WO2020002831A1 - Procédé pour le broyage d'une matière minérale, en présence d'au moins un agent de mouture - Google Patents

Procédé pour le broyage d'une matière minérale, en présence d'au moins un agent de mouture Download PDF

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WO2020002831A1
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WO
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grinding
milling agent
vegetable
mineral material
particles
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PCT/FR2019/051570
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English (en)
Inventor
Claire MAYER
Nicolas Blanc
Jean-Yves DELENNE
Jean-Charles MOTTE
Xavier Rouau
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Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Original Assignee
Institut National de la Recherche Agronomique INRA
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C23/00—Auxiliary methods or auxiliary devices or accessories specially adapted for crushing or disintegrating not provided for in preceding groups or not specially adapted to apparatus covered by a single preceding group
    • B02C23/06—Selection or use of additives to aid disintegrating

Definitions

  • the present invention relates, in general, to the field of processes for grinding mineral materials.
  • It relates more particularly to the processes for grinding mineral materials, in the presence of at least one milling agent.
  • Grinding is an operation consisting in dividing a solid, generally to increase its specific surface and therefore its reactivity.
  • Such grinding operations are essential in particular in the manufacture of cement, for example during the grinding of raw materials or during the final grinding of the clinker.
  • This improvement in yield then results in a reduction in energy consumption and / or in an increase in the final surface area of the product generated by the grinding operation.
  • Such milling agents can for example consist of organic compounds, such as phenols, alkanolamines or glycols.
  • milling agents are not completely satisfactory: they must be used in liquid form and are not optimum in terms of yield or uniformity, in particular due to problems of distribution within the material. to grind.
  • the present invention provides a method for grinding a mineral material, in the presence of at least one grinding agent.
  • Said at least one vegetable milling agent is composed of particles (advantageously devoid of liquid medium or of liquid external continuous phase). And, during said grinding step, said at least one vegetable milling agent is mixed with said mineral matter in a mass proportion of less than 5% of the total mass.
  • the inventors demonstrate that such milling agents improve the efficiency of grinding mineral materials.
  • a low level of vegetable milling agent makes it possible to increase the volume area reached for a fixed energy expenditure; it can even allow an increase in the maximum attainable volume surface.
  • the addition of the vegetable grinding agent can make it possible to obtain a certain fineness more quickly (and therefore save energy), but also to increase the maximum attainable volume surface area.
  • said at least one milling agent is used in the solid state (solid particles).
  • One of the advantages of this particulate (solid) form is to avoid (or at least limit) the phenomena of retention (for example absorption and / or adsorption) of the particles component of the grinding agent on the surface of the mineral material to be ground.
  • the specific surface area of the grinding agent increases at the same time as the grinding is carried out since increasingly fine particles are formed.
  • At least one vegetable milling agent consists of a mixture of particles or a powder
  • At least one vegetable milling agent is incorporated in a mass proportion less than or equal to 1%, advantageously from 0.1% to 1% (or even between 0.1% and 1%), preferably 0.5% at 1% (or even between 0.5% and 1%) of the total mass;
  • At least one vegetable milling agent is chosen from vegetable organic materials comprising at least one of the following components: lignin, cellulose, a parietal polysaccharide (advantageously one at least from a hemicellulose, a pectin, a hydrocolloid);
  • Said at least one vegetable milling agent is chosen from lignocellulosic materials, advantageously unrefined lignocellulosic materials, more preferably from a by-product of forestry or the wood industry (for example branched wood, chips, sawdust , bark, etc.), a by-product from agriculture or the food industry (for example straws, rice husks, bran), a perennial plant (for example myscanthus, switchgrass or switchgrass, short rotation coppice as by example willow, poplar, eucalyptus), an alga or a byproduct of seaweed exploitation (for example green algae like sea lettuce, brown algae like fucus or laminaria source of alginates, red algae like certain rhodophyceae source of agar-agar and carrageenans, micro-algae cultivated for energy and chemistry);
  • the particles comprising said at least one vegetable milling agent have a size less than or equal to 1 cm, preferably less than or equal to 0.5 cm, or even less than or equal to 1 mm; the step of supplying said at least one vegetable milling agent advantageously comprises a grinding / separation operation of a vegetable organic raw material;
  • the particles making up said at least one vegetable milling agent have a water content of less than 50%, advantageously following a drying operation
  • Said mineral material to be ground is chosen from hydraulic binders (advantageously from aluminous cements, Portland cements), clinkers, rare earths, silica derivatives (for example quartz) and metalliferous ores;
  • Said grinding process comprises an operation of mixing said at least one grinding agent with said mineral material, which mixing operation is carried out at the start of said grinding step or during said grinding step;
  • said mineral material to be ground has a size less than or equal to 1 cm, preferably less than or equal to 0.5 cm, or even less than or equal to 1 mm;
  • the grinding step is carried out dry, advantageously by means of a grinding media mill (balls, agitated balls, vibrating balls, etc.);
  • the grinding step is continued until a ground mineral material is obtained having a volume surface greater than or equal to 1000 m 2 / L, advantageously from 1000 to 3000 m 2 / L;
  • the dimensional ratio of the size of the particles forming the vegetable milling agent to the size of the particles forming the mineral material to be ground is at most 10, preferably at most 3, more preferably at maximum of 2.
  • the invention also provides a process for the manufacture of a hydraulic binder, which process comprises:
  • a step of supplying a clinker for example a step of manufacturing this clinker
  • the present invention also relates to the use of vegetable organic materials as a vegetable grinding agent in a process for grinding a mineral material, which at least one vegetable grinding agent is composed of particles and which vegetable grinding agent is incorporated in a mass proportion less than 5% of the total mass.
  • the invention also relates to the ground mineral material, resulting from a grinding process according to the invention.
  • This ground mineral material comprises at least one vegetable milling agent composed of particles and incorporated in a mass proportion of less than 5% of the total mass; and said ground mineral material has a surface area greater than or equal to 1000 m 2 / L, advantageously from 1000 to 3000 m 2 / L.
  • FIG. 1 shows the variation of the electrical power of a vibrating mill (expressed in W), as a function of the mass of powder in a bowl (expressed in g);
  • FIG. 2 shows the evolution of the volume surface as a function of energy grinding mass for quartz in the presence of straw - a: pure quartz, b: quartz + 0.7% straw;
  • FIG. 3 shows the evolution of the volume surface as a function of the grinding mass energy for the cement in the presence of straw - a: pure cement, b: cement + 0.7% straw;
  • FIG. 4 represents the differences in energy consumption for the production of cement in the presence of straw (0.7% by mass) compared to the grinding of pure cement for several fineness - abscissa: volume area in m 2 / L - a: grinder ball, b: vibrating mill;
  • FIG. 5 represents the differences in energy consumption for the production of ground sand in the presence of straw (0.7% by mass) compared to the grinding of pure sand for several fineness - abscissa: volume area in m 2 / L - a: ball mill, b: vibrating mill and c: agitated ball mill;
  • FIG. 7 represents the surface increase (%) for the cement + 0.7% of straw, in comparison with the grinding of pure cement, for different mass electric consumption (kWh / t) on different grinders (a: ball mill and b: vibrating mill);
  • FIG. 8 represents the surface increase (%) for sand + 0.7% of straw, in comparison with the grinding of pure sand, for mass electric consumption (kWh / t) on different grinders (a: ball mill , b: vibrating mill and c: agitated ball mill).
  • the present invention relates, in general, to a process for grinding a mineral material in the presence of at least one vegetable milling agent.
  • grinding process is meant an operation of the trituration type consisting in dividing a mineral (solid) material, advantageously to increase its specific surface and therefore its reactivity.
  • the grinding process according to the invention comprises the following successive steps:
  • a first step in the grinding process according to the invention therefore consists in providing the mineral matter to be ground.
  • mineral material advantageously means a solid natural compound of inorganic substances.
  • This mineral material to be ground is advantageously chosen from hydraulic binders, clinkers, rare earths, silica derivatives and metalliferous ores.
  • a hydraulic binder is a binder that forms and hardens by chemical reaction with water. It is used in construction and in the road industry.
  • Hydraulic binders advantageously include aluminous cements, Portland cements.
  • An aluminous cement is a cement resulting from the milling, after thorough cooking or not until fusion, of a mixture mainly composed of alumina, lime, iron oxides and silica, in proportions such as cement obtained contains at least 30% of its weight of alumina.
  • Portland cement is a cement resulting from the spraying of a clinker formed mainly of hydraulic calcium silicates to which it can be added calcium sulphate, limestone, water and grinding agents.
  • This Portland cement notably includes artificial Portland cement (CEM I) and addition cements (CEM II, III, IV and V).
  • Clinker is a constituent of cement, which results from the firing of a mixture composed of approximately 80% limestone and 20% aluminosilicates.
  • the mineral material to be ground is advantageously chosen from bastnasite, monazite, apatite, chéralite, eudialyte, loparite, phosphorites, xenotime, thorite.
  • Silica derivatives include in particular quartz, sandstone, quartzite from weakly cemented or unconsolidated sands.
