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La. présente invention concerne des perfectionnements dans la technique de fabrication de ciments hydrauliques.
L'invention se propose notamment (1) de fournir des moyens pour fabriquer les ciments plus économiquement et (2) de fournir des moyens pour obtenir des ciments de meilleure qua- lité.-
Les ciments hydrauliques sont fabriqués à partir de matières premières contenant des carbonates tels que du carbonate de calcium et du carbonate de magnésium, et des' composés de silice, d'alumine, d'oxydes de fer, etc.. Pour transformer ces matières en ciment hydraulique, il faut transformer les carbonates en oxydes correspondants par calci- nation pour en chasser l'anhydride carbonique et faire réagir ces oxydes avec la.
silice, l'alumine et l'oxyde de fer pour former des composés constitués par des corsinaisons telles que le silicate de bicalcium, le silicate de tricalcium l'aluminate de tricalcium et le tétracal @m-alumino-ferrite.
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L'invention se propose de réaliser : # dans une seule zone de réaction, toutes ces réactions, soit les réactions de calcinait on et les réactions de combinaison des oxydes. Cette zone de réaction de formation du ciment se compose d'un lit de poudre fluidisée ou de particules granulaires qui est maintenu, à une température supérieure à
1.095 C ; - la réaction de formation du ciment de façon à éviter la. formation de "scories" tout en permettant aux corps en réac- tion de subir une "fusion" lorsque cela. est nécessaire .pour former le produit voulu;
- la réaction de. formation du ciment dans des temps de réac- tion beaucoup plus longs que ceux qui sont possibles dans les fours, utilisés dans l'industrie du ciment, de sorte qu'on puisse dans certains cas, en fonction de la qualité des matières de charge et de la nature du produit voulu, effec- tuer l'opération à des températures plus basses; - la réaction de formation du ciment, si on le désire:$ à dea températures plus élevées que celles qu'on peut atteindre dans les fours utilisés dans l'industrie du ciment, ce qui peut être avantageux lorsqu'on fabrique des ciments de compo- sition inhabituelle.
Elle se propose également d'obtenir par le présent procédé un produit qui se compose de matières ayant complète- ment réagi.
La combinaison de ces caractéristiques permet de fabriquer des ciments de Bailleurs qualité et plus uniformes et elle fournit aussi le moyen de fabriquer des ciments de composition différente de ceux produits actuellement; commer- cialement et qui peuvent être de qualité supérieure ou spécia- le, ainsi que l'ontprouvé les travaux de laboratoire.
Conformément au procédé perfectionné de l'invention,, les matières de charge composées de carbonates et d'oxydes sont d'abord broyées en poudre dans un équipement classique.
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11 est avantageux, pour le bon fonctionnement du procède, que les matières de charge soient réédites à une grosseur de particules qui soit plus petite que la grosseur de parti- cules de la matière du produit extrait du. procédé grâce aux dispositifs et opérations mentionnés ci-dessous; par exemple, si la. matière du produit est choisie et contrôlée pour avoir tin diamètre minimum de particules de plus de 140 microns, il faut alors réduire les matières de charge à un diamètre maximum de particule de moins de 140 microns.
Toutefois, dans la. mise en oeuvre du, procédé, il est avantageux de façon générale de réduire les matières de charge à une grosseur de particules même plus petite, puisque le rendement de la zone de réaction de formation du ciment sera d'autant plus effi- cace que les matières de charge sont plus fines.
En consé- quence, dans la marche normale du procédé, les particules les plus grosses de la poudre de charge seront beaucoup plus petites que les particules les plus petites du produit extrait du procédé, c'est-à-dire qu'il y aura effectivement une marge considérable entre la finesse relative de la poudre chargée dans le procédé et la granulation grossière relative des particules extraites en tant que produit. lapoudre de charge est chargée dans la zone de réac- tion de formation du ciment, dans. laquelle une grande masse de petites particules de la matière du produit de ciment est maintenue à l'état fluidisé dense en suspension, cet état- étant entretenu en chargeant de l'air dans le sens ascendant à travers la masse de particules à la vitesse voulue.
La masse fluidisée peut être contenue dans un récipient calorifugé de façon appropriée et constitué par exemple par une enveloppe métallique cylindrique placée dans le sens vertical et revêtue intérieurement d'une matière de revêtement réfractaire.
La masse fluidisée est maintenue à la température de réaction voulue, supérieure à 1.095 C., en chargeant du combue tible dans la masse fluidisée,, ce qui produit la chaleur néces-
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satire par combustion avec l'air qui monte à travers la mas se .
Le rapport entre la quantité de matières de charge chargées dans la zone de réaction et la quantité de matière, maintenue à l'état fluidisé dans la zone de réaction est un facteur important dans le procédé selon l'invention, pour les raisons indiquées ci-dessous.
Bien que ce rapport puisse varier sur une grande échelle suivant la qualité des matiè- res de charge et les températures de fonctionnement, la marche convenable du procédé exige que la quantité de matiè- re 'contenue dans la masse fluidisée soit grande par rapport aux quantités de matières de charge chargées dans la masse, par exemple le poids de la. matière contenue dans la masse fluidisée peut être trente fois ou plus supérieur à celui des matières de charge chargées dans la masse par minute,
Les poudres chargées dans. la zone de réaction seront rapidement dispersées dans la masse fluidisée à cause des grandes caractéristiques de turbulence de celle-ci.
Du. fait de la grande quantité de matière contenue dans la masse flui- disée par rapport au courant de matières de charge qui y est chargé, et de la température élevée à. laquelle la masse flui- disée est maintenue et, en outre, de la finesse de la poudre .de charge,cette dernière est chauffée brusquement aux tempé- ratures de réaction. En réalité, on peut dire que les parti- cules de la poudre de charge sont soumises à un choc thermi- que.
