Brevet FR2947542A1 — publié le 20110107

L'invention concerne un procédé de fabrication de clinker de ciment dans une installation, ainsi qu'une installation de fabrication de clinker de ciment en tant que telle. La fabrication de ciment utilise pour sa plus grande part une matière cuite, le clinker, qui est produit à partir de minéraux, dont le constituant essentiel est le carbonate de calcium. L'élaboration du clinker passe par une opération de cuisson qui produit de grandes quantités de dioxyde de carbone, tant par la décomposition du carbonate de calcium que par la combustion du combustible nécessaire à l'opération. La production d'une tonne de ciment dit Portland s'accompagne ainsi de l'émission d'environ 530 kg de CO2 venant de la matière traitée et de 250 à 300 kg de CO2 venant du combustible. Ce dioxyde de carbone est émis dans les fumées, à une concentration inférieure à 30 %, le composant principal des fumées étant de l'azote. Dans ces conditions, le dioxyde de carbone est difficile à isoler et à séquestrer. La fabrication de clinker de ciment utilise le plus souvent un procédé de cuisson, dit en voie sèche, où les matières premières préalablement broyées sous forme d'une farine, sont calcinées dans un four rotatif. Afin de diminuer les besoins énergétiques de l'opération, des échangeurs ont été ajoutés en amont et en aval du four rotatif, et récupèrent directement la chaleur contenue dans les matières et les fumées sortant du four. En amont, c'est un préchauffeur à cyclones dans lequel la matière crue est préchauffée en suspension, et partiellement décarbonatée. En aval, c'est un refroidisseur de clinker dans lequel la matière cuite est refroidie par le soufflage d'air froid. La plupart des installations fonctionnant en voie sèche comportent un réacteur de combustion en bas du préchauffeur, appelé précalcinateur, dans lequel est apportée une part importante du combustible consommé par l'installation, et dans lequel le carbonate de calcium contenu dans la matière en suspension réalise une majeure partie de sa réaction de décarbonatation. Une méthode pour augmenter la concentration du CO2 dans les fumées de combustion consisterait à éviter la dilution du gaz de combustion par de l'azote en utilisant un flux de gaz riche en oxygène pour l'alimentation du précalcinateur. Le volume de fumée généré serait ainsi diminué par rapport à une alimentation traditionnelle à l'air, le flux de gaz dans le précalcinateur devenant toutefois insuffisant pour le bon fonctionnement aéraulique du précalcinateur. Afin de pallier cette contrainte, on peut recycler une partie des fumées du préchauffeur voire du précalcinateur vers le précalcinateur résultant en une augmentation des dépenses thermiques. On connaît ainsi du document EP-1.923.367 un tel procédé où le précalcinateur est alimenté, d'une part, par un gaz riche en oxygène et, d'autre part, par le recyclage d'une partie des fumées produits par le précalcinateur. Certaines installations comportent deux préchauffeurs, l'un qui reçoit les fumées du four et une partie de la matière à traiter avant de conduire lesdites matières vers le précalcinateur, et l'autre qui reçoit les fumées du précalcinateur et l'autre partie des matières à traiter. Comme le précalcinateur reçoit la majeure partie du combustible de l'installation, et comme la majeure partie de la décarbonatation de la matière intervient dans le précalcinateur, plus de 75 % du dioxyde de carbone sont contenus dans les fumées du second préchauffeur. Le but de l'invention consiste, dans une installation du type ci-dessus décrit, c'est-à-dire à deux préchauffeurs, à augmenter fortement la concentration du dioxyde de carbone dans les fumées du second préchauffeur associé au précalcinateur, et ainsi à faciliter la séquestration de la majeure partie du dioxyde de carbone généré dans l'installation. Un autre but de l'invention est de ne pas modifier sensiblement le procédé utilisé habituellement pour la production de clinker de ciment. Un autre but de l'invention est de ne pas modifier sensiblement la consommation thermique de l'installation, et ainsi d'éviter que la recherche de séquestration du dioxyde de carbone s'accompagne d'une augmentation de la production du dioxyde de