  • Metalliferous ores are minerals that contain one or more metallic elements.
  • metalliferous ores include oxides (bauxite for aluminum), sulfides (galena for lead, sphalerite for zinc), carbonates (malachite for copper, siderite for iron), silicates (garnierite for nickel and magnesium), or gold (as a native element or as a minor constituent of other minerals).
  • said mineral material to be grinded is advantageously in the form of a granular mineral (or divided solid).
  • This mineral raw material to be ground, is advantageously composed of particles having a size less than or equal to 1 cm, preferably less than or equal to 0.5 cm, or even less than or equal to 1 mm.
  • size is advantageously meant a dimension of the particles composing said mineral matter, resulting from a dimensional analysis by sieving (see for example the standard NF EN 933-1).
  • the size of a particle, and more generally of a constituent of a granular mixture advantageously corresponds to the length of its primary axis, that is to say the longest straight line which can be drawn between one end of this constituent and an opposite end.
  • the size of a particle also corresponds to a characteristic dimension of the particle.
  • the size of a constituent used in the composition of a granular mixture, for which the particle size distribution has a well-defined peak, is advantageously the average of the characteristic sizes of the particles of this constituent.
  • the mineral raw material advantageously comes from the following manufacturing operations: extraction from a quarry, then crushing and finally homogenization.
  • the first step of the grinding process according to the invention also includes the supply of said at least one milling agent.
  • milling agent means a product intended to be mixed in small quantities with the mineral material to be ground so as to improve the yield of the grinding stage.
  • said at least one milling agent is chosen from organic plant materials, in the form of particles, to form a component called "plant milling agent”.
  • vegetable organic materials are used as a vegetable milling agent in the present process of grinding a mineral material.
  • vegetable organic matter is advantageously meant an organic matter made from plants.
  • Said at least one vegetable milling agent is advantageously chosen from vegetable organic materials comprising at least one of the following components: lignin, cellulose, a parietal polysaccharide.
  • Lignin is a biomolecule, from the family of polyphenolic polymer macromolecules, which is one of the main components of wood with cellulose and hemicellulose.
  • Cellulose is a carbohydrate made up of a linear chain of D-glucose molecules (between 15 and 15,000).
  • the parietal polysaccharide is advantageously chosen from at least one hemicellulose, a pectin, a hydrocolloid.
  • Hemicellulose is a biopolymer that makes up the plant cell wall and is one of the components of wood. It has a bridging role between the cellulose fibers, but also with other matrix compounds.
  • Pectins are polysaccharides characterized by an a-D-galacturonic acid backbone and small amounts of a-L-rhamnose (more or less branched).
  • hydrocolloid families of biopolymers extracted from plants, consisting mainly of polysaccharides and other compounds (proteins, ions), which are generally extractable in water and which have texturing properties (thickeners, gelling agents).
  • said at least one vegetable milling agent is advantageously chosen from lignocellulosic materials, advantageously unrefined lignocellulosic materials (also called “crude lignocellulosic materials").
  • “Lignocellulosic materials” means a material composed of lignin, hemicellulose and cellulose (in variable proportions).
  • unrefined lignocellulosic materials is meant a lignocellulosic material which has not undergone pretreatments to separate the constituents thereof, namely for example;
  • the lignocellulosic materials consist of refined lignocellulosic materials.
  • the lignocellulosic material undergoes pretreatments in order to separate the constituents thereof, namely for example physical pretreatments (for example heating by heat exchanger or by microwave irradiation, as well as sonication and paper refining) and / or chemical pretreatments (for example soda, ammonia and / or ozone).
  • pretreatments for example heating by heat exchanger or by microwave irradiation, as well as sonication and paper refining
  • chemical pretreatments for example soda, ammonia and / or ozone
  • unrefined lignocellulosic materials advantageously consist of a co-product generated during an industrial process.
  • a co-product is a material, intentional and inevitable, created during the same manufacturing process and at the same time as a main product.
  • the unrefined lignocellulosic materials are advantageously chosen from:
  • the co-product of the logging or wood industry consists of:
  • rameal wood also called “fragmented rameal wood” or “fragmented ramial wood (BRF)”, that is to say an uncomposted mixture of grinding (fragmentation) residues of wood twigs (branches), mainly from deciduous trees,
  • the co-product of agriculture or the food industry consists for example of:
  • - bran a co-product consisting of the envelope of the cereal caryopsis after separation of the almond (from, for example, wheat, rice or oats).
  • the perennial plant is for example chosen from:
  • TCR short rotation coppice or TCR, such as willow, poplar or eucalyptus.
  • An alga or a byproduct of exploitation of algae is for example chosen from: green algae (Chlorophyta, Streptophycophyta, Euglenophyta,
  • Chlorarachniophyta like sea lettuce
  • rhodophytes like certain rhodophyceae, source of agar-agar and carrageenans,
  • said at least one vegetable milling agent is thus composed / formed (advantageously exclusively) of particles (also called “solid particles”).
  • Said at least one vegetable milling agent thus advantageously consists of a granular mixture, or a mixture of particles (also called particulate mixture) or a powder.
  • Said at least one vegetable milling agent is thus devoid of liquid medium or of liquid external continuous phase.
  • Said at least vegetable milling agent is therefore used in solid form (also called in the solid state), that is to say advantageously a solid substance formed of independent particles.
  • the particles preferably have a size less than or equal to 1 cm, preferably less than or equal to 0.5 cm, or even less than or equal to 1 mm.
  • size is advantageously meant a dimension of the particles making up said at least one vegetable milling agent, resulting from a dimensional analysis by sieving (see for example the standard NF EN 933-1).
  • the size of a particle, and more generally of a constituent of a granular mixture advantageously corresponds to the length of its primary axis, that is to say the longest straight line which can be drawn between one end of this constituent and an opposite end.
  • the size of a particle also corresponds to a characteristic dimension of the particle.
  • the size of a constituent used in the composition of a granular mixture, for which the particle size distribution has a well-defined peak, is advantageously the average of the characteristic sizes of the particles of this constituent.
  • the size of the particles forming the vegetable milling agent is similar to the size of the particles forming the mineral material to be ground, that is to say a maximum difference of a factor of 10 (ratio of the size of the particles forming the vegetable milling agent on the size of the particles forming the mineral matter to be ground).
  • the maximum difference is a factor of 3, more preferably a factor of 2.
  • the step of supplying said at least one vegetable milling agent advantageously comprises a grinding / separation operation applied to the vegetable organic raw material intended to form the vegetable milling agent.
  • This grinding / separation operation is adjusted to obtain the desired size of the particles forming said vegetable milling agent.
  • the separation operation is for example chosen from sieving, turboseparation or tri-electrostatic (see for example the document Rajaonarivony et al., 2017, “Electrostatic separation of ore and plant powders with a custom built corona separator: application to biorefinery of rice husk”, EPJ Web of Conferences, Volume 140, 2017, or Barakat et al., ". Electrostatic Séparation as an Entry into Environmentally Eco-Friendly Dry Biorefining of Plant Materials ”, Journal of Chemical Engineering & Process Technology, 2017, Vol 8 (4): 354).
  • said at least one vegetable milling agent (and in particular its constituent particles) has a water content of less than 50%, advantageously following a drying operation.
  • the water content is less than 25%, more preferably less than
  • the advantage of this drying is to obtain a controlled humidity level and also to facilitate grinding.
  • the function of the grinding step is to divide the mineral matter (solid) and to decrease the size of the particles, and therefore to increase its specific surface.
  • the "specific surface” is therefore one of the ways of measuring the size of the particles resulting from grinding.
  • This specific surface can be expressed as a mass area (surface units per unit mass), or even as a volume area / volume surface (surface units per unit volume).
  • the volume area can be determined from the following equation (1):
  • R represents the radius of the i th grain size class
  • ca represents the volume fraction of this class.
  • the calculated surface area is expressed in m 2 / L.
  • the grinding step is advantageously carried out in a grinder.
  • This grinding step is advantageously carried out dry, preferably by means of a grinding media mill (also called a grinding mill with free grinding bodies).
  • a grinding media mill also called a grinding mill with free grinding bodies.
  • the grinding media mill is for example chosen from:
  • a ball mill advantageously constituted by a cylindrical or cylindro-conical drum with a horizontal axis and filled (for example to a third of its volume) by the grinding charge (steel or cast iron balls, flint rollers, sticks, tetrahedrons or hard steel cylinders),
  • stirred or attrition ball mill preferably a chamber in the center of which there is an agitator of variable geometry (formed either of propellers, rings, solid discs, notched or perforated) to set in motion grinding balls which occupy between 50 and 85% of the apparent volume of the grinding as well as the suspension to be treated (the grinding balls can be made of steel, glass, alumina or ceramic),
  • a vibrating mill comprising for example a grinding bowl producing vibrations in the form of an arc of a circle on a horizontal plane in which balls strike the material to be ground situated on the rounded external faces.
  • Such shredders are for example presented in the article Blazy et al., Engineering technique - j3051 - Fragmentation - Technology.
  • said at least one vegetable milling agent is mixed with the mineral material in the grinder (before or during its operation).
