Brevet FR2410235A1 — publié le 19790622

Le nouveau four qui fait l1objet de l'invention est du type dans lequel la charge à traiter joue le rôle de résistance électrique et s'échauffe par passage direct du courant à travers elle. Ce four convient pour la calcination de matières carbonées et, en particulier, de l'anthracite, dans le but d'éliminer les matières volatiles qu'elles contiennent. Il existe déjà des fours électriques de calcination de l'anthracite par passage de courant à travers la charge tels que ceux décrits dans le brevet FR. 1.051.895 page 1, colonne de gauche. Ces fours comportent une cuve cylindrique verticale à l'intérieur de laquelle on fait circuler en continu,de haut en bas, une charge d'anthracite. Le contact électrique entre la charge et les amenées de courant est assuré au moyen d'électrodes placées aux deux extrémités supérieure et inférieure du four, en général dans l'axe. Au cours du chauffage, les matières carbonées chargées perdent leur hu midité puis leurs matières volatiles progressivement dans un domaine de température pouvant aller jusqu'à 1300 C et le produit, extrait à la base du four, convient particulièrement - bien pour la fabrication d'électrodes ou de blocs de formes diverses en carbone ou graphite. Comne cela est indiqué dans la description du brevet cité, ce type de four présente plusieurs inconvénients : tout d'abord, la température à laquelle est portée la charge n'est pas du tout homogène ; la fraction de celle-ci qui se trouve au voisinage de l'axe du four atteint des températures telles qu'elle se transforme en graphite, état qui n'est pas souhaitable pour la fabrication des pâtes carbonées. Au contraire, la fraction de la charge qui se trouve à la périphérie du four est mal chauffée et souvent incomplétement dégazée. Dans la pratique, si on veut réduire au minimes la fraction de la charge d'anthracite mal dégazée, il faut accepter de surchauffer une part importante de cette charge. Ceci a pour conséquence une consommation accrue d'énergie électrique qui est de l'ordre de 1200 KWH par tonne d'anthracite. Par ailleurs, les matières volatiles qui distillent sont perdues. Dans le FR. 1.051.895 déjà cité, il a été proposé d'utiliser les matières volatiles issues du four de calcination pour réaliser un préchauffage de l'anthracite avant de le faire penétrer dans le four. Ce préchauffage peut être effectué dans un four tournant qui comporte des brûleurs alimentés par les matières volatiles provenant du four électrique ou dans un four vertical dans lequel on fait descendre les grains d'anthracite à travers un courant de gaz chaud provenant de la combustion des matières volatiles dans un brûleur séparé. Ce procédé, qui améliore effectivement le rendement global de calcination, nécessite la réalisation d'une installation relativement complexe compor- tant deux fours en série dont la construction est coûteuse et l'exploitation relativement délicate. Il est, en particulier, nécessaire d'éviter ltexcbs e comburant dans le mélange gazeux pour ne pas oxyder l'anthracite, et ceci peut entra mer des risques d'explosion non négligeables en présence de grandes quan- tités d'hydrogène.Par ailleurs, ce dispositif ne reX6die pas à l'inoalvStiewt le plus sérieux du four électrique qui est le manque d'hoogAiSitE dans le dauf- fage de la charge. Le nouveau four, qui fait l'objet de l'invention, pennet de diminuer de façon très importante la consommation d'énergie des fours électriques de calci- nation de matières carbonées qui viennent d'être décrits, tout en évitant de les combiner avec des dispositifs complexes de préchauffage de la charge. fl pernret aussi d'améliorer dans une certaine mesure l'homogénéité de température de la charge et, enfin, il permet de récupérer les matières volatiles dégagées pendant la calcination, dont la totalité ou la majeure partie pourra être utilisée pour d'autres applications. Ce nouveau four a pour caractéristique essentielle de comporter en combinaison un moyen de chauffage classique par passage de courant à travers la charge et un moyen de transfert de chaleur constitué par un gaz caloporteur, non réactif vis-à-vis de la charge, circulant à contre-courant. On a constaté que, grâce à la combinaison de ces deux moyens, il est possible à la fois de 1/ - récupérer une fraction importante de 1 'énergie contenue sous forme de cha leur dans les matières calcinées qui sont extraites du four, 2/ - améliorer la répartition de la température de la charge à l'intérieur du four, 3/ - préchauffer la charge dès son entrée dans la zone supérieure du four, 4/ - transférer à l'extérieur du four les matières volatiles qui se dégagent de la charge et les recueillir afin d'en utiliser la plus grande partie comme source d'énergie pour les utilisations les