FR3105214A1 - Procédé et installation de traitement de cendres volantes - Google Patents
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Abstract
Procédé (1) de traitement de cendres volantes contenant une concentration initiale en carbone pour obtenir des cendres finales contenant une concentration finale prédéterminée en carbone, la concentration initiale en carbone étant supérieure à la concentration finale, le procédé de traitement comprenant :- une étape (E1) de détermination d’une proportion de carbone à éliminer pour obtenir la concentration finale,- une étape (E2) de séparation des cendres volantes en une pluralité de fractions, l’une des fractions dite fraction à appauvrir contenant la proportion de carbone à éliminer définie au cours de l’étape (E1), de façon à obtenir des cendres finales contenant la concentration finale en carbone,- une étape (E3) de calcination de la fraction à appauvrir pour sensiblement éliminer la concentration en carbone, cette fraction étant dite, fraction appauvrie, - une étape (E4) de mélange de la fraction appauvrie avec l’une ou les autres fractions de cendres volantes. Figure de l’abrégé : Figure 1
Description
L’invention concerne un procédé de traitement de cendres finales, ainsi qu’une installation convenant pour la mise en œuvre du procédé.
L’invention concerne le domaine des traitements des cendres volantes, et plus précisément concerne un procédé de valorisation des cendres volantes afin de les rendre propres à une utilisation dans un procédé ultérieur. En particulier, les cendres volantes sont de nature minérale, et présentent un pouvoir pouzzolanique les rendant intéressantes pour la production de ciment.
Les cendres volantes sont typiquement le produit des centrales thermiques utilisant un combustible fossile solide comme le charbon. Si les centrales thermiques de nouvelle génération produisent des cendres volantes ne nécessitant pas ou peu de traitement avant de pouvoir être utilisées par exemple comme ajout dans du ciment, les cendres volantes issues de centrales thermiques plus anciennes présentent une teneur en carbone trop élevée pour pouvoir être utilisées telles que. En effet, le carbone est un constituant indésirable pour les ciments, car il en dégrade la qualité et leur apporte une couleur noire.
Il est ainsi connu de retirer le carbone des cendres volantes afin de les valoriser. Typiquement, les cendres volantes alimentent un réacteur de calcination dans lequel les conditions sont contrôlées pour brûler le carbone. En effet, un inconvénient du passage dans le réacteur de calcination est que la température peut monter jusqu’à atteindre la température de transition vitreuse des cendres volantes, favorisant l’agglomération des cendres et dégradant le pouvoir pouzzolanique desdites cendres. Or, pour la production de ciment, la granulométrie des cendres doit être maîtrisée pour obtenir un ciment de qualité requise. Dans le document JP2018043910 il est proposé à cet effet de brûler le carbone des cendres volantes dans un réacteur de calcination dans lequel le taux en dioxygène est contrôlé notamment en fonction de la distribution granulométrique des cendres en sortie du réacteur de calcination. Dans le document JP201854212, il est proposé d’agiter les cendres volantes dans le réacteur de calcination pour éviter le phénomène d’agglomération.
En outre, historiquement, les cendres volantes ont été entreposées à l’extérieur, à proximité des centrales thermiques qui les ont produites, et sont donc soumises aux conditions climatiques. En particulier, ces cendres volantes ont un taux d’humidité élevé. Il est donc connu de sécher les cendres volantes avant de les utiliser. Par exemple, dans le document WO 2008/088564, il est proposé de mettre en place un réacteur de calcination à lit fluidisé et d’utiliser une partie de l’énergie générée par l’oxydation du carbone dans le réacteur pour le séchage des cendres volantes.
Dans ces documents, des performances élevées des réacteurs de calcination sont visées, afin de brûler le maximum de carbone dans les cendres volantes. Il en résulte que les réacteurs sont coûteux, notamment à cause de leur consommation en énergie pour assurer la calcination du carbone et leur implémentation dans une installation peut s’avérer fastidieuse, du fait des nombreux paramètres à contrôler.
Le document WO2011/003428 décrit une solution dans laquelle les cendres volantes sont brulées dans un réacteur de calcination de type flash: du combustible est apporté pour allumer les cendres volantes, et il est souhaité d’entretenir la calcination dans le réacteur par les cendres elles-mêmes. A cet effet, une «valeur calorifique» des cendres volantes est mesurée en amont du réacteur de calcination et est comparée à une valeur seuil, à partir de laquelle la réaction de calcination peut être entretenue par les cendres elles-mêmes. Cette valeur calorifique dépend de la teneur en carbone des cendres volantes. Si cette valeur est inférieure à une valeur seuil, alors du combustible additionnel est amené au réacteur de calcination pour entretenir la calcination. La température dans le réacteur de calcination est contrôlée en ajustant le débit de cendres volantes et/ou de combustible additionnel.
Toutefois, là encore, il est recherché la calcination quasi-complète du carbone dans les cendres volantes, requérant des mesures précises notamment pour obtenir la valeur calorifique.
Il existe donc un besoin pour surmonter notamment les inconvénients précités.
A cet effet, un premier objet de l’invention est de proposer un nouveau procédé de valorisation des cendres volantes peu coûteux.
Un deuxième objet de l’invention est de proposer un nouveau procédé de valorisation des cendres volantes facilement maitrisable.
Un troisième objet de l’invention est de proposer un nouveau procédé de valorisation des cendres volantes particulièrement adapté pour l’industrie du ciment.
Un quatrième objet de l’invention est de proposer un nouveau procédé de valorisation des cendres volantes réduisant les problèmes d’encrassement du réacteur de calcination.
