Brevet FR2573750A1 — publié le 19860530

L'invention concerne un procédé et un appareillage pour produire du clinker de ciment blanc dans une installa- tion comportant un four rotatif chauffé à l'aide d'un combus- tible à bas:pouvoir calorifique, comme du gaz de gazéifica- tion de charbon. Le ciment blanc peut se distinguer du ciment Port- land classique par sa couleur mais, par ailleurs, il lui ressemble essentiellement par ses propriétés physiques et chimiques et par sa composition chimique. En général, la matière première présente la composition suivante: calcaire à 85 %, kaolin ou argile 5 à 20 % et sable 4 à 15 %. La teneur en certains éléments, en particulier le fer, le mahga- nèse et le chrome, doit cependant être maintenue à une valeur aussi faible que possible dans la matière première>de façon à garantir une blancheur appropriée du ciment produit. En général, le clinker de ciment blanc doit conte- nir moins de 0,40 % de Fe203, moins de 0,040 % de MnO et ppm de Cr203. Comme une proportion d'environ 0,05 à 0,10% de Fe203 provient d'une contamination pendant la préparation du ciment blanc, la matière première destinée à la fabrica- tion du ciment blanc doit au moins satisfaire aux conditions suivantes: le calcaire doit contenir moins de 0,25 % de Fe203, le kaolin ou l'argile ne doit pas contenir plus de 0,5 % de Fe203 et le sable doit contenir moins de 0,2 % de Fe203. Cependant, puisque les éléments précités ne peuvent être complètement évités et puisque ce sont les cations de métaux à un degré élevé de valence qui ont le pouvoir le plus élevé d'absorption de la lumière, il est fondamental, pour l'obtention d'une grande blancheur, de maintenir les métaux à un faible degré de valence. On peut y parvenir en gardant le clinker en atmosphère réductrice jusqu'à ce que ce clinker soit à une température inférieure à celle à laquelle une oxydation risquerait de se produire si ce clinker était directement exposé à l'action de l'air. Pour fabriquer du ciment blanc on sait, par exemple du fait du brevet GB 814 836, introduire la matière première dans un four rotatif dans lequel elle est frittée en donnant du clinker de ciment, ce dernier quittant le four à environ 1200'C pour être introduit dans un tambour de séchage avec un gaz réducteur et étant déchargé de ce sécheur dans une cuve emplie d'eau, puis étant refroidi et extrait à l'aide d'un transporteur. Ce procédé présente l'inconvénient que le clinker doit être rapidement séché et qu'il sort donc en présentant une teneur en humidité de 12 à 18 % entraînant un affaiblissement correspondant de la résistance mécanique du ciment et, si l'on utilise des huiles combustibles lourdes pour produire le gaz dans le tambour sécheur, on trouve souvent des taches de carbone dans le clinker. Utiliser en variante les gaz chauds sortant du four pour sécher le clin- ker présente l'inconvénient de contaminer ce clinker par de la poussière du four et, même quand le séchage est effec- tué rapidement, on ne peut éviter que le clinker absorbe une certaine quantité d'humidité, ce qui diminue la résis- tance mécanique du ciment. En outre, le refroidissement du clinker dans une cuve d'eau présente l'inconvénient que la vapeur d'eau doit traverser le four et peut ainsi exercer un effet adverse sur le gradient de température, augmenter le débit de gaz traversant ce four, et aboutir à une perte presque totale de la chaleur contenue dans le clinker. Les seuls combustibles acceptables jusqu'à présent pour-le chauffage ont été une huile ou du gaz, alors qu'il n'a pas été possible d'utiliser du charbon en raison de la conta- mination que les cendres de ce charbon provoqueraient, et de la noncapacité du charbon à assurer une température suffisamment élevée dans la zone de frittage du clinker. Le combustible utilisé dans ce but doit présenter un pouvoir calorifique suffisamment élevé pour que la température de flamme adiabatique se situe dans l'intervalle de 1850C à 2050 C. Seuls de l'huile et du gaz ayant une température de flamme adiabatique voisine de 2015'C ont jusqu'à présent rempli cette condition, ce qui a exclu d'utiliser du gaz à bas pouvoir calorifique produit par exemple par gazéifi- -3 cation du charbon, puisque la température de flamme adia- batique n'est alors que d'environ 1840 C pour une température typique de 400 C du gaz à la sortie d'un gazéificateur. On peut résumer comme suit les inconvénients ou défauts des procédés connus de production du ciment blanc: - seuls des combustibles à pouvoir calorifique