Étude de cas d'une ligne de production de clinker de 5 000 tonnes par jour en Chine

Abstrait

Face à la pression croissante exercée sur l'industrie du ciment pour réduire ses émissions de carbone, l'utilisation de carburants alternatifs L’utilisation de combustibles alternatifs (CA) dans la production de clinker continue de se développer. Cependant, les combustibles à forte teneur en humidité, à faible pouvoir calorifique et à composition instable provoquent souvent une instabilité thermique, une combustion incomplète et la formation de dépôts lorsqu’ils sont injectés directement dans les systèmes de calcination conventionnels.

Cet article présente l'application d'un système de précalcination par étapes (SSP) chez Jincheng Shanshui Heju Cement Co Ltd en Chine. Grâce à l'introduction d'une chambre de combustion dédiée en amont du calcinateur, le système permet le séchage, la pyrolyse et la combustion par étapes de combustibles alternatifs avant leur introduction dans le four. Les résultats d'exploitation démontrent des taux de substitution stables de 20 à 251 % de TP3T, ainsi qu'une meilleure stabilité du four, une efficacité de combustion accrue, des émissions de CO₂ réduites et des gains économiques significatifs.

1 Introduction

Alors que les objectifs de décarbonation continuent de se durcir à l'échelle mondiale, l'industrie du ciment subit une pression croissante pour réduire sa consommation de combustibles fossiles et ses émissions de CO₂.

Ces dernières années, l'utilisation de la biomasse, des déchets solides industriels, des CSR et d'autres combustibles alternatifs dans la production de clinker a suscité un intérêt croissant. Comparés au charbon conventionnel, ces combustibles présentent des avantages environnementaux indéniables. Toutefois, leur utilisation à grande échelle soulève également d'importants défis opérationnels.

De nombreux combustibles alternatifs présentent une forte teneur en humidité, un pouvoir calorifique instable et une granulométrie irrégulière. Leur injection directe dans le four de calcination peut entraîner une évaporation rapide de l'humidité, perturbant ainsi l'équilibre thermique du système et provoquant des fluctuations de température.

Parallèlement, les grosses particules de combustible ont souvent un temps de séjour insuffisant, ce qui entraîne une combustion incomplète. Les matières imbrûlées qui pénètrent dans le four peuvent intensifier la circulation du soufre et des alcalis, augmentant ainsi le risque d'accumulation, d'instabilité du revêtement et de problèmes de qualité du clinker.

Fournir un temps et un espace de combustion suffisants pour les combustibles difficiles est donc devenu une condition essentielle pour atteindre des taux de substitution plus élevés sans compromettre la stabilité du four.

Pour relever ces défis, Jincheng Shanshui Heju Cement Co Ltd a mis en œuvre un système de précalcination en escalier sur sa ligne de production de clinker de 5000 tonnes par jour.

2. Aperçu du projet

2.1 Contexte du projet

Le projet a été mis en œuvre sur une ligne de production de clinker située dans la province du Shanxi, en Chine.

Les principaux objectifs étaient les suivants :

• réduire la consommation de charbon
• augmentation de l'utilisation des carburants alternatifs
• réduire les émissions de CO₂
• amélioration de la stabilité de fonctionnement du four

La capacité de traitement des carburants alternatifs prévue était de 10 à 15 tph, avec un taux de substitution cible de 20 à 25% et un potentiel de conception maximal de 28%.

2.2 Types de carburant

Le projet utilise principalement :

• résidu de furfural
• déchets de biomasse
• textiles usagés
• granulés de combustible RDF
• déchets solides industriels

Le résidu de furfural représente un combustible particulièrement difficile en raison de sa teneur élevée en humidité de 40 à 50% et de sa valeur calorifique relativement faible d'environ 2000 kcal/kg.

3 Limites de l'injection directe de FA

L'injection directe conventionnelle dans un calcineur pose plusieurs problèmes opérationnels lors de la manipulation de carburants alternatifs de faible qualité.

3.1 Instabilité thermique

L'évaporation rapide de l'humidité à l'intérieur du four de calcination absorbe de grandes quantités de chaleur et crée des chutes de température locales, perturbant la stabilité du four.

3.2 Combustion incomplète

Les grosses particules de combustible ne brûlent souvent pas complètement en raison d'un temps de séjour insuffisant à l'intérieur du four de calcination.

3.3 Augmentation de la circulation du soufre et des alcalis

Les matériaux partiellement brûlés peuvent créer des conditions réductrices qui intensifient les cycles du soufre et des alcalis, augmentant ainsi le risque d'accumulation et de formation d'anneaux.

3.4 Fluctuations de la qualité du clinker

Les particules non brûlées qui pénètrent dans le système du four peuvent contribuer à la formation d'un clinker à cœur jaune et à une qualité de clinker instable.

L'expérience d'exploitation montre que la principale limitation ne réside pas seulement dans la qualité du combustible lui-même, mais aussi dans le manque d'espace de combustion suffisant au sein de la configuration actuelle du calcineur.

4 Solution de précalcination en escalier

4.1 Concept du système

Le SSP introduit une chambre de combustion dédiée en amont du calcineur, permettant aux combustibles alternatifs de terminer le séchage, la pyrolyse et la majeure partie du processus de combustion avant d'entrer dans le système de four principal.

