Brevet FR2521980A1 — publié le 19830826

Le processus de fabrication du ciment consiste à additionner les matières premières pour former un mélan ge homogène, à cuire ce mélange dans un four pour produire un clinker de ciment et å broyer ce clinker pour obtenir une poudre fine. Au cours du broyage, on ajoute des petites quantités d'agents pour contrôler la prise du ciment, un de ces agents pouvant être le gypse. Queux procédes, appeles procédé par voie humide et procédé par voie seche, sont utilisés : dans le premier cas, les matières premières sont broyees et mélangées par voie humide et dans le second cas par voie sèche. I1 existe également une variante, le procédé par voie semi-sèche dans lequel les matières premieres sont broyées a sec, puis avec de l'eau pour former un granule qui est charge dans le four. Les fours pour la fabrication de clinker de ciment ont évolu;'d'abord, les premiers fours a cuve discontinue puis les fours annulaires et ensuite les fours rotatifs actuellement employés. Un four rotatif se compose d'un cylindre creux, long, généralement en acier et avec un revêtement réfractaire, équipé avec divers mécanismes lui permettant de tourner sur son axe; ce cylindre est incliné, formant un angle avec l'horizontale, de sorte que la matière brute chargée par l'extrémité la plus élevée du four, descend lentement vers l'extrémité inférieure de ce four. l'inclinaison du cylindre est de 20 a 6" alors que la vitesse de rotation se situe entre 30 et 180 secondes par tour. Le diamètre est de plus de sept mètres et la longueur peut atteindre deux cent cinquante metres. Le four est chauffé au moyen d'un brûleur placé sur la partie inferieure du four, en utilisant un combustible fossile, par exemple du charbon, du pétrole ou du gaz.La matière introduite dans le four se déplace a travers le cylindre a contre-courant des gaz résiduels de combustion et, dans son parcours vers la partie inférieure du four, cette matière est séchée, préchauffée, calcinée et brûlée sous forme de clinker, lequel est refroidi dans un refroidisseur a air monté a l'extrémité du four, cet air etant aspiré ensuite comme air pour la combustion ou comme air secondaire. Dans la partie supérieure du four sont montés différents dispositifs pour aider a transférer la chaleur des gaz du four aux matières premières La température a laquelle est obtenu le clinker de ciment dans les fours rotatifs varie de 13000 a 15500 C et depend des matières premières.Le temps de passage des Matières premières dans un four rotatif varie de I heure à 4 heures et dépend de la longueur du four et de la capacité de production. Ces longs temps de séjour des matieres premières dans les fours rotatifs classiques sont dos au fait que les réactions se produisant dans le four - séchage, prechauffage, calcination et formation du clinker - dépendent étroitement de la température des solides, celle-ci étant, a son tour, liée au transfert de chaleur des gaz residuels de combustion aux dits solides. Ce transfert de chaleur entre les gaz résiduels de combustion et les matie- res premières est lent et peu satisfaisant; on est obligé de construire des fours tres grands pour que les matieres premières puissent atteindre les températures minimales nécessaires pour la formation du ciment.Tout cela exige des investissements importants. Si le melange de matières premieres utilisé pour la fabrication de clinker pouvait être porté très vite, presque instantanement, a des températures très élevées, bien au dessus des températures atteintes dans les fours rotatifs conventionnels, le temps de séjour des matières premières dans le four pourrait être sensiblement réduit, ce qui permettrait d'utiliser des fours d'une longueur moindre pour une même capacité de production. D'autre part, a mesure que la température augmente, la vitesse des réactions chimiques qui ont lieu dans le four augmente aussi considérablement. Cette augmentation de la vitesse des réactions chimiques avec celle de la température devrait permettre d'obtenir une diminution supplémentaire du temps de séjour des matières dans le four. La présente invention avise un procédé pour la fabrication de clinker de ciment dans un réacteur où des températures élevees peuvent être atteintes, réacteur qui permet de réaliser un grand nombre de réactions, dont beaucoup ont éte impraticables jusqu'ici ou seulement realisables en thearie. Aussi bien le procédé que le réacteur utilisent le rayonnement comme source de chaleur et maintiennent les réactions isoles dans un ecran fluide protecteur qui les empeche