Brevet FR2510985A1 — publié le 19830211

La présente invention est relative à la fabrication de ciment. Actuellement, pour produire du ciment on part d'une ma tière première qui est très généralement un mélange de roches calcaires et argileuses broyées finement. On soumet ce mélange à une préparation qu'on va décrire ensuite, puis on la chauffe progressivement Jusqu'à une température pouvant atteindre environ 15000C. Au moins la fin de ce traitement a lieu dans un four tournant. Au cours du chauffage, l'eau qui existe dans la matière préparée est d'abord évaporée. L'eau dite "libre", c'est-à-dire l'eau de préparation de la pâte en voie humide, de granulation en voie semi-sèche ou simplement d'adsorption en voie sèche, s'évapore la première à 1000C.Puis l'eau combinée dans la constitution des argiles est évaporée et ne disparut complètement que vers 500 à 6O00C. Au cours du-chauffage, on aura donc le départ de l'eau libre vers 100oye (c'est le séchage des matières premières), puis celui de l'eau combinée qui s'étale sur des plages de température variables en fonction des argiles qui entrent dans la constitution du cru. On admet qu'à 6000C il n'y a plus d'eau combinée ou seulement des traces négligeables. Ensuite, au cours du chauffage, les carbonates sont décomposés vers 9000C, et enfin les réactions chimiques qui correspondent à ce qu'on appelle la clinkérisation interviennent jusqu'à la température de 1400 ou 15000C. Un mourant de gaz chauds continu (ou plusieurs courants de gaz successifs), circule à contre-courant des matières à traiter et amène celles-ci aux températures voulues. De la chaleur est fournie aux gaz essentiellement par un brûleur situé vers la sortie du four tournant, et cette chaleur est transmise par obtenu les gaz aux matières à traiter. Lefelinker kst ensuite refroidi. La préparation des matières premières se fait suivant plusieurs méthodes - dans la "voie humide", on prépare une suspension pateu se de matières premières avec environ 30 % à 35 % d'eau. - dans la "voie semi-humide", on expulse mecaniquement une partie de l'eau de la suspension, avant le traitement thermique. Par filtration et boudinage, on abaisse la teneur en eau à 20 %. - dans la "voieseml-sèche", on broie les matières premières pour former une "farine", ce broyage ayant lieu à sec, c'est-à-dire après un séchage préalable des matières premières qui comprennent usuellement 4 à 7% d'eau. La farine, qui ne contient pas d'eau est ensuite façonnée en granules, de diamètre de l'ordre de 5 à 25-millimètres, avec addition de 12 à 15 % d'eau. Les granules sont ensu-ite séchés par les gaz chauds sur une grille type grille "Lepol" avant d'être introduits dans le four tournant. Les granules peuvent aussi être séchés dans la partie amont, munie d'échangeurs,des fours rotatifs (fours longs à granules). - dans la "voie sèche", on prépare une farine de la même manière que ci-dessus, puis on l'échauffe par contact avec les gaz chauds dans des installations de cyclones, ou "tours" successifs Jusqu'au voisinage de la température de décomposition des carbonates ou un peu au-delà, puis on l'introduit dans le four. Les études thermiques ont montré que trois conditions commandent la quantité de chaleur à fournir aux gaz pour que ceux-ci la transmettent aux matières à traiter de façon à obtenir les transformations désirées 1) la quantité de chaleur fournie par les gaz à la température maximale doit être suffisante pour obtenir la clinkérisation, 2) la quantité de chaleur fournie par les gaz aux environs de 9000C doit être suffisante pour la décomposition des carbonates. 