Brevet FR2795808A1 — publié le 20010105

La présente invention concerne un procédé de combustion, applicable plus particulièrement à la calcination d'un matériau à base de minerai notamment la fabrication de ciment dans lequel un matériau est chauffé au contact d'une source de chaleur essentiellement créée par une flamme engendrée par au moins un combustible et au moins un comburant. Ce procédé de calcination s'intègre dans un procédé de préparation de ciment. L'invention concerne également l'utilisation du procédé de combustion pour chauffer une charge que ce soit pour fondre un métal, le maintenir en température, la destruction des déchets, etc... La fabrication de ciment passe par la fabrication d'un produit intermédiaire appelé " clinker ". Le clinker est un produit qui est obtenu par cuisson d'un matériau à base de minerai et notamment l'argile et le calcaire. Le matériau sous forme de poudre peut être fourni à un four rotatif, soit sous forme sèche (procédé sec) soit sous forme d'une pate ("slurry") à base d'eau (procédé humide). La composition du is clinker est en général soigneusement contrôlée afin d'obtenir les proportions désirées des différents matériaux minéraux et notamment le carbonate de calcium, la silice, I'alumine, l'oxyde de fer et le carbonate de magnésium. Après enfournement dans un four, le matériau précurseur pour la fabrication de clinker subit tout d'abord un séchage et un chauffage. Ensuite, ce matériau subit une calcination dans laquelle les carbonates des différents minéraux sont convertis en oxyde de ces minéraux par élimination de dioxyde de carbone. Les températures étant encore élevées, les minéraux ainsi obtenus réagissent chimiquement entre eux pour produire essentiellement des silicates de calcium et des aluminates de calcium. Ce dernier procédé est appelé procédé de " clinkerisation " (" clinkering " en anglais) et il est réalisé dans la zone chaude d'un four rotatif. Le clinker qui en résulte est alors refroidi et pulvérisé puis mélangé avec des ingrédients additionnels pour former un ciment tel que le ciment de type portland. Les procédés de fabrication de ciments comportent de nombreuses similitudes et les différences essentielles entre ces différents procédés résident essentiellement dans la méthode utilisée pour sécher, préchauffer ou calciner le précurseur du clinker. En règle générale dans tous ces systèmes le procédé de fabrication de clinker est sensiblement toujours le même c'est à dire un procédé dans lequel on utilise un four rotatif dans lequel les précurseurs de clinker descendent par gravité tandis que les gaz chauds sont circulés à contre courant en provenance d'une zone dans laquelle on a réalisé une combustion. Il est connu, par exemple du brevet US 5,572,938, que l'utilisation d'oxygène dans les fours rotatifs de fabrication de clinker permet d'augmenter la production de clinker en améliorant essentiellement la combustion habituellement pratiquée à l'aide d'une combustion à l'air. Toutefois, jusqu'à ce jour, ces techniques ne sont pas très bien maîtrisées et représentent souvent une augmentation sensible des coûts de production pour le fabricant. Différentes techniques de fabrication de ciment sont décrites notamment 1o dans les brevets US 3,302,938, US 3,404,199, US 3,925,091 dont les descriptions sont incorporées dans la présente demande par référence. D'autres procédés dans lesquels on utilise également de l'oxygène dans la fabrication de ciment sont décrits dans les brevets US 5,007,823 et 5. 580.237. D'une manière générale, les fabricants de clinker essaient d'incorporer i5 comme combustibles dans leur four, afin de diminuer les coûts de production, des combustibles qui ont la propriété de brûler relativement mal, ainsi que des produits peu combustibles ayant un faible pouvoir calorifique inférieur (PCI). D'une manière générale ils cherchent à utiliser des déchets de toutes sortes relativement peu combustibles pour lesquels ils peuvent recevoir notamment des primes à la destruction desdits déchets. En effet, le procédé de fabrication de clinker consomme beaucoup d'énergie, en particulier parce que la réaction de décarbonation du carbonate de calcium dans l'opération de fabrication de clinker est une réaction très endothermique et donc grande consommatrice d'énergie. Les combustibles habituels qui brûlent facilement dans les fours