Titre de l'invention : Four de calcination par micro-ondes pour matériaux solides divisés en fines particules

Domaine Technique

[0001] L'invention se rapporte au domaine général du chauffage par micro-ondes à haute température pour réaliser un traitement de calcination (éventuellement en continu) de matériaux solides divisés en fines particules, et notamment de poudres.

Technique antérieure

[0002] Un traitement thermique de calcination consiste à chauffer à haute température (avec des températures supérieures à 150°C et pouvant atteindre 1900°C) dans une enceinte fermée un corps inerte afin de le décomposer ou d'obtenir des réactions chimiques.

[0003] Dans l’industrie minière, la calcination est utilisée comme processus de traitement thermique appliqué aux minerais tels que la kaolinite, le clinker, la bauxite, le lithium et la magnésite pour obtenir une décomposition thermique, par exemple l’élimination de l’eau cristalline, l’élimination du CO2 ou la transformation de phase des minéraux.

[0004]Au cours de ce processus de traitement, les métaux liés (dans les minerais ou autres solides) sont convertis en oxyde (calcinât), sous forme de poudre, de cendres ou de poussières, ou subissent une transition de phase par chauffage. Le processus est généralement effectué dans de longs fours cylindriques ou de hauts fours verticaux à brûleur.

[0005] Il est connu de réaliser un tel processus à la calcination de matériaux se présentent sous la forme de poudre. On connaît ainsi la calcination de poudres à l'aide de fours de chauffe rotatifs avec brûleur direct ou par chauffage indirect de la paroi du four. Ces procédés de calcination présentent toutefois les inconvénients d'être énergivores, émetteurs d'importantes quantités de CO2 et de poussières et avec un rendement faible.

[0006] On connaît également les fours « flash » verticaux dans lequel la poudre à traiter est projetée dans une flamme à haute température pour une calcination flash. Cependant, ce procédé de calcination est très énergivore et source d'une quantité importante de CO2 et de poussières qu'il faut traiter.

[0007] Il existe encore des fours électriques verticaux à plaques chauffantes comme décrit dans la publication CN 2656406. Or, ces fours présentent un faible rendement et sont inadaptés à des applications à l'échelle industrielle.

[0008]0n connaît aussi des publications FR 2,850,519 et FR 2,850,520 des dispositifs de chauffage par rayonnement micro-ondes qui traitent les matériaux par lots (ou batch) dans une cavité rotative. Ces solutions présentent les avantages de permettre une chauffe homogène, des traitements thermiques à haute température et une importante économie de CO2. En revanche, appliquées au traitement de poudres, elles peuvent poser des problèmes de création d'arcs électriques à cause de l'envol des fines dans le four.

[0009]0n connaît également de la publication FR 2,965,907 une solution de traitement thermique par rayonnement micro-ondes en continu par spire. Cependant, cette technologie est inadaptée pour les températures dépassant 600 à 700°C.

[0010] La publication CN 103822464 décrit un procédé de chauffage de poudres du type kaolin par micro-ondes dans un four vertical à multi-étages. Ce four possède une série de cônes réalisés en matériau chauffant aux micro-ondes sur lesquels s'écoule le produit à traiter, ce qui permet de pouvoir calciner des produits ne réagissant pas aux micro-ondes. En revanche, ce type de four présente les inconvénients d'être créateur de poussières et d'être mal adapté à la chauffe micro-ondes industrielle (notamment du fait d'une épaisseur de lit qui est faible, d'endommagement et d'usures des cônes, et d'emballements thermiques).

[0011]La publication CN102305541 décrit un procédé en continu mixte micro-ondes et chauffe traditionnelle en tour par chute gravitaire dans un tube dans lequel le produit est préchauffé par micro-ondes puis est transféré dans un tube rotatif pour finaliser la cuisson. Ce procédé présente les inconvénients d'être créateur d'une grande quantité de poussières, ce qui est source de génération d'arcs électriques et ce qui limite fortement la puissance micro-onde.

[0012]On connaît de la publication WO 2009/034418 un procédé par micro-ondes permettant de résoudre les problèmes liés aux poussières. Ce procédé consiste à faire passer le produit dans un canal de section rectangulaire avec une avance du produit engendrée par des vibrations et de distribuer les ondes par le dessus de ce canal. Bien qu'efficace, ce procédé se révèle totalement inadapté à une utilisation à l'échelle industrielle et pose des problèmes d'interface à l'arrivée des ondes et d'homogénéité de chauffe.