Dans le cas de l'élément carbonate de la poudre de char- ge, il y a en outre production soudaine d'anhydride carbonique dans les particules, car à la température à laquelle le réac- teur travaille, l'équilibre de l'équation CaCO3-CaO + CO2 s'est déplacé presque entièrement vers la droite.Il en résul- te que les particules de la poudre de charge et notamment les particules de carbonate sont exposées à une action de fragmentation qui provoque encore une désagrégation de? parti- cules à une finesse encore plus grande que le degré de dinesse auquel la. matière de charge a été broyée avant d'être chargée
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dans la zone de réaction,
ce qui facilite encore l'accomplis- sement des réactions voulues dans ladite zone.
Les réactions qui ont lieu lorsque les oxydes se combinent pour former le produit de ciment sont assez com- plexes et il n'est pas nécessaire d'entrer dans toutes les ramifications qu sont connues ou faciles à imaginer en ce qui les concerne, mais quelques aspects de ce système comple- xe de réactions sont à considérer de façon à éclairer quel- ques-unea des caractéristiques les plus importantes de la présente invention. La. discussion qui va..
suivre est par conséquent présentée à titre (d'illustration et elle n'est pas destinée à être absolument exclusive, du fait qu'elle se limite à considérer seulement les réactions entre les matières d'oxyde de calcium, de silice et .d'alumine, en lais- sant de côté d'autres oxydes .qui sont de façon générale mais pas nécessairement, présents' tels que l'oxyde 'de magné- sium et les oxydes de fer,
Le résultat net de la réaction globale est de combi- ner de l'oxyde de calcium avec de la silice et de'l'alumine pour former des composés tels que du silicate de bicalcium, du silicate de tricalcium et de l'aluminate de tricaloium, exprimés par les équations suivantes :
EMI5.1
(1) 2 Cao + Si02 2 Ca.o.Sio, (2) 3 CaO + SiOî :)00" 3 CaO.Si02 (3) 3 .4- ..a3 bzz 3 CaO.AI20 3
Cependant, ces réactions ne se poursuivent pas tou- tes directement comme le représentent ces équations. Lorsque les oxydes de départ sont chauffés à des températures de formation du ciment, les premiers composés qui se forment apparaissent être le silicate de biealcium (conformément à l'équation (1) ci-dessus) et un composé intermédiaire d'oxyde de calcium et d'alumine qui contient relativement moins d'oxyde de calcium que l'aluminate de tricalcium final et
EMI5.2
qu'on suppose être du 5Ca0.3t,103.
'
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Le silicate de bicalcium continue sa réaction avec de 1 'oxyde de calcium additionnel pour formar du silicate de tricaloium et le composé intermédiaire 50a0,3AI2O3 réagit avec de l'oxyde de caleaum additionnel pour former de l'alu- minate de tricalcium suivant les équations suivantes (4) CaO + 2CaO.SiO2 @ 3CaO.SiO2 (5) 4CaO+5CaO.
3AI2O3 3CaO.AI2O3
Dans la réaction globale de formation du ciment, qui comprend une combinaison de réactions telles que les cinq, réactions représentées ci-dessus, le composé intermédiaire 5CaO.3AI2O3 est seulement une matière transitoire qui se forme par la réaction de l'alumine avec de l'oxyde de cal- cium et qui disparaît lors dit= nouvelle réaction avec une quantité supplémentaire d'oxyde de calcium. Cette matière joue un rôle inhabituel dans la progression de la réaction globale car elle est susceptible de former avec les silicates de calcium un mélange eutectique qui fond aux températures auxquelles la réaction globale a lieu.
Cette fusion du mélan- ge eutectique crée un fondant momentané qui est utile à la progression de la réaction globale, mais d'autre part s'il existe la possibilité que de grandes quantités de mélanges eutectiques se forment, les concentrations excessives de matière fondue qui en résultent aggloméreront les corps en réaction en gros agrégats.
(On pense que les oxydes de fer sont aussi suscepti- bles de former des mélangea eutectique:, transitoires qui fondront ou se liquéfieront au cours de la réaction globale, mais les produits finals contenant du fer sont aussi stables aux températures de fonctionnement).
La. progression de la réaction globale de la combinai- son des oxydes, telle qu'elle est définie ci-dessus, est une version extrêmement simplifiée, mais elle sert à illustrer le point particulier de l'invention, c'est-à-dire que les matières qui entraînent une fusion ou une liquéfaction sont de nature transitoire, c'est-à-dire que toutes les matière
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du produit final de la réaction globale de formation du ciment, de même que les mxydes de départ, sont stables aux températures de réaction en ce sens qu'ils ne fondront, ni se décomposeront - et que seuls certains composés intermé- diaires (tels que le 5CaO.3AI2O3) peuvent provoquer la forma- tion temporaire de matières susceptibles de fondre à ces températures.
Selon une caractéristique de l'invention, ces réac- tions de formation du ciment ont lieu en présence de grandes quantités de produits finals stables de la réaction qui for- ment le gros de la masse fluidisée dans la zone de réaction.
Le courant relativement faible des matières de charge se disperse entièrement dans l'ensemble de la masse fluidisée et le grand nombre de particules stables qui constituent cette masse offrent une surface tonale étendue, sur laquelle les particules de charge de la réaction peuvent se rassembler et réagiE entre elles et, jusqu'à une certaine mesure, avec la surface même. La formation momentanée pendant ces réac- tions de composés intermédiaires ou mélanges eutectiques qui fondent à la température de réaction se trouve de cette façon dispersée sur une grande surface de contact.
De tels composés fondants continueront à réagir avec l'oxyde de cal- cium pour former des produits solides plus stables qui éta- bliront de nouvelles surfaces sur les anciennes et sur les- quelles la série des réactions se répétera à mesure que des matières de charge additionnelles seront dispersées dans la, masse fluidisée. On évite ainsi des accumulations concentrées de matière fondante et ainsi la formation de "scories", tandis qu'en même temps la progression des réactions entraî- nera un accroissement en progressif mais continu de la dimen- sion des particules constituant la masse fluidisée.