d'entrer en contact avec les surfaces internes du réacteur. Dans les réacteurs conventionnels, la chaleur nécessaire pour obtenir les réactions est transferée aux matières réactives par convection et/ou conduction, mais ce système pose deux problèmes importants qui limitent la nature et la portée des reactions pouvant être réalisées. Le premier problème est la limitation des températures de réaction en rapport avec la résistance aux températures élevées des matieres constituant la paroi du réacteur. En second lieu, la paroi d'un réacteur conventionnel se trouve a la température la plus élevée du système; elle est, par consequent, le lieu de réaction ideal du système et, dans la plupart des cas, les produits de réaction s'accumulent sur la paroi. Cette accumulation diminue la capacité du système pour transferer de la chaleur aux matieres reactives, de sorte qu'il faut augmenter progressivement la température de la source de chaleur pour maintenir le niveau initial de la réaction, température qui, en dernier lieu, peut excéder la capacite de resistance thermique du matériel de la paroi du réacteur. Dans le présent procédé de fabrication de clinker de ciment a haute température, il est créé une enveloppe annulaire d'un fluide inerte qui est substantiellement transparent au rayonnement; l'enveloppe a une longueur sensiblement axiale. On fait passer ensuite le mélange de matieres premières par le noyau de cette enveloppe, le long d'un parcours prédétermine coïncidant avec l'axe de cette derniere, et les matieres premières restent isolées dans cette enveloppe.Une fois le flux de matières premières commencé, on dirige de l'énergie rayonnante de grante intensité a travers l'enveloppe pour faire coïncider ce rayonnement avec au moins une partie du parcours des matières premières.Le noyau absorbe une quantité d'énergie rayonnante suffisante pour élever la température des matières premieres jusqu'au niveau nécessaire pour déclencher les réactions qui donnent lieu a la formation du clinker de ciment. Si les matières premières sont elles-memes transparentes a l'énergie rayonnante, on introduit une matiere absorbante dans le courant de matières premières. Cette matiere absorbe de l'énergie rayonnante en quantité suffisante pour élever la température du noyau jusqu'au niveau prévu. Il peut arriver, cependant, que les matières premieres étant transparentes au rayonnement, un ou plusieurs des produits de réaction puissent absorber l'énergie rayonnante. Dans ce cas, une fois la réaction commencée, on separe la matière absorbante du courant de matières premieres, et la réaction peut continuer. Le réacteur a haute température objet de la présente invention transfere aux matieres premieres toute la chaleur nécessaire par rayonnement. Ce réacteur - ou réacteurs - est protégé par différents brevets. Le réacteur comprend un cylindre creux avec une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie, l'intérieur du cylindre formant une chambre de réaction où peuvent avoir lieu les réactions prévues. Des moyens pour l'introduction d'un fluide inerte dans la chambre de réaction permettent d'obtenir une enveloppe annulaire protectrice pour la surface intérieure du cylindre de réaction. Des moyens pour l'introduction des matières premières dans la chambre de réaction par l'extrémité d'entrée agissent de façon a ce que lesdites matières premières soient dirigées selon une trajectoire prédéterminée axialement au cylindre du réacteur. L'enveloppe annulaire de fluide inerte isole centralement les matières Premières dans le réacteur et les met hors du contact du cylindre. De l'énergie rayonnante de grande intensité est fournie et dirigée vers l'intérieur de la chambre de réaction pour qu'elle coUncide avec au moins une partie du parcours des matières premières, de façon a ce qu'il y ait absorption d'une quantite d'énergie rayonnante suffisante pour porter les matieres premieres a des températures ex tremement élevées. Le procédé pour la fabrication de clinker de ciment objet de la présente invention prévoit le systeme de rayonnement nécessaire pour transférer de la chaleur au courant de matières premieres. La premiere considération concernant le transfert de chaleur selon le présent procédé porte sur le coefficient d'absorption de rayonnement par les matières premieres. Il est souhaitable que l'enveloppe annulaire de fluide inerte protégeant la paroi du réacteur soit transparente au rayonnement et, par conséquent, qu'elle présente une valeur très faible en ce qui concerne le coefficient d'absorption du rayonnement. Cela