CH644531A5

CH644531A5 - Procede de traitement par la chaleur de materiel en particules et appareillage de mise en oeuvre.

Info

Publication number: CH644531A5
Application number: CH4480A
Authority: CH
Inventors: Arthur George Terry Ward; Christopher Todd-Davies
Original assignee: Bpb Industries Ltd
Priority date: 1979-01-08
Filing date: 1980-01-04
Publication date: 1984-08-15
Also published as: FI65417C; LU82063A1; GB2043219A; KR830000942B1; IE49127B1; AR221521A1; PL221189A1; PL126556B1; DK155244B; DE3000314A1; NO152000B; IN152261B; AT381695B; IT1130199B; BE881016A; NO794110L; UA6321A1; ES487430A0; FI65417B; ES8100903A1

Description

Cette invention se rapporte à un procédé et à un appareillage de traitement par la chaleur de matériel en particules, en particulier les minéraux et, plus spécifiquement, pour la calcination du gypse (sulfate de calcium hydraté).

Un des principaux procédés industriels pour la calcination du gypse se déroule dans un récipient appelé chaudière. Jusqu'à maintenant, les chaudières de calcination ont été utilisées par des chargements successifs (méthode des lots), mais on a récemment mis au point une technique continue, décrite dans le brevet anglais N° 1018464. Cependant, le taux de production des chaudières de calcination, pour la méthode continue ou celle des lots, est limité par la quantité maximale de chaleur qu'on peut transmettre à travers les parois et surtout par le fond de la chaudière. Cette quantité maximale de chaleur dépend du maximum de chaleur admis par le métal de la chaudière, généralement de l'acier. Si on dépasse cette limite de température, on risque de brûler le fond de la chaudière.

L'invention décrite dans le brevet anglais N° 1488665 a pour but d'augmenter le niveau d'échauffement maximal des chaudières de calcination, pour la méthode continue ou celle des lots, augmentant ainsi la capacité productive de ces chaudières, sans que la qualité du produit en soit affectée et sans augmenter de façon significative la température du fond de la chaudière.

Selon cette invention, on chauffe du sulfate de calcium hydraté dans un récipient de calcination, ou chaudière, en appliquant indirectement la chaleur à travers les parois du récipient et en introduisant directement un courant de gaz chaud dans le récipient à travers un tube descendant du haut du récipient; l'extrémité percée du tube plonge dans la masse du matériel à calciner. L'application de la méthode décrite dans ce brevet a considérablement augmenté l'efficacité thermique des chaudières; cependant, on doit encore faire face aux problèms de l'entretien de la chaudière, spécifiques aux récipients de ce genre: réparations importantes des briques réfractaires, par exemple.

Actuellement, nous avons mis au point un procédé et un appareillage de traitement par la chaleur de matériel en particules, poudre ou granules, et particulièrement pour les calcinations; toute la chaleur nécessaire est directement appliquée dans le matériel à calciner, permettant une économie importante de briques réfractaires spécifiques des chaudières conventionnelles, ainsi qu'une isolation thermique du système: on augmente ainsi l'efficacité thermique et on réduit les coûts du capital et d'entretien.

Le procédé mis au point dans cette invention est défini par la revendication 1.

On a mis au point pour cette invention un appareillage de mise en œuvre du procédé; cet appareillage est défini par la revendication 5.

Le récipient peut avoir des formes variées, à condition que la surface du fond soit petite et qu'il ait une forme telle qu'il permette une agitation dans un flux ascendant des solides contenus dans le fond du récipient; l'agitation se propage de là dans toute la masse du matériel, assurant ainsi un transfert maximal de la chaleur du gaz. Dans les formes préférentielles de récipient, le fond a une aire de section petite par rapport à la taille et à la position du tube de gaz chaud; le gaz qui sort du tube peut ainsi balayer tout le matériel du fond pour éviter qu'il s'accumule; tout le matériel du récipient fini peut être agité.

