Brevet FR2492076A1 — publié le 19820416

La présente invention se rapporte à un procédé pour la calcination du carbonate de chaux et de matières premières minérales analogues notamment suivant le procédé régénératif au moyen de combustibles solides pulvérulents et/ou granuleux dans un four droit comportant au moine une cuve, le combustible nécessaire à la calcination étant introduit au moyen de plusieurs conduits d'alimentation dans la cuve utilisée en tant que cuve de calcination ou cuve à flux parallèles. L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé. Par le brevet AT 211 214 on connatt déjà un procédé pour la calcination du carbonate de chaux et d'autres matitres premières minérales analogues qui est utilisé fréquemment pour la construction de fours droits à flux parallèles et à contre-courant présentant au moins deux cuves. La mise en oeuvre de ce procédé est relativement simple et il présente en plus d'une faible consommation en énergie l'avantage important de permettre de réaliser, au choix, aussi bien une calcination douce que des calcinations moyenne et dure. La répartition uniforme du combustible nécessaire à l'obtention d'une matière calcinée de haute qualité et l'introduction du combustible en quantités bien réparties dans le temps peuvent être obtenues de façon relativement simple lorsqu'on utilise des combustibles gazeux, par exemple des combustibles liquides vaporisés qui sont injectés à plusieurs endroits de la section transversale de la cuve. Par le brevet DE 945 378 il est également connu d'utiliser,pour la calcination du carbonate de chaux ou de matières analogues dans des fours annulaires ou dans des fours droits, de la poussière de charbon qui est introduite à différents niveaux dans la zone de combustion afin d'obtenir une calcination graduelle. Ce procédé d'alimentation en combustible nécessite la présence d'un grand nombre de conduits sans cependant obtenir une répartition uniforme du combustible pour toute la section transversale de la cuve. La présente invention a pour objet de perfectionner un procédé du type défini ci-dessus de façon que la qua- lité du carbonate de chaux calciné ou celle d'une autre matière analogue calcinée soit sensiblement comparable à la qualité d'une matiere calcinée au moyen d'un combustible constitué par des hydrocarbures liquides ou gazeux. Les problèmes exposés ci-dessus sont résolus conformément à l'invention par un procédé qui est caractérisé en ce que le combustible solide, introduit par les ouvertu- res d'admission à l'endroit où commence la zone de combustion de la cuve de calcination ou de la cuve à courants parallèles, est réparti uniformément sur toute la section transversale de la cuve. L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé et qui est caractérisée en ce que les ouvertures d'admission pour le combustible se trouvent aux extrémités de lances d'injection réparties uniformément sur la section transversale des cuves. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet est représentée, à titre d'exemple non limitatif, aux dessins annexés. La fig. 1 est une coupe verticale représentant schématiquement un four droit destiné à la mise en oeuvre du procédé régénératif à courants parallèles et qui comporte deux cuves dont l'une constitue la cuve de calcination ou la cuve à courants parallèles tandis que l'autre cuve constitue la cuve à contre-courant. La fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1. La fig. 3 est une représentation schématique d'une installation de dosage destinée à alimenter la'cuve de calcination en combustible solide granuleux et/ou pulvérulent, la cuve de calcination étant représentée, d'une part, en coupe et, d'autre part, en élévation latérale vue dans le sens de la flèche A. La fig. 4 montre schématiquement un détail d'une installation pour le dosage de combustibles solides granuleux et/ou pulvérulents destinés à l'alimentation de la cuve de calcination