L'invention concerne un procédé de fabrication de clinker de ciment, ainsi qu'une installation de production continue de clinker de ciment.

L'invention s'intéresse plus particulièrement au problème de la chaleur perdue dans de tels procédé et installation.

Les installations de production de clinker de cimenterie comprennent généralement un four rotatif, précédé, dans le sens de circulation de la matière traitée, d'un préchauffeur à cyclones, et suivi d'un refroidisseur à clinker. Ces installations consomment des quantités importantes d'énergie sous forme de combustible, de l'ordre de 3200 Mega Joules par tonne de clinker pour les usines modernes.

De grandes quantités de fumées et gaz d'exhaure chauds sont produites, et sont mises en contact avec les matières pour leur échanger la chaleur qu'elles contiennent. Compte tenu des limitations techniques et technologiques concernant les échanges, les fumées et gaz finaux contiennent encore une partie de la chaleur apportée par le combustible. Du côté amont, dans le sens de circulation des matières, les fumées de combustion quittent le préchauffeur à cyclones à une température comprise entre 300 °C et 400 °C, en emportant environ 20% de l'énergie du combustible. Du côté aval, un débit d'air, connu par l'homme du métier sous la dénomination « d'air excédentaire », quitte le refroidisseur à clinker à une température comprise généralement entre 200 °C et 300 °C, en emportant environ 10% de l'énergie du combustible.

L'énergie contenue dans les fumées de combustion est le plus souvent utilisée, au moins partiellement, pour le séchage des matières premières. L'énergie contenue dans l'air excédentaire du refroidisseur n'est généralement pas utilisée directement dans le procédé de production de ciment. L'homme du métier connaît des systèmes de récupération de chaleur perdue de ces gaz qui utilisent des échangeurs pour produire de la vapeur (d'eau ou d'hydrocarbure), conduite vers une turbine pour la production d'électricité. Afin d'améliorer le rendement de conversion de l'énergie, il est connu de ne traiter qu'une partie de l'air excédentaire du refroidisseur, en acheminant à l'échangeur seulement la partie de température supérieure à 400 °C, et en abandonnant la valorisation de la partie à plus basse température ; le rendement de conversion thermique est amélioré, mais la quantité d'air excédentaire valorisé est diminuée.

Une autre solution d'amélioration du rendement énergétique consiste essentiellement à utiliser, en supplément de la chaleur de l'air excédentaire, une autre quantité de chaleur à plus haute température.

Par exemple, le document WO2009/156614 du présent demandeur enseigne une installation de production de clinker dans laquelle l'air excédentaire, de température inférieure ou égale à 300 °C, coopère avec un générateur de vapeur, un deuxième échangeur coopérant avec une source de chaleur à plus haute température, en l'espèce de l'air tertiaire à une température au moins égale à 750 °C, pour surchauffer cette vapeur. Cette vapeur surchauffée est conduite vers une turbine pour la production d'électricité. Une telle solution, qui utilise en complément de la chaleur de l'air d'exhaure un supplément de chaleur, permet d'augmenter le rendement de conversion. Toutefois la consommation calorifique de l'installation est augmentée.

Un autre inconvénient de ces systèmes de récupération de chaleur est qu'ils doivent subir les fluctuations de fonctionnement de l'installation de production de clinker et ne peuvent être totalement optimisés.

Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de clinker, ainsi qu'une installation de production de clinker de ciment pour la mise en œuvre du procédé qui pallient les inconvénients précités, en permettant d'augmenter le rendement global de récupération de chaleur perdue.

Plus particulièrement, le but de la présente invention est de proposer un tel procédé et une telle installation dont le fonctionnement du système de récupération de chaleur est peu sensible aux variations de fonctionnement. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter.

A cet effet, l'invention concerne tout d'abord un procédé de fabrication de clinker de ciment mis en œuvre dans une installation de production continue présentant au moins une zone de combustion d'un combustible pour la cuisson d'une matière crue minérale, dans lequel on transforme la matière crue en clinker par cuisson, obtenant du clinker chaud, puis on refroidit le clinker chaud en deux étapes successives, une première étape de refroidissement étant mise en œuvre dans un premier refroidisseur, et une deuxième étape de refroidissement étant mise en œuvre dans un deuxième refroidisseur.

