FR2795716A1 - Procede de calcination d'un materiau a base de minerai - Google Patents
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Abstract
Dans ce procédé :- on fait passer le matériau dans un dispositif de précalcination (3) muni d'au moins un injecteur de combustible en sortie duquel une zone d'injection de combustible est formée, puis- on fait passer le matériau au moins partiellement calciné dans le four rotatif (4) muni à son extrémité aval d'un ensemble de combustion primaire (16).On injecte à proximité de la zone d'injection au moins un fluide riche en oxygène de concentration volumique en oxygène supérieure à celle des produits de combustion issus du four rotatif, de manière à apporter à l'aide du fluide riche en oxygène de 1% à 40%, de préférence de 1% à 10%, de l'oxygène stoechiométrique nécessaire à la combustion du combustible injecté par l'injecteur.Application à la production de clinker.
Description
L'invention concerne un procédé de calcination d'un matériau à base de
minerai, dans lequel: - on fait passer le matériau dans un dispositif de précalcination muni d'au moins un injecteur de combustible alimenté avec au moins un combustible pour former en sortie de l'injecteur de combustible une zone d'injection de combustible, et alimenté en comburant par les produits de combustion issus d'un four rotatif situé en aval du dispositif de précalcination par rapport au sens d'écoulement du matériau, puis - on fait passer le matériau au moins partiellement calciné dans le four rotatif muni à son extrémité aval d'un ensemble de combustion primaire. La fabrication de ciment passe par la fabrication d'un produit intermédiaire appelé " clinker ". Le clinker est un produit qui est obtenu par cuisson d'un matériau à base de minerais et notamment l'argile et le calcaire. Le matériau sous forme de poudre peut être fourni à un four rotatif, soit sous forme sèche (procédé sec) soit sous forme d'une pâte (slurry) à base d'eau (procédé humide). La composition du clinker est en général soigneusement contrôlée afin d'obtenir les proportions désirées des différentes matériaux minéraux et notamment le carbonate de calcium, la silice, I'alumine, I'oxyde de fer et le carbonate de magnésium. Après enfournement dans un four;, le matériau précurseur de la fabrication de clinker subit tout d'abord un séchage et un chauffage. Ensuite, ce matériau subit une calcination dans laquelle les carbonates des différents minéraux sont convertis en oxyde de ces minéraux par élimination de dioxyde de carbone. Les températures encore élevées, les minéraux ainsi obtenus réagissent chimiquement entre eux pour produire essentiellement des silicates de calcium et des aluminates de calcium. Ce dernier procédé est appelé " procédé de clinkerisation " (clinkering en anglais) et il est réalisé dans la zone chaude d'un four rotatif. Le clinker qui en résulte est alors refroidi et pulvérisé puis mélangé avec des ingrédients additionnels pour
former un ciment tel que le ciment de type portland.
Le procédé de fabrication de clinker a été mis en oeuvre dans le passé dans des fours rotatifs avec typiquement des diamètres de 3 à 5 m, et des longueurs de 60 à 200 m. Des améliorations au procédé ont été apportées en décarbonatant ou calcinant une fraction variable de la farine crue dans une étape de procédé précédant le four rotatif, qui permet l'utilisation de fours rotatifs plus courts et thermiquement plus efficaces. Une telle étape de procédé peut avoir lieu dans des tours de préchauffage (" suspension preheaters " en anglais), dans des grilles " LEPOL ", ou
dans des calcinateurs flash.
Le degré de décarbonatation de la farine crue atteint avant d'entrer dans le four rotatif est typiquement de 10 à 45% pour les tours de préchauffage et les grilles " LEPOL ", et de 90 à 95% pour les calcinateurs flash. L'énergie nécessaire pour la décarbonatation fortement endothermique est fournie en introduisant une fraction de combustible dans
la zone de calcination.
Ainsi, les procédés de fabrication de clinker sont généralement mis en oeuvre dans des installations qui comprennent successivement: - un dispositif de précalcination dans lequel le matériau est introduit et o se produisent le séchage, si nécessaire, puis le chauffage, et une partie de la calcination du matériau, et - un four rotatif incliné, dans lequel le matériau en partie calciné est introduit, et o la calcination est achevée et suivie de la réaction
de clinkérisation.
D'autres types de dispositifs de précalcination que ceux mentionnés précédemment peuvent être les chambres de calcination, ou les
dispositifs appelés en anglais " riser duct ".
Dans tout ce qui suit, les termes " amont " et " aval " s'entendent par rapport au sens d'écoulement du matériau dans une telle installation. Un ou plusieurs brûleurs sont disposés à l'extrémité aval du four rotatif pour amener l'énergie calorifique nécessaire au fonctionnement de ce four. Les fumées produites par les brûleurs aval du four rotatif circulent à contre-courant du matériau dans l'installation et apportent une partie de l'énergie calorifique nécessaire au fonctionnement du dispositif de précalcination. Un appoint d'énergie est assuré dans ce dispositif de
précalcination par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs brûleurs.
De manière générale, on cherche à limiter les coûts de
fabrication du clinker et à améliorer les procédés de fabrication de clinker.
Ainsi, les documents US-5 572 938 et US-5 580 237 concernent les brûleurs aval des fours rotatifs et proposent de modifier les injecteurs de ces brûleurs pour y introduire des lances d'injection d'oxygène. Les solutions décrites dans ces documents permettent, avec des combustibles de bonne qualité, d'améliorer les rendements de production
et/ou de réduire la production de substances polluantes.
Toutefois, ces solutions conduisent toujours à l'émission de
substances polluantes relativement importantes.
