Brevet FR2547033A1 — publié le 19841207

U 7033 Appareil de traitement thermique de matière solide, en particulier de matière crue de ciment L'invention a pour objet un appareil de traitement thermique de matière solide pulvérulente utilisable en particulier comme précalcinateur dans une installation de production de clinker de ciment. Dans les installations de production de ciment dites par voie sèche, la matière crue pulvérulente, avant d'arriver au four de clinkérisa- tion, passe dans un dispositif de préchauffage en suspension comprenant une série de chambres de mélange superposées, du type cyclone, reliées par des gaines et à travers lesquelles sont aspirés par un ventilateur les gaz sor- tant du four; ceux-ci traversent successivement de bas en haut les diffé- rents cyclones, alors que la matière subit un préchauffage en descendant d'une chambre d l'autre de haut en bas Chaque cyclone comprend en effet un orifice supérieur de sortie desgaz, débouchant dans la gaine de liaison avec le cyclone placé à l'étage supérieur et un orifice inférieur de sortie de la matière récupérée débouchant dans la gaine d'alimentation du cyclone placé à l'étage inférieur De la sorte, la matière est mise en suspension en amont de chaque cyclone dans le courant ascendant de gaz et descend ainsi jusqu'au dernier cyclone, placé généralement au quatrième niveau et dont l'orifice inférieur est relié h l'entrée du four par une conduite d'a- limentation en matière débouchant le plus souvent sur le fond incliné d'une hotte placée à l'extrémité du four pour recueillir les gaz sortant du four et les diriger vers une gaine verticale de liaison débouchant dans le der- nier cyclone et dans laquelle est introduite la matière préchauffée venant des étages supérieurs du préchauffeur. La chaleur nécessaire à la réaction de clinkérisation est produi- te par introduction d'un combustible dans le four qui est muni d'un brûleur placé à son extrémité opposée à la hotte de sortie et d'une arrivée d'air préchauffé dans un dispositif de refroidissement du clinker sortant du four Les calories des gaz sortant du four sont ainsi utilisées dans l'en- semble de cyclones pour le préchauffage de la matière Cependant, on sait que la préparation clinker de ciment se réalise en deux étapes, correspon- dant l'une à une réaction endothermique de décarbonatation de la matière crue et l'autre à la réaction exothermique de clinkérisation Ces deux ré- actions, qui s'effectuent à des températures différentes, sont avantageuse- ment réalisées dans des enceintes différentes. Dans ce cas, on-ne réalise dans le four que la réaction de clinké- risation et la réaction de décarbonatation appelée aussi calcination est ef- fectuée dans un appareil de traitement thermique séparé, appelé précalcina- teur et qui est constitué d'une chambre de mélange interposée sur le trajet de la matière, entre l'avant dernier et le dernier cyclone du dispositif de préchauffage. Le précalcinateur a pour objet de réaliser une partie importante de la décarbonatation de la matière préalablement préchauffée dans les trois premiers étages du préchauffeur Il est donc muni de moyens d'intro- duction d'un combustible tels que des brûleurs et parcouru par un courant de gaz comburant constitué par de l'air réchauffé dans le refroidisseur de clinker et, dans certains cas, par les gaz sortant du four et contenant une certaine quantité d'oxygène. On connatt de nombreux modes de réalisation de précalcinateurs qui ont tous pour objet d'assurer un excellent transfert thermique obtenu, d'une part en assurant une bonne combustion du combustible et d'autre part en réalisant à l'intérieur de la chambre un brassage vigoureux des matières et des différents courant de gaz pour homogénéiser le plus possible les tem- pératures et faciliter le transfert thermique Dans certains cas, ces deux fonctions sont réalisées dans des chambres séparées, une chambre de combus- tion dans laquelle on introduit le combustible, l'air comburant et éventuel- lement la matière, et une chambre de mélange qui est parcourue par les gaz venant du four et contenant donc une quantité d'oxygène qui dépend des con- ditions de combustion dans le four. Dans d'autres cas, on introduit dans la même chambre les gaz ve- nant du four, l'air comburant, le combustible et la matière préchauffée On préfère alors, normalement, diviser cette chambre unique en plusieurs zo- nes, une zone de précombustion dans laquelle le combustible