BE8846

Fours de cimenterie
Refroidisseurs à clinker
par
Robert BASTIER
Ingénieur des Arts et Manufactures
Directeur Central Technologie Adjoint
Alexandre BOCAN
Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucarest
Bernard GILBERT
Ingénieur des Arts et Métiers
et
Alain REGNAULT
Diplômé du Conservatoire National des Arts et Métiers
Centre Technique Groupe Italcementi
1.
Présentation ..............................................................................................
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Refroidisseurs à grilles...........................................................................
Technologie ..................................................................................................
Plaques de grilles.........................................................................................
Concasseurs .................................................................................................
Ventilation ....................................................................................................
Mise en œuvre du refroidisseur .................................................................
—
—
—
—
—
—
2
2
3
4
4
6
3.
3.1
3.2
Refroidisseurs à ballonnets...................................................................
Technologie ..................................................................................................
Mise en œuvre du refroidisseur .................................................................
—
—
—
8
8
9
4.
Refroidisseurs rotatifs............................................................................
—
10
5.
Comparaison des refroidisseurs ..........................................................
—
10
Pour en savoir plus...........................................................................................
BE 8 846 - 2
Doc. BE 8 847
L
e clinker à la sortie du four rotatif a une température comprise entre 1 200
et 1 400 oC. Il doit subir un traitement thermique sous la forme d’une
trempe à l’air pour des raisons de facilité de transport, de stockage, de récupération d’énergie et de qualité.
Les refroidisseurs par leur fonction d’échange permettent d’atteindre ces
trois objectifs :
— refroidir le clinker (manutention) ;
— récupérer le maximum d’énergie thermique (rendement) ;
— tremper le clinker (qualité).
À ce titre, le refroidisseur à clinker doit être considéré comme l’un des trois
constituants importants du système thermique global de la cuisson, à savoir
l’échangeur avec ou sans précalcinateur, le four rotatif et le refroidisseur.
L’article « Fours de cimenterie » fait l’objet de plusieurs fascicules :
— BE 8 844 Ateliers de cuisson du clinker ;
— BE 8 845 Fours rotatifs ;
— BE 8 846 Refroidisseurs à clinker.
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres.
Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules.
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BE 8 846 − 1
FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________
Trois types de refroidisseurs sont actuellement proposés sur le
marché. Ils sont rotatifs (§ 4), à ballonnets (§ 3), ou à grilles (§ 2).
La figure 1 représente la répartition des technologies de refroidissement du clinker en fonction du volume de clinker produit.
La position dominante du refroidisseur à grilles n’existait pas
dans les années 1970, époque où il était fortement concurrencé par
le refroidisseur à ballonnets pour des raisons de fiabilité, de coût
de maintenance, de simplicité de conduite, de coût d’investissement (absence de dépoussiérage). Simultanément, sont apparues :
— des contre-performances pour les refroidisseurs à ballonnets
de four de grandes dimensions (4 000 t/j) ;
— des améliorations décisives dans la technologie des refroidisseurs à grilles ;
— la nécessité de produire de l’air tertiaire à 800-900 oC pour le
précalcinateur, que le refroidisseur à ballonnets est incapable de
fournir.
Le retournement de tendance est tel que désormais :
— les refroidisseurs à ballonnets existants sont remplacés par
des refroidisseurs à grilles dès que l’opportunité technico-économique se présente ;
— les refroidisseurs à grilles conventionnels sont modifiés pour
bénéficier de la fiabilité apportée par les plaques « caisson » ou
assimilées ;
— les nouveaux refroidisseurs à grilles sont les seuls qui permettent l’augmentation des capacités de production par la précalcination en air tertiaire.
2. Refroidisseurs à grilles
2.1 Technologie
Le refroidissement s’effectuant selon le principe d’un échangeur
à courants croisés, le refroidisseur à grilles est constitué de deux
enceintes séparées horizontalement par un ou plusieurs plans de
grilles.
Le corps du refroidisseur au-dessus des plans de grilles est
entièrement protégé par un revêtement réfractaire. Des ventilateurs extérieurs alimentent les caissons situés en dessous de la
grille ; l’air de refroidissement est alors réparti et insufflé à travers
les plaques de grilles.
■ Le dimensionnement du refroidisseur est fonction de la capacité de production du four actuelle ou envisagée dans le futur. En
une dizaine d’années, la charge spécifique (production du four rapportée à la surface du refroidisseur) est passée de 35 à 60 t/j · m2.
Cette évolution, liée à l’augmentation de la couche de clinker admissible (800 mm environ) sur le plan de grilles, a été facilitée par une
conception nouvelle des plaques (§ 2.2) constituant le plan de
grilles. De même, le soufflage massique, qui était, il y a 10 ans, de
2,80 Nm3/kg de clinker, est actuellement proposé à 1,80 Nm3/kg de
clinker, voire 1,4 Nm3/de clinker. Le refroidisseur pendulaire équipé
de nouvelles plaques permet d’atteindre ce ratio.
