Brevet FR2679550A1 — publié le 19930129

L'invention est relative à la production de clinker de ciment Elle concerne plus particulièrement un procédé permettant d'obtenir un clinker de bonne qualité avec un appareillage réduit et une pollution réduite de l'environnement. La fabrication de clinker est un procédé bien connu et largement appliqué à l'échelle industrielle. Pour un état général de l'art en ce domaine on peut se référer par exemple à l'encyclopédie Ullmann, édition anglaise, Vol AS, pages 489-537, en particulier pages 493-502 pour la fabrication du clinker et pages 514-515 pour les problèmes de récupération des poussières Dans ce document on trouve notamment des informations sur les étapes de préchauffage, d'éventuelle précalcination, de clinkérisation (calcination) et de refroidissement du clinker. Un des problèmes qui se sont posés ces dernières années est celui de l'accumulation de certaines impuretés, notamment celles de composés chlorés La présence de chlore peut avoir plusieurs origines, notamment le combustible (par exemple lorsqu'on brûle des déchets urbains), ou les matières premières du ciment. On admet généralement que lorsque la teneur en chlore des matières premières de fabrication du clinker dépasse une valeur de 0,01 à 0, 02 %, en particulier 0,015 % en poids, il est indispensable d'évacuer une partie des gaz de combustion (purge) à la sortie du four de précalcination, pour ne laisser passer dans les échangeurs de chaleur, au contact des matières premières fraîches, qu'une partie de ces gaz, celle qui n'a pas été évacuée par la purge On évite ainsi l'accumulation de chlorures et autres impuretés dans le gaz qui traverse les échangeurs et les dépôts solides résultant qui pourraient obstruer ces échangeurs ou tout au moins en réduire l'efficacité Ce phénomène et des moyens pour y remédier (purge) ont été notamment décrits dans le Zemen-Kalk-Gips No 3/1990, pages 59-62 (traduction en anglais du même périodique No 1/90 pages 20-25). D'autres études ont été publiées, notamment dans Zemen-Kalk-Gips, par exemple No 8/1985, pages 411-415, No 11/1988, pages 540-543. La technique utilisée quelle que soit l'origine du chlore, consiste habituellement à prélever environ 1 à % en volume du gaz de combustion, à la sortie du four de clinkérisation, pour constituer le courant de purge On dilue ce courant qui est à température élevée, environ 900- 11000 C, par de l'air froid pour amener sa température au-dessous de 6000 C, par exemple au-dessous de 4500 C, ce qui provoque la cristallisation des impuretés, notamment des chlorures sous forme de poussières de faible densité, hygroscopiques, d'aspect analogue à celui de la neige; on sépare cette poussière du gaz au moyen de dispositifs de séparation et on la transporte vers le stockage en vue d'utilisations diverses ou même de son épandage. Les moyens proposés jusqu'à présent pour traiter le courant de purge se sont révélés insatisfaisants, en particulier en raison de la nature et de la consistance de la poussière. Par exemple l'emploi de filtres à manche, particulièrement efficaces pour satisfaire les normes anti-pollution, est difficilement réalisable en raison de la nature hygroscopique de la poussière qui colle aux manches, notamment lors des arrêts pour nettoyage ou autres raisons, et peut même détruire les filtres. On ne peut donc utiliser en pratique que des électrofiltres L'emploi de cyclones est peu efficace et ne permet pas une séparation suffisante des poussières. De plus, les poussières les plus riches en polluants sont aussi les plus fines, et elles ne sont pas retenues par les cyclones Donc si on renvoie le gaz seulement débarrassé des particules les plus grossières dans ledit échangeur, on y ramène une proportion importante de polluants Il faut alors surdimensionner l'installation et accroître le volume de purge pour maintenir un taux d'élimination des chlorures acceptables, ce qui augmente encore la quantité de poussières à éliminer et la consommation énergétique de l'installation. Même si l'on parvient à filtrer les poussières de chlorure et autres impuretés de la purge, on rencontre un problème supplémentaire, celui du transport et du stockage des poussières Celles-ci, très légères, échappent en quantité notable aux appareils de transport en raison de leur consistance neigeuse, elles se stockent difficilement, nécessitant des volumes de stockage importants et leur nature fortement hygroscopique conduit à des blocages d'appareils ou bouchages de canalisation. Il existe donc un problème à résoudre, celui de pouvoir disposer d'un procédé de traitement du courant de purge remédiant aux inconvénients cidessus Il serait souhaitable notamment de pouvoir filtrer et manipuler plus aisément les poussières du courant de purge Enfin, il serait souhaitable de trouver une utilisation