Exposé de l'invention

[0013] La présente invention a pour but de répondre à l'ensemble des inconvénients précités en proposant une solution particulièrement adaptée aux matériaux solides divisés en fines particules telles que des poudres et à une mise en oeuvre à l'échelle industrielle.

[0014] Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un four de calcination par micro-ondes pour matériaux solides divisés en fines particules, comprenant :

- une enceinte de chauffe de forme allongée dont un axe longitudinal est disposé verticalement ;

- au moins un tube d'admission de matériaux à traiter débouchant à l'intérieur de l'enceinte de chauffe à une extrémité supérieure de celle-ci ;

- au moins un orifice d'évacuation des matériaux traités s'ouvrant à l'intérieur de l'enceinte de chauffe à une extrémité inférieure de celle-ci ;

- un malaxeur monté à l'intérieur de l'enceinte de chauffe et comprenant au moins un arbre de malaxage qui est disposé parallèlement à l'axe longitudinal de l'enceinte de chauffe et qui porte une pluralité de pales de malaxage, et un système d'entrainement en rotation de l'arbre de malaxage autour de son axe ; et

- au moins un guide d'ondes qui est raccordé à un générateur de microondes et qui débouche à l'intérieur de l'enceinte de chauffe entre ses extrémités supérieure et inférieur par l'intermédiaire d'une fenêtre de protection montée sur l'enceinte de chauffe avec interposition de joints de piégeage d'ondes.

[0015] Le four selon l'invention est remarquable notamment en ce qu'il permet de mettre les matériaux à traiter directement en contact avec le champ de microondes, dans leur masse. Le four selon l'invention permet de faire circuler à une vitesse maîtrisée les matériaux à traiter juste devant l'arrivée des micro-ondes pour le chauffer de façon homogène, à une grande densité de puissance tout en évitant la création de poussières et en optimisant le rendement. De plus, la zone soumise aux micro-ondes est très limitée car les ondes sont rapidement amorties dans le produit.

[0016]Selon un mode de réalisation, l'enceinte de chauffe présente une section droite de forme oblongue avec deux demi -cylindres.

[0017] Dans ce mode de réalisation, le malaxeur comprend avantageusement deux arbres de malaxage parallèles, centrés chacun sur l'un des axes des deux demi- cylindres et portant chacun une pluralité de pales de malaxage, les pales de malaxage portées par l'un des arbres de malaxage s'enchevêtrant avec celles portées par l'autre arbre de malaxage, ce qui permet d'assurer un brassage optimal.

[0018] De préférence également, le système d'entraînement en rotation des arbres de malaxage est configuré pour entraîner les deux arbres de malaxage en sens inverse et à des vitesses synchronisées toujours dans le but d'optimiser le brassage.

[0019] De préférence encore, la fenêtre de protection présente une section droite de forme trapézoïdale incurvée de façon à épouser l'espace non soumis aux pales de malaxage portées par les deux arbres de malaxage. [0020] Selon une disposition avantageuse, le guide d'ondes débouche au niveau d'une partie inférieure de l'enceinte de chauffe de façon à créer une zone supérieure froide non soumise aux micro-ondes et une zone inférieure chaude soumise aux micro-ondes.

[0021] Dans ce cas, l'enceinte de chauffe est de préférence munie au niveau de la zone froide d'un revêtement d'isolation thermique.

[0022] De plus, le four peut comprendre en outre des moyens de chauffage par induction positionnés au-dessus du guide d'ondes de façon à créer une zone intermédiaire de préchauffage située entre la zone froide et la zone chaude.

[0023] Le four peut comprendre en outre des moyens de chauffage par effet Joule des pales de malaxage situées au moins au niveau de la zone de préchauffage, ce qui permet d'assurer une chauffe complémentaire des matériaux à traiter.

[0024] Selon une disposition avantageuse, l'orifice d'évacuation des matériaux traités s'ouvre à l'intérieur de l'enceinte de chauffe par l'intermédiaire d'une trémie et son débit est régulé par une vanne à ouverture réglable motorisée.

[0025] Selon une autre disposition avantageuse, le four comprend en outre une pluralité de sondes de températures débouchant à l'intérieur de l'enceinte de chauffe à différentes hauteurs.

[0026] L'enceinte de chauffe peut être munie d'un revêtement externe d'isolation thermique.

[0027] De préférence, chaque joint de piégeage d'ondes comporte une pluralité de rainures qui s'étendent sur toute la périphérie de la fenêtre de protection et qui présentent une profondeur égale au quart de la longueur d'ondes des microondes émises.

