Brevet FR2392343A1 — publié le 19781222

L'invention est relative à un procédé due pré-chauffage de matières minéra- les destinées à être ultérieurement cuites à haute température. Elle est applicable à la cuisson de minerais métalliques, céramiques, etc et plus particulièrement à la fabrication du clinker de ciment. L'invention concerne en outre une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. La cuisson des crus pour la fabrication du ciment s'opère de façon connue à contre-courant dans des fours rotatifs à des températures élevées de l'or dre de 1 350 à 15000. Cette cuisson provoque l'exhaure de fumées à des températures de l'ordre de 800 à 1 1000 que l'on utilise généralement pour sécher et préchauffer la matière première et améliorer ainsi le bilan thermique de l'installation. On cannait plusieurs systèmes de-pré-chauffage des crus selon que la ma- tière première à traiter est sous forme granuleuse ou pulvérulente. Lorsque l'on a recours à des matières zresères-sous forme de granulés, on utilise le système des grilles Lepol, ou un four long équipé d'échangeurs thermiques internes tels qu'e des croisillons, chaînes ou releveurs. L'inconvénient est que, pour obtenir des granulés, il faut mouiller la matière première préalablement broyée et homogénéisée, c'est-à-dire qu'il faudra dépenser de l'énergie supplémentaire pour éliminer cette eau. On utilise donc de préférence une matièreàrihcufier sous forme pulvérulente ou plus exactement sous forme de farines. Le préchauffage de ces farines s'effectue dans des préchauffeurs constitués par une pluralité d'échangeurs à équicourant séparés par des étranglements turbulents ou des cyclones. Ces échangeurs présentent un grand nombre d'inconvénients Ils nécessitent la construction de tours onéreuses en génie civil et en chaudronnerie. Afin d'assurer la mise en suspension des farines, il est nécessaire d'imprimer aux gaz chauds sortant du four une très grande vitesse de l'ordre de 25 à 27 m/s et donc de disposer de moyens d'aspiration puissants et coûteux en énergie. Cette grande vitesse des gaz est elle-même génératrice d'un certain nombre d'inconvénients - fort-entraînement des fines et création de circuits fermés dans les cyclones, - précalcination uniquement possible avec des combustibles à combustion vive donc coûteux. En outre, ces échangeurs sont d'une utilisation peu souple. En effet, ils sont construits pour traiter un type de minerai déterminé avec un rapport massique gaz/farine qui est fonction de la teneur en eau dudit minerai. Il en résulte une grande rigidité des conditions de marche de ces appareils, qui interdit les variations importantes du rapport massique gaz/farine et en particulier l'ajustement du débit calorifique des gaz à des teneurs en eau sensiblement différentes du minerai à traiter. enfin, le principal inconvénient des pré-chauffeurs connus est la formation de concrétions qui perturbent leur fonctionnement et occasionnent des frais de surveillance élevés. Ces concrétions sont dues aux composés volatils , tels que alcalis, sulfates, chlorures et composés complexes de ces produits qui se dégagent lors de la cuisson des farines dans le four. Ils présentent des points de fusion dans la zone des températures comprise entre 800 et 1 1000, qui est précisément la gamme des températures d'exhaure des gaz du four qui les transportent. Il en résulte des collages sur les parois des échangeurs et dans le four, collages qui peuvent provoquer des bouchages d'où la nécessité d'arreter les installations pour éliminer les concrétions. Un des remèdes est de procéder à des soutirages de ces composés. Mais, dans les échangeurs conventionnels, on ne peut pratiquer ces soutirages au-delà de 3Cffi > ó car on modifie trop sensiblement le rapport gaz/farine dans l'échangeur et la mise en suspension ne se fait plus. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de procurer un procédé et une installation de préchauffage, simple, peu conteuse à construire, souple d'utilisation, susceptible de s'adapter facilement à des installations existantes et éliminant de façon substantielle la formation des concrétions. Ce résultat est obtenu par le procédé de préchauffage selon l'invention dans lequel on introduit les farines dans un échangeur rotatif indépendant du four de clinkérisation, on soumet lesdites farines à un brassage dans l'échangeur par des moyens mécaniques et l'on fait passer à faible vitesse à travers l'échangeur un courant de gaz chauds en provenance du four à contrecourant des farines. Selon un mode opératoire préféré, le procédé de préchauffage selon l'invention est en outre caractérisé en ce que l'on fait varier la vitesse de rotation de l'échangeur selon l'intensité d'échange thermique gaz/matiè re désiré en fonction de la teneur en eau des farines. Selon une autre caractéristique préférée de l'invention, on réalise une précalcination de la farine en introduisant dans l'échangeur au niveau de l'ouverture d'entrée des gaz des matériaux à combustion lente. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé en ce que. l'échangeur rotatif est constitué par une enceinte tournant sur son axe et comportantà chacune de ses extrémités une sortie de section rétrécie. Selon une deuxième caractéristique préférentielle, l'enceinte du préchouffeur est munie de dispositifs internes de relevage mécanique de la farine. Selon une troisième caractéristique préférentielle, l'enceinte du prëchauffeur est un cylindre. Selon une quatrième caractéristique préférentielle, les moyens de relevage sont des releveurs plans disposés selon la tangente des génératrices du cylindre. Selon une cinquième caractéristique préférentielle, la section de sortie des gaz est plus faible que la section de sortie des farines de telle sorte que, compte tenu de la longueur de 11 appareil, la ligne qui joint le point inférieur de chaque sortie fasse avec l'horizontale un angle au moins égal à la pente du talus naturel d'éboulement de la farine en mouvement. Selon une sixième caractéristique préférentielle, la section de l'extrémité de sortie des farines est déterminé en fonction de la longueur de l'enceinte de-telle sorte que le temps de séjour de la farine dans l'enceinte soit égal à environ 80 de celui de son transit dans le four. Selonune septième caractéristique préférentielle, les releveurs sont au nombre de six et inclinés à QOO dans le sens de rotation de l'échangeur. Selon une huitième caractéristique préférentielle, on dispose entre le four et l'échangeur une boîte à fumées munie d'un dispositif de soutirage des fumées et des poussières. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'exemples préférentiels non limitatifs de réalisation de l'invention avec référence au dessin annexé dans leque 1 - La figure 1 est une vue schématique d'un premier exemple de réalisation d'une installation de cuisson comportant un préchauffeur conforme à l'invention, - La figure 2 est une vue schématique du préchauffeur montré à la figure 1, - La figure 3 est une vue selon la coupe II-II de la figure 2, - La figure 4 est une vue schématique d'un deuxième exemple de réalisation d'une installation de cuisson comportant un préchauffeur selon l'invention, - - La figure 5 est une vue schématique d'un troisième exemple de réali- sation d'une installation de cuisson comportant un préchauffeur selon l'invention, et - La figure 6 est une vue schématique d'un quatrième exemple de réalisatioh d'une installation de cuisson comportant un préchauffeur selon l'invention. Selon un premier exemple de réalisation de L'invention illustré aux figures 1, 2 et 3, l'installation de cuisson comporte un four 1, une bote à fumées 2 raccordée à l'extrémité de sortie des gaz chauds du four, un conduit 4 reliant ladite boîte à fumées à l'ouverture 5 de sortie de la farine d'un échangeur rotatif 3. Ltautre extrémité 6 de l'échangeur est reliée à une goulotte d'alimentation 7 en provenance de l'atelier de préparation des farines (non représenté). Le four 1 est un four rotatif conventionnel dans lequel les matières premières sont cuites à contrecourant d'une flamme à des températures de l'ordre de 1 4500 avec un dégagement de gaz chauds à des températures d'exhaure de 8000 à 1 1000. La boite-à fumées2 comporte de préférence une trappe-9 pour l'extraction des poussières. L'échangeur 3 est une enceinte comportant deux ouvertures d'extrémité de section rétrécie 5 et 6. Dans l'exemple représenté, l'enceinte 3 est un cylindre muni de deux extrémités rétrécies en forme de cône. De préférence, le rapport de la section de l'ouverture de sortie des farines5 à la longueur du cylindre est tel que le temps de séjour des farines dans l'échangeur sera égal à environ 8O; de celui de son transit dans le four. Ce rapport détermine en effet le taux du remplissage de l'échangeur et par conséquent celui du four. A proximité immédiate de l'extrémité de sortie des farines 5, est disposée une~goulotte 10 qui achemine les farines préchauffées directement dans le four. A cette sortie 5 des farines, est en outre disposée une buse 13 d'alimentation en combustible de précalcination. A l'intérieur de l'échangeur, sont disposés des moyens de relevage des farines tels que des releveurs 11 (figure 3) disposés sur la tangente des génératrices du cylindre. Lesdits releveurs sont de préférence incli -nés dans le sens de rotation de l'échangeur. Selon un mode de réalisation avantageux, on dispose six releveurs inclinés à 600. La hauteur des releveurs 8 est de préférence déterminée par la section de-l'ouverture de sortie des gaz 6. Selon une disposition particulièrement avantageuse, l'intérieur de l'enceinte 3 est revêtu d'une couche de matériau réfractaire 12 dont l'épaisseur est de préférence d'environ 20 à 30 centimètres. La mise en rotation de l'échangeur est assurée par des moyens connus non représentés. Par