Quelques nouvelles particules de la matière de produit peuvent aussi se former de façon continue dans la masse flui- disée par une réaction directe entre les matières de charge
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introduites dans la masse sans être fixées à des particules déjà existantes de la matière de produit, et de telles parti- cules nouvellement formées deviendront par la suite les noyaux pour une nouvelle réaction sur leurs surfaces, comme défini ci-dessus.
Toutefois, suivant les conditions de service et la qualité des matières de charge, la vitesse à laquelle ces nouvelles particules sont formées peut ne pas être suffisante pour fournir de façon continue à l'intérieur de la masse fluidisée la quantité nécessaire de particules de produit très petites servant de points de départ pour l'édification à des particules plus grosses par le processus d'accroissement mentionné ci-dessus. Pour cette raison et afin d'avoir un contrôle positif sur la répartition de la grosseur des particules dans la masse fluidisée, le procédé peut comprendre un agencement pour charger dans la. massé fluidisée des quantités contrôlées de petites particules de matière de produit.
Cette matière peut être obtenue en broyant des quantités appropriées du produit final à la grosseur vou- lue de petites particules et en les rechargeant dans la masse fluidisée.
Un courant de particules fluidisées est continuelle- ment extrait de la zone de réaction et est soumis à une sépa- ration dans laquelle les particules les plus grossières, par exemple celles ayant plus de 140 microns de diamètre, sont réparées des particules plus fines.Ces particules plus gros- sières sont évacuées du procédé à titre de produit final.
Les particules plus fines sont renvoyées à la masse fluidisée dans la zone de réaction pour être soumises à une nouvelle réaction. On élimine ainsi, selon l'invention comme produit Seulement les particules relativement grandes, tandis qu'en même temps, en renvoyant les particules plus fines, la masse fluidisée dans la zone de réaction est maintenue à la répar- tition de la grosseur des particules.la plus appropriée pour
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sa. marche efficace, tout en permettant l'accrorssement conti- nuel des particules, comme spécifié ci-dessus.
En outre, l'in- vention offre ainsi la certitude que la matière retirée comme produit final a réagi de façon homogène et qu'elle est exemp- te d'oxydes n'ayant pas réagi ou de matières de charges, puisque ces dernières ont un diamètre de particule plus petit que le produit retiré, comme il a été indiqué ci-dessus* l'extraction sélective du produit et la disposition de recyclage fournissent aussi automatiquement une protection contre toute édification de particules excessivement grandes dans la masse fluidisée, du fait que par le retrait continu d'un courant relativement grand de matière fluidisée de cette masse (par rapport au courant de produit final retiré du.
procédé), duquel toutes les grandes particules sont éliminées, et par le renvoi de ce qui reste de ce- grand courant à la zone de réaction, moins les grandes particules qu'il conte- nait, on obtient une opération continue de criblage éliminant les particules excessivement grandes.
En plus de la protection contre l'édification de particules excessivement grandes, qui est réalisée automati- quement par le retrait sélectif du produit et les dispositions de recyclage décrites ci-dessus, le procédé peut aussi compor- ter des dispositifs distincts pour éliminer les particules ou agglomérats excessivement grands susceptibles de se former à la suite de variations des conditions de fonctionnement ou d'une fausse manoeuvre par inadvertance.
En raison de telles variations ou fausses manoeuvres, il est possible, du fait de la nature des réactions de formation du ciment, qu'il se forme brusquement des particules ou agglomérats excessive- ment granda qui ses peuvent ne pas être saisis par le retrait sélectif du produit et la disposition de recyclage, nais au contraire descendre rapidement dans la masse fluidisée et qui, s'ils sont d'une dimension suffisante, peuvent tomber dans l'admission d'air à rencontre du courant d'air découlant
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vers le haut et pénétrant à la partie inférieure de la masse fluidisée. Au bout d'un laps de temps donné, ces particules ou agglomérats s'accumuleraient dans l'admission d'air au point de gêner le déroulement du procédé, en provoquant ainsi un arrêt prématuré de l'installation.
Afin d'éviter de tels arrêts prématurés, l'admission d'air peut être munie d'un dispositif collecteur dans lequel ces particules ou agglomé- rats sont recueillis et duquel ils peuvent être éliminés sans interrompre la marche continue du procédé.
Avec référence au dessin annexé, les matières de charge pulvérisées sont chargées à partir de la trémie d'ali- mentation 1 à travers le tuyau de montée 2 qui est muni de soupapes de commande. 3. La poudre de charge pénètre dans la conduite d'air 4. par laquelle l'air est chargé à la par- tie inférieure du réacteur 5. Le tuyau de montée 2 a une hauteur suffisante pour fournir la hauteur de pression sta- tique nécessaire pour refouler la poudre de charge dans la conduite 4. A titre de variante, la poudre de charge peut être chargée directement dans le réacteur 5 au moyen de la pompe 6 et de la conduite 7.
Une masse de particules, constituée en majeure partie par de la matière du produit, est maintenue à l'état fluidi- sé dans le réacteur 5 par l'air et d'autres gaz s'écoulant vers le haut à travers ledit réacteur. Celui-ci peut se composer d'un récipient cylindrique disposé dans le sens ver- tical, comportant un fond conique et revêtu intérieurement d'une matière réfractaire. Le niveau de la masse fluidisée est maintenu à la partie supérieure du réacteur 5. Du combus- tible est amené à la masse fluidisée dans le réacteur 5 par la conduite 8 et la soupape de commande 9. La. combustion du combustible et de l'air à l'intérieur de la masse fluidisée produit' la chaleur nécessaire pour maintenir la. masse fluidi- sée à la température de réaction désirée.