plus diverses. Suivant une caractéristique complémentaire de l'invention, on peut introduire dans la zone supérieure du four une quantité limitée de gaz comburant permettant de brûler une petite fraction des matières volatiles qui se dégagent de façon à élever la température de la charge contenue dans la zone supérieure du four à un niveau suffisant pour éviter la condensation d'une fraction des matières volatiles. Les figures ci-après illustrent de façon non limitative un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente, en élévation et en coupe, un nouveau four suivant l'invention. La figure 2 représente un dispositif d' introduction de comburant dans la zone supérieure du four. Le four électrique représenté figure 1 est constitué d'une virole cylindrique (1) en tôle d'acier pourvue d'un garnissage intérieur en réfractaire (2). La charge (3) est constituée de grains d'anthracite qui sont introduits à l'ex- trématé supérieure du four au moyen d'une tremie (4) pourvue d'un sas (5) fenré par deux clapets à ouverture et fermeture combinées (6) et (7). Au moyen de ce dispositif, on réalise les apports d'anthracite nécessaires pour maintenir le four pratiquement renpli sans pertes importantes de gaz par passage à travers le sas à contre courant. A la partie inférieure, une goulotte d'évacuation (8) est prolongée par un sas (9) fermé par deux clapets (10) et (11) à ouverture et fermeture combinées à intervalles déterminés pour régler l'écoulement de la charge à travers le four à vitesse suffisamnent faible pour atteindre le degré de calcination souhaité. Deux électrodes de graphite (12) et (13) sont reliées à des amenées de courant non représentées dont la tension est ajustée de façon à porter la charge à la température necessaire pour calciner convenablement l'anthracite, température qui est, suivant les utilisations, de l'ordre de 1200 à 1700 C. Un orifice (14) à la partie supérieure du four est relié par une canalisation (15) à un ventilateur (16) qui entraîne les gaz extraits du four et les fait passer à travers un condenseur (17) refroidi par exemple par circulation d'eau, dans lequel sont retenus les goudrons et les composés hydrocarbonés liquides à température ambiante.Les gaz non condensés passent ensuite à travers un laveur (18) où les particules solides et aussi certains composés acides ou autres sont retenus, puis dans un répartiteur (19) au moyen duquel la fraction de gaz excédentaire est prélevée et dirigée par la canalisation (20) vers d'autres utilisations tandis que le reste du gaz est conduit par la canalisation (21) à ltorifice (22) à la base de la goulotte d'Evacuation (8) juste au-dessus du clapet (10).De cette façon, les gaz ainsi réintroduits dans le four sont en majeure partie débarrassés des composés contenant de l'oxygène tels que vapeur d'eau et gaz carbonique qui auraient pu réoxyder en partie la charge. Lorsque le four est en régime de fonctionnement, les gaz froids qui pénètrent par cet orifice (22) rencontrent l'anthracite calciné porté à haute température qui Se dirige vers la goulotte d'évacuation. L'échange de chaleur qui s'effectue permet de refroidir l'anthracite avant sa sortie du four à une tempature pouvant descendre au-dessous de 200"C pour éviter sa combustion rapide et permet de porter à température élevée les gaz qui circulent à contre courant. Au fur et à mesure de leur montee dans le four, ces gaz qui, grâce à leur haute teneur en hydrogène, présentent une très grande diffusivité, favorisent une certaine homogé néisation de la température en augmentant les transferts de chaleur radiaux entre les zones au voisinage de l'axe et les zones périphériques. En une temps, ces gaz, lorsqu'ils atteignent la zone supérieure du four, provoquent un ré chauffement considérable de celle-ci en échangeant leur chaleur avec les grains d'anthracite qui viennent de pénétrer dans le four par le sas (5) et le clapet d'introduction (7). Au cours de leur traversée du four i contre courant de la charge, les gaz introduits se mélangent aux matières volatiles rsukaat de la calcination et leur quantité massique s'accroît.Si la tenperature de la charge, dans la zone supérieure du four, est suffisante, l'enset > le de ces gaz sort du four par l'orifice (14) et effectue ensuite le cycle opératoire de décrit. Le débit du courant gazeux qui parcourt le four est reglé en utilisant un ventilateur (16) de caractéristiques convenables pour que la pression à l'orifice d'entrée (22) atteigne une valeur suffisante. Cette pression depend essentiellement de la hauteur de la charge d'anthracite contenue dans le four et de sa granulométrie. On remarque que, en l'absence de fuite, c'est toujours la même quantité de gaz qui circule en circuit fermé. Il en résulte que les matières volatiles