pour ces poussières. Les problèmes sont résolus par le procédé de l'invention, basé sur l'observation surprenante selon laquelle la filtration du courant de purge contenant des poussières est grandement facilitée quand ce courant est additionné de poussières de clinker et plus particulièrement de poussières entraînées lors du refroidissement (trempe) du clinker à la sortie du four de clinkérisation. Le procédé de l'invention est un procédé dans lequel on fait passer une charge particulaire de matières premières pour ciment successivement à travers au moins une zone de préchauffage, au moins une zone de clinkérisation o la charge se transforme en clinker et au moins une zone de refroidissement dudit clinker, on brûle un combustible avec un gaz contenant de l'oxygène libre dans la zone de clinkérisation, on fait circuler les fumées chaudes résultant de la combustion à contre- courant de la charge particulaire d'abord dans la zone de clinkérisation puis dans la zone de préchauffage, on envoie de l'air froid dans la zone de refroidissement au contact du clinker à refroidir, on envoie au moins une partie de l'air chaud provenant dudit contact dans une zone de dépoussiérage pour récupérer la poussière de clinker entraînée et on décharge l'air dépoussiéré résultant, on soutire une portion des fumées de la zone de clinkération avec les impuretés qu'elles contiennent pour constituer un courant de purge, on soumet ladite portion des fumées chaudes (purge) à un refroidissement et à un dépoussiérage et on décharge les fumées dépoussiérées, caractérisé en ce qu'on mélange de la poussière de clinker à au moins une partie dudit courant de purge avant de le soumettre audit dépoussiérage. Pour obtenir au mieux les résultats de l'invention, il est préférable que, dans le gaz à filtrer, la teneur en poussières provenant du clinker, par rapport à la teneur totale en poussières (poussière de clinker + poussière provenant du gaz de purge) soit d'au moins 60 %, par exemple 60-99,5 % et de préférence -95 % en poids. Plusieurs modes de réalisation peuvent être envisagés On peut par exemple mélanger au courant de purge, contenant de la poussière d'impuretés, en particulier d'impuretés chlorées provenant du four de clinkérisation, de la poussière de clinker telle que, par exemple celle obtenue dans un filtre On préfère cependant mélanger au moins une partie du courant de purge, contenant de la poussière d'impuretés, à au moins une partie du courant gazeux provenant du refroidissement du clinker et contenant de la poussière de clinker. On peut filtrer séparément le courant de purge, après addition de poussière de clinker, ou de préférence mélanger le courant de purge à l'effluent gazeux de la zone de refroidissement à l'air du clinker contenant de la poussière de clinker. Un des avantages du présent procédé est d'obtenir une filtration aisée, pouvant utiliser par exemple les filtres à manche ou tout autre type de filtre de haute efficacité. Un autre avantage est obtenu: il est possible de refroidir le courant de purge additionné de poussières de clinker dans les échangeurs classiques, notamment des échangeurs air/air, ce qui est pratiquement impossible avec le courant de purge seul en raison des dép 8 ts et bouchages La présence de poussières de clinker évite ou réduit les dépôts. Selon une forme de réalisation préférée, au moins une portion des particules de poussière collectées lors du dépoussiérage du courant de purge additionné de poussière de clinker, sont mélangées ensuite au clinker, avant ou après broyage de celui-ci; ceci en une proportion compatible avec les normes à respecter pour le ciment. On obtient ainsi un clinker avantageusement modifié en cela que les poussières qui sont riches en chlorures et sulfates alcalins améliorent la réactivité des ciments obtenus ultérieurement par broyage de ce clinker Ainsi, à finesse de broyage égale, le ciment fabriqué permettra d'obtenir sur mortier des résistances plus élevées à un jour et trois jours. Dans une autre forme de réalisation, l'instal- lation comporte une zone de précalcination de type connu, interposée entre la zone de préchauffage et la zone de clinkérisation Dans ce cas, on préfère prélever le courant gazeux de "purge" entre la zone de précalcination et la zone de clinkérisation (calcination). Le courant gazeux de purge représente une proportion mineure du courant de gaz issu de la zone de clinkérisation, par exemple 0,5 à 10 % de préférence 1 à % en volume de ce dernier courant Il est connu de mélanger ce courant de purge à un courant d'air froid qui a pour effet de le refroidir et d'en faciliter le dépoussiérage ultérieur. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: la figure 1 représente un schéma de procédé selon un exemple de réalisation; et la figure 2 est un schéma de procédé partiel d'un mode de réalisation du prélèvement du flux de purge. L'installation visible sur la figure 1 comprend un four principal de clinkérisation 1, comportant un brûleur 2, une zone de préchauffage 4, une conduite d'alimentation 6 pour la matière première, un premier dépoussiéreur 7 alimentant, si on le désire, la cheminée 8, un four facultatif de précalcination 9, une zone de refroidissement ou de trempe du clinker 10 et un second dépoussiéreur 11 On n'a pas représenté les autres échangeurs qui sont de type connu et permettent d'amener les courants de différentes matières, à la température normale et connue de fonctionnement de chaque appareil. Selon l'invention, une partie du gaz effluent de la zone de clinkérisation est déchargée par la conduite 12 et trempée par un courant d'air froid 13 Le mélange gazeux résultant à une température inférieure à 4500 C est aspiré dans la ligne 18 par le ventilateur 26 et rejoint à l'entrée du dépoussiéreur 11 la fraction 15 du courant d'air 14 qui a servi à refroidir le clinker dans la zone 10 et qui n'a pas été valorisé comme air de combustion au four, ou au précalcinateur ou comme air de séchage Le gaz dépoussiéré est évacué par la ligne 16 soit pour une utilisation ultérieure soit pour décharge par la cheminée 17, et les poussières sont évacuées par la ligne 24. Les matières crues dosées pour la fabrication de ciment entrent dans l'installation par l'alimentation 6; elles sont préchauffées dans l'échangeur 4 par les fumées du four 1 et du précalcinateur 9; les matières préchauffées sont précalcinées dans le précalcinateur 9 et sont envoyées au four 1 à travers la boîte à fumées 3. Les gaz sortant du four 1 et contenant des poussières chargées en chlorures et sulfates alcalins et des vapeurs condensables sont récupérés dans la boîte à fumées 3 o une mineure partie est envoyée à la ligne 12 de purge et une majeure partie est envoyée vers le précalcinateur 9 par le conduit 27 puis vers l'échangeur 4 par le conduit 28 L'ensemble des fumées refroidies quitte le préchauffeur par le conduit 21 et sont envoyées par le ventilateur 25 dans le filtre 7 Les fumées dépoussiérées sont envoyées à la cheminée 8 et les poussières sont évacuées par la ligne 22. A la sortie du four 1, le clinker à haute température traverse la zone de trempe 10, alimentée en air par la ligne 14 Il est ensuite déchargé par la ligne 23 De façon avantageuse, il reçoit les poussières du dépoussiéreur 11 par la ligne 24 Dans un mode de réalisation préféré (figure 2), on effectue d'abord un dépoussiérage partiel du courant de purge 18, dans un cyclone 29 par exemple, on renvoie au préchauffeur 4, au précalcinateur 9 ou au four 1, les poussières grossières (par exemple 20 à 80 % en poids du total des poussières de la purge) et on n'envoie (soufflante 26) au dépoussiéreur 11 que le courant de gaz entraînant les poussières les plus fines (par exemple 80 à 20 % en poids du total des poussières de la purge) qui présentent habituellement la teneur en chlore la plus élevée Dans ce cas l'ajout de particules de clinker se fait sur ce dernier courant. A titre d'exemple détaillé sur une ligne de cuisson de clinker comportant un préchauffeur à cinq étages de cyclone, la matière crue alimentée a la composition suivante: COMPOSANT Si 02 A 12 3 Fe 203 Ca O K 2 O Perte au feu S Cl Complément TENEUR (%) 13,9 2,7 1,85 42, 9 0,75 ,6 0,63 0,022 1,6 Le combustible utilisé pour la cuisson apporte des éléments nocifs complémentaires suivants: COMPOSANTS APPORT NOCIFS g/kg CLINKER l K 2 O 0,9 503 3,5 Cl 0,08 Le clinker a la composition suivante. COMPOSANT TENEUR (%) Si 02 21,8 A 12 03 4,4 Fe 2 03 3,0 Ca O 65,6 K O 1,20 503 0,96 Cl 0,012 Complément 3,0 L'unité est équipée d'une purge o l'on extrait 8 kg par tonne de clinker de poussières dont la composition est la suivante. COMPOSANT TENEUR (%) Si 02 15,9 A 12 03 3,1 Fe 203 2,1 Ca O 49,2 K 2 O 4,3 503 3,5 Cl 3,9 Perte au feu 17,8 Complément 0,2 A l'état brut ces poussières ont une densité inférieure à 0,4 kg/m et ne sont pas manipulables par un sas rotatif par suite de phénomènes de voutage En application du procédé selon l'invention, une partie du flux de purge prélevée à 380 C dans le flux principal est trempée à 250 C par addition d'air chargé en poussière de clinker. Après refroidissement dans un échangeur air/air les fumées résultantes sont filtrées (à 1200 C) dans un filtre à manche de petite dimension ( 600 m 3/h). La poussière de purge mélangée à la poussière de clinker récupérée a une densité de 0,90 et est facilement manipulée dans un sas rotatif. il Par ailleurs la purge du filtre à manche ne pose pas de problème particulier malgré sa taille réduite Le taux de dilution des poussières de purge par les poussières de clinker est de 7 (teneur en chlore des poussières mélangées: 0,56 %). Après broyage à 