Brevet FR2817487A1 — publié le 20020607

La présente invention concerne un procédé et une installation d'épuration de fumées de cimenterie. Le ciment, en particulier le ciment Portland, est utilisé largement dans des secteurs aussi variés que les ponts et chaussées, la construction ou la réalisation de grosses tuyauteries. Plusieurs variétés de ciments et plusieurs procédés visant à leur fabrication sont utilisés, chacun ayant ses spécificités propres. Le procédé de fabrication du ciment commence par la préparation d'un mélange réalisé à partir de matières premières comme l'argile, le calcaire, la chaux. Ces éléments apportent le silicium, le calcium, l'aluminium et le fer qui sont les éléments essentiels dans un ciment. Un broyage de ces différents éléments est alors réalisé, soit par voie humide, soit par voie sèche. Ce broyage peut générer une quantité énorme de poussières et il est nécessaire de recourir à des dispositifs de traitement des fumées, tels des filtres à manches, des cyclones ou parfois des électrofil- tres. Dans une étape clé subséquente, le matériau broyé, sec ou humide, est calciné dans des fours, où le produit est porté à une température maximale d'environ 1450OC. Plusieurs types de fours existent et on peut citer en particulier les fours du type"LEPOL", ainsi que les longs fours rotatifs. Des préchauffeurs sont souvent employés. Au cours de ce processus, le mélange alimenté subit une transformation chimique et donne naissance au clinker. Mais l'attrition et le brassage continuel de ces solides génèrent une quantité importante de poussières. Par ailleurs, les gaz effluents sortant des fours sont usuellement aussi très chargés en de telles poussières. Certains flux intermédiaires peuvent de ce fait contenir des concentrations de poussières excédant 100g/Nm3 de fumées. Plusieurs procédés et approches sont utilisées, en vue du dépoussiérage de ces fumées. Des cyclones et des électrofiltres peuvent récupérer ces poussières, qui sont soit retournées dans le four, soit parfois purement et simplement éliminées. Des filtres à manches sont également employés. Mais le fait de porter à une température dépassant 1000OC un produit dans une atmosphère contenant de l'oxygène et de l'azote génère aussi, comme dans un processus de combustion, des oxydes d'azote. La pression inhérente aux normes d'émission en vigueur, ou anticipées, conduit à effectuer un traitement pour réduire la quantité totale de ces polluants rejetés lors de la mise en oeuvre de procédés de fabrication de ciment. Plusieurs solutions sont potentiellement disponibles et certaines d'entre elles sont commercialement utilisées. On peut utiliser un procédé sélectif, non catalytique, de réduction des oxydes d'azote (SNCR). Dans un tel procédé, un agent réducteur, comme l'ammoniac NH3 ou l'urée NH2-CO-NH2, est injecté et réagit avec les oxydes pour les transformer en azote. Ce procédé, s'il permet de réduire de 50 à 70 % les oxydes d'azote, impose des contraintes particulières et ne peut pas toujours être mis en service. En effet, pour être efficace, le réactif, à savoir l'ammoniac ou l'urée, doit être introduit dans une fenêtre étroite de températures. Celle-ci, qui est comprise entre 950 et 1150OC, n'est pas toujours accessible. En outre, ces procédés génèrent une certaine quantité de protoxyde d'azote N2O, gaz à effet de serre prononcé. Le brevet américain US 5,137, 704 présente une variante améliorée de cette technologie. Un autre procédé connu consiste à utiliser des brûleurs d'un type particulier, appelés brûleurs à bas NO., ou"Low NO,". Cependant, la réduction des teneurs en NO et NO2 est limitée, et la qualité du clinker obtenu peut être diminuée par l'utilisation de ces brûleurs, du fait de l'altération de la spéciation du soufre. Des procédés utilisant des faisceaux d'électrons ont été proposés dans d'autres industries, mais ces dispositifs sont trop onéreux pour l'industrie cimentière. Enfin, un procédé dit SCR (Sélective Catalytical Réduction) a déjà été utilisé. Ce procédé permet une réduction de plus de 90 % des oxydes d'azote et consiste à passer sur un lit catalytique, contenant par exemple des oxydes de vanadium et de tungstène, les gaz à traiter auxquels on a ajouté un réactif comme l'ammoniac. Toutefois, le catalyseur utilisé est sensible aux poussières et doit être protégé. Si on utilise un filtre, la température doit être en général descendue au-dessous de 200OC. Or, la plupart des catalyseurs doivent travailler audessus de 250OC. Les échangeurs