On cherche par ailleurs à utiliser des combustibles de mauvaise qualité pour apporter l'énergie calorifique nécessaire au
fonctionnement des installations de fabrication de clinker.
On entend par combustibles de mauvaise qualité, des combustibles qui ont des pouvoirs calorifiques inférieurs (PCI) inférieurs à 15 MJ/kg, ou des teneurs massiques en eau supérieures à 20%. Cette catégorie concerne aussi des combustibles qui contiennent moins de 20 % en masse de matières volatilisables ou qui ne peuvent être réduits en particules ou gouttelettes de petites dimensions. Pour ce dernier critère, on considère qu'un combustible ainsi réduit, et dont la proportion massique de particules ou gouttelettes de dimensions supérieures à 200 p.m est
supérieure à 75%, est un combustible de mauvaise qualité.
Des déchets industriels, tels que des eaux usées ou des déchets solides par exemple de matières plastiques ou de carton ou bien constituent des combustibles de mauvaise qualité qui peuvent être utilisés
dans la fabrication de clinker.
Les fabricants de clinker cherchent à augmenter leur consommation de combustibles de mauvaise qualité étant donné leurs très faibles coûts, ces fabricants étant parfois même payés pour incinérer les
déchets industriels tels que les eaux usées.
Toutefois, I'utilisation de tels combustibles en grande quantité pose des problèmes car les flammes produites avec ces combustibles ne permettent pas de satisfaire aux contraintes thermiques nécessaires à une
bonne mise en oeuvre des procédés de fabrication du clinker.
L'invention a pour but de résoudre ces différents problèmes en fournissant un procédé de calcination d'un matériau à base de minerai qui permet, notamment, de fabriquer du clinker à coûts réduits, en particulier en utilisant des combustibles de mauvaise qualité, et en limitant les émissions polluantes. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de calcination d'un matériau à base de minerai dans lequel on fait passer le matériau dans un dispositif de précalcination muni d'au moins un injecteur de combustible alimenté avec au moins un combustible pour former en sortie de l'injecteur de combustible une zone d'injection de combustible et alimenté en comburant par les produits de combustion issus d'un four rotatif situé en aval du dispositif de précalcination par rapport au sens d'écoulement du matériau, puis on fait passer le matériau au moins partiellement calciné dans le four rotatif muni à son extrémité aval d'un ensemble de combustion primaire, caractérisé en ce que l'on injecte au moins un fluide riche en oxygène à proximité de la zone d'injection de combustible, le fluide riche en oxygène ayant une concentration volumique en oxygène supérieure à celle des produits de combustion issus du four rotatif et qui traversent le dispositif de précalcination, de manière à apporter à l'aide du fluide riche en oxygène de 1% à 40%, de préférence de 1% à 10%, de l'oxygène stoechiométrique nécessaire à la combustion du combustible injecté par l'injecteur de combustible. Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé peut présenter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - 60% à 99% de l'oxygène stoechiométrique nécessaire à la combustion du combustible sont apportés par les produits de combustion
issus du four rotatif.
- la concentration volumique en oxygène des produits de combustion issus du four rotatif est supérieure ou égale à 1%, - le fluide riche en oxygène est un mélange d'une partie des produits de combustion et d'un gaz contenant au moins environ 20% en oxygène, - on prélève une partie des produits de combustion auquel on io mélange de l'air ou de l'air enrichi en oxygène et/ou de l'oxygène industriellement pur de concentration supérieure à environ 88%, - la température adiabatique de la flamme produite en sortie de l'injecteur de combustible est supérieure à 1000 C, - la température adiabatique de la flamme produite en sortie de lI'injecteur de combustible est supérieure à 1250 C, - le combustible avec lequel on alimente l'injecteur de combustible est un combustible de mauvaise qualité, - on injecte ledit fluide riche en oxygène par un injecteur de fluide riche en oxygène distinct de l'injecteur de combustible, - la distance séparant la sortie dudit injecteur de fluide riche en oxygène et la sortie de l'injecteur de combustible est inférieure à environ 50 fois la largeur intérieure de l'injecteur de fluide riche en oxygène, - on injecte un fluide riche en oxygène vers la zone d'injection de combustible de l'injecteur de combustible, - on injecte le combustible, par l'intermédiaire de l'injecteur de combustible, et le fluide riche en oxygène avec un angle de convergence inférieur à 25 , - le dispositif de précalcination comprend au moins deux injecteurs de combustible qu'on alimente respectivement avec au moins un combustible pour former en sortie une zone d'injection de combustible, et on injecte au moins un fluide riche en oxygène, ayant une concentration volumique en oxygène supérieure à celle des produits de combustion issus du four rotatif, à proximité des zones d'injection de combustible desdits au moins deux injecteurs de combustible, - on injecte au moins un fluide riche en oxygène, ayant une concentration volumique en oxygène supérieure à celle des produits de combustion issus du four rotatif, par l'intermédiaire d'un injecteur de combustible du dispositif de précalcination, - on utilise ledit fluide riche en oxygène comme fluide de transport d'un combustible à l'intérieur dudit injecteur de combustible, - un fluide riche en oxygène est de l'oxygène de pureté io supérieure à 90% que l'on fait circuler dans ledit injecteur de combustible par un passage propre d'oxygène, - on introduit par un passage dudit injecteur de combustible voisin d'un passage propre d'oxygène un combustible de bonne qualité pour former une flamme pilote en sortie dudit injecteur de combustible, - au moins un ou chaque fluide riche