Brevet FR2536517A1 — publié le 19840525

L'invention porte sur un dispositif de cuisson répide d'un produit à grain fin ayant subi un traitement thermique préalable, en particulier un produit calciné, pour obtenir du clinker de ciment Ce dispositif comprend un réacteur thermique qui englobe un foyer à une flamme ainsi qu'un système d'introduction du produit dans le même sens que la flamme et près de celle-ci. Les dispositifs modernes habituels de cuisson qui sont utilisés industriellement pour fabriquer du ciment comprennent un échangeur de chaleur à suspension gazeuse dans lequel la farine crue est réchauffée par des gaz chauds en se déplaçant à contre-courant de ceux-ci, et o elle est calcinée dans une large mesure avec adjonction de com- bustible; ils comprennent aussi un four rotatif dans le- quel le produit, qui a subi un traitement thermique pré- alable, est porté assez lentement à la température de fritta- ge, dans les lits de produit, et chauffé à la température de cuisson complète à contre-courant des gaz de flamme d'un brûleur, et fritté. On s'est aperçu rapidement (DE-PS 337 312 de mai 1921) que, pour amener une utilisation meilleure et plus rapide des gaz de flamme, il faut faire en sorte qu'il y ait un contact intime entre la flamme et le produit. Pour y parvenir, on a proposé un four rotatif en deux parties dont la partie frittage tourne moins vite que l'autre partie, le four qui sert à chauffer le produit jusqu'à une température proche du point de frittage tour- nant à une vitesse telle que le produit soit amené trèsprès du sommet du four, d'o il tombe librementà l'intérieur de celui-ci. Toutefois, du fait d'une formation de poussière et d'une usure excessives, ce dispositif n'a pas été réalisé. Quand on s'est rendu compte qu'il est avantageux, pour des raisons d'énergie et de cinétique de la réaction, de réaliser la montée en température, dans la plage de tem- pératures comprise entre environ 9000 C après la calcination de la farine crue, et la cuisson complète à environ 1350 à 14500 C, avec des gradients de chauffage aussi élevés que possible, cela a conduit par exemple (DL-PS 97 409) à une proposition concernant une cuisson dite "cuisson rapide". Elle consiste à chauffer rapidement et à fritter jusqu'à la cuisson complète, dans un réacteur, le mélange pulvérulent ou aggloméré, dans une couche tourbillonnaire, Le document mentionné contient l'observation selon laquelle il est extra- mement avantageux de cuire un produit à grain fin, dans la plage de températures comprise entre environ 1100 et 13000 C avec des gradients de montée en température extrêmement élevés Comme avantage, il indique un abaissement d'environ % du temps de cuisson complète, avec des effets positifs qui en résultent, par exemple grâce à la réduction, qui est possible, des dimensions du réacteur de cuisson complète ou grâce à une augmentation de son débit ou à l'exécution de la cuisson complète à des températures plus basses, avec des temps de séjour habituels O Ces avantages sont obtenus, avec des gradients de montée en température extrêmement élevés, en particulier grà- ce au fait que l'on évite la désactivation du produit à cuire. Toutefois, le document en question ne comporte aucune observation technique concrète indiquant de quelle façon un dispositif convenant pour cette montée en tempéra- ture rapide devrait être réalisée, Le but de la présente invention est d'indiquer un dispositif destiné à la cuisson rapide d'un produit à grain fin ayant subi un traitement thermique préalable, en particulier un produit calciné, ce dispositif permettant de procéder sans problème à la montée en température, dans la plage de températures comprise, par exemple, entre envir- ron 85000 et le début de la réaction de frittage à envi- ron 1250 13500 C, avec des gradients de température extrê- mement élevés, sans les inconvénients dus à la formation de poussière et à l'usure La farine crue très chaude doit être amenée le plus loin possible dans la zone de cuisson