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La présente invention est relative à un procédé et à un appareil d'échange de chaleur entre une matière solide et un gaz, la matière solide étant sous la forme de particules n'ayant pas plus de quelques millimètres et pouvant se déplacer librement dans le gaz,
On effectue souvent l'échange de chaleur entre une matière solide sous forme de particules et un gaz en introduisant la matière solide dans un courant du gaz qui passe alors dans un cyclone ou autre appareil dans lequel la matière solide et le gaz se séparent. Dans ces procédés, pendant que se fait l'échange de chaleur, la matière solide et le gaz circulent sensiblement dans le même sens.
Si la longueur du parcours est assez gran- de pour que les températures finales de la matière solide et du gaz soient les mêmes, il y a une différence considérable entre la température initiale de la matière solide et la température finale du gaz, de sorte que le procé- dé est inefficace.
De plus, si, dans ce procédé, la matière solide comporte de grandes quantités de fines particules, par exemple 40 % Inférieures à 2 , ces particules ne peuvent être séparées du gaz que par un grand cyclone ou des séparateurs de poussière de grande surface. Si les particules sont chaudes, elles sont de plis susceptibles de s'agglomérer sur les parois et dans les tuyaux d'un cyclone.
La présente invention permet de bénéficier des avantages bien connus de la circulation en contre-courant.
L'invention est particulièrement Intéressante dans la fabrication du ciment, à laquelle elle est applicable dans un quelconque ou dans plusieurs des stades de séchage, de réchauffage, de calcination, de concrétion et refroidissement qui se présentent dans la fabrication du ciment. On peut également l'appliquer à la calcination de la chaux ou des minerais. Si l'on utilise le procédé pour chauffer des particules solides, les gaz chauds peuvent être des produits de combustion provenant d'un procédé appliqué sur les particules, par exemple les gaz chauds provenant d'un four dans lequel les particules sont cultes, ou ils peuvent être produits spécialement dans un four fixe distinct. Les particules peuvent être chauffées à Iras haute température puisque la température du gaz qu'elles rencontrent pendant qu'elles se déplacent va en augmentant.
Les gaz provenant d'un four tournant peuvent avoir une température d'environ 1000 et les particules peuvent être ainsi chauffées presque à cette température.
Les particules traitées peuvent être très fines, jusqu'à 50 , ou être beaucoup plus grandes, par exemple jusqu'à 5 mm. Dans ce dernier cas, elles peuvent être avantageusement des nodules ayant des dimensions moyennes de 0,5 à 2,5 mm. Cette dimension est beaucoup plus faible que celle des nodules couramment utilisés dans l'Industrie du ciment et le traitement de petits nodules est une caractéristique importante de l'Invention.
Le traitement des particules sous forme de nodules est avantageux car elles ont moins tendance à se coller sur les parois de la conduite ou autres dispositifs utilisés pour contrôler la descente, que celà n'est le cas avec des particules très fines. Du fait qu'elles sont légèrement humides (leur teneur moyenne en eau peut être d'environ 12%), elles tendent à arrêter et à recueillir toutes les poussières contenues dans le gaz, et la formation de poussières à partir de nodules est moindre qu'à partir de particules non concrétionnées, de sorte que le gaz entraîne moins de poussières hors de la conduite.
En tout cas, les particules traitées doivent autant que possible être toutes de même dimension, qu'elles aient été mises ou non sous forme de noduleso Ainsi, pour les obtenir, on peut broyer une matière première et la séparer en deux fractions, par exemple en-dessus et en-dessous de 50 respectivement, la fraction fine étant séparée, convertie en petits nodules et ajoutée à la fraction plus grosse pour subir le traitement thermique.
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Une matière pulvérulente peut consister au départ en un mélange de particules fines et grossières. S'il en est ainsi-, on peut l'humidifier légèrement avant de l'introduire dans le courant de gaz, par exemple jusqu'à environ 10 % d'eau ou autre agent d'humidification, de façon à agglomérer les particules très fines.
