Brevet FR2888230A1 — publié le 20070112

PROCEDE DE FABRICATION DE POUDRE DE CARBONE ET INSTALLATION DE MISE EN OEUVRE L'invention se rattache au secteur technique de l'exploitation et de la régénération de matériaux à base de carbone inclus dans des produits de toute nature. Les sources de production du carbone sont diverses avec des qualités variables. On distingue généralement le carbone graphite naturel, présent dans des gisements sous forme de mouchetures, paillettes ou filons, utilisé surtout pour ses qualités réfractaires, lubrifiantes et sa grande résistance chimique, des carbones artificiels tels que le graphite artificiel, le noir animal, le charbon de bois, le pyrocarbone, le charbon actif, le coke, le noir de carbone. L'utilisation du carbone, naturel ou artificiel, dans des applications, notamment industrielles les plus diverses, telles que l'utilisation de ses propriétés à des fins d'augmentation de la dureté pour des outils, la fabrication de pneumatiques, d'électrodes, de moules, de creusets, de tuyères, de lubrifiants, de matériaux réfractaires, de protections électriques ou autres applications en sidérurgie, génie chimique, fonderies, nucléaire, donnés seulement à titre d'exemple non limitatif, devient considérable, du fait des nombreuses propriétés de ce matériau. Pour tous les types de carbone, la constante est dans le coût, qui peut être très élevé, puisqu'il peut aller jusqu'à 7.500 Euros la tonne pour du carbone graphitique, de 800 à 1.400 Euros la tonne pour du noir de carbone. Tout cela démontre la multiplicité des origines de production avec des variétés importantes entre les produits et leurs coûts. 2888230 2 La démarche du Demandeur a été de considérer les produits carbonés existants sur le marché, contenant du carbone ou des particules de carbone ainsi que d'autres minéraux, et d'étudier les traitements qu'ils ont subi afin de les adapter à d'autres applications. Plus particulièrement, le Demandeur s'est intéressé à la fabrication de poudre de carbone à partir de produits minéraux carbonés, ces produits étant euxmêmes obtenus, par exemple et non limitativement, à partir du traitement ou du recyclage de solides organiques notamment du recyclage des bois traités ou imprégnés tels que poteaux électriques ou téléphoniques, traverses de chemin de fer ou bois de démolition. Les produits carbonés, composés de carbone et d'autres minéraux, sont issus par exemple de la mise en oeuvre du procédé connu sous la marque CHARTHERM (semi-figurative) et dont la technologie est définie notamment dans le brevet Européen n 772.663. Les produits carbonés ainsi obtenus, composés de carbone et d'autres minéraux, comme par exemple des métaux lourds, sont eux-mêmes réutilisables pour certaines applications. En pratique, cette ou ces réutilisations sont de faible valeur ajoutée, car les produits carbonés sont employés tels quels. Le Demandeur optimise le procédé décrit dans le brevet n EP 772 663 dans une variante, décrite dans la demande de brevet français n 05 51335 complémentaire, qui met en oeuvre une opération de distillation de solides organiques en vue de l'obtention de produits carbonés, composés en grande partie de carbone, constituant une matière première secondaire présentant des matières autres que le carbone 2888230 3 encore dans une certaine proportion, mais satisfaisante pour certaines applications. La démarche du Demandeur a été d'aller encore plus loin et de réfléchir à un procédé permettant de séparer les particules de carbone des autres matières minérales en vue de fabriquer de la poudre de carbone ayant un degré de pureté très élevé de l'ordre de 95 % à 99.9% et pouvant être utilisée comme matière première secondaire noble notamment dans les applications rappelées ci-avant. Cette démarche a conduit le Demandeur à mettre en oeuvre un procédé et une installation de mise en oeuvre dudit procédé, apte à la fabrication de poudre de carbone, à partir de produits carbonés, obtenus par exemple et non limitativement par le procédé CHARTHERM cité ci-avant, mais aussi et de manière plus générale, en traitant des produits minéraux incorporant en grande proportion des particules de carbone, en vue de la récupération de la matière minérale noble, le carbone. Selon une première caractéristique, le procédé consiste en l'exécution des phases suivantes: - prélèvement d'un produit carboné solide minéralisé et incluant des particules de carbone et des particules d'autres minéraux, et introduction dans un broyeur à pression pour procéder à un écrasement du produit carboné afin de réduire la taille des particules, la force d'écrasement étant réglée de façon à briser la structure de la matrice carbone et à libérer les autres minéraux de la gangue de carbone qui les enrobe tout en essayant de préserver leur taille initiale, et mise en circulation des produits broyés par un fluide ayant une fonction de transport. 