TITRE : ENSEMBLE DE CALCINATION POUR LA DECARBONATATION DES MATIERES CRUES

ET PROCÉDÉ DE PRODUCTION DE CLINKER

Domaine technique de l'invention

L'invention concerne un ensemble de calcination destiné à décarbonater des matières crues pour la production de clinker.

Arrière-plan technique La fabrication de ciment utilise pour sa plus grande part une matière cuite, le clinker, qui est produite à partir de minéraux dont le constituant essentiel est le carbonate de calcium.

Le clinker est produit à partir d’un mélange de matières minérales crues extraites de gisements naturels, parmi lesquels notamment l’argile, source d’aluminosilicates, et le calcaire, source de carbonate de calcium. Ces minéraux sont successivement mélangés, séchés, broyés, préchauffés, décarbonatés puis cuits et partiellement fondus dans un four rotatif jusqu’à une température d’environ 1500°C, puis le clinker ainsi formé est refroidi.

Le ciment est obtenu en broyant finement un mélange composé majoritairement de clinker. Dans le procédé de fabrication du clinker, les matières crues sont calcinées dans un ensemble de calcination afin d’en extraire le dioxyde de carbone, c’est la décarbonatation. La calcination nécessite un combustible, qui représente un coût de fonctionnement important. Afin de réduire ces coûts de fonctionnement, il est d’usage d’introduire des combustibles alternatifs. Ces derniers se distinguent des combustibles traditionnels à savoir, le charbon et les hydrocarbures. Un exemple de combustible alternatif est du pneu déchiqueté en lamelles.

Par leur nature et leurs dimensions, les combustibles alternatifs se consument parfois difficilement. Ceci ayant pour conséquence de nuire à la qualité du clinker, donc du ciment produit, et à la stabilité de fonctionnement de la ligne de cuisson. Les producteurs de ciment sont ainsi contraints de limiter les quantités utilisées des combustibles alternatifs dans la ligne de cuisson, afin d’éviter que ne se produisent ces phénomènes. Une alternative pour les producteurs de ciment est de déchiqueter les combustibles alternatifs avant utilisation, pour en réduire fortement les dimensions. Ces opérations sont coûteuses pour plusieurs raisons, parmi lesquelles, le caractère énergivore des déchiqueteurs et leur maintenance notamment. Des fabricants de cimenterie ont tenté de résoudre ce problème. Parmi ces tentatives, l’une d’entre elle consiste à augmenter le temps de résidence du combustible alternatif dans l’objectif qu’il se consume complètement. Selon cette solution, un ensemble de calcination comporte une gaine principale dans laquelle circulent les matières crues et une gaine d’alimentation en combustible alternatif débouchant dans la gaine principale. La gaine d’alimentation comporte une série de marches descendantes sur lesquelles le combustible alternatif repose et se consume tandis qu’il se déplace dans la gaine d’alimentation en direction de la gaine principale. En fin de parcours, c’est-à-dire à la jonction avec la gaine principale, le combustible alternatif tombe dans la gaine principale où il est charrié par les gaz transportant les matières crues. En dépit du fait que cette solution technique procure une certaine amélioration de la qualité du clinker, elle demeure perfectible.

Un inconvénient de cette solution technique réside dans le fait que le gaz comburant, ne fait que « lécher » le combustible alternatif par le dessus. La combustion est alors dégradée.

Un autre inconvénient réside dans le fait que malgré un temps de résidence plus long du combustible alternatif dans la gaine d’alimentation, du combustible alternatif non consumé est retrouvé dans les matières crues.

L’invention vise à remédier aux inconvénients précités. Résumé de l'invention

A cet effet, il est proposé en premier lieu un ensemble de calcination apte à décarbonater des matières crues destinées à la production de clinker, l’ensemble comprenant : - un conduit principal dans lequel les matières crues circulent selon un premier sens de déplacement, les matières crues étant calcinées dans le conduit principal, le conduit principale comportant un renfoncement,

- un conduit d’alimentation de combustible solide débouchant sur le conduit principal par une sortie combustible, la sortie de combustible débouchant dans le renfoncement, le combustible solide se déplaçant selon un deuxième sens de déplacement,

