Brevet FR2910777A1 — publié le 20080627

PROCEDE DE TRAITEMENT THERMIQUE DE MATERIAUX PULVERULENTS La présente invention concerne un procédé de traitement thermique, et plus particulièrement de chauffage, de produits et matériaux pulvérulents et de poudres employés dans l'industrie, en particulier dans les industries chimiques, et le bâtiment par exemple. Le réchauffage en continu de produits pulvérulents dans l'industrie est un domaine très large dominé par des équipements mécaniques encombrants tels que fours rotatifs et lits fluidisés qui utilise une action externe (rotation, vibration) pour faire avancer et pour brasser des particules des poudres lors de leur monté en température. Il existe également des techniques d'avancement mécanique qui agissent directement sur le produit tel que vis d'Archimède ou fours à bande. Les sources de chauffage dans pratiquement tous ces cas sont des combustibles fossiles tels que le fioul lourd ou le gaz naturel. Le chauffage de produits pulvérulents est plus difficile que le chauffage de liquides car il faut brasser ces produits lors de leur monté en température afin de réduire leur temps de chauffage. Un appareil typique pour réaliser cette opération est un four rotatif qui brasse le lit de produit par la rotation du cylindre. Un lit fluidisé obtient le même résultat en passant un courant d'air à travers le produit afin de le rendre fluide et pour améliorer ainsi ses coefficients d'échange interne de chaleur. Des systèmes vibrants permettent de fluidiser un produit pulvérulent, mais avec des coefficients d'échange globaux qui se situe entre les fours rotatifs et les lits aéro-fluidisés. Les températures obtenues avec les fours rotatifs peuvent être élevées si l'intérieur du cylindre est revêtu de matériaux adéquats de type briques réfractaires. Mais dans ce cas l'appareil devient très lourd et encombrant car le cylindre qui est en rotation ne doit pas céder sous l'effet 2910777 2 du poids ni de la température. Un exemple typique de ces fours est un four de cimenterie. Un lit fluidisé peut être utilisé pour obtenir des hautes températures, au niveau même de la combustion comme dans le l'exemple d'un brûleur à 5 lit fluidisé dans une centrale électrique où le produit à chauffer est le combustible lui-même Ces dispositifs sont encombrants et nécessitent un deuxième système capable de fournir l'énergie nécessaire pour le chauffage du produit, soit sous forme d'un générateur d'air chaud, soit des brûleurs en contact direct 10 avec le produit ou la surface chauffante. Le rendement est souvent faible car de grosses quantités d'air sont mises en jeu et rejetées après le traitement. Des investissements supplémentaires sont nécessaires pour récupérer cette chaleur (échangeurs haut température etc.) Le but de l'invention est d'obtenir un procédé capable de permettre 15 le traitement de n'importe quelles matériaux pulvérulents et poudres, même les plus fins à des températures allant jusqu'à 1600 C à 2000 C sans les inconvénients des systèmes de chauffages traditionnels évoqués ci-avant. Ce but est atteint selon un premier aspect de l'invention grâce à un procédé de traitement thermique de produits pulvérulents, en particulier de 20 poudres, caractérisé en ce que l'on chauffe lesdits produits jusqu'à une température d'au moins 700 C dans un tube à passage de courant disposé de façon inclinée par rapport à un plan horizontal, et de préférence sensiblement verticalement par rapport à ce plan, lesdits produits s'écoulant dans ledit tube essentiellement par gravité. 25 Le procédé de l'invention est donc basé sur l'utilisation du tube à passage de courant statique qui permet de chauffer les parois du tube par le passage d'un courant électrique adapté. La température obtenue sur le tube dépend de la quantité de courant qui parcourt le tube et la nuance de l'alliage utilisé. 2910777 3 Selon le procédé de l'invention, on chauffe lesdits produits dans ledit tube jusqu'à une température d'au plus 2000 C, et de préférence une température comprise entre 800 C et 1600 C. Le tube est placé verticalement ou de façon inclinée et la poudre est versée simplement au 5 débit souhaité. Par l'action de la pesanteur le produit ressort en bas du tube après avoir été chauffé très fortement. Le procédé de traitement thermique selon l'invention est particulièrement avantageux au regard des procédés connus de l'état de la technique. En effet, il permet d'atteindre des températures de traitement 10 des poudres très élevées, ce qui permet de réduire considérablement les temps de traitements (de chauffage) de quelques dizaines de minutes dans les fours tournants ou vibrants à quelques secondes avec le procédé de l'invention. De plus, ce nouveau procédé permet de traiter n'importe quelle 15 poudres et produits pulvérulents en s'affranchissant des problèmes habituels de collage et d'effet de peau rencontrés avec les poudres de très faibles granulométrie, c'est-à-dire inférieures à 10 m et ce avec des débits de traitements et un rendement énergétique élevés, dans un encombrement réduit en raison de la simplicité du dispositif de traitement à mettre en 20 oeuvre. Selon l'invention, on chauffe lesdits produits dans ledit tube essentiellement par rayonnement, ledit tube étant relié et alimenté directement par un dispositif d'alimentation électrique permettant d'échauffer les parois dudit tube par effet Joule. 