auxquels il est fait appel représentent un équipement supplémentaire et donc des investissements correspondants. Les cyclones, qui sont aussi utilisés, ont un rendement trop faible pour pouvoir garantir une teneur en poussières compatible à la fois avec les teneurs en entrée imposées par le procédé, et celles nécessaires à une utilisation fiable et économique des catalyseurs de SCR. Ceux-ci doivent avoir une durée de vie de plusieurs années, et donc être protégés. La présente invention vise à proposer un procédé d'épuration de fumées de cimenterie, permettant de pallier les différents inconvénients explicités ci-dessus. A cet effet, elle a pour objet un procédé d'épuration de fumées de cimenterie, dans lequel les fumées à épurer circulent dans un four comprenant une chambre de séchage et une chambre de calcination, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - on extrait les fumées à épurer hors du four, ces fumées extraites possédant une température comprise entre 250 et 400 C ; - on dirige les fumées extraites vers une unité de dépoussiérage, de type cyclonique ; on évacue par une première sortie de l'unité de dépoussiérage, les fumées dépoussiérées, que l'on dénitrifie ; on évacue par une seconde sortie de l'unité de dépoussiérage, une fraction marginale des fumées, comprise entre 1 et 6 % des fumées admises dans l'unité de dépoussiérage, cette fraction marginale étant collectée en même temps que des poussières ; et - on mélange les fumées dénitrifiées et ladite fraction marginale de fumées. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - les fumées extraites possèdent une température comprise entre 280 et 350OC ; - la fraction marginale de fumées est comprise entre 2 et 4 %, notamment 3 %, des fumées admises dans l'unité de dépoussiérage ; on retourne les fumées dénitrifiées dans la chambre de séchage, on extrait ces fumées dénitrifiées hors du four, puis on mélange, avec ladite fraction marginale, ces fumées dénitrifiées extraites du four ; - le mélange de fumées dénitrifiées et de ladite fraction marginale est dirigé vers un dépoussiéreur supplémentaire ; - on mélange les fumées dénitrifiées et la fraction marginale, puis on dirige le mélange de fumées dénitrifiées et de ladite fraction marginale vers la chambre de séchage du four. L'invention a également pour objet une installation d'épuration de fumées de cimenterie, comportant un four appartenant à une installation de fabrication de ciment, ce four comprenant une chambre de séchage et une chambre de calcination dans lesquelles les fumées à épurer circulent, en service, caractérisée en ce qu'elle comprend : - des moyens d'extraction des fumées à épurer hors du four, ces moyens d'extraction s'étendant à partir d'une zone intermédiaire dudit four possédant, en service, une température comprise entre 250 et 400OC, de préférence entre 280 et 350OC ; - une unité de dépoussiérage, mise en communication avec les moyens d'extraction ; - des premiers moyens d'évacuation, permettant d'extraire de l'unité de dépoussiérage les fumées dépoussiérées ; - des seconds moyens d'évacuation, permettant d'extraire de l'unité de dépoussiérage une fraction marginale des fumées admises dans cette unité, cette fraction marginale étant collectée en même temps que des poussières ; - un réacteur de dénitrification, mis en communication avec les premiers moyens d'évacuation ; des troisièmes moyens d'évacuation, permettant d'extraire les fumées dénitrifiées du réacteur de dénitrification et une zone de jonction entre les seconds moyens d'évacuation de ladite fraction marginale et les troisièmes moyens d'évacuation des fumées dénitrifiées. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - l'unité de dépoussiérage est de type cyclonique, et elle est constituée par un cyclone ou une batterie de cyclones ; - la zone de jonction est mise en communication avec un dépoussiéreur supplémentaire ; - le dépoussiéreur supplémentaire est un filtre à manches ou un électrofiltre. L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux figures 1 et 2 annexées, données uniquement à titre d'exemple non limitatif, qui sont des représentations schématiques de deux installations d'épuration de fumées de cimenterie, conformes à l'invention. La figure 1 représente un four 2, appartenant à une installation de fabrication de ciment. Ce four, qui est de type"LEPOL", comprend de façon habituelle une chambre de séchage 4, ainsi qu'une chambre de calcination 6. Comme cela est connu, un matériau destiné à la fabrication