Comparée à l'injection directe, cette configuration réduit considérablement les perturbations thermiques du fonctionnement du four.

4.2 Principaux composants du système

Le système SSP se compose principalement de :

• système de stockage et de transport de carburant
• système d'alimentation à double vis
• chambre de combustion à gradins
• système de combustion à air tertiaire
• système d'agitation par canon à air
• système de surveillance de la température en ligne
• système de surveillance par caméra haute température
• Système de contrôle automatique PLC

Le système comprend 17 étapes au total :

• une plateforme de séchage et d'allumage
• 15 étapes de combustion
• une section de décharge

5. Description du processus

Les carburants alternatifs sont transportés vers un silo tampon avant d'entrer dans le SSP par l'intermédiaire de deux alimentateurs à vis.

5.1 Étape de séchage

Le combustible pénètre d'abord dans la plateforme de séchage supérieure.

L'air tertiaire à haute température provenant du refroidisseur de clinker, à environ 880 °C, fournit à la fois de la chaleur et de l'air de combustion.

L'évaporation de l'humidité se produit progressivement à l'intérieur de la chambre dédiée, évitant ainsi de fortes fluctuations de température à l'intérieur du four de calcination.

5.2 Étape de pyrolyse et de combustion

Après séchage, les combustibles descendent à travers les étapes de combustion.

Les canons à air agitent périodiquement le lit de combustible, améliorant la turbulence et augmentant le contact avec l'oxygène.

Les particules fines et légères sont entraînées dans le four de calcination par le flux de gaz chaud, tandis que les particules plus grosses restent sur les marches inférieures pour une combustion plus poussée.

Ce mécanisme de combustion étagée améliore considérablement l'efficacité de la combustion.

5.3 Contrôle du temps de séjour

Le temps de séjour peut être ajusté en modifiant la fréquence du canon à air, le volume d'air tertiaire et le débit d'alimentation.

En fonction des caractéristiques du combustible, les matières peuvent rester à l'intérieur du SSP jusqu'à 20 minutes.

6 Performances opérationnelles

6.1 Taux de substitution plus élevés

Le système a atteint des taux de substitution stables de 20 à 25%, avec un potentiel de conception maximal de 28%.

6.2 Amélioration de la stabilité du four

Comme l'évaporation de l'humidité et la combustion primaire se produisent à l'intérieur du SSP, les fluctuations de température du calcineur ont été considérablement réduites.

Les résultats d'exploitation ont montré :

• fonctionnement du four plus stable
• perturbation thermique réduite
• risque d'accumulation plus faible
• continuité du système améliorée

6.3 Amélioration de la qualité du clinker

La réduction des résidus de matière non brûlée a entraîné une diminution des problèmes de clinker à cœur jaune et une qualité de clinker plus stable.

6.4 Avantages environnementaux

Ce projet devrait permettre de réduire les émissions de CO₂ d'environ 20 000 tonnes par an.

La conception intégrée en ligne ne crée aucun point d'émission supplémentaire, tandis que les conditions de haute température à l'intérieur du système de four favorisent la destruction des COV et autres polluants organiques.

Les conditions réductrices locales à l'intérieur du système contribuent également à la réduction des émissions de NOx et de la consommation d'ammoniac.

6.5 Avantages économiques

Prenons l'exemple des résidus de furfural :

• économies annuelles de charbon : environ 11 300 tonnes
• Économies annuelles sur les coûts de carburant : environ 7,9 millions de RMB
• Économies annuelles d'électricité : environ 170 000 RMB
• Valeur annuelle de réduction des émissions de carbone : environ 2 millions de RMB

Le bénéfice économique annuel total dépasse 3,6 millions de RMB.

7 Recommandations opérationnelles

7.1 Gestion de la qualité du carburant

Il est recommandé de mélanger des combustibles ayant des valeurs calorifiques et des teneurs en humidité différentes afin de réduire les fluctuations thermiques.

7.2 Régulation de la température

Une entrée pour aliments crus est prévue pour absorber l'excès de chaleur et éviter la surchauffe locale.

7.3 Automatisation avancée

Le contrôle automatique du débit d'alimentation, du flux d'air tertiaire et du fonctionnement du canon à air améliore encore la stabilité du système et l'efficacité de la combustion.

8 Conclusion

Avec l'augmentation constante de l'utilisation des carburants alternatifs dans l'industrie cimentière, les méthodes d'injection directe classiques deviennent de plus en plus insuffisantes pour la gestion des carburants de faible qualité difficiles à traiter.

Le projet Jincheng démontre que le précalcinateur à étages offre un environnement de combustion stable et efficace pour les combustibles à forte teneur en humidité et à faible pouvoir calorifique, améliorant considérablement l'efficacité de combustion et les taux de substitution tout en réduisant les perturbations thermiques du système de four.

Outre les économies substantielles de charbon et la réduction des émissions de carbone qu'elle permet, cette technologie améliore également la stabilité du four et la qualité du clinker, offrant ainsi une voie pratique pour la transition bas carbone de l'industrie cimentière.