Résumé
A cet effet, il est proposé en premier lieu un procédé de traitement de cendres finales contenant une concentration finale prédéterminée en carbone, à partir de cendres brutes contenant une concentration initiale en carbone supérieure à la concentration finale, le procédé de traitement comprenant:
- une étape de détermination d’une proportion de carbone à éliminer pour obtenir la concentration finale,
- une étape de séparation des cendres brutes en une pluralité de fractions, l’une des fractions dite fraction à appauvrir contenant la proportion de carbone à éliminer définie au cours de l’étape, de façon à obtenir des cendres finales contenant la concentration finale en carbone,
- une étape de calcination de la fraction à appauvrir pour sensiblement éliminer la concentration en carbone, cette fraction étant dite, fraction appauvrie,
- une étape de mélange de la fraction appauvrie avec l’une ou les autres fractions de cendres initiales pour obtenir les cendres finales contenant sensiblement la concentration finale en carbone prédéterminée.
- une étape de détermination d’une proportion de carbone à éliminer pour obtenir la concentration finale,
- une étape de séparation des cendres brutes en une pluralité de fractions, l’une des fractions dite fraction à appauvrir contenant la proportion de carbone à éliminer définie au cours de l’étape, de façon à obtenir des cendres finales contenant la concentration finale en carbone,
- une étape de calcination de la fraction à appauvrir pour sensiblement éliminer la concentration en carbone, cette fraction étant dite, fraction appauvrie,
- une étape de mélange de la fraction appauvrie avec l’une ou les autres fractions de cendres initiales pour obtenir les cendres finales contenant sensiblement la concentration finale en carbone prédéterminée.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :
- procédé dans lequel:
--- la fraction à appauvrir a une proportion déterminée sensiblement égale à la proportion de carbone à éliminer lorsque la séparation est effectuée sur un critère de proportion massique, et/ou
--- la fraction à appauvrir correspond aux refus à une maille de coupure pour laquelle la proportion de carbone contenue dans les cendres de taille supérieure à ladite maille de coupure est sensiblement égale à la proportion de carbone à éliminer lorsque la séparation est effectuée sur un critère granulométrique;
- procédé dans lequel celui-ci comprend une étape de séchage des cendres brutes;
- l’étape de séchage est réalisée avant l’étape de séparation des cendres brutes;
- procédé dans lequel celui-ci comprend une étape de récupération de l’énergie thermique issue de l’étape de calcination, cette énergie thermique récupérée étant utilisée dans le procédé de traitement et/ou pour une utilisation extérieure audit procédé de traitement;
- le séchage des cendres brutes effectué dans l’étape de séchage est réalisé au moyen de l’énergie récupérée au cours de l’étape de récupération de l’énergie thermique;
- procédé dans lequel celui-ci comporte en outre:
---une étape de détermination d’une quantité d’énergie nécessaire au séchage et/ou à une utilisation extérieure,
---une étape de vérification si la quantité d’énergie récupérée est au moins égale à la quantité d’énergie nécessaire,
--- si la quantité d’énergie récupérée est inférieure à la quantité d’énergie nécessaire, le procédé comprend:
--- une étape de calcul d’une quantité d’énergie complémentaire égale à la différence entre la quantité d’énergie nécessaire et la quantité d’énergie récupérée
--- une étape d’augmentation de la proportion de carbone à éliminer en fonction de la quantité d’énergie complémentaire et de sorte que la quantité d’énergie récupérée soit sensiblement égale à la quantité d’énergie nécessaire;
- procédé dans lequel celui-ci comprend une étape d’ajout d’un combustible d’appoint au cours de l’étape de calcination;
- la concentration finale en carbone des cendres finales est inférieure à 5%;
- procédé dans lequel la concentration initiale en carbone des cendres brutes est supérieure ou égale à 5%;
- la séparation en une pluralité de fractions est réalisée sur un critère de proportion massique;
- la séparation en une pluralité de fractions est réalisée sur un critère granulométrique;
- la séparation est réalisée avec une maille de coupure comprise entre 10 et 200 micromètres, et de préférence avec une maille de coupure comprise entre 20 et 80 micromètres.
- procédé dans lequel:
--- la fraction à appauvrir a une proportion déterminée sensiblement égale à la proportion de carbone à éliminer lorsque la séparation est effectuée sur un critère de proportion massique, et/ou
--- la fraction à appauvrir correspond aux refus à une maille de coupure pour laquelle la proportion de carbone contenue dans les cendres de taille supérieure à ladite maille de coupure est sensiblement égale à la proportion de carbone à éliminer lorsque la séparation est effectuée sur un critère granulométrique;
- procédé dans lequel celui-ci comprend une étape de séchage des cendres brutes;
- l’étape de séchage est réalisée avant l’étape de séparation des cendres brutes;
- procédé dans lequel celui-ci comprend une étape de récupération de l’énergie thermique issue de l’étape de calcination, cette énergie thermique récupérée étant utilisée dans le procédé de traitement et/ou pour une utilisation extérieure audit procédé de traitement;
- le séchage des cendres brutes effectué dans l’étape de séchage est réalisé au moyen de l’énergie récupérée au cours de l’étape de récupération de l’énergie thermique;
- procédé dans lequel celui-ci comporte en outre:
---une étape de détermination d’une quantité d’énergie nécessaire au séchage et/ou à une utilisation extérieure,
---une étape de vérification si la quantité d’énergie récupérée est au moins égale à la quantité d’énergie nécessaire,
--- si la quantité d’énergie récupérée est inférieure à la quantité d’énergie nécessaire, le procédé comprend:
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--- une étape d’augmentation de la proportion de carbone à éliminer en fonction de la quantité d’énergie complémentaire et de sorte que la quantité d’énergie récupérée soit sensiblement égale à la quantité d’énergie nécessaire;
- procédé dans lequel celui-ci comprend une étape d’ajout d’un combustible d’appoint au cours de l’étape de calcination;
- la concentration finale en carbone des cendres finales est inférieure à 5%;
- procédé dans lequel la concentration initiale en carbone des cendres brutes est supérieure ou égale à 5%;
- la séparation en une pluralité de fractions est réalisée sur un critère de proportion massique;
- la séparation en une pluralité de fractions est réalisée sur un critère granulométrique;
- la séparation est réalisée avec une maille de coupure comprise entre 10 et 200 micromètres, et de préférence avec une maille de coupure comprise entre 20 et 80 micromètres.