[0028]Selon une disposition avantageuse, le four peut comprendre une pluralité de guides d'ondes positionnés les uns au-dessus des autres et reliés à des générateurs de micro-ondes délivrant des micro-ondes à des fréquences et des puissances différentes de façon à définir plusieurs étages de chauffe répartis sur la hauteur de l'enceinte de chauffe. Brève description des dessins

[0029] [Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique et en perspective d'un four de calcination par micro-ondes selon un mode de réalisation de l'invention.

[0030] [Fig. 2] La figure 2 est une vue de face du four de la figure 1.

[0031] [Fig. 3] La figure 3 est une vue en coupe de côté du four de la figure 1.

[0032] [Fig. 4] La figure 4 est une coupe en section droite du four de la figure 1 en vue de dessus.

[0033] [Fig. 5] La figure 5 est une vue en coupe transversale montrant une fenêtre de protection selon un mode de réalisation du four selon l'invention.

[0034] [Fig. 6] La figure 6 est une vue de face d'un four selon une variante de réalisation de l'invention.

Description des modes de réalisation

[0035] L'invention concerne un traitement thermique de calcination, pouvant être mis en oeuvre en continu, de matériaux solides divisés en fines particules, et notamment de poudres. Dans le cadre de la présente invention, le traitement thermique de calcination s'effectue avec des températures de chauffe comprises entre 150°C et 1900°C.

[0036] Les figures 1 à 5 représentent, selon différentes vues, un four 2 selon l'invention destiné à la mise en oeuvre d'un tel traitement thermique de calcination.

[0037]Selon l'invention, le four 2 comprend notamment une enceinte de chauffe 4 de forme allongée et positionnée de sorte à ce que son axe longitudinal X-X soit sensiblement vertical.

[0038] En section droite (comme représentée sur la figure 4), l'enceinte de chauffe 4 du four selon l'invention présente une forme oblongue, c'est-à-dire une forme allongée qui est plus longue que large et qui se termine par deux demi-cylindres centrés chacun sur un axe vertical Yl-Yl, Y2-Y2.

[0039] L'enceinte de chauffe 4 est typiquement réalisée dans un matériau conducteur électriquement et résistant aux hautes températures, par exemple en acier réfractaire. Son épaisseur est généralement comprise entre 1 et 10mm et ses dimensions comprennent une longueur comprise entre 200mm et 5m et une largeur comprise entre 200mm et 2m.

[0040] L'enceinte de chauffe 4 est par ailleurs munie d'un revêtement externe d'isolation thermique (par exemple une couche de laine de roche aluminisé ayant une épaisseur de l'ordre de 5mm - non représentée sur les figures).

[0041]Au niveau de son extrémité supérieure, l'enceinte de chauffe 4 est fermée par un couvercle supérieur 6. Au moins un tube d'admission 8 de matériaux à traiter traversant ce couvercle supérieur 6 débouche à l'intérieur de l'enceinte de chauffe 4 à une extrémité supérieure de celle-ci.

[0042] De même, au niveau de son extrémité inférieure, l'enceinte de chauffe 4 est fermée par une bride de fond de vidange 10 dans laquelle est pratiquée un orifice d'évacuation 12 des matériaux traités.

[0043] De façon avantageuse, cet orifice d'évacuation 12 s'ouvre à l'intérieur de l'enceinte de chauffe par l'intermédiaire d'une trémie 14 et son débit est régulé par une vanne à ouverture réglable motorisée 16.

[0044] Par ailleurs, le four 2 selon l'invention comprend au moins un guide d'ondes 18 qui est raccordé à un générateur de micro-ondes 20 et qui débouche à l'intérieur de l'enceinte de chauffe 4 entre ses extrémités supérieure et inférieure.

[0045]Typiquement, le générateur de micro-ondes 20 comprend un magnétron ou klystron (ayant une puissance unitaire pouvant varier entre lkW et 10MW) couplé à un générateur de fréquences (pouvant varier de 200MHz à 5000MHz).

[0046] Dans l'exemple représenté sur les figures 1 à 6, il est prévu deux guides d'ondes 18 qui sont positionnés verticalement l'un au-dessus de l'autre et qui sont chacun raccordés à un générateur de micro-ondes différentes. Bien entendu, le nombre de guides d'ondes pourrait être plus important et répartis différemment selon les dimensions de l'enceinte de chauffe.

[0047] En cas de plusieurs guides d'ondes positionnés les uns au-dessus des autres, les fréquences et les puissances de chaque générateur de micro-ondes peuvent être différentes afin d'optimiser la chauffe des matériaux à traiter. En particulier, il est particulièrement avantageux d'avoir des générateurs de micro-ondes de fréquences définies par étage de chauffe pour des matériaux ciblés. De même, il peut être avantageux de pouvoir faire varier la puissance de chaque étage de générateurs de micro-ondes pour optimiser le rendement de chauffe des matériaux.

