Brevet FR2435010A1 — publié le 19800328

La présente invention a pour objet un procédé de récupération de chaleur au niveau du refroidisseur monté en aval d'une ligne de cuisson en vue du préchauffage de combustible et un dispositif pour sa mise en oeuvre. Ce dispositif est essentiellement applicable aux lignes de cuisson utilisées pour diverses fabrications, telles que la fabrication du ciment, de l'alumine, de la chaux, de la magnésie, de la dolomie, et des matières analogues pour préchauffer le combustible utilisé dans ces fabrications. Les unités de production pour les fabrications mentionnées ci-dessus comprennent - un échangeur amont tel que grille, tour à plusieurs étages de cyclones par exemple, dans lequel la matière et les gaz chauds de combustion circulent à contre-courant. La matière s'y échauffe et subit, éventuellement, une premiere transformation chimique, - un four rotatif dans lequel s'effectue la cuisson de la matière, - un échangeur aval, air-matière, appelé refroidisseur dont il existe de nombreux types, tels que grille continue, grilles animées de mouvements alternatifs, refroidisseurs verticaux etc. Le refroidisseur a deux fonctions principales, à savoir d'une part1 refroidir la matière pour pouvoir la manipuler et la traiter ultérieurement et, d'autre part, réchauffer à température elevée une certaine quantité d'air destiné à former l'air secondaire nécessaire aux brûleurs du four et aux éventuels brûleurs de pre'calcination. En règle générale, pour les fabrications précitées, le débit d'air nécessaire au refroidissement de la matière est supérieur au débit d'air secondaire nécessaire à la combustion. La figure 1 du dessin schématique annexé représente le principe d'une telle installation. L'échangeur amont est constitué par une tour 2, la matière étant amenée en 3 à sa partie supôrieure, et les gaz chauds de combustion se déplaçant verticalement de bas en haut dans celle-ci. La référence 4 design le four rotatif, et la référence 5 un refroidisseur à grilles. Dans le cas de ee type de refroidisseur, l'air chaud poussiéreux en exces est en général zcirdô en deux parties, à savoir : une partie s'échappant en 6 à une température de l'ordre de 400 a 500 C utilisable pour le--séchage de la matière crue par exemple, et une partie stechappant en 7 dans la zone aval du refroidisseur, à température relativement basse de 150 à 2500C. Cet air d'exhaure est filtré en 8 avant d'entre envoyé à l'atmosphère en 9. Une partie de cet air peut etre partiellement recyclée en 10 sur les chambres amont de soufflage du refroidisseur pour disposer d'une tempërature d'air secondaire plus élevée pour la combustion du four. Dans le cas de refroidisseurs verticaux avec échange indirect air-matière, utilisés notamment dans les procédés de refroidissement en deux étapes pour parachever le refroidissement de la matière, il y a également une production importante d'air à une température de l'ordre de 200 C. Les hydrocarbures lourds employés comme combustibles dans ces unités de production, nécessitent une consommation auxiliaire d'énergie thermique pour le réchauffage entre 100 et 1400 C, pour avoir une viscosité permettant une pulvérisation correcte aux brûleurs. A cet effet, de manière traditionnelle, des générateurs à hydrocarbures lourds échauffent un fluide intermédiaire, tel que vapeur, eau surchauffée ou fluide caloporteur, qui cède sa chaleur au moyen d'échangeurs au combustible destiné à fournir l'ônergie calorifique nécessaire à la fabrication. Les besoins calorifiques pour ce réchauffage sont de l'ordre de 42 KJ/kg de clinker dans le cas de cimenteries. Il a été imaginé d'utiliser pour ce réchauffage des calories récupérées au niveau des refroidisseurs. Selon l'un de ces procédés, une partie de la chaleur rayonnée par la matière incandescente lors de sa chute du four, est récupérée en installant des tubes dans la partie amont du refroidisseur pour échauffer de la vapeur ou de l'eau surchauffée. Cette solution présente notamment les inconvénients suivants - prélèvement de "calories nobles" puisque destinées à assurer la montée en température de l'air secondaire, - installation d'un échangeur dans la partie la plus exposée du refroidisseur, qui pose des problèmes de sécurité de 1' échangeur lui-meme, de déformations relatives, et introduit des points de faiblesses dans le briquetage, - impossibilité de contrôler le flux thermique récupéré, obligeant à évacuer l'énergie thermique en excès par rapport aux besoins, - nécessité d'un système de traitement d'eau. Il a été proposé de moduler le flux thermique recueilli en agissant sur des volets mobiles faisant écran au rayonnement. La stabilité mécanique de ce dispositif peut, néanmoins, être sérieusement mise en doute, compte tenu des conditions extrêmement sévères régnant à l'amont du refroidisseur à la chute du four. Selon une autre possibilité, un échangeur est installé qui met en jeu l'air chaud extrait à 4000 dans la zone centrale du refroidisseur, et réchauffe un fluide caloporteur entre 195 et 2200C. Le fluide caloporteur réchauffe ensuite le combustible au moyen d'un échangeur. L'inconvénient de ce procédé est de nécessiter une température de gaz dtau moins 350ex pour être économiquement valable, ce qui interdit son emploi dans toutes les usines ou les gaz à température moyenne de 350 - 4000C doivent être récupérés pour le séchage de la matière crue. A l'heure actuelle, l'énergie thermique n'est pas récupérée sur les gaz d'exhaure à basse température des refroidisseurs, en raison du bas niveau de température et des variations importantes susceptibles d'affecter la température et le débit des gaz d'exhaure envoyés à l'atmosphère. La présente invention vise à pallier cette lacune. A cet effet, le procédé qu'elle concerne consiste a utiliser l'air chaud d'exhaure du refroidisseur avant son rejet à l'atmossphère, ou avant son recyclage, pour réaliser un chauffage direct du combustible, à contre-courant, sans fluide intermédiaire. Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé comporte un échangeur thermique qui, placé dans le conduit d'échappement de l'air d'exhaure, en aval du dispositif de filtration, si celuici existe1 est un échangeur convectif à tubes à ailettes, dont le nombre et la section des tubes en parallèle sont tels que-l'écou- lement du combustible à son débit nominal est toujours laminaire, même lorsque l'apport calorifique par l'air chaud est nul. Tout cet ensemble est disposé sur le circuit du combustible en amont du dispositif classique de réchauffage qui n'est alors actif que pour les démarrages, pour les occasions où les apports thermiques sont inférieurs aux besoins et pour assurer la régulation fine de la température du combustible. Ce procédé et ce dispositif présentent les avantages suivants: - possibilité de récupérer de l'énergie thermique sur les gaz d'exhaure des refroidisseurs même avec des niveaux peu élevés de température moyenne, donc en utilisant des gaz qui, de toute façon, seraient perdus - pas de perturbations dans le processus de fabrication puisque la chute de pression due au dispositif est négligeable - protection contre les risques de surchauffe ou de givrage du combustible - simplicité du dispositif, facilement adaptable aux installations existantes. A cet effet, dans ce dispositif, l'échangeur est monté à l'intérieur dtun châssis occupant une partie seulement de la section du conduit d'échappement de l'air d'exhaure, ce châssis étant ouvert à sa partie supérieure et son prolongement inférieur étant équipé de volets d'obturation. En outre, la longueur du châssis contenant l'échangeur correspond à la dimension d'un côté du conduit d'échappement d'air, tandis que sa largeur est inférieure à la dimension de l'autre côté du conduit d'échappement d'air, ménageant ainsi, de part et d'autre du châssis, deux conduits formant by-pass, à la partie inférieure desquels sont prévus des volets permettant d'agir sur le débit d'air les traversant. Ce by-pass ainsi que les volets qui lui sont associés et qui sont associés au châssis contenant ltéchangeur, permettent une régulation de la température du combustible. Par ailleurs, les volets sont automatiquement forcés à la fermeture vers l'échangeur quand la température de l'air à 1' entrée de l'échangeur devient inférieure à la température du combustible à l'entrée de celui-ci. Selon une autre caractéristique de l'invention, le châssis de l'échangeur est monté en tiroir coulissant sur son support. Ceci permet un démontage extrêmement simple du dispositif même en période de fonctionnement de l'installation. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant une forme d'exécution de ce dispositif Figure 2 est une vue très schématique du dispositif inscrit dans un cadre en traits mixtes et des principaux organes qui lui sont associés Figures 3 et 4 sont deux vues, respectivement, de face et de côté de la partie du dispositif contenant l'échangeur thermique Figure 5 est une vue très schématique de ce dispositif dans le cas de son application à un refroidisseur vertical. Le combustible, tel que du fuel lourd, est stocké dans un réservoir 12 à partir duquel est établie une boucle de gavage 13 dans laquelle la pression est maintenue, par un régulateur 14 à une valeur de l'ordre de 3 bars Cette-boucle de gavage est associée à une boucle 15 de haute pression, dans laquelle la pression est maintenue à une valeur de l'ordre de 60 bars par un régulateur 16. En aval de la pompe haute pression i7 est monté un réchauffeur 18 de type traditionnel pour le préchauffage du fuel. Entre la pompe S7 et le réchauffeur 18 est prévu ensemble selon l'invention, qui comporte une conduite d'amenée 19 et une conduite de retour 20 du combustible à un échangeur thermique 22. Cet échangeur est du type à ailettes, et le nombre et la section de ses tubes en parallèle sont tels que l'écoulement du combustible a' son débit nominal est laminaire. L'échangeur est monté à l'intérieur d'un châssis 23 dont les parties inférieure et supérieure sont ouvertes. Ce châssis est logé à l'intérieur du conduit 24 d'échappement de l'air d'exhaure du refroidisseur. La longueur du chassie correspond à la dimension d'un côté du conduit, et sa largeur est inférieure à l'autre dimensions du conduit. De la sorte sont ménagés, entre le chassis et le conduit, deux passages 25 formant des by-pass. A la partie inférieure du support 2i du châssis est prévue une série de volets 