3) la quantité de chaleur fournie par les gaz aux environs de 100 C doit être suffisante pour l'évaporation de l'eau libre. On notera que la température des gaz doit être à chaque fois supérieure d'environ 1000C à celle de la matière à traiter. On a établi que, dans le cas de la voie humide, la quantité d'eau est telle que c'est elle qui détermine la quantité de chaleur totale à fournir aux gaz, c'est-à-dire la puissance (ou consommation) du leur. Dans le cas de la voie sèche,c'est la proportion des carbonates qui détermine la puissance du brûleur. Dans le cas de la voie semi-sèche, la détermination faite à partir de la teneur en eau des granules ou à partir de la proportion de carbonates aboutit sensiblement à la même puissance de brûleur.On aboutit donc au résultat que, si à partir de la voie humide on diminue la teneur en eau de la matière première entre 30 et 12-15 %, on diminue en même temps la puissance et la consommation du brûleur, mais qu'en dessous de cette teneur en eau, la puissance et la consommation du brûleur ne varient plus, puisqu'elles sont commandées par la proportion de carbonates. Dans le cas de la voie sèche, les gaz chauds sont surabondants en dessous de la zone des 9000C, puisqu'il n'y a pas d'eau à évaporer et qu'ils servent seulement à augmenter la température des matières premières. I1 est malheureusement difficile de récupérer cette chaleur en excès. En particulier on ne peut prélever une partie du débit de gaz chaud pour d'autres usages, car un débit de gaz important est nécessaire pour maintenir la farine en suspension dans les cyclones. En fait, les gaz sortant des cyclones, et dont la température a été abaisséé jusque vers 3 400 C, doivent encore être dépoussiérés, après quoi ils sont envoyés à la cheminée. En théorie, un peu de chaleur pourrait cependant être récupérée, mais au prix d'investissements tellemen coûteux qu'aucun essai n'a été tenté dans cette voie. Ainsi, non seulement la puissance et la consommation du brûleur ne sont pas sensiblement améliorées quand on passe de la voie semi-sèche à la voie sèche, mais du fait de l'impossibilité pratique de récupérer l'énergie excédentaire due à l'absence d'ea le bilan énergétique global est sensiblement le même. Les chercheurs qui ont étudié la question jusqu'ici ont conclu de cette situation que, s'il était possible d'améliorer le bilan énergétique global en abaissant la teneur en eau de 30% à 12-15X, on arrivait ensuite åun palier sur le plan du bilan énergétique global si on cherchait à diminuer encore la teneur en eau. On dispose, aux deux exttémités de l'intervalle de O à 12-15%.des teneurs en eau, d'appareillages simples et bien au point ; il paraissait donc inutile de pousser les recherches dans la zone intermédiaire, où il se trouve que les appareillages sont plus compliqués. Les recherches menées par les inventeurs ont abouti à renverser ce préjugé défavorable. Elles ont en effet abouti à la découverte inat tendue que, d'une part si on abaisse la teneur en eau audessous de 12% Jusque vers 10%, la consommation du brûleur peut être abaissée correlativement et que d'autre part, avec des teneurs en eau de l'ordre de 3 à 10% moyennant des modalités particulières, on peut encore améliorer le bilan énergétique global grâce à des récupérations de chaleur obtenues au prix d'investissements peu importants. La présente invention fournit donc un procédé pour l'obtention de ciment, selon lequel on prépare par broyage une farine avec la matière première, on agglomère cette farine en la liant avec de l'eau, puis on la soumet à un traitement de chauffage jusqu'à clinkérisation, procédé qui présente la particularité que la quantité d'eau utilisée pour lier la farine est comprise entre 3 et 10% en poids de l'aggloméré obtenu, et de préférence entre 5 et 8% en poids. Selon une modalité préférée de l'invention, on utilise à la place-du granulateur classique une presse à agglomérer dans laquelle le mélange de farine et d'eau est mis en forme par action de la pression. Une telle presse est formée typiquement de deux rouleaux parallèles identiques pourvus d'alvéoles. Ces rouleaux tournent en synchronisme, leurs alvéoles venant en correspondance. La matière est comprimée sous une forte pression l'intérieur de ces alvéoles et sort de l'appareil sous forme d'un boulet de forme arrondie. De telles presses à agglomérer (ou "à bouleter"), sont connues et utilisées depuis longtemps, par exemple pour agglomérer des fines de charbon ou de minerais divers. Elles exigent, pour fonctionner, que