[0048] En effet, la réponse d'un matériau aux micro-ondes dépend de sa permittivité diélectrique qui varie en fonction de la fréquence du champ électromagnétique et de la température du produit sous la forme d'une fonction qui est variable suivant la chimie des matériaux.

[0049] De préférence, le(s) guide(s) d'ondes 18 débouche(nt) au niveau d'une partie inférieure de l'enceinte de chauffe 4 de façon à créer une zone supérieure froide ZF non soumise aux micro-ondes et une zone inférieure chaude ZC soumise aux micro-ondes.

[0050] Dans ce cas, l'enceinte de chauffe 4 est avantageusement munie au niveau de la zone froide ZF d'un revêtement d'isolation thermique 21 (figure 3).

[0051]Chaque guide d'ondes 18 débouche à l'intérieur de l'enceinte de chauffe 4 par l'intermédiaire d'une fenêtre de protection 22 qui est montée dans une ouverture de l'enceinte de chauffe par une bride de montage 24 avec interposition de joints de piégeage d'ondes 26.

[0052] La fenêtre de protection 22 est réalisée dans un matériau transparent aux micro-ondes générées par le générateur d'ondes et résistant aux hautes- températures. Elle est par exemple réalisée en quartz ou en céramique et permet d'isoler le guide d'ondes des poussières.

[0053] L'interface entre chaque fenêtre de protection 22 et l'enceinte de chauffe 4 laisse nécessairement des zones de rétention. L'inconvénient de ces zones de rétention est qu'elles sont immobiles, de sorte que leur chauffe par micro-ondes entraine des emballements thermiques pouvant aller jusqu'à la vitrification de ces zones et leur endommagement.

[0054]Aussi, afin d'annuler l'effet des micro-ondes au niveau de ces zones de rétention, il est prévu de positionner des joints de piégeage d'ondes 26 tout autour de chaque fenêtre de protection. L'effet de ces joints de piégeage d'ondes 26 est d'annuler l'effet des micro-ondes sur la périphérie de la fenêtre de protection sur une épaisseur d'environ 5mm correspondant à la zone de rétention entre la fenêtre de protection 22 et l'enceinte de chauffe 4.

[0055] Le principe des joints de piégeage d'ondes 26 est de faire parcourir une demi- longueur d'ondes supplémentaire à une partie de l'onde incidente de telle sorte que l'autre partie de l'onde s'annule en la rencontrant.

[0056]Comme représenté notamment sur la figure 5, chaque joint de piégeage d'ondes 26 comporte ainsi une pluralité de rainures 26a qui s'étendent sur toute la périphérie de la fenêtre de protection 22 et qui présentent une profondeur P égale au quart de la longueur d'ondes des micro-ondes émises, de telle sorte qu'un aller et retour correspondent à une demi-longueur d'ondes.

[0057] La géométrie de ces joints de piégeage d'ondes 26 dépend de la fréquence des micro-ondes émises. Pour des fréquences de magnétrons différentes, les dimensions des joints de piégeage d'ondes seront donc différentes.

[0058] Le four 2 selon l'invention comprend encore un malaxeur 28 qui est monté à l'intérieur de l'enceinte de chauffe 4.

[0059]Ce malaxeur 28 comprend au moins un arbre de malaxage 30 qui est disposé parallèlement à l'axe longitudinal X-X de l'enceinte de chauffe et qui porte une pluralité de pales de malaxage 32, ainsi qu'un système d'entrainement en rotation 34 de l'arbre de malaxage autour de son axe.

[0060] L'arbre de malaxage 30 s'étend depuis l'extrémité supérieure de l'enceinte de chauffe 4 vers son extrémité inférieure et les pales de malaxage 32 sont régulièrement réparties sur toute la hauteur de l'enceinte de chauffe. Au niveau de l'extrémité supérieure de celle-ci, l'arbre de malaxage 30 traverse le couvercle supérieur 6 et est relié au système d'entrainement en rotation 34.

[0061] Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 6, le malaxeur 28 comprend deux arbres de malaxage 30a, 30b qui sont centrés chacun sur l'un des axes Yl- Yl, Y2-Y2 des deux demi-cylindres et qui portent chacun une pluralité de pales de malaxage 32a, 32b

[0062] Dans cette configuration, les pales de malaxage portées par l'un des deux arbres de malaxage s'enchevêtrent avec celles portées par l'autre arbre de malaxage de façon à assurer un brassage optimal des matériaux à traités (voir la figure 4 notamment).

