Brevet FR2461741A1 — publié le 19810206

L'invention concerne un procédé d'extinction d'une matière en vrac chauffée, en particulier de coke, au moyen d'un liquide s'écoulant de haut en bas, à travers la matière, celle-ci étant protégée de l'air extérieur, la vapeur formée par le liquide d'extinction étant évacuée vers le bas, à courant direct du liquide d'extinction, de sorte que le liquide d'extinction et la vapeur qu'il forme s'écoulent de haut en bas, à travers la matière en vrac, jusqu'à ce que la vapeur ait une température déterminée, la quantité de liquide d'extinction distribuée au- dessus de la matière en vrac étant dosée, à cet effet, de façon telle qu'elle participe complètement au processus d'ex- tinction et se vaporise complètement dans le coke, à l'exception d'une humi- dité résiduelle déterminée. L'invention concerne aussi un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. Un procédé de ce genre et un appareil pour sa mise en oeuvre sont connus par le brevet DE 2 320 057, la hauteur de la matière en vrac étant maintenue constante au dessus d'une surface de base pratiquement hori- zontale et le bac de fond pouvant être déplacé hydrauliquement pour vider le récipient. Ce procédé connu et son appareil de mise en oeuvre ont donné de bons résultats dans la pratique. Toutefois, on a pu constater que le ré- sultat de l'extinction est influencé défavorablement lorsque les irrégulari- tés de la hauteur de la matière en vrac n'ont pas été compensées ou pas de façon suffisamment poussée. En effet, le liquide d'extinction distribué uni- formément sur la matière en vrac et la vapeur qu'il forme traversent de pré- férence la matière en vrac dans les zones o son épaisseur est la plus petite. Ainsi, dans les zones o la résistance à l'écoulement est la plus faible, la matière est éteinte plus rapidement que dans d'autres zones présentant une plus grande résistance à l'écoulement. Selon la durée d'action du liquide d'extinction, des différences de hauteur de la matière en vrac ont donc pour effet, ou bien que des zones déterminées de la matière ne sont pas éteintes, ou pas suffisamment, ou bien que d'autres zones présentent, après la fin du processus d'extinction, une trop grande teneur en eau. Si, d'une part, une extinction insuffisante de la matière en vrac est inacceptable, par exemple dans le cas du coke, ne serait-ce que pour des raisons de sécurité, l'appli- cation d'une trop grande quantité de liquide d'extinction conduit, d'autre part, à un excès de liquide qu'il faut évacuer et pour lequel il faut un ré- servoir à eau avec des dispositifs de décantation, ainsi qu'un système de pompe et de tuyauterie. L'invention a pour but de proposer un procédé d'extinction d' une matière en vrac chauffée, par lequel il reste tout de même, dans la mati- ère en vrac, qui a des hauteurs d'entassement variables, une teneur en humi- 24617 4 1 dité aussi petite que possible ainsi qu'uniformément distribuée, de façon que non seulement on obtienne une matière uniforme et relativement sèche, mais, qu'en outre, on puisse se passer de tous les dispositifs servant à évacuer, à conserver et à retraiter le liquide d'extinction en excès. Ainsi, l'inventi- on a pour but d'arriver à une matière en vrac aussi sèche que possible et bi- en éteinte, de façon uniforme, même lorsqu'elle est soumise à l'extinction sous une hauteur variable, car, pour des raisons tenant compte de la concep- tion des appareils, il est impossible de compenser une différence de hauteur sans nécessiter des moyens supplémentaires appréciables. En particulier, c' est toujours le cas lorsque, pour simplifier le processus de vidage, le fond d'un récipient d'extinction a une inclinaison conforme à l'angle de talus na- turel de la matière en vrac. Pour résoudre ce problème, l'invention propose un procédé re- marquable par le fait qu'une résistance à l'écoulement différente sur la sur- face de base de la matière en vrac, résultant d'une hauteur différente de la matière qui s'établit lorsque la surface de base est inclinée par rapport à l'horizontale, suivant l'angle de talus naturel de la matière, est compensée par une résistance à l'évacuation inversement proportionnelle à la hauteur de matière présente, de telle sorte que la résistance à l'écoulement