Dans -des procédés dans lesquels les particules descendent dans du gaz qui monte, un échange de chaleur complet, c'est-à-dire dans lequel les particules arrivent presqu'à la température initiale du gaz, peut nécessiter une colonne verticale très longue, en particulier du fait qu'en pratique la quantité de gaz disponible est en général déterminée par d'autres considérations que celles de l'échange de chaleur. Pour travailler avec le volume de gaz disponible, les dimensions d'une colonne cylindrique lisse peuvent différer de celles qui sont nécessaires pour l'échange de chaleur sans devenir exagérées.
On peut imaginer que la vitesse de chute de très fines particules dans un gaz montant est très faible. En fait, avec des particules aussi fines que 50 , qui sont Individuellement suspendues librement dans le gaz, cette vitesse ne dépasse pas 2,5 à 5 cm par seconde dans un gaz fixe, et' elle est encore plus faible lorsque le gaz monte. Toutefois, on a constaté en pratique que lorsque des particules sont en suspension dans de grandes quantités de gaz, la vitesse de chute augmente. La raison en est que lorsque le nombre des particules par unité de volume augmente, les particules ne se comportent pas comme des particules individuelles, mais plus ou moins comme un corps se déplaçant en bloc assez rapidement dans le gaz.
Des particules ayant en moyenne 0,5 à 2,5 mm ont moins tendance à se déplacer en bloc puisqu'elles ont moins de particules individuelles dans un poids donné par unité de volume, mais ces particules elles-mêmes tombent plus rapidement. Par suite, quelle que soit la dimension des particules, 11 est bon de contrôler par Intermittence leur libre descente et de s'assurer qu'elles restent assez longtemps dans le gaz sans que la colonne soit trop longue.
Ce contrôle s'obtient de préférence en augmentant et diminuant alternativement la vitesse de montée du gaz.
L'appareil préféré selon l'invention est représenté sur les dessins annexés, dans lesquels : la fig. 1 est une vue schématique de côté d'une installation comportant l'appareil d'échange de chaleur.
La fig. 2 est une coupe verticale de cet appareil.
La fig. 3 est une coupe verticale d'une variante.
La fig. 4 est une vue schématique d'une autre Installation.
L'installation représentée sur la fig. 1 fait partie d'une installation complète de fabrication de ciment dans laquelle les nodules de matière première doivent être calcinés dans un four tournant 1. Les gaz du four arrivent dans le bas d'une colonne verticale 2. dans laquelle ils montent en contre-courant avec les nodules et, en quittant la colonne 2. les gaz passent dans un cyclone 3. Dans celui-ci, les particules qu'il est possible d'arrêter dans le cyclone sont précipitées avant que les gaz s'échappent dans une cheminée au moyen d'une soufflante 4. Les nodules arrivent dans l'extrémité supérieure de la colonne 2. par un tuyau 5¯ et un obturateur d'entrée, non représenté sur la figure . Ils descendent par gravité dans la colonne 2. où ils sont réchauffés par le courant de gaz ascendant.
Les nodules réchauffés pénètrent dans l'extrémité supérieure du four 1.avec la poussière précipitée dans le cyclone % cette poussière-descendant par un tuyau pour arriver dans un tuyau 7. disposé entre le four et la colonne. La poussière est elle-même encore chaude en sortant du cyclone 3.
De façon à contrôler ou régler la chute des nodules dans la colonne 2, celle-ci comporte des cloisons transversales présentant des ouvertures étroites formant des passages 9. Entre ces cloisons $,se trouvent d'autres
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cloisons 10.présentant de grandes ouvertures centrales 11. Lorsque le gaz monte, sa vitesse augmente dans chacune des ouvertures % et, en sortant de celles-ci, il tourbillonne et sa vitesse de montée diminue à nouveau. Pen- dant qu'il se déplace dans chacune des ouvertures 1 la vitesse du gaz peut être beaucoup plus grande que celle qui est nécessaire pour maintenir ré- ellement les nodules en suspension dans le gaz, c'est-à-dire les faire flot- ter, de sorte qu'à première vue il ne descendrait pas de nodules par les ouvertures 9.