rotatifs de fabrication de clinker sont le charbon, les fiouls lourds et le gaz naturel. Ces combustibles ont un pouvoir calorifique inférieur (PCI) ayant une valeur comprise entre 30 et 45 x 106 joule/kg. Les fuels lourds peuvent être préchauffés et atomisés en gouttelettes de tailles inférieures à 200 micron avec une fraction de leur masse transformée en gouttelettes de diamètre inférieure à 50 micron. Les gouttelettes les plus petites s'évaporent rapidement et permettent ainsi un allumage de la flamme près de l'extrémité du brûleur. De la même manière, les particules de charbon sont pulvérisées avec une distribution de taille comprise entre 10 et 200 micron. L'allumage rapide et stable de 3 2795808 la combustion est amélioré par le contrôle de la taille mais aussi par la matière volatile combustible dégagée par les particules lorsqu'elles sont chauffées. Cependant, les fabricants de ciment font des efforts continuels pour diminuer le coût des combustibles utilisés dans la production de clinker et essayent aujourd'hui de brûler notamment des déchets liquides ou solides ayant de faibles qualités combustibles et un pouvoir calorifique inférieur (PCI) souvent inférieur à 15 x 106 joule/kg. Ces mauvais combustibles ont cependant un contenu en eau souvent supérieur à 20 % en masse, ou une dimension de particules importante (par exemple % de la masse consistant en des particules ou des gouttelettes de taille 0o supérieure à 200 micron). L'utilisation de ces combustibles ayant des difficultés à brûler entraînent un certain nombre de problèmes dans la zone de combustion et en particulier dans la zone de calcination des fours rotatifs utilisés pour fabriquer le clinker et notamment un allumage de la flamme instable, des taux de combustion trop faibles, ce qui génère des concentrations en monoxyde de carbone qui sont incontrôlées, des émissions d'hydrocarbures dans les gaz issus de ces fours, des niveaux d'imbrûlés dans les cendres qui sont inacceptables en particulier les imbrûlés dans les gaz issus du four avec pour conséquence des diminutions de productivité, sauf à rajouter des quantités supplémentaires de combustibles afin de compenser les effets néfastes de ces mauvais combustibles. Le problème à la base de l'invention résulte de la constatation par les inventeurs que le combustible injecté dans le four et notamment les combustibles à faible pouvoir calorifique inférieur ne pouvaient participer à la combustion avant d'avoir parcouru une assez longue distance à l'intérieur du four rotatif. Si la distance parcourue dans le four est trop courte, la combustion est de mauvaise qualité. Le procédé de combustion selon l'invention est caractérisé en ce que la flamme comporte une zone primaire de combustion créée par la combustion d'un premier combustible et d'un premier comburant, cette zone primaire étant située à proximité des points d'injection du premier comburant et du premier combustible, ainsi qu'une zone secondaire de combustion située en aval de la zone primaire, pour la combustion d'un second combustible et d'un second comburant, le second combustible étant préchauffé par passage dans ou à proximité de la zone primaire de la flamme. déq 2795808 De préférence, la distance de passage du second combustible au contact de la flamme de la zone primaire sera suffisante pour qu'une partie au moins du second combustible ait été préchauffée à une température d'au moins environ 400 C, de préférence environ 600 C et plus préférentiellement 800 C. s Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, on a constaté que lorsque la distance de passage du second combustible au contact de la flamme s'effectuait dans des conditions telles que la température de ce second combustible était sensiblement de l'ordre de 10000C au moins lorsque celui arrivait dans la seconde zone de combustion, la combustion du second combustible dans cette seconde zone s'effectuait dans de bonnes conditions, conduisant à une diminution du taux de NOx et de la quantité d'imbrûlés dans les fumées. De préférence, le combustible secondaire sera un combustible dont le pouvoir calorifique inférieur (PCI) sera inférieur à 15 x 106 joule/kg. Selon une variante de l'invention, le combustible secondaire pourra être un combustible dont la 1is teneur massique en eau sera supérieure ou égale à environ 20 % et inférieure ou égale à environ 95 % de préférence inférieure ou égale à 70 %. Selon une autre variante de réalisation, le combustible secondaire contiendra des cendres en proportion massique supérieur à 20 %. Bien entendu, selon l'invention, on peut utiliser un combustible secondaire ou un mélange de combustibles secondaires (choisis notamment parmi ceux énumérés ci-dessus) ainsi qu'un mélange d'un ou plusieurs de ces combustibles secondaires avec un autre combustible tel que les combustibles primaires cités dans le cadre de la présente description et notamment ceux ayant un pouvoir calorifique inférieur (PCI) supérieur à 30 x 106 joule/kg. Selon un mode de réalisation de I'invention, la distance d'inflammation définie comme étant la distance entre l'extrémité d'injection des comburants et combustibles et le début de la zone de combustion sera inférieure à 2 m de préférence inférieure à environ 1 m. En règle générale, on considérera la zone de la flamme primaire se termine sensiblement lorsque plus de 90 % environ de l'oxydant primaire aura réagi avec le combustible primaire. D'une manière générale, l'énergie de la flamme primaire sera la plus faible possible et représentera au plus 30 % et de préférence au plus 15 % de l'énergie totale apportée par la flamme. De façon préférentielle l'énergie de la flamme primaire 2795808 représentera environ entre 1 % et 10 % de l'énergie totale apportée par la flamme, cette flamme primaire comportant de préférence une zone de température aussi élevée que possible, de manière à élever le plus rapidement possible la température du combustible secondaire à son contact. Selon une autre variante de l'invention, le combustible primaire sera un combustible ayant de préférence avec un PCI supérieur à 30 x 106 joule/kg, c'est à dire un combustible qui s'enflamme facilement. Cependant, il sera possible de mélanger à ce combustible ayant de bonnes qualités, un combustible ayant un faible pouvoir calorifique inférieur ou un combustible ayant de mauvaises qualités io d'allumage telles que définies ci-avant dans des proportions telles que l'on obtienne cependant une flamme primaire ayant les qualités de température requises et notamment ayant une température de préférence supérieure à 800 C et plus préférentiellement supérieure à 1000 C. Le comburant primaire sera un comburant qui comportera plus de 21 % en oxygène et de préférence plus de 35 % en oxygène, plus préférentiellement plus de 50 % en oxygène et encore plus préférentiellement sera de l'oxygène industriellement pur, c'est à dire de l'oxygène comportant plus d'environ 88 % en volume d'oxygène tel que l'oxygène produit par les systèmes de production d'oxygène par adsorption tels que les VSA (Vaccum Swing Adsorption System) et pourra être également constitué par de l'oxygène de qualité cryogénique c'est à dire ayant une pureté souvent supérieure à 98 %, éventuellement pur ou en mélange avec de l'air. Le combustible secondaire a été déjà décrit ci avant, tandis que le comburant secondaire sera de préférence l'air et en particulier l'air qui est habituellement utilisé dans le brûleur installé dans les fours de cimenterie (encore appelé air primaire et/ou air secondaire). L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent: - la figure 1 représente une vue schématique en coupe latérale d'une installation de fabrication de clinker selon l'art antérieur; - la figure 2 représente une vue de détails de la flamme utilisée dans le four rotatif pour la réalisation de clinker, selon l'art antérieur; - la figure 3 représente schématiquement une flamme pour laquelle la distance d'inflammation est considérée comme correcte et une flamme dégradée c'est à dire non acceptable; - la figure 4 représente une première variante de réalisation du procédé de combustion selon l'invention dans laquelle le second combustible est injecté à l'intérieur d'une flamme oxycombustible; - la figure 5 représente une deuxième variante de la réalisation de l'invention dans laquelle la flamme primaire d'oxygène et de combustible est envoyée au centre du jet du second combustible; - la figure 6 représente une troisième variante de la réalisation de l'invention dans laquelle la flamme primaire d'oxygène et de combustible entoure le second combustible afin de le préchauffer l'ensemble étant disposé au-dessus de la flamme air combustible existant sur le four. Sur la figure 1, la matière crue issue de la zone 1 est envoyée dans la zone de pré-calcination 3 (ou selon certaine variante un échangeur de type Lepol) dans lequel la température de la matière crue s'échauffe progressivement à contre courant des gaz chauds circulant de la gauche vers la droite sur la figure. Sur la figure 2 est représentée une vue de détails de la flamme (12) représentée sur la figure 1. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux des autres figures portent les mêmes références. La flamme s'étend sur une grande longueur du four rotatif (4) et le début de la combustion commence effectivement à une certaine distance de l'extrémité du brûleur (8), la zone de non-combustion visible entre l'extrémité du brûleur et le début de la flamme étant représentée par la zone (13). Dans le brûleur est injecté l'air primaire et le combustible principal tandis que I'air secondaire est injecté sur les côtés (selon l'art antérieur). L'air primaire est injecté à une température d'environ 100 C, I'air secondaire a une température souvent comprise entre 500 et 900 C, tandis que la température de la flamme dans sa partie la plus chaude est de l'ordre de 1900 C au moins. La longueur de la flamme dans un tel four rotatif est typiquement de 4 à 7 fois le diamètre du four rotatif (4). Sur les figures 3 a et 3 b on a représenté, avec les mêmes chiffres de référence que sur les figures précédentes les flammes de l'art antérieur, dans le cas o la distance d'inflammation (d) représentée par la zone (13) est correcte pour assurer une bonne combustion, cette distance (d) étant généralement inférieure à 1 mètre (figure 3a) tandis que sur la figure 3b est représentée typiquement une flamme dégradée c'est à dire que la zone (13) s'étend sur une longueur D, qui est inacceptable, qui est de l'ordre de 2 à 3 mètres ou plus. Non seulement cette distance d'inflammation est trop grande mais la position d'inflammation c'est à dire l'extrémité de la zone non-enflammée peut fluctuer grandement et il existe des risques de décrochement de flammes. Typiquement l'injection de combustibles de mauvaise qualité dans une flamme existante de l'art antérieur telle que décrite ci- avant, conduit à une flamme dégradée telle que représentée sur cette figure 3b ce 0o qui est inacceptable tant du point de vue de la combustion que du point de vue de la sécurité de l'installation. Les figures suivantes (4, 5 et 6) représentent différentes variantes de réalisation de l'invention. Sur la figure 4 est représentée une première solution selon l'invention dans laquelle la flamme chaude oxy-combustible est situé autour du jet de combustible secondaire de mauvaise qualité, c'est à dire entoure celui-ci. Le combustible secondaire est injecté en (24), tandis qu'autour de celui-ci à travers l'orifice concentrique (23) est injecté le mélange d'oxygène et de premier combustible de manière à créer une flamme suffisamment chaude pour préchauffer comme il l'a été décrit ci-avant le combustible injecté à travers l'orifice (24) de mauvaise qualité. Ainsi que représentée sur la figure, la flamme se développe avec au centre dans la zone amont de la flamme une zone (25) dans laquelle le second combustible est préchauffé au contact de la flamme généralement oxy-combustible, chaude, qui se développe dans la zone (26) autour du combustible de mauvaise qualité, tandis qu'une deuxième zone de combustion aval se développe sensiblement au-delà de la ligne verticale (40) représentée sur la figure, généralement quand environ plus de 90 % du comburant, c'est à dire l'oxygène utilisé dans la flamme chaude (26), a déjà réagi avec le premier combustible (de bonne qualité généralement) pour créer la flamme chaude qui préchauffe le second combustible. En aval de la ligne (40) on retrouve la deuxième zone de combustion de la flamme résultant essentiellement de la combustion du second combustible (de mauvaise qualité) avec l'air environnant, c'est à dire l'air primaire injecté à travers la qualité annulaire (22) et o l'air dit secondaire injecté à travers la qualité annulaire (21), air qui comme dans le cadre de l'art antérieur a été généralement préchauffé à une température comprise entre 500 gs 2795808 et 1000 C. Ce préchauffage ayant lieu au contact du clinker formé dans le four rotatif de manière à refroidir celui-ci à partir d'air pompé de l'extérieur à température