3500 cm /g d'un mélange à 95 % clinker 5 % gypse (échantillon de référence) et d'un mélange 90 % clinker 5,5 % poussière mélangée (clinker + purge) 4,5 % gypse, on obtient les résultats suivants sur des éprouvettes de mortier normalisé. REFERENCE CIMENT CONTENANT DES POUSSIERES DE PURGE Résistance à 2 j 27 31 (M Pa) 7 j 44 47 Les avantages principaux obtenus par l'invention, en plus de ceux déjà mentionnés, sont, un coût d'installation réduit, la possibilité d'utiliser des filtres performants avec une poussière hygroscopique, la valorisation des poussières contenant du chlore, notamment par mélange avec les poussières du clinker et de préférence aussi par mélange le clinker lui-même, la facilité de nettoyage des circuits, et la possibilité d'arrêter la purge sans inconvénient pour les filtres. Dans ce qui précède, on n'a pas mentionné certains dispositifs communs à la plupart des installations de production de ciment comme par exemple les broyeurs et mélangeurs des matières premières, l'ajout d'additifs, la "purge" d'alcalins, les broyeurs de clinker, les silos de stockage, etc Les systèmes de séparation des poussières d'avec le gaz d'entraînement sont bien connus et comprennent notamment les cyclones, les électrofiltres, les filtres à manche (sac) ou à gravier. REVEND ICATI ONS 1 Procédé de production de clinker de ciment, dans lequel on fait passer une charge particulaire de matières premières pour ciment successivement à travers au moins une zone de préchauffage, au moins une zone de clinkérisation o la charge se transforme en clinker et au moins une zone de refroidissement dudit clinker, on brûle un combustible avec un gaz contenant de l'oxygène libre dans la zone de clinkérisation, on fait circuler les fumées chaudes résultant de la combustion à contre- courant de la charge particulaire d'abord dans la zone de clinkérisation puis dans la zone de préchauffage, on envoie de l'air froid dans la zone de refroidissement au contact du clinker à refroidir, on envoie au moins une partie de lrair chaud provenant dudit contact dans une zone de dépoussiérage pour récupérer la poussière de clinker entraînée et on décharge l'air dépoussiéré résultant, on soutire une portion des fumées de la zone de clinkérisation avec les impuretés qu'elles contiennent pour constituer un courant de purge, on soumet ladite portion de fumées chaudes (purge) à un refroidissement et à un dépoussiérage et on décharge les fumées dépoussiérées, caractérisé en ce qu'on mélange de la poussière de clinker à au moins une partie dudit courant de purge avant de le soumettre audit dépoussiérage. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la teneur du courant de purge en poussière de clinker est de 60 à 99,5 % en poids de la teneur totale en poussière lors du dépoussiérage dudit courant, le complément étant de la poussière du courant de purge. 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite teneur en poussière de clinker est de 80 à % en poids. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins une portion des particules de poussières collectées lors du dépoussiérage de courant de purge additionné de poussière de clinker sont mélangées ensuite au clinker, avant ou après broyage de celui-ci. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le procédé comporte en outre une zone de précalcination entre la zone de préchauffage et la zone de clinkérisation et en ce que le soutirage de la portion de fumées chaudes constituant la purge est effectué entre la zone de précalcination et la zone de clinkérisation. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la portion de fumées chaudes contenant des poussières, constituant la purge, est soumise intermédiairement à une séparation sélective des poussières pour recueillir d'une part des particules relativement grosses d'autre part un courant de gaz renfermant des particules relativement petites et on n'envoie à la zone de dépoussiérage, après addition de poussière de clinker, que le courant renfermant les particules relativement petites. 7 Procédé selon la revendication 6, dans lequel les particules relativement grosses sont renvoyées à la zone de clinkérisation. 8 Procédé selon la revendication 6, dans lequel les particules relativement grosses sont renvoyées à la zone de précalcination. 9 Procédé selon la revendication 6, dans lequel les particules relativement grosses sont renvoyées à la zone de préchauffage. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel les particules relativement petites du courant de purge, envoyées à la zone de dépoussiérage commune, représentent 20 à 80 % en poids de la totalité des particules solides du courant de purge, le complément étant constitué par les particules relativement grosses qui sont envoyées à la zone de préchauffage, de précalcination ou de clinkérisation.