Selon le procédé conforme à l'invention : - on réalise la première étape de refroidissement, de manière continue, par soufflage d'un gaz oxygéné sur le clinker chaud, obtenant du clinker partiellement refroidi, et on achemine la totalité du gaz oxygéné réchauffé, engendré par le premier refroidisseur, vers ladite au moins une zone de combustion de ladite installation pour être utilisé comme gaz de combustion en ajustant la quantité de gaz oxygéné soufflé au premier refroidisseur de telle façon à couvrir sans excès les besoins en gaz de combustion de ladite installation,

- on stocke le clinker partiellement refroidi dans une enceinte de stockage du deuxième refroidisseur ou encore une enceinte de stockage associée à ce deuxième refroidisseur, et on commande par intermittence la deuxième étape de refroidissement sur le clinker partiellement refroidi.

Selon ces caractéristiques optionnelles de l'invention prises seules ou en combinaison :

-on utilise la chaleur cédée par le clinker lors de la deuxième étape de refroidissement pour la production d'énergie électrique ; - la production d'énergie électrique utilise, en combinaison avec la chaleur cédée par le clinker lors de la deuxième étape de refroidissement, au moins une seconde source d'enthalpie ;

- ladite seconde source d'enthalpie est de disponibilité variable et on commande la mise en marche de la deuxième étape de refroidissement au moins pendant les périodes pour lesquelles la puissance engendrée par la seconde source d'enthalpie est inférieure à une valeur seuil déterminée ;

- ladite seconde source d'enthalpie est de disponibilité variable et on commande la mise en marche de la deuxième étape de refroidissement au moins pendant les périodes pour lesquelles la puissance engendrée par la seconde source d'enthalpie est supérieure à une valeur seuil déterminée ;

- la seconde source d'enthalpie est d'origine solaire ;

- la production d'énergie électrique est associée à au moins une seconde source d'énergie électrique de production non constante ;

- on commande la mise en marche de la deuxième étape de refroidissement au moins pendant les périodes pour lesquelles la puissance engendrée par la seconde source d'énergie électrique est inférieure à une valeur seuil ;

- le temps de fonctionnement de la deuxième étape de refroidissement représente moins de 50 % du temps de fonctionnement de production de clinker par l'installation.

Selon un mode de réalisation, le refroidissement du clinker dans la seconde étape est réalisé par échange avec un fluide, sans contact direct entre le clinker et le fluide de refroidissement. Alternativement, le refroidissement du clinker dans la seconde étape peut être réalisé par échange avec un fluide, mis en contact direct avec le clinker.

Selon un mode de réalisation, le fluide réchauffé, en aval du deuxième échangeur coopère avec un échangeur pour la génération d'une vapeur destinée à alimenter une turbine de l'installation pour la production de l'électricité. Selon un mode de réalisation, ladite installation de fabrication continue comprend un préchauffeur à cyclones, éventuellement un précalcinateur muni d'un ou plusieurs brûleurs, et un four rotatif muni d'un ou plusieurs brûleurs, procédé dans lequel la matière crue est préchauffée dans le préchauffeur à cyclones, le cas échéant décarbonatée partiellement dans le précalcinateur, puis cuite et transformée dans le four rotatif et dans lequel ladite au moins une zone de combustion comprend le ou les brûleurs du four rotatif, et le cas échéant, le ou les brûleurs du précalcinateur. Selon un mode de réalisation, le gaz oxygéné est de l'air. Alternativement le gaz oxygéné peut être un gaz enrichi en oxygène, ou au contraire appauvri en oxygène.

L'invention concerne également une installation de production continue de clinker, présentant au moins une zone de combustion d'un combustible pour la cuisson d'une matière crue minérale, conçue pour transformer la matière crue en clinker par cuisson, obtenant du clinker chaud, ladite installation présentant un premier refroidisseur et un deuxième refroidisseur, successifs, agencés pour refroidir le clinker chaud en deux étapes successives, une première étape de refroidissement étant mise en œuvre dans ledit premier refroidisseur, et une deuxième étape de refroidissement étant mise en œuvre dans ledit deuxième refroidisseur.