Les gaz de la combustion etl'anhydride carbonique
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produits dans la masse fluidisée par la combustion et la cal- cination des carbonates quittent la partie supérieure du réacteur 5 par la conduite 10, passent dans les tubes de @ l'échangeur de chaleur 11 et continuent à s'écouler dans la conduite 12. Dans l'échangeur de chaleur 11, la chaleur contenue dans les gaz est utilisée pour produire de la vapeur.
Le côté enveloppe de l'échangeur de chaleur 11 est relié au tambour 13 de dégagement de vapeur par les conduites 14 et
15. La vapeur produite s'écoule vers l'équipement qui suit par la conduite 16 qui est munie d'une soupape de retenue 17.
De l'eau est chargée dans l'équipement de production de va- peur par la conduite 18 et la soupape 19.
Les gaz s'écoulant dans la conduite 12 peuvent passer dans un collecteur de poussière 20 dans lequel la poussière et les fines particules qui quittent le réacteur 5 en suspen-: sion dans les gaz peuvent être recueillies. Ce collecteur 20 peut être du type d'un séparateur électrique ou de tout autre modèle approprié. Les gaz s'échappent par la conduite 21. La poussière et les fines particules recueillies peuvent être renvoyées au réacteur 5 par la conduite 22, la pompe 23 et la conduite 24 ou bien elles peuvent être déchargées par la .conduite 25 et la soupape 26.
Un courant de matière fluidisée est retiré de façon continue du réacteur 5 par le tuyau de montée 27 qui est muni d'un dispositif 28 de commande de l'écouleme nt et il est char- gé dans la conduite 29, à travers laquelle une partie de la totalité de l'air qui est fourni au réacteur 5 doit d'abord passer dans le séparateur 30. L'air qui pénètre dans le sépa-' rateur 30 transportera ainsi en suspension toute la matière fluidisée retirée du réacteur 5, à travers le tuyau de montée
27. Ce dernier a une hauteur suffisante pour fournir la hau- teur de pression statique nécessaire pour refouler la matière retirée du réacteur 5 dans la conduite 29.
Le séparateur 30 peut être du type à cyclone ou de tout
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autre modèle approprié. Dans ledit séparateur 30, les parti- cules les plus grossières sont séparées et retirées par la conduite 31 et la soupape 32. Le courant; d'air, qui trans- porte les particules plus fines en suspension, quitte la partie supérieure du séparateur 30 par la conduite 33 et s'écoule dans la conduite d'air 4, puis il continue jusque dans la masse fluidisée se trouvant dans le réacteur 5.
L'air nécessaire pour la marche du procédé est chargé dans l'installation par le compresseur 34 par la. conduite 35. Une partie ou la totalité de l'air s'écoule par la conduite 36 et la soupape 37 dans la conduite 29.
Une partie de l'air fourni par le compresseur34 peut être détournée .du séparateur 30 en l'obligeant à s(écou- ler de la conduite 35 par les conduites 38 et 39 et la sou- pape 40 dans la conduite 33; de cette façon, l'air s'écou- lant à travers le séparateur 30 et l'air détourné s'écoulant dans les conduites 38 et 39 s'écouleront ensemble dans la conduite 4.
L'air détourné s'écoulant dans la conduite 38 peut être chauffé par échange indirect de chaleur avant de se joindre à l'air s'écoulant du séparateur 30 par la conduite 33 en fermant la soupape 40 sur la conduite 39 et en ouvrant les soupapes 41 et 42, ce qui oblige l'air détourné à s'écou- ler à travers un serpentin réchauffeur 43 dans le four 44.
La conduite 4, dans laquelle l'air s'écoule dans la partie inférieure du réacteur 5 est munie d'un prolongement 45 qui, conjointement avec les vannes 46 et 47, sert de col- lecteur à travers lequel de grandes particules ou agglomérats peuvent être évacués sans interrompre le fonctionnement conti- nu. Comme il a été indiqué précédemment, il est possible que des particules ou agglomérats excessivement gros se forment de temps à autre dans la masse fluidisée du réacteur 5 et s'ils ont une dimension et un poids suffisants, ils peuvent tomber vers le bas à rencontre de l'air s'écoulant vers le
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haut dans la conduite 4.
On peut faire fonctionner le collec- teur en maintenant la soupape 47 fermée et la soupape 46 ouverte, mais en fermant par moments la soupape 46 et en ouvrant la soupape 47 pour évacuer toutes particules ou agglomérats qui auraient pu se rassembler sur la soupape 47, après quoi ladite soupape 47 est à nouveau fermée et la soupape 46 ouverte.
Les particules fines du produit peuvent être char- gées dans le réacteur 5 par la conduite 48, la pompe 49 et la conduite 50. On peut obtenir la matière ainsi chargée en broyant une partie du produit retiré par la conduite 31 et la soupape 32 à la grosseur de particule nécessaire à cet effet.(Il y a lieu de comprendre, bien entendu, que toute la matière du produit retirée sera broyée en poudre extrêmement fine, mais comme c'est une technique courante dans l'indus- trie de la fabrication du ciment,cela ne fait pas partie de la présente invention,.
Cependant, ce broyage final est effectué de façon générale par échelons, selon lesquels le produit est broyé par échelons en une poudre de plus en plus fine, et il est par conséquent possible qu'au cours d'une de ces étapes de broyage classiques, la matière soit du degré exact de finesse, tout en n'étant pas trop fine, pour pouvoir être renvoyée à la' zone de réaction conformément à l'inven- tion. Un tel procédé constituerait alors effectivement une opération de recyclage dans laquelle une partie du produit est renvoyée à la zone de réaction à partir d'une des étap.es de broyage que la matière de produit doit traverser pour par- venir à être réduite à l'état pulvérisé extrêmement fin dans lequel elle est vendue comme ciment hydraulique).
