Brevet FR2529220A1 — publié le 19831230

-1 2529220 L'invention concerne un procédé de fabrication de coke moulé dans un four à cuve et le four à cuve correspondant. On connaît un procédé de fabrication de coke moulé dans un four à cuve o des boulets de charbon sont introduits dans le four à cuve, à sa partie supérieure, pour constituer un lit circulant de haut en bas à travers le four sur toute sa hauteur. Pendant leur circulation à l'intérieur du four, ces boulets de charbon sont en contact avec des gaz chauds traversant le four de bas en haut. La partie supérieure du four constitue un échangeur équilibré dans lequel le lit de matières solides est séché et chauffé jusqu'à une certaine température et les gaz en circulation refroidis avant leur sortie à la partie supérieure du four. La partie médiane du four constitue la zone de cokéfaction dans laquelle on apporte de la chaleur au lit de matières solides en circulation, par exemple grâce à des brûleurs. Cet apport de chaleur peut être effectué par combustion d'une partie des gaz en circulation dans le four à cuve, grâce à de l'air comburant introduit au niveau de la zone médiane. Dans ce cas, on recycle après dégoudronnage et dépoussiéraq une partie au moins des gaz s'échappant au gueulard du four à cuve, en réinjectant ces gaz à l'extrémité inférieure de sortie des produits solides, à la base du four à cuve. La partie inférieure du four à cuve, en dessous de la zone médiane, constitue un second échangeur thermique équilibré o les matières solides cokéfiées dans la zone médiane sont refroidies par les gaz injectés à la partie inférieure du four à cuve Les gaz sont donc à haute température lorsqu'ils parviennent dans la zone médiane de chauffage et de cokéfaction. -2 Z 529220 Les boulets de charbon libèrent en particulier au moment de leur cokéfaction des gaz combustibles provenant des matières volatiles du charbon. Ces gaz ont une grande valeur industrielle, puisqu'ils peuvent être récupérés, traités et réutilisés soit dans le four à cuve lui-même, soit pour d'autres usages. Cependant, l'injection d'air comburant pour provoquer la combustion d'une partie des gaz en circulation dans le four à cuve est la cause de la présence dans les gaz récupérés au gueulard du four d'une proportion importante d'azote qui diminue le pouvoir calorifique du gaz Il faut également traiter de plus grandes quantités de gaz, ce qui entraîne un coût plus important de ce gaz récupéré C'est ainsi que, pour chaque tonne de coke produite, on se trouve en présence d'un excédent de gaz dûl aux matières volatiles du charbon et à l'air injecté, d'environ 680 m 3 à 800 m 3 suivant la nature des charbons traités. D'autre part, la maîtrise du procédé, en ce qui concerne le réglage thermique, est relativement difficile à obtenir. Il faut en effet régler la température dans la zone de cokéfaction de façon relativement précise et éviter que l'air introduit pour la combustion du gaz et l'apport thermique dans la zone médiane du four n'oxyde une partie du carbone des boulets, ce qui se ferait au détriment du rendement et de l'efficacité de l'opération de cokéfaction. On a donc proposé pour la production simultanée de coke et de gaz combustible d'effectuer l'apport de chaleur dans le four à cuve grâce à des électrodes traversant les parois du four et venanl en contact avec le lit de matières solides en circulation Un courant électrique de forte intensité peut ainsi traverser le lit de matièrel solides et produire un dégagement de chaleur par effet Joule. Un tel procédé est décrit par exemple dans le brevet français 917 058 o une zone de chauffage électrique est ménagée darn le four, en dessous de la zone de cokéfaction Le coke produit est ainsi porté à très haute température par chauffage électrique et les gaz venant de la base du four qui traversent cette zone s'échauffent fortement au contact du coke à très haute température et sont capables de provoquer la cokéfaction du charbon dans la zone du four située au-dessus de la zone de chauffage électrique. Ce procédé a l'inconvénient de nécessiter une surchauffe du coke jusqu'à une température voisine de 1 400 . A titre de comparaison, la température du coke dans les fours à coke classiques ne dépasse pas 1 2000. On a également proposé d'utiliser des fours à chauffage électrique, avec circulation de gaz à contre-courant des matières solides, pour la calcination du charbon ou d'autres matières carbonéE et en particulier pour la fabrication d'électrodes ou d'autres pièce. en graphite. De tels procédés demandent cependant des températures très supérieures aux températures nécessaires pour la cokéfaction. On connaît également des procédés de traitement du coke, par exemple pour sa désulfuration, qui utilisent à la fois un chauffage électrique et le passage de gaz dans la masse de coke portée à haute température. -4 2529220 Cependant, de tels procédés sont conduits de façon très différente d'un procédé de cokéfaction et ne visent qu'au traitement du coke lui-même, or, il n'y a pas intérêt à porter le coke à des températures pouvant dépasser 1 4000 car la qualité métallurgique du coke s'en ressent et sa réactivité entre autre diminue. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de fabrication de coke moulé dans un four à cuve à la partie supérieure duquel on introduit des boulets de charbon à cokéfier qui constituent un lit circulant dans le four à contre-courant de gaz traversant le four de bas en haut, dont une partie est constituée par des gaz récupérés à la partie supérieure du four et recyclés à sa partie inférieure et dont une autre partie est constituée par les gaz libérés par le charbon au cours de son chauffage et de sa cokéfaction, un apport'de chaleur, par passage de courants électriques dans le lit de matières solides, étant effectué dans la zone médiane du four, ce procédé devant permettre une consommation réduite d'énergie électrique, donnant un coke ayant une bonne qualité pour les hauts-fourneaux et produisant un gaz de pouvoir calorifique élevé permettant une bonne valorisation industrielle. De plus, le procédé garantit une bonne protection de l'environnement car le four est étanche, contrairement aux cokeries classiques Enfin, il possède une souplesse d'exploitation qui permet de moduler la consommation de courant électrique en permettant de délester le réseau aux heures de pointe. Dans ce but, le procédé est caractérisé par le fait que la température du lit de matières solides à l'entrée de la zone médiane de chauffage électrique est comprise entre 600 et 850 , les boulets de charbon recueillant la chaleur des gaz dans la partie supérieure du four, que l'on maintienne une mise en température optimale des matières solides (loi de chauffe) et que la température du lit de matières solides augmente jusqu'à atteindre une valeur comprise entre 950 et 1 1500 C dans la zone médiane de chauffage électrique o a lieu la cokéfaction, le courant électrique traversant le lit de matières solides suivant des directions qui tendent à se rapprocher de l'horizontale La loi de chauffe des produits résulte des échanges thermiques entre gaz et solides dans le cas o il * n'existe qu'un seul plan horizontal d'électrodes Par contre, on peut modifier si nécessaire cette loi de chauffe en établissant plusieurs plans horizontaux d'électrodes, et que le coke formé est refroidi par les gaz recyclés jusqu'à une température inférieure à 150 avant sa sortie à la base du four. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un exemple de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention dans le cas d'un four à cuve muni d'un double jeu dd'électrodes. La figure 1 représente schématiquement un four à cuve suivant l'invention dans une vue en coupe par un plan vertical. La figure 2 représente une section du four suivant AA de la figure 1. La figure 3 représente la partie inférieure des électrodes du premier ensemble représenté à la figure 1, dans une vue à plus grande échelle. Sur la figure 1, on voit le four à cuve 1 comportant une double paroi isolante 2 et dont la partie supérieure constitue un gueulard 3 d'enfournement des boulets de charbon à cokéfier. -6 2529220 Ce gueulard est d'un type voisin de celui des gueulards de haut-fourneau et permet grâce à un dispositif 4 la récupération des gaz à la partie supérieure du four à cuve Le gueulard est totalement étanche et permet d'éviter les rentrées d'air atmosphérique. A la partie inférieure du four à cuve des dispositifs à trémies et évacuateurs rotatifs 5 permettent une sortie régulière du coke parvenant à la partie inférieure du four. Un lit circulant de matières solides se déplace en continu dans le four La-surface supérieure 6 de ce lit de matières solides se maintient à un niveau sensiblement constant par-introduction de boulets de charbon grâce au gueulard 3 à un débit identique au débit de sortie du coke. Un premier jeu d'électrodes 7 est introduit dans le four par sa partie supérieure Ces électrodes peuvent être réglées en hauteur, si bien que le niveau du plan AA dans lequel circulent des courants électriques de direction horizontale entre les électrodes peut être réglé par déplacement vertical de l'ensemble des électrodes supérieures. Ainsi qu'il est visible sur les figures 2 et 3, ces électrodes comportent une partie conductrice 10 constituée par une plaque de graphite sertie dans une pièce en acier réfractaire 11. Les pièces 11 en acier réfractaire sont reliées à des tubes supports 12 également en acier réfractaire constituant des conducteurs servant à l'amenée du courant à l'extrémité des électrodes 10 De l'air de refroidissement circule éventuellement à l'intérieur de ces tubes et vient refroidir, à leur partie inférieure, la pièce 11 de fixation de l'électrode en graphite 10. Des blocs de matière réfractaire 14 permettent d'isoler lei tubes de suspension et d'amenée du courant 12 