  • This mixing operation is obtained by incorporating said at least one vegetable milling agent into the grinder containing the mineral material to be ground.
  • Said at least one vegetable milling agent is added in a mass proportion of less than 5% of the total mass (that is to say advantageously the sum of the mass of the milling agent plus the mass of the mineral matter to grind).
  • total mass advantageously corresponds to the total mass of the materials mixed in the mill during the grinding step.
  • This total mass is at least equal to the value obtained by adding, on the one hand, the mass of the mineral matter and, on the other hand, the mass of said at least one vegetable milling agent.
  • said at least one vegetable milling agent is incorporated in a mass proportion less than or equal to 1%, advantageously from 0.1% to 1%, preferably from 0.5% to 1%, of the total mass.
  • the operation of mixing said at least one vegetable milling agent with said mineral material to be ground can be carried out:
  • the grinding step is continued for a time sufficient to obtain mineral matter in the desired state.
  • the grinding step is advantageously continued until a ground mineral material is obtained having a surface area greater than or equal to 1000 m 2 / L, advantageously from 1000 to 3000 m 2 / L, more preferably from 2,000 to 3,000 m 2 / L.
  • the present invention also relates to a method for the manufacture of a hydraulic binder.
  • the corresponding method advantageously comprises the following steps:
  • a step of supplying a clinker for example in the form of a step of manufacturing this clinker
  • the clinker manufacturing step includes, for example, the following steps:
  • the particle size of the clinker is too coarse for its reactivity to be sufficient; the clinker is in the form of nodules about ten millimeters in diameter.
  • the grinding step is carried out according to the grinding process defined above.
  • the step of grinding this clinker is carried out in the presence of said at least one vegetable milling agent according to the characteristics developed above.
  • Gypsum (3 to 5%) can be added to the clinker. This gives artificial Portland cement (CEM I).
  • CEM II to V Cements with additions (CEM II to V) are obtained by the addition, during the grinding step, of additional mineral elements contained in materials such as:
  • the present invention also relates to a ground mineral material, resulting from a grinding process according to the invention (collected at the end of the grinding process according to the invention during a collection / recovery step, advantageously at the outlet of the mill).
  • This ground mineral material then advantageously comprises at least one vegetable milling agent composed of particles and incorporated in a mass proportion of less than 5% of the total mass.
  • total mass advantageously corresponds to the total mass of the mixed materials (at least mineral matter and vegetable milling agent).
  • the particles forming the ground mineral material have a volume surface greater than or equal to 1000 m 2 / L, advantageously from 1000 to 3000 m 2 / L.
  • the pigment industries, or those producing metallic powders, may also be interested.
  • Pre-grinding on a knife mill (SM100 from Retsch) is carried out for wheat straw.
  • the straw is milled successively in the grinder with opening grids 6, 4, 2 mm and then three times at 1 mm to avoid excessive heating.
  • the straw is loaded into the mill manually and the mill rotates at 1500 rpm
  • the straw is then sieved to keep the fraction between 0.25 and 0.5 mm.
  • the aim of this drying is to obtain the same humidity level for all the samples of crushed straw and also to facilitate grinding.
  • the sand comes from the Deputy who du Littoral, it is sieved between 0.315 and 1 mm to obtain a particle size equivalent to straw.
  • the cement does not undergo any passage in the oven. It is also sieved between 0.315 and 1 mm.
  • a third mill (agitated ball mill) was used for grinding sand (in the presence of straw).
  • the MM400 Retsch mill (vibrating mill) consists of two vibrating bowls, 50 mL each.
  • the grinding medium used is a 25 mm diameter steel ball.
  • the vibration frequency used is 20 Hz.
  • the FAURE ball mill consists of a 3 L tank filled with steel balls (3 kg) of diameters 25, 20 and 15 mm with equal mass; the speed of rotation of the tank is 81 rpm 1 .
  • the FEMAG agitated ball mill is composed of a 3 L tank in which are present small diameter steel balls (6 mm) set in motion by an agitator shaft whose speed is 300 rpm 1 , with a quantity of balls representing 60% of the filling rate of the tank (i.e. 7.5 kg).
  • the different grindings are carried out at constant filling of the grinder.
  • the densities considered to calculate the volumes of powders are the apparent densities of the powders at 10 pm, that is 1608 kg.m 3 for cement, 1696 kg.m 3 for sand and 0.221 kg.m 3 for straw.
  • the volume of powder inserted in the MM400 mill is 8 mL, in the ball mill is 273 mL and in the agitated ball mill is 740 mL.
  • the straw mass represents from 0.7% to 0.16% of the total mass (5% to 1% of the total powder volume).
  • particle size analyzes are carried out on a MALVERN® laser granulometer, which gives access to the generated surface.
  • Laser granulometry is based on the principle of light diffraction.
  • the powder passes in front of a laser beam, the deviation of the beam and the light intensity is then measured.
  • the powder size distribution (or "PSD" for "particle size distribution”) is determined.
  • the volume surface is determined from the following equation (1):
  • R represents the radius of the i th grain size class
  • ca represents the volume fraction of this class.
  • the calculated surface area is expressed in m 2 / L.
  • the powder is dispersed in ethanol with ultrasound to deagglomerate the powder in suspension in ethanol.
  • the ultrasound is activated for 3 minutes and the measurement is carried out 3 minutes after the end of the ultrasound to remove the air bubbles present.
  • the electrical power used by the grinder is measured during grinding.
  • the ball mill consumes 69 W.
  • the agitated ball mill consumes 909 W for all grindings, except for sand / straw grinding where the mill consumes 885 W.
  • the MM400 mill sees its consumption vary with the mass of product reported.
  • the mass electric consumption is calculated for each point of the grinding kinetics.
  • This value indicates the amount of energy expended to produce 1 kg of mineral at the desired volume surface.
  • the volume area measured with the laser granulometer is plotted as a function of the mass mineral energy for each grinding.
  • E adjuvant ( ⁇ ) is the mass energy of grinding in the presence of the grinding agent
  • Ej ⁇ ur (S v ) is the mass energy of grinding in the absence of the grinding agent.
  • a negative difference will therefore mean that less energy has been spent on reaching the same surface with grinding aid. This therefore corresponds to a reduction in energy consumption thanks to the addition of plant biomass.
  • FIGS. 2 and 3 An example of evolution of the volume surface as a function of the grinding mass energy is presented in FIGS. 2 and 3.
  • the kinetics are interpolated with the function (2) described above.
  • the fineness of the powder increases during grinding and then stabilizes at a maximum value.
  • Figures 4 and 5 show the differences in energy consumption for grinding cement and sand, by adding straw up to 0.7% by mass on the different shredders used for different volume surfaces (1400 m 2 / l_ corresponds to a d50 of 10pm and 2600 m 2 / l_ corresponds to a d50 of 4.3pm).
  • the energy saving which varies between 15% (grinding cement / straw at 1400 m 2 / L on ball mill) and 31% (grinding sand / straw at 2600 m 2 / L on FEMAG mill), is dependent on the material and the grinder used but overall increases with increasing finesse.
  • a low straw rate increases the volume area reached for a fixed energy expenditure and even increases the maximum area achievable.
  • Figures 7 and 8 show the volume area gains observed at different energy costs for grinding in the presence of a biomass content of 0.7%.
  • the surface gain increases during grinding. It varies between 4% at the start of grinding (at 1000 kWh / t at a d50 of 13 pm, i.e. an area of 2200 m 2 / L for sand) up to 30% at the end of grinding (at 8000 kWh / t at a d50 of 3.5 pm, i.e. an area of 2730 m 2 / L for the sand).
  • Adding small amounts of straw to the cement and sand is responsible for improving the grindability of the mineral, thereby reducing energy costs and increasing the final surface area.
  • the very small amount of straw added is an advantage since it has very little effect on the properties of the final powder, as does a traditional grinding aid.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Disintegrating Or Milling (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé pour le broyage d'une matière minérale, lequel procédé comprend: -une étape de fourniture de ladite matière minérale à broyer et d'au moins un agent de mouture, lequel au moins un agent de mouture est choisi parmi les matières organiques végétales pour former un agent de mouture végétal, -une étape de broyage de ladite matière minérale, en présence dudit au moins un agent de mouture. Et, selon l'invention, ledit au moins un agent de mouture est composé de particules. Et au cours de ladite étape de broyage, ledit au moins un agent de mouture végétal est mélangé avec ladite matière minérale dans une proportion massique inférieure à 5% de la masse totale.

Description

« Procédé pour le broyage d’une matière minérale, en présence d’au moins un agent de mouture »
DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION
La présente invention concerne, de manière générale, le domaine des procédés pour le broyage de matières minérales.
Elle concerne plus particulièrement les procédés pour le broyage de matières minérales, en présence d’au moins un agent de mouture.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Le broyage est une opération consistant à diviser un solide, généralement pour augmenter sa surface spécifique et donc sa réactivité.
De telles opérations de broyage sont essentielles notamment dans la fabrication de ciment, par exemple lors du broyage des matières premières ou lors du broyage final du clinker.
