Brevet FR2570620A1 — publié le 19860328

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de décarbonatation de minéraux,notamment de calcaire, par calcination en lit fludisé. La décarbonatation des minéraux nécessite générale- ment une grande quantité de chaleur étant donné que ces réactions sont fortement endothermiques. C'est pourquoi, on avait souvent proposé de la combiner avec des réactions exothermiques, par exemple, avec la combustion de substances organiques. Cependant, les divers carbonates ne se cuisent pas tous avec la même facilité, lorsqu'on les porte à la même température. De plus, l'apport de substances supplé- mentaires complique le contrôle de la réaction de décar- bonatation et nuit à la pureté des produits fabriqués. L'invention propose un nouveau procédé et un dis- positif qui permettent une plus grande économie d'énergie et, de plus, l'obtention de gaz carbonique très pur valo- risable. L'invention concerne donc un procédé de décarbona- tation de minéraux (ce terme désignant en particulier l'ensemble des roches ou minéraux couramment utilisés industriellement) sous forme pulvérulente en lit fluidisé, procédé qui est caractérisé en ce qu'au moins une partie du gaz carbonique produit est recyclée pour être utilisée comme gaz de réchauffage préalable des minéraux et comme gaz de fluidisation. Le lit fluidisé peut consister indifféremment en lit fluidisé simple ou à circulation, ou encore en un lit entraîné analogue à un transport pneumatique. Il peut être isotherme ou à gradient, homogène ou à ségrégation. Sa conception peut être du type silo, tunnel ou multi éta- gée. La température du lit fluidisé est réglée à l'opti- mum thermochimique, par exemple la température minimale de décarbonatation à pression atmosphérique. Dans le cas 25706Ä0 particulier de la fabrication de chaux, la température du lit fluidisé sera réglée entre 850 et 950 C, pour obtenir une chaux très réactive, non clinkérisée sans devoir recourir à des éléments chauffants de surfaces démesurées. Si l'on désire cependant obtenir des minéraux décarbonatés et clinkérisés, notamment dans la fabrication de certains ciments, le procédé de l'invention peut aussi être réalisé à des températures plus élevées, par exemple jusqu'à 1500 C. Selon une autre caractéristique principale de l'in- vention, applicable notamment lorsque le minéral de départ (calcaire, dolomie, etc...) n'est pas suffisamment sec et/ou n'a pas la granulométrie souhaitée, on utilise la chaleur résiduelle du gaz carbonique (après le réchauffage préalable du minéral) pour chauffer l'air destiné au sécha- ge du produit de départ. A cet effet, il est avantageus de faire circuler le gaz carbonique et l'air à contre courant afin d'épuiser la température du gaz carbonique, qui peut être refroidi, par exemple, jusqu'à environ 40 C. Selon une autre caractéristique du procédé, on réchauffe le gaz carbonique utilisé comme gaz de fluidi- sation par les produits de réaction sortant du réacteur. L'invention fournit aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, comprenant un réacteur de décarbonatation et un réchauffeur du minéral carbonaté brut pulvérulent, éventuellement sous forme de séparateur de poudres du type cyclone. Le réacteur utilise le principe de la fluidisation avec les aménaggements nécessaires à son bon fonctionne- ment. L'apport d'énergie calorifique nécessaire à la réaction peut notamment être d'origine électrique. En général on utilisera l'effet Joule (résistances classiques ou résistances à grandes surfaces de contact plongeant dans le lit ou encore conduction directe dans le médium fluidisé), cependant les autres méthodes de chauffage sont applicables (chauffage diélectrique ou par micro-ondes). Le gaz de fluidisation et le gaz issu de la décar- bonatation (tous deux du CO2) sortent du réacteur et sont séparés des inévitables envols de poudre dans le réchauf- feur, par exemple du type cyclone. Après séparation, les poudres sont dans la mesure du possible réinjectées dans le réacteur, tandis que dans le réchauffeur du produit entrant (minéral carbonaté),le CO2 à température élevée apporte l'énergie nécessaire pour