par unité de surface soit à peu près constante sur toutes les zones de la surface de base et que, sur cette surface de base de la matière, il s'effectue une dis- tribution de liquide d'extinction en quantité proportionnelle à-la hauteur de matière présente. Par le procédé selon l'invention, on adapte à la hauteur de ma- tière en vrac existante, dans chaque zone au dessus de la surface de base de l'entassement, deux facteurs qui sont la résistance à l'écoulement et la quan- tité de liquide. Si, au lieu de cela, on adaptait seulement la quantité de liquide d'extinction à la hauteur de matière, sur les zones de la surface de base, et si l'on ne veillait pas à uniformiser aussi la résistance à l'écoule- ment par unité de surface, il se produirait une extinction non uniforme de la matière en vrac, car la vapeur emprunte toujours le parcours de moindre résis- tance, si bien que, dès le début du processus d'extinction, il se produit, dans la matière en vrac, des conditions d'écoulement différentes, par suite desquelles elle est éteinte plus rapidement dans les zones o elle a une moin- dre hauteur. De plus, il se produit simultanément, dans ces zones, une diminu- tion de la résistance à l'écoulement, et l'eau d'extinction appliquée ensuite s'écoule de manière accrue à travers ces zones déjà éteintes. Toutefois, dans ces zones o la matière en vrac est déjà éteinte, le liquide d'extinction ne peut plus s'évaporer et il s'évacue sous la matière, sous forme d'eau en excès. C'est seulement par la combinaison des mesures prévues par l'invention, consis- 24 6 174 1 tant à uniformiser la résistance à l'écoulement et à amener le liquide d'ex- tinction de façon proportionnelle aux hauteurs de matière, que l'on obtient une matière relativement sèche et uniformément éteinte, ce qui est déterminant quant à la qualité, en particulier dans la fabrication de coke. Pour la mise en oeuvre du procédé, on peut utiliser un appareil constitué d'un récipient réfractaire à fond perméable, contenant la matière en vrac chaude et remarquable par le fait que son fond est incliné par rapport à l'horizontale, conformément à l'angle de talus naturel de la matière en vrac, et comporte des perforations, les sections libres de perforations étant calcu- lées et différentes entre elles, de manière que le rapport entre la hauteur de matière en vrac en chaque point et la section de la perforation correspondante située en dessous soit à peu près constant. Avec l'appareil selon l'invention, on peut optimiser l'entasse- ment oblique, déjà pratiqué antérieurement pour l'extinction du coke, et cal- culer la quantité de liquide d'extinction distribuée de façon dosée sur la ma- tière, de façon telle qu'il n'y ait plus de liquide d'extinction en excès, et que l'on puisse, par conséquent, se passer d'un tuyau d'évacuation pour celui- ci. En particulier, l'appareil selon l'invention permet de supprimer les dis- positifs d'évacuation spéciaux qui étaient nécessaires pour vider un récipient à fond horizontal. Selon un mode d'exécution particulièrement avantageux de l'ap- pareil selon l'invention, le récipient repose sur une partie supérieure incli- née d'un caisson formant le fond perméable qui est constitué de poutres de grille disposées suivant un plan incliné, et de barreaux de grille et plateaux d'espacement placés dessus, ce récipient pouvant être fermé, au moins d'un côté, par un volet monté de façon pivotante. Le récipient, qui contient la matière en vrac chaude, est cons- titué de matière réfractaire et son fond perméable présente, par exemple, une inclinaison d'environ 270 par rapport à l'horizontale. Les perforations du fond peuvent être réglées à une largeur variable à l'aide des barreaux de gril- le et des plateaux d'espacement. Le couvercle, qui ferme hermétiquement le ré- cipient, communique avec une tuyauterie, qui comporte des ouvertures de sortie dirigées vers l'intérieur du récipient et qui sert à appliquer de l'eau d'ex- tinction à la matière en vrac. Enfin, un mode d'exécution de l'invention est encore remarqua- ble par le fait qu'au récipient est adjoint un dispositif de levage qui permet de déplacer à volonté le récipient, avec fermeture étanche à la pression, sui- vant une course définie, vers un couvercle muni de dispositifs à eau