La. matière envoyée à travers les tuyaux de montée 2 et 27 peut être maintenue à l'état de colonne statique s'écou- lant librement, en chargeant un gaz d'aération tel que de 1'aU- à la partie inférieure de ces tuyaux de montée, conformément à une technique bien établie.
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Diverses parties du matériel, ainsi que le réacteur 5, peuvent être revêtus intérieurement d'une matière réfrac- taire appropriée, partout où cela sera nécessaire en raison. des températures élevées, et l'appareil est de façon générale bien isolé contre les pertes de rayonnement.
L'appareil décrit et représenté représente un équipe- ment approprié pour la réalisation de la présente invention, mais on pourra. également avoir recours à diverses variantes sans s'écarter du. cadre ou de l'esprit de l'invention. par exemple, la chaleur contenue dans les gaz à haute température sortant de la partie supérieure du réacteur 5 est indiquée comme étant utilisée pour la production de vapeur susceptible d'être utilisée Comme source d'énergie pour actionner un autre 'équipement qui se rapporte à la présente invention, mais qui n'en forme pas une partie intégrante, tel que celui ' utilisé pour broyer les matières de charge ou la matière du produit, alors qu'en même temps l'air est représenté comme étant préchauffé dans le -serpentin 43 du four 44.
Il est évident que, dans certains cas, suivant par exemple le coût relatif de la force électrique extérieure et du combustible, il peut être plus avantageux de préchauffer l'air par un échange de chaleur avec les gaz quittant le réacteur 5 et d'utiliser la force électrique extérieure pour actionner l'équipement de broyage.
Certaines variantes sont précieuses pour obtenir la mise en oeuvre la plus efficace du procédé. Une de ces varian- tes est la disposition pour détourner une partie de l'air chargé dans le procédé autour du séparateur 30. L'équilibre du procédé est tel que la quantité totale de l'air nécessaire pour le fonctionnement de la massa fluidiaée dans le réacteur 5 est considérablement en excédent de la quantité minimum d'air nécessaire pour celui du séparateur 30, c'est-à-dire pour transporter la matière extraite du réacteur 5 dans le séparateur 30, pour effectuer la séparation convenable des
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grosseurs de particules dans ledit séparateur et pour ramener les particulesplus fines au réacteur 5.
Une partie de la totalité de l'air chargé dans le procédé peut par conséquent être détournée de l'équipement de séparation de façon à réduire son volume et ses charges nécessaires et, en outre, en faisant varier le pourcentage de l'air qui contourne l'équipement de séparation, on peut avoir un contrôle fonc- tionnel du degré de la séparation des particules.
Selon une autre variante, l'air détourné peut être préchauffé avant d'être chargé dans le réacteur 5. La quanti- té totale d'air qui doit être chargée-dans le réacteur 5 dépend de la quantité de chaleur qui doit être produite dans ledit réacteur, et si les matières pénétrant dans le réac- teur 5 (y compris l'arrivée d'air) ne sont pas préchauffées, la quantité d'air nécessaire pour la combustion avec suffi- samment de combustible pour produire la chaleur nécessaire est considérablement en excédent de la quantité minimum d'air nécessaire pour maintenir une masse fluidisée de dimension adéquate dans ledit réacteur,
de sorte qu'on devra avoir recours à un réacteur de diamètre relativement grand pour que l'écoulement vers le haut des gaz à travers la masse flui- disée ne dépasse les vitesses maxima permises. Il peut être avantageux, notamment dans le cas d'installations de grande capacité, de réduire le diamètre nécessaire du réacteur 5, ce qu'on peut obtenir en préchauffant l'air dans un équipé- ment à échange de chaleur indirect (c'est-à-dire en préchauf- fant l'air sans diminuer sa teneur en oxygène). De cette façon, la quantité de chaleur qui doit être produite dans le réacteur 5 est diminuée de la quantité de chaleur qui a été communiquée à l'air dans l'équipement à échange de chaleur indirect, en dehors du réacteur 5.
Il en résulte qu'on peut diminuer le combustible et l'air qui doivent être brûles à l'intérieur du réacteur 5, et la diminution du débit d'air ainsi obtenue permet une réduction du diamètre du réacteur 5 sans obliger
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pour autant l'écoulement vers le Maut des gaz à travers la masse fluidisée à dépasser les vitesses maxima 'permises.
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The present invention relates to improvements in the technique of manufacturing hydraulic cements.
The invention proposes in particular (1) to provide means for manufacturing cements more economically and (2) to provide means for obtaining cements of better quality.
Hydraulic cements are made from raw materials containing carbonates such as calcium carbonate and magnesium carbonate, and 'compounds of silica, alumina, iron oxides, etc. To transform these materials into hydraulic cement, it is necessary to transform the carbonates into corresponding oxides by calcination in order to drive off the carbon dioxide and react these oxides with the.
silica, alumina and iron oxide to form compounds consisting of corsinaisons such as bicalcium silicate, tricalcium silicate, tricalcium aluminate and tetracal® m-alumino-ferrite.
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The invention proposes to carry out: # in a single reaction zone, all these reactions, or the calcination reactions and the combination reactions of the oxides. This cement-forming reaction zone consists of a bed of fluidized powder or granular particles which is maintained at a temperature above
1.095 C; - the cement formation reaction so as to avoid. forming "slag" while allowing reacting bodies to undergo "melting" when doing so. is necessary to form the desired product;
- the reaction of. formation of cement in reaction times much longer than those which are possible in kilns used in the cement industry, so that in some cases, depending on the quality of the fillers and of the nature of the desired product, carry out the operation at lower temperatures; - the reaction of cement formation, if desired: at temperatures higher than those which can be reached in the kilns used in the cement industry, which can be advantageous when making component cements - unusual situation.
It is also intended to obtain by the present process a product which consists of fully reacted materials.