carbone consécutive à une augmentation de la consommation thermique. L'invention concerne tout d'abord un procédé de fabrication de 5 clinker de ciment dans une installation comprenant : - un premier préchauffeur à cyclones et un second préchauffeur à cyclones destinés à préchauffer respectivement une première et une seconde parties de matière crue, - un précalcinateur utilisant un gaz de combustion pour brûler 10 un combustible, les fumées produites par ledit précalcinateur étant dirigées vers ledit second préchauffeur à cyclones, - un four rotatif, muni d'un brûleur de combustible, les fumées produites par le four rotatif étant dirigées vers le premier préchauffeur à cyclones, - un refroidisseur à clinker par soufflage d'un gaz de refroidissement à travers le clinker au niveau de la sortie dudit four rotatif, procédé dans lequel : - on préchauffe la première partie de matière crue dans le premier préchauffeur à cyclones, - on préchauffe la seconde partie de matière crue dans le second préchauffeur à cyclones, - on précalcine la première partie de matière crue préchauffée et la seconde partie de matière crue préchauffée dans le précalcinateur avant de cuire les matières précalcinées dans le four rotatif et 25 de refroidir les matières cuites dans le refroidisseur à clinker. Selon le procédé conforme à l'invention, le gaz de combustion au précalcinateur contient entre 90 % et 100 % d'oxygène en volume. Selon des caractéristiques optionnelles prises seules ou en combinaison : 30 - le précalcinateur est un lit fluidisé, le gaz de fluidisation étant ledit gaz de combustion ; 15 20 - on mélange le combustible destiné au précalcinateur avec les matières préchauffées avant l'introduction desdites matières préchauffées dans ledit précalcinateur ; - la vitesse de gaz de fluidisation est inférieure à 2 m/s ; - le temps de séjour des matières dans le précalcinateur est supérieur à 1 minute et inférieur à 20 minutes ; - la granulométrie du combustible est supérieure ou égale à 1 mm, en tout ou partie ; - on capte le dioxyde de carbone des fumées en sortie du 10 second préchauffeur à cyclones ; - une partie des fumées du second préchauffeur à cyclones est utilisée comme fluide de transport pneumatique pour des combustibles solides et/ou comme fluide de pulvérisation pour des combustibles liquides ou encore comme fluide de nettoyage dans ledit second préchauffeur. 15 L'invention concerne également une installation de fabrication de clinker de ciment comprenant : - un premier préchauffeur à cyclones et un second préchauffeur à cyclones destinés à préchauffer respectivement une première et une seconde parties de matière crue, 20 - un précalcinateur, les fumées produites par ledit précalcinateur étant dirigées vers ledit second préchauffeur à cyclones, le précalcinateur présentant une entrée pour les matières préchauffées dans ledit premier préchauffeur à cyclones et une entrée pour les matières préchauffées dans le second préchauffeur à cyclones, 25 - un four rotatif muni d'un brûleur de combustibles, les fumées produites par le four rotatif étant dirigées vers le premier préchauffeur à cyclones, ledit four rotatif présentant une entrée pour les matières calcinées dans le précalcinateur, - un refroidisseur à clinker par soufflage d'un gaz de 30 refroidissement au niveau de la sortie dudit four rotatif. L'installation conforme à l'invention comprend des moyens pour alimenter ledit précalcinateur d'un gaz de combustion contenant entre 90 % et 100 % d'oxygène en volume. Selon des caractéristiques optionnelles prises seules ou en combinaison : - le précalcinateur est un lit fluidisé, ledit gaz de combustion étant le gaz de fluidisation ; - l'installation présente en amont dudit précalcinateur des moyens de mélange des matières préchauffées avec un combustible. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée de l'unique figure illustrant un mode de réalisation de l'invention. L'invention concerne un procédé de fabrication de clinker de ciment dans une installation comprenant : - un premier préchauffeur à cyclones 5 et un second 15 préchauffeur à cyclones 7 destinés à préchauffer respectivement une première 4 et une seconde 6 parties de matière crue, - un précalcinateur 1 utilisant un gaz de combustion 9 pour brûler un combustible, les fumées 8 produites par ledit précalcinateur 1 étant dirigées vers ledit second préchauffeur à cyclones 7, 20 - un four rotatif 2, muni d'un brûleur de combustibles, les fumées 18 produites par le four rotatif étant dirigées vers le premier préchauffeur à cyclones 5, - un refroidisseur à clinker 3 par soufflage d'un gaz de refroidissement au niveau de la sortie dudit four rotatif 2. Selon le procédé : - on préchauffe la première partie 4 de matière crue dans ledit premier préchauffeur à cyclones 5, - on préchauffe la seconde partie 6 de matière crue dans ledit second préchauffeur à cyclones 7, - on précalcine la première partie de matière crue préchauffée 41 et la seconde partie de matière crue préchauffée 61 dans le précalcinateur 25 30 1 avant de cuire les matières précalcinées dans le four rotatif et de refroidir les matières cuites dans ledit refroidisseur à clinker. Selon l'invention, le gaz de combustion 9 au précalcinateur 1 présente une concentration en oxygène comprise entre 90 % et 100 %. Avantageusement, le précalcinateur 1 peut être un lit fluidisé 13, le gaz de fluidisation étant ledit gaz de combustion. La vitesse du gaz de fluidisation peut être inférieure à 2 m/s. Ainsi, les faibles vitesses de gaz régnant dans le lit fluidisé, plus faibles que dans les précalcinateurs de l'état de l'art dits à flux entraîné, permettent de réaliser la précalcination sans recyclage des fumées. Le temps de séjour des matières dans le précalcinateur peut être supérieur à 1 minute et inférieur à 20 minutes. Ce temps de séjour est bien supérieur au temps de séjour des matières desdits précalcinateurs à flux entraînés de l'état de l'art. Ces longs temps de séjour permettront notamment d'utiliser des combustibles de granulométrie supérieure ou égale à 1 mm, combustibles à moindre coût en comparaison des combustibles de granulométrie bien inférieurs utilisés dans les précalcinateurs à flux entraînés des installations de l'état de l'art. Ce combustible 10 destiné au précalcinateur 1 peut être mélangé avec les matières préchauffées. Plus particulièrement selon l'exemple de la figure 1, le combustible 10 est mélangé avec la première partie 61 des matières préchauffées avant l'introduction desdites matières préchauffées 61 dans le précalcinateur 1. Le combustible 10 est ainsi mélangé à la matière avant introduction dans le lit fluidisé. Ainsi, la combustion s'opère de façon répartie et la chaleur générée par la combustion est consommée au fur et à mesure de sa production dans la réaction de décarbonatation de la matière, de telle sorte que la température reste dans le domaine défini par la réaction de décarbonatation, c'est-à-dire à une valeur inférieure à 950 °C. La quantité de la première partie 6 de matière (farine) introduite dans le second préchauffeur 7 est adaptée à la quantité de fumée de telle sorte que l'on obtient un fonctionnement aéraulique convenable dans ledit second préchauffeur 7. A titre d'exemple non limitatif, la première partie 4 des matières crues représente environ 60 à 70 % de la matière crue et la seconde partie des matières crues 6 de 30 à 40 % de la matière crue. Afin d'obtenir un fonctionnement aéraulique convenable dans le premier préchauffeur à cyclones 5, une partie de l'air réchauffé par les matières cuites dans ledit refroidisseur à clinker 3 peut être conduite dans le premier préchauffeur à cyclones 5 notamment via la conduite 12. On capte le dioxyde de carbone des fumées 11 en sortie du second préchauffeur à cyclones 7. La concentration en dioxyde de carbone est 10 largement supérieure à 75 % (en volume). Une partie des fumées 11 du second préchauffeur à cyclones 7 peut être utilisée comme fluide de transport pneumatique pour des combustibles solides et/ou comme fluides de pulvérisation pour des combustibles liquides ou encore comme fluides de nettoyage dans ledit 15 second préchauffeur 7. L'invention concerne également une installation de fabrication de clinker de ciment convenant notamment pour la mise en oeuvre du procédé. Cette installation comprend : - un premier préchauffeur à cyclones 5 et un second 20 préchauffeur à cyclones 7 destinés à préchauffer respectivement une première partie 4 et une seconde 