Brevet FR2316200A1 — publié le 19770128

La présente invention concerne un procédé de calcination ou de frittage de matière en vrac, en morceaux ou en grains, en particulier de pierre à chaux, de dolomite ou de magnésite, dans un four à cuve, selon lequel la matière en vrac et le combustible solide hydrocarboné utilisé pour couvrir une portion des besoins thermiques sont introduits par le gueulard et l'air par l'orifice de chargement. Il est connu de calciner ou de fritter une matière en vrac dans un four à cuve dans lequel les besoins thermiques nécessai- res sont couverts par un combustible solide hydrocarboné. Ces combustibles sont de préférence le coke et/ou le charbon de houille qui sont également préférés dans 11 esprit de la présente invention. I1 est connu en outre de remplacer totalement ou partiellement ces matières combustibles solides par des combustibles liquides ou gazeux, en particulier par de l'huile lourde de chauffage ou par du gaz naturel. Lorsqu'on utilise des combustibles solides, on les mélange de façon aussi uniforme que possible avec la matière en vrac à calciner, et on les introduit par le gueulard dans le four à cuve.Etant donné que le coke représente un facteur de prix important, il existe un grand besoin de le remplacer aussi largement que possible par des combustibles liquides ou gazeux, tels que l'huile de chauffage ou le gaz naturel. Toutefois, ces combustibles ne peuvent pas se mélanger à la matière en vrac dans le gueulard pour l'introduction dans le four. En règle générale, il convient de procéder de telle sorte que le gaz combustible ou le combustible liquide, généralement après dégazage, soit mélangé avec une quantité d'air nécessaire à la combustion, et introduit par un brûleur central ou à la périphérie du four à cuve à l'aide de brûleur et de chambres de combustion, dans la colonne de matière en vrac.Dans ce procédé, on ne peut toutefois pas empêcher une surcalcination par surchauffe de la matière à calciner au voisinage du bradeur et un gradient de calcination". Pour éviter ce gradient de calcination, on proposé de réchauffer une portion de l'air nécessaire à la combustion, à l'extérieur du four à cuve, à l'aide d'une flamme brûlant dans ce courant d'air et de l'introduire immédiatement au-dessus de la zone de refroidissement à la périphérie de la cuve, dans la cQ- lonne de matière en vrac. En raison de la teneur en gaz d'échappement des flammes de réchauffement, l'air qui afflue ainsi est pauvre en oxygène et ralentit de ce fait la combustion du coke au voisinage de l'orifice de chargement. Selon ce procédé, on utilise cependant exclusivement ou au moins en majorité que du coke, pour couvrir les besoins thermiques, et l'on ne satisfait pas au besoin de remplacer ce coke autant que possible par un combustible liquide ou gazeux (DT-AS- 1 178 768). lorsqu'on remplace le combustible solide par des combustibles liquides ou gazeux, ceux-ci ne peuvent en pratique être injectés dans le four à cuve que par des brûleurs externes, de telle sorte qu'il se produit dans la zone périphérique la surcalcination déjà signalée précédemment, tandis que dans la zone du coeur de la charge du four, il ne se produit pas de désoxygénation suffisante. Lorsque l'on procède avec un brûleur central, il est nécessaire dans le cas d'une éventuelle réparation rendue nécessaire, d'arrêter le four et de le vider.Lorsqu'on utilise des brûleurs lateraux, il est recommandé, par suite de la profondeur limitée de pénétration des combustibles liquides ou gazeux, d'ajouter le combustible solide à la matière en vrac depuis le gueulard uniquement dans la zone du coeur (DT-OS 1 558 050). Il va de soi qu'un mélange soigneux et localisé de la matière en vrac et du combustible ne peut pas être effectué dans la pratique. En outre, ceci ne peut empêcher les surchauffes au voisinage du brûleur. Pour éviter ces inconvénients, on a proposé des brûleurs disposés dans des plans différents, qui brûlent par àcoups, désignés par "brûleurs à impulsions (DT-OS 2 013 889 et 2 021 860). Ce procédé lui non plus ne convient pas pour parvenir