Mais, en pratique, ces opérations de broyage peuvent être onéreuses du fait des consommations énergétiques nécessaires.
En ce sens, la consommation énergétique élevée pour le broyage du clinker représente un poste de dépense qui se répercute sur le coût global du ciment.
Des solutions existent pour améliorer le rendement énergétique des opérations de broyage.
L’utilisation des agents de mouture, ajoutés en faible quantité, est une solution courante pour améliorer le rendement du broyage des matières minérales.
Cette amélioration de rendement résulte alors en une réduction de la consommation énergétique et/ou en une augmentation de la surface finale du produit généré par l’opération de broyage.
De tels agents de mouture peuvent par exemple être constitués de composés organiques, comme des phénols, des alkanolamines ou des glycols.
Les agents de mouture classiques sont généralement des produits organiques « pétrosourcés ». Il existe ainsi des besoins d’agents de mouture efficaces, non polluants et à faibles coûts.
Les documents US 5 203 512, CN 106 1 16 202 et EP 1 728 771 décrivent des procédés de broyage d’une matière minérale en présence de produits dérivés de matière organique végétale.
Mais là encore, ces derniers agents de mouture ne sont pas totalement satisfaisants : ils doivent être utilisés sous forme liquide et ne sont pas optimums sur le plan du rendement ou de l’uniformité, notamment en raison de problèmes de répartition au sein de la matière à broyer.
Or, de manière générale, le mécanisme d’action des agents de mouture n’est pas totalement compris. La mise au point de nouveaux agents de mouture découle ainsi généralement d’une démarche totalement empirique.
Compte tenu de ce qui précède, il existe toujours un besoin de nouveaux procédés de broyage, en présence d’au moins un agent de mouture, dont le rendement de broyage serait amélioré.
OBJET DE L’INVENTION
Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose un procédé pour le broyage d’une matière minérale, en présence d’au moins un agent de mouture.
Plus particulièrement, on propose selon l’invention un procédé comprenant :
- une étape de fourniture de ladite matière minérale à broyer et d’au moins un agent de mouture, lequel au moins un agent de mouture est choisi parmi les matières organiques végétales pour former un agent de mouture végétal, et
- une étape de broyage de ladite matière minérale, en présence dudit au moins un agent de mouture.
Ledit au moins un agent de mouture végétal est composé de particules (avantageusement dépourvu de milieu liquide ou de phase continue externe liquide). Et, au cours de ladite étape de broyage, ledit au moins un agent de mouture végétal est mélangé avec ladite matière minérale dans une proportion massique inférieure à 5% de la masse totale.
Les inventeurs démontrent que de tels agents de mouture améliorent le rendement du broyage des matières minérales.
De manière intéressante, un faible taux en agent de mouture végétal permet d’augmenter la surface volumique atteinte pour une dépense énergétique fixe ; il peut même permettre une augmentation de la surface volumique maximale atteignable.
Encore de manière générale, l’ajout de l’agent de mouture végétal peut permettre d’obtenir, plus rapidement, une certaine finesse (et donc d’économiser de l’énergie), mais également d’augmenter la surface volumique maximale atteignable.
Un tel procédé de broyage selon l’invention, en présence dudit au moins un agent de mouture végétal, permet ainsi :
- une augmentation de la quantité de matière produite lors du broyage, pour une même consommation d’énergie et une même finesse, ou
- une augmentation de la finesse du produit pour une même consommation énergétique.
En outre, dans la présente invention, ledit au moins un agent de mouture est utilisé à l’état solide (particules solides).
L’un des avantages de cette forme particulaire (solide) est d’éviter (ou au moins de limiter) les phénomènes de rétention (par exemple absorption et/ou adsorption) des particules composant l’agent de mouture sur la surface de la matière minérale à broyer.
Cette approche permet ainsi un broyage de la matière minérale plus uniforme.
Du fait de la forme particulaire, la surface spécifique de l’agent de mouture augmente en même temps que le broyage est effectué puisqu’il se forme des particules de plus en plus fines.
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du procédé de broyage conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- ledit au moins un agent de mouture végétal consiste en un mélange de particules ou une poudre ;
- ledit au moins un agent de mouture végétal est incorporé dans une proportion massique inférieure ou égale à 1 %, avantageusement de 0,1% à 1% (voire entre 0,1 % et 1 %), de préférence de 0,5% à 1 % (voire entre 0,5% et 1%) de la masse totale ;
- ledit au moins un agent de mouture végétal est choisi parmi les matières organiques végétales comprenant l’un au moins des composants suivants : la lignine, la cellulose, un polysaccharide pariétal (avantageusement l’un au moins parmi une hémicellulose, une pectine, un hydrocolloïde) ;
- ledit au moins un agent de mouture végétal est choisi parmi les matières lignocellulosiques, avantageusement les matières lignocellulosiques non raffinées, de préférence encore parmi un coproduit de l’exploitation forestière ou de l’industrie du bois (par exemple bois raméal, plaquettes, sciure, écorces, etc.), un coproduit de l’agriculture ou de l’industrie agroalimentaire (par exemple pailles, balle de riz, sons), une plante pérenne (par exemple myscanthus, switchgrass ou panic érigé, taillis à courte rotation comme par exemple saule, peuplier, eucalyptus), une algue ou un coproduit d’exploitation des algues (par exemple algues vertes comme laitue de mer, algues brunes comme fucus ou laminaires source d’alginates, algues rouges comme certaines rhodophycées source d’agar-agar et de carraghénanes, micro-algues cultivées pour l’énergie et la chimie) ;
- avant ladite étape de broyage, les particules composant ledit au moins un agent de mouture végétal ont une taille inférieure ou égale à 1 cm, préférentiellement inférieure ou égale à 0,5 cm, voire inférieure ou égale à 1 mm ; l’étape de fourniture dudit au moins un agent de mouture végétal comprend avantageusement une opération de broyage / séparation d’une matière première organique végétale ;
- les particules composant ledit au moins un agent de mouture végétal ont une teneur en eau inférieure à 50%, avantageusement suite à une opération de séchage ;
- ladite matière minérale à broyer est choisie parmi les liants hydrauliques (avantageusement parmi les ciments alumineux, les ciments Portland), les clinkers, les terres rares, des dérivés de silice (par exemple le quartz) et les minerais métallifères ;
- ledit procédé de broyage comprend une opération de mélange dudit au moins un agent de mouture avec ladite matière minérale, laquelle opération de mélange est mise en oeuvre au début de ladite étape de broyage ou pendant ladite étape de broyage ;
- avant l’étape de broyage, ladite matière minérale à broyer a une taille inférieure ou égale à 1 cm, préférentiellement inférieure ou égale à 0,5 cm, voire inférieure ou égale à 1 mm ;
- l’étape de broyage est réalisée à sec, avantageusement au moyen d’un broyeur à media broyant (boulets, billes agitées, vibrants, etc.) ;
- l’étape de broyage est poursuivie jusqu’à obtenir une matière minérale broyée ayant une surface volumique supérieure ou égal à 1 000 m2/L, avantageusement de 1 000 à 3 000 m2/L ;
- avant ladite étape de broyage, le ratio dimensionnel de la taille des particules formant l’agent de mouture végétal sur la taille des particules formant la matière minérale à broyer est au maximum de 10, de préférence au maximum de 3, de préférence encore au maximum de 2.
L’invention propose également un procédé pour la fabrication d’un liant hydraulique, lequel procédé comprend :
- une étape de fourniture d’un clinker (par exemple une étape de fabrication de ce clinker),
- une étape de broyage dudit clinker pour obtenir ledit liant hydraulique,
laquelle étape de broyage est mise en oeuvre selon le procédé de broyage selon l’invention.
La présente invention concerne aussi l’utilisation de matières organiques végétales comme agent de mouture végétal dans un procédé de broyage d’une matière minérale, lequel au moins un agent de mouture végétal est composé de particules et lequel agent de mouture végétal est incorporé dans une proportion massique inférieure à 5% de la masse totale.