Selon l'invention, ladite installation comprend :

- une source de gaz oxygéné pour le refroidissement des matières dans le premier refroidisseur,

- des conduites de gaz agencées pour acheminer la totalité du gaz réchauffé, engendré par le premier refroidisseur, vers ladite au moins une zone de combustion de ladite installation pour être utilisé comme gaz de combustion, - des moyens pour ajuster la quantité de gaz oxygéné soufflé au premier refroidisseur de telle façon à couvrir sans excès les besoins en gaz de combustion de ladite installation, et dans laquelle ledit second refroidisseur comprend des moyens de stockage du clinker partiellement refroidi à l'issue de la première étape de refroidissement, ladite installation comprenant des moyens pour la commande par intermittence dudit second refroidisseur.

Selon des caractéristiques optionnelles de l'invention, prises seules ou en combinaison :

- l'installation comprend un préchauffeur à cyclones, éventuellement un précalcinateur muni d'un ou plusieurs brûleurs, et un four rotatif muni d'un ou plusieurs brûleurs, et ladite au moins une zone de combustion comprend le ou les brûleurs du four rotatif, et le cas échéant, le ou les brûleurs du précalcinateur ;

- ladite installation comprend un dispositif de production d'électricité à partir de la chaleur cédée par le clinker dans le deuxième refroidisseur ;

- le deuxième refroidisseur met en œuvre un échange thermique entre le clinker partiellement refroidi et un fluide et le dispositif de production d'électricité comprend un échangeur et une turbine, l'échangeur coopérant avec le fluide réchauffé par le clinker pour générer de la vapeur utilisée pour alimenter ladite turbine.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - La figure 1 est une vue d'une installation convenant pour la mise en œuvre du procédé conforme à l'invention selon un mode de réalisation et pour lequel la production d'énergie électrique utilise, en combinaison avec la chaleur cédée par le clinker lors de la deuxième étape de refroidissement, au moins une seconde source d'enthalpie ;

- La figure 2 est un diagramme expliquant le fonctionnement par intermittence de la seconde étape de refroidissement dans l'installation telle qu'illustrée à la figure 1 ; - La figure 3 est une vue d'une installation convenant pour la mise en œuvre du procédé conforme à l'invention selon un second mode de réalisation et pour lequel la production d'énergie électrique est associée à une seconde source d'énergie électrique de production non constante ;

- La figure 4 est un diagramme expliquant le fonctionnement par intermittence de la seconde étape de refroidissement dans l'installation telle qu'illustrée à la figure 2.

Aussi l'invention concerne tout d'abord un procédé de fabrication de clinker de ciment mis en œuvre dans une installation de production continue 1 , présentant au moins une zone de combustion 2, 2' d'un combustible pour la cuisson d'une matière crue minérale, dans lequel on transforme la matière crue en clinker par cuisson, obtenant du clinker chaud 3, puis on refroidit le clinker chaud 3 en deux étapes successives, une première étape de refroidissement étant mise en œuvre dans un premier refroidisseur 4, et une deuxième étape de refroidissement étant mise en œuvre dans un deuxième refroidisseur 5.

Ladite installation de fabrication continue peut comprendre, de manière traditionnelle, un préchauffeur à cyclones 12, éventuellement un précalcinateur 13 muni d'un ou plusieurs brûleurs 2', et un four 14 rotatif muni d'un ou plusieurs brûleurs 2. Les gaz chauds d'exhaure du précalcinateur 13 peuvent alimenter la base du préchauffeur à cyclones 12. Eventuellement, les fumées du four rotatif 14 peuvent alimenter le préchauffeur à cyclones 12. Dans une telle installation, la matière crue 20 est préchauffée dans le préchauffeur à cyclones 12, le cas échéant décarbonatée partiellement dans le précalcinateur 13, puis cuite et transformée dans le four rotatif 14. Dans cette installation, ladite au moins une zone de combustion comprend le ou les brûleurs 2 du four rotatif 14, et le cas échéant, le ou les brûleurs 2' du précalcinateur 13. Selon le procédé conforme à l'invention, on réalise la première étape de refroidissement, de manière continue, par soufflage d'un gaz oxygéné 6 sur le clinker chaud, obtenant du clinker partiellement refroidi 31 , et on achemine la totalité du gaz oxygéné réchauffé 7, engendré par le premier refroidisseur 4, vers ladite au moins une zone de combustion 2,2' de ladite installation pour être utilisé comme gaz de combustion, c'est-à-dire comme gaz comburant. Le premier refroidisseur 4 peut être un refroidisseur à grille.