Il est proposé en second lieu une installation de traitement de cendres finales contenant une concentration finale prédéterminée en carbone, à partir de cendres brutes contant une concentration initiale en carbone supérieure à la concentration finale, l’installation comprenant:
- un moyen apte à déterminer une proportion de carbone à éliminer,
- un moyen de séparation des cendres brutes en une pluralité de fractions, l’une des fractions, dite fraction à appauvrir, contenant la proportion de carbone à éliminer, de façon à obtenir des cendres finales contenant la concentration finale en carbone,
- un moyen de calcination de la fraction à appauvrir pour obtenir une fraction appauvrie, la fraction appauvrie contenant une concentration en carbone sensiblement nulle,
- un moyen apte à mélanger la fraction appauvrie avec la ou les autre(s) fraction(s) séparées par le moyen de séparation, pour obtenir des cendres finales contenant la concentration finale prédéterminée en carbone,
ladite installation étant apte à mettre en œuvre le procédé de traitement tel que précédemment décrit.
- un moyen apte à déterminer une proportion de carbone à éliminer,
- un moyen de séparation des cendres brutes en une pluralité de fractions, l’une des fractions, dite fraction à appauvrir, contenant la proportion de carbone à éliminer, de façon à obtenir des cendres finales contenant la concentration finale en carbone,
- un moyen de calcination de la fraction à appauvrir pour obtenir une fraction appauvrie, la fraction appauvrie contenant une concentration en carbone sensiblement nulle,
- un moyen apte à mélanger la fraction appauvrie avec la ou les autre(s) fraction(s) séparées par le moyen de séparation, pour obtenir des cendres finales contenant la concentration finale prédéterminée en carbone,
ladite installation étant apte à mettre en œuvre le procédé de traitement tel que précédemment décrit.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison:
- l’installation comprend un moyen de séchage des cendres brutes, ledit moyen de séchage étant situé en amont du moyen de séparation selon le sens de déplacement des cendres brutes non fractionnées, ladite installation étant apte à mettre en œuvre le procédé de traitement tel que précédemment décrit;
- l’installation comprend un moyen de récupération de l’énergie thermique provenant du moyen de calcination, le moyen de récupération étant agencé pour fournir l’énergie thermique récupérée au moyen de séchage pour sécher les cendres brutes et/ou le moyen de récupération étant agencé pour fournir l’énergie thermique récupérée pour une autre utilisation, et dans laquelle l’installation est apte à mettre en œuvre le procédé tel que précédemment décrit;
- l’installation comprend des moyens de contrôle de sorte que l’installation est apte à mettre en œuvre un procédé tel que précédemment décrit;
- le moyen de séparation est un clapet diviseur;
- le moyen de séparation est un séparateur dynamique;
- le séparateur dynamique a une maille de coupure comprise entre 10 et 200 micromètres, de préférence comprise entre 20 et 80 micromètres.
Brève description des dessins
- l’installation comprend un moyen de séchage des cendres brutes, ledit moyen de séchage étant situé en amont du moyen de séparation selon le sens de déplacement des cendres brutes non fractionnées, ladite installation étant apte à mettre en œuvre le procédé de traitement tel que précédemment décrit;
- l’installation comprend un moyen de récupération de l’énergie thermique provenant du moyen de calcination, le moyen de récupération étant agencé pour fournir l’énergie thermique récupérée au moyen de séchage pour sécher les cendres brutes et/ou le moyen de récupération étant agencé pour fournir l’énergie thermique récupérée pour une autre utilisation, et dans laquelle l’installation est apte à mettre en œuvre le procédé tel que précédemment décrit;
- l’installation comprend des moyens de contrôle de sorte que l’installation est apte à mettre en œuvre un procédé tel que précédemment décrit;
- le moyen de séparation est un clapet diviseur;
- le moyen de séparation est un séparateur dynamique;
- le séparateur dynamique a une maille de coupure comprise entre 10 et 200 micromètres, de préférence comprise entre 20 et 80 micromètres.
Brève description des dessins
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après en relation avec les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :
:
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Description détaillée de l’invention
Sur la figure 1 est représenté un procédé 1 de traitement de cendres volantes. Les cendres volantes finales contiennent une concentration finale prédéterminée en carbone inférieure à 5 %. Ces cendres finales sont produites à partir de cendres brutes contenant une concentration initiale en carbone supérieure ou égale à 5 %. Il est ici, et dans ce qui suivra, fait référence à des concentrations massiques, exprimées sur cendres sèches.
Des cendres finales utilisables dans le cadre de la production de ciment contiennent par exemple, une concentration en carbone d’environ 4,5 %.