qui se dégagent de la charge sont, en régime permanent, intégralement récupérées à ltexterieur du four en partie dans le condenseur (17) et le laveur (18) et en partie à travers la canalisation (20). Ceci montre bien que les gaz qu'on fait circuler à travers la charge à contre courant jouent uniquement le rôle d'un caloporteur permettant de transférer des calories d'une region à une autre. La diminution de consommation d'énergie électrique constatée dans l'utilisation d'un tel four dépend d'assez nombreux facteurs tels que ses dimensions, son rapport hauteur-diamètre, les caractéristiques physiques et physicochimiques des anthracites ou éventuellement d'autres matières carbonées qui sont traités. Cette diminution de consommation dépasse en général 50 % et peut atteindre 80 % de la consommation d'un four électrique classique pour calcination d'anthracite. En meme temps, comme cela a été montré, la qualité des produits calcinés est améliorée, car plus homogène, et enfin, on récupère les matières volatiles résultant de la calcination. Dans certains cas qui dépendent de la géométrie des fours et de la nature des matières premières, on évite difficilement une certaine condensation des matières volatiles dans la partie haute haute du four dûe à une température de charge dans cette zone pas tout à fait assez élevée. Il est possible, alors, suivant une caractéristique complémentaire du nouveau four suivant l'invention, d'injecter dans la partie supérieure du four une quantité limitee d'un gaz comburant oxygène ou air qui permet de faire brûler une fraction des matières volatiles ; cette combustion provoque un réchauffage accru de la charge dans cette zone.En réglant convenablement l'apport de comburant, on porte la température de la charge à un niveau suffisant pour éviter la condensation d'une fraction des matières volatiles et permettre l'entraînement de cette frac tion à l'extérieur du four jusqutau condenseur. On voit figure 2, la partie supérieure d'un four du meme tarpe que celui de la figure 1 équipé d'un dispositif d'injection d'air. Un ventilateur (23) introduit de l'air dans une canalisation annulaire (24) entourant la partie su périeure du four qui est reliée par des tubulures radiales (25)-(26) à des orifices (273-(28) traversant la paroi du four. On dispose un nombre suffisant d'orifices tout autour du four pour réaliser à l'intérieur un mélange convenable entre comburant et gaz combustibles. L'injection doit être faite dans une zone suffisamment chaude pour provoquer une autoinflammation des gaz. Dans la pratique, cette zone se trouve dans la moitié supérieure du four à un niveau qui dépendra des conditions opératoires.On porte ainsi les gaz à une température suffisamment élevée pour qu'ils accroissent, de façon importante, la températu- re de la charge par contact au cours de leur trajet jusqu'à l'orifice (14) de sortie du four. Au-delà de cet orifice, les gaz sont traités de la façon habituelle puis recyclés en partie, toujours de la même façon. De nombreuses variantes de réalisation peuvent être apportées au nouveau four suivant l'invention. C'est ainsi que la disposition des électrodes de chauffage de la charge peut être modifiée. On peut envisager, en particulier, de remplacer l'une des électrodes ou les deux par un groupe d'électrodes de section plus faible disposées non pas axialement mais au voisinage de la périphérie en les répartissant en couronne pour éviter de créer des dssymétries dans le chauffage. On pourra ainsi faire appel éventuellement à des électrodes creuses à l'intérieur desquelles sera injecte le gaz caloporteur. Enfin, le même type de four peut être utilisé pour chauffer d'autres matières carbonées que l'anthracite telles que, par exemple, des charbons ou des lignites. REVENDICATIONS 10/ - Nouveau four électrique pour la calcination de matières carbonées dans lequel la charge qui circule à travers le four est chauffée par passage de courant, caractérisé en ce qu'il comporte une circulation de gaz non réactifs vis-à-vis de la charge à contre courant de celle-ci. 2 / - Nouveau four électrique suivant 1, caractérisé en ce que le gaz qui est extrait à la partie supérieure du four, passe dans un condenseur avant d'être recyclé au moins partiellement. 3 / - Nouveau four électrique suivant 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz qui sort du condenseur passe dans un laveur avant d'être recyclé au moins partiellement. 4 / - Nouveau four électrique suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la fraction de gaz excédentaire n'est pas recyclée, mais prélevée pour d'autres utilisations. 5 / - Nouveau four électrique suivant l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'injection de gaz comburant dans une zone située dans la moitié supérieure.