Brevet FR2426228A1 — publié le 19791214

La présente invention concerne un procédé et un système de calcination ou de traitement thermique de matières solides finement divisées pour effectuer un changement des propriétés physiques et/ou chimiques et pour séparer les parti cules entraînées par les gaz d'échappement. Dans de nombreux cas, la grosseur des particules à calciner ou à traiter thermiquement est inférieure à 100 mi -crons et dans certains cas, la granulométrie est inférieure à 10 microns. Dans une application particulière, désignée par calcination, traitement thermique ou conditionnement thermique, le procédé peut impliquer l'élimination des substances volatiles, la réaction ou réticulation des molécules des matières solides ou la provocation d'un changement de la structure moléculaire ou cristalline par suite d'une transposition ou d'un changement de phase. Dans la plupart de ces procédés, il importe de transmettre la chaleur aux matières solides finement divisées à une vitesse régulière. En outre, dans beaucoup de cas, il est également nécessaire d'éliminer une substance volatile qui a été chassée des particules. Pour le traitement ci-dessus, on a utilisé divers types de fours du commerce, par exemple un four rotatif, un four à sole rotative, un four à lit fluidisé ainsi que d'autres. Le four à lit fluidisé est particulièrement intéres sant pour chauffer des matières solides finement divisées car, entre autres caractéristiques importantes, il assure un chauffage très uniforme et une vitesse relativement grande de transmission de chaleur aux particules. D'une façon générale, un four à lit fluidisé fait passer un gaz de bas en haut à travers une plaque distributrice comportant des orifices pour diffuser le gaz pro venant d'une chambre de soufflage dans et à travers la matière solide finement divisée à un débit suffisamment élevé pour sépa rer les particules de matières solides les unes des autres et assurer une mobilité auxdites particules constituant le lit. Lorsque cela se produit, le lit apparaît et se comporte comme un fluide. Le milieu résultant, qui est appelé matière solide fluidisée par un gaz, est caractérisé par une grande vitesse de transmission de chaleur par convection d'une particule à l'autre ainsi que par rapport à une surface chauffée ou refroidie avec laquelle les particules peuvent entrer en contact. Le four à lit fluidisé a rencontré un certain succès commercial pour chauffer des matières solides finement divisées et provoquer un changement des propriétés physiques ou chimiques. Dans de nombreuses applications, les températures utilisées sont relativement élevées, par exemple de 930 à environ lO930#C. Un des inconvénients principaux, qui a limité l'utilisation des fours à lit fluidisé pour de telles applications, en particulier pour des produits ayant une distribution granulai métrique comportant un pourcentage important de particules d'une grosseur inférieure à 100 microns, est dû au fait que le gaz de fluidisation s'échappant du lit entraîne inévitablement une quantité importante de particules. Il faut donc que le gaz d'échappement passe à travers une ou plusieurs pièces d'équipement telles qu'un sac filtrant, un épurateur en phase humide, un séparateur électrostatique ou appareil équivalent pour éliminer les particules. En cas de fonctionnement à des températures supérieures à 1770C, certains de ces dispositifs destinés à l'épuration d'un gaz ne sont pas utilisables ou sont extrêmement coûteux. La présente invention concerne un procédé et un système utilisant un four à lit fluidisé pour chauffer les matières solides finement divisées, qui est équipé d'un appareil de filtration à haute température destiné à éliminer les particules du gaz de fluidisation s'échappant du lit. Le système décrit est applicable à des températures comprises entre environ 930 et l0930C. Les particules entraînées par le courant des gaz d'échappement traversent des filtres qui sont soumis par intervalles à un soufflag#e en sens inverse sous une commande manuelle ou#automatique. Ces dispositifs de filtration sont de préférence d'un type utilisant des enveloppes tubulaires perméables aux gaz,qui sont agencées de façon à être mobiles indivi duellement et successivement entre les positions de filtration et de soufflage en sens inverse, un filtre pouvant être nettoyé pour lui permettre de rentrer dans le cycle de filtration lorsqu'il occupe cette dernière position. En supposant la présence de deux postes, cela signifie que l'un d'eux assure la filtra tion pendant que l'autre est soumis à un soufflage en sens inverse pour le nettoyer. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 représente un assemblage de l'appareil préféré montrant un calcinateur à lit fluidisé, son système de filtration à haute température, un refroidisseur à lit fluidisé et son système de filtration à haute température la figure 2 est une vue schématique d'un calcinateur particulier à lit fluidisé la figure 3 est une coupe médiane verticale du système de filtration à haute température la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3 la figure 5 est une coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 3 ; et la figure 6 est une vue schématique d'un refroidisseur particulier à lit fluidisé. On va examiner tout d'abord la figure 1 qui représente un calcinateur 1 à lit fluidisé d'un type fondamental capable de fluidiser et de chauffer uniformément des matières solides granulaires de la température ambiante à environ 1093cl en utilisant un chauffage électrique ou à base de combustible. Le calcinateur à lit fluidisé est équipé d'un système de filtration à haute température 2 qui empêche les fines particules de s'échapper dans l'atmosphère. Le calcinateur 1 se décharge par l'intermédiaire d'une vanne 51 dans un reffoidisseur 3 à lit fluidisé à la fin du cycle de chauffage. Le refroidisseur à lit fluidisé est équipé d'un système de filtration à haute température 4 qui empêche les fines particules de s'échapper dans l'atmosphère. Le refroidisseur à lit fluidisé se décharge par l'intermédiaire d'une vanne 52 à la fin du cycle de refroidissement. La figure 2 représente un calcinateur particulier à lit fluidisé comportant une chambre 11 délimitée par une paroi 12 et une voûte 13 en forme de dôme qui se rétrécit pour se raccorder à un conduit d'échappement 15 dans lequel les gaz résiduels sont évacués. Le fond 17 de la chambre 11 est relié à un conduit d'alimentation 19 par lequel un gaz de fluidisation entre dans une chambre- de soufflage 22 pour être distribué dans le lit par l'intermédiaire d'orifices 18. De là, le gaz se diffuse de bas en haut à travers les particules en cours de calcination, en formant parfois des vides ou "bulles" 25. Pendant le fonctionnement, la chaleur est appliquée# aux particules du lit, par exemple par des éléments chauffants 31 tels que des éléments résistants de forme hélicoïdale fixés à une paroi calorifuge 24 de manière à rayonner la chaleur vers la paroi latérale 12. En variante, la chaleur peut être fournie par une source alimentée en combustible. Il est bien entendu que les orifices 18 sont ménagés et que la pression du gaz est réglée de manière à empêcher les particules de s'échapper du lit dans la direction opposée. Dans un procédé de calcination discontinue, les particules à calciner sont introduites par un conduit 21 jusqu'à ce qu'un niveau convenable de fonctionnement 20 soit atteint, la vanne de décharge 52 étant alors fermée. Le conduit d'-alimentation 21 est ensuite fermé par une vanne (non représentée) et le gaz de fluidisation est admis par le conduit 19 et le dispositif de chauffage est mis en marche. A la fin du cycle de calcination, la vanne 51 est ouverte pour décharger le produit du calcinateur. Dans le procédé continu, les matières solides de départ sont ajoutées continuellement au lit par le conduit d'admission 21 et le- produit calciné est évacué continuellement, soit par la vanne de décharge 51, soit par un autre orifice de décharge (non représenté) ménagé dans la paroi latérale 12. Le gaz de fluidisation quittant le calcinateur par le conduit 15 entraîne une certaine quantité de particules en particulier celles d'une grosseur inférieure à la moyenne, appelées fines. Ce gaz de fluidisation sortant passe par le système de filtration à haute température représenté en détail sur les figures 3, 4 et 5. Le gaz de fluidisation et les particules d-e matière solide qu'il entraîne entrent dans l'enveloppe 6 du dispositif de-filtration (figure-2). Dans l'exemple représenté, l'envelàp- pe est divisée par des cloisons 34 en quatre (plus de deux) compartiments longitudinaux-32 en forme de secteur de cylindre. Chaque compartiment 32 contient plusieurs tubes 35 perméables aux gaz qui sont par exemple en acier inoxydable, en bronze ou matériau équivalent à l'état fritté. Ces tubes sont fermés à la base et sont ouverts au