en oxygène est de l'air enrichi en oxygène, - au moins un fluide riche en oxygène a une concentration en oxygène supérieure à 90%, - on injecte un fluide riche en oxygène, ayant une concentration en oxygène supérieure à celle de l'air, dans une zone d'injection de combustible de l'ensemble de combustion primaire du four rotatif, - on introduit le fluide riche en oxygène au sein d'un injecteur de combustible de l'ensemble de combustion primaire du four rotatif, - le fluide riche en oxygène est de l'oxygène de pureté supérieure à 90% que l'on fait circuler dans ledit injecteur de combustible par un passage propre d'oxygène, - un passage propre d'oxygène est situé radialement à l'intérieur dudit injecteur de combustible, - un passage propre d'oxygène est situé radialement à l'extérieur dudit injecteur de combustible, - on introduit, par un passage dudit injecteur de combustible voisin d'un passage propre d'oxygène, au moins un combustible de bonne qualité pour former une flamme pilote en sortie dudit injecteur de combustible, - on produit dans ledit injecteur de combustible au moins un écoulement de combustible et au moins un écoulement d'air, et on enrichit en oxygène au moins un écoulement d'air et/ou de combustible produit dans ledit injecteur de combustible, on produit un écoulement de combustible dans ledit injecteur de combustible en introduisant un combustible et un fluide de transport de ce combustible dans l'injecteur de combustible, et on enrichit en oxygène cet écoulement de combustible en enrichissant en oxygène le fluide de transport, - on introduit ledit combustible sous forme d'un fluide dans ledit injecteur, - on introduit ledit combustible sous forme de particules solides dans ledit injecteur, - on enrichit en oxygène le fluide de transport pour qu'il ait une concentration en oxygène pouvant aller jusqu'à 35%, - ledit combustible est un combustible de mauvaise qualité, on introduit de l'oxygène dans la zone d'injection de combustible de l'ensemble de combustion primaire du four rotatif avec un débit compris entre 2 et 20Nm3/h par MW de puissance théorique apportée par une combustion complète du ou des combustible(s) injecté(s) par I'ensemble de combustion primaire, et - le procédé de calcination est un procédé de fabrication de clinker.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description
qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe latérale d'une installation de fabrication de clinker pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique agrandie en coupe longitudinale de l'ensemble de combustion primaire du four rotatif de l'installation de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique agrandie en coupe longitudinale de l'ensemble de combustion du dispositif de précalcination de l'installation de la figure 1; - les figures 4.à 7 sont des vues analogues à la figure 2, illustrant d'autres modes de réalisation et variantes de l'invention, les figures 8 et 9 sont des vues analogues à la figure 3, illustrant d'autres modes de réalisation de l'invention, - la figure 10 est une vue partielle schématique du dispositif de précalcination illustrant une variante du mode de réalisation de la figure 9, et - la figure 11 est une vue analogue à la figure 3 illustrant un
autre mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 illustre une installation 1 de production de clinker à
partir d'un matériau 2 à base notamment de calcaire et d'argile.
L'installation 1 comprend successivement dans le sens d'écoulement du matériau 2: - un dispositif 3 de précalcination, - un four rotatif tubulaire 4, et
- une goulotte 5 de sortie.
Le dispositif 3 de précalcination peut être, par exemple, une grille " LEPOL " et comprend une extrémité 6 amont d'introduction du matériau 2, des moyens 7 de chauffage ou ensemble de combustion, et une
extrémité aval 8 de décharge du matériau précalciné.
Le four rotatif 4 est incliné, par rapport à l'horizontale, vers le bas de l'amont vers l'aval. Son extrémité amont 10, qui communique avec l'extrémité aval 8 du dispositif 3 de précalcination, est donc située à un
niveau supérieur à celui de son extrémité aval 11.
L'installation 1 comprend en outre des moyens 12
d'entraînement en rotation du four rotatif 4 autour de son axe longitudinal.
La goulotte 5 de sortie présente une extrémité amont 13 qui communique avec l'extrémité aval 11 du four rotatif 4, et une extrémité aval 14 reliée à des dispositifs non représentés de traitement ultérieur du clinker
produit, dont notamment un dispositif de refroidissement.
La goulotte de sortie 5 est également munie de moyens 15 de
chauffage ou ensemble de combustion primaire.
Comme illustré par la figure 2, ces moyens 15 de chauffage
comprennent des brûleurs 16 dont un seul est représenté et sera décrit.
Le brûleur 16 comprend un injecteur ou tuyère 17 porté par une paroi verticale 18 de la goulotte 5 de sortie, la paroi verticale 18 étant disposée en regard de l'extrémité aval 11 du four rotatif 4 comme on le voit
sur la figure 1.
L'injecteur 17 s'étend parallèlement à l'axe du four rotatif 4,
depuis la paroi 18 en pénétrant dans l'extrémité aval 11 du four rotatif 4.
L'injecteur 17 présente un passage intérieur 20 de section circulaire entouré extérieurement par un passage extérieur 21 de section
annulaire. L'injecteur 17 présente une entrée 22 et une sortie 23.
Le passage 20 est raccordé conjointement, au niveau de l'entrée 22 de l'injecteur 17, à une source 24 de combustible et à une
source 25 de fluide de transport de ce combustible.
Le combustible est par exemple du plastique déchiqueté en particules dont les dimensions peuvent être supérieures à 5 ou 10 mm, c'est-à-dire un combustible de mauvaise qualité. Le fluide de transport est
par exemple de l'air sous pression.
Le passage extérieur 21 est raccordé, au niveau de l'entrée 22 de l'injecteur 17, par une conduite commune à une source 26 de comburant,
par exemple de l'air, et à une source 27 d'oxygène.
