Brevet FR2557682A1 — publié le 19850705

- 1-2557682 - 1 - L'invention a pour objet un procédé de conduite automatisée de la marche d'une installation de fabrication du clinker de ciment en voie sèche comprenant une chambre de précalcination munie d'un dispositif d'injection de combustible, un four tubulaire rotatif équipé d'un brûleur à son extrémité de sortie du clinker et entraîné en rota- tion par un moteur et un refroidisseur de clinker. Le but de la présente invention est d'optimiser la marche des installations de ce type en contrôlant le fonctionnement de la chambre de précalcination et l'état de la zone de clinkérisation du four de telle sorte que le réglage de l'un ne réagisse pas de façon défavorable sur l'autre. Le procédé objet de la présente invention est carac- térisé en ce que le débit d'alimentation en combustible du brûleur de four est maintenu égal à une valeur de con- signe qui est la somme de deux termes: un terme de base qui est fonction du débit de combustible injecté dans la chambre de précalcination et un terme correctif qui est fonction d'un ou plusieurs paramètres représentatifs des conditions de la clinkérisation, notamment la teneur en oxydes d'azote des gaz d'échappement du four, la tempéra- ture de la zone de clinkérisation, la température des gaz d'échappement du four, le couple du moteur d'entraîne- ment du four, la teneur en chaux libre du clinker et/ou la teneur en oxyde de potassium de la matière au niveau de la boite à fumées. Le débit de combustible injecté dans la chambre de précalcination est réglé, comme connu en soi, de façon à maintenir le taux de décarbonatation des matières calcinées, à la sortie de ladite chambre, égale à une valeur de con- signe. Le taux de décarbonatation des matières calcinées est déterminé par un calculateur à partir de la tempéra- ture des gaz d'échappement de la chambre de précalcination ou de la température des matières à la sortie de la cham- bre. De préférence, la température des gaz d'échappement de la chambre de précalcination est mesurée en deux points -2- espacés l'un de l'autre sur le trajet de ces gaz, les valeurs mesurées sont comparées l'une à l'autre et à des valeurs de référence et si l'une de ces valeurs mesurées ne paraît pas vraisemblable, le calculateur choisit auto- matiquement l'autre valeur pour calculer le taux de dé- carbonatation des matières sortant de la chambre de pré- calcination. Si aucune des deux valeurs mesurées ne parait vraisemblable, le d6bit de combustible injecté dans la chambre de précalcination est réglé en fonction du débit d'alimentation en matières premières de l'installation. La vitesse de rotation du four est réglée en fonc- tion du débit d'alimentation en matières premières de l'installation et des variations du couple d'entraînement du four et de la température de la matière dans la zone de clinkérisation, de telle sorte que le niveau moyen de remplissage du four reste constant. La description qui suit se réfère au dessin l'accom- pagnant qui est le schéma,donné à titre d'exemple, d'une installation de fabrication de clinker de ciment en voie sèche équipée d'un système de conduite automatisée per- mettant la mise en oeuvre de l'invention. Cette installation comprend essentiellement un échangeur à cyclones 1, 2, 3, une chambre de pr6calcination 4, un cyclone 5 associé à celle-ci, un four tubulaire ro- tatif 6 et un refroidisseur de clinker 7. Les matières premières crues, sous forme de farine, sont introduites en A dans l'6tage supérieur de l'échan- geur à cyclones. Dans celui-ci les matières sont chauffées par les gaz d'échappement du four 6 et de la chambre 4 jusqu'à la température de calcination. Elles sont ensuite partiellement décarbonatées. La chaleur nécessaire à cette réaction est fournie en partie par les gaz d'échappement du four 6 amenés à la chambre par une gaine 8 et en partie par la combustion d'un mélange d'air et de combustible. L'air qui est prélevé sur le refroidisseur 7 est amené à la chambre par un conduit 9 et le combustible y est injecté au moyen d'une tuyère 10. -3- Les matières partiellement décarbonatées sont en- traînées hors de la chambre 4 par les gaz d'échappement et transportées dans le cyclone 5 o elles sont séparées des gaz pour être introduites dans le four 6 au moyen d'un tuyau 11. Dans le four, les matières qui se déplacent lentement d'une extrémité à l'autre, en sens inverse des gaz chauds produits par un brûleur 12, sont complètement calcinées et clinkérisées. Le clinker produit est refroidi dans le refroidisseur 7 au moyen d'air frais qui est ensuite uti- lisé comme air de combustion dans le four et dans la cham- bre de précalcination. Pour optimiser le fonctionnement de cette installation, c'est-à-dire pour produite un clinker de qualité donnée avec une consommation minimale de combustible, il faut contrôler la marche de la chambre de précalcination et l'état de la zone de clinkérisation du four. Le taux de décarbonatation des matières à la sortie de la chambre de précalcination 4 est maintenu égal à une valeur de consigne D en.réglant le débit de combustible alimentant celle-ci. Pour cela, on mesure, au moyen de capteurs thermométriques 13 et 14, les températures Ti