Il est préférable d'utiliser des récipients de forme symétrique le long d'un axe vertical en alignant le tube d'échauffement le long de cet axe: on obtient ainsi la meilleure agitation; cependant, on peut également utiliser des récipients de forme asymétrique. La forme préférentielle consiste en un cône inversé ou en un troncocône dont les parois divergent vers le haut en partant de la surface du matériel. La forme du fond du récipient est moins critique: il suffit que le fond soit cylindrique et d'une surface relativement petite par rapport au tube de gaz, pour assurer un balayage optimal du matériel à traiter. On peut utiliser un récipient complètement cylindrique, à condition que l'angle entre le côté et la base soit aplani afin d'augmenter la fluidité du brassage. Ces récipients ne sont malheureusement pas rentables: ils doivent être très hauts afin d'assurer un temps d'échauffement suffisant pour la calcination. De plus, une région supérieure de diamètre ou de surface élargie diminue la quantité de matériel fin qui se perd sous forme de poussière dans les gaz d'àchappement; cette poussière doit être séparée des gaz d'échappement. C'est pour ces raisons que nous avons choisi un récipient de forme conique ou tronconique. Ce cône peut être combiné avec une région inférieure étroite et cylindrique autour du tube de gaz chaud, ou avec une portion supérieure large et cylindrique facilitant la séparation de la poussière.

Le brevet anglais N° 1240655 décrit une méthode et un appareillage pour la calcination de matériel calcaire en granules (de la chaux), qui se caractérise en ce que les gaz chauds, provenant d'un lit de calcination rendu fluide, circulent dans un appareil de préchauffage ayant la forme d'un cylindre qui va en s'amincissant dans sa portion inférieure. Les gaz sont ensuite introduits dans le réci5

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pient par un tube qui s'ouvre dans la partie inférieure. Cependant, cette invention est fondamentalement différente de celle que nous décrivons ici. En effet, il est important que le matériel traité ne puisse pas s'accumuler dans le bas du récipient, ce qui n'est pas le cas dans le procédé décrit dans le brevet anglais où l'appareil de préchauffage fonctionne à une fraction de la température de réaction où l'étendue et l'uniformité du chauffage ne sont pas critiques. Le fond de l'appareil de préchauffage n'est pas conçu pour éviter les zones stagnantes. Au contraire, la probabilité d'accumulation de poussière a été envisagée; le récipient est muni d'une base perforée pour l'admission de gaz pour disperser les poussières.

Notre invention se distingue également de ce qu'on appelle les réacteurs à lit à becs: le gaz est introduit vers le haut par une ouverture située au sommet de la portion inférieure du cône inversé. Il semble que les caractéristiques du flux de matériel dans cette invention soient totalement différentes de celles du réacteur à lit à becs.

Le fond du récipient est modelé pour répartir, de façon optimale, le flux de gaz chaud sur la surface du fond du récipient. Il peut être muni d'une ou de plusieurs protubérances internes. On peut également insérer une forme conique dans le fond du récipient, dont le sommet est dirigé vers le haut, sous l'ouverture du tube chauffant. Le fond du récipient, ou plutôt la protubérance interne, peut être muni de chicanes ou de pales de brassage pour augmenter l'efficacité et la distribution du flux gazeux. Pour cela, on a avantage à arrondir l'angle entre le fond et le cône interne.

Le tube chauffant s'ouvre dans sa portion inférieure; l'ouverture peut consister en une série de petits trous situés sur les côtés du tube et placés symétriquement. On peut avoir des ouvertures sur le côté, également dans la partie supérieure du tube: cela augmente réchauffement et l'agitation à ce niveau, à condition que le flux de gaz soit suffisant au fond du récipient pour éviter l'accumulation de matériel à traiter.

Le tube chauffant peut être branché à une source de gaz chaud à la température voulue, dérivant de la combustion d'un combustible, par exemple gaz, fuel, charbon; le gaz chaud peut provenir des gaz d'échappement d'une autre réaction, à condition que cette réaction n'interfère ni avec la réaction de calcination ni avec le produit désiré.

Il est préférable que le tube chauffant soit branché sur une source de combustible, qui peut être un gaz, avec une source d'oxygène et/ou d'air; le tube est alors muni d'un brûleur de combustible pour produire le gaz chaud. Le brûleur peut être muni d'un dispositif initiant la combustion, éventuellement électrique. Par exemple, on peut utiliser comme combustible du gaz de ville ou du gaz naturel, et une étincelle pour initier la combustion. Le brûleur est placé dans la moitié inférieure du tube pour que la combustion ait lieu au même niveau que, ou sous, le matériel contenu dans le récipient.

Le récipient est isolé à l'extérieur pour éviter les pertes de chaleur et augmenter l'efficacité thermique du système. La partie supérieure est connectée à un collecteur de poussière. Lors de la réaction de calcination, on a noté que la poussière récoltée est composée en grande partie de matériel calciné utilisable.