The combination of these characteristics makes it possible to manufacture quality and more uniform Donor cements and it also provides the means to manufacture cements of different composition from those currently produced; commercially and which may be of superior or special quality, as proved by laboratory work.
In accordance with the improved process of the invention, the feed materials composed of carbonates and oxides are first ground into powder in conventional equipment.
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It is advantageous for the proper functioning of the process that the filler materials are reissued to a particle size which is smaller than the particle size of the product material extracted from the. process by means of the devices and operations mentioned below; for example, if the. Product material is selected and controlled to have a minimum particle diameter greater than 140 microns, then fillers must be reduced to a maximum particle diameter of less than 140 microns.
However, in the. In carrying out the process, it is generally advantageous to reduce the fillers to an even smaller particle size, since the efficiency of the cement-forming reaction zone will be more efficient as the fillers are finer.
Consequently, in the normal course of the process, the larger particles of the filler powder will be much smaller than the smaller particles of the product taken out of the process, i.e. there will be effectively a considerable margin between the relative fineness of the powder charged into the process and the relative coarse granulation of the particles extracted as a product. the charge powder is charged into the cement formation reaction zone, in. wherein a large mass of small particles of the cement product material is maintained in a dense suspended fluidized state, this state being maintained by charging air upwardly through the mass of particles at the desired speed .
The fluidized mass may be contained in a suitably thermally insulated container and constituted, for example, by a cylindrical metal casing placed in the vertical direction and internally coated with a refractory lining material.
The fluidized mass is maintained at the desired reaction temperature, above 1.095 ° C., by charging fuel into the fluidized mass, which produces the necessary heat.
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satire by combustion with the air rising through the house.
The ratio between the amount of feed material loaded into the reaction zone and the amount of material, maintained in a fluidized state in the reaction zone is an important factor in the process according to the invention, for the reasons given below. below.
Although this ratio can vary widely depending on the quality of the feed materials and the operating temperatures, proper operation of the process requires that the amount of material contained in the fluidized mass be large relative to the amounts. of bulk fillers, for example the weight of the. matter contained in the fluidized mass may be thirty times or more greater than that of the fillers loaded into the mass per minute,
The powders loaded in. The reaction zone will be rapidly dispersed in the fluidized mass because of the great turbulence characteristics thereof.
Of. fact of the large amount of material contained in the fluidized mass relative to the feedstock stream charged therein, and the temperature raised to. which the fluidized mass is maintained and, in addition, the fineness of the filler powder, the latter is heated sharply to the reaction temperatures. In fact, it can be said that the particles of the filler powder are subjected to thermal shock.
In the case of the carbonate element of the filler powder, there is also a sudden production of carbon dioxide in the particles, because at the temperature at which the reactor is working, the equation of the equation CaCO3-CaO + CO2 has shifted almost entirely to the right. As a result, the particles of the filler powder and in particular the carbonate particles are exposed to a fragmentation action which further causes a disintegration of? particles with a fineness even greater than the degree of fineness at which the. filler material has been crushed before being charged
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in the reaction zone,
which further facilitates the accomplishment of the desired reactions in said zone.
The reactions which take place when the oxides combine to form the cement product are quite complex and it is not necessary to enter into all the ramifications which are known or easy to imagine for them, but a few. Aspects of this complex reaction system should be considered in order to elucidate some of the most important features of the present invention. The. Discussion that will ...
The following is therefore presented by way of illustration and is not intended to be absolutely exclusive, as it is limited to considering only the reactions between the materials of calcium oxide, silica and. alumina, leaving out other oxides which are generally but not necessarily present such as magnesium oxide and iron oxides,
The net result of the overall reaction is to combine calcium oxide with silica and alumina to form compounds such as dicalcium silicate, tricalcium silicate and tricalium aluminate. , expressed by the following equations:
EMI5.1
(1) 2 Cao + Si02 2 Ca.o.Sio, (2) 3 CaO + SiOî:) 00 "3 CaO.Si02 (3) 3 .4- ..a3 bzz 3 CaO.AI20 3
However, not all of these reactions proceed directly as represented by these equations. When the starting oxides are heated to cement forming temperatures, the first compounds that form appear to be bialkium silicate (according to equation (1) above) and an intermediate compound of calcium oxide and of alumina which contains relatively less calcium oxide than the final tricalcium aluminate and
EMI5.2
assumed to be 5Ca0.3t, 103.
'
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The dicalcium silicate continues its reaction with additional calcium oxide to form tricalium silicate and the intermediate 50a0.3Al2O3 reacts with additional caleaum oxide to form tricalcium aluminate according to the equations. following (4) CaO + 2CaO.SiO2 @ 3CaO.SiO2 (5) 4CaO + 5CaO.
3AI2O3 3CaO.AI2O3
In the overall cement-forming reaction, which includes a combination of reactions such as the five reactions shown above, the intermediate 5CaO.3AI2O3 is only a transient material which is formed by the reaction of alumina with alumina. calcium oxide and which disappears when said = further reaction with additional amount of calcium oxide. This material plays an unusual role in the progress of the overall reaction because it is capable of forming with the calcium silicates a eutectic mixture which melts at the temperatures at which the overall reaction takes place.
This melting of the eutectic mixture creates a momentary flux which is useful for the progress of the overall reaction, but on the other hand if there is the possibility that large amounts of eutectic mixture will form, the excessive concentrations of melt which the result will agglomerate the reactants into large aggregates.
(It is believed that iron oxides are also likely to form eutectic mixtures, transients which will melt or liquefy during the overall reaction, but iron-containing end products are also stable at operating temperatures).
The progress of the overall reaction of the combination of oxides, as defined above, is an extremely simplified version, but it serves to illustrate the particular point of the invention, i.e. say that the materials that result in melting or liquefaction are of a transient nature, that is, all the materials
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of the final product of the overall cement-forming reaction, as well as the starting materials, are stable at reaction temperatures in that they will neither melt nor decompose - and that only certain intermediate compounds (such as 5CaO.3AI2O3) can cause the temporary formation of materials which can melt at these temperatures.