et T2 des gaz d'échappement à la sortie de la chambre de pré- calcination et du cyclone 5. A partir de T1 ou de T2, un calculateur 15 détermine la température T3 des matières à la sortie du cyclone 5 au moyen d'une relation numéri- que T3 = f(T1) ou T3 = f'(T2) qui est fonction de l'ins- tallation. La température T3 pourrait aussi être mesurée au moyen d'un capteur thermométrique placé sur la sortie des matières du cyclone 5. A partir de T3, le calculateur détermine le taux de décarbonatation des matières sortant du cyclone 5 au moyen d'une relation numérique D' = g(T3) qui est fonction des caractéristiques des matières premières et peut être dé- terminée, par exemple, par calcul à partir de l'analyse de la matière première effectuée en laboratoire, matière première dont la composition chimique est maintenue la plus constante possible par dosage des composants réa- 2557682- -4 lisé à partir de l'analyse permanente des matières pre- mières par fluorescence X. Le calculateur 15 compare les valeurs D et D' et, si elles diffèrent, règle le débit de combustible Q1 four- ni à la chambre de précalcination, au moyen d'un régula- teur PI ou PID 20, pour rendre D' égal à D. Le débit de combustible alimentant le brûleur 12 du four est maintenu égal, au moyen d'un régulateur PI ou PID 21, à une valeur de consigne Q2 qui est la somme de deux termes: un terme de base Q2' qui est fonction du débit de combustible Q1 fourni à la chambre de pré- calcination et un terme correctif Q2" qui est fonction d'un ou plusieurs paramètres définissant l'état thermique du four dans la zone de clinkérisation. Le terme Q2' est déterminé par le calculateur 15 au moyen d'une relation numérique Q2' = h(Q1). Cette relation dépend de l'installation, de la nature des matières pre- mières et du combustible et du taux de décarbonatation D visé dans la chambre de précalcination et peut être un polynome de degré 1 à 4. Elle dépend également du débit des gaz d'échappement, rapporté au débit total, prélevé au niveau de la boite à fumées 22 du four pour être rejeté à l'atmosphère lorsque les matières premières et/ou les combustibles contiennent des composés favorisant les con- crétions (alcalis, soufre, etc.), pour limiter la teneur dans le four. Ce débit relatif appelé "taux de by pass" est connu à partir d'une mesure. Le terme Q2", dont la valeur est petite par rapport à celle de Q2', est déterminé par le calculateur 15 au moyen de la relation numérique: Q2" = i ki.Mi + i Li. Mi dans laquelle Mi représente l'un quelconque des paramètres suivants: MI: concentration en oxydes d'azote des gaz d'échap- pement du four, ce paramètre étant mesuré au moyen d'une sonde 16 placée dans la gaine 8, - 5 - M2: température de la zone de clinkérisation mesurée au moyen d'un capteur 17, M3: température du gaz d'échappement du four mesurée dans la gaine 8 au moyen d'un capteur 18, M4: couple du moteur d'entraînement du four 19, M5: quantité d'oxyde de potassium contenue dans la matière au niveau de la boite à fumées 22; M6: quantité de chaux libre dans le clinker, et Ki et Li sont des coefficients de pondération qui peuvent être nuls dans certains cas. Les dérivées des paramètres sont utilisées pour ac- célérer le réglage (cas de la température de clinkérisa- tion) ou pour anticiper et éviter les variations de ces paramètres. Cette relation pourra être corrigée en fonction de l'évolution des pertes thermiques de paroi et des entrées d'air parasite. Par ailleurs, la vitesse de rotation du four N est réglée en fonction du débit Q3 des matières premières ali- mentant l'installation, de la variation par rapport à une valeur moyenne filtrée du couple d'entraînement du four tC déterminée par des moyens connues, par exemple par mesure des variations de l'intensité du courant électrique fourni au moteur 19 dans le cas d'un moteur à courant continu, et de la variation A T de la température de la matière dans la zone de clinkérisation par rapport à une valeur moyenne filtrée, suivant une relation N = (aQ3 + b) + kl &C + k2 ET. Cette relation et la précédente permettent notamment de prendre en compte l'ins- tabilité du collage de la matière en cours de clinkérisa- tion (dérochetage). On pourra éventuellement tenir compte pour régler la vitesse de rotation du four du degré de décarbonatation dans la chambre de préclciination, du taux de poussières dans les gaz d'exhaure et de la nature des matières pre- mières. Le calculateur 15 compare en permanence les valeurs -6 mesurées des températures T1 et T2. En cas de désaccord entre ces deux mesures, le calculateur détermine quelle est la mesure correcte au moyen de tests de niveau et utilise celle-ci pour le calcul de T3. Si aucune de ces deux mesures n'est correcte, le calculateur règle le dé- bit de combustible Q1 fourni à la chambre de calcination en fonction du débit de matières premières Q3 suivant une relation QI = l(Q3) qui dépend de l'installation, de la nature des matières premières et du taux de décarbonata- tion visé et peut-être, par exemple, un polynome de degré i à 4. En cas de panne du calculateur, un régulateur ana- logique règle le débit de combustible Q1 fourni à la cham- bre de précalcination en fonction de l'écart entre la valeur