Le procédé 1 de traitement sera décrit en prenant pour exemple des cendres initiales contenant une concentration en carbone de 10% et des cendres finales dont la concentration en carbone est de 4,5%.
Afin d’obtenir la concentration finale en carbone souhaitée, il est nécessaire d’éliminer 55 % du carbone présent dans les cendres initiales.
Le procédé 1 comprend une première étape E1 de détermination d’une proportion de carbone à éliminer pour atteindre la concentration finale souhaitée. Un opérateur peut, par exemple, renseigner la concentration finale souhaitée des cendres finales et la concentration initiale des cendres brutes. La première étape E1 de détermination consiste alors à calculer la proportion de carbone à éliminer. La proportion de carbone à éliminer, exprimée en pourcentage, se définit comme suit: le ratio entre la différence entre concentration en carbone des cendres brutes et concentration de carbone souhaitée des cendres finales (numérateur) et la concentration en carbone des cendres brutes (dénominateur). Cette proportion de carbone à éliminer est dans l’exemple de réalisation de 55%.
Dans une deuxième étape E2, dite de séparation, les cendres sont séparées en plusieurs fractions.
L’une des fractions, dite fraction à appauvrir contient la proportion de carbone à éliminer.
Selon un premier mode de réalisation, la séparation est réalisée sur un critère proportion massique.
Chaque fraction contient la concentration initiale en carbone. Dans l’exemple, chaque fraction contient ainsi une concentration initiale de 10 % de carbone.
La fraction à appauvrir présente une proportion déterminée qui est sensiblement égale à la proportion de carbone à éliminer obtenue au cours de l’étape E1. Par sensiblement, il est ici fait référence au fait qu’il peut y avoir un écart de cinq points entre la proportion de carbone à éliminer déterminée dans l’étape E1 et la proportion de la fraction à appauvrir obtenue au cours de l’étape de séparation E2. A titre illustratif uniquement, si à l’issue de l’étape E1 la proportion de carbone à éliminer est de 55%, alors la proportion de la fraction à appauvrir pourra être au plus bas de 50% et au plus haut de 60%, cela étant dû au fait que les cyclones utilisés dans l’industrie ne réalisent pas une séparation parfaite entre gaz et cendres. En d’autres termes, en quittant les cyclones, ces gaz entraînent des cendres avec eux.
En prenant le cas simple dans lequel les cendres sont séparées en trois fractions, la fraction à appauvrir présente une proportion de 57,6 % de cendres tandis qu’une autre fraction correspond à 37,4 % de cendres et une dernière fraction comporte une proportion de 5% de cendres, chacune de ces fractions contenant 10 % de carbone en masse. En d’autres termes, dans le premier mode de réalisation, sur un débit massique total de 100 %, le débit massique de la fraction à appauvrir correspond à 57,6 % tandis que les débits massiques des autres fractions correspondent ensembles à 42,4 % du débit massique total.
Cette fraction à appauvrir permettra d’obtenir des cendres finales contenant la concentration finale en carbone, à savoir 4,5 % de carbone, ainsi que ceci sera décrit ultérieurement.
Selon un deuxième mode de réalisation, la séparation est réalisée sur un critère granulométrique. Le carbone loge principalement dans les cendres dont la taille des grains est élevée en comparaison des cendres de petites tailles. Ainsi les cendres de grandes tailles constituent la fraction à appauvrir tandis que les cendres de petites tailles constituent l’autre fraction. Dans le deuxième mode de réalisation, selon l’exemple la fraction à appauvrir présente une proportion déterminée qui contient 55% du carbone à éliminer. Le second mode de réalisation nécessite donc de connaître la granulochimie des cendres brutes afin de paramétrer correctement une maille de coupure. La granulochimie des cendres brutes permet de connaître le taux de carbone dans un grain de cendre en fonction de sa taille. Ainsi, dans le deuxième mode de réalisation, la fraction à appauvrir est définie comme la fraction dont les grains présentent des dimensions supérieures à la valeur de consigne de la maille de coupure. En d’autres termes cette fraction à appauvrir correspond aux refus du séparateur granulométrique, et contient sensiblement la proportion de carbone à éliminer déterminée au cours de l’étape E1.
Dans ce qui suit les caractéristiques sont communes aux deux modes de réalisation.
Dans une troisième étape E3, dite de calcination, la fraction à appauvrir est calcinée. Le carbone contenu dans la fraction à appauvrir sert de combustible pour la calcination. Au cours de la troisième étape E3, le carbone est sensiblement éliminé et la fraction à appauvrir devient une fraction dite appauvrie. La fraction appauvrie présente une teneur en carbone sensiblement nulle, c’est-à-dire proche de 0 %. Dans ce qui suit, et pour plus de clarté, nous considèrerons que la fraction appauvrie ne comporte plus de carbone. La calcination des cendres est réalisée sous une température comprise entre environ 600 et 900°C.
La troisième étape E3 de calcination comporte une opération de refroidissement des cendres de la fraction appauvrie.
Dans une quatrième étape E4, dite de mélange, la fraction appauvrie est mélangée avec les autres fractions comportant la concentration initiale de 10 %. Les fractions ainsi mélangées permettent d’obtenir les cendres finales dont la teneur en carbone est de 4,5 %.
Le procédé 1 comporte avantageusement, une étape E5 préliminaire de séchage dans laquelle les cendres brutes sont séchées. Après cette étape préliminaire de séchage, la teneur en eau des cendres est alors sensiblement nulle. L’eau dans les cendres peut dégrader la qualité du ciment produit ultérieurement et aussi rendre difficile la calcination des cendres dans l’étape de calcination.
