Brevet FR2623878A1 — publié le 19890602

PROCEDE POUR LA COMBUSTION D'UN COMBUSTIBLE ISSU D'ORDURES DANS UN BRULEUR DE FOUR DE PRODUCTION DE CLINKER POUR CIMENTS ET BRULEUR POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé pour la combustion ou l'incinération d'un combustible issu d'ordures et son utilisation simultanée comme combustible auxiliaire pour des combustibles classiques (charbon, pétrole, etc.) dans la production de clinker pour ciments elle concerne en outre un ou plusieurs moyens permettant d'atteindre ce but. Il est bien connu que la décharge non contrôlée des masses d'ordures solides sur le sol et sur les rives des cours d'eau a produit et produit encore de vastes phénomènes de pollution du sol, et le problème social, technique et économique posé par leur collecte et leur élimination est désormais au même niveau de gravité que ceux posés par l'assainissement des eaux et par l'épuration de l'air. Les solutions techniques adoptées aujourd'hui pour éviter, ou tout au moins pour réduire au minimum les inconvénients et les dangers de la décharge abusive sont les suivantes: la décharge contrôlée, la destruction thermique avec ou sans récupération de chaleur, la transformation en compost, la transformation en compost avec production de combustible issu d'ordures. Une opération de caractère complémentaire, qui n'est pas nouvelle dans son principe, mais qui n'a été conduite & l'échelle industrielle que depuis peu d'années, est le recyclage, c'est-&- dire la récupération et la réutilisation des matières encore utilisables. Même si le procédé d'élimination le plus répandu est la décharge contrôlée, on a assez souvent recours & l'incinération et au recyclage, même si l'on tient compte pour ce dernier des énormes potentialités de réduction des gaspillages. La destruction thermique des ordures brutes, de son côté, met & profit les propriétés combustibles de certaines parties des ordures, en transformant ces dernières en résidus solides inertes (cendres et scories) qui occupent un volume réduit (jusqu'à 20 % du volume initial), et en résidus gazeux (fumées de combustion). Ces fumées, qui entraînent des gaz et des poudres, doivent être & leur tour épurées avant leur envoi dans l'atmosphère. Les installations d'incinération sont donc essentiellement constituées du four incinérateur et des services correspondants (fosse de collecte des ordures, moyens de chargement, systèmes de déchargement et d'extinction des scories) et des appareillages d'épuration des fumées (électrofiltres, tours de lavage, etc.) dont le coût est, pour les installations petites ou moyennes, du même ordre de grandeur que celui des fours. Un des problèmes des installations de destruction thermique est aujourd'hui de surmonter les préjugés provenant de l'inadéquation des installations d'incinération du passé. La transformation en compost réalise la séparation et la récupération de la substance organique contenue dans les ordures et sa transformation, par des processus aérobies, en un produit stabilisé et rendu hygiénique & utiliser dans les sols en vue de compléter leur teneur en substance organique. Ce qui reste des ordures constitue le "surplus" (papier, fibres, matière plastique, bois, etc.). Dans une installation effectuant seulement la transformation en compost, la décharge fait partie intégrante de l'installation, car c'est dans celle-ci que sont déposés les "surplus". Un cas particulier de transformation en compost est celui qui permet la production de combustible issu d'ordures. Celle-ci est réalisée dans la pratique dans une installation qui reprend le schéma précédent pour la transformation en compost, tandis que le "surplus" subit une opération ultérieure de sélection (métaux, verre, etc.), un concassage, une homogénéisation, etc., dont le produit final, qui a un pouvoir calorifique inférieur égal & environ 4000 kcal/kg, est désigné sous le nom de combustible issu d'ordures. La demanderesse a trouvé & présent qu'il était possible d'effectuer une récupération optimale du contenu thermique dans le cas o l'on utilise le combustible -issu d'ordures comme matière combustible auxiliaire dans