du réacteur thermique, et répartie le plus unifor- mément possible dans le volume de la chambre de cuisson, en particulier dans la zone de rayonnement et de convection de la flamme. Pour atteindre ce but, il est proposé, avec un dispositif du genre indiqué plus haut, comprenant un réacteur thermique avec une chambre de cuisson à une flamme ainsi qu'un dispositif d'introduction du produit dans le sens de la flamme et près d'elle, que le dispositif d'alimentation comprenne une conduite à chute libre qui débouche dams le secteur de la chambre de combustion, avec, près de l'"extr& mité de cette conduite, un déflecteur qui dévie, en le deésa- grégeant, dans une direction à peu près identique à celle. de la flamme, le produit très chaud qui arrive, surtout sous l'effet de la pesanteur, avec de l'énergie cinétique. On obtient ainsi, ce qui est un avantage, que de la farine très chaude en suspension parvienne, avec une trajectoire à peu près identique à celle de la flamme, dans la zone la plus chaude de la chambre de combustion Du fait de la séparation des particules solides, donnant un nuage de poudre, la surface active, qui est très grande, donne un chauffage extrêmement rapide du produit Ce résultat avanta- geux est encore renforcé par le mélange intime de la farine chaude et des gaz de flamme Il en résulte que le processus de montée en température dans la plage de températures men- tionnée, comprise à peu près entre 850 et 1250 13500 C, ainsi qu'au moins une partie du processus de frittage sont effectués, dans une large mesure, en suspension, avec des gradients de température élevés-et très élevés. Un mode de réalisation de l'invention prévoit que le déflecteur soit placé sous un angle obtus par rapport à l'axe de la conduite à chute libre et s'étende sensiblement au-dessus de la projection, vue en direction axiale, de la. section de cette conduite. On obtient ainsi, de façon avantageuse, une large désagrégation du flux de produit qui arrive sous une -o'rme cohérente. On obtient un mélange intime optimal d(e la farine chaude et de la flamme du fait que le dispositif d'alimenta- tion débouche dans la chambre de combustion au-dessus de la flamme. Pour faciliter-la pulvérisation de la farine qui pénètre à l'intérieur, afin d'obtenir un nuage de pous- sière volante aussi homogène que possible, et pour empêcher en même temps que la farine crue et chaude qui arrive à l'intérieur ne produise de forts phénomènes d'érosion sur le déflecteur, il est en outre proposé, pour la réalisation du dispositif, qu'une conduite d'arrivée d'un gaz d'éjection débouche dans le secteur o débouche la conduite à chute libre, -par l'arrière, juste au-dessus du déflecteur, l'axe de cette-conduite étant à peu près parallèle à la flamme et cette conduite étant branchée à une source de gaz sous pression. Avec ce système, du gaz d'éjection est injecté entre le flux de produit qui arrive et le déflecteur, ce gaz jouant le rôle d'un film protecteur pneumostatique et, pour un réglage approprié du débit et de la pression du gaz, il sépare les particules solides-et le déflecteur Ainsi, on garde d'une façon très avantageuse le contrôle du problème de l'usure du déflecteur. Il est encore prévu, avec un mode de réalisation judicieux, que la zone de l'orifice du dispositif d'alimen- tation soit réalisée sous la forme d'un élargissement en forme d'entonnoir qui débouche dans une embouchure aplatie, plusieurs fois plus large que l'ouverture. Ce mode de réalisation donne des conditions d'écoulement spécialement favorables en particulier si, selon une autre proposition, au moins deux, de préférence trois conduits de gaz d'éjection débouchent par l'arrière dans l'embouchure. Une réalisation importante pour l'invention pré- voit que le dispositif soit raccordé à au moins une conduite d'arrivée de combustible et réalisé sous la forme d'un brûleur. On obtient ainsi, de façon très avantageuse, un mélange optimal des deux constituants que sont la farine chaude et le combustible, lors