la matière à agglomérer soit mélangée avec un liant. Celui-ci est souvent du brai de houille chauffé à sa température de ramollissement, mais d'autres liants sont aussi utilisés, par exemple des solutions aqueuses de produits cellulosiques ou de silicate de soude. I1 aurait pu sembler évident d'utiliser de telles presses dans l'industrie cimentière, mais, jusqu'ici,, cela n'a pas été fait pour diverses raisons. Les tonnages importants utilisés dans l'industire cimentière font obstacle à L'remploi de liants coûteux et les liants les moins chers utilisés dans les autres industries sont déjà d'un prix re lativement élevé. En outre, les produits organiques, lors du chauffage ultérieur, conduisent à la formation de rési dus goudronneux et/ou malodorants alors que le silicate de soude est à proscrire en raison de l'effet nocif des alca lins. I1 est donc interdit, en pratique, d'utiliser au tre chose que l'eau comme liant. On a constaté, en fait, qu'il est possible d'obtenir dans ces conditions des agglomérés utilisables ayant une teneur en eau descendant jus- qu'à 6-7X environ, cette teneur pouvant encore être abaissée par l'emploi d'additifs si les problèmes de court etdou de pollution évoqués plus haut le permettent. Les agglomérés obtenus sont, de préférence, traités dans une installation de séchage, chauffage et éventuellement pré-décarbonatation, comprenant une grille ou dans des procédés type four long à granules. Cette installation est du type classique, avec néanmoins quelques modifications qui seront indiquées plus loin. Un problème apparait cependant avec ces agglomérés, au moins dans certains cas, et notamment lorsqu'ils sont obtenus avec de l'eau pure en proportion relativement faible. Ces agglomérés sont parfois très fragiles et il arrive qu'ils. se détériorent pendant leur transport en direction de la chaîne. En théorie, on pourrait prévoir des installations de manutention ne comportant qu'un minimum d'occasions de chocs, mais dans ce cas, il est très difficile industriellement de se passer d'une trémie de stockage-tampon à chargement par le haut, toutes les autres solutions étant beaucoup plus exigeantes en court et en encombrement. Pour empêcher que les agglomérés ne soient brisés lors de leur transport vers J-a grille, il a été mis au point un complément de procédé qui consiste à soumettre les agglo mérés, sitôt leur sortie de presse, à l'action de gaz chauds, pendant un temps suffisant pour former une couche su'?erfi- cielle séchée et durcie d'épaisseur au moins égale à -i20 environ du rayon moyen de l'aggloméré, cette couche ayant une teneur en eau inférieure à environ 3%. Le transporteur qui reçoit les agglomérés à leur sortie de presse est du. type convoyeur à ban-de souple, et il peut recevoir sans les endommager les agglomérés.Ceux-ci une fois durcis superficiellement, peuvent tomber sans risque sur la grille; celle-ci est nécessairement métallique en raison des températures élevées qu ' elle doit supporter. Il n'est pas nécessaire que le séchage soit complet, il suffit que la couche superficielle durcie soit suffisante pour éviter que les agglomérés ne se brisent au cours des manipulations et stockage qui suivent. En fait, une épaisseurde couche durcie inférieure à 1/5 environ du rayon moyen s'est révélée généralement suffisante. Un séchage plus poussé n'est pas avantageux, car il exige une bande souple plus longue, or celle-ci est coûteuse. Il exige aussi des températures plus élevées dépassant 1400C par exemple, -ce qui réduit la durée de vie de la bande souple. La chaleur nécessaire au durcissement superficiel peut être fournie par exemple, par une dérivation des gaz chauds sortant de la grille,, ou bien par des chaleurs perdues de l'usine. Le durcissement superficiel peut être obtenu par d'autres méthodes que le séchage : réactions chimiques, po lymérisation, etc... Ces méthodes coûteuses, qui exigent d'autres liants que l'eau pure ne conviennent que dans des cas très particuliers, où le gaz pour le séchage fait défaut. Les agglomérés, qu'ils aient ou non été durcis