mesurée de la température T1 ou T2 des gaz à la sortie de la chambre de calcination ou du cyclone 5 et une valeur de consigne introduite dans ce régulateur. Un second régulateur analogique règle le débit de combusti- ble Q2 alimentant le brûleur du four en fonction de l'un des paramètres Mi, par exemple la teneur en oxydes d'azote des gaz d'échappement du four. L'équilibre des gaz dans l'installation est assuré par les réglages simultanés du tirage, du débit d'air chaud prélevé sur le refroidisseur de clinker pour alimen- ter la chambre de précalcination et de la pression dans le capot de chauffe du four, en agissant sur la vitesse du ventilateur de tirage,. en modifiant les positionsdes regis- tres placés sur la sortie des gaz d'exhaure et d'un volet placé sur le conduit 9 et en réglant le débit d'air frais insufflé dans le refroidisseur. Les consignes pour les valeurs de réglage de la vitesse du ventilateur de tirage et de la position du volet du conduit 9 sont déterminées par le calculateur 15, au moyen de relations numériques, en fonction de la teneur en oxygène des gaz à la sortie du cyclone 5 et à la sortie du four 6. La pression au ca- pot de chauffe est réglée en fonction de la pression dif- férentielle entre les deux chambres du refroidisseur de clinker et du débit d'air frais insufflé dans la première -7 - de ces chambres. Dans le cas de situations qui risquent de perturber la stabilité du processus (changement de niveau de la pro- duction, chutes d'anneaux, pointes de CO, bourrage des cyclones, etc...) on utilise des procédures spéciales qui permettent de maintenir cette stabilité en agissant sur plusieurs boucles de réglage de manière synchronis6e. Dans l'installation décrite, la chambre de calcina- tion et le four sont disposés en série, les gaz d'échap- pement du four traversant la chambre de calcination. On sait qu'il existe des installations o les gaz d'échap- pement du four ne sont mélangés aux gaz d'échappement de la chambre de calcination qu'à la sortie de celle-ci ou du cyclone qui la suit et des installations ou les gaz d'échappement du four et ceux de la chambre de calcina- tion suivent des trajets séparés dans des échangeurs dis- tincts l'un de l'autre. Il doit être bien entendu que l'in- vention s'applique aussi à ces installations. - 8 - 2557682 REVENDICATIONS 1. Procédé de conduite automatisée d'une installation de fabrication de clinker de ciment en voie sèche comprenant une chambre de précalcination (4) munie d'un dispositif d'injection de combustible (10) et un four tubulaire ro- tatif (6) équipé d'un brûleur (12) à son extrémité de sor- tie du clinker et entraîné en rotation par un moteur (19) caractérisé en ce que le débit d'alimentation en combusti- ble du brûleur (12) du four est maintenu égal à une va- leur de consigne (Q2) qui est la somme de deux termes: un terme de base (Q2') fonction du débit de combustible (Q1) injecté dans la chambre de précalcination (4) et un terme correctif (Q2") qui est fonction d'un ou-plusieurs para- mètres représentatifs des conditions de clinkérisation et choisis dans le groupe constitué par la teneur en oxydes d'azote des gaz d'échappement du four (MI), la température de la zone de clinkérisation du four (M2), la température des gaz d'échappement du four (M3), le couple du moteur d'entraînement du four (M4), la teneur en oxyde de potas- sium de la matière au niveau de la boite a.fumées (M5) et la teneur en chaux libre du clinker (M6), le débit de combustible (Qi) injecté dans la chambre de précalcination (4) étant réglé de façon à maintenir le taux de décarbona- tation des matières calcinées, à leur sortie de ladite chambre, égal à une valeur de consigne (D). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé.en ce que le terme de base (Q2') prend en compte le débit de gaz d'échappement prélevé au niveau de la boite à fumées (22) du four pour être rejeté à l'atmosphère. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on mesure la température des gaz d'échappement de la chambre de précalcination (4) en deux points (13, 14) espacés l'un de l'autre sur le trajet de ces gaz, on compare les valeurs mesurées l'une à l'autre et à des valeurs de référence et si l'une des valeurs mesurées n'est pas vraisemblable on utilise l'autre valeur mesurée pour calculer le taux de décarbonatation des matières sortant de la chambre de précalcination. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, lorsqu'aucune des deux valeurs mesurées de la température (T1, T2) des gaz d'échappement de la chambre de calcina- tion (4) n'est vraisemblable, le débit de combustible (Q1) injecté dans la chambre de précalcination (4) est réglé en fonction du débit d'alimentation (Q3) en matières pre- mières de l'installation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse de rotation (N) du four est réglée en fonction du débit d'alimentation (Q3) en matières premières de l'installation et/ou des variations ( LC) du couple d'entraînement du four et/ou des varia- tions (4T) de la température de la matière dans la zone de clinkérisation du four. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que dans le terme (Q2") l'un au moins des paramètres est associé à sa dérivée.