à un profil uniforme de température sur l'ensemble de la section du four.Tous ces procédés, qui fonctionnent en utilisant des combustibles liquides et/ou gazeux, ont en commun que ces combustibles doivent être mélangés avec une quantité d'air suffisante pour la combustion et être introduits dans le four par des brûleurs. Les surchauffes locales et la sur-calcination localisée ne peuvent donc pas être totalement évitées. Il est également connu d'introduire dans la zone de calcination une plus faible portion de combustiblede ougaeux d côté de l'introduction par le brûleur de combustible D-OS 2 429 677). Ceci encore ne peut éviter les inconvénients des brûleurs de combustibles. De plus, il est connu de mélanger les gaz d'échappement avec les gaz de combustion froid et de les introduire dans la zone de calcination du four à cuve. là encore il se produit immédiatement lors de l'introduction dans la zone de calcination, une combustion analogue 9 celle du brûleur, de sorte qu' on n1 évite pas les surchauffes localisées et par conséquent une sur-calcination limitée (DT-PS 944 479). La D!-AS 1 955 499 part d'un procédé selon lequel on introduit l'air de combustion et le combustible gazeux par l'orifice de chargement du four en proportion de mélange telle qu'il ne se produit aucune inflammation à 11 entrée dans le four. Etant donné que dans un tel procédé la zone de calcination se déplace vers le fond du four (voir colonne 4, lignes 63 à 67 de la D!-AS 1 955 499) l'air doit être continuellement introduit et le combustible doit être mélangé en intermittence avec le courant d'air.Si l'on met à part le fait que le mélange en intermittence avec le combustible complique extraordinairement le fonctionnement du four, du fait que les conditions d'insufflation sont constamment variables, la pierre à chaux et la chaux, dans la zone de flammes sont soumises à des conditions constamment variables, et le profil de température se modifie constamment en raison de l'inJection intermittente du combustible dans le four. La présente invention a pour but le fonctionnement d'un four à cuve dans lequel on remplace autant que possible le combustible solide, en particulier le coke, par des combustibles gazeux, en particulier du gaz naturel, de manière à obtenir un profil de température uniforme sur la section du four, et éviter des surchauffes localisées et par conséquent la sur-calcination limitée, La Demanderesse a découvert de façon surprenante que ce problème pouvait entre résolu lorsque, dans le procédé de calcination ou de frittage d'une matière en vrac dans un four à cuve, on introduit la matière en vrac et le combustible hydrocarboné solide, nécessaire pour couvrir une portion du besoin thermique, par le gueulard du four, et l'air par l'orifice de chargement, et on procède de telle sorte que l'on introduit un mélange non combusti ble, à la température régnant au point de 11 injection, constitué par un gaz combustible et un gaz inerte, dans la colonne de matière à la périphérie du four, en dessous de la zone de flammes, à une distance correspondant à au moins 5% de la hauteur totale du four à cuve. On introduit le mélange de gaz combustible et de gaz inerte de préférence au début de la zone froide. De façon appropriée, l'introduction a lieu assez loin en dessous de la zone de flammes, de sorte que le mélange en s'élevant dans le four à cuve, se répartisse à contre-courant par-rapport à la matière en vrac, avant de parvenir à la zone de flammes, essentiellement uniformément sur l'ensemble de la section de la colonne de matière. Il en résulte que le mélange de gaz combustible et de gaz inerte à la périphérie du four, se mélange à l'air introduit par l'orif i- ce de chargement et s'élève à contre-courant par rapport à la matière en vrac dans le four à cuve.La composition du mélange de gaz combustible et de gaz inerte qui est introduit selon l'invention à la périphérie du four dans la colonne de matière est telle qu'il ne se produit pas dtinflammation à l'orifice d'introduction et qu'il y a d'abord un mélange avec l'air introduit par l'orifice de