d'un four droit. Le four droit ,représenté schématiquement aux fig. 1 et 2, comporte deux cuves 1, 2 qui communiquent l'une avec l'autre par un canal de passage 20 prévu à l'extrémité inférieure de la zone de combustion B. La cuve 1 constitue dans l'exemple représenté la cuve de calcination ou la cuve à courants parallèles et la cuve 2 constitue la cuve à contre-courant. L'air de combustion 8 est introduit par le haut dans la cuve 1 tandis qu'aux gaz produits par la combustion on mélange, lors de leur passage dans la cuve 2, de l'air de refroidissement 12 qui est introduit dans les cuves par le bas et,après réchauffement de la matière présente dans la cuve 2, les gaz brûlEs 9 sortent à l'extrémité supérieure de la cuve 2.A la fin de la combustion le processus se déroule dans le sens contraire, c'est-à-dire que la cuve 2 devient la cuve de calcination ou la cuve à courants parallèles et la cuve 1 devient la cuve à contre-courant. La partie supérieure des cuves 1, 2 constitue la zone de préchauffage V dans laquelle sont disposées les lances d'injection 3 se terminant par les ouvertures 30. Les lances d'injection de la cuve 1 sont alimentées en un combustible solide pulvérulent par l'intermédiaire de conduits 4, tandis que les lances 3 se trouvant dans la cuve à contre-courant, à la fig. 1 la cuve 2, sont refroidies par un agent réfrigérant, par exemple par de l'air comprimé. La fig. 2 montre que les lances d'injection 3 sont disposées en deux rangées à l'intérieur de la section rectangulaire de la cuve. De ce fait elles sont réparties uniformément et on obtient,à l'entrée de la zone de combustion B, une distribution uniforme du combustible solide sur la matière en combustion de façon qu'on trouve une matière calcinée uniformément à la fin de la zone de combustion, c'est-i-dire à l'entrée de la zone de refroidissement K. L'invention n'est pas limitée à des fours droits comportant deux cuvee de section rectangulaire. Les cuves peuvent également présenter une section polygonales ovale ou cylindrique et elles peuvent autre disposées l'une a côté de l'autre ou coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre . Dans le dernier cas la cuve extérieure présente une forme annulaire et la cuve intérieure une forme cy- lindrique. Afin d'obtenir une matière calcinée de haute qualité,il est surtout important que le débit du combustible alimentant les lances d'injection 3 soit constant dans le temps. A cet effet on utilise une installation de dosage du type représenté aux fig. 3 et 4. A la figG 3 la cuve 1 est représentée en coupe et on élévation latérale vue dans le sens de la flèche A. L'une des extrémités d'un conduit de dosage 16 est reliée par l'intermédiaire d'un raccord 15 à deux conduits 14 dont chacun est relié grâce à l'em- branchement 13 à chaque fois deux conduits d'alimentation 4 des lances 3.A l'autre extrémité du conduit de dosage 16 est raccorde une buse de propulsion 17 qui est reliée, -d'une part, à 'ni dispositif de dosage 18 pour le combustible et, d'autre part, à un conduit 19 pour un gaz de pro- pulsion. Un compresseur 21 est relié au conduit 19 par l'intermédiaire d'un réservoir à- air comprimé 22. Le dispositif do dosage 18 est composé d'un réservoir de pesage 23, d'un sas de transport 24 prévu sur le côté d'entrée de ce dernier, de deux sas de dosage 23 et d'une vanne d'arrêt 26 prévus sur le côté sortie du réservoir 23. Les deux sas 24, 25 comportent chacun une roue cellulaire qui est entrainée par un moteur, les deux sas de dosage 25 sont obtenus en subdivisant la roue cellulaire d'un sas à roue cellulaire. Au-dessus du réservoir de pesage 23 est disposé un silo 27 pour le combustible, par exemple de la poussière de charbon, et dont la sortie est reliée au sas de transport 24. Un aérateur 28 mund d'un filtre ,et faisant communiquer l'intérieur du silo 27 avec l'atmosphère, est monté extérieurement sur la paroi horizontale supérieure du silo. Afin