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CA 02436315 2003-05-30
WO 02/45824 PCT/FRO1/03811
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PROCÉDÉ ET INSTALLATION D'ÉPURATION DE FUMÉES DE CIMENTERIE
La présente invention concerne un procédé et une
installation d'épuration de fumées de cimenterie.
Le ciment, en particulier le ciment Portland, est utilisé
largement dans des secteurs aussi variés que les ponts et
chaussées, la construction ou la réalisation de grosses
tuyauteries. Plusieurs variétés de ciments et plusieurs
procédés visant â leur fabrication sont utilisés, chacun ayant
ses spécificités propres.
Le procédé de fabrication du ciment commence par la
préparation d'un mélange rêalisé à partir de matières
premières comme l'argile, le calcaire, la chaux. Ces éléments
1S apportent le silicium, le calcium, l'aluminium et le fer qui
sont les éléments essentiels dans un ciment.
Un broyage de ces différents éléments est alors réalisé,
soit par voie humide, soit par voie sèche . Ce , broyage peut
générer une quantité énorme de poussières et il est nêcessaire
de recourir à des dispositifs de traitement des fumées, tels
des filtres à manches, des cyclones ou parfois des électrofil-
tres.
Dans une étape clé subséquente, le matériau broyé, sec
ou humide, est calciné dans des fours, où le produit est porté
à une température maximale d'environ 1450°C. Plusieurs types
de fours existent et on peut citer en particulier les fours
du type "LEPOL", ainsi que les longs fours rotatifs. Des
préchauffeurs sont souvent employés.
Au cours de ce processus, le mélange alimenté subit une
transformation chimique et donne naissance au clinker. Mais
l'attrition et le brassage continuel de ces solides génêrent
une quantité importante de poussières. Par ailleurs, les gaz
effluents sortant des fours sont usuellement aussi très
chargés en de telles poussières. Certains flux intermédiaires
peuvent de ce fait contenir des concentrations de poussières
excédant 100g/Nm3 de fumées.
Plusieurs procédés et approches sont utilisées, en vue
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du,dépoussiérage de ces fumées. Des cyclones et des électro-
filtres peuvent récupérer ces poussières, qui sont soit
retournées dans le four, soit parfois purement et simplement
éliminées. Des filtres à manches sont également employés.
Mais le fait de porter à une température dépassant 1000°C
un produit dans une atmosphère contenant de l'oxygène et de
l'azote génère aussi, comme dans un processus de combustion,
des oxydes d'azote. La pression inhérente aux normes d'émis-
sion en vigueur, ou anticipées, conduit à effectuer un traïte-
ment pour réduire la quantité totale de ces polluants rejetés
lors de la mise en oeuvre de procédês de fabrication de
ciment.
Plusieurs solutions sont potentiellement disponibles et
certaines d'entre elles sont commercialement utilisées.
On peut utiliser un procédé sélectif, non catalytique,
de réduction des oxydes d'azote (SNCR). Dans un tel procédé,
un agent réducteur, comme l'ammoniac NH3 ou l'urée NHz-CO-NH2,
est injecté et réagit avec les oxydes pour les transformer en
azote. Ce procédé, s'il permet de réduire de 50 à 70 ~ les
oxydes d'azote, impose des contraintes particulières et ne
peut pas toujours être mis en service.
En effet, pour être efficace, le réactif, à savoir
l'ammoniac ou l'urée, doit être introduit dans une fenêtre
étroite de températures. Celle-ci, qui est comprise entre 950
et 1150°C, n'est pas toujours accessible. En outre, ces
procédés génèrent une certaine quantité de protoxyde d'azote
N~O, gaz à effet de serre prononcé.. Le brevet américain US
5,137,704 présente une variante améliorêe de cette technolo-
gie.
Un autre procédé connu consiste à utiliser des brûleurs
d'un type particulier, appelés brûleurs à bas NOX, ou "Low
NOX". Cependant, la réduction des teneurs en NO et NOZ est
lïmitëe, et la qualitê du clinker obtenu peut être diminuëe
par l'utilisation de ces brûleurs, du fait de l'altération de
la spëciation du soufre.'
Des procédés utilisant des faisceaux d' électrons ont été
proposés dans d'autres industries, mais ces dispositifs sont
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trop onéreux pour l'industrie cimentïère.
Enfin, un procédé dit SCR (Selective Catalytical
Reduction) a déjà ëté utilisé. Ce procédé permet une réduction
de plus de 90 ~ des oxydes d'azote et consiste à passer sur
un lit catalytique, contenant par exemple des oxydes de
vanadium et de tungstène, les gaz à traiter auxquels on a
aj outé un réactif comme l'ammoniac .
Toutefois, 1e catalyseur utilisê est sensible aux
poussières et doit être protégé. Si on utilise un filtre, la
température doit être en général descendue au-dessous de
200°C. Or, la plupart des catalyseurs doïvent travailler au-
dessus de 250°C. Les échangeurs auxquels il est fait appel
représentent un équipement supplémentaire et donc des
investissements correspondants.