environnante. L'ensemble de la flamme (29) comporte donc ainsi une partie arrière en amont de la ligne (40), essentiellement formée par une flamme courte oxy- combustible qui préchauffe le second combustible et une partie avale (27) dans laquelle se produit la combustion principale selon l'invention, du combustible de mauvaise qualité avec l'air, combustion qui peut être réalisée dans des conditions correctes grâce au préchauffage selon l'invention du combustible de mauvaise qualité dans la partie amont de la flamme. Sur la figure 5 est représentée une autre variante de l'invention, dans laquelle la flamme qui chauffe le combustible de mauvaise qualité (25) est injectée centralement dans le système d'injection tandis que le combustible de mauvaise qualité à chauffer entoure cette flamme oxycombustible injectée à travers l'orifice (23). Les autres éléments restent similaires à ceux décrient sur la figure 4, avec le même principe de fonctionnement à savoir dans la zone amont un préchauffage du combustible de mauvaise qualité qui atteint ainsi la partie avale avec une température généralement de préférence supérieure ou égale à 1000 C ce qui permet de brûler de façon tout à fait correcte avec l'air primaire et/ou secondaire issue des cavités annulaires (22) et/ou (21). Selon une caractéristique de l'invention, le second combustible de mauvaise qualité, qui doit être préchauffé par la flamme de préférence oxygène et premier combustible, sera injecté dans celle-ci ou à l'extérieur de celle-ci à une vitesse qui n'excédera pas de préférence 50 mètres/s et plus préférentiellement qui n'excédera pas 20 mètres/s. D'une manière générale, on a constaté que les vitesses d'injection de ce second combustible à préchauffer, de l'ordre de 10 mètres/s étaient adaptées, particulièrement lorsqu'il s'agit de combustibles à faible PCI ou de combustibles aqueux tels que des boues de stations d'épuration, etc... Dans le cadre de la présente invention, il n'est en effet pas exclu de pouvoir injecter également des déchets solides en addition du second combustible, ces déchets solides tels que des déchets de moquette ou des déchets de plastique étant généralement constitués de morceaux relativement grossiers et injectés à des vitesses qui sont au contraire élevées, par exemple de l'ordre de 200 mètres/s, de ) 2795808 manière à être projetés le plus en amont possible de la zone de "clinkerisation" du clinker et à pouvoir ensuite être pyrolysés et ainsi s'associer à la formation du clinker. La figure 6 représente une variante de réalisation de l'invention correspondant à une modification d'un brûleur existant sur un four (32). L'ensemble du système (31) comporte dans sa partie inférieure le brûleur existant (32) et dans sa partie supérieure l'ensemble rajouté selon le procédé de l'invention. Dans sa partie inférieure, le combustible qui comporte éventuellement des déchets notamment des déchets solides est injecté à travers l'orifice (34), pneumatiquement à l'aide de l'air primaire tandis que de l'air secondaire est injecté dans la canalisation annulaire (33) io de manière à réaliser le système de combustion selon l'art antérieur. Placé au- dessus de ce système de combustion et plus préférentiellement sur le même axe vertical, se trouve un système de combustion selon l'invention dans lequel le deuxième combustible à préchauffer (35) est situé au centre d'une flamme injectée par la couverture annulaire (36) constituée de préférence comme décrit ci-avant, d'oxygène et d'un premier combustible de manière à préchauffer ce deuxième combustible. Ce deuxième combustible étant de préférence constitué comme indiqué ci-avant d'un combustible pulvérulent ou liquide qui nécessite d'être préchauffé avant de pouvoir réagir dans la zone de combustion secondaire de la flamme avec l'air secondaire notamment n'ayant pas réagi avec la flamme (33 - 34). Les éléments de cette flamme (35 - 36) rencontrant les éléments de la flamme aérocombustible par gravité. Bien entendu on peut là encore, selon une variante de l'invention, placer la flamme chaude (36) au centre et l'injection de seconds combustibles (35) autour cette flamme chaude (36). REVENDICATIONS 1. Procédé de calcination d'un matériau à base de minerais, dans lequel ledit matériau est chauffé au contact d'une source de chaleur essentiellement créée par une flamme engendrée par au moins un combustible et au moins un comburant, caractérisé en ce que la flamme comporte une zone primaire de combustion créée par la combustion d'un premier combustible et d'un premier comburant, cette zone primaire étant située à proximité des points d'injection du premier comburant et du premier combustible, ainsi qu'une zone secondaire de combustion située en aval de la zone primaire, créée par la combustion d'un second combustible et d'un second comburant, le second combustible étant préchauffé par passage dans la zone primaire de la flamme. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance de passage du second combustible au contact de la flamme de la zone primaire est suffisante pour qu'une partie au moins du second combustible ait été préchauffé à une température d'au moins 400 C. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance de passage du second combustible au contact de la flamme de la zone primaire est suffisante pour qu'une partie au moins du second combustible ait été préchauffé à une température d'au moins 600 C et de préférence 800 C. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance de passage du second combustible au contact de la flamme de la zone primaire est suffisante pour qu'une partie au moins du second combustible ait été préchauffé à une température d'au moins environ 1000 C 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le combustible secondaire est un combustible dont le pouvoir calorifique inférieur (PCI) est inférieur ou égale à 15x 106 j/kg. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le combustible secondaire est un combustible dont la teneur en eau est supérieure ou égale à 20 % poids et inférieure ou égale à 95 % en poids, de préférence 70 % en poids. "AA 2795808 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le combustible secondaire est un combustible contenant des cendres en proportions supérieures à 20 % en poids. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la distance d'inflammation entre le point d'injection du comburant ou du combustible et le début de la flamme secondaire est inférieur à 2 mètres, de préférence inférieur à 1 mètre. 9. Procédé selon l'une des revendication 1 à 8, caractérisé en ce que le combustible secondaire comporte plusieurs combustibles secondaires et contient 0 % à 50 % en volume de combustible identique au combustible primaire. 10. Procédé selon l'une des revendication 1 à 8, caractérisé en ce que le combustible primaire comporte de O % à 100 % volume de combustible utilisé comme combustible secondaire. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la zone de combustion secondaire commence à une distance d'injection des comburants et combustibles tels que plus de 90 % volume du comburant primaire a réagit avec le combustible primaire. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'énergie de la flamme primaire représente plus de 30 %, de préférence plus de 15 % de l'énergie totale apportée par la flamme. 13. Procédé selon l'une des revendications I à 12, caractérisé en ce que l'énergie de la flamme primaire représente entre 1 et 10 % de l'énergie totale apportée par la flamme. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le combustible primaire est choisi parmi le gaz naturel. 15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le comburant primaire est constitué par de l'air enrichi en oxygène, comportant plus de 21 % volume d'oxygène. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le comburant primaire comporte plus de 50 % volume d'oxygène, de préférence plus de 88 % volume d'oxygène. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que le comburant primaire comporte plus de 98 % volume d'oxygène. A2." v2795808 18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que le comburant secondaire et essentiellement constitué par de l'air. 19. Procédé selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le comburant primaire a une concentration en oxygène supérieure à la concentration en oxygène du comburant secondaire. 20. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second combustible est injecté à une vitesse qui n'est pas supérieure à 50 mètres/s, de préférence qui n'est pas supérieure à une vitesse de 20 mètres/s. 21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que le second io combustible est injecté à une vitesse de l'ordre de 10 mètres/s.