est introduit dans le courant d'air, une zone de dispersion de la matière et une zone de brassage intense avec les gaz venant du four Dans un mode de réalisation souvent adopté, pour séparer les différentes zones, la chambre de mélange est munie à sa partie inférieure d'un orifice latéral généralement en volu- te, par lequel débouche un courant transversal de gaz formant un tourbillon à l'intérieur de la chambre de mélange et celle-ci est munie dans son axe d'un orifice inférieur, généralement à section rétrécie, par lequel on fait entrer un courant ascendant d'un second gaz qui remonte dans l'axe du tour- billon avant de se mélanger à celui-ci Généralement, le courant transver- sal est constitué par de l'air chaud et forme le comburant nécessaire à la combustion du combustible introduit par des brûleurs placés sur la paroi la- térale de la chambre; la matière pulvérulente est dispersée au-dessus des brûleurs dans ce courant tourbillonnaire et l'ensemble se mélange ensuite avec le courant axial dans la partie haute de la chambre de mélange qui est reliée au dernier séparateur du dispositif de préchauffage. Toutes les chambres de précalcination connues sont généralement onéreuses et encombrantes-en raison des performances recherchées Lorsqu'el- les sont installées dans des installations déjà existantes, elles nécessi- tent des modifications très importantes de celles-ci et notamment du dispo- sitif de préchauffage Bien entendu, ces modifications sont normalement ren- tabilisées par l'augmentation de production qui résulte de l'installation du précalcinateur mais une telle installation est moins justifiée dans le cas des installations plus petites dans lesquelles on ne recherche qu'une augmentation modeste de la production qui ne justifie pas des transforma- tions coûteuses du dispositif de préchauffage. L'invention a pour objet un nouveau type d'appareil de précalcina- tion sensiblement simplifié par rapport aux appareils existants et gardant cependant des performances intéressantes, ce qui permet de l'utiliser dans des cas o l'installation d'un précalcinateur classique n'aurait pas été justifiée. Conformément à l'invention, la chambre de mélange ayant la forme d'une colonne à axe vertical muni à sa partie basse d'un orifice inférieur à section rétrécie pour l'introduction du courant ascendant de gaz, le cou- rant transversal de gaz comburant est dirigé vers le centre de la colonne et l'orifice inférieur d'entrée du courant ascendant est décalé par rapport à l'axe de la colonne du c 8 té de l'entrée latérale du courant transversal, et la paroi latérale de la colonne faisant face à celle-ci est reliée à l'o- rifice inférieur par une paroi inclinée de déviation du courant ascendant du côté opposé au courant transversal, ménageant-du côté de l'entrée latéra- le une zone d'introduction du courant transversal dans laquelle se trouvent placés les moyens d'introduction d'au moins la plus grande partie du combus- tible. Selon une caractéristique supplémentaire, la chambre de mélange a une section transversale rectangulaire. La matière solide est introduite de préférence dans le courant transversal de gaz par une conduite descendante débouchant dans la conduite d'alimentation du courant transversal suivant une direction sensiblement verticale, immédiatement en amont de l'orifice de sortie de celle-ci En ou- tre, la conduite d'alimentation du courant transversal est muni d'une plura- lité de barres horizontales de division du courant, disposé en travers de la conduite le long d'un plan sensiblement vertical tangent à la conduite d'alimentation en matière du côté opposé au courant transversal. Selon une autre caractéristique importante, l'appareil comprend des orifices supplémentaires d'injection de combustible dans la zone de pas- sage du courant ascendant Dans un mode de réalisation particulier, on ména- ge une pluralité d'orifices d'injection du combustible, répartis sur les deux zones de la partie basse de la chambre de mélange et les moyens d'in- troduction du combustible sont constitués par des brûleurs fixés de façon amovible sur une partie seulement des orifices, les autres orifices étant obturés de façon amovible; les orifices de fixation des brûleurs et les dé- bits respectifs d'alimentation en combustible sont alors déterminés en fonc- tion des conditions de fonctionnement souhaitées, en tenant compte notam- ment des températures observées dans les différentes zones de l'appareil. Sur les figures jointes, on a représenté à titre d'exemple un mode de réalisation particulier d'un appareil selon l'invention adapté à une installation dé production de ciment. La figure 1 représente schématiquement une installation de produc- tion de ciment muni d'un appareil de traitement selon l'invention. La figure 2 est une vue à échelle agrandie, en coupe axiale, de la partie inférieure de l'appareil. La figure 3 est une vue de dessus en coupe transversale selon III-III, figure 2. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement la partie infé- rieure d'une installation de production de ciment comprenant un four rota- tif de clinkérisation 1, un précalcinateur selon l'invention 2, un disposi- tif de préchauffage en suspension 3 dont on a représenté seulement la par- tie inférieure et un dispositif de refroidissement du clincker 4. Le four rotatif incliné 1 est muni, à son extrémité la plus bas- se, d'un brûleur Il alimenté en combustible et à son extrémité supérieure d'une hotte 12 qui dirige les gaz ayant traversé le four vers la chambre de mélange 2 Celle-ci est constituée essentiellement d'une colonne tubulaire à axe vertical, reliée par sa partie basse à un orifice d'entrée inférieur 21 à section rétrécie par lequel est introduit un courant ascendant Cl cons- titué par les gaz venant de la hotte 12 Le clinker formé dans le four rota- tif 1 descend dans le dispositif de refroidissement 4 qui est parcouru par de l'air introduit par une entrée 41 et évacué par une conduite 42 après s'être échauffé au contact du clinker La conduite 42 alimente un collec- teur 43 relié par une conduite coudée 44 à une entrée latérale 22 ménagée sur la paroi latérale de la chambre 2, à la partie inférieure de celle-ci, et par laquelle est introduit un courant transversal C 2 de gaz, dans une di- rection sensiblement horizontale. A sa partie supérieure, la chambre 2 est reliée par une gaine de sortie 23 au dernier cyclone 5 du dispositif de préchauffage 3 Celui-ci comprend une sortie inférieure 51 par laquelle les matières solides sépa- rées des gaz dans le cyclone 5 sont évacuées par une conduite 52 débouchant sur le fond incliné 13 de la hotte 12 qui les conduit ainsi vers le four et une sortie supérieure 53 qui débouche dans une conduite 31 de liaison avec l'avant dernier cyclone 6 du dispositif de préchauffage. La matière introduite à la partie supérieure non représentée du préchauffeur 3 descend d'un étage à l'autre, est dispersée en 32 dans les gaz venant du cyclone 5 et emportée par la conduite 31 jusqu'au cyclone 6 dont elle est évacuée par la sortie 61 et la conduite descendante 62 qui dé- bouche à son extrémité inférieure dans la conduite 44 d'introduction du cou- rant transversal C 2, juste en amont de l'entrée latérale 22 de la chambre 2. Les figures 2 et 3 représentent plus en détails le fonctionnement de la chambre de mélange 2 Celle-ci est constituée, d'une colonne tubulai- re à axe vertical 20 ayant de préférence, comme on l'a représenté sur la fi- gure 3, une section rectangulaire comportant deux grands côtés qui corres- pondent aux parois latérales 24 et deux petits côtés, respectivement une pa- roi avant 25 dans laquelle est placée l'entrée latérale 22 du courant trans- versal et une paroi arrière 26 opposée à la paroi 25. D'autre part, selon une caractéristique essentielle, l'axe 10 de l'entrée 21 du courant ascendant Cl est décalé par rapport à laxe 20 de la colonne 2 du côté de l'entrée latérale 22 du courant transversal placé dans la paroi avant 25 L'orifice d'entrée inférieur 21 a de préférence une sec- tion carrée et est relié à la paroi arrière 26 par une paroi inclinée 27. Cette disposition permet au courant ascendant Cl d'être dévié vers la paroi arrière 26 à son entrée dans la chambre 2 sous l'action du courant C 2 qui débouche dans une direction transversale par l'entrée 22. Ainsi, la partie basse de la chambre de mélange 2 est divisée en deux zones placées sensiblement de part et d'autre du plan médian P parallè- le aux faces avant 25 et arrière 26 de la chambre 2, une zone avant A d'in- troduction du courant transversal C 2 et une zone arrière B de passage du courant ascendant Cl après déviation. Dans le mode de branchement de la figure 1, dans lequel le cou- rant ascendant Ci est constitué par les gaz venant du four et le courant transversal C 2 par de l'air réchauffé, la zone arrière B contient moins d'o- xygène que la zone avant A et c'est donc