Brevet FR2591913A1 — publié le 19870626

L'invention se rapporte à un procédé de traite- ment thermique pour une matière particulaire fine, notam- ment pour la fabrication du ciment, utilisant un pré- chauffeur à cyclone, de préférence à plusieurs étages, un four tubulaire tournant, un refroidisseur, ainsi qu'une conduite de gaz de fumées du four, intercalée en- tre le four tubulaire tournant et le préchauffeur à cy- clone, qui est parcourue sensiblement de bas en haut par les gaz de fumées du four tubulaire tournant et à laquel- le on envoie de l'air tertiaire pour brQler un combusti- ble additionnel, cet air tertiaire provenant du refroi- disseur placé en aval du four tubulaire tournant,considé- ré dans le sens de la circulation de la matière, et étant divisé en deux courants partiels qui sont intro- duits dans la conduite de gaz de fumées du four à des niveaux différents. I1 est déjà connu d'appliquer un procédé du gen- re décrit ci-dessus au traitement thermique d'une ma- tière particulaire fine, par exemple, du ciment, de la chaux, du plâtre,de la dolomie, de la magnésie et d'au- tres minéraux qui demandent à subir un traitement thermi- que, en utilisant différentes installations. Dans l'un de ces cas, la matière à traiter parcourt la zone de pré- calcination formée par la conduite de gaz de fumées du four dans le même sens que les gaz de fumées sortant du four tubulaire tournant, de bas en haut et sur toute la hauteur, de sorte que la zone de traitement thermique est très longue. Au contraire, dans une autre installa- tion, la matière à traiter est acheminée au four tubulai- re tournant en circulant à contre-courant dans la condui- te de gaz de fumées du four qui forme une zone de précal- cination de faible longueur. Dans ce cas, la conduite de gaz de fumées du four revêt la forme d'une cheminée de diamètre relativement grand, de la partie supérieure de laquelle sortent exclusivement les gaz de fumées du four destinés à être envoyés au préchauffeurà cyclone. Pour l'exécution de la précalcination, on utili- se en supplément des gaz de fumées du four tubulaire tournant, des gaz chauds qui proviennent de la combus- tion d'un combustible additionnel avec de l'air tertiai- re qui est pris sur le refroidisseur placé en aval du four tubulaire tournant, considéré dans le sens de la circulation de la matière. Pour cela, il est connu, soit d'amener l'air tertiaire à l'extrémité inférieure de la conduite de gaz de fumées du four, qui forme la zone de précalcination, séparément du combustible additionnel, soit de procéder à la combustion du combustible addition- nel, à l'aide de l'air tertiaire, immédiatement avant l'entrée commune de l'air et du combustible dans la con- duite de gaz de fumées du four, et on peut choisir de raccorder plusieurs conduites d'air tertiaire à la con- duite de gaz de fumées du four, à différents niveaux et d'acheminer à chaque conduite d'air tertiaire la propor- tion correspondante de combustible additionnel. Le procédé connu, dans lequel la combustion du combustible additionnel et la précalcination se dérou- lent dans des courants circulant dans le même sens, pré- sente différents inconvénients. En effet, d'une part, le temps de calcination est beaucoup plus court que le temps de combustion complète du combustible et, d'autre part, la pression partielle de l'oxygène est considéra- blement réduite par le mélangeage de l'air tertiaire avec les gaz de fumées du four, ce qui entratne un nou- vel allongement du temps de combustion, de sorte qu'il existe des discordances considérables entre la combus- tion et la précalcination dans le cas de la circulation en courants de même sens. Ces discordances sont encore accentuées par le fait que, en raison de la simultanéité de la combustion et de la précalcination, la décomposi- tion thermique dégage du CO2 qui dilue encore la concen- tration de l'oxygène et, de cette façon, allonge encore la durée de la combustion complète. Un autre inconvénient du procédé à courants de même sens consiste en ce que les