L’invention concerne également la matière minérale broyée, issue d’un procédé de broyage selon l’invention. Cette matière minérale broyée comprend au moins un agent de mouture végétal composé de particules et incorporé dans une proportion massique inférieure à 5% de la masse totale ; et ladite matière minérale broyée présente une surface volumique supérieure ou égale à 1 000 m2/L, avantageusement de 1 000 à 3 000 m2/L.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN EXEMPLE DE RÉALISATION
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1 représente la variation de la puissance électrique d’un broyeur vibrant (exprimée en W), en fonction de la masse de poudre dans un bol (exprimée en g) ;
- la figure 2 représente l’évolution de la surface volumique en fonction de l’énergie massique de broyage pour le quartz en présence de paille - a : quartz pur, b : quartz + 0,7 % paille ;
- la figure 3 représente l’évolution de la surface volumique en fonction de l’énergie massique de broyage pour le ciment en présence de paille - a : ciment pur, b : ciment + 0,7 % paille ;
- la figure 4 représente les différences de consommations énergétiques pour la production de ciment en présence de paille (0,7% massique) en comparaison au broyage de ciment pur pour plusieurs finesses - abscisse : surface volumique en m2/L - a : broyeur à boulets, b : broyeur vibrant ;
- la figure 5 représente les différences de consommations énergétiques pour la production de sable broyé en présence de paille (0,7% massique) en comparaison au broyage de sable pur pour plusieurs finesses - abscisse : surface volumique en m2/L - a : broyeur à boulets, b : broyeur vibrant et c : broyeur à billes agitées ;
- la figure 6 représente les différences de consommations énergétiques sur ciment pour différents taux de paille (teneur massique en paille en %), en comparaison au broyage de ciment pur - a : 1500 m2/L, b : 1600 m2/L et c : 1700 m2/L ;
- la figure 7 représente l’augmentation surfacique (%) pour le ciment + 0,7% de paille, en comparaison du broyage du ciment pur, pour différentes consommations électriques massiques (kWh/t) sur différents broyeurs (a : broyeur à boulets et b : broyeur vibrant) ;
- la figure 8 représente l’augmentation surfacique (%) pour le sable + 0,7% de paille, en comparaison du broyage de sable pur, pour des consommations électriques massiques (kWh/t) sur différentes broyeurs (a : broyeur à boulets, b : broyeur vibrant et c : broyeur à billes agitées).
Procédé pour le broyage d’une matière minérale
La présente invention concerne, de manière générale, un procédé pour le broyage d’une matière minérale en présence d’au moins un agent de mouture végétal.
Par « procédé de broyage », on entend une opération du type trituration consistant à diviser une matière minérale (solide), avantageusement pour augmenter sa surface spécifique et donc sa réactivité.
Le procédé de broyage selon l’invention comprend les étapes successives suivantes :
- une étape de fourniture de ladite matière minérale à broyer et d’au moins un agent de mouture,
- une étape de broyage de ladite matière minérale, en présence dudit au moins un agent de mouture,
Fourniture de la matière minérale à broyer
Une première étape du procédé de broyage selon l’invention consiste donc à fournir la matière minérale à broyer.
Par « matière minérale », on entend avantageusement un composé naturel solide de substances inorganiques.
Cette matière minérale à broyer est avantageusement choisie parmi les liants hydrauliques, les clinkers, les terres rares, des dérivés de silice et les minerais métallifères.
Un liant hydraulique est un liant qui se forme et durcit par réaction chimique avec de l’eau. Il est utilisé dans la construction et dans l’industrie routière.
Les liants hydrauliques englobent avantageusement les ciments alumineux, les ciments Portland.
Un ciment alumineux est un ciment résultant de la mouture, après cuisson poussée ou non jusqu'à fusion, d'un mélange composé principalement d'alumine, de chaux, d'oxydes de fer et de silice, dans des proportions telles que le ciment obtenu renferme au moins 30 % de son poids d'alumine.
Le ciment Portland est un ciment résultant de la pulvérisation d'un clinker formé principalement de silicates hydrauliques de calcium auquel il peut être ajouté du sulfate de calcium, de la pierre calcaire, de l'eau et des agents de mouture.
Ce ciment Portland englobe notamment le ciment Portland artificiel (CEM I) et les ciments à ajouts (CEM II, III, IV et V).
Le clinker est un constituant du ciment, qui résulte de la cuisson d'un mélange composé d'environ 80 % de calcaire et de 20 % d'aluminosilicates.
Dans le cas des terres rares, la matière minérale à broyer est avantageusement choisie parmi la bastnasite, la monazite, l'apatite, la chéralite, l'eudialyte, la loparite, les phosphorites, le xénotime, la thorite.
Les dérivés de silice englobent notamment le quartz, le grès, le quartzite des sables faiblement cimentés ou non consolidés.
Les minerais métallifères sont des minéraux qui contiennent un ou plusieurs éléments métalliques.
Ces minerais métallifères englobent quant à eux les oxydes (bauxite pour l’aluminium), les sulfures (galène pour le plomb, sphalérite pour le zinc), les carbonates (malachite pour le cuivre, sidérite pour le fer), les silicates (garniérite pour le nickel et le magnésium), ou l’or (comme élément natif ou comme constituant mineur d’autres minéraux).
Avant l’étape de broyage du procédé selon l’invention, ladite matière minérale à broyer se présente avantageusement sous la forme d’un minéral granulaire (ou solide divisé).
Cette matière première minérale, à broyer, est avantageusement composée de particules ayant une taille inférieure ou égale à 1 cm, préférentiellement inférieure ou égale à 0,5 cm, voire inférieure ou égale à 1 mm.
Par « taille », on entend avantageusement une dimension des particules composant ladite matière minérale, issue d’une analyse dimensionnelle par tamisage (voir par exemple la norme NF EN 933-1 ).
La dimension d'une particule, et plus généralement d'un constituant d'un mélange granulaire, correspond avantageusement à la longueur de son axe primaire, c'est-à-dire la plus longue ligne droite qui peut être dessinée entre une extrémité de ce constituant et une extrémité opposée.
La dimension d'une particule, et plus généralement d'un constituant d'un mélange granulaire, correspond encore à une dimension caractéristique de la particule.
Dans le cas où des particules présenteraient des formes très éloignées de la sphère (soient du fait de leur allongement, soit de leur aplatissement), il est nécessaire de considérer plusieurs dimensions caractéristiques.
La taille d’un constituant entrant dans la composition d'un mélange granulaire, pour lequel la distribution des tailles des particules présente un pic bien défini, est avantageusement la moyenne des tailles caractéristiques des particules de ce constituant.
De manière générale, la matière première minérale est avantageusement issue des opérations de fabrication suivantes : extraction d’une carrière, puis concassage et enfin homogénéisation.
Fourniture dudit au moins un agent de mouture
La première étape du procédé de broyage selon l’invention comporte également la fourniture dudit au moins un agent de mouture.
Par « agent de mouture », on entend un produit destiné à être mélangé en faible quantité avec la matière minérale à broyer de manière à améliorer le rendement de l’étape de broyage.
Selon l’invention, ledit au moins un agent de mouture est choisi parmi les matières organiques végétales, sous forme de particules, pour former un composant dit « agent de mouture végétal ».
En d’autres termes, des matières organiques végétales sont utilisées comme agent de mouture végétal dans le présent procédé de broyage d’une matière minérale.
Par « matière organique végétale », on entend avantageusement une matière organique fabriquée à partir de végétaux.
Ledit au moins un agent de mouture végétal est avantageusement choisi parmi les matières organiques végétales comprenant l’un au moins des composants suivants : la lignine, la cellulose, un polysaccharide pariétal.
La lignine est une biomolécule, de la famille des macromolécules polymères polyphénoliques, qui est un des principaux composants du bois avec la cellulose et l'hémicellulose.
La cellulose est un glucide constitué d'une chaîne linéaire de molécules de D-glucose (entre 15 et 15 000). Le polysaccharide pariétal est avantageusement choisi parmi au moins une hémicellulose, une pectine, un hydrocolloïde.
L'hémicellulose est un biopolymère constitutif de la paroi cellulaire végétale et une des composantes du bois. Elle a un rôle de pontage entre les fibres de cellulose, mais aussi avec d'autres composés matriciels.
Les pectines sont des polysaccharides caractérisés par un squelette d’acide a-D- galacturonique et de faibles quantités de a-L-rhamnose (plus ou moins ramifiés).
Par « hydrocolloïde », on entend des familles de biopolymères extraites des végétaux, constitués principalement de polysaccharides et d’autres composés (protides, ions), qui sont généralement extractibles à l’eau et qui possèdent des propriétés texturantes (épaississantes, gélifiantes).
Selon un mode de réalisation préféré, ledit au moins un agent de mouture végétal est avantageusement choisi parmi les matières lignocellulosiques, avantageusement les matières lignocellulosiques non raffinées (dites encore « matières lignocellulosiques brutes »).
Par « matières lignocellulosiques », on entend une matière composée de lignine, d’hémicellulose et de cellulose (en proportions variables).
Par « matières lignocellulosiques non raffinées », on entend une matière lignocellulosique qui n’a pas subi de prétraitements pour en séparer les constituants, à savoir par exemple ;
- des prétraitements physiques autres qu’un broyage (par exemple chauffage par échangeur thermique ou par irradiation aux micro-ondes, ainsi que la sonication et le raffinage papetier) et/ou
- des prétraitements chimiques (par exemple soude, ammoniaque et/ou ozone).
De manière alternative, les matières lignocellulosiques consistent en des matières lignocellulosiques raffinées.
Dans ce cas, la matière lignocellulosique subit des prétraitements pour en séparer les constituants, à savoir par exemple des prétraitements physiques (par exemple chauffage par échangeur thermique ou par irradiation aux micro-ondes, ainsi que la sonication et le raffinage papetier) et/ou des prétraitements chimiques (par exemple soude, ammoniaque et/ou ozone).
En pratique, les matières lignocellulosiques non raffinées consistent avantageusement en un coproduit généré au cours d’un processus industriel.
Un coproduit est une matière, intentionnelle et inévitable, créée au cours du même processus de fabrication et en même temps qu’un produit principal.