Nota : on rappelle que 1 Nm3 est une unité non normalisée, mais couramment usitée ;
il s’agit d’un volume de 1 m3 dans les conditions normales de température et de pression.
Afin de répondre à l’accroissement de capacité de production
des fours, aux exigences en matière d’efficacité, de fiabilité et de
réduction des coûts, les fabricants ont fait varier plusieurs des éléments constitutifs des refroidisseurs.
BE 8 846 − 2
Volume de production (%)
1. Présentation
100
95 %
80
70 %
60
40
28 %
20
5%
2%
0
Rotatifs
Ballonnets
Pays de l'Europe de l'Ouest
Grilles
France
Figure 1 – Répartition des types de refroidisseurs
,,,,,,
,,,,,,
,,,
,,,,,,,,
,,,,
,
,,,
,,,,,,,,
,,,,
,
,,,
,,
Concasseur
à rouleaux
Plan incliné
de la grille
Four
Grille
IKN
,,,,,,,
Transport de
clinker
Compartiments
Figure 2 – Refroidisseur à grilles inclinées, à suspension pendulaire,
avec grilles IKN et concasseur à rouleaux
■ Le mode de supportage du plan de grille conduit à distinguer deux familles de refroidisseurs : les pendulaires et les
conventionnels.
● Les refroidisseurs pendulaires, apparus en 1989, sont à plan de
grilles incliné et commande unique avec concasseur à la sortie du
refroidisseur (figure 2). Ils couvrent une gamme de production de
1 900 t/j à 9 100 t/j.
● Les refroidisseurs conventionnels peuvent être constitués de
un à quatre plans de grilles. Ces plans sont horizontaux ou inclinés
(15o à 5o) et peuvent être étagés. La situation du concasseur est soit
intermédiaire, soit en sortie du refroidisseur. Les diverses combinaisons possibles de ces éléments permettent de couvrir une
gamme de production jusqu’à 10 000 t/j.
La coupe longitudinale d’un refroidisseur conventionnel à quatre
plans de grilles (figure 3) permet de repérer les organes essentiels.
La figure 4 représente respectivement un refroidisseur à deux
plans de grilles inclinés pour une capacité de 4 000 t/j et un refroidisseur étagé à un plan de grilles incliné en partie amont et un plan
de grilles horizontal en aval pour un capacité de 5 000 t/j.
■ Du fait de la rotation du four, pour centrer la chute du clinker dans
l’axe du refroidisseur, il y a lieu de prévoir un écart entre axe du four
et axe du refroidisseur (figure 5). Cet entre axes est fonction du sens
de rotation, du diamètre du four, de la charge du four et des caractéristiques du clinker.
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Air d'exhaure
Four
6
8
7
Grilles
13
1
15
2
5
3
12
4
9
Ventilateur
de trempe
10
11
1 plan de grilles de trempe
2 plan de grilles amont incliné
3 plan de grilles médian horizontal
Transport de
poussières
4 plan de grilles aval horizontal
5 marche ou saut dont la hauteur communément admise
Concasseur
a deux plans de grilles inclinés (4 000 t/j)
est de 600 mm
6 prise d'air chaud dans le cadre d'une utilisation vers une
précalcination par exemple
Air secondaire
Air tertiaire
7 prise d'air excédentaire ou d'exhaure
Concasseur
intermédiaire
Air d'exhaure
8 injection d'eau possible mais rare
9 trémies de récupération des fines
10 sas d'étanchéité
11 chaîne traînante ou système de transport du clinker
12 concasseur
13 rideau de protection
15 groupe de commande plan grille amont
Figure 3 – Refroidisseur conventionnel à grilles : coupe longitudinale
Grille de
récupération
Avec une production de 2 200 t/j et un diamètre de 4,200 m,
l’entre-axes est de 533 mm ; pour une production de 5 500 t/j et
un diamètre de 5,000 m, il est de 800 mm.
Grille du
refroidissement final
b un plan de grilles incliné et un plan de grilles horizontal (5 000 t/j)
Figure 4 – Refroidisseurs conventionnels à grilles CPAG
2.2 Plaques de grilles
■ Pour caractériser les différentes plaques de grilles proposées, on
utilise les grandeurs suivantes :
Sg (m2) surface totale de la plaque de grille ;
Sp (m2) surface réelle de passage de l’air ;
∆p (Pa) perte de charge de la plaque de grille ;
Q (Nm3/s) débit d’air soufflé par plaque de grille ;
vE (m/s) vitesse d’air sous la plaque ;
vS (m/s) vitesse d’air à la sortie des orifices de la plaque ;
γ masse volumique de l’air (= 1,293 kg/Nm3).