d'extinc- tion, ou vers un collecteur de poussière équipé de dispositifs d'aspiration. L'appareil selon l'invention permet, selon la quantité de ma- 246174 1 tière en vrac à contenir, un positionnement en un point lors de l'alimenta- tion. Ainsi, en particulier, on peut réaliser l'installation d'un système de transfert étanche, par exemple entre une chambre de four à coke et un réci- pient collecteur de coke. Ainsi, par des moyens relativement simples, on peut obtenir une protection sûre de l'environnement en supprimant complète- ment les émissions de poussières lorsque le coke est expulsé d'une chambre de four à coke. Avant chaque processus d'extinction, on peut, à l'aide du dispositif de levage selon l'invention, déplacer le récipient sous une pres- sion et suivant une course définies vers le couvercle installé de façon fixe et équipé de dispositifs d'amenée d'eau d'extinction. Lorsqu'on soulève le récipient au lieu d'abaisser le couvercle, en particulier dans les installa- tions anciennes de four à coke, o l'on doit soulever le récipient collec- teur de coke au niveau de la rampe pour le vider de sorte qu'un dispositif de levage, par exemple hydraulique, est nécessaire, l'avantage obtenu est qu'au moyen du dispositif de levage selon l'invention, on peut déplacer le récipient avec une course et une pression limitées en-direction du couver- cle et, qu'ainsi, pour deux étapes différentes du procédé, il ne faut qu'un seul dispositif technique. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront de la description suivante d'un mode d'exécution d'appareil, donné à titre d'exem- ple non limitatif, pour la mise en oeuvre du procédé d'extinction de coke selon l'invention-, représenté schématiquement dans les dessins ci-joints, sur lesquels: - la figure 1 montre, en coupe verticale, un récipient collecteur de coke; - la figure 2 est une vue en plan du récipient collecteur de coke de la figure 1; - la figure 3 représente un récipient collecteur de coke, roulant, situé à un poste d'extinction, - la figure 4 montre le récipient collecteur de coke selon la figure 3, situé à un poste d'alimentation. Un récipient 1, approximativement cubique, comporte un fond perméable 2, incliné d'environ 270 par rapport à l'horizontale. Un bac à feu 3, placé en dessous et des canaux d'échappement de vapeur 4, raccordés des deux côtés latéraux, font en sorte que la vapeur formée par le liquide d'ex- tinction soit canalisée et puisse être évacuée sans air. Dans le récipient 1 se trouve un entassement de coke 5, ayant une température supérieure à 10000C. Pour vider le récipient 1, un volet 24 pouvant pivoter par des moyens hydrauliques est prévu du côté tourné vers une rampe de déversement du coke. 2 4 6 17 4 1 Comme le montre la figure 3, le récipient 1 est fermé de façon étanche par un couvercle 6. Ce couvercle 6 est raccordé à une tuyauterie 7 et comporte des ouvertures de sortie uniformément distribuées sur sa surface et dirigées vers l'intérieur du récipient collecteur de coke 1. Le couvercle 6 est creux et est pourvu, sur son côté tourné vers l'intérieur du récipient, de buses à liquide d'extinction. Grâce à cette structure, il est assuré qu' après la fin du processus d'extinction, la cavité du couvercle contienne en- core du liquide d'extinction qui empêche une élévation excessive de la tempé- rature du couvercle. Le fond 2 du récipient, incliné d'environ 270, est formé de poutres de grille 9 sur lesquelles sont posés des barreaux de grille 10. Afin que les perforations du fond 2 du récipient puissent être réglées différemment selon la hauteur de la matière en vrac, des plateaux d'espacement interchan- geables 11 sont prévus. Pour régler les sections des perforations du fond 2 du récipient, en fonction de la hauteur de matière en vrac située au dessus, on peut utiliser une relation mathématique et physique simple: La perte de charge totale qui se produit lors du processus d' extinction correspond i la somme de la perte de charge provenant de l'entas- sement de coke 5 et de la perte de charge sur le fond 2 du récipient. APtotal = APentassement + LPfond Selon l'invention, afin qu'il se produise une extinction uniforme de la matiè- re en vrac chaude 5, il faut que la perte de-charge totale soit maintenue par- tout