Toutefois, lorsque les nodules se sont accumulés Immédiate- ment au-dessus d'une ouverture dans une mesure telle que l'on peut dire que le gaz est localement saturé, certains des nodules se déplacent en bloc par l'ouverture malgré la grande vitesse du gaz en sens contraire. En fait, la descente des nodules est continue une fois qu'elle a commencé, mais avant qu'un nodule Individuel pénètre dans une ouverture 3, il est mis en agitation par le gaz qui tourbillonne au-dessus de l'ouverture, de sorte que l'échange de chaleur est excellent.
Les cloisons 10 avec leurs ouvertures 11 font que les espaces compris entre les cloisons ± sont étranglés, en produisant ainsi une autre modification dans la vitesse de montée du gaz.
A mesure que le gaz monte, sa température et par suite son volume diminuent. Pour être sûr qu'il monte sensiblement à la même vitesse dans les ouvertures 2. de toutes les cioisons 8, le diamètre de ces ouvertures va de préférence en augmentant de la cloison supérieure $, à la cloison inférieure.
La vitesse du gaz dans les ouvertures 2.peut être de 0,9 à 9 m. par seconde suivant la nature des particules, et la vitesse dans les espaces compris entre les cloisons peut être en moyenne de 1/4 à 1/5 de celle qui règne dans les ouvertures 2.. La densité des particules dans ces espaces ne doit pas dépasser 24 kg par m3 et, en fait, avec les petits nodules envisagés, une densité de 1 kg/m3 environ convient. Dans les ouvertures % la densité doit être 4 ou 5 fois celle existant dans les espaces compris entre les cloisons.
On a constaté en pratique qu'il y a une séparation nette entre les particules au-dessus d'une certaine dimension qui descendent directement dans le courant de gaz et celles en-dessous de cette dimension qui sont entraînées par le gaz. L'enlèvement des particules fines permet aux grosses particules de circuler en ayant moins tendance à former des blocs ou des ponts La dimension des particules à laquelle la séparation s'effectue dépend de la vitesse du gaz. Celle-ci peut être par exemple telle qu'en traitant des nodules ayant au maximum 2 mm, les particules de plus de 0,5mm, représentant environ 75 % du total, descendent, tandis que les particules de moins de 0,5 mm, y compris la poussière et les nodules brisés, représentant environ 25 %, sont entraînées.
Il se forme des amas de nodules sur les cloisons 1 autour des ouvertures 9. et on peut les y laisser sans danger, en les enlevant simplement de temps en temps par des portes 12.
Les nodules qui arrivent pénètrent dans le haut 13 de la colonne 1 par une ouverture centrale 14. Cette partie supérieure 13 a la forme d'un cyclone avec ouverture tangentielle 15.
Le passage des particules dans le gaz peut aussi, selon l'Inven- tion, être retardé en communiquant au gaz ou à une partie de celui-ci un mouvement rotatif,en un ou plusieurs points de son parcours. En ces points., les particules sont amenées à participer au mouvement tournant et ainsi à se déplacer suivant un plus long parcours au contact d'un gaz changeant constamment. On peut communiquer cè mouvement rotatif en inclinant les ouvertures 2. sur l'axe de la colonne, comme celà est indiqué en pointillé en 16 sur la fige 2.
La colonne 2.représentée sur la fig. 2 peut ne pas être utilisée simplement comme réchauffeur, car on peut même y effectuer une calcination,
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une concrétion ou un grillage complet des matières premières de fabrication du ciment, de la chaux et des produits de la chaux ou des minerais, au moyen de gaz chauds, à condition de prévoir dans le bas de la colonne un brûleur approprié destiné à engendrer le gaz. De même, il est possible de refroidir des matières cultes dans une colonne analogue, et l'air de refroidissement chauffé peut être utilisé comme air secondaire pour la combustion.
