Brevet FR2530259A1 — publié le 19840120

Procédé et installation de conduite automatique du chauffage de fours à coke. La présente invention se rapporte à la conduite automatique du chauffage de fours à coke et, plus particulièrement à une conduite automatique du type avec régulation par pauses de chauffage périodiques de durées déterminées notamment en fonction de la chaleur à fournir et de caractéristiques du gaz de chauffage utilisé. Le plus fréquemment, la conduite du chauffage de fours à coke est réalisée en faisant varier l'apport thermique de façon prédéterminée au cours d'un cycle de carbonisation, par exemple en agissant sur le débit du gaz de chauffage au moyen d'une tringlerie appropriée. Pour simplifier la conduite du chauffage, il a été proposé de travailler à pression de gaz de chauffage constante et de réaliser une conduite automatique avec pauses de chauffage du type indiqué ci-dessus. Ainsi, la demande de brevet FR 2 463 174 a pour objet un procédé selon lequel chaque demi-période de régénération est partagée en un temps de chauffage avec pression de gaz de chauffage constante et un temps de pause. La durée de chaque pause est calculée à partir de valeurs mesurées de caractéristiques du gaz de chauffage (pouvoir calorifique, humidité, densité, température,...) pour maintenir la chaleur fournie à une valeur déterminée. Dans le cas de la demande de brevet FR 2 470 150, la durée des pauses est calculée en fonction de la composition du gaz mixte de chauffage utilisé. La présente invention a pour but d'améliorer encore la conduite automatique du chauffage de fours à coke afin notamment de défourner le coke à une tempéra- ture prédéterminée constante malgré les variations des conditions d'exploitation. Ce but est atteint au moyen d'un procédé du type défini en tête de la description, procédé selon lequel, conformément à l'invention, - l'on determine la chaleur de cokéfaction nécessaire pour un cycle de carbonisation, à partir notamment de la mesure de caractéristiquss du charbon enfourné et de la température désirée ou coke à produire, - l'on mesure le pouvoir calorifique et le débit instantané du gaz de chauffage, et - l'on calcule' la durée des pauses de chauf fagenécessaires' pör fournir une puissance moyenne permettant d'apporter la chaleur de cokéfaction calcule, compte-tenu de la chaleur sensible des fumées de combustion et de l'air circulant en excès au cours des pauses de chauffage, et des pertes thermiques estimées. De préférence, on réalise,comme connu en soi, une pause He chauffage avant chaque inversion, et on calcule la durée de chaque pause de chauffage au cours du temps de chauffage qui la précède. Ainsi, une caractéristique essentielle de l'invention consiste dans l'estimation permanente et en continu du besoin calorifique des fours en fonction des caractéristiques du melange de charbons enfourné et des conditions d'exploitation. En outre, grâce à l'utilisa-- tion de la régulation par pauses de chauffage, il est possible de travailler sans avoir à réguler le débit et/ou le pouvoir calorifique du gaz de chauffage autrement que par une commande du débit par tout ou rien. L'invention a aussi pour objet une installation permettant la mise en oeuvre automatique du procédé défini ci-avant, installation du type comportant des moyens de mesure de caractéristiques du gaz de chauffage, un dispositif de commande par tout ou rien du débit du gaz de chauffage et des moyens de calcul fournissant à ce dispositif de commande un signal destiné à provoquer des pauses de chauffage périodiques. Conformément à l'invention, l'installation comporte en outre un dispositif de pesée de charbon une liaison entre ce dispositif de pesée et les moyens de calcul pour fournir à ceux-ci une information représentative du poids de charbon enfourné ; des moyens pour transmettre aux moyens de calcul des informations représentatives notamment du taux d'humidité dans le charbon enfourné et des pertes thermiques des fours ; et un dispositif de mesure du débit destine à transmettre aux moyens de calcul une information représentative du-d8- bit instantané de gaz de chauffage, les moyens de calcul étant agencés pour calculer la chaleur de cokéfaction à apporter au cours d'un cycle de cokéfaction et pour en déduire la durée des pauses de chauffage necessaires, en fonction notanrent du débit instantané du gaz de chauffage, de la chaleur sensible des fumées et de l'air en excès et des pertes thermiques. Selon une particularité de cette installation, elle comporte un dispositif de mesure de température monté sur le guide-coke et des moyens de liaison entre ce dispositif de mesure et le calculateur pour transmettre à ce dernier une information représentative de la température du coke défourné. D'autres particularités et avantages du procédé et de l'installation selon l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un ordinogramme d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour la conduite automatique du chauffage de fours à coke avec un seul type de gaz - les figures 2 et 2A sont des