L’étape préliminaire de séchage est réalisée avant l’étape de séparation des cendres brutes en plusieurs fractions. En effet, la séparation est plus efficace lorsque les cendres sont sèches.
La calcination de la fraction à appauvrir permet de produire de l’énergie sous forme de chaleur. Le procédé 1 de traitement de cendres comporte avantageusement, une étape E6 de récupération de l’énergie thermique issue de l’étape de calcination. L’énergie thermique récupérée est utilisée dans le procédé de traitement ou bien pour une autre application.
Ceci permet de recycler au moins une partie de l’énergie thermique afin de diminuer l’impact environnemental et énergétique du procédé de traitement.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, le séchage des cendres brutes effectué dans l’étape de séchage est réalisé en utilisant l’énergie thermique de l’étape de calcination.
Ceci permet avantageusement de réduire l’impact environnemental et énergétique du procédé de traitement.
Toutefois, il peut arriver que l’énergie thermique nécessaire au séchage et/ou pour une autre utilisation soit insuffisante. Afin d’éviter l’ajout d’une énergie d’appoint, le procédé peut faire varier l’énergie récupérée dans l’étape de récupération.
Le procédé de traitement comprend en outre une étape E7 de détermination d’une quantité d’énergie nécessaire au séchage et/ou à une autre utilisation extérieure. Une étape E8 de vérification si la quantité d’énergie récupérée est au moins égale à la quantité d’énergie nécessaire. Si la quantité d’énergie récupérée est inférieure à la quantité d’énergie nécessaire, le procédé 1 de traitement prévoit une étape E9 de calcul de la quantité d’énergie complémentaire, laquelle est égale à la différence entre la quantité d’énergie nécessaire et la quantité d’énergie récupérée. Sur la base de l’énergie complémentaire, le procédé 1 de traitement comporte une étape E10 d’augmentation de la proportion de carbone à éliminer de sorte que la quantité d’énergie nécessaire et la quantité d’énergie récupérée soient sensiblement égales. Ceci a pour conséquence d’augmenter l’énergie au niveau de la calcination et par conséquent d’augmenter l’énergie récupérée.
Au contraire si la quantité d’énergie récupérée est supérieure à la quantité d’énergie nécessaire, le procédé comprend une étape E9 de calcul de la quantité d’énergie superflue qui est égale à la différence entre la quantité d’énergie récupérée et la quantité d’énergie nécessaire puis une étape E10 de réduction de la proportion de carbone à éliminer de sorte que la quantité d’énergie récupérée et la quantité d’énergie nécessaire soient sensiblement identiques. Dans ce cas, la réduction de la proportion de carbone à éliminer se fera en veillant à respecter à minima la valeur déterminée à l’étape E1 permettant d’obtenir la concentration finale prédéterminée.
Ces étapes permettent avantageusement de piloter au mieux la proportion de carbone à éliminer en fonction des besoins énergétiques du séchage et éventuellement d’autres besoins.
Ainsi que précédemment évoqué, le carbone contenu dans les cendres volantes de la fraction à appauvrir est utilisé comme combustibe. Ce carbone peut poser des problèmes de combustion. Le procédé comprend ainsi une étape supplémentaire d’ajout d’un combustible d’appoint au cours de l’étape de calcination. Le combustible d’appoint est par exemple du gaz naturel. Un combustible d’appoint permet de stabiliser la flamme.
Sur les figures 2 et 3 sont représentées, des installations 28 de traitement de cendres destinées à mettre en œuvre le procédé 1 de traitement de cendres décrit ci-dessus.
Dans ce qui suit, les éléments décrits sont communs aux deux modes de réalisation.
L’installation 28 comporte une unité 2 de contrôle. L’unité 2 de contrôle est apte à envoyer des consignes aux divers éléments de l’installation 28.
L’unité 2 de contrôle permet en outre de déterminer la proportion de carbone à éliminer. En effet, l’unité 2 de contrôle comporte une interface (non représentée) permettant à un opérateur d’insérer des informations, notamment la concentration de carbone dans les cendres brutes et la concentration finale de carbone des cendres finales. L’unité 2 de contrôle peut alors calculer la proportion de carbone à éliminer selon le procédé précédemment décrit.
L’installation comporte:
-un sécheur 3,
-un moyen 4 de séparation des cendres brutes en plusieurs fractions,
- un moyen 5 de calcination des cendres brutes,
- un moyen 6 pour mélanger les fractions de cendres.
-un sécheur 3,
-un moyen 4 de séparation des cendres brutes en plusieurs fractions,
- un moyen 5 de calcination des cendres brutes,
- un moyen 6 pour mélanger les fractions de cendres.
L’installation comprend en outre au moins un moyen 24, 25, 26 de refroidissement de la fraction appauvrie.
Les flèches représentées sur les dessins, illustrent le sens de déplacement des cendres.
L’installation 28 comporte un réservoir 7 contenant des cendres brutes. Dans ce réservoir 7, les cendres brutes sont humides et contiennent une concentration initiale de carbone d’environ 10 %.
Les cendres humides sont acheminées du réservoir 7 de stockage jusqu’au sécheur 3 via une canalisation 8 d’acheminement.
Dans le sécheur 3, les cendres brutes sont transportées en direction du moyen 4 de séparation via une gaine 9 de séchage. Le processus de séchage des cendres brutes s’effectue tout le long de la gaine 9 de séchage et jusqu’au moyen 4 de séparation. Dans la gaine 9 de séchage, les cendres humides sont mélangées avec d’autres cendres sèches. Ce point sera décrit ultérieurement dans la description.