En outre on ajuste la quantité de gaz oxygéné soufflé au premier refroidisseur de telle façon à couvrir sans excès les besoins en gaz de combustion de ladite installation. Ce besoin en gaz de combustion couvre, selon le mode de réalisation, le comburant nécessaire à la combustion du combustible au niveau du ou des brûleurs 2 du four rotatif 14, et éventuellement, dans le cas d'une installation avec précalcinateur 13, le comburant nécessaire à la combustion du combustible au niveau du ou des brûleurs 2' du précalcinateur 13.

Le gaz oxygéné peut être de l'air, ou encore un gaz oxygéné appauvri en oxygène, ou encore enrichi en oxygène. Ici les termes « appauvri » ou « enrichi » sont à comparer avec la teneur en oxygène de l'air ambiant (i.e 21 %).

En d'autre termes, on souffle au premier refroidisseur 4 la quantité de gaz comburant juste nécessaire à l'installation, ce qui permet d'obtenir en sortie du premier refroidisseur le clinker partiellement refroidi 31 à la température la plus haute possible.

Cette température du clinker partiellement refroidi 31 peut être comprise à titre indicatif autour de 400 °C, par exemple entre 350 °C et 450 °C.

En outre, et selon une caractéristique essentielle de l'invention le clinker partiellement refroidi 31 n'est pas, à l'instar des installations de l'état de la technique à deux refroidisseurs successifs, refroidi de manière continue dans le deuxième refroidisseur.

Au contraire, et selon l'invention, on stocke le clinker partiellement refroidi 31 dans une enceinte de stockage du deuxième refroidisseur 5 ou encore une enceinte de stockage associée à ce deuxième refroidisseur 5, et on commande par intermittence la deuxième étape de refroidissement sur le clinker partiellement refroidi 31 . II est ainsi possible de contrôler les conditions de l'échange thermique lors de la deuxième étape de refroidissement, mise en œuvre dans le deuxième refroidisseur 5, cet échange n'étant plus dépendant des fluctuations du procédé de production de clinker de ciment, et en particulier dépendant du débit de clinker chaud produit.

Commander la deuxième étape de refroidissement par intermittence permet d'atteindre des rendements de récupération de chaleur plus élevés par comparaison au procédé de refroidissement continu. Le refroidissement du clinker dans la seconde étape peut être est réalisé par échange avec un fluide 9, mis en contact direct avec le clinker, selon une première alternative, ou encore sans contact direct entre le clinker et le fluide de refroidissement selon une seconde alternative : dans ce dernier cas l'échange peut être obtenu par l'intermédiaire d'une paroi.

La commande par intermittence de la deuxième étape de refroidissement permet de contrôler les conditions de l'échange entre le fluide 9 et le clinker partiellement refroidi 31 de manière à obtenir, après échange avec le clinker, un fluide réchauffé 9' dont le débit et la température permettent d'obtenir des rendements de récupération de chaleur plus élevée. Selon un mode de réalisation, le temps de fonctionnement de la deuxième étape de refroidissement peut représenter moins de 50 % du temps de fonctionnement de production de clinker par l'installation. Le fluide 9 peut être un gaz tel que l'air lorsqu'il est destiné à rentrer en contact avec le clinker. Ce fluide 9 peut être encore un mélange liquide/vapeur lorsque ce dernier n'est pas mis en contact directement avec le clinker.

En optimisant les conditions de cet échange, il est éventuellement possible d'obtenir, en aval de l'étape de deuxième refroidissement, un clinker refroidi 32 à une température comprise entre 30°C et 10°C au-dessus de l'ambiante. Par comparaison et dans les installations de l'état de la technique mettant en œuvre un refroidissement continu, le clinker est le plus souvent refroidi jusqu'à une température comprise entre 80 °C et 65 °C au-dessus de l'ambiante.