6 partie de matière crue, - un précalcinateur 1, des fumées 8 produites par ledit précalcinateur 1 étant dirigées vers ledit second préchauffeur à cyclones 7, ledit précalcinateur 1 présentant une entrée 20 pour la matière préchauffée 25 dans ledit premier préchauffeur à cyclones 5 et une entrée 30 pour la matière préchauffée dans ledit second préchauffeur à cyclones 7, - un four rotatif 2 muni d'un brûleur de combustibles, les fumées 18 produites par le four rotatif 2 étant dirigées vers le premier préchauffeur à cyclones 5, ledit four rotatif 2 présentant une entrée 40 pour les 30 matières calcinées dans ledit précalcinateur 1, - un refroidisseur à clinker 3 par soufflage d'un gaz de refroidissement au niveau de la sortie dudit four rotatif 2. Selon l'invention, l'installation comprend des moyens 90 pour alimenter le précalcinateur 1 d'un gaz de combustion 9 contenant entre 90 % et 100 % d'oxygène en volume. Le précalcinateur 1 peut être un lit fluidisé 13, le gaz de combustion 9 étant le gaz de fluidisation. L'installation peut présenter en amont du précalcinateur 1 des moyens 100 de mélange des matières préchauffées avec un combustible. Selon l'exemple de la figure 1, une conduite 12 peut permettre d'acheminer une partie de l'air réchauffé par la matière cuite dans ledit refroidisseur à clinker 3 vers le premier préchauffeur à cyclones 5 afin de maintenir un flux suffisant audit premier préchauffeur 5. Nous décrivons maintenant en détail un exemple chiffré d'une installation conforme à l'invention. L'installation de fabrication de clinker considérée est une unité de production de clinker de taille moyenne représentative de la capacité d'un grand nombre d'unités existantes, et qui produit 4.000 tonnes par jour de clinker à partir d'un débit de matière crue de 270 tonnes par heure. Selon une mise en oeuvre préférée de cet exemple, son fonctionnement est décrit comme suit. L'installation consomme 3.200 kJ/kg de clinker, ce qui est une valeur de consommation habituelle. Le combustible est du coke de pétrole. Au four, on consomme 35,2 % du combustible, que l'on brûle avec 59.670 Nm3/h d'air dit second aire à 1180 °C produit dans ledit refroidisseur à clinker. On dirige les fumées ainsi produites dans un préchauffeur (premier préchauffeur 5) à cinq étages de cyclones où l'on alimente 63,7 % de la farine, soit 172 t/h. On dirige également dans le premier préchauffeur 5 un débit de 76.830 Nm3/h d'air chaud à 400 °C en provenance du refroidisseur, via la conduite 12. Le total des gaz circulant dans le premier préchauffeur 5 permet d'assurer un rapport massique entre la matière et le gaz de 0,8 kg/kg, et d'obtenir un fonctionnement aéraulique convenable. Les fumées s'échappent à 280 °C du préchauffeur. La décarbonatation de la matière est réalisée dans un précalcinateur 1 qui fonctionne en lit fluidisé, et reçoit 64,8 % du combustible. La combustion est assurée par de l'oxygène pur à 98 %, qui assure en même temps la fonction de gaz de fluidisation pour le lit fluidisé. Le débit d'oxygène est 22000 Nm3/h. Le débit de fumées, généré par la combustion du combustible et par la décarbonatation des matières, soit 64000 Nm3/h, est dirigé dans un préchauffeur à cyclones (second préchauffeur à cyclones 7) qui reçoit 36,3 0/0 de la farine soit 98 t/h. Le rapport massique entre la matière et les fumées est de 0,8 kg/kg ce qui assure un fonctionnement aéraulique convenable et un échange thermique optimal. Les fumées quittent le second préchauffeur 7 à 300 °C. La composition des fumées émise par le second préchauffeur 7 est (en volume) : CO2 : 86,5 %, N2:1,0% 02;2,9% - Fi2O : 9,6 % Ces fumées contiennent 0,651 kg de CO2 par kg de clinker, soit 75,1 % de la quantité totale générée dans l'unité de cuisson, c'est-à-dire un débit de 108.500 kg/h de CO2 sous une forme concentrée. La teneur en CO2 après condensation de l'eau atteint 95,7 %. Naturellement, d'autres modes de mise en oeuvre de 25 l'invention auraient pu être envisagés par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de clinker de ciment dans une installation comprenant : - un premier préchauffeur à cyclones (5) et un second 5 préchauffeur à cyclones (7) destinés à préchauffer respectivement une première (4) et une seconde (6) parties de matière crue, - un précalcinateur (1) utilisant un gaz de combustion (9) pour brûler un combustible, les fumées (8) produites par ledit précalcinateur (1) étant dirigées vers ledit second préchauffeur à cyclones (7), 10 - un four rotatif (2), muni d'un brûleur de combustible, les fumées (18) produites par le four rotatif (2) étant dirigées vers le premier préchauffeur à cyclones (5), - un refroidisseur à clinker (3) par soufflage d'un gaz de refroidissement à travers le clinker au niveau de la sortie dudit four rotatif (2), 15 procédé dans lequel : - on préchauffe la première partie (4) de matière crue dans ledit premier préchauffeur à cyclones (5) - on préchauffe la seconde partie (6) de matière crue dans ledit second préchauffeur à cyclones (7), 20 - on précalcine la première partie de matière crue préchauffée (41) et la seconde partie de matière crue préchauffée (61) dans le précalcinateur (1) avant de cuire les matières précalcinées dans le four rotatif (2) et de refroidir les matières cuites dans ledit refroidisseur à clinker (3), caractérisé en ce que ledit gaz de combustion (9) au précalcinateur (1) contient 25 entre 90% et 100% d'oxygène en volume. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le précalcinateur (1) est un lit fluidisé (13), le gaz de fluidisation étant ledit gaz de combustion. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on mélange le 30 combustible (10) destiné au précalcinateur (1) avec les matières préchauffées (61) avant l'introduction desdites matières préchauffées (61) dans leditprécalcinateur (1). 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la vitesse du gaz de fluidisation est inférieure à 2m/s. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 5 dans lequel le temps de séjour des matières dans le précalcinateur (1) est supérieur à 1 minute et inférieur à 20 minutes. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la granulométrie du combustible est supérieure ou égale à 1 mm, en tout ou partie. 10 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel on capte le dioxyde de carbone des fumées (11) en sortie du second préchauffeur à cyclones (7). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel une partie de l'air réchauffé par les matières cuites dans ledit refroidisseur à 15 clinker (3) est conduite dans ledit premier préchauffeur à cyclones (5). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel une partie des fumées (11) dudit second préchauffeur à cyclones (7) est utilisée comme fluide de transport pneumatique pour des combustibles solides et/ou comme fluide de pulvérisation pour des combustibles liquides ou encore 20 comme fluide de nettoyage dans ledit second préchauffeur (7). 10. Installation de fabrication de clinker de ciment comprenant : - un premier préchauffeur à cyclones (5) et un second préchauffeur à cyclones (7) destinés à préchauffer respectivement une 25 première (4) et une seconde (6) parties de matière crue - un précalcinateur (1), les fumées (8) produites par ledit précalcinateur (1) étant dirigées vers ledit second préchauffeur à cyclones (7), le précalcinateur (1) présentant une entrée (20) pour les matières préchauffées dans ledit premier préchauffeur à cyclones (5) et une entrée (30) pour les 30 matières préchauffées dans le second préchauffeur à cyclones (7), - un four rotatif (2), muni d'un brûleur de combustible, lesfumées (18) produites par le four rotatif (2) étant dirigées vers le premier préchauffeur à cyclones (5), ledit four rotatif (2) présentant une entrée (40) pour les matières calcinées dans ledit précalcinateur (1), - un refroidisseur à clinker (3) par soufflage d'un gaz de refroidissement au niveau de la sortie dudit four rotatif (2), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (90) pour alimenter ledit précalcinateur (1) d'un gaz de combustion (9) dont la concentration en oxygène est comprise entre 90% et 100%. 11. Installation selon la revendication 10 dans laquelle le précalcinateur (1) est un lit fluidisé (13), ledit gaz de combustion (9) étant le gaz de fluidisation. 12. Installation selon la revendication 11, présentant, en amont dudit précalcinateur (1), des moyens (100) de mélange des matières préchauffées avec un combustible (10).