Le premier et le second mode de réalisation diffèrent l’un de l’autre par leur moyen de séparation. Les autres éléments des installations sont identiques dans chacun des modes de réalisation.
Mode de réalisation 1
Dans le premier mode de réalisation représenté sur la figure 2, le moyen 4 de séparation comporte un cyclone 10 de séparation post séchage et un séparateur 11. Le séparateur 11 est par exemple un clapet diviseur. Ces éléments permettent ensembles de séparer les cendres en trois fractions à savoir, une première fraction, une deuxième fraction et une troisième fraction.
Les cendres séchées arrivent dans le cyclone 10 de séparation post séchage où environ 95 % des cendres séchées sont envoyées par gravité vers le séparateur 11 et environ 5 % des cendres séchées s’échappent par une gaine 12 d’échappement de l’installation 28 avec le flux gazeux et correspondent à la première fraction.
La première fraction traverse un filtre 13 où les cendres séchées sont retenues et envoyées vers le moyen 6 pour mélanger les fractions de cendres. Les gaz filtrés sont évacués par une cheminée 15.
Le séparateur 11 permet de séparer les 95 % de cendres séchées en deux fractions à savoir la deuxième et la troisième fraction précédemment évoquées. La deuxième fraction, dite fraction à appauvrir, représente 57,6 % du débit massique total arrivant depuis la gaine 9 de séchage. La troisième fraction représente 37,4 % du débit massique total.
La fraction à appauvrir est envoyée par une canalisation 16 de transport, vers le moyen 5 de calcination. Le moyen 5 de calcination comporte un répartiteur 17 de stabilisation, une chambre 18 de combustion dans laquelle est agencé un brûleur 19, une canalisation 20 d’alimentation en combustible d’appoint ainsi qu’une gaine 21 d’arrivée d’air comburant d’appoint. Le moyen 5 de calcination comprend en outre une gaine 22 de calcination et un cyclone 23 de séparation post calcination.
Le répartiteur 17 de stabilisation sépare en deux parties la fraction à appauvrir. L’une des parties, est envoyée vers le brûleur 19 via une canalisation 29 principale tandis que l’autre partie est acheminée vers la chambre 18 de combustion via la gaine 21 d’arrivée d’air de comburant. Ceci permet de ne pas étouffer la flamme du brûleur en répartissant les cendres de la fraction à appauvrir, selon deux arrivées différentes.
Le carbone contenu dans la fraction à appauvrir est utilisée comme combustible dans le brûleur 19 et la chambre 18 de combustion. L’arrivée d’air permet d’apporter de l’air frais au brûleur 19 et à la chambre 18 de combustion pour la combustion. Lorsque la flamme est instable, l’unité 2 de contrôle envoie une consigne d’ajout d’un combustible d’appoint dans le brûleur.
Les cendres calcinées sont transportées par le flux gazeux, ci-après dénommées, la fraction appauvrie. La fraction appauvrie sort de la chambre 18 et entre dans la gaine 22 de calcination et puis dans un cyclone 23 de séparation post calcination. Les gaz transportant les cendres calcinées dans la gaine 22 de calcination sont à une température élevée. La gaine 22 de calcination débouche dans le cyclone 23 de séparation post calcination. Le cyclone 23 de séparation post calcination permet de recycler les gaz chauds circulant dans la gaine 22 de calcination. En effet, l’échappement du cyclone 23 de séparation post calcination est relié à la gaine 9 de séchage de sorte que les gaz chauds entrent en contact avec les cendres brutes provenant de la canalisation 8 d’acheminement.
Dans le cyclone 23 de séparation post calcination, environ 70% de la fraction appauvrie descend au fond de celui-ci par gravité et entre dans une canalisation 30 allant vers les moyens de refroidissement tandis qu’environ 30 % de la fraction appauvrie est entraînée avec les gaz dans la gaine 9 de séchage. A température élevée, les cyclones sont moins performants en raison de la viscosité plus importante des gaz.
Les moyens de refroidissement comprennent trois cyclones 24, 25, 26.
En sortant de la canalisation 30, la fraction appauvrie passe successivement par trois cyclones dans l’ordre suivant: un premier cyclone 24 dans lequel une partie de la fraction appauvrie s’échappe vers le brûleur 19 tandis que l’autre se dirige vers un deuxième cyclone 25 dans lequel une partie de le fraction appauvrie regagne le premier cyclone 24 tandis que l’autre partie descend vers un troisième cyclone 26. Dans le troisième cyclone 26, une partie de la fraction appauvrie s’échappe vers le deuxième cyclone 25 tandis que l’autre partie descend vers une canalisation 14 de sortie où elle est mélangée à la première fraction et à la deuxième fraction dans le mélangeur 6.
Mode de réalisation 2
Dans le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 3, le moyen 4 de séparation comporte un séparateur 27 granulométrique. Le séparateur 27 granulométrique permet de séparer les cendres en deux fractions à savoir, une première fraction et une deuxième fraction à l’aide d’une maille de coupure. Les petites cendres dont la taille est inférieure à un seuil défini par la maille de coupure constituent la première fraction. Les grosses cendres dont la taille est supérieure au seul défini par la maille de coupure constituent la deuxième fraction.