d'empêcher le combustible solide de s'agglomérer un dispositif d'ameublissement 29 est prévu dans la partie inférieure du silo 27. Ce dispositif d'ameublissement 29 qui, dans l'exemple de réalisation représenté à la fig. 3, est constitué par un conduit 29 insufflant un gaz, de préférence du gaz carbonique, à l'intérieur du silo 27, assure un écoulement continu et régulier du combustible dans le sas de transport 24.Cependant il est également possible d'utiliser en tant que dispositif d'ameublissement des moyens mécaniques, par exemple des secoueurs ou des vibreurs. Le remplissage du silo 27 s'effectue par l'intermédiaire d'un conduit 31, par exemple à l'aide d'air comprimé. La vanne 32 permet d'interrompre l'écoule- ment du combustible du silo 27. Des conduits 33 servent à l'aération du réservoir de pesage 23 et ils sont reliés avantageusement au silo 27. Les lances d'injection 3 sont de préférence reliées à une plaque de montage 34 afin de pouvoir les retirer facilement lors d'une inspection. La fig. 4 montre une installation semblable à celle de la fig. 3, c'est pourquoi les pièces identiques portent les mêmes références. L'installation de dosage suivant la fig. 4 comporte quatre conduits de dosage 16 dont chacun se prolonge par deux conduits d'alimentation 4. En amont de chaque embranchement 13 est prévue une vanne à trois voies 35 qui permet de diriger le combustible arrivant par le conduit 16 vers les deux lances d'injection correspondantes 3 de la cuve 2 lorsque cette dernière remplit la fonction de cuve de calcination et la cuve 1 la fonction de cuve à contre-courant. Une soufflerie 36 sert au refroidissement des lances d'injection 3 de la cuve fonctionnant en tant que cuve à contre-courant. L'air de refroidissement peut être dirigé soit vers les lances de la cuve 1 soit vers les lances de la cuve 2 à l'aide de vannes d'arrêt 37. Comme cela ressort de la fig. 4, huit lances d'injec- tion nécessitent la présence de quatre sas de dosage 23 qui sont obtenus, de préférence, en subdivisant un sas à roue cellulaire plus important. L'installation de dosage selon les fig. 3 et 4 fonctionne de la façon suivant a. Le gombustible solide, par exemple de la poussière de charbon, est tout d'abord introduit dans le réservoir de pesage 23 par l'intermédiaire du sas de transport 24, jusqu'à ce que la quantité requise soit atteinte. Au début du processus de calcination les sas de dosage sont mis en service et en même temps les quatre buses de propulsion 17 sont alimentées par une quantité suffisante de gaz de propulsion produite par le compresseur 21. Etant donné qu'aussi bien la quantité de combustible que celle de gaz de propulsion sont dosées, le débit du combustible au niveau des lances d'injection 3 est continu et constant dans le temps. A la fin du processus de calcination le réservoir de pesage 23 est de nouveau rempli de la quantité de combustible requise et après inversion de la vanne à trois voies 33 le processus de calcination débute dans la cuve 2.Le processus de calcination se déroule ensuite alternativement dans les cuves 1 et 2. Le silo à combustible 27 est surveillé par des capteurs de valeur limite 38 afin qu'il contienne toujours suffisamment de combustible. Des essais de calcination industriels ont été réalisés dans un four droit à deux cuves dont la section trans 2 versale était de 3,8 m et la hauteur de la zone de combus- tion de 7,0 m. La granulométrie du carbonate de chaux était comprise entre 30 et 90 m. Lors fe la période de calcination la cuve 1 était toujours chauffée par de la poussière de charbon et la cuve 2 toujours par du gaz naturel. La valeur calorifique nette était de 8700 koal = 36 540 kJ/m2 Les huit lances d'injection 3 réparties dans la cuve 1 selon la fig. 2 ont été alimentées par une installation de dosage analogue à celle décrite en référence à la fig. 3. La cuve 2 fonctionnait en tant que cuve à contre-courant et après inversion la cuve 