dans cette dernière que l'on place les moyens d'introduction du combustible constitué par des brûleurs 7. De la sorte, la matière préchauffée arrivant par la conduite 62 se disperse dans le courant transversal C 2 qui l'entratne ensuite vers la zone avant A de la chambre de mélange -o l'on introduit le combustible La matière est ainsi dispersée de façon uniforme dans le courant d'air chaud avant d'être soumise à la chaleur produite par la combustion du combustible et celle-ci se produit dans de bonnes conditions étant donné la forte pro- portion en oxygène de la zone avant A C'est ensuite seulement, dans la par- tie moyenne de la chambre de mélange et dans la partie haute, que les gaz de combustion et la matière se mélangent avec les gaz du four B qui permet- tent d'augmenter encore la température et d'achever la combustion, l'ensem- ble étant évacué par la gaine de sortie 23 vers le dispositif de séparation qui alimente le four. Bien entendu, le rendement de calcination de la chambre selon l'invention peut ne pas être aussi bon que dans les chambres plus perfec- tionnées mais, comme on le voit sur la figure 1, la chambre de mélange selon l'invention présente l'avantage de pouvoir être placée à la place de la gaine de liaison entre la hotte du four et le dernier cyclone sans modi- fication notable des circuits de gaz et de matières et du positionnement des différents appareils. D'autres dispositions permettent d'ailleurs d'améliorer le fonc- tionnement de la chambre de mélange. Ainsi, il est avantageux de placer des barres horizontales 45 en travers de la conduite 44 d'introduction du courant transversal C 2 Comme on l'a représenté sur la figure, les barres 45 sont disposées de préférence le long d'un plan sensiblement vertical et tangent à la conduite 62 d'ali- mentation en matière, du côté faisant face au courant transversal C 2 De la sorte, les barres transversales 45 assurent la division du courant C 2 en plusieurs flux parallèles qui reprennent les matières M descendant par la conduite 62 et les mottes éventuelles se brisent en tombant sur les barres qui assurent ainsi une meilleure dispersion de la matière. La paroi inférieure de la conduite 44 est reliée à la paroi de l'orifice d'entrée 21 par un plan incliné 46 placé au-dessous du débouché de la conduite d'alimentation 62 de façon à reprendre les particules les plus lourdes qui pourraient ne pas avoir été entraînées par le courant C 2 et les diriger vers le courant Cl qui, alors, les fait remonter dans la chambre de mélange 2. Selon une autre caractéristique importante, il est avantageux de placer des brûleurs supplémentaires 71 dans la partie arrière des parois la- térales 24 de la chambre 2 à la partie basse de celle-ci, c'est-à-dire dans la zone B de passage du courant ascendant Cl après déviation Le débit de combustible introduit dépend de la proportion d'oxygène contenue dans les gaz sortant du four et l'on peut de la sorte utiliser tout l'oxygène aspiré par l'orifice 41 d'entrée du dispositif de refroidissement 4 En effet, l'air primaire 15 servant à la combustion du brûleur 1 liet l'air secondaire 16 venant du refroidisseur à clinker 4 et remontant dans le four se rassem- blent pour former le courant ascendant CI qui contient donc tout l'oxygène nécessaire par rapport à la quantité de combustible introduite dans le four. Les brileurs auxiliaires 71 permettent donc d'apporter une quanti- té complémentaire de combustible et d'utiliser au mieux la quantité d'oxygè- ne contenue dans les gaz aspirés par le ventilateur à travers le préchauf- feur 3 En plaçant ainsi en série le précalcinateur et le four, qui consti- tuent les deux postes de combustion de l'installation, on évite un règlage délicat de la proportionnalité des débits d'air et de combustible dans cha- cun d'eux. Bien entendu, sans s'écarter du cadre de protection défini par les revendications, des modifications pourraient être apportées aux disposi- tions qui viennent d'être décrites en détail à titre de simple exemple. C'est ainsi que pour tenir compte dans les meilleures conditions de la répartition des courants gazeux entre les deux zones A et B de la chambre de mélange, il est possible, selon une caractéristique avantageuse de l'invention, de ménager sur les parois latérales 24 plusieurs orifices 7 de fixation des brûleurs. De la sorte, en observant les conditions de combustion et/ou en mesurant les températures en différents points de la chambre, on peut