ordinogrammes de va riantes de réalisation du procédé illustr8 par la figure 1 dans le cas de la conduite automatique du chauffage avec simùltanément deux types de gaz ; et - la figure 3 est une vue très schématique d'une installation destinée à la mise en oeuvre du procédé illustré par la figure 1. La consommation thermique d'une batterie de fours à coke est la somme de trois composantes : la chaleur nécessaire à la cokéfaction du charbon -y compris le sechage-, la chaleur sensible des fumées de combustion et de l'air de balayage à la sortie des régénéra- teurs, et les pertes thermiques diverses dissipées vers l'extérieur. Selon le procédé illustré par la figure 1, cette consommation thermique est calculée par un calculateur en fonction du poids de charbon enfourné et la régulation du chauffage est réalise em travaillant avec un débit de gaz de chauffage instantané constant périodiquement interrompu pendant des laps de temps dont la durée est calculée par le calculateur de manière à fournir les besoins thermiques exacts qui ont été évalués. Ainsi, les réglages de combustion et la répartition des débits dans les carneaux peuvent être préd- terminés une fois pour toutes et la régulation ne nécessite simplement que des ouvertures et fermetures de robinets. Les pauses de chauffage sont réalisées a chaque inversion, ce qui fait qu'une demi-période de régénéra- tion est partagée en un laps de temps de chauffage et une pause. Une première étape du procédé illustré par la figure 1 consiste dans le calcul de la chaleur de cokéfaction, c'est-à-dire de la quantité de chaleur que doit recevoir le charbon enfourné pendant tout le cycle de cokéfaction. La chaleur de cokéfaction est la somme des chaleurs sensibles et latentes des produits résultant de la carbonisation du charbon (coke, gaz, goudron, eau). Pour évaluer la chaleur de cokéfaction, on prend en compte les éléments principaux que-sont la composition du mélange de charbons enfourné, le taux d'humidité de ce mélange de charbons, la temperature désirée du coke produit et la température des produits gazeux sortant des fours.Certains de ces éléments sont mesurés, comme par exemple la température des produits gazeux produits par les fours, a u moyen de capteurs appropriés ; il s'agit de données saisies en temps réel par le calculateur. Les autres éléments - composition du mélange de charbons, taux d'humidité de ce mélange et température de consigne du coke produit- sont introduites manuellement dans le calculateur à partir d'un clavier. Le mode de calcul de la chaleur de cokéfaction à partir des paramètres indiqués ci-avant est en soi bien connu. Avantageusement, à chaque défournement de coke, la température de surface de celui-ci est mesurée et est comparée à la température de consigne. Lorsque l'écart entre ces deux températures dépasse une valeur prédéterminée, la chaleur de cokéfaction calculée est modifiée par addition ou soustraction d'une quantité fixée à l'avance ou déterminée en fonction de l'amplitude de cet écart. Bien entendu, cette modification éventuelle de la chaleur de cokéfaction est valable pour le cycle de cokéfaction qui suit celui au terme duquel la température du coke a été mesurée. On notera, en variante, que d'autres données pourraient être modifiées en cas de non respect de la consigne de température du coke t il peut s'agir de données introduites manuellement comme par exemple les pertes thermiques. Ensuite, le besoin thermique moyen horaire pour la cokéfaction est évalué en effectuant llopEration T Q x d r Q désignant la chaleur de cokéfaction calcu- lée éventuellement modifiee, d la durée en heures du cycle de cokéfaction (allure des fours à coke), et T le poids de charbon enfourné durant d. Le calcul de la durée de chaque pause de chauffage est effectué au cours de la demi-période de régénération qui la comprend, pendant le temps de chauffage précédant la pause Pour ce calcul, on se base sur les équations suivantes P V = GO + FV + 60 .p.A + S (1) M d F-vM + M .p.A r r.v = (r - PXVI (2), m dans lesquelles P est le pouvoir calorifique du gaz de chauffage, VM le débit instantané moyen du gaz de chauffage, F la chaleur sensible des fumées par m de gaz de chauffage consommé, p la durée en minutes de la pause à calculer, A la chaleur sensible de l'air de balayage par minute de pause et par heure, S les pertes thermiques de surface (pertes par rayonnement) r la durée en minutes de la demi-période de régénération,et VI la valeur instantanée du débit du gaz de chauffage. L'équation (1) exprime l'égalité entre le flux de chaleur fourni (P x VM) et le flux thermique requis, c'est-à-dire le besoin thermique moyen horaire augmenté de pertes (chaleur sensible des fumées F x VM, chaleur sensible de l'air de balayage pendant la pause de chauffage p x A, et pertes thermiques de surface S). L'équation (2) exprime l'égalité entre deux expressions du volume de gaz de chauffage consommé pendant chaque demipériode de régénération. Le pouvoir calorifique P du gaz de chauffage est une donnée mesurée soit manuellement, soit par saisie en temps