2 a été chauffée au gaz naturel et la cuve 1 fonctionnait en tant que cuve à contre-courant pour l'évacuation des gaz de fumée. I1 ressort de ces essais de calcination que la poussière de charbon se consume très bien dans un courant parallèle d'air chaud à environ 7000C (la température relevée au niveau des ouvertures 30) et qu'on obtient une chaux calcinée d'une qualité qui est comparable à celle d'une chaux dont la calcination s'est effectuée au moyen de gaz naturel ou d'un autre combustible liquide ou gazeux. La consommation de chaleur par tonne de chaux est pratiquement identique indépendamment du fait qu'on utilise de la poussière de charbon ou des combustibles liquides ou gazeux. Le tableau 1 annexé est un relevé analytique des différentes qualités de charbon qui ont été utilisées pour les essais de calcination. Le tableau 2 est un relevé analytique de la chaux calcinée qui a été obtenue en utilisant les différentes qualités de charbon énumérées au tableau 1. A titre de comparaison l'analyse de la chaux calcinée dans le mdme four mais au moyen de gaz naturel est également représen tée au tableau 2. Lorsque les deux cuves sont chauffées par de la poussière de charbon, on doit utiliser une installation de dosage suivant la fig, 4 dont les conduits de dosage 16 menant vers les lances d'injection 3 comportent des vannes à trois voies 33 pour l'inversion du flux de combustible d'une cuve à l'autre. I1 est encore à noter que la valeur industrielle et économique du procédé décrit est exceptionnelle du fait que la consommation de chaleur du four droit est d'au moins 30 ,' inférieure à celle d'un four tournant équipé d'un préchauffeur et convenant également au chauffage à la poussière de charbon. Il a été en outre constaté, de façon surprenante, que l'utilisation du combustible solide permet un fonctionnement exempt de perturbations mOme pour de longues périodes de service, lorsque le rapport du mélange fluide porteurcombustible est compris entre 0,2 et 0,8 m3 de fluide porteur par kg de combustible, mais de préférence entre 0,45 et 0,70 m3 de fluide porteur par kg de combustible. Dans cette plage il n'y a pas de formation de dépits à l'inté- rieur du conduit d'alimentation 4 ou à l'intérieur de la lance d'injection 3 et il ne se produit pratiquement pas d'usure par friction au niveau de la paroi des conduits. Le rayon de courbure du conduit en amont de la lance d'ln- jection est de préférence égal ou supérieur à 980 mm. La lance d'injection 3 peut alors outre réalisée en un acier normal et ne nécessite aucun isolement ou refroidissement. La plage indiquée ci-dessus pour le mélange fluide porteurcombustible est également valable pour différentes natures de combustibleipar exemple la lignite et la houille Les teneurs en cendres peuvent également varier dans une plage relativement importante comprise entre 4 et 25 %. Les avantages décrits ci-dessus peuvent également Outre obtenus lorsqu'on utilise la poussière de charbon de bois en tant que combustible cependant le procédé suivant l'invention ne nécessite pas une gazéification du charbon de bois qui provoquerait une perte du rendement énergétique. De ce fait on profite pleinement du pouvoir calorifique du charbon de bois lors du processus de combustion et on peut faire des économies importantes en ce qui concerne les frais d'investissement tout en obtenant une consommation de chaux leur minimale comme c'est le cas lorsqu'on utilise un gaz ou un combustible liquide.Les économies en combustible sont de 23 à 50 * par rapport à la quantité de combustible nécessaire à des procédés de calcination réalisés dans des fours tournants équipés ou non de préchauffeurs En consé- quence le présent procédé pour la calcination du carbonate de chaux ou de matières premières minérales analogues peut présenter un intérAt économique très important pour cer- tains pays. La poussière de charbon de bois est, de préférence, finement broyée en