chargement et qui monte dans la cuve. De mime, il ne se produit d'abord aucune inflammation du mélange gazeux, du fait que l'orifice d'introduction est disposé suffisamment profondément et que le gaz combustible est apauvri par le gaz inerte.Bien plus, l'inflammation ne se produit qu'après un mélange total du gaz combustible, du gaz inerte et de l'air, en atteignant la zone de calcination, en raison des températures éle- vées qui y règnent et en raison du fait que le mélange uniforme du mélange gazeux qui s'y produit conduit à une calcination uniforme pour la totalité de la section de la colonne de matière. Des surchauffes localisées ne se produisent donc pas. les fours à cuves habituelles ont une hauteur de 20 à 25 m environ et un diamètre interne d'environ 4 m. Les données indiquées se rapportent à un four de ce genre. Pour l'utilisation de fours qui ont d'autres dimensions et/ou en fonction de la qualité de la pierre à chaux à calciner, des quantités de combustible solide et de la granulométrie de la pierre à chaux, on peut apporter des modifications en ce qui concerne les valeurs préférées indiquées ci-dessus. Les valeurs optimales peuvent être déterminées facilement par l'homme de métier à l'aide de quelques expériences, en prenant en consideration les modes de réalisation de la description et des exemples. Pour des fours de ce genre, il s'est avéré avantageux que le mélange de gaz combustible et de gaz inerte soit introduit de préférence sur au moins 8X, en particulier sur au moins 10%, de préférence sur au plus 25% et en particulier sur au plus 15% de la hauteur totale de la section correspondante du four à cuve en dessous de la zone de flamme. On peut déterminer le début de la zone de flammes de la façon habituelle par des thermo-éléments disposés sur le four. Dans le cas où, pour une raison quelconque, la zone de flammes se déplace de façon indésirable vers le haut ou vers le bas, on peut faire en sorte que le début de la zone de flammes revienne dans le four à la hauteur désirée, en particulier en réglant l'alimentation en gaz combustible. On peut aussi parvenir à cet effet par insufflation d'une quantité d'air froid en plus ou moins grande quantité. lorsque l'on augmente la quantité d'air froid, la zone de flammes dans le four se déplace vers le haut. De préférence, on effectue un préchauffage du mélange de gaz combustible et de gaz inerte avant de l'introduire à la périphérie de la cuve dans la colonne de matière. Il est parti culièrement avantageux d'effectuer le pré-chauffage à environ la même température que le mélange gazeux en ascension dans le four à cuve, qui est composé essentiellement par l'air introduit par l'orifice de chargement, a atteint à l'orifice d'introduction du mélange de gaz combustible et de gaz inerte. De cette façon, on parvient à un mélange rapide et uniforme des différents gaz. Il est possible de mélanger une petite quantité d'air au mélange de gaz combustible et de-gaz inerte, introduit à la périphérie de la cuve dans la colonne de matière, ou d'utiliser un gaz inerte qui ne contient aucune faible porportion d'oxygène. Dans tous les cas, la teneur en oxygène du mélange de gaz combustible et de gaz inerte ne doit pas être suffisamment élevée pour qu il se produise une inflammation immédiatement après l'insufflation dans le four. En général, toutefois, une addition d'oxygène (air) n'est pas nécessaire et, pour éviter de compliquer le procédé, nTest pas non plus appropriée. Si toutefois, en raison de circonstances quelconques, l'air introduit par l'orifice de chargement n'est pas suffisant, ou s'il devient nécessaire de refroidir le mélange de gaz combustible et de gaz inerte, ceci peut être effectué par mélange avec une faible quantité d'air qui ne doit toutefois pas excéder 5% en volume, de préférence moins de 2% en volume par rapport à la quantité de mélange de gaz introduit dans la colonne à la périphérie du four à cuve. D'autre part, il est possible de mélanger l'air introduit à l'orifice de chargement à une faible quantité de gnz combustible insuffisante pour l'inflammation en dessous