La pureté de l'oxygène de la source 27 est par exemple
supérieure à 90%.
Comme illustré par la figure 3, les moyens 7 de chauffage du dispositif 3 de précalcination comprennent des brûleurs dont deux sont représentés et portent les références 28 et 29. Seuls ces brûleurs 28 et 29
et leur environnement sera décrit dans ce qui suit.
Les brûleurs 28 et 29 comprennent chacun un injecteur, respectivement 30 et 31. Les injecteurs 30 et 31 sont portés par une paroi verticale 32 du dispositif de précalcination 3. Cette paroi verticale 32 est disposée audessus de l'extrémité amont 10 du four rotatif 4 comme on le
voit sur la figure 1.
L'injecteur 30 est disposé avec son axe sensiblement horizontal et comprend un passage intérieur 34 de section circulaire entouré
extérieurement par un passage extérieur 35 de section annulaire.
Le passage intérieur 34 est relié, au niveau de l'entrée 36 de l'injecteur 30, à une source 37 de combustible, par exemple du gaz naturel
qui est un combustible de bonne qualité.
Le passage extérieur 35 est relié, au niveau de l'entrée 36 de
l'injecteur 30, à une source 38 de comburant, par exemple de l'air.
L'injecteur 31 est disposé sous l'injecteur 30 et il est incliné dans un plan vertical du bas vers le haut depuis son entrée 41 vers sa sortie 42, avec un angle de préférence inférieur à 25 . Cet injecteur 31 comprend un passage intérieur 43 de section circulaire relié conjointement, au niveau de l'entrée 41 de l'injecteur 31, à une source 44 de combustible
et à une source 45 de fluide de transport de ce combustible.
Le combustible de la source 44 est constitué par exemple par des eaux usées, et le fluide de transport est par exemple de l'air sous pression. Les moyens 7 de chauffage comprennent en outre une lance
47 d'injection d'oxygène qui est également portée par la paroi 32.
La lance 47 est située entre les injecteurs 30 et 31 et son axe est horizontal. Cette lance 47 est disposée à proximité d'une part de l'injecteur 30, et d'autre part de l'injecteur 31, de sorte que la distance séparant la sortie 48 de la lance 47 et la sortie 42 de l'injecteur 31 est
inférieure à 50 fois le diamètre du passage intérieur 49 de la lance 47.
Par ailleurs, le passage 49 de la lance 47 est relié au niveau de l'entrée 50 de la lance 47 à une source 51 d'oxygène. La pureté de l'oxygène de la source 51 est par exemple
supérieure à 90%.
Le fonctionnement général de l'installation 1 va maintenant être décrit, le sens d'écoulement du matériau 2 étant schématisé par les
flèches 55 sur la figure 1.
Le matériau 2 est introduit par l'extrémité amont 6 du dispositif 3 de précalcination. A l'intérieur de ce dispositif, le matériau 2, transporté par un convoyeur, est séché, chauffé et décarbonaté grâce notamment aux moyens 7 de chauffage qui amènent en partie l'énergie calorifique
necessaire.
Ensuite, le matériau 2 s'écoule au travers de l'extrémité aval 8 du dispositif 3 de précalcination et de l'extrémité amont 10 du four rotatif 4,
puis dans le four rotatif 4 sous forme d'un lit 54.
Grâce aux moyens 15 de chauffage, la décarbonatation ou calcination du matériau 2 se poursuit dans le four rotatif 4, puis le matériau
2 calciné subit la réaction de clinkérisation.
Le matériau 2 transformé en clinker chaud est alors évacué par l'extrémité aval 14 de la goulotte 5 vers les autres dispositifs de
l'installation 1 dont le dispositif de refroidissement.
L'apport d'énergie calorifique à l'intérieur du four 4 et du dispositif 3 de précalcination, obtenu à partir des moyens 7 et 15 de
chauffage, va maintenant être plus particulièrement décrit.
En ce qui concerne les moyens 15 de chauffage, le combustible de la source 24 est introduit conjointement dans le passage intérieur 20 avec l'air sous pression de la source 25. Ainsi, un écoulement de particules solides de matière plastique est produit dans le passage intérieur 20. Le combustible de la source 24 est ensuite pulvérisé sous
forme de particules solides au niveau de la sortie 23 de l'injecteur 17.
L'air de la source 26 est enrichi en oxygène par la source 27 puis circule dans le passage 21. Cet air enrichi en oxygène est éjecté de la sortie 23 de l'injecteur 17 sous forme d'une veine entourant extérieurement le combustible de la source 24 pulvérisé. Une flamme 57 est alors produite en sortie du brûleur 16. L'air de la source 26 enrichi en oxygène fournit en majorité le comburant nécessaire à la combustion correspondante. Cette flamme 57 est située au-dessus du lit 54 du matériau 2, au niveau de
l'extrémité aval 11 du four rotatif 4, comme on le voit sur la figure 1.
Les fumées produites par la flamme 57 circulent dans le four rotatif 4 et dans le dispositif 3 de précalcination à contre-courant du
matériau 2, comme schématisé par la flèche 58 sur la figure 1.
En ce qui concerne les moyens 7 de chauffage, le gaz naturel _, est éjecté de l'injecteur 30 dans une zone 61 d'injection sous forme d'un jet
de combustible entouré par une veine d'air provenant de la source 38.
Les eaux usées de la source 44 sont introduites conjointement avec l'air sous pression de la source 45 dans le passage 44 du brûleur 29 pour former un jet d'eaux usées pulvérisées sous forme de fines gouttelettes
dans une zone 62 d'injection.