du lit de matières solides et des gaz à haute température circulant dans le four. Les électrodes 10 plongent dans le lit de matières solides à une profondeur d'à peu près 1 mètre 50 sous la surface du niveau 65 Cette profondeur d'introduction des électrodes peut être réglable. Sur la figure 2, on voit la section rectangulaire du four dans laquelle sont disposées six électrodes 10 permettant une circulation du courant entre les électrodes dans des directions horizontales Le courant électrique passe d'une électrode à une autre suivant un trajet horizontal en traversant le lit de matières solides présentant au niveau de la zone de chauffage électrique une certaine conductibilité. Un second jeu d'électrodes 8 est disposé à un niveau inférieur au niveau du plan A, ces électrodes étant fixées dans la double paroi 1, 2 du four Ces électrodes sont constituées par des blocs de graphite logés dans le réfractaire situé entre les deux parois 1 et 2 du four et légèrement saillants dans l'espace intérieu: du four Ces électrodes dépassent de la paroi interne 1 du four de quelques centimètres. La surface intérieure en contact avec le lit de matières solides de ces électrodes est rendue légèrement conique. A l'extérieur du four un circuit de récupération et de traitement du gaz est raccordé d'une part au récupérateur de gaz 4 à la partie supérieure du four et d'autre part à la partie inférieure du four par une conduite d'injection 18. Sur ce circuit de gaz sont disposées une unité de lavage du gaz 16 o le gaz est dépoussiéré et dégoudronné ainsi qu'une pompt de circulation et d'injection 17. -8 2529220 Une vanne 20 permet de régler l'injection de gaz à la base du four et de diriger une partie de ce gaz vers un réservoir de stockage ou un circuit d'utilisation. Nous allons maintenant décrire le fonctionnement du four pour la production de coke moulé et de gaz à pouvoir calorifique élevé. En pratique, dans les conditions d'exploitation du four, la température des boulets à la sortie de l'échangeur supérieur du four à cuve doit être supérieure à 700 , pour que le passage du courant se produise de façon convenable. La température des boulets à la sortie de cette zone ne doit pas être trop élevée pour que le rendement thermique de l'opération soit bon En pratique, cette température ne doit pas dépasser 850 . A l'entrée dans la zone médiane de chauffage électrique du four comprise entre le plan A des électrodes 10 et le plan des électrodes 8, le lit de matières solides a une température très homogène, d'une part à cause du mouvement de la charge de matières solides traversant la zone des électrodes et soumis au chauffage par effet Joule des courants qui la traverse résultant des multiples contacts établis par le petit coke qui l'accompagne et qui change constamment de position, et d'autre part à cause de la circulation des gaz dans cette zone. Dans le cas d'un four à cuve ayant une section carrée dont le côté mesure 3 mètres 50, et dont la production de coke est d'environ 350 tonnes par jour, on utilise des électrodes disposées comme représenté sur la figure 2 c'est-à-dire distantes d'à peu près 3 mètres 50. Ces électrodes sont alimentées sous une tension de préférence continue et régulée pour une puissance maintenue constante et dégagent une puissance totale de 1 500 k W par exemple Cette puissance est répartie entre les 2 niveaux d'électrodes de manière à obtenir la loi de chauffe désirée Dans de nombreux cas, un seul niveau d'électrodes fixes suffit à assurer cette ioi de chauffe. Cette puissance thermique d'origine électrique permet de faire passer la température des matières solides de 800 à 1 000 dans la zone de chauffage électrique. La cokéfaction complète du charbon se produit dans cette zone, le coke à 1 0000 pénètrant dans l'échangeur inférieur par la partie supérieure de celui-ci Les gaz en circulation dans le four s'échauffent au contact du coke et du charbon en cours de cokéfaction dans la zone de chauffage électrique et leur débit s'accroit par volatilisation d'une partie des produits contenus dans les boulets de charbon. Ces boulets de charbon sont constitués par un mélange de charbon maigre ou flambant sec associé à des charbons gras ou flamban gras mélangés à un liant constitué par du brai (mélangé éventuellemen à du goudron). Les gaz injectés à la base du four par la conduite 18 permettent de refroidir le coke produit depuis la température de sortie de la zone médiane, c'est-à-dire une température voisine de 1 0000 jusqu'à une température voisine de 1500. Pour le four mentionné ci-dessus, on injecte à la base du four 1 000 m 3 de gaz par tonne de matières solides circulant dans le four, ce qui assure des échanges équilibrés à la partie inférieure et à la partie supérieure du four. -10 2529220 Le gaz produit dans le four est récupéré à la partie supérieure; dépoussiéré et dégoudronné avant d'être introduit dans le four par la conduite 18. On produit de plus une