Brevet FR2477134A1 — publié le 19810904

Y. L'invention concerne d'une manière générale des procédés de préparation de ciments, et plus particulièrement un procédé de préparation d'un clinker de ciment et de sous- produits riches en potassium, à partir des poussières résiduelles de fours à ciment. Des ciments hydrauliques sont utilisés dans le béton et la plupart des mortiers de maçonnerie. Les ingrédients principaux du ciment Portland, qui est le ciment hydraulique le plus connu, sont le silicate tricalcique, le silicate dicalcique et la ferrite alumino- calcique. Ces ingrédients, lorsqu'ils sont finement broyés et mélangés à l'eau, réagissent pour former une matière très dure ayant une structure cristalline imbriquée. Le procédé le plus commun pour préparer le ciment Portland consiste à introduire de la silice et de la chaux finement broyées dans un four rotatif et à chauffer ces matériaux au moins au point de commencement de la fusion (qui est d'environ 12750C) en présence de fondants constitués d'alumine ou d'oxyde de fer. Le four lui-même est constitué d'un long cylindre dont l'axe forme un petit angle avec l'horizontale. Le four comporte un brûleur à son extrémité inférieure. Les ingrédients secs sont introduits dans l'extrémité supérieure du four et, en raison de l'inclinaison et de la rotation de ce dernier, les matériaux se déplacent progressivement d'une zone froide située à l'extrémité supérieure vers la zone de fusion. Dans la région chaude du four, il se produit une réaction formant de nouveaux composés qui fondent et atteignent un état de fusion partielle. Cette matière, une fois refroidie, constitue le clinker de ciment bien connu. Le clinker est ensuite finement broyé pour constituer le ciment Portland. Deux des problèmes principaux posés par ce procédé de préparation du ciment concernent la manutention et la mise au rebut de la grande quantité de poussière dégagée pendant le procédé. La poussière est due à la nature poudreuse des matières premières et au malaxage provoqué par le four rotatif. La poussière du four, qui peut atteindre 40 à 50 % des ingrédients de départ, peut être recyclée dans une 2. 2477134 certaine mesure, mais un recyclage total est rendu impossible par l'élévation indésirable de la teneur de la poussière en matières alcalines. Si la teneur en substances alcalines s'élève trop, le produit final perd ses propriétés de cimen- tation. Aussi, dans la plupart des installations o un recyclage est effectué, il faut réaliser une dérivation des substances alcalines sur les effluents gazeux provenant du four afin d'éliminer une partie de la poussière et des substances alcalines et de limiter ainsi la teneur en substances alcalines de la charge du four. Il apparaît donc que la poussière de four chargée en substances alcalines pose industriellement un problème important de pollution de l'environnement. De plus, le problème de la perte des poussières est coûteux, car cette perte de poussières diminue le rendement de production et d'utilisation des matériaux de l'installation. L'invention concerne donc un procédé de production de clinker de ciment à partir de la poussière résiduelle d'un four à ciment. Le procédé selon l'invention apporte une solution au problème de la manutention et de la mise au rebut de la poussière résiduelle d'un four à ciment. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de récupération de produits utiles à partir de la poussière résiduelle d'un four à ciment afin d'accroître le rendement de la production du ciment et de réduire les coûts des déchets. Le procédé selon l'invention permet notamment de récupérer des produits riches en potassium à partir de la poussière résiduelle d'un four à ciment. L'invention concerne également un procédé permettant d'éliminer le soufre du clinker de ciment provenant de la poussière résiduelle du four, dans le cas o la concentration de cet élément est supérieure à celle souhaitée. L'invention concerne donc un procédé qui consiste à collecter la poussière résiduelle d'un four' à ciment et à l'introduire dans un four à arc. La poussière est fondue, par exemple à une température d'environ 17601C, température à laquelle les sulfates alcalins sont volatilisés afin qu'il ne reste qu'une masse fondue ayant une composition acceptable comme clinker de ciment. La matière volatilisée peut être recueillie et peut constituer un second produit utile en raison de sa