superficiellement après formage, présentent des particularités intéressantes qui les distinguent des granules formés dans un granulateur du type usuel dans les installations opérant par voie semi-sèche. D'une part, leur forme et leurs dimensions sont définies avec précision et sont invariables. En particulier, si les alvéoles sont identiques entre elles, ce qui est le cas normal, les agglomérés sont identiques entre eux, a la fois en forme et en taille. D'autre part, on a constaté que ces agglomérés présentent une résistance remarquable aux chocs thermiques, c'està-dire qu'on peut les mettre directement en contact avec des gaz à 9000e, par exemple, sans qu'ils éclatent. Cela n'est pas le cas avec les granules de type courant, et est sans doute en liaison avec leur teneur en eau plus faible. Ces deux propriétés, ainsi que la teneur en eau plus faible , ont des conséquences sur l'installation de séchage,chauffage et décarbonatation, comportant une grille, qui fait suite au poste de formation des agglomérés et précède le four tournant sur le trajet des matières premières. Elles ont également des conséquences sur la structure d'ensemble de l'usine. Selon la technique classique de la voie semi-sèche, d'une part l'eau introduite pour former les granules doit être évacuée par évaporation, et cela consomme la majeure partie de la chaleur sensible des gaz qui sortent du four tournant, et d'autre part les appareillages utilisés actuellement pour former les granules débitent ceux-ci avec une granulométrie peu homogène, de 5 à 25 mm de diamètre ou plus et une forme relative ment irrégulière. De ce fait, la couche de granules sur la grille doit être relativement mince, pour éviter une perte de charge trop importante sur le trajet des gaz chauds, et les dimensions de la grille doivent être importantes, ce qui a une influence sur les pertes thermiques. En outre, du fait de la faible résistance des granules aux chocs thermiques, l'installation comprend normalement deux chambres traversées par la grille Lepol.Dans la première, les granules froids sont mis en contact avec des gaz partiellement refroidis, à une température de l'ordre de 4000C, et dans la seconde, les granules, ayant perdu leur eau, sont mis en contact avec des gaz chauds, à 9000C environ pour leur chauffage et leur pré-décarbonatation, Les agglomérés préparés selon l'invention présentent l'avantage d'une dimension et d'une forme prati- quement constantes,, d'où des pertes de charge réduites de près de moitié lorsque le flux de gaz traverse une couche d'épaisseur égale. Il est donc possible d'opérer avec des couches d'agglomérés bien plus épaisses, et de réduire les dimensions de la grille et de l'enceinte qui 11 entoure. En outre, la quantité d'eau à évaporer étant réduite à peu près de moitié, la longueur de la grille peut encore une fois etre réduite du fait d'un échauffement plus rapide des agglomérés. Ces différents facteurs font qu'une grille de mêmes dimensions peut fournir'une production augmentée de 10% et plus. Une autre modification importante de la structure de l'usine de production de ciment résulte du fait qu'on a pu opérer avec des teneurs en eau dans les agglomérés réduites dans une proportion qui peut atteindre la moitié, sans toutefois être astreint à utiliser la technique des cyclones,, qui caractérise la voie sèche et présente l'inconvénient d'exiger des débits importants de gaz et de les rendre très poussiéreux en sortie. Le procédé de l'invention ne présente pas ces inconvénients. Comme on l'a dit plus haut, il permet d'obtenir une réduction appréciable de la puissance et de la consommation du brûleur situé en sortie du four tournant, cependant la chaleur véhiculée par les gaz, après qu'ils ont servi à la décarbonatation, est généralement très surabondante. Il est possible de la récupérer soit en utilisant les gaz après qu'ils ont traversé toute l'installation de la grille, mettant ainsi à profit le fait que les agglomérés forment très peu de poussières, si bien que les gaz sont aisément réutilisables pour mettre à profit la chaleur