quantité excédentaire de gaz combustible dépendant de la nature des charbons utilisés par exemple 500 m 3 par tonne de coke produite Le pouvoir calorifique de ce gaz est d'environ 4 500 calories par m 3. La consommation d'énergie électrique est voisine de 120 k Wh par tonne de coke produite. La cokéfaction se produit donc à une température relativement modérée et généralement un peu inférieure à la température de cokéfaction dans les fours à coke classiques. Le réglage du chauffage électrique en fonction des débits de matières solides et'des gaz pourra varier quelque peu mais pour obtenir un bon rendement thermique et des conditions de cokéfaction optimales, la température maximum du lit de matières solides dans la zone de chauffage électrique ne devra pas dépasser une valeur comprise entre 950 et 1 1500 C. Les deux niveaux d'électrodes permettent d'obtenir un chauffage progressif et adapté à toutes les natures de charbon, ce- qui ne serait pas le cas si l'on utilisait un seul ensemble d'électrodes permettant un passage du courant dans un seul plan horizontal. -11 2529220 On introduit dans le four, par l'intermédiaire du gueulard des boulets de charbon constitués par des briquettes de dimensions habituelles (par exemple: 40 x 25 x 20 mm) mélangées à du petit cok de granulométrie 5 à 15 mm Ce petit coke est introduit et mélangé aux briquettes chargées dans une proportion convenable. Par exemple: 10 % en poids ou 19 % en volume (Le petit coke pourra être remplacé par tout produit équivalent, de même dimension, c'est-à-dire conducteur de l'électricité et inaltérable aux tempé- ratures pratiquées dans le milieu gazeux considéré). Ce petit coke se loge partiellement entre les boulets de charbon en occupant les interstices de la charge. Le mélange homogénéisé descend dans le four à contre-coura de la circulation des gaz et parvient à la partie inférieure de l'échangeur supérieur du four à une température voisine de 8500. Les boulets de charbon sont donc séchés puis chauffés de façon que leur température soit voisine de 8000 à la sortie de l'échangeur supérieur du four à cuve. Le débit de gaz et le chauffage du four sont réglés en fonction du débit de matières solides pour obtenir les échanges de chaleur adéquats. Lorsque le lit de matières solides comportant les boulets de charbons agglomérés et le coke parvient dans le plan A du premier ensemble d'électrodes, un courant traverse ce lit de matières et produit une élévation de température à l'intérieur des boulets par effet Joule. Les particules de petit coke insérées entre les boulets de charbon favorisent le passage du courant dans le lit de matières solides circulant dans le four en multipliant les points de contact. -12- Les boulets crus tels qu'introduits dans le four à cuve sont peu conducteurs de l'électricité Cependant, à partir d'un certain degré de dévolatilisation, la résistivité interne de ces boulets diminue rapidement Par exemple à 800 , les mesures ont montré que ces boulets ont une résistivité interne qui ne dépasse pas 1 500 /cm. Il faut éviter également des élévations de température locale trop importantes qui provoqueraient un cracking exagéré des hydrocarbures gazeux circulant dans le four et un dépôt de carbone black entre les électrodes, ce qui créerait des courts-circuits, ce carbone black étant conducteur. Il est donc plus facile de régler la température du chauffage électrique en répartissant celui-ci dans plusieurs sections horizontales successives du four. Le petit coke mélangé aux boulets de charbon cru avant son introduction dans le four est récupéré à la base du four par criblage des boulets de coke produits Ce petit coke n'a subi aucune transformation dans toute sa traversée du four Son rôle se limite à diminuer les résistances de contact entre les boulets de charbon et à obtenir un chauffage plus homogène de la charge. Le bilan concernant la consommation d'énergie dans le procédé suivant lrinvention est tout-à-fait favorable si on le compare à ce qu'il en est pour les fours à coke classiques. En effet, de tels fours à coke consomment approximativement 800 thermies par tonne de coke produite alors que la consommation d'énergie électrique dans le four à cuve suivant l'invention corres- pondrait approximativement à une consommation de 110 k Wh soit en énergie primaire de 275 thermies par tonne de coke produite. -13 2529220 On voit donc que les principaux avantages du procédé suivae l'invention sont de permettre une diminution de la consommation d'énergie pour la production de coke et une récupération d'un gaz à haut pouvoir calorifique qui peut être produit en continu. De plus, le réglage thermique du procédé peut être effectue de façon simple, de façon que les échanges entre les gaz et les matières solides soient équilibrés et que l'apport calorifique par énergie électrique soit utilisé pratiquement uniquement pour compensi les déperditions thermiques du four et la chaleur des