Pour les réactions continues, il est préférable de munir le récipient d'une valve d'entrée pour le matériel, le sulfate dè calcium di-hydraté, et d'une valve de sortie (ou système) pour l'écoulement du trop-plein. On peut utiliser n'importe quelle méthode pour l'introduction et le retrait du matériel du récipient. Il faut, pour obtenir un produit final uniforme, un temps de réaction adéquat et une proportion relativement peu importante de matériel n'ayant pas ou insuffisamment réagi. Si la réaction est rapide, il suffît que la sortie soit assez éloignée de l'entrée (par exemple en utilisant un récipient dont le diamètre s'élargit au niveau de la surface supérieure du matériel). Dans la plupart des cas, il est préférable d'augmenter au maximum la distance entre l'entrée et la sortie. On peut, par exemple, placer des chicanes autour de la sortie ou de l'entrée, ou bien placer des tubes allant de l'entrée à la sortie, ou vice versa, et s'ouvrant vers le bas du récipient.

Le système du trop-plein est formé d'un conduit d'écoulement montant du bas du récipient et d'un barrage par dessus lequel le matériel traité coule. Ce conduit ascendant ne peut fonctionner de manière efficace que si le matériel est relativement fluide. Il est rendu fluide, entre autres, par l'action directe des gaz s'échappant du tube chauffant: si le matériel à traiter produit lui-même des gaz ou des vapeurs, il devient encore plus facilement fluide. Par exemple, le gypse perd de l'eau pour donner du sulfate de calcium semi-hydraté ou anhydre: l'eau qui s'échappe fait bouillir le matériel.

Une agitation rapide et efficace est due à la fluidité du matériel traité; cette fluidité est provoquée par l'action des gaz introduits ou des vapeurs produites pendant la réaction; elle facilite également le retrait du matériel traité pendant les opérations en continu. Bien que ce ne soit pas nécessaire, on peut, tout en restant dans l'esprit de l'invention, ajouter des agitateurs mécaniques.

L'appareillage est spécialement conçu pour opérer'en continu, mais il peut aussi bien travailler par chargements successifs. Dans ce cas, le récipient est rempli avec le matériel; le gaz à la température voulue est ensuite introduit jusqu'à la fin de la réaction. Le matériel est ensuite retiré par un sas dans le bas du récipient. Ce sas peut être utilisé pour nettoyer le récipient ou le vider dans les cas d'urgence. Le récipient est muni d'un hublot d'inspection et d'accès pour le nettoyer et l'entretenir.

La température des gaz issus du tube chauffant peut être contrôlée par la quantité d'air dans la combustion. Pour cela, on place une entrée d'air supplémentaire sur le tube entre le brûleur et le bas du tube: on introduit de l'air pour contrôler la température du mélange air/produits de combustion contenu dans le tube.

On peut produire, par cette méthode, des plâtres semi-hydratés, anhydres, ou un mélange des deux en contrôlant la température de la réaction. Par exemple, si on maintient la température à l'intérieur de la masse de sulfate de calcium entre 140 et 170°C, on obtient surtout du semi-hydrate; à une température plus élevée, 350°C ou plus, on obtient plutôt du sulfate de calcium anhydre.

La réaction de calcination, donnant un produit anhydre, se déroule en une seule étape: la température du gaz et la vitesse du flux sont ajustés de manière à obtenir la température adéquate. Cette réaction peut aussi se dérouler en deux étapes: une première réaction à une température plus basse pour obtenir du semi-hydrate, qu'on fait réagir à une température plus élevée. La vapeur d'eau qui s'échappe facilite l'agitation et rend le matériel plus fluide. Les gaz d'échappement du deuxième appareillage peuvent servir à chauffer le premier. Une partie ou la totalité du sulfate de calcium semi-hydraté peut être transférée du premier appareillage au second. Les produits semi-hydratés ou anhydres sont utilisés séparément, ou mélangés dans les proportions voulues dans des plâtres mixtes.

Cette invention est spécialement conçue pour la calcination du gypse, naturel ou chimique, synthétisé à partir d'acide phosphori-que, ou par neutralisation des gaz de combustion de cheminée, ou par hydratation d'anhydrite naturel.