exemple, l'échangeur peut être monté sur des rouleaux coopérant avec des chemins de roulement, et entra iné par un système de transminon relié ~ à un moteur. De préférence, ledit moteur est muni de moyens de commande permet tant de faire varier la vitesse de rotation du préchauffeur. Sous l'action conjuguée de la rotation de l'echangeur et des rele- veurs, les farines seront soumises à un brassage destiné à renouveler la surface du lit fluidisé, et elles retomberont sans cesse en rideaux à travers le flux des gaz. L'avancement des farines à travers l'échangeur peut être assuré par divers moyens ; par exemple, on peut donner à l'echangeur une certaine pente en direction de l'ouverture de sortie, telle qu'elle corresponde à la pente du talus d'éboulement naturel de la farine en mouvement. En variante, on peut également donner aux releveurs une forme en hélice. Selon une forme de réalisation préférentielle illustrée sur la figure 2, la section de l'ouverture de sortie des gaz est plus petite que celle de ltouverture de sortie des farines. La différence de ces deux sections est déterminée en fonction de la longueur de l'échangeur, de telle sorte que la ligne qui joint le point inférieur de chaque sortie fasse avec l'horizontale un angle au moins égal à la pente du talus naturel d'éboulement des farines en mouvement. En ce qui concerne les farines pour la fabrication du ciment, cette pente est d'environ 8%. Une telle disposition permet l'utilisation de simples releveurs plans et moins coûteux à -construire. Le fonctionnement du dispositif est le suivant : Les fumées sortant du four 1 à des températures de l'ordre de 300 à 1 1000 sont acheminées à des vitesses faibles de l'ordre de celles qu'elles avaient dans le four, à travers la boite à fumées 2 et le conduit 4, jusqu'à l'échangeur 3 où elles sont ralenties par l'augmentation de la section d'écoulement et par I'impact des farines tombant en rideoux à travers le flux gazeux. Il en résulte une chute très rapide de la température desdits gaz et surtout une fixation des composés volatils directement sur les par- ticules de farine. On évite ainsi la formation de- concrétions sur les parois de l'échangeur et sur les releveurs. Un autre effet de cet échange thermique intense et de cet impact est d'égaliser rapidement la vitesse des gaz sur l'ensemble de la section de l'échangeur à des vitesses très faibles, De préférence, l'échangeur est dimensionné de façon que ces vitesses ne dépassent pas 2,5 m/s. Un premier avantage de cette faible vitesse des gaz est de rendre inutiles les dispositifs d'aspiration très -puissants nécessaires dans les préchauffeurs à cyclones. Un autre avantage est la réduction très importante, voire la suppression des circuits fermés de fines entre l'entrée du préchauffeur et le dispositif d'alimentation en farines, car à ces vitesses, les fumées sont pratiquement impuissantes à entraîner les fines. Une autre conséquence de cette iible vitesse des gaz, est une réduction considérable de la dispersion des farines dans les fumées du four rotatif par rapport aux préchauffeurs à cyclones. Il en résulte une faible perte charge des fumées dans le tube et donc une importante économie d'énergie électrique. A la sortie de l'échangeur, la température des gaz est très abaissée et en tous cas inférieure au; seuil de volatilisation des composés générateurs de concrétions. On peut donc récupérer la chaleur de ces fumées pour le prédépoussiérage et le séchage des farines en amont du préchauffeur. Selon l'invention, on peut adapter l'intensité de l'échange thermique gaz/farine en faisant varier la vitesse de rotation du préchauffeur. Plus cette vitesse sera grande, plus l'échange thermique sera intense. On peut donc régler cette intensité en fonction de la teneur en eau des farines à traiter. Plus cette teneur sera forte, plus on augmentera la vitesse de rotation. Cette disposition permet d'autre part de supprimer si on le désire, le foyer auxiliaire du broyeur sécheur principal et cela quelque soit l'humidité des matières premières. Elle permet en outre d'éviter, même en cas de très faibles teneurs en eau, la construction très coûteuse d'une tour d'humidification des fumées ou d'un dispositif de refroidissement par pulvérisation d'eau. Cela est nécessaire dans les systèmes de préchauffage connus brsque l'on traite des matières premières ayant des teneurs en eau inférierres à 9R. ---- .