Ainsi, les matières lignocellulosiques non raffinées sont avantageusement choisies parmi :
- un coproduit de l’exploitation forestière ou de l’industrie du bois,
- un coproduit de l’agriculture ou de l’industrie agroalimentaire,
- une plante pérenne, - une algue ou un coproduit d’exploitation des algues.
Le coproduit de l’exploitation forestière ou de l’industrie du bois consiste par exemple en :
- un bois raméal, dit encore « bois raméal fragmenté » ou « bois raméaux fragmentés (BRF) », c’est-à-dire un mélange non composté de résidus de broyage (fragmentation) de rameaux de bois (branches), issu majoritairement d'arbres feuillus,
- des plaquettes, c’est-à-dire le résultat du broyage par des engins mécanisés (broyeurs à couteaux) des rémanents d’une exploitation forestière ou de bois de faible diamètre ou de faible qualité, se présentant par exemple sous la forme de petits morceaux de bois d’environ 2x2x5 cm,
- la sciure, petites particules et fins copeaux issus du sciage de bois,
- l’écorce.
Le coproduit de l’agriculture ou de l’industrie agroalimentaire consiste par exemple en :
- les pailles, coproduit de la production de graines de céréales et représenté par la partie de la tige (ou chaume) de certaines graminées, dites « céréales à paille » (blé, orge, avoine, seigle, riz), coupé pendant la moisson,
- les balles ou baies, coproduit dérivé de la transformation des céréales et constitué par l'ensemble des glumes ou glumelles qui renferment le grain (obtenue par battage ou par décorticage),
- le son, coproduit constitué par l'enveloppe du caryopse des céréales après séparation de l'amande (provenant par exemple du blé, du riz ou de l’avoine).
La plante pérenne est par exemple choisie parmi :
- miscanthus,
- switchgrass ou panic érigé ( Panicum virgatum),
- un taillis à courte rotation ou TCR, comme par exemple le saule, le peuplier ou l’eucalyptus.
Une algue ou un coproduit d’exploitation des algues est par exemple choisi(e) parmi : les algues vertes ( Chlorophyta , Streptophycophyta, Euglenophyta,
Chlorarachniophyta), comme la laitue de mer,
- les algues brunes (dits encore Phaeophyceae ou Phéophycées), comme fucus ou laminaires source d’alginates,
- les algues rouges (ou rhodophytes), comme certaines rhodophycées source d’agar- agar et de carraghénanes,
- les microalgues, cultivées pour l’énergie et la chimie.
Avant l’étape de broyage, ledit au moins un agent de mouture végétal est ainsi composé / formé (avantageusement exclusivement) de particules (dites encore « particules solides »). Ledit au moins un agent de mouture végétal consiste ainsi avantageusement en un mélange granulaire, ou un mélange de particules (dit encore mélange particulaire) ou une poudre.
Ledit au moins un agent de mouture végétal est ainsi dépourvu de milieu liquide ou de phase continue externe liquide.
Ledit au moins agent de mouture végétal est donc utilisé sous forme solide (dit encore à l’état solide), c’est-à-dire avantageusement une substance solide formée de particules indépendantes.
Les particules ont de préférence une taille inférieure ou égale à 1 cm, préférentiellement inférieure ou égale à 0,5 cm, voire inférieure ou égale à 1 mm.
Par « taille », on entend avantageusement une dimension des particules composant ledit au moins un agent de mouture végétal, issue d’une analyse dimensionnelle par tamisage (voir par exemple la norme NF EN 933-1 ).
La dimension d'une particule, et plus généralement d'un constituant d'un mélange granulaire, correspond avantageusement à la longueur de son axe primaire, c'est-à-dire la plus longue ligne droite qui peut être dessinée entre une extrémité de ce constituant et une extrémité opposée.
La dimension d'une particule, et plus généralement d'un constituant d'un mélange granulaire, correspond encore à une dimension caractéristique de la particule.
Dans le cas où des particules présenteraient des formes très éloignées de la sphère (soient du fait de leur allongement, soit de leur aplatissement), il est nécessaire de considérer plusieurs dimensions caractéristiques.
La taille d’un constituant entrant dans la composition d'un mélange granulaire, pour lequel la distribution des tailles des particules présente un pic bien défini, est avantageusement la moyenne des tailles caractéristiques des particules de ce constituant.
De préférence, la taille des particules formant l’agent de mouture végétal est similaire à la taille des particules formant la matière minérale à broyer, c’est-à-dire une différence maximale d’un facteur 10 (ratio de la taille des particules formant l’agent de mouture végétal sur la taille des particules formant la matière minérale à broyer).
De préférence, la différence maximale est d’un facteur 3, de préférence encore un facteur 2.
Pour cela, l’étape de fourniture dudit au moins un agent de mouture végétal comprend avantageusement une opération de broyage / séparation appliquée à la matière première organique végétale destinée à former l’agent de mouture végétal.
Cette opération de broyage / séparation est ajustée pour obtenir le calibre souhaité des particules formant ledit agent de mouture végétal.
L’opération de séparation est par exemple choisie parmi le tamisage, la turboséparation ou le tri-électrostatique (voir par exemple le document Rajaonarivony et al., 2017, « Electrostatic séparation of minerai and végétal powders with a custom built corona separator: application to biorefinery of rice husk », EPJ Web of Conférences, Volume 140, 2017, ou Barakat et al., «. Electrostatic Séparation as an Entry into Environmentally Eco- Friendly Dry Biorefining of Plant Materials », Journal of Chemical Engineering & Process Technology, 2017, Vol 8(4): 354).
Toujours selon une caractéristique avantageuse, ledit au moins un agent de mouture végétal (et particulier ses particules constitutives) a une teneur en eau inférieure à 50%, avantageusement suite à une opération de séchage.
Par exemple, la teneur en eau est inférieure à 25%, de préférence encore inférieure à
10%.
Ce séchage a avantageusement pour but d’obtenir un taux d’humidité contrôlé et également de faciliter le broyage.
Etape de broyage
L’étape de broyage a pour fonction de diviser la matière minérale (solide) et de diminuer la taille des particules, et donc d’augmenter sa surface spécifique.
La « surface spécifique » est donc une des manières de mesurer la taille des particules résultant du broyage.
Elle désigne le rapport entre, d’une part, la surface réelle d'un objet et, d’autre part, la quantité de matière de l'objet (en général sa masse, voire son volume).
Cette surface spécifique peut s’exprimer comme une aire massique (unités de surface par unité de masse), voire comme une aire volumique / surface volumique (unités de surface par unité de volume).
La surface volumique peut être déterminée à partir de l’équation (1 ) suivante :
Figure imgf000012_0001
dans laquelle
R, représente le rayon de la ieme classe granulométrique, et
ca représente la fraction volumique de cette classe.
La surface volumique calculée est exprimée en m2/L.
L’étape de broyage est avantageusement réalisée dans un broyeur.
Cette étape de broyage est avantageusement réalisée à sec, de préférence au moyen d’un broyeur à media broyant (dit encore broyeur à corps broyant libres).
Le broyeur à media broyant est par exemple choisi parmi :
- un broyeur à boulets, avantageusement constitué par un tambour cylindrique ou cylindro-conique à axe horizontal et rempli (par exemple au tiers de son volume) par la charge broyante (boulets d'acier ou de fonte, galets de silex, bâtonnets, tétraèdres ou cylindres en acier dur),
- un broyeur à billes agitées ou à attrition, avantageusement une chambre au centre de laquelle se trouve un agitateur de géométrie variable (formé soit d’hélices, d’anneaux, de disques pleins, crantés ou troués) pour mettre en mouvement des billes de broyage qui occupent entre 50 et 85% du volume apparent de la chambre de broyage ainsi que la suspension à traiter (les billes de broyage peuvent être en acier, verre, en alumine ou en céramique),
- un broyeur vibrant, comprenant par exemple un bol de broyage produisant des vibrations en forme d’arc de cercle sur un plan horizontal dans lequel des billes viennent frapper la matière à broyer située sur les faces extérieures arrondies.
De tels broyeurs sont par exemple présentés dans l’article Blazy et al., Technique de l’Ingénieur - j3051 - Fragmentation - Technologie.
Au cours de l’étape de broyage, ledit au moins un agent de mouture végétal est mélangé avec la matière minérale dans le broyeur (avant ou pendant son fonctionnement).
Cette opération de mélange est obtenue par l’incorporation dudit au moins un agent de mouture végétal dans le broyeur contenant la matière minérale à broyer.
Ledit au moins un agent de mouture végétal est rapporté dans une proportion massique inférieure à 5% de la masse totale (c’est-à-dire avantageusement la somme de la masse de l’agent de mouture plus la masse de la matière minérale à broyer).
La « masse totale » correspond avantageusement à la masse totale des matières mélangées dans le broyeur au cours de l’étape de broyage.
Cette masse totale est au moins égale à la valeur obtenue par addition de, d’une part, la masse de la matière minérale et, d’autre part, la masse dudit au moins un agent de mouture végétal.