réactions endothermiques pouvant se produire dans le four La souplesse de ce type de four permet de moduler la consommation de courant électrique avec un délestage aux heures de pointe. Enfin, l'étanchéité complète du four permet d'éviter toute fuites de gaz, ce qui évite toute pollution de l'environnement. Il est bien évident que l'invention ne se limite pas au procédé et au dispositif décrits de façon non limitative mais qu'ils en comportent toutes les variantes. C'est ainsi que suivant les conditions d'exploitation et la qualité des charbons utilisés, les conditions de réglage thermiqu pourront varier à l'intérieur des intervalles mentionnés. Le chauffage électrique peut être réalisé par un ou plusieurs ensembles d'électrodes disposées à des niveaux superposés. Ces ensembles d'électrodes peuvent être en position fixe ou variable suivant la hauteur du four. La forme de la section du four peut être différente d'une section carrée ou rectangulaire Cette section peut aussi être circulaire. -14- La forme des électrodes, leur disposition et leur écartement peut être variable en fonction de la forme du four et des conditions de chauffage recherchées. Les gaz récupérés à la partie supérieure du four subissent des traitements qui sont fonction de leur utilisation finale. -15 2529220 REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de coke moulé dans un four à cuv à la partie supérieure duquel on introduit des boulets de charbon à cokéfier qui constituent un lit circulant dans le four à contre- courant de gaz traversant le four de bas en haut, dont une partie es constituée par des gaz récupérés à la partie supérieure du four et recyclés à sa partie inférieure et dont une autre partie est constituée par les gaz libérés par le charbon au cours de son chauffage et de sa cokéfaction, un apport de chaleur par passage de courants électriques dans le lit de matières solides étant effectué dans la zone médiane du four, caractérisé par le fait: que la température du lit de matières solides, à l'entrée de la zone médiane de chauffage électrique est comprise entre 600 et 8500 C, les boulets de charbon recueillant la chaleur des gaz dans la partie supérieure du four, que la température du lit de matières solides augmente suivant une loi de chauffe choisie en fonction des charbons jusqu'à atteindre une valeur comprise entre 950 et 1 1500, dans la zone médiane de chauffage électrique o a lieu la cokéfaction, le courant électrique traversant le lit de matières solides suivant des directions se rapprochant de l'horizontale dans une ou plusieurs sections transversales du four situées à des niveaux différents suivant la hauteur du four, et que le coke formé est refroidi par les gaz recyclés jusqu'à une température inférieure à 150 C, avant sa sortie à la base du four. -16- 2 Procédé de fabrication de coke moulé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la température du lit de matières solides a une température maximum égale ou inférieure à 1 1000 C dans la zone médiane de chauffage électrique. 3 Procédé de fabrication de coke moulé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la température du lit de matières solides à l'entrée de la zone médiane de chauffage électrique est voisine de 8000 C. 4 Procédé de fabrication de coke moulé suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que les boulets de charbon introduits à la partie supérieure du four sont mélangés avec des particules de petit coke ou de tout autre produit équivalent occupant les interstices entre les boulets de charbon et favorisant le passage du courant électrique dans la zone médiane de chauffage, rendant homogène le chauffage et facilitant le réglage électrique de la puissance consommée. Procédé de fabrication de coke moulé suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que la dimension des particules de petit coke est comprise,entre 5 et 15 mm. 6 Four à cuve pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication de coke moulé selon l'ensemble des revendications précédentes 1 à 5 comportant de manière connue un gueulard d'introduction de matières solides et un dispositif de récupération de gaz à sa partie supérieure, un dispositif d'évacuation du coke et un dispositif d'injection de gaz à sa partie inférieure, ainsi que des électrodes dans sa partie médiane, -17- caractérisé par le fait qu'il comporte un premier jeu d'électrodes suspendues à des conducteurs verticaux dont la position suivant la hauteur du four est éventuellement réglable et un second ensemble d'électrodes disposées en position fixe suivant la hauteur du four, dans la paroi latérale de celui-ci. 7 Four à cuve suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que les conducteurs verticaux permettant la suspension et le déplacement des électrodes mobiles sont des tubes entourés de matière réfractaire reliés à leur partie supérieure à un dispositif d'insufflation d'air de refroidissement des électrodes.