les fours à clinker pour ciments, suivant le procédé et en utilisant la série d'installations qui seront précisées plus loin. Comme il est connu, le ciment est obtenu à partir d'agglomérés de matières brutes, principalement du calcaire ou de l'argile, extraits de la carrière par divers systèmes, et transformés ensuite en un produit dénommé "clinker", lequel, combiné à d'autres constituants, donne naissance à divers types de ciment. On distingue le clinker naturel et le clinker artificiel suivant qu'il est obtenu à partir de matières (marnes) qui contiennent déjà dans des proportions adéquates les constituants nécessaires, ou à partir de mélanges préparés artificiellement. La fabrication du clinker s'effectue en passant par deux phases fondamentales: la préparation du mélange brut (concassage, mélange, homogénisation) et la cuisson du mélange jusqu'à une température d'environ 1450 C, effectuée généralement dans de grands fours tournants; la production du ciment est le résultat d'une opération ultérieure, qui consiste à mélanger en proportion établie à l'avance du clinker (refroidi) et des autres constituants (suivant le type de produit final) et à broyer ce nouveau mélange, jusqu'à obtention d'une poudre très fine et homogène. La production du ciment est généralement répartie en fonction de la localisation de la demande, et à ce propos on doit souligner que, alors que les problèmes liés à la disponibilité de la matière première sont de faible importance, l'installation d'une cimenterie moderne exige d'une part que l'on dispose de capitaux considérables pour l'investissement initial, et d'autre part qu'il existe des sources adéquates d'énergie. Le procédé offert par la présente invention, tout en étant limité à la phase de formation du clinker, permet l'utilisation d'une source commode d'énergie (en résolvant en même temps le problème lié à l'élimination des ordures, comme il a été indiqué précédemment). Par conséquent, l'invention comprend un procédé pour l'incinération ou combustion des ordures, en particulier des ordures solides, incinération qui est réalisée dans un brûleur de conception particulière qui devient à son tour un second but de la présente invention. Le procédé, dans son ensemble, ne doit pas être compris comme concernant la seule phase de combustion, mais cette dernière opération doit être considérée en fonction de toutes celles qui la précèdent et qui, dans leur ensemble, constituent la nature de l'invention elle-même. Conformément à la présente invention, le combustible formé d'ordures est incinéré ainsi dans un brûleur d'un four pour la production de clinker pour ciments, dans lequel s'exerce la fonction de combustible auxiliaire pour les combustibles classiques. Le procédé, dans son ensemble, prévoit le stockage de la masse des ordures, le dosage et le transport de celleci dans le brûleur et l'incinération proprement dite: le combustible formé d'ordures est chargé dans un caisson d'alimentation & fond mobile; puis, avec l'aide de rouleaux garnis de pointes, il est transféré dans un système de dosage pondéral d'o il est introduit dans le brûleur au moyen d'un transport pneumatique sous la commande d'un distributeur alvéolaire qui assure l'étanchéité et la distribution constante de la matière elle-même. Dans ses grandes lignes, le procédé de la présente invention comprend par conséquent la phase de stockage de la masse d'ordures, le dosage et le transport de celle-ci dans le brûleur, l'incinération ou combustion proprement dite; ce procédé est mis en oeuvre dans une installation de structure compacte et complètement automatisée qui peut exister en version fixe ou mobile. L'installation, compte tenu du fait que le caisson de stockage doit être alimenté par en haut dans des conditions de marche en continu et également par sa partie postérieure pour la marche discontinue, peut être réalisée aussi bien partiellement enterrée que totalement au-dessus du sol. Ne constituent pas des limitations aux buts de la présente invention le dimensionnement de l'installation, qui dépend naturellement de la capacité exigée et des caractéristiques physico-chimiques de la