élevé, et qui sont donc relativement onéreux, sont utili- sables; - immerger le clinker dans de l'eau entraîne la présence d'une teneur résiduelle de 12 à 18 % d'humidité, ce qui diminue la solidité mécanique et la résistance du ciment et crée un gradient indésirable de température dans le four tout en augmentant la quantité des gaz présents dans ce four et qui le traversent; - enlever l'humidité résiduelle du clinker à l'aide d'un tambour de séchage chauffé par de l'huile ou en utili- sant les gaz chauds s'échappant du four peut entraîner la présence de taches de carbone dans le produit et la contami- nation de celui-ci par de la poussière fine, respectivement; - il n'est pas possible, dans les procédés anté- rieurs, de récupérer la chaleur contenue dans le clinker. Un objet de la présente invention consiste à sur- monter les difficultés ci-dessus dans la production du ciment blanc et, selon l'invention, on y parvient à l'aide d'un procédé et d'un appareillage pour produire du clinker de ciment blanc dans une installation comportant un four rotatif, en soumettant le clinker sortant du four à un refroidissement en atmosphère réductrice dans un premier échangeur de chaleur ou un premier étage de refroidissement, par échange direct de chaleur avec un gaz combustible à bas pouvoir calorifique, jusqu'à une température inférieure à celle à laquelle une réoxydation risquerait de se produire si le clinker était en contact direct avec l'air, et en refroidissant ensuite ce clinker dans un second échangeur de chaleur o.u un second étage de refroidissement par contact direct avec de l'air de refroidissement, en introduisant dans le four rotatif, à titre de combustible, le gaz combustible à bas pouvoir calorifique êtarit préchauffé dans le premier étage de refroi- dissement, et en introduisant dans le four-rotatif, à titre d'air comburant, l'air de refroidissement préchauffé dans le second étage de refroidissement. Ainsi, selon l'invention, il est possible de récu- pérer une proportion considérable de la chaleur contenue dans le clinker chaud et, simultanément, de chauffer jusqu'à une température acceptable le gaz à bas pouvoir calorifique, ce qui permet d'utiliser ce gaz pour un- chauffage direct du four. Du gaz à bas pouvoir calorifique se définit comme un gaz combustible ayant un pouvoir calorifique de 3,7 à ,6 MJ/m3 (dans les conditions normales de température et de pression). On met le clinker en contact avec le gaz à bas pouvoir calorifique dans un échangeur de chaleur ou une unité de refroidissement pouvant être du type rotatif, à lit fixe, à lit fluidisé, ou du genre cyclone. De cette façon, le gaz à bas pouvoir calorifique peut être chauffé jusqu'à une tem- pérature d'au moins 850 C, ce qui permet une température de flamme adiabatique d'environ 1950'C, et le clinker peut ainsi être refroidi jusqu'à une température d'au moins 600'G. Ainsi, le clinker est refroidi au dessous de la température à laquelle une oxydation risque de se produire et la chaleur restant encore contenue dans ce clinker est récupérée du fait que l'on met ce clinker en contact avec de l'air, dans un échangeur de chaleur, ou une unité de refroidissement, à contact direct, qui est de préférence du même type que l'unité de refroidissement par gaz à bas pouvoir calorifique, l'air ainsi préchauffé servant d'air comburant dans le four. Selon l'invention, on refroidit tout d'abord le clinker par une pulvérisation d'eau jusqu'à environ 1100'C dans l'extrémité inférieure du four, comme on le sait par exemple du fait du brevet GB-1 171 568. De cette façon, on obtient la résistance mécanique requise du ciment provenant du refroidissement rapide de celui-ci, la chaleur contenue dans le clinker suffisant encore pour chauffer le gaz à bas pouvoir calorifique, utilisé dans le premier échangeur de chaleur, jusqu'à une température permettant d'utiliser ce gaz pour un chauffage direct, ce même échangeur de chaleur jouant également le rôle d'un dispositif destiné à diminuer la teneur en humidité du clinker. De préférence, le clinker doit être refroidi au dessous de 600 C dans l'unité de refroidissement par du gaz à bas pouvoir calorifique, ce qui empêche l'oxydation du clinker en cas d'exposition à l'air. Le temps de refroidis- sement préféré pour cela se situe entre 5 et 10 minutes. Le gaz à bas pouvoir calorifique est produit par gazéification de charbon. Les gazéificateurs de charbon peuvent facilement fournir un gaz combustible à bas pouvoir calorifique, dont la teneur en cendres est