De préférence, ledit au moins un agent de mouture végétal est incorporé dans une proportion massique inférieure ou égale à 1%, avantageusement de 0,1 % à 1%, de préférence de 0,5% à 1%, de la masse totale.
L’opération de mélange dudit au moins un agent de mouture végétal avec ladite matière minérale à broyer peut être mise en oeuvre :
- au début de l’étape de broyage, ou
- pendant cette étape de broyage, entre le début et la fin de ladite étape de broyage.
L’étape de broyage est poursuivie pendant un temps suffisant à l’obtention de matière minérale dans l’état souhaitée.
En ce sens, l’étape de broyage est avantageusement poursuivie jusqu’à obtenir une matière minérale broyée ayant une surface volumique supérieure ou égale à 1 000 m2/L, avantageusement de 1 000 à 3 000 m2/L, de préférence encore de 2 000 à 3000 m2/L.
Procédé pour la fabrication d’un liant hydraulique
La présente invention concerne encore un procédé pour la fabrication d’un liant hydraulique. Le procédé correspondant comprend avantageusement les étapes suivantes :
- une étape de fourniture d’un clinker, par exemple sous la forme d’une étape de fabrication de ce clinker,
- une étape de broyage dudit clinker pour obtenir ledit liant hydraulique.
L’étape de fabrication du clinker comprend par exemple les étapes suivantes :
- la préparation d’un cru, par voie humide ou voie sèche,
- une cuisson du cru, par exemple à haute température (1 450°C) dans un four à calcination rotatif (processus de cuisson également appelé « clinkérisation »), et
- le refroidissement rapide (la trempe).
A la sortie du four, la granulométrie du clinker est trop grossière pour que sa réactivité soit suffisante ; le clinker se présente sous forme de nodules d’une dizaine de millimètre de diamètre.
Le broyage du clinker développe les propriétés hydrauliques du ciment et lui confère ses principales propriétés rhéologiques.
L’étape de broyage est mise en oeuvre selon le procédé de broyage défini ci-dessus.
En particulier, l’étape de broyage de ce clinker est réalisée en présence dudit au moins un agent de mouture végétal selon les caractéristiques développées ci-dessus.
Toujours lors de cette étape, différents minéraux naturels ou artificiels peuvent être ajoutés simultanément pour ajuster la composition du mélange.
Le gypse (3 à 5 %) peut être ajouté au clinker. On obtient alors le ciment Portland artificiel (CEM I).
Les ciments à ajouts (CEM II à V) sont obtenus par l'addition, lors l’étape de broyage, d'éléments minéraux supplémentaires contenus dans des matériaux tels que :
- le laitier de hauts fourneaux,
- les cendres volantes de centrales électriques,
- les fillers calcaires (granulats),
- les pouzzolanes (naturelles ou artificielles).
Matière minérale broyée
La présente invention concerne encore une matière minérale broyée, issue d’un procédé de broyage selon l’invention (collectée à la fin du procédé de broyage selon l’invention au cours d’une étape de collecte / récupération, avantageusement à la sortie du broyeur).
Cette matière minérale broyée comprend alors avantageusement au moins un agent de mouture végétal composé de particules et incorporé dans une proportion massique inférieure à 5% de la masse totale.
Là encore, la « masse totale » correspond avantageusement à la masse totale des matières mélangées (au moins matière minérale et agent de mouture végétal).
Les particules formant la matière minérale broyée présente une surface volumique supérieure ou égale à 1 000 m2/L, avantageusement de 1 000 à 3 000 m2/L.
Application
Les applications possibles de la présente invention sont nombreuses et regroupent toutes les industries broyant des minéraux.
On peut en particulier citer l’industrie cimentière, où l’efficacité du concept est démontrée sur le ciment alumineux. Le procédé de broyage selon l’invention pourrait être étendu à la production de ciment Portland.
Les industries pigmentaires, ou de production de poudres métalliques, peuvent être aussi intéressées.
Exemples
Matériels et Méthodes
Matières premières
Un végétal (paille de blé tendre) et deux minéraux (sable de quartz et ciment alumineux) sont utilisés ici.
Paille de blé
Un pré-broyage sur un broyeur à couteaux (SM100 de Retsch) est réalisé pour la paille de blé.
La paille est broyée successivement dans le broyeur avec des grilles d’ouverture 6, 4, 2 mm puis trois fois à 1 mm pour éviter un échauffement trop important.
La paille est chargée dans le broyeur manuellement et le broyeur tourne à 1500 tpm
(rpm).
La paille est ensuite tamisée afin de conserver la fraction entre 0,25 et 0,5 mm.
Cette fraction appelée « paille » dans la suite du document est ensuite séchée pendant 24 heures dans une étuve à 65°C.
Ce séchage a pour but d’obtenir le même taux d’humidité pour tous les échantillons de paille broyée et également de faciliter le broyage.
Avant utilisation, une mesure de taux d’humidité est effectuée, celui-ci est compris entre 3 et 4%.
Sable de quartz
Le sable provient de la Société Nouvelle du Littoral, celui-ci est tamisé entre 0,315 et 1 mm pour obtenir une granulométrie équivalente à la paille.
Le sable étant très peu sujet à la prise d’eau, aucun passage à l’étuve n’est nécessaire avant son utilisation. Ciment alumineux
Comme pour le sable, le ciment ne subit aucun passage à l’étuve. Il est également tamisé entre 0,315 et 1 mm.
Broyeurs utilisés
Deux broyeurs différents (broyeur à boulets FAURE®, broyeur Retsch® MM400) ont été utilisés pour le broyage de ciment (en présence de paille) et pour le sable (en présence de paille).
Un troisième broyeur (broyeur à billes agitées), additionnel, a été utilisé pour le broyage de sable (en présence de paille).
Ces trois broyeurs ont été sélectionnés pour leur fonctionnement très différenciés, chacun ayant une quantité de produit, une consommation énergétique, et un principe de fonctionnement bien distincts.
Le broyeur MM400 Retsch (broyeur vibrant) est constitué de deux bols vibrants, de 50 mL chacun. Le média broyant utilisé est une bille en acier de 25 mm de diamètre. Pour l’ensemble des mesures, la fréquence de vibration utilisée est de 20 Hz.
Le broyeur à boulets FAURE est constitué d’une cuve de 3 L remplie de boulets en acier (3 kg) de diamètres 25, 20 et 15 mm à masse égales ; la vitesse de la rotation de la cuve est de 81 tr.min 1.
Enfin, le broyeur à billes agitées FEMAG est composé d’une cuve de 3 L dans laquelle sont présentes des billes en acier de faible diamètre (6 mm) mises en mouvement par un arbre agitateur dont la vitesse est de 300 tr.min 1, avec une quantité de billes représentant 60% du taux de remplissage de la cuve (soit 7,5 kg).
Protocole de broyage
Pour un broyeur donné, les différents broyages sont réalisés à remplissage du broyeur constant.
Les densités considérées pour calculer les volumes de poudres sont les densités apparentes des poudres à 10 pm, soit 1608 kg.m 3 pour le ciment, 1696 kg.m 3 pour le sable et 0,221 kg.m 3 pour la paille.
Le volume de poudre inséré dans le broyeur MM400 est de 8 mL, dans le broyeur à boulets est de 273 mL et dans le broyeur à billes agitées est de 740 mL.
Dans les résultats présentés ici, la masse de paille représente de 0,7% à 0,16% de la masse totale (5% à 1% du volume de poudre total).
Tout au long du broyage, plusieurs échantillons sont prélevés. Le broyage est ensuite arrêté lorsque l’on considère que la taille n’évolue plus de manière significative. Mesure granulométrique
Afin de caractériser les poudres obtenues, des analyses granulométriques sont réalisées sur un granulomètre laser MALVERN®, qui donne accès à la surface générée.
La granulométrie laser repose sur le principe de diffraction de la lumière. La poudre passe devant un rayon laser, la déviation du rayon et l’intensité lumineuse est ensuite mesurée.
À l’aide de la théorie de Mie (prise en compte des indices de réfraction et d’absorption des particules), la distribution de taille de la poudre (ou « PSD » pour « particle size distribution ») est déterminée.
A partir de la PSD, la surface volumique est déterminée à partir de l’équation (1 ) suivante :
Figure imgf000017_0001
dans laquelle
R, représente le rayon de la ieme classe granulométrique, et
ca représente la fraction volumique de cette classe.
La surface volumique calculée est exprimée en m2/L.
La poudre est dispersée dans de l’éthanol avec ultrasons pour désagglomérer la poudre en suspension dans l’éthanol. Les ultrasons sont activés pendant 3 minutes et la mesure est effectuée 3 minutes après la fin des ultrasons pour éliminer les bulles d’air présentes.
Consommation électrique et gain énergétique
Sur les trois broyeurs, la puissance électrique utilisée par le broyeur est mesurée pendant le broyage.
Quel que soit le produit, le broyeur à boulet consomme 69 W. Le broyeur à billes agitées consomme 909 W pour tous les broyages, exceptés pour le broyage sable/paille où le broyeur consomme 885 W. Le broyeur MM400 voit sa consommation varier avec la masse de produit rapportée.