Les cyclones, qui sont aussi utilisés, ont un rendement
trop faible pour pouvoir garantir une teneur en poussières
compatible à la foïs avec les teneurs en entrée imposées par
le procédé, et celles nécessaires à une utilisation fiable et
économique des catalyseurs de SCR. Ceux-ci doivent avoir une
durêe de vie de plusieurs années, et donc être protégés.
La présente invention vise à proposer un procédé
d' épuration de fumées de cimenterie, permettant de pallier les
différents inconvénients explicités ci-dessus.
A cet effet, elle a pour objet un procédé d'épuration de
fumées de cimenterie, dans lequel les fumêes~ à épurer
circulent dans un four comprenant une chambre de séchage et
une chambre de calcination, caractérisé en ce qu'il comprend
les étapes sûivantes .
- on extrait les fumées â épurer hors du four, ces fumées
extraites possédant une température comprise entre 250 et
400°C ;
- on dirige les fumées extraités vers une unité de
dépoussiérage, de type cyclonique ;
- on évacue par une premiêre sortie de l'unité de
dépoussiérage, les fumées dépoussiérées, que l'on dénitrifie ;
on évacue par une seconde sortie de l'unité de
dépoussiérage, une fraction marginale des fumées, comprise
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entre 1 et 6 ~ des fumées admises dans l'unité de dépoussié-
rage, cette fraction marginale étant collectée en même temps
que des poussières ; et
- on mélange les fumées dénitrifïêes et ladite fraction
marginale de fumées.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention .
- les fumées extraites possèdent une température
comprise entre 280 et 350°C ;
- la fraction marginale de fumées est comprise entre
2 et 4 %, notamment 3 ~, des fumées admises dans l'unité de
dépoussiérage ;
- on retourne les fumées dënitrifiées dans la
chambre de séchage, on extrait ces fumées dénitrifiées hors
du four, puis on mélange, avec ladite fraction marginale, ces
fumées dénitrifiées extraites du four ;
- le mélange de fumées dénitrifiées et de ladite
fraction marginale est dirigé vers un dépoussiéreur supplémen-
taire ;
- on mélange les fumées dénitrifiées et la fraction
marginale, puis on dirige le mélange de fumées dénitrifiées
et de ladite fraction marginale vers la chambre de séchage du
four,
L'invention a également pour objet une installation
d'épuration de fumées de cimenterie, comportant un four
appartenant à une installation de fabrication de ciment, ce
four comprenant une chambre de séchage et une chambre de
calcination dans lesquelles les fumées à épurer circulent, en
service, caractérisée en ce qu'elle comprend .
- des moyens d'extraction des fumées à épurer hors du
four, ces moyens d'extraction s'étendant â partir d'une zone
intermédiaire dudit four possédant, en service, une tempéra
ture comprise entre 250 et 400°C, de préférence entre 280 et
350°C ;
- une unité de dépoussiérage, mise en communication avec
les moyens d'extraction ;
- des premiers moyens d'évacuation, permettant d'extraire
de l'unité de dépoussiérage les fumêes dépoussiérées ;
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- des seconds moyens d'évacuation, permettant d'extraire
de l'unité de dépoussiérage une fraction marginale des fumées
admises dans cette unité, cette fraction marginale ëtant
collectée en même temps que des poussières ;
5 - un réacteur de dénitrification, mis en communication
avec les premiers moyens d'évacuation ;
- des troisièmes moyens d'évacuation, permettant
d'extraire les fumées dénitrifiées du réacteur de dênitrifica-
tion ; et .
- une zone de jonction entre les seconds moyens
d'évacuation de ladite fraction marginale et les troisièmes
moyens d'évacuation des fumées dénitrifiées.
Selon d'autres caractêristiques de l'invention .
- l'unité de dépoussiérage est de type cyclonique,
et elle est constituée par un cyclone ou une batterie de
cyclones ;
- la zone de jonction est mise en communication avec
un dépoussiéreur sûpplémentaire ;
le dépoussiéreur supplémentaire est un filtre à
manches ou un électrofiltre.
L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux
figures 1 et 2 annexées, données uniquement à titre d'exemple
non limitatif, qui sont des représentations schématiques de
deux installations d'épuration de fumées de cimenterie,
conformes à l'invention.
La figure 1 représente un four 2, appartenant à une
installation de fabrication de ciment. Ce four, qui est de
type "LEPOL", comprend de façon habituelle une chambre de
séchage 4, ainsi qu'une chambre de calcination 6.
Comme cela est connu, un matériau destiné à la fabrica-
tion du clinker est admis par la ligne 8, puis traverse la
chambre de séchage 4, ainsi que la chambre de calcination 6,
le long d' un tapis roulant 10 . Le clïnker ainsi obtenu est
alors évacué du four 2 au niveau d'un orifice de sortie 12.
Ce four est également muni d'une cheminée de sécurité 14.