2888230 4 - évacuation des particules de carbone et des particules des autres minéraux par transport pneumatique vers une zone de centrifugation (Z2) permettant la séparation entre le carbone et les autres minéraux dont les métaux lourds. - opération de centrifugation avec séparation entre les particules de carbone et les autres minéraux sous l'effet de leur différence de densité, avec évacuation des particules de carbone transportées par un fluide gazeux vers des moyens de séparation des particules de carbone et du gaz de transport, et collecte des autres minéraux séparés, en sortie de la centrifugeuse, dans un réservoir de récupération. - opération de séparation des particules de carbone et des gaz de transport à la sortie de la centrifugeuse dans une zone (Z3), lesdits gaz étant recyclés. - évacuation des particules de carbone résultantes sous forme de poudre de carbone en vue de leur conditionnement de stockage et vente. - opération de recyclage du fluide gazeux de transport. Le procédé ainsi décrit sera détaillé dans la suite de la description. L'installation de mise en oeuvre du procédé comprend: - des moyens d'alimentation des produits carbonés et leur transfert dans un broyeur à pression, - des moyens autorisant un broyage par pression du produit carboné pourvu de moyens de contrôle des paramètres physiques de ce broyage, - des moyens autorisant l'alimentation continue d'un fluide gazeux de transport, chargé de transporter les particules de carbone et les particules d'autres minéraux et circulation du fluide gazeux de transport selon un circuit 2888230 5 fermé continu jusqu'à la séparation entre le fluide gazeux de transport et les particules de carbone, - des moyens autorisant par séparation centrifuge la séparation entre les particules de carbone et toutes les autres particules minérales dont les métaux lourds, - des moyens de séparation entre les particules de carbone et le fluide gazeux de transport, - des moyens de transfert des particules de carbone propre, collectées sous forme de poudre de carbone, en vue de leur conditionnement, - des moyens de conditionnement de la poudre de carbone propre, - des moyens de recyclage du fluide gazeux de transport. L'installation sera décrite plus en détail ci-après. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention illustrée d'une manière non limitative aux figures des dessins où : - la figure 1 est une vue à caractère schématique de l'installation selon l'invention. - la figure 2 est une vue à caractère schématique de la centrifugeuse pneumatique. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures des dessins. 2888230 6 Les produits carbonés solides traités sont à base de carbone et de différents minéraux dont certains métalliques. Ils sont par exemple issus de la mise en oeuvre du procédé CHARTHERM tel que décrit dans le brevet Européen précité EP 772.663 ou la demande de brevet français n 05 51335. L'invention vise le traitement de ces produits carbonés, issus de ce procédé dans ses différentes versions, ou de toute autre technologie, en vue de distinguer et de fabriquer, après extraction des particules minérales autres que le carbone, de la poudre de carbone à l'état quasiment pur en vue de l'utiliser pour différentes applications. A cet effet, l'installation comprend des moyens sous forme de trémie (1) susceptible de collecter les produits carbonés solides acheminés jusqu'à elle par des transporteurs et de les présenter vers une première zone (Z1) d'intervention et de traitement matérialisée par l'utilisation d'un broyeur à pression (2), par exemple broyeur pendulaire. Ce broyeur permet de réduire la taille des particules du produit carboné et de briser la structure de la matrice carbone tout essayant de préserver la taille des minéraux autres que le carbone présents dans le produit carboné, ces minéraux étant libérés de la gangue de carbone qui les enrobait, et d'obtenir en sortie du broyeur une distribution granulométrique faiblement dispersée autour de la taille moyenne des particules. Ce broyeur (2) est équipé des composants suivants: une trémie (1) d'alimentation des produits carbonés, une vanne alvéolaire (3) agissant sur le débit d'entrée des produits carbonés dans le broyeur. En outre, ledit broyeur est agencé dans sa partie basse avec un système pneumatique (4) permettant de récupérer les produits résultant du broyage pour les transporter vers le séparateur pneumatique (7) dont la fonction est de réduire la largeur de la distribution en taille des particules sortant du broyeur et de 2888230 7 renvoyer vers le broyeur les particules jugées trop grosses. Le gaz de transport neutre est introduit dans la partie basse du broyeur (4) au moyen d'un ventilateur de soufflage (5) introduit dans un circuit d'air fermé en provenance d'un moyen (6) faisant office de réservoir-poumon. Le séparateur pneumatique (7) présente une canalisation de sortie (8), permettant la circulation du gaz transportant les différentes particules de carbone et autres minéraux. L'acheminement de ces particules de carbone et autres minéraux s'effectue par la canalisation (8) appropriée en étant transportées par les gaz selon le circuit de distribution préétabli jusqu'à une seconde zone dite de centrifugation (Z2). Celle-ci est agencée pour permettre la séparation entre les particules de carbone et les autres particules minérales dont les métaux lourds. La centrifugeuse pneumatique (9), représentée figure 2, comprend ainsi une entrée (9a) d'admission des particules solides en provenance du broyeur et transportées par les gaz, une sortie (9b) des particules de carbone et intérieurement un tambour à déflecteur (9c) dont la rotation provoque la formation d'un coussin d'air torique tournant sur lui-même. En outre, la partie basse de la centrifugeuse est agencée avec un récupérateur (10) pour collecter les particules minérales autres que le carbone. Une dépression est créée au centre de la centrifugeuse par un moyen situé en aval, à savoir un ventilateur principal (23), à travers une boîte à filtres (18) et un cyclone (14). Cette dépression attire les particules orthogonalement de la périphérie vers le centre. Les particules les plus 2888230 8 lourdes, autrement dit les particules constituées de minéraux autres que le carbone, en traversant le coussin d'air formé par la rotation du tambour à déflecteurs subissent une accélération centrifuge, directement proportionnelle à leur masse, qui les dévie de leur trajectoire initiale et les projette en périphérie du coussin d'air, vers les parois de la centrifugeuse. Au contact de la paroi, ces particules perdent leur vitesse et tombent, par gravitation, en bas de la centrifugeuse. Leur évacuation se fait à travers une vanne alvéolaire (12) qui assure l'étanchéité entre le circuit du flux de transport et le réservoir de récupération (10) installé sous la centrifugeuse. Les particules de carbone, ayant une densité trop faible pour subir l'influence accélératrice du coussin d'air tournant, ne sont pas déviées de leur trajectoire et vont directement au centre de la centrifugeuse. A ce stade, c'est-à-dire au centre de la centrifugeuse, la dépression créée par le ventilateur principal (23) entraîne les particules de carbone qui sont transportées par le fluide gazeux, à travers le cyclone où à lieu une première séparation entre les particules de carbone et le fluide gazeux. Cependant, l'expérimentation a montré qu'en sortie de l'équipement cyclonique, le gaz de transport pourrait encore véhiculer des particules très fines de carbone. Aussi, en aval de l'équipement cyclonique est prévu un équipement complémentaire constitué d'une boîte à filtres (18), reliée par la canalisation (15). La dépression créée par le ventilateur principal (23) entraîne le flux de gaz à travers la boîte à filtres où à lieu la deuxième séparation entre les particules de carbone et le fluide de transport. Une fois qu'il a traversé les filtres, le gaz de transport est évacué par le ventilateur principal (23) vers le poumon tandis que le carbone accumulé sur les parois des filtres tombe dans le fond de la boîte à filtres sous l'influence des contre-courants cycliques de décolmatage. Les particules de carbone, tombées dans 2888230 9 le fond du cyclone après la première séparation, traversent une vanne alvéolaire (16) et tombent dans un transporteur linéaire (17). On obtient ainsi une certaine masse de poudre de carbone qui sera ensuite acheminée vers un système de conditionnement. La masse de poudre de carbone accumulée en bas de la boîte à filtres passe à travers un alvéolaire (19) et tombe dans le transporteur linéaire précité (17). Le réservoir-poumon (6) qui est donc situé entre le ventilateur de soufflage (5) et le ventilateur d'aspiration (23) est conformé sous forme d'un réservoir. Il entre dans ce réservoir-poumon autant de fluide gazeux qu'il en sort. Ce fluide incorpore de l'azote (6a) pour le démarrage du fonctionnement de l'installation et pour maintenir une atmosphère gazeuse neutre en surpression à composition contrôlée. L'azote est alimentée dans le réservoir poumon à partir d'un générateur d'azote non représenté au dessin. Le circuit de distribution du fluide est donc parfaitement défini et permet une circulation de fluide dans les différentes zones successives (Z1, Z2, Z3) en plus de la dérivation (11) complémentaire du réservoir-poumon à la centrifugeuse facilitant l'introduction des particules dans la centrifugeuse. La partie de canalisation entre le réservoir-poumon (6) et le ventilateur (5) est référencée par (24) et celle entre le ventilateur de soufflage (5) et le broyeur (2) est référencée par (30). Le circuit complet du fluide à partir du réservoir-poumon est défini par les parties de canalisations (24), (30), (31), (8), (13), (15), (28). Ce circuit est un circuit fermé étanche qui ne communique pas avec l'extérieur. Les vannes alvéolaires (3) (12) (16) (19) 2888230 10 assurent l'étanchéité du flux vis-à-vis de l'extérieur et au niveau des entrées et sorties de produit. Accessoirement, pour le contrôle du débit de gaz avant le broyeur (2), il peut être prévu une dérivation (25) incluant une vanne de réglage (26). L'installation fonctionne en continu. Sans sortir du cadre de l'invention, l'appareil de filtration en aval de l'équipement cyclonique peut être agencé avec plusieurs étages de filtration pour affiner au plus le captage des particules de carbone, de sorte que le gaz de transport une fois recyclé puisse être exempt ou quasiment exempt de toute particule. Le procédé selon l'invention permet ainsi de manière nouvelle à partir de la récupération de produits organiques minéralisés par des procédés, comme par exemple le procédé CHARTHERM dans ses différentes variantes, de fabriquer de la poudre de carbone avec un degré de pureté très élevé. La récupération du carbone selon le procédé devient ainsi une source nouvelle de traitement des produits carbonés et de production de poudre de carbone qui se situe dans des zones de coûts très largement compétitifs par rapport aux technologies d'obtention du carbone selon l'art antérieur. Le conditionnement en sacs de la poudre de carbone est un mode possible pour sa distribution. Bien sûr, différents moyens connus peuvent être utilisés pour assurer le conditionnement, le contrôle de poids, l'extraction d'air lors du remplissage du sac, le contrôle de fluidité de la poudre de carbone avec utilisation de systèmes anti-voûte. L'invention apporte un progrès très important et autorise le recyclage 5 et la mise en valeur de ce matériau noble pour d'autres applications. REVENDICATIONS -1- Procédé de fabrication de poudre de carbone, caractérisé en ce qu'il consiste en l'exécution des phases suivantes: - prélèvement d'un produit carboné solide minéralisé et incluant des particules de carbone et des particules d'autres minéraux, et introduction dans un broyeur (2) à pression pour procéder à un écrasement du produit carboné afin de réduire la taille des particules, la force d'écrasement étant réglée de façon à briser la structure de la matrice carbone et à libérer les autres minéraux de la gangue de carbone qui les enrobe tout en essayant de préserver leur taille initiale, et mise en circulation des produits broyés par un fluide ayant une fonction de transport, - évacuation des particules de carbone et des particules des autres minéraux par transport pneumatique vers une zone de centrifugation (Z2) permettant la séparation entre le carbone et les autres minéraux dont les métaux lourds, - opération de centrifugation avec séparation entre les particules de carbone et les autres minéraux sous l'effet de leur différence de densité avec évacuation des particules de carbone transportées par un fluide gazeux vers des moyens de séparation des particules de carbone et du gaz de transport, et collecte des particules des autres minéraux en sortie de la centrifugeuse dans un réservoir de récupération, - opération de séparation des particules de carbone et des gaz de transport à la sortie de la centrifugeuse dans une zone (Z3), lesdits