Connaissant la masse de poudre, et la relation liant la masse de poudre et la puissance électrique, la puissance électrique de chaque broyage a pu être calculée (figure 1 ).
Connaissant le temps de broyage et la masse de minéral introduit, la consommation électrique massique est calculée pour chaque point des cinétiques de broyage.
Cette consommation électrique massique est ensuite calculée à des surfaces volumiques fixées.
Cette valeur indique la quantité d’énergie dépensée pour produire 1 kg de minéral à la surface volumique voulue.
Interpolation de l’évolution de la surface volumique
La surface volumique mesurée au granulomètre laser est tracée en fonction de l’énergie minérale massique pour chaque broyage.
Cette évolution est ensuite interpolée par la fonction (2) suivante :
Sv = S/(l - a exp (-^)) (2)
avec Sf, a et t, les paramètres de la fonction déterminés à partir de l’interpolation,
Sv la surface volumique, et
Em l’énergie massique de broyage.
Dans la suite, c’est à partir de ces interpolations que tous les gains énergétiques et surfaciques sont calculés.
Calcul des différences de consommations énergétiques
À partir des interpolations (cf. le paragraphe précédent) de l’évolution de la surface volumique avec l’énergie massique, il est possible de calculer une différence de consommation énergétique pour atteindre une surface donnée.
Cette différence D (en %) est calculée comme suit au moyen de la formule (3) suivante :
Figure imgf000018_0001
dans laquelle
Eadjuvant (^) esf |’énergie massique de broyage en présence de l’agent de mouture, Ej^ur(Sv) est l’énergie massique de broyage en absence de l’agent de mouture.
Une différence négative signifiera donc que l’on a dépensé moins d’énergie pour atteindre une même surface avec de l’adjuvant de mouture. Cela correspond donc à une réduction de la consommation énergétique grâce à l’ajout de la biomasse végétale.
Résultats
Evolution de la surface volumique
Un exemple d’évolution de la surface volumique en fonction de l’énergie massique de broyage est présenté sur les figures 2 et 3.
Les cinétiques sont interpolées avec la fonction (2) décrite précédemment.
Comme on peut le voir, la finesse de la poudre augmente au cours du broyage puis se stabilise à une valeur maximum.
L’ajout de paille permet, à partir d’une certaine finesse, d’obtenir plus rapidement cette finesse (et donc d’économiser de l’énergie) mais également d’augmenter la surface volumique maximale atteignable.
Différence de consommation énergétique
Les figures 4 et 5 présentent les différences de consommation énergétique pour le broyage du ciment et du sable, par ajout de paille à hauteur de 0,7% en masse sur les différents broyeurs utilisés pour différentes surfaces volumiques (1400 m2/l_ correspond à une d50 de 10pm et 2600 m2/l_ correspond à une d50 de 4,3pm).
Le gain énergétique, qui varie entre 15% (broyage ciment/paille à 1400 m2/L sur broyeur à boulets) et 31% (broyage sable/paille à 2600 m2/L sur broyeur FEMAG), est dépendant du matériau et du broyeur utilisé mais globalement augmente avec l’augmentation de la finesse.
De plus faibles quantités de paille ont également été testées pour les broyages ciment/paille sur le broyeur MM400 (figure 6). Ces résultats montrent qu’il est possible de diminuer la quantité de paille et d’avoir toujours des gains énergétiques conséquents. Il semble que les meilleurs résultats soient obtenus pour 0,57% de paille.
Augmentation de la surface maximale
Un faible taux de paille permet d’augmenter la surface volumique atteinte pour une dépense énergétique fixée et permet même d’augmenter la surface maximale atteignable.
Les figures 7 et 8 présentent les gains de surfaces volumiques observés à différentes dépenses énergétiques pour les broyages en présence d’une teneur de biomasse de 0,7%.
On peut voir que, globalement, le gain surfacique augmente au cours du broyage. Il varie entre 4% en début de broyage (à 1000 kWh/t à une d50 de 13 pm soit une surface de 2200 m2/L pour le sable) jusqu’à 30% en fin de broyage (à 8000 kWh/t à une d50 de 3,5 pm soit une surface de 2730 m2/L pour le sable).
Conclusion
L’ajout de faibles quantités de paille dans le ciment et le sable est responsable de l’amélioration de la broyabilité du minéral, provoquant ainsi une réduction des coûts énergétiques et une augmentation de la surface finale.
Ces effets sont observables sur deux minéraux différents aux propriétés chimiques contrastées. Cela permet d’élargir le concept à d’autres matériaux.
De plus, le procédé selon l’invention a prouvé son efficacité sur des broyeurs aux fonctionnements très différents.
La très faible quantité de paille ajoutée est un atout puisque cela altère très peu les propriétés de la poudre finale comme le fait un adjuvant de broyage traditionnel.
Les résultats présentés ici mettent en évidence le rôle d’agent de mouture (ou adjuvant de broyage) que joue la paille pour le broyage du sable et du ciment alumineux sur différents broyeurs.
Par ailleurs, ces résultats sont tout à fait extrapolables à d’autres biomasses lignocellulosiques (certains essais ont également été réalisés sur de la cellulose pure) ainsi qu’à d’autres minéraux.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour le broyage d’une matière minérale, lequel procédé comprend :
- une étape de fourniture de ladite matière minérale à broyer et d’au moins un agent de mouture, lequel au moins un agent de mouture est choisi parmi les matières organiques végétales pour former un agent de mouture végétal,
- une étape de broyage de ladite matière minérale, en présence dudit au moins un agent de mouture,
caractérisé en ce que ledit au moins un agent de mouture végétal est composé de particules,
et en ce que, au cours de ladite étape de broyage, ledit au moins un agent de mouture végétal est mélangé avec ladite matière minérale dans une proportion massique inférieure à 5% de la masse totale.
2. Procédé de broyage selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit au moins un agent de mouture végétal consiste en un mélange de particules ou une poudre.
3. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit au moins un agent de mouture végétal est incorporé dans une proportion massique inférieure ou égale à 1 %, avantageusement de 0,1 % à 1 %, de préférence de 0,5% à 1 %, de la masse totale.
4. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit au moins un agent de mouture végétal est choisi parmi les matières organiques végétales comprenant l’un au moins des composants suivants : la lignine, la cellulose, un polysaccharide pariétal.
5. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit au moins un agent de mouture végétal est choisi parmi les matières lignocellulosiques, avantageusement les matières lignocellulosiques non raffinées, de préférence encore :
- un coproduit de l’exploitation forestière ou de l’industrie du bois,
- un coproduit de l’agriculture ou de l’industrie agroalimentaire,
- une plante pérenne,
- une algue ou un coproduit d’exploitation des algues.
6. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, avant ladite étape de broyage, les particules composant ledit au moins un agent de mouture végétal ont une taille inférieure à 1 cm, préférentiellement inférieure à 0,5 cm, voire inférieure à 1 mm.
7. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, avant ladite étape de broyage, les particules composant ledit au moins un agent de mouture végétal ont une teneur en eau inférieure à 50%, avantageusement suite à une opération de séchage.
8. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite matière minérale à broyer est choisie parmi les liants hydrauliques, les clinkers, les terres rares, des dérivés de silice et les minerais métallifères.
9. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit procédé de broyage comprend une opération de mélange dudit au moins un agent de mouture avec ladite matière minérale, laquelle opération de mélange est mise en oeuvre :
- au début de ladite étape de broyage, ou
- pendant ladite étape de broyage.
10. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, avant l’étape de broyage, ladite matière minérale à broyer a une taille inférieure ou égale à 1 cm, préférentiellement inférieure ou égale à 0,5 cm, voire inférieure ou égale à 1 mm.
1 1. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, avant ladite étape de broyage, le ratio dimensionnel de la taille des particules formant l’agent de mouture végétal sur la taille des particules formant la matière minérale à broyer est au maximum de 10, de préférence au maximum de 3, de préférence encore au maximum de 2.
12. Procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce que l’étape de broyage est réalisée à sec, avantageusement au moyen d’un broyeur à media broyant.
13. Procédé pour la fabrication d’un liant hydraulique, lequel procédé comprend :
- une étape de fabrication d’un clinker,
- une étape de broyage dudit clinker pour obtenir ledit liant hydraulique,
caractérisé en ce que ladite étape de broyage est mise en oeuvre selon le procédé de broyage défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 12.
14. Utilisation de matières organiques végétales comme agent de mouture végétal dans un procédé de broyage d’une matière minérale,
lequel au moins un agent de mouture est composé de particules, et
lequel agent de mouture végétal est incorporé dans une proportion massique inférieure à 5% de la masse totale.
15. Matière minérale broyée, issue d’un procédé de broyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 12,
laquelle matière minérale broyée comprend au moins un agent de mouture végétal incorporé dans une proportion massique inférieure à 5% de la masse totale,
lequel au moins un agent de mouture végétal est composé de particules, et laquelle matière minérale broyée présente une surface volumique supérieure ou égale à 1 000 m2/L, avantageusement de 1 000 à 3 000 m2/L.
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