25 Selon le type de produit traité et les caractéristiques du tube à passage de courant utilisé pour mettre en oeuvre le procédé, la puissance électrique d'alimentation dudit tube est comprise entre 10 kilowatts et 5 mégawatts. 2910777 4 De façon avantageuse, on peut également réguler la température desdits produits traités à l'intérieur dudit tube par régulation de la puissance électrique d'alimentation dudit tube. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, lesdits 5 produits sont introduits dans ledit tube par l'intermédiaire d'un dispositif d'injection comprenant une vanne alvéolaire isolée dudit tube par injection de gaz froid entre ladite vanne et ledit tube. Avantageusement, on fait circuler, en particulier si le tube est incliné, un gaz à co-courant ou à contre-courant desdits produits traités 10 dans ledit tube au cours du chauffage desdits produits. Conformément au procédé de l'invention, le débit desdits produits traités à l'intérieur dudit tube à passage de courant est compris entre 0,01 tonnes/heure et 10 tonnes/heures, en fonction de la nature des produits traités et de la température de chauffage desdits produits souhaitée, et le 15 temps de séjour moyen des produits dans le tube est compris entre 0,5 seconde et 2 minutes. Un autre aspect de l'invention consiste à fournir un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, ce dispositif comportant un dit tube à passage de courant disposé de façon inclinée par rapport à un 20 plan horizontal, et de préférence sensiblement verticalement par rapport à ce plan, un dispositif d'alimentation électrique dudit tube, et un dispositif d'injection de dits matériaux pulvérulents dans ledit tube agencé de façon à ce que lesdits produits introduits dans ledit tube par ledit dispositif d'injection s'écoulent dans ledit tube essentiellement par gravité. 25 Un tel dispositif est particulièrement avantageux car il présente une occupation au sol négligeable par rapport aux fours rotatifs utilisés dans l'état de la technique, ainsi qu'un coût d'investissement très inférieur, sans compter une facilité de mise en oeuvre particulièrement importante. 2910777 5 Des caractéristiques préférées de ce dispositif résident notamment dans le fait que: - ledit tube à passage de courant est incliné d'un angle oc compris entre 30 et 90 par rapport au dit plan horizontal (P); 5 - ledit dispositif d'injection comporte une vanne alvéolaire et des moyens d'injection de gaz entre ladite vanne et ledit tube de manière à isoler thermiquement ladite vanne dudit tube; - il comporte en outre des moyens d'injection de gaz à l'intérieur dudit tube de manière à faire circuler un dit gaz à co-courant ou à contre- 10 courant des produits injectés dans ledit tube par ledit dispositif d'injection. - il comporte des moyens de régulations de la puissance électrique délivrée par ledit dispositif d'alimentation au dit tube. En outre, de préférence, ledit tube à passage de courant est relié au dit dispositif d'alimentation électrique en une pluralité de points de 15 raccordement régulièrement répartis sur toute la longueur dudit tube. On obtient de la sorte un procédé et un système de chauffage très puissants (jusqu'à plusieurs mégawatts d'énergie électrique injectée) pour un encombrement très faible et avec une très grande simplicité de mise en oeuvre grâce à l'absence de tout système mécanique et thermique. Tout type 20 de produit pulvérulent homogène et non colmatant peut être traité. De surcroît, selon une caractéristique préférée du dispositif de l'invention, ledit tube à passage de courant est constitué d'un matériau métallique amagnétique tel que les alliages d'acier inoxydables; l'inconel; le monel; le nickel; les alliages de fer, le chrome et l'aluminium. En variante, 25 pour atteindre notamment de très haute température, le tube peut être constitué de céramiques conductrices, par exemple à base de carbure de silicium. 2910777 6 Avantageusement, pour que le procédé de l'invention puisse facilement être mis en oeuvre, ledit tube à passage de courant présente en outre une longueur comprise entre 5 et 50 mètres et un diamètre compris entre 20 et 220 millimètres. 5 D'autres caractéristiques de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre non limitatif en référence à la figure unique annexée, représentant un dispositif de chauffage de produits pulvérulents permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention dans un mode préféré de réalisation. 