permet d'obtenir un transfert d'énergie rayonnante a travers l'enveloppe annulaire jusqu'au courant de matières premières sans perte d'énergie ou avec une perte très faible. Le transfert de chaleur, presque instantané, est soumis a un contrôle précis et rapide. De cette manière, selon le présent procédé et avec le présent réacteur, la température du noyau ou chambre de réaction peut être portée a des niveaux très élevés alors que l'enveloppe annulaire protectrice reste relativement froide. Le présent procédé permet d'obtenir une densité de puissance dans le noyau ou chambre de réaction excédent I0.000 watts/cm2 avec des valeurs de l'ordre de 400 watts/cm2 davantage appropriées à des buts commerciaux. La présente invention fournit un procédé pour la fabrication de clinker de ciment comprenant : des moyens pour le concassage des matières premières, des moyens pour le dosage, la pré-homogénéisation, le broyage et l'homogénéi- sation des matieres premières, soit par voie seche, soit par voie humide ou encore par voie semi-sèche, des moyens pour transférer la chaleur des gaz chauds quittant le réacteur aux matières premieres avant leur introduction dans ledit reacteur. Un reacteur à haute température comprenant un cylindre creux avec une extrémité d'entrée et une extrémite de sortie, l'intérieur de cylindre formant une chambre oû ont lieu les réactions,des moyens pour l'introduction d'un fluide inerte dans la chambre de réaction afin d'obtenir une enveloppe annulaire protectrice pour la surface intérieure du cylindre de réaction, ce fluide inerte étant, de préférence, transparent au rayonnement. Des moyens pour l'intro-duction des matières premières dans la chambre de réaction par l'extrémité d'entrée, de façon a ce que les dites matieres premières soient dirigées selon une trajectoire sensiblement axiale au cylindre de réaction.Des moyens pour transférer de la chaleur au courant de matieres premieres avec système de rayonnement, de telle façon que l'énergie rayonnante de grande intensité est fournie et dirigée vers l'intérieur de la chambre de réaction pour qu'elle coTncide avec au moins une partie du parcours des matieres premières. Sur l'extrémité de sortie du réacteur à haute température, des moyens pour la réfrigération et/ou refroidissement du clinker de ciment produit pendant le passage des matières premières dans le noyau ou chambre de reaction du reacteur a haute température. Des moyens pour transporter et stocker le clinker de ciment refroidi. Des moyens pour doser et mélanger le clinker de ciment avec d'autres composés, par exemple, avec du gypse. Enfin, des moyens pour broyer jusqu'à la granulométrie prévue le mélange de clinker de ciment avec les composés mentionnés ci-dessus dont un peut être le gypse. Selon la présente invention, et le procédé pour la fabrication de clinker de ciment, les matieres premières se trouvant à l'intérieur du noyau ou chambre de réaction du reacteur à haute température peuvent atteindre des températures excédant 3000"C. En outre, comme le transfert de chaleur est presque instantané, le présent procédé fait que le temps de passage des matières premières depuis l'extrémité d'entrée du réacteur à haute température jus qu'à l'extrémité de sortie de ce réacteur soit bien plus court que dans les fours rotatifs, ce temps étant compris entre O,I seconde et 600 secondes. Le clinker de ciment est préparé comme il a déjà été indiqué précédemment en brulant un mélange de matie- res premières dont une se compose surtout de carbonate de calcium et l'autre d'aluminium-silicates. Les matières les plus typiques correspondant a cette description sont le calcaire et l'argile qui se trouvent toutes les deux dans la nature sous forme d'un grand nombre de varietés. La gamme de matières premières utilises peut être assez large; on peut utiliser des marnes, composées d'un mélange d'argile et de calcaire d'origine organique, ainsi que des ardoises ou schistes qui sont également des matières premières communes. En addition aux matières naturelles, on utilise egalement des produits artificiels comme matières premières.Par exemple : les scories de haut-fourneau, les cendres volantes de la combustion du charbon, les residus alcalins des industries produisant du sulfate d'ammoniaque et des produits alcalins. D'autres matières, telles que la terre, les quartzites, les résidus de bauxite et les oxydes de fer sont utilisées pour régler la composition du mélange de matières premières. La présente invention fournit un procédé pour la fabrication de clinker de ciment dans