réchauffer et si possible commencer à décarbonater le minéral avant son introduction dans le réacteur. Comme alternative, le réchauffeur peut être utilisé sous forme de lit fluidisé, en particulier à gradient, par exemple lit fluidisé tunnel. Lorsque le produit n'est pas disponible à l'entrée du procédé suffisamment sec et/ou n'a pas la granulométrie souhaitée pour la technologie de réalisation du réacteur, selon l'invention on ajoute un module de tête de procédé comprenant un échangeur de chaleur CO2-air à flux séparés, un broyeur/sécheur de produit entrant (minéral carbonaté) et un séparateur de poudres. L'air peut être introduit dans ce module par un dispositif connu, par exemple, par un ventilateur. Cet air réchauffé est soufflé dans le broyeur/sécheur de produit entrant ou il remplit le double rôle d'air de transport pneumatique et d'air de séchage. A la sortie du broyeur/sécheur, le minéral est séparé de l'air, de la vapeur d'eau de séchage et éventuellement des ultra-fins non valorisables dans le dispositif sépara- teur gaz-poudre,notamment un cyclone. Ainsi le minéral contenant des carbonates pénètre dans le réchauffeur sous forme anhydre et pulvérulente. Le gaz carbonique sortant du réchauffeur de produit entrant, ou le cas échéant de l'échangeur de chaleur CO2-air, est soutiré en partie et peut être le cas échéant valorisé, tandis que la partie non soutirée est recylcée dans le réacteur pour servir de gaz de fluidisation. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend aussi un autre échangeur de chaleur CO2-produits de réaction, à flux séparés ou non, servant à réchauffer le gaz carbonique recyclé dans le réacteur et à refroidir les produits de réaction sortant du réac- teur. Cet échangeur peut notamment avoir une technologie de réalisation apparentée à celle d'un refroidsseur à clinker ou à pluie de particules. Du fait que le CO2 est introduit à une température proche de l'ambiante (notam- ment s'il sort de l'échangeur CO2-air), la chaleur sensible des produits de réaction peut être épuisée et totalement, ou presque, récupérée pour réchauffer le CO2. Ceci permet de minimiser ou même de supprimer le refroidisseur final avant conditionnement du minéral décarbonaté pour utilisa- tion ou stockage. Les principaux avantages du procédé et du dispositif selon l'invention sont: - obtention d'un produit décarbonaté très réactif sous forme pulvérulente, par exemple chaux ou magnésie; - valorisation aisée du CO2 issu de la décarbona- tation parce que très pur (c'est pratiquement le seul gaz présent dans le procédé); - très bon rendement énergétique de l'installation (le recylage du CO2 et son refroidissement à une tempé- rature proche de l'ambiante diminuent fortement les pertes de chaleurs sensibles); - la possibilités du chauffage électrique du réac- teur permet d'obtenir un produit décarbonaté très pur sans traces d'inertes ou de corps indésirables habituelle- ment contenus dans les combustibles (soufre, azote, potas- se,.métaux lourds, etc...); - la précision d'une régulation d'un chauffage électrique permet de diminuer fortement les risques de clinkérisation du produit et pouvoir valoriser un produit de qualité "chimie fine"; - la versatilité du procédé permet d'envisager des réalisations allant de quelques centaines de kW à plus de MW de puissance installée, ainsi que de faciliter et accélérer les arrêts et démarrages du procédé. La description suivante en regard à la figure unique annexée, donnée à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur le schéma du procédé et dispositif représentés sur la figure, la castine (20,9 t/h) ayant un taux d'humi- dité de 6% est introduite dans un broyeur/sécheur 5 o elle est broyée à une granulométrie dans la frange de 100 à 400pm et séchée par de l'air chauffé dans l'échangeur de chaleur 4, puis la castine séchée est amenée dans le cyclone 6 o l'air de séchage, la vapeur d'eau et les ultra-fins (poussières) sont extraits du processus à 120 C. Les pertes en poussières représentant environ 10% du produit sec, la castine séchée (17,86 t/h) quitte le module de tête de pro- cédé (comprenant les appareils 4, 5, 6) et entre