de la zone de calcination. Il est approprié, selon ce mode de mise en oeuvre que l'air introduit par l'orifice de chargement contienne en mélange au moins 2% en poids environ, de préférence au moins 4% en poids environ, mieux encore environ 5 en poids, mais au plus 18% en poids,de préférence au plus 12% en poids et mieux encore au plus 8% en poids de gaz combustible par rapport au bilan thermique global.En calculant par rapport à la quantité globale de gaz combustible introduit dans le four pour son fonctionnement, on procède de façon appropriée de sorte qu'à l'orifice de chargement, on insuffle au moins 10 environ, de préférence au moins 15 environ, au plus 30% environ, de préférence au plus 25% environ et en particulier environ 20% de gaz combustible par rapport à la quantité globale du gaz combustible. De façon appropriée, la proportion entre le mélange gazeux qui est insufflé à l'orifice de chargement et le mélange gazeux qui, conformément à la présente invention, est introduit en dessous de la zone de flammes à la périphérie de la cuve dans la colonne de matière, est telle que l'on introduise à l'orifice de chargement entre 1,5 et 9 fois, de préférence au moins 6 fois environ et au plus environ 8 fois, la quantité de mélange gazeux qu'à la périphérie du four. En tout cas, la quantité globale d'air ou d'oxygène introduite dans le four à cuve est réglée de sorte que, dans le gaz d'échappement brûlé qui quitte le four à cuve par le gueulard contienne environ 1 à 5% en volume, de préférence 2 à 4% en volume, en particulier environ 3% en volume d'oxygène. Ainsi qu'il sera exposé en particulier ci-après, ce gaz d'éehappement peut entre utilisé avantageusement à titre de gaz inerte au sens de l1in- vention. Le procédé selon la présente invention peut être appliqué à la calcination ou au frittage de matière en vrac, en particulier à la calcination de matières à calciner contenant un carbonate, telles que la pierre à chaux, la dolomite ou la magnésite. Conformément au procédé de la présente invention, il est possible de remplacer le combustible solide par un combustible gazeux jusqu'à une proportion résiduelle de 5 à 30%, la limite inférieure étant de préférence de 10% environ et la limite supérieure étant de 20% environ. On utilise de préférence du gaz naturel à titre de combustible gazeux.Ainsi qu'il a été dit précédemment, pour simplifier le procédé, on introduit autant que possible l'ensemble de l'air nécessaire à la combustion de tout le combustible par l'orifice de chargement. l'autre part, il est approprié d'introduire à la périphérie de la cuve uniquement un mélange de gaz combustible et de gaz inerte. La distribution et la régulation des mélanges gazeux est très simple et ne donne lieu à aucune- difficulté pratique.Il est essentiel que, conformément au procédé de la présente invention, le gaz inerte soit en mélange avec le gaz combustible en une quantité telle qu'aucun mélange inflammable ne soit présent à l'orifice d'idec- tion, et qu'un mélange combustible ne se forme qu'au sein de la colonne de matière par ascension, où débute une calcination uniforme en raison de la température régnant dans la colonne de matière. Si également selon la présente invention, on utilise du gaz naturel en tant que gaz combustible, et en particulier s'il est déjà présent sous forme de gaz et qu'une gazéification n'est pas nécessaire, le procédé selon la présente invention peut aussi entre effectué avec d'autres combustibles gazeux ou des combustibles liquides, si ceux-ci sont gazéifiés et mélangés à un gaz inerte. On utilise de façon particulièrement avantageuse à titre de gaz inerte le gaz d'échappement brûlé qui est émis par le gueulard du four à cuve. Il est alors approprié que le gaz d'échap pement émis par le gueulard soit aspiré en plusieurs points répartis annulairement et conduit par un système de tubulure dans une installation à cyclone. Le système tubulaire utilisé pour les gaz d'échappement a en même temps la fonction d'un refroidisseur de gaz, qui refroidit les gaz à une température par exemple comprise entre environ 120 