[0063] De même, toujours dans cette configuration, le système d'entraînement en rotation 34 des arbres de malaxage 30a, 30b est avantageusement configuré pour entraîner les deux arbres de malaxage en sens inverse et à des vitesses synchronisées entre elles, toujours dans le but d'améliorer le brassage des matériaux à traiter.

[0064]A cet effet, comme représenté notamment sur la figure 2, le système d'entraînement en rotation 34 des arbres de malaxage 30a, 30b se compose par exemple d'un ensemble motoréducteur 34a qui est relié aux arbres de malaxage par des systèmes de courroies ou d'engrenages 34b (figure 2). De plus, les arbres de malaxage sont guidés par des paliers ou roulements 36 (figure 3).

[0065] Par ailleurs, les pales de malaxage 32a, 32b sont dimensionnées pour que le brassage des matériaux à traiter soit réalisé sur toute la hauteur de l'enceinte de chauffe et pour conférer au matériau un comportement de fluide.

[0066] De préférence, les arbres 30a, 30b et pales de malaxage 32a, 32b sont revêtus d'une céramique isolante permettant un fonctionnement à température élevée (jusqu'à environ 1900°C) et d'éviter une usure trop rapide.

[0067] De préférence également, comme représenté sur la figure 5, chaque fenêtre de protection 22 présente une section droite de forme trapézoïdale incurvée de façon à épouser l'espace non soumis aux pales de malaxage 32a, 32b portées par les deux arbres de malaxage 30a, 30b. [0068] Le fonctionnement du four 2 selon l'invention est le suivant.

[0069] Les matériaux à traiter qui sont introduits dans l'enceinte de chauffe 4 par le ou les tube(s) d'admission 8 sont amenés en couche continue et fluide par la rotation des pales de malaxage 32a, 32b devant les sorties des guides d'ondes 18 pour être chauffés uniformément dans leur volume.

[0070] On notera que le rapport entre le diamètre du ou des tubes d'admission 8 et leur longueur permet, pour une fréquence donnée du générateur de micro-ondes 20, d'annuler les fuites d'ondes (par exemple 60mm de diamètre et 100mm de longueur pour une fréquence du générateur de micro-ondes de 2450MHz).

[0071] Les matériaux à traiter sont immédiatement brassés par les pales de malaxage 32a, 32b et pénètrent de façon régulière dans une la zone froide ZF non soumise aux micro-ondes en s'ajoutant à la masse de produit déjà présente dans l'enceinte de chauffe.

[0072] Lorsque le produit parvient dans la zone de chauffe ZC, les micro-ondes émises par les guides d'ondes 18 pénètrent dans une couche de 1 à 10 cm ou plus de produit suivant la fréquence du générateur de micro-ondes 20 (environ 2 à 5cm pour une fréquence de 2450MHz et 5 à 20cm pour une fréquence de 915MHz) et le type de matériau à traiter. La rotation des pales de malaxage 32a, 32b permet d'assurer un passage de toutes les particules devant les fenêtres de protection 22.

[0073] Le produit descendu au fur et à mesure de sa calcination en point bas de l'enceinte de chauffe où il est récupéré par la trémie 14 et collecté ensuite par l'orifice d'évacuation 12.

[0074] On notera que les températures de chauffe sont relevées par des sondes de températures 38 débouchant à l'intérieur de l'enceinte de chauffe 4 à différentes hauteurs de celle-ci.

[0075] On notera également que le contrôle de la chauffe, du débit de produits et de l'émission de puissance des différents générateurs de micro-ondes peut être réalisé par un automate et une interface homme machine. [0076] En liaison avec la figure 6, on décrira maintenant une variante de réalisation du four selon l'invention.

[0077] Dans cette variante de réalisation, le four 2' comprend en outre des moyens de chauffage par induction 40 qui sont positionnés au-dessus du ou des guide(s) d'ondes 18 de façon à créer une zone intermédiaire de préchauffage ZPC située entre la zone froide ZF et la zone chaude ZC.

[0078]Cette variante permet de chauffer l'enceinte de chauffe 4 dans la zone de préchauffage ZPC afin de préchauffer le produit à traiter.

[0079] Selon une autre variante du four non représentée sur les figures, les arbres de malaxage et les pales de malaxage qu'ils portent peuvent être chauffés par effet Joule sur une certaine hauteur, de préférence correspondant à la zone de préchauffage ZPC décrite précédemment.

[0080]Cette variante est particulièrement adaptée jusqu'à des températures de l'ordre de 600/700°C en permettant une chauffe complémentaire du produit à traiter.