constante. APtotal const. Etant donné que, selon l'invention, il s'agit de compenser les effets des différentes hauteurs de matière en vrac, il faut harmoniser localement la per- te de charge au fond 2 du récipient avec la perte de charge dans l'entasse- ment 5, différente d'un point à un autre. En première approximation, on part de ce principe que la per- te de charge dans l'entassement 5 est linéairement proportionnelle à la hau- teur d'entassement. Apentassement = prop. f(Mhentassement) D'après la géométrie du récipient collecteur de coke 1 selon l'invention, on peut donc établir la relation suivante: Apentassement prop. f(àhentassement) = prop. f(H - te - ta) ou = prop. f(H - te - Ab. tga) si l'on appelle H: la hauteur du récipient, e: la distance entre la surface de l'entassement et le bord supéri- 6 2 4 61 741 eur du récipient, a: la perpendiculaire opposée à l'angle d'inclinaison du fond du réci- pient, b: le côté adjacent à l'angle d'inclinaison du fond du récipient et a: l'angle d'inclinaison du fond du récipient. Pour la perte de charge au fond 2 du récipient, on peut établir la relation suivante: AP ill=C W2. p Agrille.2. dans laquelle: C est l'indice de résistance dépendant du rapport d'ouverture w est la vitesse de sortie de la vapeur p est la masse volumique de la vapeur et g est l'accélération due à la gravité. Etant donné que la vitesse w de la vapeur est le quotient du débit volumétrique V par la section A de la grille et qu'en outre l'indice de résistance , la masse volumique de la vapeur par unité de temps p et l'accé- lération due à la gravité g sont constants, on obtient APfd = f(Aw)2 = f(f'V) A Etant donné que le débit volumétrique par unité de temps est constant aussi, on obtient, pour la perte de charge au fond 2 du récipient, la relation sui- vante APfond =f(fAA) Ainsi, la perte de charge totale constante désirée (APtotal) est fonction de la hauteur d'entassement (Ah) et de la section d'ouverture au fond du réci- pient (AA) APtotal =f(àh, àA) A l'aide d'un exemple numérique, on peut obtenir, pour la con- ception des perforations différentes du fond du récipient, ce qui suit: Dans une cokerie, on fabrique, par four, 12 t de coke ayant une masse vo- lumique apparente de 0,45 t/m3 de sorte que le récipient collecteur de coke i doit avoir un volume utile d'environ 27 m3. D'après cela, les dimensions du récipient 1 sont 3,3 m x 3,3 m x 3,3 m et il présente un fond perméable 2 incliné à 270. Les différentes hauteurs d'entassement au dessus du fond 2 du récipient sont de 1,2 à 2,4 m. Des mesures représentatives ont montré que sur un entassement de coke de 3 m x 3 m x 3 m, ayant une température de 1100 OC, il s'établit une tension de vapeur d'environ 0,45 bar avec une amenée d'eau d'environ 50 dm3/s. Au passage de la vapeur formée par le liquide d'extinction, il s'éta- 246 1 74 1 blit une perte de charge de 0,24 bar, c'est-à-dire, par mètre de hauteur d' entassement, une perte de charge de 0,08 bar. En outre, on a pu constater que, dans ces conditions, la tension de vapeur, au passage par une grille ayant un rapport total d'ouverture d'environ 15 %, diminue d'environ 0,1 bar. Pour l'exemple choisi, la perte de charge totale doit être de 0,3 bar. Cela signifie, d'après la relation suivante LPtotal APentassement + APfond Aptotal = prop. f(H - Le - [(Ab. tga), (Aw)] APtotal = prop. f(Lh, SA). Ainsi, pour les deux hauteurs d'entassement extrêmes de 1,2 m et 2,4 m, on obtient une perte de charge de 0,096 bar et 0,192 bar respecti- vement. Si la perte de charge totale désirée est de 0,3 bar, il faut que la résistance au fond du récipient soit respectivement de 0,204 et de 0, 108 bar. En vertu des relations quadratiques entre la perte de charge au fond du récipient et la section d'ouverture, il faut que le rapport d'ouverture soit respectivement de 4 % et de 15 %. Les irrégularités qui subsistent encore dans l'effet d'extinction, et qui sont causées par des différences de hau- teur se reproduisant statistiquement et des processus de démixtion dans la composition granulométrique lors du remplissage du récipient, doivent être compensées par un réglage précis des sections de passage sur la surface de la grille. Toutes les autres hauteurs se situant entre ces hauteurs extrêmes d'entassement peuvent être