Ces grandeurs sont reliées entre elles par les relations suivantes
où il est fait abstraction des jeux de montage entre les plaques de
grilles :
Four
Grille
2
vS · γ
∆ p = ------------2
Q
v S = -----Sp
;
Q
v E = -----Sg
Ventilateur
;
vS
S
------ = ------g
vE
Sp
La densité de soufflage d exprime le rapport entre le débit d’air
soufflé sous la plaque de grille et la surface totale de la plaque de
grille. Elle s’exprime en Nm3/s · m2 et a les dimensions d’une
vitesse (m/s) :
Q
d = ------ = v E
Sg
Compartiment
de soufflage
Transport de poussières
Figure 5 – Refroidisseur pendulaire à grilles : coupe
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BE 8 846 − 3
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Les valeurs suivantes sont observées pour des plaques de grilles
conventionnelles :
v S = 18 m/s
;
Sg
------ = 0,1
Sp
;
∆ p = 200 Pa ;
d = 1,8 m/s
Nota : l’utilisation des mmCE comme unité de mesure de la perte de charge, bien
qu’interdite est d’usage courant (1 mmCE ≈ 1 daPa).
■ Les plaques de grilles conventionnelles disposées à l’amont du
refroidisseur sont soumises aux plus fortes sollicitations thermiques et mécaniques à la chute du clinker venant au four.
L’usure et les désordres consécutifs sont parfois à l’origine
d’arrêts fréquents pour réparation, limitant les campagnes de four
à des durées de l’ordre de deux mois.
L’installation des précalcinateurs a conduit à une modification de
la conception de la partie amont du refroidisseur à la fois pour :
— améliorer la résistance aux sollicitations d’autant plus élevées
que le débit de four est augmenté ;
— permettre la production d’air tertiaire à 900-1000 oC.
a ailettes
C’est la raison pour laquelle ont été développés de nouveaux
types de plaques de grille, tels que :
— plaques à effet « Coanda » ;
— plaques caisson.
Ces plaques ont en commun la possibilité d’admettre des pressions d’air de refroidissement plus élevées (900 à 1 200 au lieu de
300 à 400 daPa), ce qui permet d’augmenter d’autant la hauteur du
lit de clinker à refroidir et aussi d’améliorer l’échange tout en réduisant l’usure de la plaque.
La figure 6 montre une plaque à effet « Coanda », à ailettes
remplaçables, et son montage.
Parallèlement au développement des plaques à effet « Coanda »,
on assiste au développement des plaques « caisson ». Ces plaques possèdent généralement des ouvertures horizontales qui sont
protégées par le clinker prisonnier dans l’auge. La figure 7 représente différentes formes de plaques « caisson » et leur montage
respectif.
b montage
Figure 6 – Plaque à effet « Coanda » et son montage (IKN)
L’utilisation de plusieurs rangs (6 à 9) de plaques à effet
« Coanda » ou de plaques « caisson » a permis d’améliorer très
sensiblement la résistance à l’usure de la partie amont du refroidisseur de telle sorte que des campagnes de 12 à 24 mois, sans
arrêt, sont observées couramment.
2.3 Concasseurs
À l’extrémité du refroidisseur, un concasseur réduit à 0-40 mm la
dimension des blocs de clinker.
■ Initialement, les concasseurs étaient du type concasseurs à
mâchoires ; ils sont désormais du type concasseurs à marteaux. Ils
sont installés à la sortie du refroidisseur après la grille de décharge
évacuant directement les fines particules (figure 8). L’arbre du rotor
du concasseur peut être refroidi soit par ventilation forcée, soit par
circulation d’eau.
■ La mise en place d’un concasseur intermédiaire permet d’obtenir
une réduction de la température du clinker en sortie plus importante
(de l’ordre de 20 oC) à densité de soufflage identique. La figure 9
donne une représentation schématique d’un concasseur à rouleaux
en position intermédiaire.
Le concasseur à rouleaux peut également être installé en sortie
du refroidisseur à la place du concasseur à marteaux traditionnel.
Il est monté à 1,50 m sous le dernier rang de plaques de grilles.
BE 8 846 − 4
2.4 Ventilation
■ Au fur et à mesure de l’avancement (donc du refroidissement) du
clinker, les besoins en air soufflé évoluent en volume et en pression.
Pour permettre cette évolution de manière aussi continue que possible, on réalise un compartimentage sous les plans de grille à
l’aide de cloisons transversales. Chaque compartiment est alimenté
en air par un ventilateur dont les caractéristiques (débit, hauteur
manométrique) sont déterminées par le choix de la surface du
compartiment, de la densité de soufflage et la hauteur de couche.
Le tableau 1 donne les caractéristiques des ventilateurs d’un
refroidisseur aux caractéristiques générales suivantes :
— capacité : 3 800 t/j ;
— surcharge due aux avalanches : 150 % ;
— deux plans de grilles de surface 108 m2, selon le schéma de
la figure 10 ;
— six ventilateurs ;
— ratio de soufflage :
• nominal : 2,3 Nm3/kg de clinker,
• installé : 2,7 Nm3/kg de clinker.
■ Un compartimentage axial est parfois envisagé à l’amont du
refroidisseur ; son intérêt n’a pas été démontré dans les refroidisseurs conventionnels, alors qu’il permet une meilleure maîtrise des
« renardages » et des « rivières rouges » dans les refroidisseurs de
construction récente.