sommet. Par exemple, les tubes sont montés au sommet 35 dans une plaque 37 d'un collecteur. En fonctionnement, le gaz de fluidisation qui s'échappe et entraîne des particules de matière solide, s'écoule à l'extérieur des tubes 35, dépose les particules sur leur face externe, puis les traverse pour passer à l'intérieur de ces derniers. Après avoir quitté l'intérieur des tubes, le gaz passe dans la chambre collectrice 41 de laquelle il est évacué, alors qu'il est débarrassé des particules,du système par l'intermédiaire de conduits de sortie 46 et de robinets régulateurs de débit 47. Lorsque la quantité des particules de matière solide adhérant aux tubes poreux 35 dépasse une épaisseur prédéterminée, la baisse de pression du gaz traversant la paroi des tubes atteint une trop grande valeur et commence à réduire le débit à un niveau intolérable. Les tubes 35 sont alors nettoyés en inversant le sens d'écoulement du gaz à travers les tubes poreux, notamment dans un ou plusieurs des tubes. On l'effectue en fermant un robinet 47 et en ouvrant un robinet 49 commandant un conduit 50 relié à une source de gaz de nettoyage à haute pression. Il en résulte une circulation forcée du gaz à travers le robinet 49 dans le conduit 48 et dans la chambre 41 et en sens inverse à travers les tubes poreux 35 reliés à la chambre collectrice 41 des tubes de façon à les nettoyer. Les particules soufflées et détachées de la surface des tubes poreux 35 sont habituellement légèrement agglomérées sous l'effet de la pression de filtration. Il en résulte des agglomérats de grosseur légèrement plus grande. En conséquence, les particules sont soufflées et détachées des tubes dans l'enveloppe 6, de laquelle elles passent par le conduit 15 (figure 2) à contre-courant par rapport au débit du gaz de fluidisation, puis dans le calcinateur pour poursuivre le processus de calcination. Les figures 3, 4 et 5 représentent un système particulier de filtration à haute température fondé sur une disposition à quatre sections, dans laquelle l'un des secteurs 55 de 900 est nettoyé par un écoulement en sens contraireandis que les trois autres secteurs sont en marche pour assurer la filtration Dans le cas d'un cycle de fonctionnement minuté, le soufflage en sens inverse est avancé d'une section en ouvrant et en fermant les robinets convenables 47 et 49 et la section nettoyée est remise en service, les deux autres sections constituant à nouveau une section qui est soumise au soufflage en sens inverse et trois sections qui assurent la filtration. De cette manière, le soufflage en sens inverse est appliqué successivement à chaque section, ce qui permet au système de maintenir un régime constant de filtration.Un cycle particulier d'échelonnements est de une à dix minutes selon les caractéristiques de concentration et de filtration des matières solides entrainées. Il est possible d'obtenir le décalage pas à pas et-le temps de repos, par exemple en utilisant une minuterie synchrone à came actionnant des distributeurs électromagnétiques. Le mode opératoire décrit ci-dessus permet un fonctionnement du lit fluidisé sans que les matières solides entraî- nées ne s'échappent du système et par conséquent, sans pollution de l'atmosphère. De plus, il permet un recyclage du gaz évacué du système pour le réintroduire dans la chambre de soufflage du calcinateur, lorsque cela s'avère avantageux, ce qui évite une décharge dans l'atmosphère et une perte d'énergie. La figure 6 représente un refroidisseur particulier à lit fluidisé comprenant une chambre 130 délimitée par une paroi latérale 132 et une voûte 133 en forme de dôme qui se rétrécit pour se raccorder à un conduit d'évacuation 135 par lequel les gaz résiduels sont évacués. Le fond de la chambre 130 est relié à un conduit d'admission 139 par lequel un gaz de fluidisation pénètre dans une chambre de soufflage 134 et est distribué dans le lit par l'intermédiaire d'orifices 138. De là, le gaz se diffuse de bas en haut à travers les particules à refroidir et forme parfois des vides ou "bulles" 136. Pendant le fonctionnement, la chaleur est extraite des particules du lit, par exemple par untmilieu de refroidissement circulant dans une chemise 137. Il est bien entendu que les orifices 138 sont ménagés et que la pression du gaz est réglée de façon à empêcher les particules de s'échapper du lit dans la direction opposée. Dans un procédé de refroidissement discontinu, les particules à refroidir sont