L'oxygène de la source 51 est introduit dans le passage 49 et éjecté de l'injecteur 47 sous forme d'un jet dans une zone d'injection 63
recouvrant en partie les zones 61 et 62 d'injection.
Ainsi, le jet d'oxygène rencontre le jet d'eaux usées pulvérisées et le jet de gaz naturel entouré par la veine d'air provenant de la
source 38.
Une flamme 64 est produite au niveau des zones 61, 62 et 63 du fait de la combustion: - des eaux usées de la source 44 avec l'air des sources 38 et 45 et l'oxygène de la source 51, mais également, - des imbrûlés issus des moyens 15 de chauffage et véhiculés par les fumées qui se déplacent selon la flèche 58, et de l'oxygène contenu
dans ces fumées provenant des moyens 15 de chauffage.
Le rendement de combustion des eaux usées de la source 44 s est satisfaisant du fait de l'injection rapprochée de ces eaux usées et de
l'oxygène de la source 51.
En effet, cette injection d'oxygène crée un point chaud à proximité de la zone d'injection 62 des eaux usées, qui permet, en amenant rapidement les eaux usées à leur température d'inflammation, de stabiliser i0 la combustion et donc de gérer plus facilement l'apport d'énergie calorifique
dans le dispositif 3 de précalcination.
Par ailleurs, du fait de la proximité de la zone 63 d'injection de l'oxygène de la source 51 et de la zone 61 d'injection du combustible de la
source 37, les imbrûlés issus des moyens 15 de chauffage sont consumés.
Les quantités d'imbrûlés rejetées par l'installation 1 sont donc réduites.
De manière plus générale, I'apport d'oxygène grâce à la lance 47 permet: soit d'augmenter les quantités d'eaux usées incinérées à débit de combustible de la source 37 constant et à température de combustion constante, - soit de réduire les quantités d'imbrûlés qui sont véhiculés par les fumées évacuées au niveau de l'extrémité amont 6 du dispositif 3 de précalcination, ce résultat étant obtenu à débits de combustibles de la
source 37 et d'eaux usées de la source 44 constants.
Dans l'installation des figures 1 à 3, ces effets sont obtenus conjointement du fait de la proximité de la lance 47 à la fois de l'injecteur 30
et de l'injecteur 31.
Pour favoriser plus particulièrement l'incinération des eaux usées, il faut disposer la lance 47 à proximité de l'injecteur 31 dans lequel les eaux usées sont introduites, tandis que pour favoriser la réduction de quantité d'imbrûlés, il faut rapprocher la lance 47 d'injection d'oxygène de
l'injecteur 30 dans lequel le combustible de bonne qualité est introduit.
De plus, I'enrichissement en oxygène de l'air de transport utilisé dans l'injecteur 17 des moyens 15 de chauffage permet également: - d'augmenter les rendements de combustion du combustible de la source 24 en sortie du brûleur 16 et donc de réduire les imbrûlés produits par ce brûleur 16, et - de stabiliser la flamme 57 produite par ce brûleur 16 tout en
utilisant le combustible de mauvaise qualité de la source 24.
Ces effets sont dus au fait que l'oxygène introduit permet d'amener rapidement le combustible de la source 24 à sa température
d'inflammation.
On constate également que l'injection d'oxygène par enrichissement de l'air de la source 26 permet de raccourcir la flamme et donc la zone de cuisson à haute température dans le four rotatif 4. Par conséquent, les cristaux d'alites et de bélites constituant le clinker produit
sont plus petits qu'en l'absence d'injection d'oxygène.
Par exemple, les dimensions peuvent être réduites de 5 lm pour les cristaux d'alites et de 2 gm pour les cristaux de bélite en introduisant environ 7,6 Nm3 d'oxygène par tonne de clinker produite. On constate également que les taux de chaux libres présentes dans le clinker produit sont diminués, de 1,7 % en moyenne avec suroxygénation selon le
procédé décrit contre 2,9 % sans suroxygénation.
Ainsi, le ciment produit à partir d'un tel clinker présente des résistances à court et moyen termes plus élevées. On peut constater par exemple une augmentation de 1,5 MPa de la résistance à court terme et de
2,5 MPa de la résistance à moyen terme d'un tel ciment.
On notera que le brûleur 16 est un brûleur classique qu'il n'a
pas été nécessaire de modifier pour suroxygéner la flamme 57 qu'il produit.
Ainsi, le procédé décrit permet de réduire les coûts de fabrication de clinker, notamment par l'utilisation en quantités relativement importantes de combustibles de mauvaises qualités, tout en respectant les contraintes d'échange thermique dans l'installation 1 et en limitant les
émissions polluantes.
Selon une variante des moyens 15 de chauffage illustrée par la figure 4,le passage intérieur 20 de l'injecteur 17 est raccordé conjointement à la source 24 et à une conduite commune de sortie des
sources 25 d'air de transport et 27 d'oxygène.
Ainsi, dans cette variante, c'est l'air de transport du combustible de la source 24 qui est enrichi en oxygène avant son
introduction dans l'injecteur 17 pour suroxygéner la flamme 57.
Selon d'autres variantes non représentées, on peut enrichir en oxygène le fluide de transport de la source 25 et l'air de la source 26. Par ailleurs, cet enrichissement peut être assuré à l'intérieur de l'injecteur 17, le fluide à enrichir en oxygène et l'oxygène étant introduits séparément dans
l'injecteur 17 et non simultanément comme décrit ci-dessus.
De manière générale, le fluide enrichi en oxygène, et notamment le fluide de transport du combustible, peut être enrichi jusqu'à
avoir une concentration volumique en oxygène de 30% ou même 35%.