un réacteur à haute température comme celui décrit ci-dessus, protegé par différents brevets d'invention, et elle concerne toutes sortes de mélanges de matieres premières, artificielles ou naturelles comme celles indiquées ci-dessus, pouvant être chargées dans un four pour la fabrication de clinker de ciment. En particulier, et cela constitue également l'objet de la présente invention, il est fourni un procédé de fabrication de clinker de ciment dans un réacteur a haute température où le melange de matieres premières, a partir duquel est fabriqué le clinker de ciment, contient, comme constituant additionnel, des résidus des lavoirs des charbonnages, ces residus pouvant être utilisés soit comme un substitut, en partie ou en totalité, de la matière argileuse, soit comme un autre composant du mélange de matieres premières à partir duquel est fabriqué le clinker de ciment. Ces résidus des lavoirs des charbonnages contiennent certaines quantités de matière organique qui apporteront une partie de l'energie nécessaire pour la formation de clinker de ciment. REVENDICATIONS IO - Procédé pour la fabrication de clinker de ciment comprenant des moyens pour le concassage des matie- res premières, des moyens pour la preparation des matières premières, avant leur introduction dans le réacteur à haute température, soit par voie sèche, soit par voie semi-seche ou encore par voie humide, cette préparation pouvant comprendre à titre d'exemple le dosage, la préhomogénéisation, le broyage, et l'homogénéisation des matières premières par les voies mentionnées ci-dessus, des moyens pour transférer la chaleur des gaz chauds quittant le réacteur aux matieres premières avant leur introduction dans le réacteur, un réacteur à haute température et des moyens pour introduire les matières premières dans la chambre de réaction par l'extrémité d'entrée, de façon à ce que les dites matières premières soient dirigées selon une trajectoire sensiblement axiale au cylindre creux du réacteur. des moyens pour la réfrigération du clinker de ciment produit dans la chambre de réaction, placés sur l'extremite de sortie du reacteur, des moyens pour transporter et stocker le clinker de ciment refroidit, des moyens pour doser et mélanger le clinker de ciment avec d'autres composes comme, par exemple, le gypse, des moyens pour broyer jusqu'à la granulometrie choisie le mélange mentionné ci-dessus. 2" - Procédé conforme à la revendication I, dans lequel le fluide interte introduit dans la chambre de réaction pour réaliser une enveloppe annulaire protectrice doit être sensiblement transparent au rayonnement. 3 - Procédé conforme à la revendication I, dans lequel le transfert de chaleur aux matières premières dans la chambre de réaction du réacteur à haute température est opére grâce à un système de rayonnement, si les matières premières sont elles-mêmes transparentes à l'énergie rayonnante, il est prévu d'introduire une matiere absorbant l'énergie rayonnante dans le courant des matieres premieres. 4" - Procédé conforme aux revendications I et 3 dans lequel l'énergie rayonnante de grande intensite est fournie et dirigée vers l'intérieur de la chambre de réaction pour qu'elle coïncide avec au moins une partie du parcours des matières premières. 5 - Procedé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel dans la chambre de réaction du réacteur à haute température, il peut etre obtenu une densité de puissance excédant I0.000 watts/cm2 et, de préférence, des valeurs de l'ordre de 400 watts/cm2. 6" - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les matières pre mières se trouvant à l'intérieur de la chambre de reaction du reacteur à haute température peuvent atteindre une temperature excedant 3.000 C et, de préférence, des températures jusqu'a 2.5000 C. 70 - Procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le temps de passage des matières premières dans le réacteur à haute température est compris entre 0.1 et 600 secondes. 80 - Procédé conforme à la revendication I dans lequel les matieres premières concernes sont toutes les matieres premières naturelles ou artificielles, soit separées soit mélangees les unes aux autres, pouvant être chargees dans un four pour la fabrication de clinker de ciment. 90 - Procédé conforme aux revendications I et 8 dans lequel le mélange de matières premières contient, comme constituant additionnel, des résidus des lavoirs des charbonnages soit comme un substitut, en partie ou en totalité, de la matière argileuse du mélange, soit comme un autre composant du mélange de matières premières.