alcalis et halogènes 2591.913 dégagés sont entraZnés avec les gaz de fumées et intro- duits dans le préchauffeur à cyclone o ils peuvent con- duire à des obstructions du ou des cyclone(s) sous l'ef- fet de phénomènes de condensation et de minéralisation. On peut certes éviter cet inconvénient en prélevant un courant partiel de gaz, de débit suffisamment grand, qui est alors envoyé au préchauffeur en parallèle, mais ceci entraîne de grandes pertes de chaleur. Les inconvénients décrits ci-dessus sont évités dans le procédé à contre-courant déjà connu, En particu- lier, dans ce procédé connu, les alcalis et halogènes sont retenus dans le circuit du four, o ils se conden- sent sur la matière précalcinée acheminée au four tubu- laire tournant. De cette façon, il n'est nécessaire de prévoir un circuit en dérivation pour les gaz de fumées du four que dans le cas de très fortes charges de subs- tances polluantes. Toutefois, le procédé à courants de même sens ainsi que le procédé à contre-courant ont tous deux l'in- convénient consistant en ce que la combustion complète du combustible additionnel à l'aide de l'air tertiaire provenant du refroidisseur, que l'on doit s'attacher à réaliser et qui doit se produire dans la conduite de gaz de fumées qui s'étend entre le four tu6ulaire tournant et le préchauffeur à cyclone, est gênée par la cal- cination qui se déroule en même temps et au même en- droit, ceci parce que ce processus de calcination exclut l'établissement de températures supérieures à un niveau de 820 à 840 C. Si la calcination était séparée de la combustion du combustible additionnel dans les procédés connus, il se produirait des températures élevées, supé- rieures à 1 600 C. A ces températures, il se forme dans les gaz de fumées du NO qui, au cours du refroidissement consécutif des gaz, réagit avec l'excédent d'oxygène in- troduit pour assurer la combustion complète du combusti- ble additionnel, en formant des oxydes d'azote poi- luants. Ces oxydes d'azote (NOx), qui représentent des pollutions pour l'environnement, ne peuvent être élimi- nés que par une épuration conteuse des gaz de fumées. L'invention a pour lbut de perfectionner le pro- cédé de traitement thermique d'une matière particulaire fine qui a été défini au début tout en conservant les avantages du procédé à contrecourant, de telle manière que la précalcination se déroule avec une consommation d'énergie aussi réduite que possible, en utilisant éven- tuellement des combustibles bon marché, sans risque de produire des substances polluantes, en particulier, d'oxydes d'azote toxiques, et donc de telle manière qu'on puisse se dispenser d'un traitement ultérieur coQ- teux des gaz de fumées du four tout en obtenant cepen- dant un rendement thermique élevé. Le mode de résolution de ce problème par l'in- vention est caractérisé en ce que le combustible addi- tionnel est introduit exclusivement dans le courant par- tiel inférieur d'air tertiaire et de telle manière qu'il se produise une combustion sous-stoechiométrique avant l'entrée du deuxième courant partiel d'air tertiaire, en ce que le deuxième courant partiel d'air tertiaire déter- mine une combustion complète du combustible additionnel dans la partie supérieure de la conduite de gaz de fu- mées du four et en ce que la matière à traiter est intro- duite dans la conduite de gaz de fumées du four après l'achèvement de la combustion complète du combustible additionnel, au-dessus du deuxième courant partiel d'air tertiaire. Dans le procédé selon l'invention, la combus- tion du combustible additionnel est séparée de la précal- cination, de sorte que ces deux opérations peuvent être exécutées selon un mode qui respecte les exigences ther- modynamiques et chimio-minéralogiques. L'opération de précalcination se déroule dans la partie supérieure de la conduite des gaz de fumées du four, c'est-à-dire dans la zone de précalcination proprement dite, sans être in- fluencée par la combustion du combustible additionnel. Etant donné que le temps de calcination est beaucoup plus