forte teneur en potassium. Cette dernière matière peut être utilisée pour la production d'engrais ou comme matière première à partir de laquelle du potassium peut être extrait sous des formes plus pures. Une autre caractéristique de l'invention repose sur la découverte qu'il est possible d'éliminer le soufre de la masse fondue de clinker de ciment si la concentration de cet élément est supérieure à celle souhaitée et, selon l'invention, l'excédent de soufre est éliminé par l'addition -à la poussière de matières alcalines telles que K2CO3, Na2CO3 ou NAHCO3. Ces matières se combinent avec le soufre aux températures élevées régnant dans le four pour produire des substances volatiles qui se dégagent du four sous forme de fumées pendant la formation du clinker de ciment. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre au moyen d'un four rotatif et d'un four électrique classiques. Le four rotatif reçoit les matières premières du ciment, sous forme de poudres, et, comme mentionné précé- demment, les ingrédients secs se déplacent de l'extrémité haute et relativement froide du four vers l'extrémité plus chaude, par suite de la rotation du four et de l'effet de cascade provoqué par cette rotation. Un précipitateur électrostatique de conception classique est destiné à recueillir les poussières résiduelles s'échappant du four. Les matériaux récupérés par le précipitateur sont ensuite dirigés vers une trémie de stockage pour être utilisés dans le procédé de l'invention. Le mode de collecte de la poussière n'entre pas dans le cadre de l'invention et il peut varier largement suivant la conception du four. Une poussière typique produite par un four rotatif à ciment Portland peut avoir la compo- sition suivante: Composé % dans la poussière du four SiO2 15,7 Al203 4,4 Fe2O3 - 2,5 CaO 49,2 3. - 2477134 MgO 1,0 SO3 5,4 Na2O 0,2 K20 4,0 L.O.I. (pertes par combustion pendant l'analyse, comprenant de l'eau, du CO2, etc.) 17,6 ,0 % La poussière recueillie est introduite dans un four à arc qui comporte généralement une enveloppe métallique, un garnissage réfractaire et un toit traversé d'une ou plusieurs électrodes. Dans la forme de réaiisation préférée décrite dans le présent mémoire, le four peut être un four à arc d'une puissance de 150 kVA. Après que la poussière a été introduite dans le four, elle est chauffée pour former une masse fondue. En pratique, il est apparu que la masse fondue se forme à environ 1760 C, température qui est supérieure d'environ 220 C aux températures maximales rencontrées dans des fours à ciment. La température est commodément mesurée au moyen d'un thermocouple à immersion. La température de 1760 C du bain est suffisamment élevée pour volatiliser, les sulfates de sodium et de potassium -dont les points d'ébullition sont respectivement d'environ 1010 et 1690 C. La masse fondue ainsi produite présente une composition acceptable pour du ciment Portland, comme indiqué par la composition suivante du produit Composé % dans le clinker produit SiO2 20,90 A1203 6,15 Fe203 4,38 CaO 63,60 MgO 1,50 so3 0,38 Na2O 0,08 K20 0,43 Divers 2,58 ,0% On peut noter, en comparant les deux tableaux précédents, que les concentrations de MgO, SO3, Na2O et K20 4. 5. sont sensiblement réduites par le procédé de traitement au four à arc. Une caractéristique importante de l'invention réside dans la découverte que les composants éliminés de la poussière constituent ensemble un second produit valable. Par exemple, la composition des produits alcalins dégagés du processus initial de fusion et récupérés est la suivante: Composé % dans les résidus SiO2 1,1 Al203 0,15 Fe23 0,97 CaO 2,7 MgO 6,6 so3 36,6 Na2O 2,4 K O 40,5 L.O.I. 3,6 Divers 3,5 98,1 % Cette matière est relativement riche en potassium dont la plus grande partie est sous la forme de sulfate de potassium. Cette matière convient à une utilisation dans des engrais ou comme matière première à partir de laquelle le potassium peut être extrait sous une forme plus pure. Le procédé selon l'invention constitue donc une nouvelle source industrielle de potassium. Les fumées dégagées du four pendant le processus de fusion du clinker de ciment peuvent être collectées dans un précipitateur électrostatique ou dans une installation de filtration. Une autre caractéristique de l'invention repose sur la découverte d'un procédé particulier permettant d'éliminer le soufre de la masse fondue du clinker de ciment si la