Si on le désire, on peut donner à la partie supérieure de la colonne des dimensions suffisantes pour que la vitesse du gaz qui s'y écoule soit tellement faible que pratiquement le gaz n'entraîne pas de particules.
Evidemment, le cyclone 3. peut être remplacé par tout autre filtre à poussière, par exemple un filtre électrostatique.
On peut régler autrement la descente des particules par exemple mécaniquement. Comme on le voit sur la fig. 3, des tiges 17 peuvent par exemple être fixées horizontalement en travers d'une colonne cylindrique lisse 2A, en étant décalées angulairement de sorte que leurs extrémités se trouvent sur deux hélices, comme cela est représenté en pointillé. Grâce à cette disposition, la montée du gaz est sensiblement uniforme, tandis que la descente des particules est modifiée successivement par les tiges qu'elle rencontre.
Les tiges peuvent être munies d'ailettes inclinées de manière à mettre en rotation le gaz qui monte. Les tiges peuvent encore être remplacées par des chaînes.
La fig. 4 représente une installation dans laquelle la matière première à calciner est mise sous forme de nodules qui arrivent dans une colonne d'échange de chaleur. Dans cette installation, un four 1 et une colonne 2B sont reliés comme sur la fig. 1. Le gaz chaud provenant du four monte dans la colonne et va par un tuyau 18 à un cyclone 19. Le gaz sortant de celui-ci va par un tuyau 20. dans lequel se trouvent-desfiltres à poussières 21. et finalement, il va par un tuyau 22 à une cheminée. La poussière enlevée du gaz dans le cyclone 19 et les filtres 21 va à un appareil 23 à faire des nodules, comme cela est représenté respectivement par les lig- nes 24 et 25. En outre, la pâte de ciment brut est introduite dans l'appa- reil 23 comme indiqué par la ligne 26.
Dans l'appareil 23. la pâte et la poussière sont transformées en petits nodules. Les nodules roulent de l'appareil 23 sur un transporteur 27 et ils entrent dans la colonne 2B où ils sont réchauffés et partiellement calcinés. La colonne 2B peut être faite intérieurement comme représenté sur la fig. 2 ou la fig. 3.
La quantité de pâte humide nécessaire comme charge dans l'appareil 23 peut être plus grande que celle susceptible d'être convertie en matière ayant la teneur en humidité désirée pour faire des nodules par l'ad- dition de la poussière recueillie dans le cyclone et les filtres à poussière. S'il en est ainsi, un tuyau avec une embouchure relevée vers le haut peut pénétrer dans la colonne 2B pour recueillir une partie des nodules partiellement séchés et les faire sortir de la colonne pour les amener à un élévateur qui les ramène dans l'appareil 23. comme cela est indiqué par la ligne 28.
Evidemment, les nodules peuvent être obtenus et amenés dans la colonne de toute autre façon.
On peut concevoir de nombreuses autres variantes. Par exemple, le four peut être remplacé par une ou plusieurs colonnes à contre-courant dans lesquelles s'effectuent les mêmes opérations que dans le four tournant y compris une concrétion et tout refroidissement désiré du produit calciné.
Dans le cas où l'on utilise plusieurs colonnes, le gaz passe en contre-courant avec la matière de colonne en colonne, c'est-à-dire que le gaz sortant du haut d'une colonne passe dans le bas de la colonne suivante, dans le sens de circulation du gaz. Il peut être prévu un ou plusieurs ventilateurs avant ou après une colonne, ou entre deux colonnes.
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Une installation dans laquelle on utilise le procédé selon l'
Invention pour refroidir des matières solides peut comporter un four tournant et, à la suite, une colonne à contre-courant à laquelle arrive la matière, par exemple de l'alumine calcinée provenant du four, la- quelle est refroidie en contre-courant avec de l'air atmosphérique qui peut être utilisé en totalité ou en partie comme comburant pour le com- bustible amené au four tournant.