court que le temps de combustion complète du combus- tible additionnel, l'espace à ménager pour la zone de précalcination dans la conduite de gaz de fumées du four peut être réduit. En outre, le temps de combustion com- plète du combustible additionnel est raccourci grâce au fait que le processus de combustion est séparé de la pré- calcination et, selon l'invention, on procède tout d'abord à une combustion incomplète. Grâce à cette com- bustion, initialement incomplète, du combustible addi- tionnel, il ne se dégage pas d'oxyde d'azote (NO) dans la conduite de gaz de fumées du four, ce qui évite la formation ultérieure d'oxydes d'azote polluants (NOx). Etant donné que l'air tertiaire restant, nécessaire pour la combustion complète, est acheminé à la partie supé- rieure de la conduite de gaz de fumées du four mais au- dessous de l'entrée de la matière à traiter, on dispose dans la partie supérieure de la conduite de gaz de fu- mées du four de la totalité de l'énergie du combustible additionnel, de sorte qu'on obtient une bonne précalcina- tion, réalisée en un court espace de temps et qui est en- tièrement séparée du processus de combustion. Selon une autre caractéristique de l'invention, la matière précalcinée, provenant du dernier étage du préchauffeur à cyclone, est acheminée à la partie infé- rieure de la conduite de gaz de fumées du four, au-des- sous du courant partiel d'air tertiaire qui est chargé de combustible additionnel. La matière précalcinée tombe donc dans la partie inférieure de la conduite des gaz de fumées du four à contre-courant par rapport aux gaz de fumées du four qui contiennent des substances polluantes volatiles provenant du four tubulaire tournant, de sorte qu'au moins une partie de ces substances polluantes se condense sur la matière précalcinée. Les substances pol- luantes ne peuvent donc ni précipiter sur les particules du combustible additionnel, pour faire-obstacle à la com- bustion complète, ni pénétrer dans le préchauffeur à cy- clone en passant par la conduite de gaz de fumées du four. Les figures du dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, feront bien comprendre comment l'in- vention peut être réalisée. Sur ce dessin, la figure 1 est une représentation d'ensemble schématique de l'installation; et la figure 2 est une représentation agrandie de la conduite de gaz de fumées du four, avec les raccorde- ments nécessaires pour l'exposé du processus de précalci- nation. L'installation de traitement thermique de ma- tière particulaire fine selon la figure 1 comprend un four tubulaire tournant et un préchauffeur à cyclone 2 à plusieurs étages, dans lequel la matière particulaire fine à traiter est chargée par une entrée de matière 3. Dans l'exemple de réalisation, le premier étage du pré- chauffeur à cyclone 2 est composé de deux cyclones 2a montés en parallèle, en aval desquels est monté, en tant que deuxième étage, un cyclone 2b de dimensions appro- priées. A la sortie de ce cyclone 2b, la matière déjà préchauffée pénètre dans un cyclone 2c qui, de cette fa- çon, forme le troisième étage et en aval duquel se trou- ve à nouveau un cyclone 2d qui constitue un quatrième étage. Le four tubulaire tournant 1, équipé de son en- trainement propre, est chauffé par un combustible princi- pal qui est introduit par le brûleur principal 4, avec addition d'air primaire. Les gaz de fumées du four sor- tent du four tubulaire tournant 1 à l'extrémité opposée, en passant par une conduite 5 de gaz de fumées du four constituée par une cheminée, dans laquelle il se produit une précalcination de la matière à traiter, et qui intro- duit les gaz de fumées du four dans le dernier cyclone 2d du préchauffeur à cyclone à plusieurs étages 2. Après sa sortie du four tubulaire tournant 1, la matière traitée dns le four tubulaire tournant par- vient dans un refroidisseur 6 qui, dans l'exemple de réa- lisation, est lui aussi constitué par un tube tournant muni de son entratnement propre. L'air chauffé par le re- froidissement de la matière traitée, et qui