matière & brûler, et encore moins l'emplacement de celle-ci, pour lequel il est naturellement conseillé une enceinte protégée pour éviter les effets négatifs des agents atmosphériques comme la pluie ou le vent. En se référant alors explicitement & la figure, on voit que celle-ci représente un schéma possible de l'installation dans laquelle le procédé de la présente invention peut être mis en oeuvre: d'autres modes de réalisation sont naturellement possibles ou, bien plus, diverses solutions pratiques, mais toutes doivent être considérées comme rentrant dans le cadre de la présente invention, le mode de réalisation auquel il est fait référence ici étant donné uniquement à titre d' exemple. Sur la figure précitée, le repère 1 désigne la benne de chargement, 2 le caisson d'alimentation, 3 la série de rouleaux à pointes fluidisants, 4 le doseur pondéral, 5 le distributeur alvéolaire, 6 le compresseur, 7 la canalisation d'alimentation, 8 le brûleur, 9 le four, 10 le groupe des pompes, 11 le réservoir d'huile hydraulique et 12 le filtre à huile. Le procédé, comme il est indiqué, prévoit une série d'opérations et il est entièrement régulé par des dispositifs électroniques qui permettent un contrôle centralisé et constant de tous cycles et opérations qui, en se référant également au schéma de la figure, peuvent être énumérées de la manière suivante: - stockage et extraction; - dosage pondérai; - transport pneumatique; - incinération. La phase de stockage et d'extraction est réalisée dans une zone qui est essentiellement composée d'une trémie de forme parallélépipédique, dimensionnée et douée de caractéristiques mécaniques qui dépendent de la nature de la matière à traiter, soutenue par une charpente métallique adéquate, construite elle aussi en fonction de la version de l'installation exigée, qui, comme mentionné, peut être fixe ou mobile. En ce qui concerne la phase de stockage et d'extraction, on notera que l'on peut utiliser le caisson à fond mobile décrit dans la demande de brevet italien NO 18126 A/85. Le fond de la trémie est un plan mobile constitué de perles ou éléments perlés, de préférence en aluminium, coulissantes les unes par rapport aux autres selon un cycle logique commandé de manière appropriée par des dispositifs électroniques permettant l'avance ou le recul de la matière: le contrôle automatisé permet cependant, selon les exigences, l'avancement ou le tassement progressif de la matière vers le système de dosage. Sur le trajet de décharge de la matière du caisson sont insérés, en série, des égreneurs et fluidificateurs à pointes qui permettent une alimentation constante de la trémie de décharge. La commande de ces rouleaux à pointes peut être indépendante ou non, la fixation étant agencée pour permettre le positionnement désiré. Le stade de dosage progressif est effectué efficacement par l'intermédiaire d'une trémie de chargement/déchargement du caison de stockage, à pente variable, qui permet l'alimentation sans engorgement du doseur pondéral (4 de la figure) à bande transporteuse sur des cellules de chargement électronique, qui garantissent la continuité et la précision du dosage de la matière traitée. Comme caisson de stockage et d'alimentation, on peut avantageusement utiliser le caisson à fond mobile décrit dans la demande de brevet italien N 18126 A/85, à laquelle on se reportera pour des détails éventuels: de toute façon, toute autre solution pratique est possible à condition que la trémie de dosage 4 soit réglée de telle manière que le flux de matière puisse être automatisé suivant les exigences du cycle d'évacuation des ordures/production du clinker. Au moyen du compresseur 6, la matière est envoyée, par la canalisation 7, au brûleur; le distributeur alvéolaire 5 a pour fonction d'assurer l'étanchéité et la distribution constante de la matière compte tenu cependant du fait que la dimension du compresseur, du distributeur alvéolaire et de la conduite de transport dépend de la capacité de l'installation, des caractéristiques physiques 269 2378 de la matière et du tracé de la conduite de transport, la vitesse de transport restant avantageusement comprise