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Chaînes de
protection
Marteaux
Disques de
fixation des marteaux
Courroies de
transmission
Axe
Vue d'un caisson
Poulie d'entraînement
Plaque mobile
Plaque fixe
Plaque mobile
Figure 8 – Concasseur à marteaux (CPAG)
Grille amont
Air
Air
Section plaque caisson
a type FLS-FULLER
Auge de retenue du clinker
Grille aval
Caisson
mobile
Figure 9 – Concasseur à rouleaux (FLS) : schéma
Nombre de rangs de
plaques sur la largeur
du refroidisseur
Caisson fixe
Air de soufflage
b type Polysius
Figure 7 – Plaques caissons et leur montage
14
Plan de
grilles n° 1
1
I
II
6
Par renardages, on entend le passage préférentiel de l’air de
refroidissement dans une partie du plan de grilles amont. Il fait
bouillonner le clinker, ce qui met les plaques en contact avec du
clinker très chaud et entraîne une usure très rapide.
III
16
Plan de
grilles n° 2
IV
V
VI
29
43
59
76
Nombre de rangées de plaques sur
la longueur du refroidisseur
Figure 10 – Compartimentage de soufflage sous les plans
de grille : principe
Tableau 1 – Répartition du soufflage suivant le compartimentage de la figure 10
Compartiments
I
II
III
IV
V
VI
d’air..................... (m3/s)
10,3
20,0
23,3
26,8
25,3
20,6
Pression statique .........(daPa)
940
890
570
410
270
270
Puissance absorbée .......(kW)
121
262
171
178
130
92
Puissance installée .........(kW)
160
400
200
200
160
110
Débit
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BE 8 846 − 5
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Ventilateurs
de soufflage
1 2
5 6
9
10
13
14
1
5
9
13
17
2
6
10
14
18
3
7
11
15
19
4
8
12
16
20
3 4
7 8
11
12
15
16
17
18
19
20
Tuyaux
d'alimentation
en air des zones
correspondantes
Zone de
soufflage
Figure 11 – Compartimentage axial d’une
grille amont Repol-RS (Polysius)
Par rivière rouge, on entend un écoulement préférentiel rapide
du clinker le long des parois longitudinales de refroidissement. Ce
clinker est mal refroidi et reste rouge jusqu’à la sortie du refroidisseur créant des zones préférentielles d’usure des plaques et une
altération de la qualité du clinker.
La figure 11 représente le compartimentage d’une grille amont
Repol RS d’un four de 6 000 t/j Polysius.
2.5 Mise en œuvre du refroidisseur
2.5.2 Échange thermique
■ La qualité de l’échange thermique du refroidisseur est appréciée
par son rendement et, de façon plus directe, par la température du
clinker en sortie. Les constructeurs expriment, en général, leurs
garanties par rapport à la température ambiante.
On définit deux rendements :
• Le rendement en air de combustion ηa est le rapport entre
l’énergie récupérée au four (par l’air secondaire Qas et l’air tertiaire
Qat) et l’énergie entrante apportée par le clinker (Qck) :
Q as + Q at
η a = -----------------------Q ck
2.5.1 Trempe du clinker
À la question de la nécessité d’un refroidissement rapide du
clinker, ou trempe, pour des raisons de qualité du produit, il est
généralement répondu par l’affirmative.
La vitesse de refroidissement du clinker pendant la trempe doit
être, au minimum, de 20 oC/min jusqu’à 1 200 oC et, ensuite, de
70 oC/min jusqu’à 500 oC.
■ Les observations et les mesures qui ont été faites conduisent à
penser que grâce à la trempe :
— le clinker sera plus facile à broyer ;
— la décomposition ou rétrogradation du C3S (silicate tricalcique) sera empêchée ;
— l’évolution du C2Sα (silicate bicalcique α) en C2Sγ inerte sera
réduite ;
— les effets négatifs de MgO seront diminués ;
— la prise rapide des clinkers riches en C3A (aluminate tricalcique) sera empêchée.
■ Il apparaît que le refroidisseur à grilles est le mieux adapté face
au refroidisseur rotatif et au refroidisseur à ballonnets si l’on prend
en considération les objectifs fixés au refroidisseur, à savoir :
— le refroidissement du clinker (manutention) ;
— la récupération d’énergie thermique (rendement) ;
— la trempe du clinker (qualité).
Cela s’explique par le mode d’échange thermique des appareils :
— courant croisé pour le refroidisseur à grilles ;
— contre-courant pour les refroidisseurs à ballonnets et rotatif.
La fréquence élevée d’installations de refroidisseur à grilles
(95 % en France) confirme cette appréciation.