de leur introduction commune dans la chambre de combustion. Du fait de la températue élevée ( 800 à 9000 C) de la farine chaude, le combustible est en outre allumé spontanément, la chaleur libérée étant transmise, en parti- culier par contact direct et par rayonnement, directement aux différentes particules du nuage de poussière volante. Cela améliore fortement la transmission de la chaleur par rapport à ce qui se passe avec un lit continu de produit dans un four rotatif. Grâce aux conditions plus favorables de trans- mission de la chaleur, on économise de l'énergie et, par conséquent, la température des gaz rejetés est abaissée. Enfin, le brûleur est supprimé et remplacé par un dispositif de l'invention, ce qui donne, avec une amélioration du dérou- lement de la combustion, une simplification considérable du dispositif. Il peut être avantageux que, avec le dispositif réalisé sous forme de brûleur, un brûleur d'allumage soit placé au voisinage de lorifice Cependant, on n'a besoin de lui que pour le démarrage, tant que le produit qui arrive n'a pas encore atteint la-température d'allumage. Une proposition analogue, ou une variante, con- cernant la réalisation du dispositif, prévoit que l'arrivée ou les arrivées de gaz d'éjection soient pourvues de systè- mes mélangeant le gaz au combustible ou raccordées à une source de combustible, comme, par exemples une source de gaz naturel En principe, n'importe quel genre de combustible entre en ligne de compte, par exemple sous forme gazeuse, li- quide ou solide, avec un mélange approprié au gaz d'éjection O Pour protéger le dispositif de l'invention d'une forte chaleur par rayonnement ou d'un échauffement excessif par le produit déplacé, il est en outre prévu que la condui- te à chute libre soit entourée à une certaine distance par une gaine de refroidissement, au moins sur une partie de sa longueur, en particulier dans la zone de la chambre de com- bustion, et cede telle façon que l'on obtienne, entre les parois de la conduite a chute libre et la gaine de refroidis- sement, un passage pour un fluide de refroidissement, ce passage étant raccordé à une source d'o provient le fluide de refroidissement. Le passage du fluide de refroidisse- ment peut, de façon judicieuse, libérer l'ouverture de sortie de ce fluide juste au-dessus du déflecteur et dans sa direction On obtient alors de façon très avanta- geuse que du fluide de refroidissement, qui est alors un gaz réchauf 6 f, sorte au-dessus du déflecteur en direction de l'orifice, soutenant alors l'effet du gaz d'éjection ou se chargeant de sa fonction. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé, qui en repré- sente des exemples de réalisation. La figure i est une coupe d'un dispositif monté à l'extrémité d'un four rotatif à un brûleur situéadu côté du réfrigérant. Les figures 2, 2 a, 3 et 3 a montrent des réalisations en forme d'entonnoir de la partie du disposi- tif proche de l'orifice, avec et sans systèmes d'arrivée pour gaz d'éjection; ces figures sont soit en élévation, soit en coupe. La figure 4 est une coupe de l'extrémité de la conduite à chute libre pourvue d'une gaine de refroidisse- ment, qui dépasse dans la chambre de combustion. Les figures 5 et 5 a montrent un dispositif d'introduction réalisé sous la forme d'un brûleur, avec des systèmes d'arrivée pour le combustible, l'air de combustion et la farine chaude, vu en coupe (figure 5) et vu de devant (figure 5 a)0 Le dispositif d'alimentation de la f'igu- re 1 comprend la conduite à chute libre 1 qui est raccor- dée à un étage inférieur d'un réchauffeur à gaz de suspension ou à un calcinateur Le produit, qui a subi un traitement thermique préalable et qui est calciné dans une large mesurer pénètre par le haut, selon la flèche 2, à environ 850 à 9000 C, dans la conduite à chute libre 1 et, sous l'effet de la pe- santeur, et grâce à sa fluidité qui est extrêmement bonne, à 7 2536517 il atteint, lorsqu'il sort de cette conduite, une vitesse d'écoulement relativement élevée