- un dispositif de retenue situé dans le renfoncement du conduit principal et agencé en regard de la sortie de combustible solide de sorte que ledit combustible solide arrivant dans le conduit principal par la sortie combustible est envoyé vers ledit dispositif de retenue, ensemble dans lequel, le dispositif de retenue comporte des éléments de retenue et des passages séparant deux éléments de retenue adjacents. L’ensemble de calcination comportant un dispositif de retenue ainsi agencé présente plusieurs avantages. Un premier avantage est que les gaz chauds transportant les matières crues dans le conduit principal, traversent le dispositif de retenue, et donc passent au travers du combustible solide, ce qui améliore significativement la combustion des combustibles solides. Un autre avantage est que le combustible solide se consume sur le dispositif de retenue, ce qui évite que du combustible solide soit retrouvé dans les matières crues et par la suite dans le clinker. Le taux d’utilisation des combustibles solides peut ainsi être augmenté tout en garantissant la qualité du clinker et la stabilité de la ligne de cuisson.

Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :

- le conduit principal comporte une paroi latérale, ladite paroi latérale définissant une portion d’entrée présentant une section d’entrée, et une portion élargie présentant une section élargie supérieure à la section d’entrée et une portion de sortie présentant une section de sortie inférieure à la section élargie, le renfoncement étant située dans la portion élargie entre deux points s’étendant selon le premier sens de déplacement des matières crues ;

- le conduit principal comporte une portion rétrécie présentant une section rétrécie inférieure à la section d’entrée, la portion rétrécie se situant en amont de la portion élargie et en aval de la portion d’entrée, selon le premier sens de déplacement des matières crues ;

- le dispositif de retenue de combustible est apte à retenir du combustible solide dont l’une des dimensions est au moins égale à une valeur déterminée ;

- deux éléments de retenue adjacents sont espacés l’un de l’autre d’une distance comprise entre 30 et 70 millimètres ;

- le dispositif de retenue est apte à bloquer des combustibles solides dont au moins l’une des dimensions est supérieure à 50 millimètres ;

- les éléments de retenue sont agencés de sorte à définir un angle d’inclinaison compris entre 5 ^° et 30°, ledit angle d’inclinaison étant mesuré entre un axe transversal sensiblement perpendiculaire au sens de déplacement des matières crues, et un axe d’extension passant par tous les éléments de retenue ;

- l’angle d’inclinaison est mesuré selon le sens horaire afin que les éléments de retenue soient orientés de sorte que les combustibles solides soient projetés vers le renfoncement ;

- l’ensemble de calcination comporte un conduit d’alimentation en air chaud débouchant dans le renfoncement par une sortie d’air chaud, ladite sortie d’air chaud étant agencée en regard du dispositif de retenue de sorte que l’air chaud traverse le dispositif de retenue ;

- l’ensemble de calcination comprend une paroi inférieure située dans le renfoncement et agencée en regard et en amont du dispositif de retenue selon le sens de déplacement des matières crues, l’ensemble de calcination comportant au moins un canal de nettoyage débouchant sur la paroi inférieure par au moins une sortie d’injection d’air, ladite sortie d’injection d’air permettant d’évacuer des combustibles solides collés sur ladite paroi inférieure.

Il est proposé en deuxième lieu une installation de production de clinker comprenant :

- un ensemble de préchauffage, dans lequel de la matière crue est préchauffée,

- un ensemble de calcination tel que précédemment décrit, dans lequel la matière crue préchauffée est au moins en partie décarbonatée,

- un four dans lequel la matière crue préchauffée et au moins en partie décarbonatée est cuite,

- un refroidisseur dans lequel la matière cuite du four est refroidie par de l’air de refroidissement Il est proposé en troisième lieu un procédé de production de clinker au moyen d’une installation, telle que précédemment décrite, dans lequel, celui-ci comporte les opérations suivantes :

- injecter un combustible solide alternatif dans l’ensemble de calcination par le conduit d’alimentation de combustible solide, ledit combustible alternatif comprenant des particules de dimension supérieure à 50 millimètres, ci-après appelées particules de grande taille,

- retenir les particules de grande taille au moyen du dispositif de retenue,

- consumer les particules de grande taille sur le dispositif de retenue jusqu’à que leurs dimensions soient inférieures à 50 millimètres, lesdites particules passant alors dans les passages entre les éléments de retenue.

Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :

- celui-ci comporte une opération d’injection d’air chaud dans le renfoncement par le conduit d’alimentation en air chaud ;

- l’air chaud provient du refroidissement du clinker dans le refroidisseur ;

- le procédé comporte une opération d’injection d’air comprimé par les canaux de nettoyage pour évacuer le combustible solide collé sur la paroi inférieure du renfoncement.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dans lequel : [Fig 1 ] la figure 1 est une représentation schématique d’une coupe d’un ensemble de calcination selon l’invention.

Description détaillée de l'invention

Sur la figure 1 est représenté un ensemble 1 de calcination. L’ensemble 1 de calcination est apte à décarbonater des matières crues destinées à la production de clinker. L’ensemble 1 de calcination comprend un conduit 2 principal. Dans ce conduit 2 principal, les matières crues, transportées par des gaz, circulent selon un premier sens de déplacement représenté par une première flèche 3. Les matières crues sont calcinées dans le conduit 2 principal.

L’ensemble 1 de calcination comprend un conduit 4 d’alimentation de combustible solide. Le conduit 4 d’alimentation de combustible solide débouche sur le conduit 2 principal par une sortie 5 de combustible. Dans le conduit 4 d’alimentation, le combustible solide se déplace selon un deuxième sens de déplacement, représenté par une deuxième flèche 6.

L’ensemble 1 de calcination comprend un dispositif 7 de retenue. Le dispositif 7 de retenue est situé dans le conduit 2 principal, c’est-à- dire dans le même conduit dans lequel circulent les gaz chauds sortant d’un four de cuisson. Le dispositif 7 de retenue est agencé en regard de la sortie 5 de combustible. Ainsi le combustible solide arrivant dans le conduit 2 principal par la sortie 5 de combustible, traverse le dispositif 7 de retenue.

L’ensemble 1 de calcination comportant un dispositif 7 de retenue ainsi agencé présente plusieurs avantages. Un premier avantage est que les gaz chauds transportant les matières crues dans le conduit 2 principal, traversent le dispositif 7 de retenue, et donc passent au travers du combustible solide, ce qui améliore significativement la combustion des combustibles solides. Un autre avantage est que le combustible solide se consume sur le dispositif 7 de retenue, ce qui évite que du combustible solide soit retrouvé dans les matières crues et par la suite dans le clinker. Le taux d’utilisation des combustibles solides peut ainsi être augmenté tout en garantissant la qualité du clinker et la stabilité de la ligne de cuisson. Avantageusement, le conduit 2 principal comporte un renfoncement 8. La renfoncement 8 se présente sous la forme d’une portion creuse élargissant ponctuellement le conduit 2 principal. Le conduit 4 d’alimentation de combustible débouche dans le renfoncement 8 par la sortie 5 de combustible. Le dispositif 7 de retenue est agencé dans le renfoncement 8.

Un tel agencement permet de ne pas obstruer le conduit 2 principal tout en permettant aux gaz transportant les matières crues de traverser le dispositif 7 de retenue, et de ce fait, le combustible solide.

Avantageusement, le conduit 2 principal comporte une paroi 9 latérale. La paroi 9 latérale délimite sur sa périphérie, le conduit 2 principal. La paroi 9 latérale définit une portion 10 d’entrée ayant une section 11 d’entrée. La paroi 9 latérale définit aussi une portion 12 élargie ayant une section 13 élargie supérieure à la section 11 d’entrée.

La portion 12 élargie s’étend entre deux points P1 , P2 selon le premier sens de déplacement. Entre les deux points P1 , P2, la section 13 élargie est supérieure à la section 1 1 d’entrée. II est entendu par « traverse le dispositif 7 de retenue » précédemment évoqué, le fait que le combustible alternatif est envoyé dans la portion 12 élargie en passant au préalable par le dispositif 7 de retenue. Avantageusement, le conduit 2 principal comporte une portion 14 rétrécie ayant une section 15 rétrécie. La section 15 rétrécie est inférieure à la section 1 1 d’entrée. La portion 14 rétrécie se situe en amont de la portion 12 élargie selon le premier sens de déplacement. Les sections sont mesurées en unité de surface à savoir le mètre carré.