BE 8 846 − 6
• Le rendement total ηt est le rapport entre la totalité de l’énergie récupérée au four et dans d’autres ateliers (air secondaire, air
tertiaire, air médian QAM , ...) et l’énergie entrante apportée par le
clinker :
Q as + Q at + Q am
η t = ------------------------------------------Q ck
En France, la base de température prise dans le calcul du rendement est de 0 oC alors que, en Allemagne, elle est de 25 oC.
Le tableau 2 donne, pour illustrer, un exemple de calcul de rendement.
On peut alors calculer :
ηa = 62,3 %
et
η t = 64 %
■ Le rendement du refroidisseur dépend des éléments suivants :
● Un facteur favorable pour le rendement sera une bonne répartition du clinker sur toute la surface de la grille, obtenue par :
— une granulométrie resserrée du clinker ;
— un entre axes four-refroidisseur adapté ;
— une forme d’autel à la chute du clinker évitant la formation
de concrétions : si la paroi transversale amont est légèrement inclinée, elle reçoit le clinker chaud venant du four ; les collages qui
peuvent se former, sont appelés « concrétions » ; en général, la
paroi est verticale et le clinker chute directement sur les plaques
amont ; des dispositions particulières permettent de le protéger :
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Tableau 2 – Calcul de rendement : exemple
(oC)
Énergie thermique
base 0 oC
(kJ/kg ck)
1 496
Température
Média
Entrées
Sorties
Clinker
Débit
157,6 t/h
1 380
Air soufflé
316 000 Nm3/h
33
96
Air secondaire
131 000 Nm3/h
811
932
Air tertiaire
0
0
0
Air médian
5 500 Nm3/h
483
25
Air exhaure
209 000 Nm3/h
269
468
Pertes par les parois
Pertes par le clinker
Énergie totale
(kJ/kg ck)
1 592
1 592
12
157,6 t/h
187
155
— une épaisseur de couche importante ;
— une maîtrise de la répartition de l’air soufflé à l’amont du
refroidisseur pour réduire les rivières rouges.
● Le rendement dépend du temps de séjour du clinker dans le
refroidisseur.
● Le rendement dépend de la porosité moyenne du lit de clinker
et de sa variation sur la largeur de la grille. Insuffisamment chargées, les parties latérales sont le lieu de passages préférentiels d’air
froid entraînant la formation de « renardages » (§ 2.4).
Le dispositif de recyclage a l’inconvénient d’accroître les dépenses de maintenance du fait d’une usure par abrasion plus importante dans une proportion qui peut annuler les avantages obtenus
en matière de rendement thermique (80 à 125 kJ/kg de clinker).
Théoriquement, un recyclage total permet d’éviter les installations
de dépollution de l’air d’exhaure (figure 12).
● Le rendement dépend de la teneur en fines.
Une teneur élevée en fines provoque une perte thermique par la
chaleur sensible du clinker fin passant par les trous des plaques et
les jeux entre plaques. Une forte proportion de fines peut provoquer également une usure prématurée des plaques, un échauffement des poutres des châssis fixes et mobiles, un risque de
bourrage des systèmes de manutention.
La mesure directe de la température d’air secondaire est difficile
à réaliser et à maintenir en état de fonctionnement pendant toute
la campagne du four.
Le four en voie semi-sèche Lepol (cf. [BE 8 844] § 2.3), dont le
clinker a une courbe granulométrique très serrée autour de
10/15 mm, présente un avantage important sur les autres types de
fours. La porosité constante du lit de clinker donne une plus
grande stabilité de fonctionnement au refroidisseur, à la température d’air secondaire et donc au four rotatif lui-même.
● Le rendement dépend de la densité de soufflage ; elle doit se
situer dans la fourchette 1,7 à 2 m/s à l’amont du refroidisseur pour
obtenir une température d’air secondaire aussi élevée que possible.
Des chutes de 10 à 15 % du rendement peuvent être observées si ce
critère n’est pas respecté.
● Le rendement dépend du transfert thermique dans les grains
de clinker sur lequel on peut agir par la mise en place d’un concasseur intermédiaire qui réduira la granulométrie du clinker.
● Le rendement dépend de l’utilisation de l’air excédentaire qui
peut servir soit au séchage des matières premières et du
combustible, soit à une récupération d’énergie par fluide thermique
pour le chauffage et le conditionnement des locaux par exemple.
● Le rendement dépend d’un recyclage éventuel de l’air excédentaire en soufflage sous grille amont. Ce recyclage de l’air d’exhaure
permet de rapprocher ce mode d’échange thermique du refroidisseur à un mode par contre-courant, d’où un meilleur rendement.
Cependant, si l’on veut garder la fonction de trempe du clinker,
il est indispensable de conserver un refroidissement à l’air froid à
la chute du clinker. On trouve donc un premier compartiment spécial dit de trempe (Quenching ) en amont de l’appareil, suivi d’un
compartiment éventuellement alimenté en air chaud et dépoussiéré, recyclé. Cet équipement particulier est plutôt rare.