La partie de la conduite à chute libre 1 qui est à peu près verticale à l'extérieur de la chambre de combustion 3, ou à l'extérieur de la con- duite de réfrigérant 4, forme un coude à angle aigu par rapport à la verticale à une faible distance de son point de pénétration dans la chambre de combustion 3, et elle traverse la paroi terminale 5, côté brûleur du four rota- tif 3 ', ou bien elle y est fixée La zone de l'orifice 7 fait saillie dans la chambre de combustion 3 du four rota- tif 3 ' au-dessus du brûleur 8 Le plan 7 ' de l'orifice du dispositif d'alimentation est à peu près parallèle au plan 8 ' de l'orifice du brûleur 8 Dans la zone 7 de l'ori- fice du dispositif d'alimentation, le déflecteur 11 est dis- posé sous un angle obtus par rapport a l'axe de la partie 1 ' de la conduite à chute libre 1 qui dépasse dans le four ro- tatif 3 ', à peu près en positionhorizontale, de telle fa- çon qu'elle recouvre la projection de la section d'écoule- ment de la partie 1 ' de la conduite à chute libre 1 vue dans la direction de cet axe C'est ce que montre clairement, par exemple, la figure 4, qui est agrandie. La mise en place du déflecteur a pour effet de dévier vers la flamme 12 du brûleur 8 le produit qui arri- ve et de la désagréger en formant un nuage 13 de particules en suspension Il en résulte un mélange intime de la flamme 12 et des particules en suspension 13, ce qui donne de fa- çon avantageuse une augmentation de température avec des gra- dients extrêmement élevés et une réactivité élevée du pro- duit. En raison des températures élevées du pro- duit ainsi que du rayonnement de la flamme, la partie 1 ' de la conduite à chute libre est entourée d'une gaine pro- tectrice 14, faite par exemple d'un matériau réfractaire. Les figures 2, 2 a, 3 et 3 a représentent la zone 7 de l'orifice de la conduite à chute libre 1 ', avec son extrémité 1 ' côté four, au point o elle traverse la paroi 5 Les figures montrent un élargissement, à la façon d'un entonnoir, vers l'orifice 7 ', cet élargissement ayant la forme d'un bec aplati Son ouverture est beaucoup plus large que haute Les figures 3 et 3 a montrent un mode de réalisa- tion comportant des conduites d'arrivée 9 pour le gaz d'éjection. La figure 4 montre une réalisation de l'extrémité 1 ' de la conduite à chute libre, avec une gaine de refroidissement 15 qui l'entoure Un passage 18 d'écoulement d'un fluide de refroidissement se forme entre la paroi inté- rieure 15 ' de la gaine de refroidissement 15 et la paroi 16 de la conduite 1 ' à chute libre Ce fluide réfrigérant peut être, par exemple, de l'air Ce passage 18 a une ouverture de sortie 17 au-dessus du déflecteur 110 L'air réchauffé qui y sort, indiqué par la flèche 19, joue en même temps le rôle d'air d'éjection et il sert à accélérer le flux de produit ainsi qu'à protéger le déflecteur 11 contre l'usure. Les figures 5 et Sa montrent une réalisa- tion du dispositif de l'invention sous la forme d'un br leur. Le dispositif, vu dans la direction de l'alimentation, est raccordé par l'arrière à deux conduites concentriques 20 et 21 La zone 7 ' de l'orifice a un diamètre qui correspond à celui de la conduite 21 Il y a dedans un déflecteur 11 ayant la forme d'une enveloppe cylindrique La conduite 21 raccordée par l'arrière sert à amener l'air de combustion et d'éjection, et elle entoure, en formant un conduit de passage 21 ', la con- duite intérieure 20, qui est destinée à amener de la pous- sière de charbon avec un gaz porteur Dans la zone 7 ' de l'orifice, le courant 22 de produit chaud introduit par la conduite 1 ' à chute libre, avec l'air de combustion réchauf- fé, selon les flèches 23, et le combustible, selon la flèche 24, se rencontrent et se mélangent, On obtient ainsi un mélan- ge idéal du combustible et du produit à cuire, qui se réunis- sent en particulier dans la flamme et immédiatement après la pénétration dans le four rotatif 3 ' Le produit est chauf- fé avec des gradients de température élevés ou très élevés et, le cas échéant, il est cuit jusqu'à la formation de clinker Ensuite, le produit se sépare du gaz et il se ras- semble, sous la forme d'un lit de produit, dans le four rota- tif 3 ' En fonction de l'inclinaison du four rotatif 3 ', le 9 2536517 lit de produit est ramené en arrière en sens inverse du courant du gaz eta après achèvement de 1 eéquilibrage de température pour donner du clinker, il est évacué dans le réfrigêrant. 