D'autres modes de suroxygénation de la flamme 57 produite
par le brûleur 16 vont maintenant être décrits en regard des figures 5 à 7.
Selon le mode de réalisation de la figure 5, I'injecteur 17 comprend une lance d'injection d'oxygène 65 disposée à l'intérieur du
passage 20 qui est maintenant de section annulaire.
La lance 65 présente un passage intérieur 66 de section circulaire qui est raccordé, au niveau de l'entrée 22 de l'injecteur 17, à la
source 27 d'oxygène.
Les passages 20 et 21 sont respectivement raccordés aux
sources 24, 25 et 26.
Ce mode de réalisation permet de créer au sein de la flamme 57 une flamme pilote stable qui chauffe très rapidement le combustible de la
source 24 jusqu'à sa température d'inflammation.
Le mode de réalisation de la figure 6 se distingue de celui de la figure 5 par le fait qu'un tube 67 est disposé autour de la lance 65 pour créer un nouveau passage 68 entre le passage 66 de la lance 65 d'injection
d'oxygène et le passage 20.
Le passage 68, de section annulaire, est relié, au niveau de l'entrée 22 de l'injecteur 17, à une source 70 de gaz naturel, qui est un
combustible de bonne qualité.
Les passages 66 et 68 forment ainsi un brûleur auxiliaire 71 gaz naturel/oxygène au sein même du brûleur 16. Le brûleur auxiliaire 71, situé radialement à l'intérieur du brûleur 16, produit une flamme pilote de meilleures caractéristiques que
celle du mode de réalisation de la figure 5.
Le mode de la réalisation de la figure 7 se distingue de celui de la figure 6 par le fait que le brûleur auxiliaire 71 est disposé radialement à l'extérieur du brûleur 16. En effet, le passage 66, maintenant de section annulaire, entoure extérieurement le passage 21, tandis que le passage 68
entoure extérieurement le passage 66.
La flamme pilote produite par le brûleur 71 est alors située
radialement à l'extérieur de la flamme 57.
Les différents modes de réalisation et variantes des figures 2 à
7 peuvent être combinés au niveau des moyens 15 de chauffage.
De manière générale, le débit d'oxygène doit être compris entre 2 et 20 Nm3/h par MW (mégawatt) de puissance théorique apportée par une combustion complète du ou des combustible(s) injecté(s) par les
moyens 15 de chauffage.
Cet oxygène doit être apporté par un fluide riche en oxygène, ayant une teneur en oxygène supérieure à celle de l'air, et injecté dans la
zone d'injection de combustible des moyens 15 de chauffage.
Cette injection de fluide riche en oxygène peut se faire par l'intermédiaire d'un fluide de transport d'un combustible injecté par les moyens 15 de chauffage. Ce combustible peut être de bonne ou de mauvaise qualité et sous forme fluide, c'est-à-dire liquide eVt/ou gazeuse, ou
sous forme solide.
En ce qui concerne les moyens 7 de chauffage, un certain
nombre d'autres modes de réalisation vont maintenant être décrits.
La figure 8 illustre un deuxième mode de réalisation des moyens 7 de chauffage, dans lequel la lance 47 est disposée à l'intérieur de l'injecteur 31, coaxialement à celui-ci, et fait partie de cet injecteur 31 et
donc du brûleur 29.
Le passage 43 est alors de section annulaire et la zone 62 d'injection d'oxygène est située au coeur de la zone 63 d'injection des eaux usées. L'oxygène de la source 51 est alors injecté vers la zone 61 d'injection de combustible avec un angle de convergence correspondant à l'inclinaison par rapport à l'horizontale de la lance 47, c'est-à-dire un angle
inférieur à 25 .
Ce deuxième mode de réalisation permet de limiter les quantités d'oxygène injectées par la lance 47 du fait de l'injection de cet oxygène au coeur même des eaux usées. Ce deuxième mode de réalisation est particulièrement destiné à l'augmentation des quantités d'eaux usées incinérées. La figure 9 illustre un troisième mode de réalisation des moyens 7 de chauffage dans lequel la lance 47 est supprimée et la suroxygénation au niveau de la flamme 64 est assurée: - par un enrichissement de l'air de pulvérisation de la source par de l'oxygène provenant d'une source 75, et - par un enrichissement de l'air de la source 38 par de
l'oxygène provenant d'une source 76.
Ainsi, une zone 63 d'injection d'oxygène entoure la zone 61 d'injection de combustible en sortie de l'injecteur 30, tandis qu'une zone 63 d'injection d'oxygène est confondue avec une zone 62 d'injection de
combustible en sortie de l'injecteur 31.
La pureté de l'oxygène des sources 75 et 76 est, par exemple,
supérieure à 90%.
Dans une variante de ce mode de réalisation illustrée schématiquement par la figure 10, la source 38 d'air a été remplacée par une conduite 77 de soutirage des fumées ou produits de combustion issus du four rotatif 4. Cette conduite 77 soutire ces fumées depuis une région aval du dispositif 3 de précalcination pour former, avec l'oxygène de la
source 76, le comburant du combustible de la source 38.
Les alimentations du brûleur 29 n'ont pas été représentées sur cette figure 10. La figure 11 illustre un quatrième mode de réalisation des moyens 7 de chauffage dans lequel les brûleurs 28, 29 et la lance 47 de la figure 3 sont remplacés par un seul brûleur 78 dont l'injecteur 79 est disposé avec son axe horizontal. L'injecteur 79, porté par la paroi 32, i0 comprend un passage intérieur 80 de section circulaire, entouré
extérieurement par un passage intermédiaire 81 de section annulaire, lui-
même entouré extérieurement par un passage extérieur 82 de section annulaire. Le passage intérieur 80 est raccordé, au niveau de l'entrée 83
de l'injecteur 79, à la source 37 de gaz naturel.