est appelé l'air secondaire, est envoyé de ce refroidisseur 6 au four tubulaire tournant I. Un courant partiel est dérivé de cet air secondaire et transporté en parallèle par rap- port au four tubulaire tournant t. Cet air, qui est ré- chauffé au cours de l'opération de refroidissement de la matière traitée, est appelé l'air tertiaire et il est en- voyé à la conduite 5 de gaz de fumées du four par une conduite d'air tertiaire 7. Comme le montre la figure 1, cette conduite d'air tertiaire 7 se divise, avant d'at- teindre la conduite 5 de gaz de fumées du four,.en con- C15 duites d'air 7a et 7b qui sont raccordées à des niveaux différents à la conduite 5 des gaz de fumées du four. On décrira maintenant, la précalcination de la matière réchauffée dans le préchauffeur à cyclone 2, avant son entrée dans le four tubulaire tournant, en re- qard de la vue partielle de l'installation de la figure 1, qui est représentée à plus grande échelle sur la figu- re 2. Pour l'exécution de cette précalcination qui se produit dans la partie supérieure de la- conduite 5 de gaz defumées du four, on injecte un combustible addi- tionnel, dont la conduite d'alimentation 8 est représen- tée sur la figure 2, dans la conduite d'air 7a qui débou- che dans la partie inférieure de la conduite 5 de gaz de fumées du four. Cette conduite d'alimentation 8 est dis- posée suffisamment loin en amont du débouché de la con- duite d'air 7a dans la conduite 5 de gaz de fumées du four pour que le'processus de combustion soit sensible- ment achevé avant que les gaz de combustion ne pénètrent dans la conduite 5 de gaz de fumées du four. Le rapport de l'air tertiaire passant par la conduite d'air 7a au combustible additionnel injecté par la conduite d'alimen- tation 8 est choisi de manière qu'il se produise une com- bustion sous-stoechiométrique. Les gaz, qui pénètrent donc dans la conduite 5 de gaz de fumées du four sans ex- cès d'oxygène, atteignent une température comprise entre 1 100 et 1 300 C. Grâce à cette température qui se trou- ve suffisamment au-dessous de la température critique de 1 600 C et grâce à l'absence d'oxygène excédentaire, on évite la production d'oxyde d'azote (NO). La longueur du trajet de combustion dans la conduite d'air 7a est calcu- lée en fonction du temps de combustion complète du com- bustible additionnel. Dans le cas de l'utilisation d'un combustible solide, et selon les laitiers qui en sont is- sus, on prévoit une extraction de laitier 9. Les lai- tiers peuvent, soit être évacués dans un collecteur de laitiers non représenté, soit être envoyés dans la cham- bre d'entrée la du four, comme ceci est représenté sur la figure 2. Les gaz de fumées du four, indiqués par une flè- che, pénètrent de bas en haut dans la conduite 5 de gaz de fumées du four, en traversant l'entrée la du four et ils se mélangent avec les gaz de fumées issus de la com- bustion incomplète du combustible additionnel et qui sor- tent de la conduite d'air 7a. La deuxième partie de l'air tertiaire, qui est indiquée par une flèche sur la figure 2,'est acheminée à ce mélange de gaz de fumées dans la partie.supérieure de la conduite 5 des gaz de fumées du four, au moyen de la conduite d'air 7b. Dans la partie supérieure de la con- duite 5 des gaz de fumées du four, il se produit ainsi une combustion complète du combustible additionnel. Les gaz de fumées indiqués par trois flèches dans la partie supérieure de la conduite 5 de gaz de fumées du four re- çoivent ainsi la totalité de l'énergie du combustible ad- ditionnel sans que la combustion de ce combustible ne donne la température critique de 1 600 C. On évite ain- si fiablement la production d'oxyde d'azote (NO). En ou- tre, la combustion du combustible additionnel se produit sans être gênée par la matière à traiter, de sorte que le processus de combustion peut être réglé rationnelle- ment. La matière préchauffée qui sort du cyclone 2c du troisième étage est introduite dans les gaz de fumées chauds dans la partie supérieure de la conduite 5 de gaz de fumées du four, comme