réel du signal fourni par un appareil de mesure. Le débit instantané VI du gaz de chauffage est une donnée saisie en temps réel par le biais d'un capteur à diaphragme., Les quantités F,A,S et r sont introduites manuellement dans le calculateur. Elles peuvent être aussi déduites de capteurs particuliers et introduites automatiquement. Des équations (1) et (2),- l'on déduit VM = (Q I (Q.d + 60 .p.A + S) (1') P - F VM = r (2') r d'où l'on déduit la valeur de p. Cette valeur de p e s t , de façon connue en soi, transformée en un signal de commande d'une minuterie intégrée dans le système d'inversion automatique du chauffage des fours. Un cas particulier d'application de ce procédé sera maintenant décrit à titre d'exemple. Exemple Le procédé est utilisé pour la conduite du chauffage d'une batterie de 36 fours à coke ayant un cycle de cokéfaction de 16 heures (d = 16 heures). Le poids de charbon enfourné par four est de 39 tonnes avec un taux d'humidité de 7 t. Le charbon a une chaleur de cokéfaction de 1588 MJ par. tonne sèche. Si l'on prend une valeur de l'enthalpie totale due vaporisation de l'eau égale à 3971 MJ par tonne, le besoin thermique moyen horaire de cokéfaction pour les 36 fours est gal ( 39 x 0,93 x 1588 ) + ( 39 x C,07 x 3971 36 16 soit environ 154.016 MJ par heure. On admet par ailleurs, pour la batterie de fours, les données suivantes - pouvoir calorifique inférieur du gaz de chauffage égal à 3,76 MJ par Nm3 (P - 3,76 MJ7Nm3) - pertes thermiques de surface égaies à 18.392 J par heure (S = 18.392 MJ/-h) - chaleur sensible de fumées à leur sortie des régénérateurs égale à 0,63 MJ par Nm3 de gaz de chauffage - chaleur sensible de l'air circulant dans les carneaux durant la pause, à sa sortie des régénérateurs, égale 744 01J par h e u r e ot par minute de pause - débit instantané de gaz égal à 60000 Nm3/h. Si l'on prend une demi-période de régénération de durée égale à 20 minutes (r = 20 mon;, on obtient alors, par l'équation (3), le résultat p = 1 minute 33 secondes. On a envisagé ci-avant le cas général où les fours à coke sont alimentés par un seul type de gaz, notamment du gaz de haut fourneau légèrement enrichi au gaz de cokerie. Toutefois, durant certaines périodes particu-lières correspondant à un déficit passager en gaz de haut fourneau, la batterie peut être alimentée de façon mixte avec deux types de gaz -gaz de haut fourneau lE- gèrement enrichi et gaz de cokerie répartis chacun sur deux groupes de fours différents. -La figure 2 illustre le procédé deconduite de chauffage avec deux types de gaz. Pour les fours alimentés comme indiqué précédemment, le mode d'action est celui illustré par la figure 1. La durée de la pause de chauffage qui est calculée pour ces fours et qui doit etre la même pour tous les fours de la batterie devient donc une donnée imposée pour les fours alimentés en gaz de cokerie. Pour-ces derniers, la chaleur de cokéfaction est calculée en fonction du type de gaz utilisé et éventuellement corrigée comme indiqué plus haut. Le besoin thermique moyen horaire de cokéfaction est alors calculé puis le besoin moyen horaire en Nm3 de gaz de chauffage est évalué en tenant compte1 d'une part, des pertes thermiques et, d'autre part, du pouvoir calorifique du gaz de cokerie. Connaissant la durée de la pause de chauffage, le débit instantané du gaz de chauffage est ajusté pour que la valeur moyenne de ce débit comptée sur la durée de la demi-période de régénération corresponde au besoin moyen horaire en Nm3 de gaz calculé. En variante, on peut prévoir d'agir non pas sur le débit de gaz mais sur son pouvoir calorifique par appauvrissement ou enrichissement par un gaz de régulation ayant un pouvoir calorifique différent. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 2A, après évaluation du besoin thermique moyen horaire de cokéfaction, on effectue le calcul du pouvoir calorifique. instantané corrigé du gaz de chauffage. Ce calcul est réalisé à partir des données suivantes : température des fumées, chaleur sensible de l'air en excès, pertes thermiques de surface et composition du gaz de régulation; Ensuite, le pouvoir calorifique instantané du gaz de chauffage est régulé compte-tenu du débit instantané de gaz et de la durée de pause calculée avec du gaz haut-fourneaw enrichi. Bien entendu, on ne retrouve alors pas totalement, pour le chauffage avec deux types de gaz/ l'avantage d'un simple réglage par tout ou rien du débIt en gaz de chauffage. Mais il s'agit d'un mode de chauffage exceptionnel et il est important de noter que le procédé selon l'invention permet de s'adapter à cette situation tout en obtenant le résultat essentiel visé, à savoir le défournement du cocke à une température prédéterminée. La figure 3 illustre de façon très schématique une installation permetttant la mise en oeuvre du procédé de la figure 1. Un calculateur 10 est connecté à une console il à partir de laquelle des données peuvent être introduites manuellement. Le charbon mis dans les trémies de l'enfourneuse est pesé lors de son passage dans des trémies intermédiaires 21 montées sur