concentration de cet élément est supérieure à celle souhaitée. Cette élimination est réalisée par l'addition de matières alcalines en poudre, par exemple de K2CO3, de Na2CO3 ou de NAHCO3, à la poussière avant le chauffage. Aux tempé- ratures produites dans le four, ces matières se combinent avec le soufre présent dans la poussière et elles produisent des composés de sulfates volatils qui se dégagent aisément des masses fondues à température élevée. i i 6. Un exemple de ce processus d'élimination du soufre sera à présent décrit. On mélange, à 22,7 kg de poussière résiduelle de four telle que décrite précédemment, 0,82 kg de carbonate de potassium (K2Co3) en poudre afin d'obtenir un mélange de départ ayant la composition suivante: composé % dans le mélange de départ S i02 15,1 Al203 4,2 Fe203 2,4 0 CaO 47,4 MgO 0,96 S 3 5,2 Na2O 0,19 K20 7,5 L.O.I. 17,0 Divers 0,05 ,00 % Sous l'effet d'un chauffage dans le four à arc à environ 17051C, la teneur en sulfate est réduite à un niveau sensiblement inférieur à celui obtenu sans apport de matières alcalines. Le procédé de l'invention présente donc un certain nombre d'avantages importants. Tout d'abord, on tire avantage de l'obtention de deux produits utiles à partir de la poussière résiduelle du four. Un second avantage est que le procédé peut être adapté à différents types de poussière résiduelle de fours, étant entendu que la composition de la poussière peut varier suivant la concentration des matériaux contenus dans la charge du four. Il est évident à l'homme de l'art, après lecture du présent mémoire, que de la chaux ou de la silice peut être ajoutée à la poussière si la composition l'exige. Il va- de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit sans sortir du cadre de l'invention. 7 2477134 REVENDICATIONS 1. - Procédé de récupération de produits utiles à partir de la poussière résiduelle d'un four rotatif à ciment, cette poussière ayant une teneur *en substances alcalines supérieure à celle nécessaire à la production de clinker de ciment, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à collecter la poussière, à l'introduire dans un four à arc et à la chauffer à l'intérieur du four jusqu'à une température suffisante pour former une masse fondue présentant des propriétés de clinker de ciment souhaitables, et pour éliminer par volatilisation les sulfates alcalins' de cette masse fondue. 2. - Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la poussière est portée dans le four à une température de 16900C ou plus. 3. - Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la température de chauffage est d'environ 1760 OC. 4. - Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il consiste à récupérer, pendant l'étape de chauffage, des produits dégagés du four par volatilisation. 5. - Procédé de récupération de produits utiles à partir de la poussière résiduelle d'un four rotatif à ciment, cette poussière ayant des teneurs en soufre et en matières alcalines supérieures à celles nécessaires à la production d',un clinker de ciment acceptable, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à collecter la poussière, à mélanger à cette poussière une quantité suffisante de matières alcalines en poudre pour que ces matières se combinent,. sous l'effet d'un chauffage, avec l'excédent de soufre présent dans la poussière afin de former des composés volatils de. sulfates alcalins, à introduire ladite poussière et le mélange de matières alcalines dans un four à arc et à chauffer le mélange introduit dans le four à une température suffisante pour former lesdits composés de sulfates volatils et une masse fondue ayant des propriétés de clinker de ciment souhaitables, et pour en éliminer- par volatilisation les sulfates alcalins. 2477134 - 6. - Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le mélange est chauffé dans le four à une température de 16900C ou plus. 7. - Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que la température de chauffage est d'environ 17600C. 8. - Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce qu'il consiste en outre à collecter les produits dégagés du four par volatilisation pendant l'étape de chauffage, afin de récupérer une matière à forte teneur en potassium. 9. - Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 5 à 8, caractérisé en ce que la matière alcaline en poudre est choisie parmi K2C03, Na2CO3, NAHCO3 ou des mélanges de ces matières. 8.