gaz étant recyclés, - évacuation des particules de carbone résultantes sous forme de poudre de carbone en vue de leur conditionnement de stockage et vente, - opération de recyclage du fluide gazeux de transport. -2- Installation de mise en oeuvre du procédé, selon la revendication 1, caractérisée en que qu'elle comprend: - des moyens d'alimentation des produits carbonés et leur transfert dans un broyeur à pression (2), - des moyens autorisant un broyage par pression du produit carboné pourvu de moyens de contrôle des paramètres physiques de ce broyage, - des moyens autorisant l'alimentation continue d'un fluide gazeux de transport, chargé de transporter les particules de carbone et les particules d'autres minéraux et circulation du fluide gazeux de transport selon un circuit fermé continu jusqu'à la séparation des particules de carbone, - des moyens autorisant par séparation centrifuge la séparation entre les particules de carbone et toutes les autres particules minérales dont les métaux lourds, - des moyens de séparation entre les particules de carbone et le fluide gazeux de transport, - des moyens de transfert des particules de carbone propre, collectées sous forme de poudre de carbone, en vue de leur conditionnement, - des moyens de conditionnement de la poudre de carbone propre, - des moyens de recyclage du fluide gazeux de transport. -3- Installation, selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens sous forme de trémie (1) susceptible de collecter les produits carbonés solides acheminés jusqu'à elle par des transporteurs et de les présenter vers une première zone (Z1) d'intervention et de traitement matérialisée par l'utilisation d'un broyeur à pression (2), et en ce que le broyeur (2) est équipé de la trémie (1) d'alimentation en produits carbonés solides, d'une vanne alvéolaire (3) agissant sur le débit d'entrée des produits carbonés solides dans le broyeur, et en ce que ledit broyeur est agencé dans sa partie basse avec un système pneumatique (4) permettant de récupérer les produits résultant du broyage pour les transporter vers le séparateur pneumatique (7), -4- Installation, selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend, en plus du broyeur, un sélecteur pneumatique (7) dont la fonction est de réduire la largeur de la distribution en taille des particules sortant du broyeur et de renvoyer vers le broyeur les particules jugées trop grosses. et en ce que le séparateur pneumatique (7) présente une canalisation de sortie (8), permettant la sortie du produit broyé. -5- Installation, selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que l'acheminement des particules de natures différentes, qui sont transportées par les gaz selon le circuit de distribution préétabli, s'effectue par la canalisation (8) jusqu'à une seconde zone dite de centrifugation (Z2), et en ce que celle-ci est agencée pour permettre la séparation entre les particules de carbone et les autres particules minérales dont les métaux lourds, et en ce que celle-ci comprend une centrifugeuse pneumatique (9), comprenant une entrée (9a) d'admission des particules solides en provenance du broyeur et transportées par les gaz, une sortie (9b) des particules de carbone et intérieurement un tambour à déflecteur (9c) dont la rotation provoque la formation d'un coussin d'air torique tournant sur lui-même, et en ce que la partie basse de la centrifugeuse est agencée avec un récupérateur (10) de particules de minéraux autres que le carbone. -6- Installation, selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen (6) formant réservoir-poumon dont la fonction est de faciliter l'introduction des particules dans la centrifugeuse (9). -7- Installation, selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un ventilateur principal (23) ayant pour fonction de créer une dépression au centre de la centrifugeuse, à travers la boîte à filtres (18) et le cyclone (14), ladite dépression attirant les particules qui entrent dans la centrifugeuse orthogonalement, de la périphérie vers le centre. -8- Installation, selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un tambour à déflecteur dont la rotation a pour fonction de permettre aux particules des minéraux autres que le carbone, ayant une densité supérieure, en traversant le coussin d'air formé par la rotation dudit tambour à déflecteur, de subir une accélération centrifuge, directement proportionnelle à leur masse, en les déviant de leur trajectoire initiale et les projetant en