Nous allons donner une série d'exemples pour illustrer l'invention, se référant aux schémas joints en annexe:

la fig. 1 représente un schéma de récipient de calcination conique, pour la calcination du gypse, et la fig. 2 représente le schéma d'un type de système de contrôle du tube chauffant dans le récipient conique.

Exemple se rapportant à la fig. 1:

Un récipient 1, en forme de cône inversé, ayant un fond arrondi 2, de petite surface, comporte un couvercle 3, sur lequel on adapte un tuyau d'alimentation 4 pour l'introduction du matériel (gypse par exemple) et un tuyau de sortie 5 pour les gaz d'échappement. Un tube chauffant 6 passe à travers le couvercle. Le tuyau d'alimentation pour le gypse est muni d'une valve-compteur, sous la forme d'un dispositif d'alimentation rotatif, reliée à une trémis de chargement du gypse 8. Le récipient est représenté isolé en 9.

10 indique le niveau normal du matériel dans le récipient. Une sortie pour le matériel calciné, munie d'une écluse externe pour le trop-plein 11, est reliée à un tuyau de sortie 12. On prévoit également une ouverture à valve dans le fond du récipient 21.

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Le tube chauffant 6 descend le long de l'axe vertical central du récipient conique 1. Il s'ouvre dans sa portion inférieure 13 et se termine vers le fond du récipient 2. Le tube est muni de petits trous disposés symétriquement sur les parois inférieures 14, facilitant la distribution de gaz chauds dans le matériel à calciner. La distribution de gaz issus du tube chauffant 6 est améliorée par la disposition d'un petit cône dressé d'un matériel résistant à la chaleur 15, placé dans le fond du récipient 2, juste en dessous de l'ouverture du tube 13.

La taille du récipient et l'angle spécifique du cône dépendent de la température et de la vitesse du flux de gaz à travers le tube chauffant, pour obtenir un temps de réaction et une température adéquats au matériel à calciner.

Du gaz de combustion, du gaz naturel par exemple, est introduit à travers le tuyau 16 jusqu'à un brûleur de gaz 17 à bec mélangeur, situé dans le tube 6, à la hauteur du matériel 10. On introduit de l'air séparément à travers le brûleur, par un tuyau d'air 18 et celui d'un ventilateur 19. Le mélange combustible/air issu du brûleur à bec mélangeur est allumé par une étincelle 20. Le gaz ainsi produit descend dans le tube 6 et s'échappe par l'ouverture 13 ou par les trous 14. Il n'est pas nécessaire, pour ce système, d'envisager un apport d'air supplémentaire.

Exemple se rapportant à la fig. 2:

Le gaz de combustion, introduit par la position 22, passe à travers une valve principale isolante 23, un régulateur 24, réduisant la pression de l'entrée (dans ce cas, 3 psig), et un compteur 25. La pression est contrôlée par deux interrupteurs 26, positionnés pour déterminer le maximum et le minimum de pression. Le flux de gaz dans le brûleur est contrôlé, pour des questions de sécurité, par trois valves de fermeture; la première 27a est située immédiatement après les interrupteurs de pression 26, la deuxième 27c sur le conduit principal 28 et la dernière 27b sur le conduit pilote 29. Le conduit principal est muni d'un régulateur 31 et d'une valve de contrôle du flux 32; le conduit pilote est muni d'une paire d'interrupteurs de pression 33, d'un régulateur 34 et d'une valve 35. Une valve de drainage 36 lie le conduit d'alimentation principal au conduit pilote 29. Une prise d'air 37 est branchée sur les régulateurs 31 et 34. On prévoit des valves manuelles 38, ouvertes en général, mais qu'on peut fermer pour isoler des parties du système. Le conduit principal 28 et le conduit pilote 29 fournissent du gaz de combustion au tuyau 16 du tube chauffant 6.

Il est important, avant l'allumage, de contrôler les valves de fermeture 27 pour s'assurer qu'elles sont bien fermées et qu'elles ne fuient pas. On met en marche l'appareillage en actionnant l'interrupteur du brûleur; la prise d'air se ferme; un chronomètre placé sur le panneau de contrôle du brûleur (non indiqué) surveille la séquence grâce aux interrupteurs de pression 33 et 26; ils assurent que la pression entre les valves de fermeture 27 n'augmente pas par des fuites s de gaz ou d'air. Au bout de 30 s, l'espace entre les trois valves est pressurisé grâce à l'ouverture de la valve de drainage 36; cette pression est maintenue pendant les 30 s suivantes.