2.5.3 Température de l’air secondaire
Une formule établie par Fuller permet d’évaluer, de façon
approximative, la température d’air secondaire Tas :
3 250 [ 1 450 – p R ]
T as = -----------------------------------------------Ak
avec
pR
k
A
(kJ/kg de clinker) perte de refroidisseur,
coefficient d’excès d’air,
(kJ/kg de clinker) consommation massique du four.
Exemple : pour pR = 385 kJ/kg de clinker, k =1,1 et A = 3 470 kJ/kg
de clinker, on obtient :
Tas = 907 oC
Refroidisseur
Chambre de
sédimentation
Air
frais
Échangeur
de chaleur
Figure 12 – Recyclage de l’air excédentaire : schéma (Fuller)
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BE 8 846 − 7
Température du clinker (°C)
FOURS DE CIMENTERIE __________________________________________________________________________________________________________________
C’est dans cet esprit que des outils de modélisation ou de simulation ont été développés.
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
1,5 Nm3/kg ck
1,7 Nm3/kg ck
1,9 Nm3/kg ck
2,1 Nm3/kg ck
2,3 Nm3/kg ck
3. Refroidisseurs à ballonnets
3.1 Technologie
30
35
40
45
50
55
60
Charge du refroidisseur (t/j . m2)
Figure 13 – Évaluation de la température du clinker
2.5.4 Taux de soufflage d’air et charge spécifique
Les refroidisseurs à grilles sont caractérisés par les ratios
suivants :
— le taux de soufflage tS exprime la quantité d’air soufflé (Nm3)
rapportée au kg de clinker produit ;
— la charge spécifique (Cs) exprime le rapport entre la production du four (t/j) et la surface du refroidisseur (m2).
Ces ratios varient respectivement dans les fourchettes
suivantes :
3
1,4 р t S р 3,0 Nm /kg de clinker
35 р C s р 60t /j · m
2
La densité de soufflage d, définie paragraphe 2.2 pour une
plaque, peut être étendue à l’ensemble du refroidisseur. La densité
de soufflage moyenne (dmoy) exprime le rapport entre le débit d’air
soufflé sous le refroidisseur et la surface du refroidisseur :
tS Cs
d moy = ----------86,4
La densité de soufflage diminue de l’amont vers l’aval du refroidisseur.
Les refroidisseurs à ballonnets ou refroidisseurs planétaires
(figure 14) sont apparus dans les années 1920 sur les fours longs,
avec, pour base technologique, celle des refroidisseurs rotatifs.
C’est vers la fin des années 1960 qu’ils ont été réactualisés et développés en alternative aux refroidisseurs à grilles comme système
de refroidissement sur les fours courts avec préchauffeur à cyclones (cf. [BE 8 844] § 2.4).
Ils sont montés sur le four soit en porte-à-faux, jusqu’à 1 750 t / j
de production, soit entre deux bandages, pour des capacités supérieures.
Le flux de clinker est distribué dans des tubes de refroidissement (ballonnets), généralement au nombre de 10 (tableau 3). Ils
sont répartis autour de la virole de décharge du four (figure 15) et
positionnés parallèlement à l’axe du four. La virole du four, dont
l’épaisseur peut atteindre 120 mm, possède des ouvertures soit
circulaires, soit de forme elliptique. Les collerettes sont soudées
sur la virole et protégées par un fourreau en acier réfractaire.
Elles reçoivent les ballonnets par l’intermédiaire de brides boulonnées.
Les fourreaux et les pipes de ballonnets sont protégés par un
revêtement réfractaire type béton ou briques. Les pipes de ballonnets ont des formes spéciales, empêchant le retour, dans le four,
du clinker admis dans le refroidisseur.
Chaque ballonnet, dont le rapport longueur/diamètre est de
l’ordre de 10 pour 1 (tableau 3), est monté entre 2 appuis dont l’un
est fixe, coté entrée clinker, et l’autre glissant, côté sortie clinker.
Ces supports sont équipés d’attaches à colliers assurant le maintien du ballonnet.
L’équipement intérieur des ballonnets est composé de béton ou
de briques réfractaires sur 20 % de sa longueur à partir de la bride
de raccordement à la pipe, puis d’écopes et de releveurs pour améliorer l’échange thermique.
La figure 13, établie par Polysius, permet une première évaluation de la température du clinker en sortie du refroidisseur en fonction du taux de soufflage choisi pour un refroidisseur de surface
donnée.
Exemple : pour une charge Cs = 45 t/j · m2, si l’on choisit un taux
de soufflage tS = 1,7 Nm3 / kg de clinker, on aura une température :
Bandage
Élément du
refroidisseur
Pipe d'entrée dans
l'élément du refroidisseur
T = 110 oC
2.5.5 Modélisation de l’échange
L’utilisateur, confronté aux nécessités d’amélioration de performances ou d’accroissement de capacité du refroidisseur à grilles,
est sollicité par diverses propositions de la part des constructeurs.
Pour pouvoir apprécier ces propositions, il est utile de disposer
d’un outil de modélisation ou de simulation fondé sur les phénomènes physiques d’échange qui se produisent à l’intérieur du
refroidisseur et calé sur des points de fonctionnement observés
industriellement.