2536517 REVENDICATIONS 1. Dispositif de cuisson rapide d'un pro- duit ayant subi un traitement thermique préalable, en par- ticulier un produit à grain fin calciné, pour donner du clinker de ciment, ce dispositif comprenant un réacteur thermique ayant une chambre de combustion à une flamme ainsi qu'un système d'introduction du produit dans la même direc- tion que la flamme et près d'elle, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation comprend une conduite à chute libre ( 1, 1 ') qui débouche dans la zone de la chambre de com- bustion ( 3), un déflecteur étant disposé dans la zone ( 7, 7 ') de l'orifice de cette conduite, déflecteur qui dévie le pro- duit chaud qui arrive, essentiellement sous l'effet de la pesanteur, en étant animé d'une énergie cinétique, lui fai- sant prendre une direction à peu près identique à celle de la flamme ( 12) et le désagrégeant. 2. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le df lecteur ( 11) forme un angle obtus par rapport à l'axe de la conduit ( 1 ') & chute libre et se trouve sensiblement au-dessus de la projection 8 vue en di- rection axiale, de la section de la conduite, - 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérise en ce que le dispositif d'alimentation débouche dans la chambre de combustion ( 3) sous un angle aigu par rapport a la verticale, au-dessus de la flamme ( 12). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérise en ce qu'une conduite d'ar- rivée ( 9) d'un gaz d'éjection débouche par l'arrière dans la zone ( 7, 7 ') de l'orifice de la conduite à chute libre ( 1 '), juste au-dessus du déflecteur ( 11), conduite d'arrivée ( 9) dont l'axe est a peu près parallèle à la flamme ( 12), et qui est raccordée à une source de gaz sous pression. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que la zone ( 7, 7 ') de l'orifice du dispositif d'alimentation s'élargit en forme d'entonnoir, se terminant par une embouchure ( 7 ') aplatie, dont la largeur est plusieurs fois supérieure à la hauteur de l'ouverture. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins deux, de préférence trois con- duites d'arrivée ( 9) pour le gaz d'éjection débouchent par l'arrière dans l'embouchure ( 7 '). 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le-dispositif est raccordé à au moins une conduite d'arrivée ( 20) de combusti- ble et en ce qu'il constitue un brûleur. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que, dans le cas du dispositif réalisé sous la forme d'un brûleur, un brûleur d'allumage est placé dans la zone de l'orifice ( 7). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les conduites ( 9) du gaz d'éjection est ou sont pourvues de dispositifs de mélange du gaz d'éjection avec du combustible ou raccordées à une source de combustible, comme, par exemple, une source de gaz naturel - 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite à chute libre ( 1, 1 ') est entourée à une certaine distance d'une gaine de refroi- dissement ( 15, 15 '), au moins sur une partie de sa longueur, en particulier dans la zone de la chambre de combustion ( 3), et ce de telle façon que l'on obtienne, entre les parois ( 16) de la conduite ( 1 ') à chute libre et l'enveloppe de refroi- dissement ( 15, 15 '), un passage ( 18) pour un fluide réfri- gérant, et en ce que ce passage est raccordé à une source de fluide réfrigérant. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le passage ( 18) du fluide réfrigérant présente, dans la zone du déflecteur ( 11), une ouverture de sortie-( 17) du fluide réfrigérant dirigée vers le déflec teur ( 11).