périphérie du coussin d'air, vers les parois de la centrifugeuse au contact desquelles les particules perdent leur vitesse et tombent, par gravitation, dans la partie basse de la centrifugeuse, et en ce que le centre de la centrifugeuse collecte les particules de carbone ayant une densité trop faible pour subir l'influence accélératrice du coussin d'air tournant qui ne sont pas déviées de leur trajectoire. -9- Installation, selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'évacuation des particules minérales autres que le carbone est obtenue par l'incorporation d'une vanne alvéolaire (12) qui assure l'étanchéité entre le circuit du flux de transport et le réservoir de récupération (10) installé sous la centrifugeuse. -10- Installation, selon l'une quelconque des revendications 2, 3, 5 et 8 caractérisée en ce qu'elle comprend un conduit (13) permettant l'acheminement du mélange fluide / particules de carbone issu de la centrifugeuse et sa direction vers un équipement cyclonique (14) qui permet une séparation entre le flux gazeux de transport et les particules de carbone, et en ce qu'en aval de l'équipement cyclonique, l'installation comprend un équipement complémentaire constitué d'une boîte à filtres (18), relié par la canalisation (15), et en ce que la boîte à filtres, constituée d'une enceinte fermée assure une filtration complémentaire avec aspiration du gaz de transport, évacué par le ventilateur principal (23), -11- Installation, selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend une conduite (14a) disposée dans la partie supérieure de cet équipement cyclonique permettant l'évacuation du gaz de transport par une canalisation (15), et en ce que le fond de l'équipement (14) reçoit les particules de carbone d'une certaine densité qui sont récupérées par le biais d'une vanne alvéolaire (16) qui assure l'étanchéité entre le circuit du flux de transport et le transporteur linéaire (17), et en ce que la récupération des particules de carbone s'effectue par un décolmatage périodique des filtres, les particules de carbone étant ensuite acheminées vers le bas de l'appareil de filtration pour être évacuées via une vanne alvéolaire (19) qui assure l'étanchéité entre le circuit du flux de transport et le transporteur linéaire (17). -12- Installation, selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un transporteur (17) qui collecte les particules de carbone issues de l'équipement cyclonique ou de l'appareil de filtration, et des moyens de transfert complémentaires tels que transporteur (20), trémie (21) pour acheminer lesdites particules de carbone dans un moyen de stockage (22) du type sac ou autre. -13- Installation, selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend une autre canalisation (28) qui est reliée au réservoir-poumon autorisant l'évacuation du fluide gazeux exempt des particules de carbone, un ventilateur d'aspiration (23) et accélérateur de circulation de fluide facilitant le recyclage du fluide, et en ce que le ventilateur (23) a pour fonction de participer au fonctionnement du circuit de transport du fluide en facilitant et permettant l'aspiration des gaz à travers la boîte à filtres et le cyclone, créant ainsi une dépression au centre de la centrifugeuse. -14- Installation, selon la revendication 3, caractérisée en ce que le réservoir-poumon (6), qui est situé entre le ventilateur de soufflage (5) et le ventilateur d'aspiration (23), est conformé sous forme d'un réservoir dans lequel entre autant de fluide gazeux qu'il en sort, et en ce que le fluide incorpore de l'azote pour le démarrage du fonctionnement de l'installation et pour maintenir dans le circuit gazeux une atmosphère gazeuse neutre en surpression à composition contrôlée. -15- Installation, selon l'une quelconque des revendications 2 à 14, caractérisée en ce que le circuit complet du fluide, à partir du réservoir- poumon, est défini par les parties de canalisations (24), (30), (31), (8), (13), (15), (28), et en ce que ce circuit est un circuit fermé étanche qui ne communique pas avec l'extérieur, les vannes alvéolaires (3) (12) (16) (19) assurant l'étanchéité du flux vis-à-vis de l'extérieur et au niveau des entrées et sorties de produit. -16- Installation, selon la revendication 15, caractérisée en ce que, pour le contrôle du débit de fluide avant le broyeur (2), elle comporte une dérivation (25) incluant une vanne de réglage (26), afin de régler le débit de fluide gazeux injecté dans le broyeur à pression.