10 Ce dispositif comporte un tube à passage de courant 5 de préférence suspendu ou soutenu par des étais pour être installé avec un angle oc compris entre 30 C et 90 (vertical) par rapport à un plan P horizontal correspondant au sol ou plus généralement au plan d'édification du dispositif. Lorsque, comme dans l'exemple représenté, le tube 5 est disposé 15 totalement vertical par rapport au plan P, cela facilite l'écoulement du produit traité dans le tube jusqu'à la sortie 7 de celui-ci et permet d'obtenir de très bons débits de traitement, l'avantage d'une disposition plus inclinée, jusqu'à par exemple un angle de 30 étant la réduction de la hauteur totale du dispositif. 20 Le tube à passage de courant 5 est raccordé électriquement par des lignes 61 à un dispositif d'alimentation électrique 6 capable de délivrer une tension d'alimentation comprise entre 1 V et 500 V. de façon préférée, les lignes 61 sont raccordées de façon régulière sur toute la longueur du tube 5 afin d'obtenir une distribution homogène d'énergie électrique dans le tube 25 5 et un échauffement uniforme des parois de celui-ci par effet Joule, la puissance électrique injectée dans le tube par le dispositif d'alimentation 6 pouvant varier entre 10 kW et 5 MW en fonction de la longueur et de la résistivité du tube 5. Des régulateurs de puissance (non représentés) permettent de moduler la quantité d'énergie injectée dans le tube 5, et de réguler la 2910777 7 température d'échauffement de celui-ci, laquelle peut être portée jusqu'à 1600 C à 2000 C selon la nature du tube 5. Le tube 5 est de préférence réalisé d'un alliage métallique amagnétique pour éviter l'effet de peau, où la concentration de courant sur 5 la surface extérieure du tube, un phénomène particulièrement perturbant avec les très forts courants injectés dans le tube. De façon la plus simple, le tube à passage de courant 5 est constitué d'acier inoxydable dans un diamètre couramment disponible. Ce diamètre est pratiquement choisi en fonction du produit traité, du débit souhaité et du temps de séjour dans le 10 tube. Le procédé et le dispositif de traitement thermique de l'invention permettant de traiter, selon les premiers essais réalisés, tout type de produit pulvérulent et de poudres à des débits compris entre 10 kg/h et 10 T/h, les diamètres de tube 5 utilisés peuvent varier entre 20mm et 220mm 15 pour des longueurs de tubes comprises entre 10m a 50m A titre d'exemple, on peut employer un tube DN50 (0ext 60,3 x 2,9 mm d'épaisseur) pour le chauffage d'une poudre d'oxyde de zinc de masse volumique =1200 kg/m3 à un débit de 1 T/h, ou un tube DN65 (0ext 76 x 2,9 mm d'épaisseur) pour le chauffage d'une poudre d'oxyde de nickel de 20 masse volumique =450 kg/m3 à un débit de 1,5 T/h d'oxyde de nickel densité 0,45 kg/l. A l'extrémité supérieure du tube 5 est situé une trémie 2 de réception du produit à traiter 1 et un dispositif d'injection dudit produit 1 dans le tube 5 comportant vanne alvéolaire 3 et des moyens d'injection de gaz 25 froid 4 entre ladite vanne 3 et l'entrée du tube 5. Ce gaz peut être un gaz réactif, de l'air comprimé, ou un gaz inerte et permet d'isoler thermiquement et de protéger la vanne alvéolaire contre la chaleur dégagée par la température élevée du tube 5 en fonctionnement. De façon complémentaire, il est également possible de prévoir, 30 comme représenté sur la figure, des moyens d'injection et/ou d'aspiration 2910777 8 de gaz 8, 9 au niveau de l'extrémité supérieure et de l'extrémité inférieure du tube 5 de manière à injecter et faire circuler un dit gaz, qui peut être identique au gaz de refroidissement, à co-courant ou à contre-courant du produit traité dans le tube. 5 Une telle circulation de gaz à co- ou contre-courant permet plusieurs possibilités telles que l'évacuation d'effluents gazeux, l'inertage du dispositif ou la mise en contact avec un gaz réactif. Un exemple de traitement thermique susceptible d'être mené à bien conformément au procédé de l'invention concerne le frittage d'oxydes 10 métalliques tels que l'oxyde de nickel. Ce produit se présente sous forme d'une poudre dont la densité est de l'ordre de 0,3 kg/l avec une taille de particules d'environ 51um. La surface spécifique mesurée de ces poudres est de l'ordre de 20m2/g. Or leur utilisation dans l'industrie, notamment pour des opérations 15 de revêtement, nécessite une réduction de la surface spécifique à environ 5m2/g et une réduction de la masse volumique à environ 0,45 kg/l. Pour obtenir ce résultat, la poudre doit être chauffée à une température supérieure à 800 C pendant une courte durée de temps. Ce chauffage peut être réalisé conformément au procédé de 20 l'invention dans un tube à passage de courant vertical 5 tel que représenté sur la figure unique ci-jointe par exemple constitué d'Inconel avec un diamètre de 60 mm pour une longueur de 12 m. La poudre d'oxyde de nickel est introduite dans le tube 5, disposé verticalement, à un débit de 200 kg/h et est chauffé à une température de 25 l'ordre de 1000 C atteinte de façon très rapide, c'est-à-dire avec un temps de séjour de quelques secondes à l'intérieur du tube 5, et en pratique inférieur à 10 secondes. 