposé de 35 manière que la matière en poudre passe commodément de l'extrémité inférieure d'un canal (ou d'un jeu de canaux) à l'extrémité supérieure du canal (ou du jeu de canaux) placé au-dessous. 72 06267 n 2126388 13. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif formé de clapets pivotants empêchant le courant de gaz de passer à côté de l'orifice du canal. 5 14. Echangeur selon.l'une quelconque des revendica tions 8 à 13, caractérisé en ce que le boîtier est une cuve pratiquement verticale, l'entrée de gaz étant à l'extrémité inférieure de la cuve et la sortie à l'extrémité supérieure. 15. Echangeui^selon l'une quelconque des revendications 10 8 à 11, caractérisé en ce que le boîtier est allongé dans le sens horizontal et comprend une ou plusieurs entrées d'introduction de gaz à sa partie inférieure. 16. Installation de cuisson de mélange brut destiné à former un clinker de ciment, caractérisée en- ce qu'elle com- 15 prend un échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, utilisé comme préchauffeur du mélange brut, un four rotatif incliné dans lequel a lieu la cuisson, une tuyauterie par laquelle les gaz évacués par le four.rotatif passent à l'extrémité inférieure du préchauffeur de mélange 20 brut, une tuyauterie de sortie destinée au passage des gaz du préchauffeur à l'atmosphère, un dispositif destiné à maintenir le débit de gaz dans le four et le préchauffeur, un dispositif destiné à introduire le mélange brut froid dans le préchauffeur et un dispositif destiné à introduire le mélange brut 25 préchauffé du préchauffeur à l'extrémité supérieure du four rotatif incliné. 17. Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce que les gaz quittant le préchauffeur pénètrent dans un précipitateur de poussière avant de passer à l'atmosphère. 30 18. Installation de cuisson d'un mélange brut destiné à la formation- d'un clinker de ciment, caractérisé en ce qu'elle comprend un échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, 1'échangeur étant utilisé comme re-froidisseur de clinker, une entrée d'air atmosphérique cons-35 tituant le gaz d'échange de chaleur du réf.roidisseur, et une sortie destinée au retrait de l'air chauffé du refroidisseur.