Le passage 81 est raccordé, au niveau de l'entrée 83 de l'injecteur 79, à la source 51 d'oxygène et le passage 82 est raccordé, au niveau de l'entrée 83, conjointement à la source 44 d'eaux usées et à la
source 45 d'air de pulvérisation.
Ce quatrième mode de réalisation permet d'assurer un bon mélange de tous les combustibles et comburants introduits dans l'injecteur 2
et de limiter l'encombrement des moyens 7 de chauffage.
En fait, dans ce mode de réalisation, les passages 80 et 81 forment un brûleur auxiliaire 84 gaz naturel/oxygène au sein du brûleur 78
pour produire une flamme pilote en sortie de l'injecteur 79.
Les modes de réalisation et variantes décrits en regard des figures 3 et 8 à 11 peuvent être combinés au niveau des moyens 7 de chauffage. De manière générale, on considère qu'il faut introduire un fluide riche en oxygène, ayant une concentration volumique en oxygène supérieure à celle des fumées ou produits de combustion issus du four rotatif 4 et qui traversent le dispositif de précalcination, pour apporter à l'aide de ce fluide riche en oxygène entre 1 et 40%, et de préférence entre 1 à 10%, de l'oxygène nécessaire à la combustion produite par les moyens 7
de chauffage.
Les produits de combustion issus du four rotatif peuvent amener 60 à 99% de l'oxygène stoechimétrique nécessaire à cette combustion. Le fluide riche en oxygène peut être obtenu par mélange d'une partie des produits de combustion, dont la concentration volumique en oxygène est comprise entre 1 et 4%, avec un fluide plus riche en oxygène, 0 par exemple de l'air, de l'air enrichi en oxygène et/ou de l'oxygène de
pureté supérieure à 88%.
De préférence, la quantité de fluide riche en oxygène introduite sera telle que la température adiabatique de la flamme 64 produite par les moyens 7 de chauffage soit supérieure à 1000 C et de
préférence à 1250 C.
De manière plus générale, la suroxygénation peut être assurée uniquement au niveau des moyens 7 de chauffage ou au niveau des moyens 15 de chauffage. Ainsi, le brûleur 16 des moyens 15 de chauffage peut n'être alimenté qu'en combustible et en air non suroxygéné ou avec un
autre comburant.
Dans ce cas, une suroxygénation est assurée au niveau des moyens 7 de chauffage par injection d'un fluide riche en oxygène à
proximité des zones d'injection de combustible des moyens 7 de chauffage.
Cette suroxygénation peut permettre la limitation des imbrûlés,
y compris de ceux issus des moyens 15 de chauffage.
Ce cas est particulièrement adapté à l'augmentation des quantités de combustible de mauvaise qualité incinérées. En effet, on a constaté que les contraintes de procédé d'élaboration imposées au niveau du dispositif 3 de précalcination sont principalement des seuils de température et d'imbrûlés que l'on peut facilement respecter avec suroxygénation, si bien que de grandes quantités de combustible de mauvaise qualité peuvent être incinérées au niveau de ce dispositif 3 de précalcination. De manière inverse, la suroxygénation peut n'être assurée qu'au niveau des moyens 15 de chauffage qu'on alimente avec au moins un combustible de mauvaise qualité. De manière plus générale, le procédé selon l'invention peut s'appliquer aux procédés de traitement de matériaux dans lesquels on décarbonate un matériau à base de minerai. Ainsi, le procédé selon
l'invention peut s'appliquer à la fabrication de la chaux ou de la dolomie.
Claims (33)
1. Procédé de calcination d'un matériau (2) à base de minerai dans lequel on fait passer le matériau dans un dispositif de précalcination (3) muni d'au moins un injecteur de combustible (30, 31; 79) alimenté avec au moins un combustible pour former en sortie de l'injecteur de combustible une zone d'injection de combustible et alimenté en comburant par les produits de combustion issus d'un four rotatif (4) situé en aval du dispositif de précalcination par rapport au sens d'écoulement du matériau (2), puis on fait passer le matériau (2) au moins partiellement calciné dans le four rotatif (4) muni à son extrémité aval d'un ensemble de combustion primaire (16), caractérisé en ce que l'on injecte au moins un fluide riche en oxygène à proximité de la zone d'injection de combustible, le fluide riche en oxygène ayant une concentration volumique en oxygène supérieure à celle des produits de combustion issus du four rotatif et qui traversent le dispositif de précalcination (3), de manière à apporter à l'aide du fluide riche en oxygène de 1% à 40%, de préférence de 1% à 10%, de l'oxygène stoechiométrique nécessaire à la combustion du combustible injecté par l'injecteur de combustible.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 60% à 99% de l'oxygène stoechiométrique nécessaire à la combustion du combustible sont apportés par les produits de combustion issus du four
rotatif (4).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la concentration volumique en oxygène des produits de combustion issus du
four rotatif (4) est supérieure ou égale à 1%.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que le fluide riche en oxygène est un mélange d'une partie des produits de combustion et d'un gaz contenant au moins environ
% en oxygène.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on prélève une partie des produits de combustion auquel on mélange de l'air ou de l'air enrichi en oxygène et/ou de l'oxygène industriellement pur de
concentration supérieure à environ 88%.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que la température adiabatique de la flamme (64) produite en sortie de l'injecteur de combustible est supérieure à 1 000 C.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température adiabatique de la flamme (64) produite en sortie de l'injecteur
de combustible est supérieure à 1250 C.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
io caractérisé en ce que le combustible avec lequel on alimente l'injecteur de
combustible est un combustible de mauvaise qualité.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,
caractérisé en ce que l'on injecte ledit fluide riche en oxygène par un
injecteur de fluide riche en oxygène distinct de l'injecteur de combustible.