2910777 9 Durant la circulation des poudres dans le tube 5, un faible cocourant d'azote permet de dégager les effluents gazeux dégagés par le chauffage des poudres, sans perturber le fonctionnement global du dispositif. 5 A la sortie 7 du tube de chauffage on récupère les poudres d'oxyde de nickel après chauffage avec une surface spécifique et une masse volumique satisfaisantes pour leur utilisation. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement thermique de produits pulvérulents (1), en particuliers de poudres, caractérisé en ce que l'on chauffe lesdits produits jusqu'à une température d'au moins 700 C par circulation desdits produits dans un tube à passage de courant (5) disposé de façon inclinée par rapport à un plan horizontal (P), et de préférence sensiblement verticalement par rapport à ce plan, lesdits produits s'écoulant dans ledit tube essentiellement par gravité. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on chauffe lesdits produits (1) dans ledit tube (5) jusqu'à une température d'au plus 2000 C, et de préférence une température comprise entre 800 C et 1600 C. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit tube à passage de courant (5) est incliné d'un angle oc compris entre 30 et 90 par rapport au dit plan horizontal (P). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on chauffe lesdits produits dans ledit tube (5) essentiellement par rayonnement, ledit tube étant relié et alimenté directement par un dispositif d'alimentation électrique (6) permettant d'échauffer les parois dudit tube par effet Joule. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la puissance électrique d'alimentation dudit tube (5) est comprise entre 10 kilowatts et 5 mégawatts. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel on régule la température desdits produits traités à l'intérieur dudit tube par régulation de la puissance électrique d'alimentation dudit tube. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel lesdits produits (1) sont introduits dans ledit tube (5) par l'intermédiaire d'un dispositif d'injection comprenant une vanne alvéolaire (3) isolée dudit 2910777 11 tube (5) par injection (4) de gaz froid entre ladite vanne (3) et ledit tube (5). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel on fait circuler un gaz à co-courant ou à contre-courant desdits produits 5 traités dans ledit tube (5) au cours du chauffage desdits produits. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le débit desdits produits traités à l'intérieur dudit tube à passage de courant est compris entre 0,01 tonnes/heure et 10 tonnes/heures, en fonction de la nature des produits traités et de la température de chauffage desdits 10 produits souhaitée. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé des revendications 1 à 9, comportant un dit tube à passage de courant (5) disposé de façon inclinée par rapport à un plan horizontal (P), et de préférence sensiblement verticalement par rapport à ce plan, un dispositif 15 d'alimentation électrique dudit tube (6), et un dispositif d'injection de dits matériaux pulvérulents dans ledit tube agencé de façon à ce que lesdits produits introduits dans ledit tube par ledit dispositif d'injection s'écoulent dans ledit tube essentiellement par gravité. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel ledit tube à 20 passage de courant (5) est incliné d'un angle oc compris entre 30 et 90 par rapport au dit plan horizontal (P). 12. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, dans lequel ledit tube à passage de courant (5) est relié au dit dispositif d'alimentation électrique (6) en une pluralité de points de raccordement régulièrement 25 répartis sur toute la longueur dudit tube. 13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel ledit dispositif d'injection comporte une vanne alvéolaire et des moyens d'injection de gaz entre ladite vanne et ledit tube de manière à isoler thermiquement ladite vanne dudit tube. 2910777 12 14. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, comportant en outre des moyens d'injection de gaz à l'intérieur dudit tube de manière à faire circuler un dit gaz à co-courant ou à contre-courant des produits injectés dans ledit tube par ledit dispositif d'injection. 5 15. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, comportant des moyens de régulations de la puissance électrique délivrée par ledit dispositif d'alimentation au dit tube. 16. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 15, dans lequel dit tube à passage de courant (5) constitué d'un matériau métallique 10 amagnétique. 17. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 15, dans lequel ledit tube à passage de courant (5) est constitué de céramiques conductrices. 18. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 17; dans lequel 15 ledit tube à passage de courant présente une longueur comprise entre 5 et 50 mètres. 19. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 18, dans lequel ledit tube à passage de courant présente un diamètre compris entre 20 et 220 millimètres. 20