According to a feature of the invention, these cement forming reactions take place in the presence of large quantities of stable end products of the reaction which form the bulk of the fluidized mass in the reaction zone.
The relatively low feedstock stream disperses entirely throughout the fluidized mass and the large number of stable particles that make up this mass provide an extensive tonal surface, on which the reaction feed particles can collect and react. between them and, to a certain extent, with the surface itself. The momentary formation during these reactions of intermediate compounds or eutectic mixtures which melt at the reaction temperature is in this way dispersed over a large contact area.
Such flux compounds will continue to react with the calcium oxide to form more stable solid products which will establish new surfaces on the old ones and on which the series of reactions will be repeated as feed materials additional will be dispersed in the fluidized mass. This prevents concentrated accumulations of flux and thus the formation of "slag", while at the same time the progression of the reactions will lead to a gradual but continuous increase in the size of the particles constituting the fluidized mass.
Some new particles of the product material may also form continuously in the fluidized mass by a direct reaction between the feed materials.
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introduced into the mass without being attached to already existing particles of the product material, and such newly formed particles will subsequently become the nuclei for further reaction on their surfaces, as defined above.
However, depending on the operating conditions and the quality of the feed materials, the rate at which these new particles are formed may not be sufficient to continuously provide within the fluidized mass the required quantity of highly concentrated product particles. small serving as starting points for building up larger particles by the process of growth mentioned above. For this reason and in order to have a positive control over the particle size distribution in the fluidized mass, the method may include an arrangement for charging into the. massaged fluidized controlled amounts of small particles of product material.
This material can be obtained by grinding appropriate amounts of the final product to the desired size of small particles and reloading them into the fluidized mass.
A stream of fluidized particles is continuously withdrawn from the reaction zone and is subjected to a separation in which the coarser particles, for example those having more than 140 microns in diameter, are repaired from the finer particles. coarser particles are removed from the process as a final product.
The finer particles are returned to the fluidized mass in the reaction zone to be subjected to a further reaction. Only relatively large particles are thus eliminated according to the invention as a product, while at the same time, by returning the finer particles, the fluidized mass in the reaction zone is maintained at the particle size distribution. the most suitable for
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her. works efficiently, while allowing the continuous accorsation of the particles, as specified above.
Further, the invention thus provides assurance that the material removed as the final product has reacted homogeneously and that it is free of unreacted oxides or fillers, since the latter have. a particle diameter smaller than the product removed, as noted above * the selective product extraction and recycle provision also automatically provides protection against build-up of excessively large particles in the fluidized mass, because only by continuously withdrawing a relatively large stream of fluidized material from this mass (relative to the stream of final product withdrawn from.
process), from which all the large particles are removed, and by returning what remains of this large current to the reaction zone, minus the large particles which it contained, a continuous screening operation is obtained eliminating the excessively large particles.
In addition to the protection against build-up of excessively large particles, which is achieved automatically by the selective removal of the product and the recycling arrangements described above, the process can also include separate devices for removing the particles. or excessively large agglomerates which may form as a result of varying operating conditions or inadvertent mishandling.
Due to such variations or false maneuvers, it is possible, due to the nature of the cement-forming reactions, that excessively large particles or agglomerates suddenly form which may not be captured by the selective shrinkage. product and the recycling arrangement, but on the contrary descend rapidly into the fluidized mass and which, if they are of sufficient size, can fall into the air inlet against the flow of air arising
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upwards and penetrating to the lower part of the fluidized mass. At the end of a given period of time, these particles or agglomerates would accumulate in the air intake to the point of hindering the progress of the process, thus causing premature shutdown of the installation.
In order to avoid such premature shutdowns, the air inlet can be provided with a collecting device in which these particles or agglomerates are collected and from which they can be removed without interrupting the continuous operation of the process.
With reference to the accompanying drawing, the pulverized feed materials are charged from the feed hopper 1 through the riser pipe 2 which is provided with control valves. 3. The charge powder enters the air line 4. through which the air is charged to the lower part of the reactor 5. The riser pipe 2 has sufficient height to provide the static pressure head. required to deliver the charge powder into line 4. As an alternative, the charge powder can be charged directly into the reactor 5 by means of the pump 6 and the line 7.
A mass of particles, consisting largely of product material, is maintained in a fluidized state in reactor 5 by air and other gases flowing upwardly through said reactor. This may consist of a cylindrical container arranged in the vertical direction, having a conical bottom and lined on the inside with a refractory material. The level of the fluidized mass is maintained at the top of the reactor 5. Fuel is supplied to the fluidized mass in the reactor 5 through line 8 and control valve 9. Combustion of fuel and gas. air inside the fluidized mass produces the heat necessary to maintain it. mass fluidized at the desired reaction temperature.
Combustion gases and carbon dioxide
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produced in the mass fluidized by the combustion and calcination of carbonates leave the upper part of the reactor 5 through line 10, pass through the tubes of heat exchanger 11 and continue to flow in line 12. In the heat exchanger 11, the heat contained in the gases is used to produce steam.
The shell side of the heat exchanger 11 is connected to the steam release drum 13 by the pipes 14 and
15. The steam produced flows to the following equipment through line 16 which is provided with a check valve 17.
Water is charged to the steam generating equipment through line 18 and valve 19.
The gases flowing in line 12 can pass into a dust collector 20 in which dust and fine particles which leave the reactor 5 suspended in the gases can be collected. This collector 20 may be of the type of an electrical separator or of any other suitable model. The gases escape through line 21. Dust and fine particles collected can be returned to reactor 5 through line 22, pump 23 and line 24 or they can be discharged through line 25 and valve 26. .