Le constructeur a également besoin d’outils de modélisation
pour concevoir les installations neuves et pour améliorer les installations existantes.
BE 8 846 − 8
Four
Bandage
Brûleur
Sortie du
clinker
Sortie du
clinker
Figure 14 – Refroidisseur à ballonnets ou planétaire (FLS)
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Virole de
décharge
nique qu’au plan procédé, pour autant que la capacité du four reste
dans des valeurs moyennes (< 2 500 t/j).
Montage des ballonnets
■ En revanche, il existe quelques inconvénients, tels que :
— le coût élevé d’entretien et le manque de fiabilité au-delà de
2 000 à 2 500 t/j ;
— le fort bruit lié à la chute du clinker dans les parties équipées
de releveurs ;
— l’impossibilité d’accroissement de débit au-delà du nominal ;
— la température élevée (150 à 300 oC) du clinker à la sortie,
maîtrisée partiellement par un arrosage des ballonnets coûteux en
énergie (420 kJ/kg de clinker) ;
— l’absence de l’effet de trempe du clinker ;
— la tendance à cuire « loin » pour éviter les collages et les difficultés dans les pipes de ballonnets, mais créatrice de cristaux
moins réactifs ;
— le rendement moyen (55 à 65 %), d’autant plus faible que la
cuisson est éloignée (∆ = 8 à 10 %).
Zone 5
Zone 4
Zone 3
Zone 2
Zone 1
■ L’avantage le plus notoire est l’absence d’air excédentaire ; cela
conduit à la suppression de tous les dispositifs d’épuration qui sont
nécessaires dans le cas des refroidisseurs à grilles.
a montage
Nota : « cuire loin » : éloigner la zone de clinketisation (la plus chaude) de la sortie du
four, c’est-à-dire en quelque sorte transformer la pipe du four en refroidisseur, mais en
refroidisseur lent de mauvais rendement.
Zone 3
Zone 2
Zone 4
L’inconvénient majeur réside dans l’impossibilité de fournir de
l’air tertiaire nécessaire au précalcinateur désormais généralisé sur
tous les nouveaux fours.
Zone 1
Zone 5
■ La Société FLS (Danemark) définit la charge d’un refroidisseur à
ballonnets par l’expression empirique suivante :
Q
C = --------------------------------1,5
N × Dt × Lt
où
b éléments releveurs dans les différentes zones des ballonnets
Figure 15 – Répartition des ballonnets sur la virole de décharge
La rotation du four provoque elle-même la chute du clinker au
niveau de la virole de décharge dans les pipes des ballonnets puis
son cheminement dans ceux-ci jusqu’à la sortie.
Le tableau 3 donne les principales caractéristiques dimensionnelles des ballonnets en fonction de la capacité de production.
3.2 Mise en œuvre du refroidisseur
L’intégration d’un refroidisseur à ballonnets dans une ligne de
cuisson apporte de nombreuses simplifications tant au plan méca-
Q (t/j)
N
Dt (m)
Lt(m)
débit du four exprimé,
nombre de tubes du refroidisseur,
diamètre intérieur de tôle de chaque tube,
longueur de chaque tube (hors pipe d’admission du
clinker).
La charge normale, pour une température de clinker en sortie de
160 oC, est de 3,65 t/j · m2,5.
L’air balayant le refroidisseur est admis comme air secondaire.
En conséquence, le balayage peut se déterminer comme suit.
Un four fonctionnant à 3 450 kJ/kg demande :
— de l’air de combustion neutre : 825 x 1,1 x 10–3
= 0,908 Nm3/kg de clinker ;
— un excès d’air de 10 % .................. = 0,091 Nm3/kg de clinker
soit au total 0,999 Nm3/kg de clinker ;
donc :
— air primaire (10 %) ......................... = 0,1 Nm3/kg de clinker ;
— air secondaire ou air de balayage = 0,899 Nm3/kg de clinker
soit 1,16 kg/kg de clinker.
Tableau 3 – Caractéristiques dimensionnelles des ballonnets
Production nominale (t/j)
Caractéristiques
1 500
2 000
3 000
4 000
4 600
Nombre de ballonnets .....................................
10
10
10
10
10
Diamètre de ballonnets........................... (mm)
1 800
1 950
2 250
2 400
2 550
Longueur des ballonnets ...........................(m)
16,40
19,80
22,80
29,00
32,00
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BE 8 846 − 9
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La température finale du clinker est donnée par la formule
empirique suivante, utilisant les notions de charge d’air de
balayage :
Capot de
chauffée
Brûleur
1,6
C
T ck = T amb + 22,2 × ---------0,7
B
avec
Four
Tamb (oC) température ambiante,
C
(t/j · m2,5) charge,
B
(kg d’air/kg de clinker) balayage.