présentant une granulométrie qui est inférieure à 90 ,u. L'introduction de la poussière de char- bon dans le four s'effectue, de de façon analogue aux autres combustibles, au moyen d'un fluide porteur gazeux mais il est également possible d'utiliser un fluide porteur liquide, Les lances d'injection peuvent être constituées par des tubes d'acier simples et non refroidis;capendant ces tubes d'acier peuvent également être enrobés d'une matière isolante et/ou être disposés à l'intérieur d'un autre tube formant enveloppe.Lors du fonctionnement du four droite il est avantageux dtintroduire la poussière de charbon dans la matière à calciner à un endroit où la température du carbonate de chaux à calciner et la température de l'air de combustion admis sont supérieures à la température éclair'c'est-à-dire d'allumage de la poussière de charbon de bois. En raison de la répartition régulière des ouvertures de sortie des lances d'injection par rapport à la section transversale de la cuve,on obtient également une répartition uniforme du combustible solide à l'intérieur des espaces vides de la matière en vrac. Par la disposition des ouvertures de sortie des lances au niveau du début de la zone de combustion Biles gaz de distillation provenant de la poussière de charbon sont utilisés complètement pour la combustion et de ce fait pour la calcination du carbonate de chaux ou d'une matière analogue lors de la combustion se déroulant de haut en bas par courants parallèles. Tableau 1 Caractéristiques des différents charbons utilisés pour les essais de calcination du carbonate de chaux dans un four droit Lignite Lignite Houille Charbon bitum@ neux allemande grecque allemande d'Afrique du Sud Teneur en cendres (%) 3,66 15,17 20,0 13,3 Humidité (%) 10,0 11,75 1,0 9,1 Composants volatils (%) 45,41 8-10 22,3 Soufre (%) 0,40 1,7 1,0 Charbon pur (%) 86,34 Pouvoir calorifique (kcal/kg) 5170 4170 6400 5960 (kJ/kg) 21700 17500 26880 25000 Finesse (% Chaux calcinée Granulométrie 1. Chauffage au gaz naturel 0-3 mm > 3 mm SiO2 + composants insolubles 1,0 % 1,1 % Al2O3 1,1 % 0,7 % Fe2O3 0,4 % 0,6 % CaO 93,6 % 94,0 % MgO 2,4 % 2,4 % SO3 0,085 % Pertes par cuisson 1,3 % 1,3 % 2. Chauffage à la lignite allemande 0-3 mm > 3 mm SiO2 + composants insolubles 1,3 % 0,5 % Al2O3 2,7 % 1,7 % Fe2O3 1,6 % 0,3 % CaO 87,9 % 93,4 % MgO 2,7 % 1,2 % SO3 2,8 % traces Pertes par cuisson 1,2 % 2,4 % Tableau 2 (deuxième partie) 3. Chauffage à la houille grecque 0-3 mm > 3 mm SiO2 + composants insolubles 22,7 % 0,5 % Al2O3 5,0 % 1,7 % Fe2O3 1,7 % 0,4 % CaO 62,2 % 92,1 % MgO 1,7 % 4,6 % SO3 4,9 % 0,2 % Pertes par cuisson 1,4 % 0,5 % 4. Chauffage à la houille allemande 0-3 mm > 3 mm SiO2 + composants insolubles 1,3 % 0,3 % Al2O3 1,9 % 1,1 % Fe2O3 0,7 % 0,6 % CaO 94,1 % 97,0 % MgO 0 % 0 % SO3 0,8 % 0,6 % Pertes par cuisson 1,1 % 0,6 % 5. Houille d'Afrique du sud 0 - 90 mm Pertes par cuisson 0,3 - 2,5 % REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la calcination du carbonate de chaux et de matières premières minérales analogues notamment suivant le procédé régénéra tif au moyen de combustibles solides pulvérulents et/ou granuleux dans un four droit comportant au moins une cuve, le combustible nécessaire à la calcination étant introduit au moyen de plusieurs conduits d'alimentation dans la cuve utilisée en tant que cuve de calcination ou cuve à flux parallèles, caractérisé en ce que le combustible solide, introduit par les ouvertures d'adiission à l'endroit où commence la zone de combustion de la cuve de calcination ou de la cuve à courants parallèles, est réparti uniformément sur toute la section transversale de la cuve. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible est introduit dans la cuve de calcination ou à courants parallèles d'un four droit fonctionnant selon le principe régénératif à courants parallèles et comportant au moins deux cuves, par exemple, des cuves de section circulaire, ovale ou rectangulaire et disposées l'une à côté de l'autre ou coaxialement l'une à l'intérieur de l'autre. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cuve,fonetionnant en tant que cuve de calcination, est chauffée au moyen de poussière de charbon de bois se présentant de préférence sous une forme finement broyée et d'une granulométrie inférieure à 90 y1. 4 - Procédé suivant l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le combustible solide alimentant la cuve de calcination est pesé à l'extérieur de cette dernière avant le démarrage de chaque cycle de calcination pour être introduit ensuite 'de façon continue et régulière pendant la période de calcination, au moyen d'un fluide porteur. 5 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le combustible est introduit dans la matière à calciner en vrac au niveau d'une zone dans laquelle la température du carbonate de chaux à calciner ainsi que la température de l'air de combustion admis sont supérieures à la température d'allumage de la poussière de charbon de bois. 6 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les ouvertures d'admission (30) pour le combustible se trouvent aux extrémités de lances d'injection (3) réparties uniformément sur la section transversale des cuves (1, 2). 7 - Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les lances d'injection (3) sont reliées à une installation de dosage pour le combustible et en ce que les conduits d'alimentation (4) d'au moins deux lances d'injection (3) sont réunis et reliés à un conduit de dosage (16) qui est alimenté en combustible provenant d'un réservoir de pesage (23) et en gaz de propulsion pro- venant d'un conduit (19) relié k une source de gaz sous pression. 8 - Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le conduit de dosage (16) est relié aux lances d'injection correspondantes (3) de la deuxième cuve (2) par l'intermédiaire d'un élément (35) pour l'inversion du flux. 9 - Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que chaque conduit de dosage (16) est relié par son extrémité menant vers le réservoir de pesage (23) à une buse de propulsion (17) qui par son côté d'aspiration est reliée à un sas de dosage, par exemple un sas à roue cellulaire. 10 - Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que les ouvertures d'injection de combustible (30) des tubes d'acier sont disposées suivant un pan horizontal situé au niveau de la fin de la zone de préchauffage (v) et du commencement de la zone de calcination (B). 11 - Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que les tubes d'acier forment des lances d'injection (3) qui, de préférence, ne sont pas refroidies et isolées et qui sont suspendues à l'intérieur de la zone de préchauffage (v). 12 - Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que le mélange fluide porteur-combustible s'écoulant à l'intérieur des tubes d'acier (3) présente un rapport compris entre 0,2 et 0,8 m3, de préférence entre 0,4g et 0,70 m3 de fluide porteur par kg de combustible. 13 - Installation suivant la revendication 11, caractérisée en ce que les lances dtinjection (3) sont disposées à l'extrémité d'un conduit d'alimentation horizontal (4) et en ce que la partie du conduit, assurant la liaison entre le conduit d'alimentation (4) et la lance (3), présente une courbure dont le rayon moyen n'est pas inférieur à 300 mm. 14 - Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que les lances dtinjection (3) suspendues à l'intérieur de la zone de préchauffage (V) des cuves (1, 2) sont constituées par un tube double et en ce qu'un fluide de refroidissement gazeux circule à l'intérieur de l'espace annulaire délimité par les deux tubes coaxiaux. 15 - Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les conduits pour l'admission du combustible pénètrent dans la zone chaude de la zone de préchauffage (V) en étant portés par des poutres métalliques et refroidies ou par des supports en céramique non refroidis.