Le séparateur 27 granulométrique est avantageusement de type dynamique. Ce type de séparateur est particulièrement intéressant pour une utilisation dans la gamme de dimensions des mailles de coupure utilisées. La maille de coupure se situe avantageusement entre 10 et 200 micromètres dans le cadre du deuxième mode de réalisation. La maille de coupure est de préférence comprise entre 20 et 80 micromètres. Cette maille de coupure permet d’obtenir une proportion adéquate de carbone à éliminer dans le cadre du deuxième mode de réalisation.
Les cendres séchées arrivent dans le séparateur 27 granulométrique. Les petites cendres sont envoyées vers une gaine 12 d’échappement de l’installation 28 et correspondent à la première fraction ainsi que précédemment évoqué.
La première fraction traverse un filtre 13 où les cendres séchées sont retenues et envoyées vers le moyen 6 pour mélanger les fractions de cendres. Les gaz filtrés sont évacués par une cheminée 15. Dans ce qui suit, la deuxième fraction est la fraction à appauvrir.
La fraction à appauvrir est envoyée par une canalisation 16 de transport, vers le moyen 5 de calcination. Le moyen 5 de calcination comporte un répartiteur 17 de stabilisation, une chambre 18 de combustion dans laquelle est agencé un brûleur 19, une canalisation 20 d’alimentation en combustible d’appoint ainsi qu’une gaine 21 d’arrivée d’air comburant d’appoint. Le moyen 5 de calcination comprend en outre une gaine 22 de calcination et un cyclone 23 de séparation post calcination.
Le répartiteur 17 de stabilisation sépare en deux parties la fraction à appauvrir. L’une des parties, est envoyée vers le brûleur 19 via une canalisation 29 principale tandis que l’autre partie est acheminée vers la chambre 18 de combustion via la gaine 21 d’arrivée d’air comburant. Ceci permet de ne pas étouffer la flamme du brûleur en répartissant les cendres de la fraction à appauvrir, selon deux arrivées différentes.
La carbone contenu dans la fraction à appauvrir est utilisé comme combustible dans le brûleur 19 et la chambre 18 de combustion. L’arrivée d’air permet d’apporter de l’air frais au brûleur 19 et à la chambre 18 pour la combustion. Lorsque la flamme est instable, l’unité 2 de contrôle envoie une consigne d’ajout d’un combustible d’appoint dans le brûleur.
Les cendres calcinées sont transportées par le flux gazeux, ci-après dénommées, la fraction appauvrie. La fraction appauvrie sort de la chambre 18 et entre dans la gaine 22 de calcination et puis dans un cyclone 23 de séparation post calcination. Les gaz transportant les cendres calcinées dans la gaine 22 de calcination sont à une température élevée. La gaine 22 de calcination débouche dans le cyclone 23 de séparation post calcination. Le cyclone 23 de séparation post calcination permet de recycler les gaz chauds circulant dans la gaine 22 de calcination. En effet, l’échappement du cyclone 23 de séparation post calcination est relié à la gaine 9 de séchage de sorte que les gaz chauds entrent en contact avec les cendres brutes provenant de la canalisation 8 d’acheminement.
Dans le cyclone 23 de séparation post calcination, environ 70% de la fraction appauvrie descend au fond de celui-ci par gravité et entre dans une canalisation 30 allant vers les moyens de refroidissement tandis qu’environ 30 % de la fraction appauvrie est entraînée avec les gaz dans la gaine 9 de séchage. A température élevée, les cyclones sont moins performants en raison de la viscosité plus importante des gaz.
Les moyens de refroidissement comprennent trois cyclones 24, 25, 26.
En sortant de la canalisation 30, la fraction appauvrie passe successivement par trois cyclones dans l’ordre suivant: un premier cyclone 24 dans lequel une partie de la fraction appauvrie s’échappe vers le brûleur 19 tandis que l’autre se dirige vers un deuxième cyclone 25 dans lequel une partie de le fraction appauvrie regagne le premier cyclone 24 tandis que l’autre partie est envoyée vers un troisième cyclone 26. Dans le troisième cyclone 26, une partie de la fraction appauvrie s’échappe vers le deuxième cyclone 25 tandis que l’autre partie est envoyée vers une canalisation 14 de sortie où elle est mélangée à la première fraction et à la deuxième fraction dans le mélangeur 6.
Dans les deux modes de réalisation, les cyclones 24, 25, 26 sont alimentés par une arrivée d’air 31 de refroidissement pour permettre le refroidissement des cendres et transporter celles-ci.
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Claims (20)
- Procédé (1) de traitement de cendres volantes contenant une concentration initiale en carbone pour obtenir des cendres finales contenant une concentration finale prédéterminée en carbone, la concentration initiale en carbone étant supérieure à la concentration finale, le procédé de traitement comprenant:
- une étape (E1) de détermination d’une proportion de carbone à éliminer pour obtenir la concentration finale,
- une étape (E2) de séparation des cendres volantes en une pluralité de fractions, l’une des fractions dite fraction à appauvrir contenant la proportion de carbone à éliminer définie au cours de l’étape (E1), de façon à obtenir des cendres finales contenant la concentration finale en carbone,
- une étape (E3) de calcination de la fraction à appauvrir pour sensiblement éliminer la concentration en carbone, cette fraction étant dite, fraction appauvrie,
- une étape (E4) de mélange de la fraction appauvrie avec l’une ou les autres fractions de cendres volantes pour obtenir les cendres finales contenant sensiblement la concentration finale en carbone prédéterminée. - Procédé (1) de traitement selon la revendication 1 dans lequel:
- la fraction à appauvrir a une proportion déterminée sensiblement égale à la proportion de carbone à éliminer lorsque la séparation est effectuée sur un critère de proportion massique, et/ou
- la fraction à appauvrir correspond aux refus à une maille de coupure pour laquelle la proportion de carbone contenue dans les cendres de taille supérieure à ladite maille de coupure est sensiblement égale à la proportion de carbone à éliminer lorsque la séparation est effectuée sur un critère granulométrique. - Procédé (1) de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel celui-ci comprend une étape (E5) de séchage des cendres volantes.