déterminées de façon simple par l'in- termédiaire de la tangente de l'angle d'inclinaison du fond du récipient, et le rapport d'ouverture des perforations du fond du récipient peut être prévu en conséquence. Comme on l'a déjà dit, pour transposer le rapport d' ouverture déterminé dans chaque cas à la disposition des barreaux de gril- le 10 sur le fond 2 du récipient, on peut placer des plateaux d'espacement 11 entre les différents barreaux 10, et régler ainsi les largeurs d'espa- cement nécessaires entre ces barreaux 10. Comme le montre la figure 3, le récipient collecteur de coke est disposé sur un chargeur surbaissé roulant 12. Sous le récipient collecteur de coke 1 se trouve le bac libre 3 et, à la suite de celui-ci, les deux canaux d'échappement de vapeur 4 servant à évacuer la vapeur for- mée par le liquide d'extinction. Pour déplacer le récipient collecteur de coke 1, le chargeur surbaissé 12 est monté sur des boggies de propulsion 13. Pour le levage du récipient 1, des vérins hydrauliques s'appliquent à ses deux côtés. Dans un poste de commande central 15 sont logés les dispo- sitifs de commande électrique et hydraulique. Les différents processus 246 174 1 sont amorcés et surveillés depuis une cabine 16. En outre, sur le chargeur surbaissé 12 sont disposés des grou- pes d'aspiration et de dépoussiérage servant à éliminer l'émission de pous- sières de coke qui se produit lors de l'expulsion du coke. L'amenée d'eau au couvercle d'extinction 6, monté de façon étanche sur le récipient collecteur de coke 1, s'effectue par une tuyauterie flexible 19. Pour l'extinction de la matière en vrac chauffée 5 on peut, ou bien abaisser le couvercle 6 au moyen d'un dispositif de levage 20, ou bien amener le récipient 1 contre le couvercle 6 installé de façon fixe. Lorsque l'on abaisse le couvercle 6, des ancrages actionnés.hydrauliquement 21 sont prévus pour l'adapter de fa- çon étanche au récipient 1. Toutefois, si l'on déplace le récipient vers le couvercle 6, installé de façon fixe, une limitation de force est prévue dans le système mécanique ou hydraulique d'actionnement. Comme le montre la figure 4, le récipient 1 est de dimensions telles que sa section d'ouverture peut être raccordée avec ajustement à un dispositif collecteur de poussière étanche 22 pendant le processus d'expul- sion du coke, pour éliminer les émissions de poussière de coke. En outre, la forme approximativement cubique du récipient collecteur de coke 1 permet de le remplir en le mettant en position en un seul point. Les émissions de poussière de coke à éliminer sont aspirées par un système de tuyauterie 23. Le procédé selon l'invention se pratique, avec les appareils représentés par les figures 3 et 4, de la façon suivante: Une fois que le récipient collecteur de coke est appliqué, de façon étanche, contre le dispositif d'arrêt de poussière 22, lui-même raccordé à un chariot guide-coke, le coke est refoulé dans le récipient collecteur 1. Pendant l'expulsion du coke, les émissions de poussière sont aspirées à travers le système de tuyauterie par le dispositif d'aspiration 17 et épurées dans le dépoussiéreur 18. Après la fin dece processus, on amène le chargeur surbaissé 12 au couvercle d'extinction 6 que l'on abais- se ensuite sur le récipient collecteur de coke 1. Les ancrages de fermetu- re 21 assurent une fermeture étanche entre le couvercle 6 et le récipient 1. Aussitôt que l'arrivée d'eau est établie, il se dégage, dans les couches supérieures de la matière en vrac chaude 5, selon le mécanisme du phénomène de Leidenfrost, de la vapeur qui doit, obligatoirement, se frayer un chemin vers le bas, à travers l'entassement 5. Ainsi, il s'éta- blit un équilibre approximatif entre la dégradation de chaleur causée par la vaporisation de l'eau dans les couches supérieures et l'emprunt de chaleur dans la profondeur de l'entassement 5, par surchauffage de la vapeur et par vaporisation secondaire des gouttes résiduelles dûes au phénomène de Lei- 246 1 74 1 denfrost. Par suite de l'amenée d'eau réglée selon l'invention en fonc- tion des hauteurs différentes de la matière en vrac, et par suite des perfo-o rations du fond 2 du récipient, les zones de vaporisation d'eau se distribu- ent de façon décroissante et celles de surchauffage de vapeur de