A stream of fluidized material is continuously withdrawn from the reactor 5 through the riser pipe 27 which is provided with a flow control device 28 and is charged into the line 29, through which a part. of all of the air which is supplied to the reactor 5 must first pass through the separator 30. The air which enters the separator 30 will thus carry in suspension all the fluidized material withdrawn from the reactor 5, through the riser pipe
27. The latter has a sufficient height to provide the height of static pressure necessary to force the material withdrawn from the reactor 5 into line 29.
The separator 30 may be of the cyclone type or of any
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other suitable model. In said separator 30, the coarser particles are separated and removed through line 31 and valve 32. The stream; air, which carries the finer particles in suspension, leaves the upper part of the separator 30 through line 33 and flows into air line 4, then it continues into the fluidized mass in the reactor 5.
The air necessary for the operation of the process is charged into the installation by the compressor 34 via the. line 35. Some or all of the air flows through line 36 and valve 37 into line 29.
Part of the air supplied by the compressor 34 can be diverted from the separator 30 by forcing it to flow from the line 35 through the lines 38 and 39 and the valve 40 into the line 33; In this way, the air flowing through the separator 30 and the diverted air flowing in the lines 38 and 39 will flow together in the line 4.
The diverted air flowing through line 38 can be heated by indirect heat exchange before joining with air flowing from separator 30 through line 33 by closing valve 40 on line 39 and opening the valves. valves 41 and 42, which forces the diverted air to flow through a heating coil 43 in the furnace 44.
Line 4, in which air flows into the lower part of reactor 5, is provided with an extension 45 which, together with valves 46 and 47, serves as a manifold through which large particles or agglomerates can. be evacuated without interrupting continuous operation. As previously indicated, it is possible that excessively large particles or agglomerates will form from time to time in the fluidized mass of the reactor 5 and if they are of sufficient size and weight they may fall downward. air flowing to the
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high in the pipe 4.
The manifold can be operated by keeping valve 47 closed and valve 46 open, but occasionally closing valve 46 and opening valve 47 to remove any particles or agglomerates that may have collected on valve 47, after which said valve 47 is again closed and valve 46 opened.
The fine particles of the product can be fed into the reactor 5 through line 48, pump 49 and line 50. The material thus charged can be obtained by grinding a portion of the product withdrawn through line 31 and valve 32 to the particle size required for this purpose. (It should be understood, of course, that all of the material removed from the product will be ground to an extremely fine powder, but as is a common technique in the manufacture of cement, this does not form part of the present invention.
However, this final grinding is generally carried out in stages, according to which the product is ground in stages to an increasingly fine powder, and it is therefore possible that during one of these conventional grinding stages, the material is of the exact degree of fineness, while not being too fine, to be returned to the reaction zone according to the invention. Such a process would then effectively constitute a recycling operation in which part of the product is returned to the reaction zone from one of the grinding stages through which the product material has to pass in order to be reduced to l. extremely fine pulverized state in which it is sold as hydraulic cement).
The material supplied through risers 2 and 27 can be maintained as a free-flowing static column by charging aeration gas such as AU to the lower part of these. riser pipes, according to a well-established technique.
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Various parts of the equipment, as well as the reactor 5, can be lined internally with a suitable refractory material, wherever necessary. high temperatures, and the device is generally well insulated against radiation loss.
The apparatus described and shown represents suitable equipment for carrying out the present invention, but it will be possible. also resort to various variations without deviating from the. framework or spirit of the invention. for example, the heat contained in the high temperature gases exiting the upper part of the reactor 5 is indicated as being used for the production of steam which can be used as a source of energy to operate other equipment which relates to the present invention, but which does not form an integral part thereof, such as that used to grind the filler or product material, while at the same time the air is shown as being preheated in the serpentine 43 of oven 44.
It is obvious that in some cases, depending for example on the relative cost of the external electric force and the fuel, it may be more advantageous to preheat the air by heat exchange with the gases leaving the reactor 5 and to use external electric force to operate the crushing equipment.
Certain variants are valuable in order to obtain the most efficient implementation of the process. One of these variations is the provision for diverting part of the air charged in the process around the separator 30. The process equilibrium is such that the total amount of air required for the operation of the fluidized mass in the process. the reactor 5 is considerably in excess of the minimum quantity of air necessary for that of the separator 30, i.e. to transport the material extracted from the reactor 5 into the separator 30, to effect the proper separation of the
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particle sizes in said separator and to return the finer particles to the reactor 5.
Part of all of the air charged to the process can therefore be diverted from the separation equipment so as to reduce its volume and required charges and, further, by varying the percentage of the air that bypasses the separation equipment, one can have functional control of the degree of separation of the particles.
Alternatively, the diverted air can be preheated prior to being charged into reactor 5. The total amount of air which must be charged into reactor 5 depends on the amount of heat which must be produced in the reactor. said reactor, and if the materials entering the reactor 5 (including the air inlet) are not preheated, the quantity of air necessary for combustion with sufficient fuel to produce the necessary heat is considerably in excess of the minimum quantity of air necessary to maintain a fluidized mass of adequate size in said reactor,
so that a reactor of relatively large diameter will have to be used so that the upward flow of gases through the fluidized mass does not exceed the maximum permissible velocities. It may be advantageous, especially in the case of large capacity installations, to reduce the necessary diameter of the reactor 5, which can be obtained by preheating the air in an equipment with indirect heat exchange (this is ie by preheating the air without reducing its oxygen content). In this way, the amount of heat which must be produced in the reactor 5 is reduced by the amount of heat which has been imparted to the air in the indirect heat exchange equipment, outside the reactor 5.
As a result, the fuel and the air which must be burnt inside the reactor 5 can be reduced, and the reduction in the air flow thus obtained allows a reduction in the diameter of the reactor 5 without forcing
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provided the flow towards the Maut of the gases through the fluidized mass to exceed the maximum permissible speeds.