- Procédé de traitement selon la revendication 3 dans lequel, l’étape (E5) de séchage est réalisée avant l’étape (E2) de séparation des cendres volantes.
- Procédé (1) de traitement selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4 dans lequel, celui-ci comprend une étape (E6) de récupération de l’énergie thermique issue de l’étape (E3) de calcination, cette énergie thermique récupérée étant utilisée dans le procédé (1) de traitement et/ou pour une utilisation extérieure audit procédé (1) de traitement.
- Procédé (1) de traitement selon la revendication 5, dans lequel le séchage des cendres brutes effectué dans l’étape (E5) de séchage est réalisé au moyen de l’énergie récupérée au cours de l’étape (E6) de récupération de l’énergie thermique.
- Procédé (1) de traitement selon la revendication 6 dans lequel, celui-ci comporte en outre:
- une étape (E7) de détermination d’une quantité d’énergie nécessaire au séchage et/ou à une utilisation extérieure,
- une étape (E8) de vérification si la quantité d’énergie récupérée est au moins égale à la quantité d’énergie nécessaire,
- si la quantité d’énergie récupérée est inférieure à la quantité d’énergie nécessaire, le procédé (1) comprend:
- une étape (E9) de calcul d’une quantité d’énergie complémentaire égale à la différence entre la quantité d’énergie nécessaire et la quantité d’énergie récupérée
- une étape (E10) d’augmentation de la proportion de carbone à éliminer en fonction de la quantité d’énergie complémentaire et de sorte que la quantité d’énergie récupérée soit sensiblement égale à la quantité d’énergie nécessaire. - Procédé (1) de traitement selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, celui-ci comprend une étape d’ajout d’un combustible d’appoint au cours de l’étape (E3) de calcination.
- Procédé (1) de traitement selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, la concentration finale en carbone des cendres finales est inférieure à 5%.
- Procédé (1) de traitement selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la concentration initiale en carbone des cendres volantes est supérieure ou égale à 5%.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, la séparation en une pluralité de fractions est réalisée sur un critère de proportion massique.
- Procédé (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 dans lequel, la séparation en une pluralité de fractions est réalisée sur un critère granulométrique.
- Procédé (1) selon la revendication 12 dans lequel, la séparation est réalisée avec une maille de coupure comprise entre 10 et 200 micromètres, et de préférence avec une maille de coupure comprise entre 20 et 80 micromètres.
- Installation (28) de traitement de cendres volantes contenant une concentration initiale en carbone pour obtenir des cendres finales contenant une concentration finale prédéterminée en carbone, la concentration initiale en carbone étant supérieure à la concentration finale, l’installation comprenant:
- un moyen (2) apte à déterminer une proportion de carbone à éliminer,
- un moyen (4) de séparation des cendres volantes en une pluralité de fractions, l’une des fractions, dite fraction à appauvrir, contenant la proportion de carbone à éliminer, de façon à obtenir des cendres finales contenant la concentration finale en carbone,
- un moyen (5) de calcination de la fraction à appauvrir pour obtenir une fraction appauvrie, la fraction appauvrie contenant une concentration en carbone sensiblement nulle,
- un moyen (6) apte à mélanger la fraction appauvrie avec la ou les autre(s) fraction(s) séparées par le moyen de séparation, pour obtenir des cendres finales contenant la concentration finale prédéterminée en carbone,
ladite installation étant apte à mettre en œuvre le procédé (1) de traitement de la revendication 1. - Installation (28) selon la revendication 14 dans laquelle, celle-ci comprend un moyen (3) de séchage des cendres volantes, ledit moyen (3) de séchage étant situé en amont du moyen (4) de séparation selon le sens de déplacement des cendres volantes non fractionnées, ladite installation (28) étant apte à mettre en œuvre le procédé (1) de traitement selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4.
- Installation (28) selon la revendication 15 dans laquelle, celle-ci comprend un moyen (23) de récupération de l’énergie thermique provenant du moyen (5) de calcination, le moyen (23) de récupération étant agencé pour fournir l’énergie thermique récupérée au moyen (3) de séchage pour sécher les cendres volantes et/ou le moyen (23) de récupération étant agencé pour fournir l’énergie thermique récupérée pour une autre utilisation, et dans laquelle l’installation (28) est apte à mettre en œuvre le procédé (1) selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6.
- Installation (28) selon la revendication 14 dans laquelle, celle-ci comprend des moyens (2) de contrôle de sorte que l’installation (28) est apte à mettre en œuvre un procédé (1) selon l’une quelconque des revendications 6 à 11.
- Installation (28) selon l’une quelconque des revendications 14 à 17 dans laquelle, le moyen (4) de séparation est un clapet diviseur.
- Installation (28) selon l’une quelconque des revendications 14 à 17 dans laquelle, le moyen (4) de séparation est un séparateur dynamique.
- Installation (28) selon la revendication 19 dans laquelle, le séparateur dynamique a une maille de coupure comprise entre 10 et 200 micromètres, de préférence comprise entre 20 et 80 micromètres.
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- 2019-12-20 FR FR1915058A patent/FR3105214B1/fr active Active
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