façon crois- sante de haut en bas sur la hauteur de l'entassement, de sorte qu'à celui-ci est soustraite en tous points, au même moment, la même quantité de chaleur. Afin d'obtenir une teneur résiduelle désirée en eau dans le coke, on utilise le gradient de la température d'évaporation pour mettre fin au processus d'extinction. En mettant fin, de façon commandée, au processus d'extinction à une température de vapeur de 400 OC, on peut obtenir une moin- dre teneur résiduelle en eau du coke qu'avec une température de mise hors d' action de 2000C par exemple. -De façon absolue, par le procédé selon l'invention, on peut obtenir dans le coke des teneurs résiduelles moyennes en eau de 1 % au maxi- mum. A la suite du processus d'extinction, on fait arriver le chargeur surbaissé 12 à la rampe de déversement du coke o l'on vide le ré- cipient d'extinction 1. A cet effet, on ouvre le volet 24. Lors du proces- sus de vidage, le fond incliné 2 du récipient a des effets particulièrement utiles parce que l'on peut vider le récipient 1 sans le faire basculer et sans que des dispositifs de vidage supplémentaires soient nécessaires. Dans les cokeries modernes, on placera le bord supérieur de la rampe de déverse- ment de coke au même niveau que la voie des chariots d'extinction, si bien qu'il ne sera pas nécessaire de soulever le récipient 1 pour le vider. 24 6174 1 R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Procédé d'extinction d'une matière en vrac chauffée, en particu- lier de coke, au moyen d'un liquide s'écoulant de haut en bas à travers la matière, celle ci étant protégée de l'air extérieur, la vapeur formée par le liquide d'extinction étant évacuée vers le bas, à courant direct du liquide d'extinction, de sorte que le liquide d'extinction et la vapeur qu'il forme s'écoulent de haut en bas à travers la matière en vrac jusqu'à ce que la vapeur ait une température déterminée, la quantité de liquide d' extinction distribuée au dessus de la matière en vrac étant dosée, à cet effet, de façon telle qu'elle participe complètement au processus d'extinc- tion et se vaporise complètement dans le coke, à l'exception d'une humidi- té résiduelle déterminée, procédé caractérisé par le fait qu'une résistan- ce à l'écoulement différente sur la surface de base de la matière en vrac, résultant d'une hauteur différente de la matière qui s'établit lorsque la surface de base est inclinée par rapport à l'horizontale suivant l'angle de talus naturel de la matière est compensée par une résistance à l'éva- cuation inversement proportionnelle à la hauteur de matière présente, de telle sorte que la résistance à l'écoulement par unité de surface soit à peu près constante sur toutes les zones de la surface de base et que, sur cette surface de base de la matière, il s'effectue une distribution de liquide d'extinction en quantité proportionnelle à la hauteur de matière présente. 2.- Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendica- tion 1, constitué d'un récipient réfractaire à fond perméable, contenant la matière en vrac chaude, caractérisé par le fait que le fond du réci- pient est incliné par rapport à l'horizontale, conformément à l'angle de talus naturel de la matière en vrac, et comporte des perforations, les sections libres de perforations étant calculées et différentes entre el- les de manière que le rapport entre la hauteur de matière en vrac en cha- que point et la section de la perforation correspondante située en des- sous soit à peu près constant. 3.- Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le récipient repose sur une partie supérieure inclinée d'un caisson for- mant le fond perméable qui est constitué de poutres de grille disposées suivant un plan incliné et de barreaux de grille et plateaux d'espacement placés dessus, ce récipient pouvant être fermé au moins d'un côté par un volet monté de façon pivotante. 4.- Appareil selon l'une ou l'autre des revendications 2 ou 3, ca- ractérisé par le fait qu'au récipient est adjoint un dispositif de leva- ge qui permet de déplacer à volonté le récipient avec fermeture étanche il 2461741 à la pression, suivant une course définie, vers un couvercle muni de dispo- sitifs à eau d'extinction ou vers un collecteur de poussière équipé de dis- positifs d'aspiration.