introduites par un conduit 131 jusqu'à ce qu'elle atteignent un niveau convenable de fonctionnement 140, le robinet de décharge 152 étant alors fermé. Le conduit d'admission 131 est ensuite fermé par un robinet, on fait circuler le gaz de fluidisation par le conduit 139 et on amorce la circulation du milieu de refroidissement. A la fin du cycle de refroidissement, le robinet de décharge 152 est ouvert pour évacuer le produit du refroidisseur. Dans le procédé continu, les matières solides de départ sont chargées continuellement, sont évacuées soit par le robinet de décharge l52 soit par un autre orifice de décharge ménagé dans la paroi latérale 132. Le gaz de fluidisation quittant le refroidisseur par le conduit 135 entraîne une certaine quantité de particules, c est-à-dire de fines, qui, en particulier ont une grosseur inférieure à la moyenne. Ce gaz de fluidisation sortant passe dans le système de filtration à haute température représenté en détail sur les figures 3 et 5. Ce fonctionnement est identique à celui décrit précédemment pour le calcinateur à lit fluidisé. Bien qu'on ne l'ait pas représenté, le calcinateur et le refroidisseur fonctionnant en continu sont équipés intérieurement de chicanes établissant un circuit sinueux de l'entrée à la sortie, de manière à obtenir une courbe de dibtribution en fonction de la durée de séjour dans une plage étroite, c'est-à-dire que la totalité du produit est soumise à un traitement thermique très uniforme en fonction du temps. Il va de soi que le système et le procédé décrits peuvent subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS I. Appareil destiné à filtrer les gaz résiduels provenant du lit d'un système de calcination à lit fluidisé destiné à chauffer des matières granulaires, comportant au moins un calcinateur à lit fluidisé pour contenir une charge de matières solides, un dispositif destiné à chauffer les matières solides et un dispositif destiné à refouler un gaz à travers ces dernières, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs éléments filtrants perméables aux gaz qui sont interposés sur le trajet du courant des gaz d'échappement et agencés de manière qu'une partie soit en phase de filtration, tandis que d'autres sont en phase de soufflage, un poste comportant un dispositif destiné à soumettre les éléments filtrants à un soufflage en sens contraire et un dispositif destiné à déplacer par intermittence les éléments filtrants en regard du poste de soufflage pour les faire alterner.enstre la phase de filtration et la phase de soufflage en sens contraire selon un cycle prédéterminé, afin de maintenir le filtre en fonctionnement continu. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que,lorsque le système comporte un second lit fluidisé avec un dispositif destiné à transférer la charge du premier au second lit, des refroidisseurs sont associés au second lit pour refroidir le contenu de ce dernier avant la filtration des gaz résiduels. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments filtrants sont constitués par plusieurs tubes en matériau perméable aux gaz, disposés sur le trajet du courant gazeux pour empêcher le passage des particules à travers la paroi des tubes. 4. Procédé destiné à empêcher l'échappement de particuLes d'un lit fluidisé dans l'atmosphère lorsqu'elles sont entrainées par les gaz résiduels stéchappant du lit au moyen d'un appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à diriger le gaz de fluidisation sous pression de bas en haut à travers le lit à un débit calculé de manière à séparer les particules les unes des autres et à leur assurer une mobilité ; à faire passer le courant gazeux et les particules qu'il entraîne à travers plusieurs éléments filtrants perméables aux gaz qui sont disposés de façon qu'une partie soit en phase de filtration tandis que les autres sont en phase de soufflage en sens contrairé, -à soumette à un soufflage en sens contraire les éléments filtrants qui sont en phase de soufflage en sens contraire et à éliminer les particules filtrées qui ont été soufflées en sens contraire, à déplacer par intermittence les éléments filtrants en regard du poste de soufflage en sens contraire pour faire alterner les éléments filtrants entre les phases de filtration et de soufflage en sens contraire selon un cycle prédéterminé, afin de maintenir le filtre en fonctionnement continu ; et à évacuer les gaz à travers les filtres utilisés pour les éliminer.