La portion 14 rétrécie ainsi agencée permet d’accélérer localement le flux des gaz transportant les matières crues. Cette accélération, suivie d’une détente due à la portion 12 élargie, permet de mettre en suspension le combustible alternatif dans les gaz transportant les matières crues. La conduit 2 principal comporte une portion 27 de sortie située en aval de la portion 12 élargie selon le premier sens de déplacement. La portion 27 de sortie présente une section 28 de sortie inférieure à la section 13 élargie de la portion 12 élargie. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1 , la portion 10 d’entrée située en amont de la portion 12 élargie selon le premier sens de déplacement présente une section 1 1 d’entrée différente de la section 28 de sortie de la portion 27 de sortie. Avantageusement, le dispositif 7 de retenue comporte des éléments 16 de retenue. Les éléments 16 de retenue sont séparés les uns des autres par des passages 17. Ainsi, deux éléments 16 de retenue adjacents sont séparés par un passage 17. Deux éléments 16 de retenue adjacents sont avantageusement espacés l’un de l’autre d’une distance 18 comprise entre 30 et 70 millimètres, de préférence environ 50 millimètres. Les gaz chauds transportant les matières crues dans le conduit 2 principal, traversent ainsi le dispositif 7 de retenue, et donc passent au travers du combustible solide, ce qui améliore significativement la combustion des combustibles solides.

Les éléments 16 de retenue sont avantageusement fabriqués dans un matériau réfractaire résistant aux températures élevées, typiquement supérieure à 800°C. A titre d’exemple non limitatif, un tel matériau réfractaire est du carbure de silicium, un alliage à base de nickel / chrome ou de l’inox réfractaire. Selon une variante de réalisation, les éléments 16 de retenue peuvent être fabriqués dans un matériau non réfractaire ayant une résistance inférieure aux hautes températures, dans ce cas, les éléments 16 de retenue sont refroidis au moyen d’un fluide caloporteur.

Les éléments de retenue sont avantageusement fabriqués dans un matériau résistant à la chaleur. Avantageusement, les éléments de retenue sont fabriqués en carbure de silicium.

Un tel dispositif 7 de retenue permet de retenir les combustibles solides susceptibles, de ne pas se consumer dans le conduit 2 principale.

Avantageusement, le dispositif 7 de retenue de combustible est apte à retenir du combustible solide dont l’une des dimensions est au moins égale à une valeur déterminée.

Avantageusement, le dispositif 7 de retenue, est apte à bloquer des combustibles dont au moins l’une des dimensions est supérieure à 50 millimètres.

Les combustibles solides ayant l’une au moins de leurs dimensions, supérieure à 50 millimètres sont susceptibles de ne pas se consumer intégralement en arrivant dans le conduit 2 principale, et donc de polluer le clinker. Un tel dispositif 7 de retenue, permet de piéger les combustibles solides ayant au moins une dimension supérieure à 50 millimètres. Ces combustibles solides piégés, se consument dans le dispositif 7 de retenue avant de passer au travers de ce dernier ou d’être entraîné par le flux de gaz transportant les matières crues, ce qui permet d’obtenir un clinker dénué de combustible solide non consumé. Avantageusement, les éléments 16 de retenue s’étendent selon un axe 19 d’extension passant par tous les éléments 16 de retenue. L’axe 19 d’extension définit avec un axe 20 transversal sensiblement perpendiculaire au premier sens de déplacement, un angle a. L’angle a est compris entre 5° et 30°, de préférence entre 15° et 25°.

Un tel agencement permet d’empêcher que les combustibles solides arrivant à une certaine vitesse du conduit 4 d’alimentation ne rebondissent sur le dispositif 7 de retenue et soient éjectés vers le conduit 2 principal sans avoir été correctement consumés.

Avantageusement l’angle a est mesuré selon le sens horaire afin que les éléments 16 de retenue soient orientés en direction du renfoncement 8. Ainsi les combustibles solides sont projetés vers le renfoncement 8 et non vers le conduit 2 principal.

Ceci permet d’éviter que les combustibles solides soient éjectés vers le conduit 2 principal.