- koiiemt' L'échangeur rotatif selon l'invention permei de travailler sans recours à l'humidification des fumées jusqu'à des humidités de matière d'environ 5% d'eau avec une installation de filtre électrostatique (ces 5 résiduaires assurant la résistivité exigée par les gaz) et jusqu'à 0% d'eau avec-une installation de filtre à manches en tissu résistant, par exemple en laine de verre. L'économie résultant de l'absence d'évaporation par pulvérisation d'eau extérieure se retrouve alors sous forme de chaleur sensible de la farine alimentant le four. La grande flexibilité du préchauffeur selon l'invention autorise toutes les modifications possibles de transfert des matières premières et des gaz entre ledit préchauffeur et le four rotatif. En particulier, on peut opérer un shuntage total ou partiel de matières au préchauffeur. Par exemple, on peut procéder à une alimentation directe du four en farines lors de l'opération d'allumage. De même, on peut procéder pratiquement sans limitation à des soutirages des fumées pour éliminer les composés volatils, provoquant des circuits fermés entre préchauffeur et le four. En - effet, ces composés se fixant directement sur la farine au cours du traitement dans le préchauffeur reviennent dans le four où ils se redégagent,et ainsi de suite. Il est donc nécessaire de procéder périodiquement à des soutirages de ces fumées. Ces soutirages s'opèrent de façon connue par un bypass au niveau de la boite à fumées. Un autre avantage de l'invention est qu'il devient'possible d'utiliser des produits à combustion lente tels que la tourbe, ou les déchets de toutes sortes pour réaliser une précalcination des farines dans le préchauf- feur. La précalcination a pour but de diminuer le débit thermique du brOleur du four rotatif pour réaliser des économies d'énergie. Dans les installations conventionnelles de préchauffage, les gaz ont une vitesse telle (25 à 27 m/s) qu'elle laisse peu de temps à la cinétique de réaction de combustion, même avec des combustibles gazeux ou liquides et solides finement pulvérisés. Il est donc nécessaire pour réaliser une précalcination d'injecter des combustibles à haut degré d'inflommabilite qui sont coûteux. Dans l'échangeur selon l'invention, on peut utiliser des produits grossiers à faible degré d'inflammabilité. En effet, ces produits repris dans la masse de farine en rétention à des températures de l'ordre de 900 à 1 'I000 auront, du fait de la faible vitesse des gaz dans le préchauffeur, le temps nécessaire pour brOler. Le préchauffeur selon l'invention peut être avantageusement mis en place sur une unité existante déjà équipée ou non de préchauffeur, sans nécessiter un arrêt-prolongé ni pendant la-construction, ni au cours de la période de mise au point, l'appareil pouvant être situé en position de by-pass. Ceci est un avantage particulièrement intéressant dans le cas de modernisation d'une petite unité de cuisson de conception ancienne. D'autres exemples de réalisation d'une installation conforte à l'invention vont maintenant être décrits. Ces exemples illustrent la très grande adaptabilité du préchauffeur selon l'invention. Dans l'exemple représenté à la figure 4, la matière première est introduite dans un broyeur sécheur 14. La chaleur fournie à ce broyeur sécheur provient d'une part des gaz d'exhaure du refroidisseur 15 et de la chaleur résiduelle des étages de cyclones 16 disposés en amont de l'échan- geur rotatif 3 ainsi que l'indiquent les fleches. Les fumées restantes sont filtrées en 17 avant d'être rejetées- dans l'atmosphère. La matière ainsi broyée et séchée est amenée à l'atelier de préparation des farines 18 où sa composition est ajustée, puis introduite dans le dernier étage de cyclone 16 par une canalisation 19. Ladite canalisation comporte deux by-pass 20 et 21. Le by-pass 20 permet l'alimentation directe du four en farines provenant de l'atelier de préparation 18, donc en shuntant les étages de cyclones et l'échangeur. Le by-pass 21 permet l'alimentation de l'échangeur en shuntant les cyclones. Selon un autre exemple de réalisation représenté à la figure 5, la matière première est introduite dans un séchoir à haute température 22 qui utilise les fumées en provenance de la boîte à fumées 2 à des températures de l'ordre de 9000 à Une fois séchée, la matière est passée au broyeur 23 et poursuit un circuit identique à celui déjà décrit au sujet de la figure 4. A la sortie de 1'échangeur 3, le cyclone 16 est alimenté en gaz chauds en provenance d'une part, dudit échangeur et d'autre part, du refroidisseur 15. Les gaz résiduels du cyclone et du séchoir sont filtrés en 17 puis rejetés dans l'atmosphère. La figure 6 illustre une autre possibilité d'utilisation des gaz chauds. Ceux-ci sont soutirés au niveau de la boite à fumée 2 et brutalement refroidis de 1 -0000 à 4000 avant dMAe introduits dans un électrofiltre 24. Ce refroidissement est obtenu par un courant d'air ou de façon préférentielle par une partie des fumées résiduelles du nfroidisseur 15. Ce refroidissement brutal a pour effet de condenser les composés volatils contenus dans les fumées, qui sont ensuite extraits par 'electro-filtre 24. Une autre partie des fumées du refroidisseur est utilisée dans le cyclone 16. La chaleur résiduelle de la sortie de l'électro-filtre et celle de la sortie du cyclone est utilisée dans le broyeur sécheur 14. Grâce à l'échangeur selon l'invention, on peut faire varier pratiquement à l'infini le schéma des installations de préchauffage et de cuisson pour obtenir une utilisation optimale des gaz d'exhaure du four. REVENDICATIONS 1. Procédé de préchauffage de matières minérales pulvérulentes ou granuleuses destinées à être ultérieurement cuites à haute températu re, caractérisé en ce que l'on introduit les matières à réchauffer dans un échangeur rotatif indépendant du four de cuisson, en ce que l'on soumet lesdites matières à un brasscge dans l'échangeur=por des moyens mécaniques et en ce que l'on fait passer à faible vitesse à travers l'échangeur un courant de gaz chauds en provenance du four, à contre-courant des matières. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérise-en ce que les gaz en provenance du four sont introduits dans l'échangeur à des vitesses sensiblement égales à celles qu'ils avaient dans le four de cuisson. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on fait varier la vitesse de-rotation de l'échangeur pour adapter l'intensité d'échange thermique gaz/matière à la teneur en eau des matières à réchauffer ou en fonction des soutirages de fumées pratiquées en aval du préchauffeur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on utilise des matériaux à combustion lente introduits dans l'échangeur au niveau de l'ouverture d'entrée des gbz pour réaliser une précalcination des matières à réchauffer. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on prélève une partie des gaz d'exhaure du four au niveau de la botte à fumées ; gaz qui sont ensuite utilisés dans un séchoir à haute texpérature pour le séchage de la matière première. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,-caractérisé en ce que l'on prélève au niveau de la boîte à fumées une partie des gaz d'exhaure du four en ce que l'on refroidit brutalement ces gaz qui sont ensuite débarrassés de leurs condensats de composés volatils dans un électrofiltre puis acheminés dans un broyeur-sécheur. 7. Dispositif de préchauffage de matières minérales, pulvérulentes ou granuleuses, destinées à être ultérieurement cuites à haute température, caractérisé en ce qu'entre la sortie du four de cuisson et l'atelier de préparation des matières à réchauffer est disposé un échangeur rotatif indépendant du four dont les extrémités de sortie sont de section rétrécie. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'échangeur rotatif est muni de moyens pour faire varier sa vitesse de rotation. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendicntions 7 et 8, caractérisé en ce que l'échangeur rotatif est constitué pqr une enceinte tournant sur son axe et comportant à chacune de ses extrémités une section rétrécie. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'enceinte du préchauffeur est munie de dispositifs mécaniques internes de relevage de la farine. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendicatiqns 7 à 11, caractérisé en ce que l'enceinte de préchauffage est un cylindre. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que les extrémités de l'enceinte sont rétrécies en forme de cône. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que la section de l'extrémité de sortie des matières à réchauffer est déterminée en fonction de la longueur de l'enceinte de telle sorte que le temps de séjour de la matière à réchauffer dans ladite enceinte soit au moins égale à environ 80% de celui de leur transit dans le four. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que la section de sortie des gaz est plus petite que la section de sortie des matières à réchauffer et calculée de telle sorte que, compte tenu de la longueur de l'enceinte, la ligne qui joint le point inférieur de chaque sortie fasse avec l'horizontale un angle au moins égal à la pente du talus naturel d'éboulement de la matière à ré- chauffer en mouvement. 15. Dispositif selon 11 une quelconque des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que les moyens de relevage sont des releveurs plans disposés sur la tangente des génératrices de l'enceinte. 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que les releveurs sont inclinés dans le sens de rotation de l'enceinte. 17. Dispositif selon lune quelconque des revendications 15 et 16, caractérisé en ce que les releveurs sont au nombre de 6 et inclinés à 600. 18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 17, caractérisé sn ce qu'entre l'enceinte et le four, est disposée une botte à fumées munis de moyens pour le soutirage des fumées et des poussières. 19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 18, caractérisée en ce que les dimensions de l'enceinte sont telles que a vitesse des gaz n'y dépasse pas 2,5 m/s. 20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 19, caractérisé en ce que les parois internes de l'enceinte sont recouvertes d'une couche de matériau réfractaire. 21. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de matériau réfractaire est d'environ 20 à 30 cm.