suffisamment faible pour correspondre à ce que le procédé demande, et l'on peut utiliser à la sortie du gazéficateur, si nécessaire, un filtre destiné à séparer les particules solides. Un exem- ple d'un type de gazéificateur convenant dans ce but est le gazéificateur de charbon Foster-Wheeler, qui est du type appelé à lit fixe en deux étages, dans lequel le charbon, introduit au sommet du gazéificateur et qui s'écoule vers le bas de celui-ci, est gazéifié par un mélange ascendant d'air et de vapeur d'eau. L'étage supérieur du gazéificateur produit un gaz assez froid (120 'C) provenant de la distilla- tion des matières volatiles du charbon. Ce gaz passe par un cyclone à goudron destiné à enlever les constituants les plus lourds. L'étage inférieur du gazéificateur produit du gaz à 600 C provenant de la zone de gazéification. Ce gaz est débarrassé de sa poussière dans un cyclone et il est ensuite ajouté au gaz du sommet pour donner un gaz à bas pouvoir calorifique dont la température est alors de 400 C. En utilisant un tel gazéificateur et en préchauffant le gaz jusqu'à 850 C au moins, on peut utiliser le gaz de gazéifica- tion du charbon, qui est un gaz relativement peu onéreux, comme combustible pour chauffer le four. Pour permettre une meilleure compréhension de la présente invention, on va maintenant décrire de façon plus détaillée, à titre illustratif et nullement limitatif, l'invention en se référant au dessin annexé dont la figure unique représente schématiquement une installation de fabri- cation d'un ciment blanc selon l'invention. Par une entrée 1, de la farine brute est introduite dans un préchauffeur 2 dans laquelle cette farine est pré- chauffée par du gaz chaud provenant, par un conduit 4, d'un four rotatif 5. La matière première réchauffée est introduite par un conduit 3 dans le four 5. Pendant son passage de l'extrémité supérieure à l'extrémité inférieure du four, la matière ainsi traitée est transformée en clinker à une température de l'ordre 1400 à 1500'C dans la zone de forma- tion de clinker dans le four. A l'extrémité de sortie du four, le clinker subit une aspersion d'eau introduite par un tuyau 6 et il est refroidi à environ 1100 C. Le clinker est ensuite acheminé par un conduit 7 à une première unité 9 de refroidissement dans laquelle il est refroidi, jusqu'à une température d'environ 600 C, par contact direct avec un gaz à bas pouvoir calorifique (introduit par un conduit 11). De l'unité 9, le clinker est introduit par un conduit 12 dans une seconde unité 13 de refroidissement dans laquelle il est refroidi jusqu'à une température de 100-150 C par contact direct avec de l'air introduit par un conduit 14, puis il est soutiré de l'unité 13 de refroidissement par un conduit 15. Le gaz à bas pouvoir calorifique provient d'un gazéificateur 19 de charbon, appareil qui est équipé des conduits 16, 17 et 18 d'introduction de charbon, d'air et de vapeur d'eau, respectivement. Le charbon est introduit par le conduit 16. Par un conduit 20, le gaz à bas pouvoir calorifique est acheminé à un filtre 21 par la sortie 22 duquel on retire les cendres et autres matières solides particulaires. Le gaz ainsi épuré est acheminé de là par un conduit 11 à l'unité 9 de refroidissement. Le gaz à bas pouvoir calorifique quitte le filtre à 400 C environ et il est chauffé jusqu'à 850 C environ par contact direct avec le clinker se trouvant dans l'unité 9 de refroidissement, le chauffage permettant une température de flamme adiabatique d'environ 1950'C, et le gaz est ensuite introduit par un conduit 8 à l'extrémité du four rotatif 5 servant à la décharge du clinker. L'air utilisé dans la seconde unité 13 de refroidissement y est introduit par un conduit d'admission 14 et il est chauffé jusqu'à 300-500 C par la charge de clinker se trouvant dans cette unité 13 de refroidissement. De cette unité 13, l'air est introduit, par un conduit 10, à titre d'air comburant à l'extrémité du four 5 correspondant à la décharge du clinker. Le gaz provenant du four 5 passe par un tuyau ascendant 4 dans le préchauffeur 2, o il sert à préchauffer la matière première par un échange direct de chaleur. Du préchauffeur 2, le gaz provenant du four est introduit par un tube 23 dans une installation filtrante (non représentée) pour passer ensuite par une cheminée. L'exemple suivant est destiné à contribuer à illus- trer les avantages de l'invention: Exemple On introduit dans le four rotatif de l'installation décrite, par l'intermédiaire de la première unité de refroi- dissement, 