indiqué par la figure 2. Cette introduction se produit dans une région de la conduite 5 de gaz de fumées du four qui présente une section de pas- sage réduite, de sorte que la vitesse d'écoulement des gaz de fumées chauds, qui est accélérée par cette réduc- tion de section, entraîne la matière et l'introduit dans le cyclone 2d du quatrième étage du préchauffeur à cyclo- ne 2. Du fait que la matière est chauffée par les gaz de fumées chauds, il se produit une bonne précalcination, séparée du processus de combustion du combustible addi- tionnel et qui, en raison du très court temps de calcina- tion, est achevée avant que la matière ne pénètre dans le cyclone 2d. La zone de précalcination 5a est ainsi formée par la partie supérieure, de section réduite, de la conduite 5 de gaz de fumées du four. Dans le cyclone 2d, la matière préchauffée et précalcinée est séparée des gaz de fumées du four et acheminée, par la conduite de matière 10, à la partie in- férieure de la conduite 5 de gaz de fumées du four, plus précisément, audessous du débouché de la conduite d'air 7a, comme ceci est indiqué par une flèche continue sur la figure 2. Egalement dans cette région, la conduite de gaz de fumées du four est réduite en section d'écoule- ment. De cette façon, le produit qui tombe à contre-cou- rant par rapport aux gaz de fumées du four entre en con- tact étroit avec les gaz de fumées du four, de sorte que les alcalis et les halogènes contenus dans ces gaz de fumées se condensent sur la matière particulaire fine et que, de cette façon, ces substances sont retenues et em- pêchées de pénétrer dans la partie supérieure de la con- duite 5 de gaz de fumées du four et-, par conséquent, dans le préchauffeur à cyclone 2. Le préchauffeur à cy- clone 2 est ainsi largement protégé de la condensation et de la minéralisation des alcalis et halogènes qui se dégagent lors de la cuisson du produit dans le four tubu- laire tournant. Il va de soi que diverses modifications pour- ront être apportées par l'homme de l'art au procédé qui vient d'être décrit, notamment par substitution des moyens techniques équivalents, sans pour cela sortir du *cadre de l'invention. 2 599113 R E V E N D IC ATIO NS 1 - Procédé de traitement thermique pour une ma- tière particulaire fine, notamment pour la fabrication du ciment, utilisant un préchauffeur à cyclone, de préfé- rence à plusieurs étages, un four tubulaire tournant, un refroidisseur, ainsi qu'une conduite de gaz de fumées du four, intercalée entre le four tubulaire tournant et le préchauffeur à cyclone, qui est parcourue sensiblement de bas en haut par les gaz de fumées du four tubulaire tournant et à laquelle on envoie de l'air tertiaire pour brQler un combustible additionnel, cet air tertiai- re provenant du refroidisseur placé en aval du four tubu- laire tournant, considéré dans le sens de la circulation de la matière, et étant divisé en deux courants partiels qui sont introduits dans la conduite de gaz de fumées du four à des niveaux différents, caractérisé en ce que le combustible additionnel est introduit exclusivement dans le courant partiel inférieur d'air tertiaire, et de tel- le manière qu'il se produise une combustion sous-stoe- chiométrique avant l'entrée du deuxième courant partiel d'air tertiaire, en ce que le deuxième courant partiel d'air tertiaire détermine une combustion complète du com- bustible additionnel dans la partie supérieure de la con- duite (5) de gaz de fumées du four et en ce que la ma- tière à traiter est introduite dans la conduite (5) de gaz de fumées du four - après l'achèvement de la combus- tion complète du combustible additionnel, au-dessus du deuxième courant partiel d'air tertiaire. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que la matière précalcinée, provenant du der- nier étage (2d) au préchauffeur à cyclone (2) est achemi- née à la partie inférieure de la conduite (5) de gaz de: fumées du four, à contre-courant et au-dessous du cou- rant partiel d'air tertiaire qui est chargé de combusti- ble additionnel.