entre 18 et 27 mètres par seconde. La matière, ainsi dosée de manière appropriée, est envoyée au brûleur à clinker. Dans ce cas également, il est clair que les dimensions du brûleur peuvent être choisies en fonction des caractéristiques physiques de la matière à brûler (poids spécifique, taille de particules, humidité, point d'allumage, pouvoir calorifique inférieur, pourcentage de matières volatiles, etc.) et/ou des caractéristiques et conditions de fonctionement de la chambre de combustion, ou bien en fonction de la forme de construction interne du four pour la production de clinker. Ainsi, la forme de construction doit être telle qu'elle garantisse la plus grande durée possible; la vitesse du mélange air-combustible à la sortie du brûleur varie en fonction des paramètres précités, de toute façon dans l'intervalle de 30:60 m/sec. Pour les matériaux de construction, on doit prévoir l'utilisation d'aciers réfractaires; le brûleur est protégé contre des déformations dues à la chaleur rayonnante par des réfractaires résistant aux températures élevées. Le brûleur de ces matériaux solides en morceaux peut être disposé par rapport au brûleur du combustible de support de façon concentrique, superposée ou encore périphérique. Il en résulte par conséquent un brûleur du type composé avec injection, suivi du brûleur des autres combustibles solides ou bien liquides traditionnels: le meilleur positionnement est défini en connaissant la forme de construction de la chambre de combustion et le processus dans lequel le brûleur lui-même est inséré. Par conséquent, en respectant les conditions mentionnées ci-dessus, et en considérant que tout sur-dimensionnement ou sous-dimensionnement du brûleur décrit ci-après ne constituera pas une solution sortant du cadre de la présente invention, ce brûleur qui, inséré dans un four pour la production de clinker, permet de mettre à profit l'énergie provenant de la combustion d'ordures solides pour la préparation de celui-ci constitue un second but de la présente invention. Ce brûleur comprend les sections fondamentales suivantes: 1) une chambre annulaire externe qui permet le passage de l'air axial de combustion primaire; 2) une chambre annulaire intermédiaire qui permet le transport et l'introduction ou insufflation des combustibles solides traditionnels; - 3) une chambre annulaire interne qui permet le passage de l'air radial de combustion primaire; 4) une tuyère interne pour le logement du brûleur principal à combustible liquide traditionnel. Par rapport aux brûleurs traditionnels, il présente les différences et les avantages suivants: 1) Une grande souplesse avec la possibilité de faire varier la capacité de combustion de 10 à 30 x 106 kcal/h. 2) Une capacité d'adaptation importante avec la possibilité de donner à la flamme des longueurs et formes très diverses. 3) Un rendement de combustion élevé dû à la possibilité de faire varier le débit et la pression de l'air primaire en conférant à la flamme une forte dynamique. 4) Une économie d'énergie en ce que le brûleur peut fonctionner avec un minimum d'air primaire: 3 à 4 % de l'air total de combustion. A titre de simple exemple, on va décrire de manière détaillée, un type de brûleur alimenté par un combustible issu d'ordures. Type de four - four de production du clinker, 3,30 x 3,0 x 3,30 m procédé humide - récupérateur de chaleur, chaines et croisillons refroidisseurs du clinker: planétaires - production journalière: 400 t charge thermique maximum 30 x 106 kcal/h - combustible de support, poussier de charbon - poussier de charbon ayant pour caractéristiques: pouvoir calorifique: 7300 kcal/kg; matières volatiles 27%; cendres 7 %. Caractéristiques du combustible issu d'ordures - Taille de particules BRULEUR - Capacité 800 kg/h de combustible issu d'ordures - Air de transport 650 m3 normaux Le brûleur est constitué d'un tube central de 78 mm de diamètre interne en acier AISI 310 S = 6, particulièrement résistant tant à l'abrasion qu'aux températures élevées. A la distance de 360 mm à partir de l'extrémité part une réduction qui, en 160 mm, porte le diamètre interne à mm. La dernière partie longue