26 aptes à obturer celui-ci, tandis quta la partie inférieure des by-pass est prévue une série de volets 27 aptes à obturer ceux-ci. Comme montré au dessin le courant d'air chaud en provenance du refroidisseur est en partie recyclé de manière connue par un conduit 28 vers les chambres de soufflage amont du refroidisseur, le reste passant au contact de l'échangeur et/ou dans les by-pass. L'ensemble selon l'invention comprend une chaîne de régulation avec un capteur de température du combustible 29 en sortie de ltéchangeur, un régulateur 30, un servo-moteur 32 et son asservissement. La chaîne d'asservissement comprend un capteur 33 de température de irais avant l'échangeur, un module de seuil et une électrovanne forçant le servo-moteur dans la position où le volet de by-pass est fermé en direction de ltéchangeur. De la sorte, quand l'air d'exhaure sort à une température inférieure à la température d'entrée du combustible, les volets 26 sont en position fermée et les volets 27 en position ouverte, la totalité de l'air passant par le by-pass. Le montage du châssis 23 peut être effectué en tiroir coulissant sur le support 21, ce qui permet, après avoir isolé le circuit du combustible vers l'échangeur, de démonter et de sortir celui-ci sans arrêter les installations de production. L'ensemble de la tôlerie est calorifugée extérieurement jusqu'au niveau de l'échangeur. A titre d'exemple, ce dispositif permet de réchauffer un débit de Il tonnes/heure de fuel à 60 bars, de 760C à 1250C à partir d'un courant d'air de 70 000 m3/h à i700C de température moyenne. Les pertes de charge du fuel dans le dispositif sont inférieures à i bar, tandis que les pertes de charge de l'air sont de l'ordre de 30 à 40 mm de colonne d'eau. La figure 5 représente une variante dans laquelle le dispositif selon l'invention est appliqué à un refroidisseur vertical. Dans ce type de refroidisseur, la matière tombe verticalement de haut en bas et passe au contact de tubes 35 sensiblement horizontaux dans lesquels circule de l'air. Ces tubes relient des caissons 36 situés de part et d'autre du refroidisseur, la circulation d'air se faisant à contre-courant de bas en haut. L'échangeur thermique décrit précédemment, dans lequel circule le combustible, est logé dans un des caissons que traverse l'air de refroidissement. Il serait également possible d'insérer ltéchangeur sur la tuyauterie collectrice de l'air chaud d'exhaure du refroidisseur. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas au seul mode de mise en oeuvre de ce procédé, ni aux seules formes d'exécution de ce dispositif, décrits ci-dessus à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation. - REVENDICATIONS 1. - Procédé de récupération de chaleur au niveau du refroidis seur monté en aval d'une ligne de cuisson en vue du pré chauffage de combustible, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser l'air chaud exhaure du-refroidisseur avant son rejet à l'atmosphère, ouarant son recyclage, pour réaliser un chauffage direct du combustible, à contre-courant, sans fluide intermédiaire. 2. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur thermique qui, placé dans le conduit d'échappement de l'air d'exhaure, en aval du dispositif de filtration, si celui-ci existe, est un échangeur convectif à tubes à ailettes, dont le nombre et la section des tubes sont tels que l'écoulement du combustible à son débit nominal est toujours laminaire, même lorsque l'apport calorifique par ltair chaud est nul. 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'échangeur est monté à l'intérieur d'un ch ssis occupant une partie seulement de la section du conduit d'échappement de l'air d'exhaure, ce châssis étant ouvert, a sa partie supérieure et son support le prolongeant vers le bas étant équipé de volets d'obturation à sa partie inférieure. 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la longueur du châssis contenant ltéchangeur correspond à la dimension d'un côté du conduit d'échappement d'air, tandis que sa largeur est inférieure à la dimension de l'autre côté du conduit d'échappement d'air, ménageant ainsi, de part et d'autre du châssis, deux conduits formant by-pass, a la partie inférieure desquels sont prévus des volets permettant d'agir sur le débit d'air les traversant. 5. - Dispositif selon la revendication-4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation de la température du combustible consistant en un régulateur associé à des prises de température de l'air-d'exhaure et du combustible à la sortie de ltéchangeur, et à un servo-moteur agissant sur les volets montés aux parties inférieures du châssis et du by-pass. 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les volets sont automatiquement forcés a la fermeture vers ltéchangeur quand la température de l'air à l'entrée de l'échangeur devient inférieure à la température du combustible à l'entrée de celui-ci. 7. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le châssis de l'échangeur est monté en tiroir coulissant sur son support. 8. - Application du procédé et du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, au préchauffage du combustible utilisé dans une ligne de cuisson pour la fabrication de ciment.