Exemple : un refroidisseur de 11 tubes de diamètre Dt = 1,65 avec
Lt = 13,80 m, équipant un four de Q = 1 250 t/j, a une charge de :
C = 3,89 t/j · m2,5
Si le balayage est de 1 kg/kg de clinker (balayage réduit à cause
d’entrées d’air au joint de four), la température du clinker Tck sera de
195 oC à ajouter à la température ambiante.
Entrée de
l'air de
refroidissement
Sortie du
clinker
Figure 16 – Refroidisseur rotatif ou tubulaire (KHD)
Air de
refroidissement
4. Refroidisseurs rotatifs
Le refroidisseur rotatif est le plus ancien système de refroidissement du clinker installé sur les fours rotatifs.
Mécaniquement simple (figure 16), il présente deux difficultés
de process s’il est utilisé sur des fours de grande capacité :
— la formation de chandelle, au niveau de la chute du clinker
côté introduction ;
— la fluctuation de la vitesse de l’air dans la zone équipée de
releveurs.
Le premier de ces problèmes peut être résolu en utilisant une
chute refroidie à l’eau ou en équipant la chute d’un système automatique de ringardage (nettoyage), le second problème peut être
résolu en augmentant le diamètre du tube entre ses deux bandages.
Comme pour le refroidisseur à ballonnets (§ 3), il n’y a pas
d’effet de trempe dans le refroidisseur rotatif.
Le tube, dont le rapport longueur/diamètre est de l’ordre de 10
pour 1, tourne à une vitesse comprise entre 2,5 et 3,0 tr/min.
Tube du
refroidisseur
6
Sortie du
clinker
4b
Bandage
Clinker
chaud
Couronne
d'entraînement
5 4a
3
2
1
4
1
Tôle
Briquetage
5
2
Élément releveur
6 Tôle
3
L’équipement intérieur du tube (figure 17) est composé de béton
ou de briques réfractaires sur 60 % de sa longueur à partir de
l’introduction puis d’écopes et de releveurs.
Les principales dimensions pour un refroidisseur rotatif sont
données tableau 4.
Élément releveur
Figure 17 – Refroidisseur tubulaire : dispositifs intérieurs
de relevage du clinker
Tableau 4 – Caractéristiques dimensionnelles théoriques
des refroidisseurs rotatifs
Production
Caractéristiques
2 300 t/j
3 200 t/j
Diamètre.........................(m)
4,40 à 4,80
5,20 à 5,60
Longueur........................(m)
46
54
La température du clinker à la sortie du refroidisseur rotatif est
de l’ordre de 180 à 300 oC.
BE 8 846 − 10
5. Comparaison
des refroidisseurs
Pour les trois types de refroidisseurs (à grilles, à ballonnets et
rotatif), le tableau 5 récapitule les éléments de comparaison en termes de :
— conditions d’exploitation ;
— coûts d’exploitation ;
— process ;
— coût d’investissement.
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Tableau 5 – Comparaison des trois types de refroidisseurs
Éléments de comparaison
Refroidisseur
à grilles
Refroidisseur
à ballonnets
Refroidisseur
rotatif
Conditions
d’exploitation
Capacité de production ............................................................(t/j)
Émissions de poussières par l’air excédentaire..........................
Bruit ................................................................................................
0 à 10 000
À traiter
Faible
0 à 2 000
Nulle
Élevé
0 à 2 000
Nulle
Élevé
Coûts
d’exploitation
Rendement................................................................................(%)
Consommation électrique ...............................(kWh/t de clinker)
Maintenance (F/t de clinker). Coûts directs .................................
65 à 85
6à8
3à6
55 à 65
2à3
3à5
55 à 70
2à3
2à4
Process
Flexibilité du débit .........................................................................
Qualité du clinker (trempe) ...........................................................
Récupération des gaz chauds (autres ateliers) ...........................
Récupération des gaz chauds de précalcination.........................
Oui
Oui
Possible
Possible
Investissement
Coûts de l’investissement.............................................................
1
■ Pour ce qui concerne les coûts de maintenance, les fourchettes
indiquées sont très étendues. En effet, pour le refroidisseur à
grilles, selon qu’il est de conception ancienne, ou récente, avec plaques « caisson », les coûts directs peuvent varier du simple au double, les coûts indirects (liés au manque de fiabilité) peuvent
également être très dispersés.
■ Pour le refroidisseur à ballonnets, les conditions d’exploitation ont une grande importance ; un refroidisseur à ballonnets surchargé (de 15 à 20 %) au-delà de sa capacité nominale verra sa
Non
Non
Non
Non
Réalisation limitée Réalisation limitée
Impossible
Possible
0,6
fiabilité très réduite et pourra avoir des coûts directs et indirects de
maintenance élevés.
Il apparaît, au terme d’une étude de refroidisseur, de capacité
de 2 000 t/j, que le coût d’investissement d’un refroidisseur à
grilles (parts mécaniques, électriques, réfractaires et génie civil)
était, en 1998, de l’ordre de 30 MFF alors que le coût d’investissement d’un refroidisseur à ballonnets était d’environ 18 MFF.
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