10. Procédé selon les revendications 8 et 9 prises ensemble,
caractérisé en ce que la distance séparant la sortie dudit injecteur (47) de fluide riche en oxygène et la sortie de l'injecteur (31) de combustible est inférieure à environ 50 fois la largeur intérieure de l'injecteur de fluide riche
en oxygène.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,
caractérisé en ce que l'on injecte un fluide riche en oxygène vers la zone
d'injection de combustible de l'injecteur de combustible.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on injecte le combustible, par l'intermédiaire de l'injecteur de combustible, et le
fluide riche en oxygène avec un angle de convergence inférieur à 25 .
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,
caractérisé en ce que le dispositif (3) de précalcination comprend au moins deux injecteurs (30, 31) de combustible qu'on alimente respectivement avec au moins un combustible pour former en sortie une zone d'injection de combustible (61, 62), et en ce que l'on injecte au moins un fluide riche en oxygène, ayant une concentration volumique en oxygène supérieure à celle des produits de combustion issus du four rotatif (4), à proximité des zones
d'injection de combustible desdits au moins deux injecteurs de combustible.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13,
caractérisé en ce que l'on injecte au moins un fluide riche en oxygène, ayant une concentration volumique en oxygène supérieure à celle des produits de combustion issus du four rotatif (4), par l'intermédiaire d'un
injecteur (30, 31; 79) de combustible du dispositif de précalcination (3).
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'on utilise ledit fluide riche en oxygène comme fluide de transport d'un
combustible à l'intérieur dudit injecteur de combustible.
16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce qu'un fluide riche en oxygène est de l'oxygène de pureté supérieure à 90% que l'on fait circuler dans ledit injecteur de combustible par un passage propre
d'oxygène (49, 81).
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'on introduit par un passage (80) dudit injecteur de combustible voisin d'un passage propre d'oxygène (81) un combustible de bonne qualité pour
former une flamme pilote en sortie dudit injecteur de combustible.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17,
caractérisé en ce qu'au moins un ou chaque fluide riche en oxygène est de
l'air enrichi en oxygène.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18,
caractérisé en ce qu'au moins un fluide riche en oxygène a une
concentration en oxygène supérieure à 90%.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 19,
caractérisé en ce que l'on injecte un fluide riche en oxygène, ayant une concentration en oxygène supérieure à celle de l'air, dans une zone d'injection de combustible de l'ensemble de combustion primaire (16) du
four rotatif (4) (figures 2 et 4 à 7).
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'on introduit le fluide riche en oxygène au sein d'un injecteur (17) de
combustible de l'ensemble de combustion primaire (16) du four rotatif (4).
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que le fluide riche en oxygène est de l'oxygène de pureté supérieure à 90% que l'on fait circuler dans ledit injecteur (17) de combustible par un passage propre
d'oxygène (66).
23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'un passage propre d'oxygène (66) est situé radialement à l'intérieur dudit
injecteur (17) de combustible.
24. Procédé selon la revendication 22 ou 23, caractérisé en ce qu'un passage propre d'oxygène (66) est situé radialement à l'extérieur dudit
io injecteur (17) de combustible.
25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 22 à 24,
caractérisé en ce que l'on introduit, par un passage (68) dudit injecteur (17) de combustible voisin d'un passage propre d'oxygène (66), au moins un combustible de bonne qualité pour former une flamme pilote en sortie dudit
injecteur (17) de combustible.
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 21 à 25,
caractérisé en ce que l'on produit dans ledit injecteur (17) de combustible au moins un écoulement de combustible et au moins un écoulement d'air, et en ce que l'on enrichit en oxygène au moins un écoulement d'air et/ou de
combustible produit dans ledit injecteur de combustible (figures 2 et 4).
27. Procédé selon la revendication 26, caractérisé en ce que l'on produit un écoulement de combustible dans ledit injecteur de combustible en introduisant un combustible et un fluide de transport (25) de ce combustible dans l'injecteur de combustible, et en ce que l'on enrichit en oxygène (27) cet écoulement de combustible en enrichissant en oxygène le
fluide de transport.
28. Procédé selon la revendication 27, caractérisé en ce que l'on
introduit ledit combustible sous forme d'un fluide dans ledit injecteur.
29. Procédé selon la revendication 27, caractérisé en ce que l'on introduit ledit combustible sous forme de particules solides dans ledit injecteur.
30. Procédé selon l'une quelconque des revendications 27 à 29,
caractérisé en ce que l'on enrichit en oxygène le fluide de transport pour
qu'il ait une concentration en oxygène pouvant aller jusqu'à 35%.
31. Procédé selon l'une quelconque des revendications 26 à 30,
caractérisé en ce que ledit combustible est un combustible de mauvaise qualité.
32. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 à 31,
caractérisé en ce que l'on introduit de l'oxygène dans la zone d'injection de combustible de l'ensemble de combustion primaire (16) du four rotatif (4) avec un débit compris entre 2 et 20Nm3/h par MW de puissance théorique apportée par une combustion complète du ou des combustible(s) injecté(s)
par l'ensemble de combustion primaire (16).
33. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 32,
caractérisé en ce qu'il est un procédé de fabrication de clinker.
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