de 200 mm est cylindrique. La réduction ci-dessus est dimensionnée pour obtenir un meilleur mélange air-combustible issu d'ordures, et pour régler la vitesse d'insufflation qui doit être de 55-60 m/sec. Le brûleur ci-dessus est chemisé d'un tube de 102 mm de diamètre interne, lui aussi en acier AISI 310 S = 6 pour le protéger de la retombée du clinker et de la il température. La chemise est protégée de son côté par un pisé réfractaire d'une épaisseur de 40 mm et elle est munie de crochets d'accrochage à la tuyère du brûleur principal de 0-4 mm, 30 mm, hauteur du crochet 20 mm en acier AISI 310. Les crochets et les surfaces à revêtir de pisé seront enduites d'un vernis épais ou de suif fondu avant la coulée. L'espace laissé par cette matière une fois détruite lorsque la température augmente permettra la dilatation du revêtement. Le brûleur sera installé en position superposée au brûleur primaire avec la possibilité d'en modifier le positionnement en le déplaçant d'un angle maximum de 45o. A cet effet, la zone de passage du brûleur dans la partie postérieure du four sera agencée adéquatement. Toujours à titre d'exemple, une marche normale de l'installation pour la réalisation du procédé conforme à la présente invention prévoir que la matière sera alimentée (en discontinu) par la trémie de stockage. A partir de celle-ci, par l'intermédiaire du plan mobile, celle-ci sera transférée sur le doseur pondéral qui en envoie les quantités déterminées à l'avance au transporteur pneumatique. L'indicateur de niveau placé sur la trémie de charge du doseur pondéral permet une charge constante de celui-ci en intervenant sur le mouvement du plan mobile d'extraction de la matière de la trémie de stockage. Le pressostat monté sur la conduite du compresseur d'air protège de l'engorgement de la conduite de transport de la matière. La pression agit sur la marche du doseur pondéral. Le pressostat placé à l'extrémité du transporteur pneumatique sert au dépistage de tronçons éventuels de la conduite de transport engorgés. N'importe quel type d'ordures peut être utilisé pour la réalisation du procédé conforme à la présente 2623&78 invention, des avantages particuliers ayant été obtenus par l'emploi d'ordures solides choisies parmi: les combustibles issus d'ordures ou détritus de tailles ou de densités diverses, la sciure, etc. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la combustion d'un combustible issu d'ordures dans un brûleur d'un four de production de clinker pour ciments, ce combustible servant de combustible auxiliaire aux combustibles classiques, le procédé susvisé comprenant le stockage de la masse d'ordures, le dosage et le transport de celle-ci dans le brûleur et la combustion ou incinération proprement dite étant caractérisé en ce que la matière des ordures en tant que combustible est chargée dans un caisson d'alimentation (2) à fond mobile, puis, avec l'aide de rouleaux à points fluidisants (3), est transférée dans un doseur pondéral (4) d'o elle est envoyée au brûleur (8) au moyen d'un transporteur pneumatique sous le contrôle d'un distributeur alvéolaire (5) qui assure l'étanchéité et la distribution constante de cette matière. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la matière est transportée dans le brûleur à une vitesse comprise entre 18 et 27 mètres par seconde. 3. Procédé- selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase de stockage et d'extraction est réalisée dans une trémie de forme parallélépipédique, dont le fond est un plan mobile constitué de perles. 4. Brûleur permettant une vitesse de sortie du mélange air-combustible comprise dans l'intervalle de 30 à 60 m/sec, utilisable dans le procédé conforme aux revendications précédentes, et comprenant les sections fondamentales suivantes: -chambre annulaire externe pour le passage de l'air axial de combustion primaire, chambre annulaire intermédiaire pour le transport et l'insufflation des combustibles solides traditionnels, -chambre annulaire interne pour le passage de l'air radial de combustion primaire, - tuyère interne pour le logement du brûleur principal à combustible liquide traditionnel.