et 1500C. Après passage dans le dispositif à cyclone, dans lequel se séparent les portions grossières, le gaz d'échappement est introduit par une soufflerie dans un dispositif filtrant.Le gaz d'échappement inerte, purifié, obte-nu à la sortie du dispositif filtrant est alors mélangé dans un dispositif mélangeur de gaz avec le gaz combustible, de préférence du gaz inerte, et injecté sous pression par une canalisation circulaire dans le four à cuve. L'introduction du mélange de gaz dans le four à cuve est effectuée par répartition à la périphérie à l'aide d'un nombre approprié de buses. De ce fait, et contrairement à l'état de la technique, il s'agit non pas de brûleurs mais de buses d'arrivée d'un mélange de gaz non combustible et non inflammable par l'orifice d'entrée. Le gaz d'échappement pauvre en oxygène permet d'introduire une quantité de gaz naturel très importante en mélange avec le gaz d'échappement dans le four, sans qu'il y ait de risques de formation d'un mélange gazeux explosif. Il est possible, bien que généralement cela ne soit pas nécessaire, de disposer plusieurs canalisation circulaires et buses d'injections les unes au dessus des autres. le procédé selon la présente invention permet également de faire fonctionner parfaitement des fours à cuve de plus grands diamètres. Le procédé selon la présente invention permet donc d'une façon simple de mélanger, dans des fours à cuve fonctionnant avec du coke et/ou de la houille, le combustible solide dans une larga mesure avec un gaz combustible, tel que le gaz naturel, de tulle sorte qu'une surchauffe de la matière à calciner ne se produise pas dans le four à cuve. Les fours à cuve fonctionnant avec du coke et/ou de la houille peuvent être transformés de façon simple pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. On évite d'utiliser des brûleurs demandant une surveillance soutenue et sujets aux accidents de fonctionnement. La distribution des quantités d'air, de gaz combustible et de gaz inerte injectées peut être effectuée de façon simple à l'aide de dispositifs habituels de mesure et de régulation.La matière calcinée est obtenue en une qualité extraordinairement uniforme. Le bilan thermique est favorable, entre autre par l'utilisation d'une partie des gaz d'échappement. EXEMPLE On charge un four à cuve ordinaire ayant un diamètre interne d'environ 3,9 m et une hauteur de cuve d'environ 23 m avec de la pierre à chaux dont la granulométrie est comprise entre 90 et 150 mm. La production du four atteint environ 150 tonnes/jour de chaux (calcinée). le bilan thermique du four est divisé selon les proportions suivantes environ 48% de gaz naturel environ 32% de charbon de houille environ 20% de coke 100% On mélange les combustibles solides (houille et coke) avec la pierre à chaux et on charge le four par le gueulard avec ce mélange. A l'orifice de sortie de la chaux, dans le four, on insuffle un mélange d'environ 4300 Nm3/h et 95 NTm3/h de gaz naturel. En outre, on insuffle par une soufflerie latérale supplémentaire, immédiatement au dessus de l'orifice de sortie de la chaux, de l'air frais supplémentaire en quantité d'environ 2000 Nm3/h. A une hauteur d'environ 4,15 m au dessus du socle de béton du four (cette hauteur correspond à environ 18fo de la hauteur totale du four mesurée depuis le début de la cuve), on insuffle par dix orifices qui conduisent circulairement à travers la paroi du four et se terminent à la face interne environ de la ma çonnerie externe, un mélange (éventuellenent réchauffé) de 300 Nm3/h de gaz naturel et d'environ 480 Nm3/h de gaz inerte (gaz d'échappement).Le mélange gazeux de gaz. naturel et de gaz inerte a environ la composition suivante C02 26,2% en volume 02 0,1% en volume CO 1,2% en volume H2 1,2% en volume CH4 22,5% en volume N2 48,8% en volume 100,0 % A cet endroit, il ne se produit aucune inflammation du mélange gazeux introduit, du fait que la température dans le four est trop basse et que le mélange de gaz combustibles avec l'oxygène de l'air injecté à l'orifice de sortie ne se trouve pas encore en quantité suffisante. Le début