Le fluide réchauffé 9' peut être utilisé pour la production d'électricité. Lorsque ce fluide est un gaz tel que l'air, il peut alimenter le primaire d'un échangeur 10, le secondaire de l'échangeur 10 générant de la vapeur sous pression alimentant une turbine 1 1 .

Lorsque ce fluide 9 est un mélange liquide/vapeur, le fluide réchauffé 9' peut être de la vapeur alimentant la turbine 1 1 . Dans les deux cas, la turbine 1 1 entraîne un alternateur pour la production d'électricité. Selon un mode de réalisation, illustré non limitativement à la figure 1 , la production d'énergie électrique utilise, en combinaison avec la chaleur cédée par le clinker lors de la deuxième étape de refroidissement, une autre enthalpie et en particulier au moins une seconde source d'enthalpie 8, par exemple d'origine solaire.

Selon un mode de réalisation, ladite seconde source d'enthalpie 8 peut être de disponibilité variable. Avantageusement, on peut commander la mise en marche de la deuxième étape de refroidissement au moins pendant les périodes pour lesquelles la puissance engendrée Ps8 par la seconde source d'enthalpie 8 est inférieure à une valeur seuil déterminée Pseuil. L'objectif poursuivi peut être d'assurer une continuité dans la production électrique.

Selon une autre alternative, on peut également commander la mise en marche de la deuxième étape de refroidissement au moins pendant les périodes pour lesquelles la puissance Ps8 engendrée par la seconde source d'enthalpie 8 est supérieure à une valeur seuil déterminée Pseuil. Dans ce cas, l'objectif poursuivi peut être d'optimiser, au maximum, le rendement de conversion de l'énergie électrique.

Selon un mode de réalisation, illustré non limitativement à la figure 3, la production d'énergie électrique peut être associée à au moins une seconde source d'énergie électrique 15, de production non constante. Cette seconde source d'énergie électrique peut être d'origine solaire, par exemple le produit d'une centrale photovoltaïque et/ou le produit d'une ou plusieurs éoliennes.

Selon un mode de réalisation, on commande la mise en marche de la deuxième étape de refroidissement au moins pendant les périodes pour lesquelles la puissance Ps15 engendrée par la seconde source d'énergie électrique 15 est inférieure à une valeur seuil Pseuil. L'objectif ainsi poursuivi peut être d'assurer une continuité dans la production électrique.

Selon une autre alternative, la commande de la deuxième étape de refroidissement, et donc la production d'énergie électrique associée peut être conditionnée par un ordre provenant d'un fournisseur d'électricité.

En cas de déséquilibre offre/demande d'électricité sur le réseau R, la flexibilité offerte par l'invention permet d'augmenter provisoirement l'offre (ou le cas échéant diminuer la demande), de préférence en période de pointe, en activant la production d'électricité associée à la deuxième étape de refroidissement.

Cette faculté à satisfaire la demande électrique (ou à lisser la courbe de charge en période de pointe) peut permettre de négocier des conditions tarifaires avantageuses, par exemple sur le rachat de l'électricité produite par l'installation, ou encore sur le contrat d'électricité.

La possibilité offerte par l'invention d'augmenter le rendement de conversion énergétique et/ou de bénéficier de conditions tarifaires plus avantageuses permet concrètement de diminuer sensiblement la durée du retour sur investissement de l'installation.

L'invention concerne également une installation 1 de production continue de clinker, convenant pour la mise en œuvre du procédé. Cette installation présente au moins une zone de combustion 2, 2' d'un combustible pour la cuisson d'une matière crue minérale, conçue pour transformer la matière crue en clinker par cuisson, obtenant du clinker chaud 3, ladite installation présentant un premier refroidisseur 4 et un deuxième refroidisseur 5, successifs, agencés pour refroidir le clinker chaud 3 en deux étapes successives, une première étape de refroidissement étant mise en œuvre dans ledit premier refroidisseur 4, et une deuxième étape de refroidissement étant mise en œuvre dans ledit deuxième refroidisseur 5.

Selon l'invention, l'installation comprend :

- une source de gaz oxygéné 6 pour le refroidissement des matières dans le premier refroidisseur 4,

- des conduites de gaz agencées pour acheminer la totalité du gaz réchauffé, engendré par le premier refroidisseur 4, vers ladite au moins une zone de combustion 2,2' de ladite installation pour être utilisés comme gaz de combustion,

- des moyens pour ajuster la quantité de gaz oxygéné soufflé au premier refroidisseur de telle façon à couvrir sans excès les besoins en gaz de combustion de ladite installation.