dans le module de préchauffage -pré-décarbonatation représenté par le réchauffeur de calcaire 2, constitué par 3 cyclones dans lesquels le CO2 sortant du réacteur 1 cède sa chaleur sen- sible au calcaire. Une fois réchauffé et pré-décarbonaté, le calcaire est introduit dans le réacteur 1, en lit fluidisé, (envi- ron 3 m. de diamètre et 4 m. de haut), chauffé électrique- ment (1115 kWh/t de chaux) par des résistances en carbure de silicium thermostatées à 1150 et immergées dans le lit, maintenu à une température d'environ 950 C; La perte de charge de la grille de fluidisation ainsi que la phase dense du lit fluidisé est de 0,5 bar (50 kPa). La chaux vive (env. 10 t/h), pulvérulente et très réactive, est extraite du lit fluidisé et refroidie dans l'échangeur de chaleur C02-CaO 7, à flux séparés, o elle cède une partie de sa chaleur au gaz carbonique de fluidi- sation qui arrive dans le réacteur 1 à une température proche de celle du lit fluidisé, ce qui évite une consom- mation d'énergie supplémentaire. Afin de compléter le trajet du gaz carbonique, le CO2 provenant de la fluidisation et produit par la décarbo- natation quitte le réacteur 1 pour le réchauffeur de cal- caire 2, o il perd une partie de sa chaleur cédée au cal- caire, puis est dirigé dans l'échangeur de chaleur C02-air 4, à flux séparés et à contre courant, o il est refroidi à une température d'environ 40 C. Le CO2 ainsi refroidi est mis en mouvement par un dispositif connu par ailleurs, notamment un surpresseur et le débit de CO2 issu de la dé- carbonatation est soutiré en un point du dispositif entre la sortie de l'échangeur air/CO2 4 et l'entrée de l'échan- geur C02/CaO 7. Ce soutirage de C02 se fait très simplement, par exemple, à l'aide d'une vanne associée à une régulation de pression, par exemple, dans le réacteur. Quand la pression du réacteur s'accroît, il faut soutirer plus de CO2 et inversement. Ce soutirage peut utilement être connecté à un mo- dule du procédé servant au conditionnement du CO2 pour sa valorisation, par exemple, une installation de liquéfaction de CO2. Le C02non soutiré est recyclé au réacteur 1 en passant préalablement dans l'échangeur 7. REVENDICATIONS 1. Procédé de décarbonatation de minéraux sous forme pulvérulente en lit fluidisé, caractérisé en ce qu'au moins une partie du gaz carbonique produit est re- cyclé pour être utilisé comme gaz de réchauffage préalable des minéraux et comme gaz de fluidisation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du lit fluidisé est réglée à l'optimum thermochimique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du lit fluidisé est réglée à la température de clinkérisation. 4. Procédé selon la revendication 1, ou la reven- dication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on utilise la chaleur résiduelle du gaz carbonique pour chauffer l'air destiné au séchage du produit de départ. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on réchauffe le gaz carbo- nique utilisé comme gaz de fluidisation par les produits de réaction. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce qu'il comprend un réacteur de décarbonatation (1) et un réchauffeur de minéral carbonaté (2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le chauffage du réacteur (1) est par électricité. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou la reven- dication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un module de tête de procédé comprenant un échangeur de cha- leur (4) CO2-air à flux séparés, un broyeur/sécheur (5) et un séparateur de poudres (6). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un échangeur de chaleur (7) CO2-produits de réaction à flux séparés. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un échangeur de chaleur (7) CO2-produits de réaction à pluie de particules. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 10, caractérisé en ce que le réacteur(l) et le réchauffeur de minéral carbonaté (2) sont réalisés sous la forme d'un lit fluidisé à gradient. 12. Application du procédé et du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 àla fabrication de chaux vive par décarbonatation de calcaire.