de la zone de flammes se situe à environ 2,5 m au-dessus de l'orifice d'injection, c'est-à-dire au total à environ 6,7 m au-dessus du socle de béton (début de la cuve). A l'aide de thermoéléments, on détermine l'origine de la zone de flammes. Dans le cas où, pour une raison quelconque, la zone de flammes se déplace, de façon indésirable, vers le bas et vient trop près de l'orifice d'injection, il est possible, par étranglement de l'arrivée de gaz de déplacer la zone de flammes vers le haut à la hauteur désirée. On peut aussi parvenir à cet effet en insufflant une plus grande quantité d'air froid. Toutefois, on effectue le réglage de telle sorte que le mélange ne commence à brûler à l'origine de la zone de flammes que par mélange uniforme de l'air, du gaz combustible et du gaz inerte essentiellement selon la section globale du four. La chaux calcinée présente des propriétés remarquables, la teneur en C02 résiduel atteint environ 1,2 % en poids, la valeur de tu 80' d'après la courbe de lixiviation de grains grossiers est d'environ 5,3 minutes (déterminée conformément à la presaiption d'essai, feuille de travail NO 5 de l'Association de l'industrie Allemande de la Chaux). REVENDICATIONS 1. Procédé de calcination ou de frittage de matière en vrac dans un four à cuve, dans lequel on introduit par le gueulard la matière en vrac et une portion de combustible solide hydrocarboné utilisée pour couvrir une partie des besoins thermiques de l'air par l'orifice de chargement, caractérisé en ce que l'on introduit dans la colonne de matière, à la périphérie de la cuve du four et à une distance correspondant à au moins 5 96 de la hauteur totale de la cuve du four, en dessous de la zone de flammes, un mélange de gaz combustible et de gaz inerte, non inflammable à la température de l'orifice d'alimentation. 2. Procédé sion la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit le mélange de gaz combustible et de gaz inerte au début de la zone de refroidissement. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on introduit le mélange de gaz combustible et de gaz inerte à une distance en dessous de la zone de flammes, telle qu'avant d'atteindre la zone d flammes il se trouve réparti uniformément sur la totalité de la section de colonne de matière. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on introduit le mélange de gaz combustible et de gaz inerte à une distance en dessous de la zone d'inflammation correspondant, de préférence à au moins à 8 %, particulièrement à au moins 10 %, de préférence à au plus de 25 %, particulièrement à au plus de 15 % de la hauteur totale de la cuve du four. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on préchauffe le mélange de gaz combustible et de gaz inerte. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le mélange gazeux introduit à la périphérie de la cuve est environ à la même température que le mélange gazeux qui se trouve dans le four à l'orifice d'alimentation. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mélange de gaz combustible et de gaz inerte contient en mélange une faible quantité d'air, insuffisante pour l'inflammation du mélange. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'air introduit en mélange à l'orifice de chargement contient au moins environ 2 % en poids, de préférence au moins environ 4 % en poids, en particulier au mins environ 5 % en poids, mais au plus 18 ffi en poids, de préférence au plus 12 % en poids, en particulier au plus 8 % en poids gaz combustible par rapport au bilan thermique globale lu four. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on insuffle à l'orifice de chargment au moins environ 10 %, de préférence au moins environ 15 %, au plus environ 30 %, de préférence au plus environ 25 %, particulièrement environ 20 % de gaz combustible par rapport à la quantité globale de gaz combustible. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on introduit à l'orifice de chargement entre 1,5 et 9 fois, de préférence au moins environ 6 fois et au plus environ 8 fois la quantité de mélange gazeux qu'à la périphérie du four.