Les fumées générées à l' intérieur du tour sont collectées
par l'intermédiaire de cyclones 16, puis dirigées dans une
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conduite 18, s'étendant à partir d'une zone intermédiaire 20
du four 2. Dans cette zone, les fumées sont chargées en
poussières, à une concentration comprise entre 20 et 300g/Nm3,
et possèdent une température comprise entre 250 et 400°C,
notamment entre 280 et 350°C.
Ces fumêes sont alors extraites, hors de la zone
intermédiaire 20 du four 2, le long de la conduite 18. Cette
derniêre, qui est pourvue d'un ventilateur 22, est mise en
communication, à son extrémité opposée au four, avec une unité
de dêpoussiérage 24, constituée d'un cyclone ou d'une batterie
de cyclones. Une ligne 26 met en communication cette unité 24
avec un réacteur de dénitrification 28. Par ailleurs, une
conduite 30, destinée à la sortie des poussières, s'étend
également à partir de l'unité 24.
Afin de stabiliser le ou les cyclones formant l'unité de
dépoussiérage 24, on laisse volontairement sortir, avec la
sousverse de chaque cyclone, une fraction faible, ou margina-
le, des fumées initialement admises par la conduite 18. Cette
fraction mélangée aux poussières, qui est évacuêe par la
conduite 30 avec les solides collectés par 1'unitê de
dépoussiérage 24, est comprise entre 1 et 6 % du flux gazeux
admis dans cette unité 24, de préférence entre 2 et 4 ~. Par
ailleurs, la. lïgne 26 vêhicule des fumées dépoussiérées, qui
contiennent entre 100mg/Nm3 et 5g/Nm3 de poussiêres, de
préférence entre 200 mg et 1 g/Nm3.
Ces fumées dépoussiérées sont alors dirigées, via la
ligne 26, vers le réacteur de dénitrification 28, puis en sont
évacuées, via une ligne 32. Cette dernière débouche dans la
chambre de séchage 4 du four 2, ce qui permet aux. fumées
dënitrifiées d'être admises dans cette chambre. Ces fumées
sont ensuite extraites de la chambre 4, par l'intermédiaire
d'une conduite 34.
Les conduites 30 et 34 sont ensuite mises en communica
tion mutuelle, au niveau d'une jonction 36. Ceci assure le
mélange entre, d'une part, les fumées collectées avec les
poussières, hors de l'unité 24 et, d'autre part, les fumées
dépoussiérées et dénitrifiées évacuées du réacteur 28, via la
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chambre de séchage 4.
Le mélange de fumées ainsi constitué est ensuite dirigé,
via une ligne 38, vers un dépoussiéreur final 40, qui est par
exemple constitué d'un filtre ou d'un électrofiltre. Les
fumées qui en sont extraites, via une conduïte 42, sont alors
débarrassées de la majeure partie de leur oxyde d'azote, ainsi
que de leurs poussières. Ces fumées épurées sont, par exemple,
rejetées à l'atmosphère par un ventilateur de tirage, non
représenté.
La figure 2 illustre une variante de réalisation de
l'invention, dans laquelle la fraction marginale de fumées
mélangées aux poussières est extraite, via une conduite 31.
Par ail-leurs,~les fumées dépoussiérées, puis dénitrifiées,
sont évacuées du rêacteur 28, par l'intermédiaire d'une ligne
33. Cette conduite 31 et cette ligne 33 sont mises en
communication mutuelle, au niveau d'une jonction 37. Une ligne
39, qui s'étend depuis cette jonction 37, retourne dans la
chambre de séchage 4 du four 2.
Ainsi, les fumées dénitrifiées, sortant du réacteur 28,
et les fumées collectées avec les poussières, hors de l'unité
24, sont mélangées au niveau de la jonction 37, puis retour
nées vers le four 2. Ce mélange de fumées est ensuite extrait
du four, via une ligne 41, et se trouve admis dans le
dépoussiéreur final 40.
L'invention tire parti de l'extractïon des fumées, hors
du four, au niveau d' une zone intermédiaire de ce dernier . Une
telle zone est, d'une part, d'un accès facile et possède,
d'autre part, une température favorable au traitement des
fumées par l'intermédiaire d'un. réacteur de dénitrification.
Une telle mesure permet donc de s'affranchir de l'emploi
d' échangeurs de chaleur, qui sont onéreux et d' une utilisation
délïcate, compte tenu de la forte teneur en poussières des
fumées.
Par ailleurs, le fait d' évacuer volontairement une partie
des fumées avec les poussiêres, par la sousverse de l'unité
de dépoussiérage 24, permet d'accroître l'efficacité de cette
dernière. Une telle mesure a ainsi pour effet de réduire la
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teneur en poussières dans la ligne 26, véhiculant les fumées
dépoussiérées. Ceci garantit donc une protection améliorée du
catalyseur contenu dans lé réacteur de dénitrification 28. En
d'autres termes, si l'extraction de la fraction~marginale de
fumées mélangées aux poussières n'était pas prévue, il seraït
alors nécessaire, soit de remplacer le catalyseur du réacteur
28 à des fréquences trop élevées, soit de sélectionner un
catalyseur plus résistant aux poussières, mais dont l'effica-
cité serait réduite.