Un voyant s'allume lorsque ces deux contrôles sont positifs; la deuxième étape du cycle de contrôle peut alors commencer. Si un io des deux contrôles est négatif, un voyant d'alarme s'allume. Après l'apparition des voyants de contrôle, il y a une pause de 5 min, pendant laquelle l'air purge le brûleur et le système de calcination. Après ce laps de temps, une unité de programmation du brûleur, située dans le panneau de contrôle, commence la séquence d'allu-15 mage. Une étincelle allume le gaz du pilote, après ouverture de la première valve de fermeture 27a et d'une valve pilote 27b. La présence de flammes est détectée par un détecteur de flammes 39, placé à environ trois pouces du brûleur 17. Si la flamme détectée est stable, l'unité programmatrice commandera l'ouverture de la 20 deuxième valve de fermeture 27c, provoquant la flamme principale. A ce moment, la prise d'air 37 se ferme pour que le régulateur 31 fonctionne. La vitesse du flux de gaz est contrôlée par le réglage de la valve 32.

On peut ajuster la position verticale du brûleur 17, pour régler la 25 position de la flamme selon les récipients et les matériaux à traiter.

Les avantages de l'appareillage décrit dans cette invention sont les suivants:

1) Le coût total de l'appareillage est inférieur à celui d'une

30 chaudière classique, étant donné la simplicité et la petite taille du récipient.

2) Le système n'utilise pas d'agitateur, économisant ainsi l'énergie électrique.

3) L'efficacité thermique (85-90%) est encore plus grande que 3J dans le système décrit dans le brevet anglais N° 1488665.

4) Les coûts d'entretien sont bas.

5) Le temps d'allumage est plus court que dans les chaudières classiques (environ 10 min).

Les caractéristiques physiques des produits obtenus par cette 40 invention sont similaires à celles décrites dans le brevet anglais N° 1488665. Si la température des gaz chauds à l'intérieur de la masse de sulfate de calcium est maintenue entre 140 et 170°C, on obtient principalement un produit semi-hydraté, contenant très peu d'anhydrite et pas de gypse, comme l'indique l'analyse thermique 45 différentielle.

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1 feuille dessins

Claims

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1. Procédé de traitement par la chaleur de matériel en particules, le matériel étant introduit dans un récipient à travers lequel on fait passer un courant de gaz chaud introduit par le bas, en contact direct avec le matériel contenu dans la partie inférieure du récipient, caractérisé en ce que le matériel contenu dans la partie inférieure du récipient est placé à proximité de la sortie de gaz chaud de manière à être chauffé et agité simultanément, évitant la formation de zones stagnantes.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure du récipient, dans lequel est contenu le matériel, a une aire de section plus petite que la partie supérieure, le récipient étant par exemple en forme de cône inversé, partiellement conique ou tronconique.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le jet de gaz dans le fond du récipient est détourné de façon à balayer la surface du fond ou à produire un mouvement tournoyant en hélice le long de l'axe vertical du récipient.

4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que du sulfate de calcium hydraté est calciné de façon continue jusqu'à un degré d'hydratation inférieur.

5. Appareillage pour la mise en œuvre du procédé de traitement par la chaleur de matériel en particules selon la revendication 1, comprenant un récipient à fond non perforé, une entrée et une sortie pour le matériel, un tube, au moins, descendant vers le bas, pour du gaz chaud, l'ouverture de ce tube se trouvant à proximité du fond du récipient, caractérisé en ce que le fond du récipient a une forme spécifique de manière à rassembler le matériel vers le fond à proximité du tube, le jet de gaz chaud sortant du tube pouvant ainsi chauffer et agiter simultanément le matériel.

6. Appareillage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fond du récipient est modelé de manière à offrir un profil lisse pour le passage du gaz chaud de la partie inférieure du tube.

7. Appareillage selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le fond du récipient a une aire de section plus petite qu'au niveau de la sortie du matériel, le récipient ayant par exemple une forme de cône inversé, complet ou partiel.

8. Appareillage selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le fond du récipient est muni d'au moins une protubérance interne disposée sous l'ouverture inférieure du tube, ou éventuellement de profils en hélice ou d'ailettes propres à imprimer un mouvement tournoyant au gaz,

9. Appareillage selon les revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le récipient est isolé thermiquement.

10. Appareillage selon les revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le tube chauffant est muni d'un brûleur à combustible ajusté verticalement dans le tube.