du clinker est admis par la ligne 8, puis traverse la chambre de séchage 4, ainsi que la chambre de calcination 6, le long d'un tapis roulant 10. Le clinker ainsi obtenu est alors évacué du four 2 au niveau d'un orifice de sortie 12. Ce four est également muni d'une cheminée de sécurité 14. Les fumées générées à l'intérieur du four sont collectées par l'intermédiaire de cyclones 16, puis dirigées dans une conduite 18, s'étendant à partir d'une zone intermédiaire 20 du four 2. Dans cette zone, les fumées sont chargées en poussières, à une concentration comprise entre 20 et 300g/Nm3, et possèdent une température comprise entre 250 et 400OC, notamment entre 280 et 350OC. Ces fumées sont alors extraites, hors de la zone intermédiaire 20 du four 2, le long de la conduite 18. Cette dernière, qui est pourvue d'un ventilateur 22, est mise en communication, à son extrémité opposée au four, avec une unité de dépoussiérage 24, constituée d'un cyclone ou d'une batterie de cyclones. Une ligne 26 met en communication cette unité 24 avec un réacteur de dénitrification 28. Par ailleurs, une conduite 30, destinée à la sortie des poussières, s'étend également à partir de l'unité 24. Afin de stabiliser le ou les cyclones formant l'unité de dépoussiérage 24, on laisse volontairement sortir, avec la sousverse de chaque cyclone, une fraction faible, ou marginale, des fumées initialement admises par la conduite 18. Cette fraction mélangée aux poussières, qui est évacuée par la conduite 30 avec les solides collectés par l'unité de dépoussiérage 24, est comprise entre 1 et 6 % du flux gazeux admis dans cette unité 24, de préférence entre 2 et 4 %. Par ailleurs, la ligne 26 véhicule des fumées dépoussiérées, qui contiennent entre 100mg/Nm3 et 5g/Nm3 de poussières, de préférence entre 200 mg et 1 g/Nm3. Ces fumées dépoussiérées sont alors dirigées, via la ligne 26, vers le réacteur de dénitrification 28, puis en sont évacuées, via une ligne 32. Cette dernière débouche dans la chambre de séchage 4 du four 2, ce qui permet aux fumées dénitrifiées d'être admises dans cette chambre. Ces fumées sont ensuite extraites de la chambre 4, par l'intermédiaire d'une conduite 34. Les conduites 30 et 34 sont ensuite mises en communication mutuelle, au niveau d'une jonction 36. Ceci assure le mélange entre, d'une part, les fumées collectées avec les poussières, hors de l'unité 24 et, d'autre part, les fumées dépoussiérées et dénitrifiées évacuées du réacteur 28, via la chambre de séchage 4. Le mélange de fumées ainsi constitué est ensuite dirigé, via une ligne 38, vers un dépoussiéreur final 40, qui est par exemple constitué d'un filtre ou d'un électrofiltre. Les fumées qui en sont extraites, via une conduite 42, sont alors débarrassées de la majeure partie de leur oxyde d'azote, ainsi que de leurs poussières. Ces fumées épurées sont, par exemple, rejetées à l'atmosphère par un ventilateur de tirage, non représenté. La figure 2 illustre une variante de réalisation de l'invention, dans laquelle la fraction marginale de fumées mélangées aux poussières est extraite, via une conduite 31. Par ailleurs, les fumées dépoussiérées, puis dénitrifiées, sont évacuées du réacteur 28, par l'intermédiaire d'une ligne 33. Cette conduite 31 et cette ligne 33 sont mises en communication mutuelle, au niveau d'une jonction 37. Une ligne 39, qui s'étend depuis cette jonction 37, retourne dans la chambre de séchage 4 du four 2. Ainsi, les fumées dénitrifiées, sortant du réacteur 28, et les fumées collectées avec les poussières, hors de l'unité 24, sont mélangées au niveau de la jonction 37, puis retournées vers le four 2. Ce mélange de fumées est ensuite extrait du four, via une ligne 41, et se trouve admis dans le dépoussiéreur final 40. L'invention tire parti de l'extraction des fumées, hors du four, au niveau d'une zone intermédiaire de ce dernier. Une telle zone est, d'une part, d'un accès facile et possède, d'autre part, une température favorable au traitement des fumées par l'intermédiaire d'un réacteur de dénitrification. Une telle mesure permet donc de s'affranchir de l'emploi d'échangeurs de chaleur, qui sont onéreux et d'une utilisation délicate, compte tenu de la forte teneur en poussières des fumées. Par ailleurs, le fait d'évacuer volontairement une partie des fumées avec les poussières, par la sousverse de l'unité de dépoussiérage 24, permet d'accroître l'efficacité de cette dernière. Une telle mesure a ainsi pour effet de réduire la teneur en poussières dans la ligne 26, véhiculant