sensible qu'ils ont encore, ainsi que le fait qu'ils sont moins chargés de vapeur d'eau que dans une installation semi-sèche, ou bien en prélevant une partie des gaz soit à l'entrez soit à un point intermédiaire de la grille. Dans une application intéressante de l'invention, au moins une partie des gaz chauds est envoyée au poste de préparation de la farine. Dans ce poste, les matières premières brutes en morceaux, ayant généralement une teneur en eau de 4 à 7% qui provient de leur extraction en carrière, passent soit dans un sécheur suivi-- d'un broyeur à bou lets, soit dans un sécheur-broyeur. Dans les deux cas, la farine sort broyée avec une teneur en humidité négligeable. La chaleur nécessaire au séchage de la matière première brute est généralement fournie par un brûleur auxiliaire indépendant de celui du four. L'utilisation, au moins partielle, de gaz chauds pour le séchage de la matière première brute permet de rédimer des économies appréciables sur le bilan thermique de l'ensemble de l'usine. Un avantage de ce mode de récupération de la chaleur des gaz est que les poussières qu'ils pourraient transporter sont automatiquement recyclées au moins en partie. REVENDICATIONS 1, Procédé pour l'obtention de ciment, selon lequel on prépare par broyage une farine avec la matière première, on agglomère cette farine en la liant avec de l'eau, puis on la soumet à un traitement de chauffage jusqu'à clinkérisation, caractérisé en ce que la quantité d'eau utilisée pour lier la farine est comprise entre environ 3 et 10% en poids de l'aggloméré obtenu, 2. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que ladite quantité d'eau est comprise entre environ 5 et 8S en poids de l'aggloméré obtenu. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise une presse à agglomérer dans laquelle le mélange de farine et d'eau est mis en forme par action de la pression. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la presse est du type à deux rouleaux parallèles identiques, pourvus d'alvéoles et tournant en synchronisme. 5. Procédé selon lune des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'après avoir formé les agglomérés, on les soumet à un durcissement superficiel. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le durcissement est réalisé par un séchage qui abaisse à moins de 3% la teneur en eau d'une couche superficielle d'épaisseur au moins égale à 1/20 environ du rayon moyen de l'aggloméré avant de les transférer dans une installation de calcination séparée. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ltépaisseur de la couche superficielle à moins de 3% ne dépasse pas 1/5 environ du rayon moyen de l'aggloméré. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le séchage des agglomérés est opéré à une température quine dépasse pas 1400C. 9. Procédé selon l'une des revendicatos 1 à 8, caractérisé en ce qu'on soumet les agglomérés tels que formés ou seulement après durcissement superficiel, directement à l'action de gaz à température supérieure à 5000C. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, et selon lequel on utilise le même courant de gaz chauds pour assurer la décarbonatation-et le s-échage des agglomérés, caractérisé en ce qu'on détourne une partie de ces gaz chauds qui sont surabondants pour assurer le séchage, et qu'on utilise cette partie des gaz chauds pour améliorer le bilan énergétique global de l'usine. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on utilise ladite partie des gaz chauds détournée au séchage de la matière première brute en vue de sa transformation en farine. 12. Boulets ou agglomérés mis enoeuvre dans le procédé selon l'une des revendications l à 11,, caractérisés en ce qu'ils présentent une couche superficielle d'épaisseur égale au moins à 1/20 environ du rayon moyen de l'aggloméré, dans laquelle couche la teneur en eau est inférieure à 3% environ. 13. Boulets ou agglomérés selon la revendication 12, caractérisésen ce que l'épaisseur de la couche superficielle à moins de 3% ne dépasse pas 1/5 environ du rayon moyen de l'aggloméré.