Selon l'invention, ledit second refroidisseur 5 comprend des moyens de stockage du clinker partiellement refroidi 31 à l'issue de la première étape de refroidissement, ladite installation comprenant des moyens pour la commande par intermittence dudit second refroidisseur 5. L'installation peut comprendre un préchauffeur à cyclones 12, éventuellement un précalcinateur 13 muni d'un ou plusieurs brûleurs 2', et un four rotatif 14 muni d'un ou plusieurs brûleurs 2, et dans laquelle ladite au moins une zone de combustion comprend le ou les brûleurs 2 du four rotatif 14, et le cas échéant, le ou les brûleurs 2' du précalcinateur 13.

L'installation peut comprendre un dispositif 10,1 1 de production d'électricité à partir de la chaleur cédée par le clinker dans le deuxième refroidisseur. Par exemple le deuxième refroidisseur met en œuvre un échange thermique entre le clinker partiellement refroidi 31 et un fluide 9. Le dispositif de production d'électricité peut comprendre un échangeur 10 et une turbine 1 1 , l'échangeur coopérant avec le fluide réchauffé 9' par le clinker pour générer de la vapeur utilisée pour alimenter ladite turbine 1 1 .

Exemple :

Considérons le clinker produit par le four rotatif à une température typique de 1420°C, avec une enthalpie de 1550 kJ/kg. Il est refroidi par soufflage d'air dans un refroidisseur à grilles. Le refroidisseur à grilles de la meilleure technologie disponible, fonctionnant dans une ligne de cuisson de clinker moderne, transfère 78% de l'énergie vers l'air chaud nécessaire à la combustion du combustible utilisé pour la production du clinker. Le clinker contient donc 341 kJ/kg après cette première étape de refroidissement et atteint une température moyenne de 385 °C.

Dans le procédé classique, tel que connu de l'état de la technique, le clinker est refroidi jusqu'à 65 °C au-dessus de l'ambiante (supposée à 20 °C) avec un volume de 0,9 Nm ³ /kg d'air auquel il transfère 279 kJ pour produire un air d'exhaure à une température de 253 °C. Le rendement typique d'un système de conversion en énergie électrique est de 17% pour ces conditions de température, ce qui permet de produire 13,18 kWh par tonne de clinker. Par comparaison, et dans le procédé conforme à l'invention, on peut réaliser un contre-courant dans ledit deuxième échangeur où l'on choisit la quantité d'air de façon à optimiser l'échange, où l'on refroidit le clinker à 30 °C (10°C au- dessus de l'ambiante 20 °C), et on produit de l'air à 375 °C (10°C au-dessous de la température maximale du clinker). On a transféré 308 kJ à 0,62 Nm ³ d'air pour atteindre 375 °C. Le rendement typique d'un système de conversion en énergie électrique est de 23% pour ces conditions de température, ce qui permet de produire 19,68 kWh par tonne de clinker. Le gain de production d'énergie finale est de 50%.

NOMENCLATURE

1 . Installation de production continue de clinker,

2, 2'. Zones de combustion (installation 1 ),

3. Clinker chaud,

4. Premier refroidisseur,

5. Deuxième refroidisseur,

6. Air (soufflé au premier refroidisseur),

7. Gaz réchauffés (Exhaure du premier refroidisseur),

8. Seconde source d'enthalpie,

9.9' Fluide (respectivement en amont et en aval du deuxième refroidisseur),

10. Echangeur,

1 1 . Turbine,

12. Préchauffeur à cyclones,

13. Précalcinateur,

14. Four rotatif,

15. Seconde source d'électricité,

20. Matière crue. 31 . Clinker partiellement refroidi (respectivement en aval et en amont de la première et de la deuxième étape de refroidissement),

32. Clinker refroidi (en aval de la deuxième étape de refroidissement).

R. Réseau électrique,

P seuil. Valeur seuil de puissance,

Ps8. Puissance instantanée de la seconde source d'enthalpie,

Ps15. Puissance instantanée de la seconde source d'électricité.