pla- cer les brtleurs sur les orifices les mieux placés en fonction des condi- tions de fonctionnement (composition et débit des matières et des gaz par exemple), les autres orifices 72 étant obturés par des bouchons amovibles. On a ainsi réalisé une chambre de précalcination que l'on peut in- corporer facilement et économiquement dans une installation existante ou de capacité moyenne et qui, malgré sa simplicité, peut donner un résultat ap- préciable. REVENDICATIONS 1 Appareil de traitement thermique de matière solide pulvérulen- te, constitué par une chambre de mélange tubulaire ( 2) en forme de colonne à axe vertical, comprenant à sa partie basse un orifice inférieur ( 21), à section rétrécie par rapport à celle de la colonne 2, par lequel débouche une conduite ( 21) d'introduction d'un courant ascendant (Cl) de gaz chaud, un orifice latéral ( 22) par lequel débouche une conduite ( 44) d'introduc- tion d'un courant transversal (C 2) de gaz comburant et des moyens d'intro- duction de la matière et d'un combustible dans la chambre ( 2), l'ensemble étant entrainé vers la partie haute de la chambre ( 2) puis évacué vers un dispositif ( 5) de séparation des solides et des gaz, caractérisé par le fait que le courant transversal (C 2) de gaz comburant est dirigé vers le centre de la colonne ( 2) et que l'orifice inférieur ( 21) d'entrée du courant ascendant (Cl) est décalé par rapport à l'axe ( 20) de la colonne ( 2) du côté de l'entrée latérale ( 22) du courant transversal (C 2), la paroi latérale ( 26) de la colonne ( 2) faisant face à celle-ci étant reliée à l'orifice inférieur ( 21) par une paroi inclinée ( 27) de dé- viation du courant ascendant (Cl) du côté opposé au courant transversal (C 2) en ménageant du côté de l'entrée latérale ( 22) une zone (A) d'introduc- tion du courant transversal (C 2) dans laquelle se trouvent placés les moyens ( 7) d'introduction d'au moins la plus grande partie du combustible. 2 Appareil de traitement thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la chambre de mélange ( 2) a une section trans- versale rectangulaire. 3 Appareil de traitement thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la matière solide est introduite dans le cou- rant transversal (C 2) de gaz par une conduite descendante ( 62) débouchant dans la conduite ( 44) d'alimentation du courant transversal suivant une di- rection sensiblement verticale, immédiatement en amont de l'orifice de sor- tie ( 22) de celle-ci. 4 Appareil de traitement thermique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la conduite ( 44) d'alimentation du courant transversal (C 2) est munie d'une pluralité de barres horizontales ( 45) de division du courant (C 2) disposées en travers de la conduite ( 44) le long d'un plan sensiblement vertical et tangent à la conduite ( 62) d'alimenta- tion en matières du côté opposé au courant transversal (C 2). Appareil de traitement thermique selon l'une des revendica- tions 2 et 3, caractérisé par le fait qu'il comprend des orifices supplémentaires ( 71) d'injection de combustible dans la zone (B) de passage du courant ascendant 6 Appareil de traitement thermique selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité d'orifices d'injection de combustible répartis sur les deux zones A et B de la partie basse de la chambre de mélange ( 2) et que les moyens d'introduction de combustible sont constitués par des brûleurs ( 7) fixés de façon amovible sur une partie seu- lement des orifices, les autres orifices 72 étant obturés de façon amovi- ble, le positionnement des brûleurs ( 7) et les débits respectifs d'alimenta- tion en combustible étant déterminés en fonction des conditions de fonction- nement souhaitées. 7 Appareil de traitement thermique selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait qu'il constitue un dispositif de précalcination de la matière crue, interposé, dans une installation de fabrication du ciment, surle trajet des gaz allant d'un four de clinkérisation ( 1) à un ensemble ( 3) de préchauffage de la matière en suspension dans les gaz, comprenant une succession d'étages de séparation de la matière, le courant ascendant étant constitué par les gaz venant du four ( 1) et le courant transversal (C 2) par de l'air chaud venant d'un appareil de refroidissement ( 4) du clin- ker et la chambre de mélange ( 2) débouchant à sa partie supérieure ( 23) dans le dernier étage ( 5) de séparation de l'ensemble ( 3) de préchauffage.