0,766 kg de gazzà bas pouvoir calorifique par kilogramme de clinker. La température du gaz à bas pouvoir calorifique est, à la sortie de la première unité de refroi- disssement, d'environ 850'C, ce qui donhe une température de flamme adiabatique d'environ 1950 'C, à comparer à une température de flamme adiabatique d'environ 1840 'C dans le cas d'un gaz à bas pouvoir calorifique chauffé à 400'C, si ce dernier gaz n'avait pas été chauffé dans le premier étage de refroidissement. Le clinker passe ensuite dans la seconde unité de refroidissement, unité de refroidissement par de l'air, dans laquelle on utilise 1,39 kg d'air/kg de clinker, de sorte que l'air ayant servi au refroidissement quitte l'unité de refroidissement en ayant une température de 300 à 500'C. La chaleur recyclée en provenance de la première unité de refroidissement s'élève à environ 532,2 kJ/kg, et la chaleur recyclée de la seconde unité de refroidissement s'élève de même à 523,2 kJ/kg, de sorte que la chaleur résul- tante recyclée vers le système est d'environ 1046,5 kJ/kg de clinker. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'inven- tion, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareillage, décrits et représentés pour la production d'un clinker de ciment blanc. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire un clinker de ciment blanc dans une installation comportant un four rotatif comprenant un étage de préchauffage, un four rotatif pour brûler et fritter la matière première traitée, et un étage de refroidis- sement pour refroidir la matière frittée, procédé caractérisé en ce qu'on soumet le clinker à un échange direct de chaleur avec un gaz combustible à bas pouvoir calorifique, dans un premier étage comportant un échangeur de chaleur en atmosphè- re réductrice, pour refroidir ce clinker jusqu'à une tempéra- ture inférieure à celle à laquelle une réoxydation risquerait de se produire si le clinker était en contact direct avec l'air, puis l'on introduit dans le four rotatif le gaz com- bustible à bas pouvoir calorifique ainsi préchauffê, à titre de combustible pour chauffage direct, et en ce qu'on envoie le clinker sor- tant de ce premier étage à échangeur de chaleur vers un second étage à échangeur de chaleur pour que le clinker subisse un refroidissement plus poussé jusqu'à environ 100 à 150"C, par contact direct avec de l'air atmosphérique, ce dernier étant ainsi chauffé jusqu'à une température de 300 à 500"C et l'air ayant servi à ce refroidissement et qui est ainsi préchauffé étant ensuite introduit, à titre d'air comburant, dans le four rotatif. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le clinker est tout d'abord soumis à un refroidis- sement preliminaire à l'extrémité de sortie du four, ou au voisinage de cette extrémité, jusqu'à une température compri- se entre 1400 et 1100 0C, par contact avec une pulvérisation d'eau avant d'être refroidi par le gaz combustible à bas pouvoir calorifique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz combustible à bas pouvoir calorifique est produit par gazéification du charbon et est chauffé jusqu'à 850 0C au moins dans le premier étage comportant un échangeur de chaleur. 4. Installation pour produire du clinker de ciment blanc par le procédé selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, cette installation comprenant un préchauf- feur pour préchauffer les matières premières à l'aide des gaz chauds du four, un four pour brûler et fritter les matières premières en donnant du clinker, et un étage de refroidissement destiné à refroidir le clinker produit dans le four, installation caractérisée en ce que l'étage de refroidissement comprend une première unité (9) d'échange de chaleur ou refroidissement, dans laquelle le clinker est refroidi en contact direct avec un gaz à bas pouvoir calori- fique introduit (11) dans l'unité (9) de refroidissement, en provenance d'un gazéificateur (19,21), et une seconde unité (13) de refroidissement ou d'échange de chaleur dans laquelle le clinker subit un refroidissement supplémentaire en contact direct avec de l'air(14). 5. Installation selon la revendication 4, caracté- risée en ce qu'elle comporte un conduit (8) destiné à intro- duire dans le four (5), à titre de combustible, le gaz à bas pouvoir calorifique préchauffé dans l'unité (9) d'échange de chaleur ou de refroidissement, et une conduite (10) pour introduire dans le four (5), à titre d'air comburant, l'air (14) préchauffé dans l'unité (13) d'échange de chaleur ou de refroidissement.