Avantageusement, le dispositif 7 de retenue comprend un élément latéral 26 de retenue. L’élément latéral 26 de retenue est agencée à une extrémité du dispositif 7 de retenue, ladite extrémité étant située du côté du renfoncement 8. L’élément latéral 26 de retenue empêche les combustibles solides de tomber en dehors du dispositif 7 de retenue.

Avantageusement, l’ensemble 1 de calcination comprend un conduit 21 d’alimentation en air chaud, ci-après dénommée conduit 21 d’air chaud. Le conduit 21 d’air chaud débouche dans le renfoncement 8 par une sortie 22 d’air chaud. La sortie 22 d’air chaud est avantageusement agencée en regard du dispositif 7 de retenue de sorte que l’air chaud traverse ledit dispositif 7 de retenue.

Cet agencement de la sortie 22 d’air chaud permet d’améliorer la combustion du combustible solide piégé dans le dispositif 7 de retenue. En effet, l’apport d’air chaud directement sur le dispositif 7 de retenue améliore les conditions de combustion du combustible solide.

Avantageusement, l’ensemble 1 de calcination comprend une paroi 23 inférieure située dans le renfoncement 8. La paroi 23 inférieure est agencée en regard et en amont du dispositif 7 de retenue selon le sens de déplacement des matières crues. La paroi 23 inférieure définit avec la paroi 9 latérale sensiblement parallèle à la première flèche 3 un angle b compris avantageusement entre 130° et 170°. L’angle b est d’environ 150°. L’angle b est mesuré selon le sens anti horaire en partant de la paroi 9 latérale. Un tel angle permet d’améliorer la mise en suspension du combustible alternatif dans le flux de gaz transportant les matières crues, tout en évitant que d’importantes quantités de combustible alternatif ne se collent sur la paroi 23 inférieure.

L’ensemble 1 de calcination comporte au moins un canal 24 de nettoyage. Le canal 24 de nettoyage débouche sur la paroi 23 inférieure par une sortie 25 d’injection d’air. La sortie 25 d’injection d’air permet avantageusement d’évacuer des combustibles solides collés sur la paroi 23 inférieure. En effet, des résidus de combustibles solides sont susceptibles de rester collés sur la paroi 23 inférieure. Ceci est particulièrement le cas lorsque les combustibles solides sont caoutchouteux.

L’invention concerne avantageusement un installation (non représentée sur les dessins) comprenant :

- un ensemble de préchauffage, dans lequel la matière crue est préchauffée,

- un ensemble 1 de calcination tel que précédemment décrit, dans lequel la matière crue préchauffée est au moins en partie décarbonatée ,

- un four dans lequel la matière crue préchauffée et au moins en partie décarbonatée, est cuite,

- un refroidisseur dans lequel la matière cuite du four est refroidie par de l’air de refroidissement.

L’installation comprend avantageusement, un dispositif de production d’air comprimé relié au canal 24 de nettoyage.

Dans ce qui suit, un procédé de production de clinker au moyen de l’installation précédemment évoquée, va être décrit.

Le procédé comporte une opération d’injection d’un combustible solide alternatif dans l’ensemble 1 calcination. Le combustible solide alternatif est introduit par le conduit 4 d’alimentation de combustible solide. Le combustible solide alternatif comprend des particules dont au moins une dimension est supérieure à 50 millimètres. Ces particules sont ci-après dénommées particules de grande taille.

Le procédé comprend une opération consistant à retenir les particules de grande taille au moyen du dispositif 7 de retenue. Le procédé comporte une opération consistant à brûler les particules de grande taille sur le dispositif 7 de retenue jusqu’à ce que leurs dimensions soient inférieures à 50 millimètres, lesdites particules passant alors dans les passages 17 entre les éléments 16 de retenue.

Avantageusement le procédé comporte une opération d’injection d’air chaud dans le renfoncement 8 par le conduit 21 d’air chaud. Ceci permet de favoriser la consumation du combustible solide piégé dans le dispositif 7 de retenue.

Avantageusement, l’air chaud provient du refroidissement du clinker dans le refroidisseur.

Avantageusement, le procédé comporte une opération d’injection d’air comprimé dans le canal 24 de nettoyage. Ceci permet d’évacuer le combustible solide collé sur la paroi 23 inférieure du renfoncement 8.