les fumées dépoussiérées. Ceci garantit donc une protection améliorée du catalyseur contenu dans le réacteur de dénitrification 28. En d'autres termes, si l'extraction de la fraction marginale de fumées mélangées aux poussières n'était pas prévue, il serait alors nécessaire, soit de remplacer le catalyseur du réacteur 28 à des fréquences trop élevées, soit de sélectionner un catalyseur plus résistant aux poussières, mais dont l'efficacité serait réduite. REVENDICATIONS 1. Procédé d'épuration de fumées de cimenterie, dans lequel les fumées à épurer circulent dans un four (2) comprenant une chambre de séchage (4) et une chambre de calcination (6), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - on extrait (par 18) les fumées à épurer hors du four (2), ces fumées extraites possédant une température comprise entre 250 et 400OC ; - on dirige les fumées extraites vers une unité de dépoussiérage (24), de type cyclonique ; - on évacue (par 26) par une première sortie de l'unité de dépoussiérage, les fumées dépoussiérées, que l'on dénitrifie (en 28) ; - on évacue (par 30 ; 31) par une seconde sortie de l'unité de dépoussiérage, une fraction marginale des fumées, comprise entre 1 et 6 % des fumées admises dans l'unité de dépoussiérage (24), cette fraction marginale étant collectée en même temps que des poussières ; et - on mélange (en 36 ; 37) les fumées dénitrifiées et ladite fraction marginale de fumées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fumées extraites possèdent une température comprise entre 280 et 350OC. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fraction marginale de fumées est comprise entre 2 et 4 %, notamment 3 %, des fumées admises dans l'unité de dépoussiérage (24). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on retourne (par 32) les fumées dénitrifiées dans la chambre de séchage (4), on extrait (par 34) ces fumées dénitrifiées hors du four, puis on mélange (en 36), avec ladite fraction marginale, ces fumées dénitrifiées extraites du four. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mélange de fumées dénitrifiées et de ladite fraction marginale est dirigé (par 38) vers un dépoussiéreur supplémentaire (40). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on mélange (en 37) les fumées dénitrifiées et la fraction marginale, puis on dirige (par 39) le mélange de fumées dénitrifiées et de ladite fraction marginale vers la chambre de séchage (4) du four (2). 7. Installation d'épuration de fumées de cimenterie, comportant un four (2) appartenant à une installation de fabrication de ciment, ce four comprenant une chambre de séchage (4) et une chambre de calcination (6) dans lesquelles les fumées à épurer circulent, en service, caractérisée en ce qu'elle comprend : - des moyens d'extraction (18) des fumées à épurer hors du four, ces moyens d'extraction s'étendant à partir d'une zone intermédiaire (20) dudit four possédant, en service, une température comprise entre 250 et 400OC, de préférence entre 280 et 350OC ; - une unité de dépoussiérage (24), mise en communication avec les moyens d'extraction (18) ; - des premiers moyens d'évacuation (26), permettant d'extraire de l'unité de dépoussiérage les fumées dépoussiérées i - des seconds moyens d'évacuation (30 ; 31), permettant d'extraire de l'unité de dépoussiérage (24) une fraction marginale des fumées admises dans cette unité, cette fraction marginale étant collectée en même temps que des poussières ; - un réacteur de dénitrification (28), mis en communication avec les premiers moyens d'évacuation (26) ; - des troisièmes moyens (32 ; 33) d'évacuation, permettant d'extraire les fumées dénitrifiées du réacteur de dénitrification ; et - une zone de jonction (36 ; 37) entre les seconds moyens (30 ; 31) d'évacuation de ladite fraction marginale et les troisièmes moyens (32 ; 33) d'évacuation des fumées dénitrifiées. 8. Installation d'épuration de fumées de cimenterie selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'unité de dépoussiérage (24) est de type cyclonique, et en ce qu'elle est constituée par un cyclone ou une batterie de cyclones. 9. Installation d'épuration de fumées de cimenterie selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que la zone de jonction (36 ; 37) est mise en communication avec un dépoussiéreur supplémentaire (40). 10. Installation d'épuration de fumées de cimenterie selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dépoussiéreur supplémentaire (40) est un filtre à manches ou un électrofiltre.