pesons. Le poids mesuré est transmis au calculateur par une liaison 13. Une correction périodique de la mesure peut être réalisée en fonction des résultats de la pesée périodique de masses étalons déposées dans les trémies intermédiaires. Le taux d'humidité dans le charbon pourra être transmis au calculateur à partir de la console ou directement à partir d'un dispositif de mesure d'humidité. Le chauffage est réalisé au moyen de gaz de haut fourneau enrichi au gaz de cokerie. Du fait que le chauffage est effectué à débit constant, il est néces saire de maintenir l'indice de Wobbe à une valeur constante. A cet effet, des analyseurs de gaz et densimè- tres 14, 15 fournissent aux calculateurs des informations représentant le pouvoir calorifique et la masse volumique du gaz de haut fourneau-et du gaz de cokerie. En fonction de ces données, le calculateur engendre un signal de commande qui est transmis au régulateur de la station 22 d'enrichissement du gaz afin de tenir compte des fluctuations des caractéristiques des gaz de haut fourneau et de cokerie. La régularité du gaz de haut fourneau enrichi est vérifiée par un analyseur de méthane qui est associé à chaque batterie de fours et qui engendre un signal transmis au calculateur. La pression du gaz de chauffage dans les collecteurs d'alimentation des p étroits des fours 23 est mesurée et transmise au calculateur afin de réaliser la régulation de cette pression à une valeur constante. Un capteur de mesure de température est logé dans le conduit 24 d'évacuation des produits volatils sortant des fours 23 et transmet au calculateur un signal représentatif de cette température. Ce signal peut être utilisé pour le calcul de la chaleur de cokéfaction. Un autre dispositif de mesure de température est logé dans le guide-coke 22 afin de transmettre au calculateur, par une liaison 17, un signal représentant la température de surface du coke au moment de son défournement. On pourra utiliser à cet effet des pyro mètres- à radiation et la liaison 17 est par exemple une liaison radio. Enfin, comme déjà indiqué, le calculateur est relié par une liaison 18 à une minuterie intégrée dans le système d'inversion des fours 23. Bien entendu, diverses modifications et adjonctions pourront être apportées aux modes de réalisation decrits plus haut du procédé et du dispositif selon l'invention sans pour cella sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Procédé de conduite automatique du chauffage de fours à coke avec régulation par pauses de chauffage périodiques de durées déterminées notamment en fonction de la chaleur à fournir et de caractéristiques du gaz de chauffage utilise, caractérisé en ce que - l'on détermine la chaleur de cokéfaction nécessaire pour un cycle de carbonisation, à partir notamment de la mesure de caracteeristiques-du charbon enfourné et de la température désirée du coke à produire, - l'on mesure le pouvoir calorifique et le -débit instantané du gaz de chauffage, et - l'on calcule la durée des pauses de chauffage nécessaires pour fournir une puissance moyenne permettant d'apporter la chaleur de cokéfaction calculée, compte-tenu de la chaleur sensible des fumées de combustion et de l'air circulant en excès au cours des pauses de chauffage, et des pertes thermiques estimées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise, comme connu en soi, une pause de chauffage avant chaque inversion, et on calcule la durée de chaque pause de chauffage au cours du tempe de chauffage qui la précède. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendi revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on-mesure la température du coke au moment du dé-fournement et l'on corrige la valeur calculée de la chaleur de cokéfaction lorsque la température de coke mesurée diffère de la température de coke désirée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, selon lequel le gaz de chauffage est un gaz de haut fourneau enrichi par un gaz de cokerie, caractérisé en ce que l'on régule l'enrichissement du gaz de haut fourneau pour maintenir à une valeur sen siblement constante le pouvoir calorifique du gaz de chauffage. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour la conduite d'un chauffage mixte sûr une même batterie de fours dont certains sont chauffés avec un gaz riche et d'autres avec du gaz plus pauvre, caractérisé en ce que la durée des pauses est déterminée pour le chauffage avec le gaz riche et la régulation pour le chauffage avec le gaz pauvre est réa- lisée par action sur le débit instantané du gaz pauvre ou sur le pouvoir calorifique instantané de celui-ci par mélange avec un autre gaz de pouvoir calorifique différent. 6. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, installation comportant des moyens de mesure de caractéristiques du gaz de chauffage, un dispositif de commande par tout ou rien du débit du gaz de chauffage et des moyens de calcul fournissant à ce dispositif de commande un signal destiné à provoquer des pauses de chauffage périodiques, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif de pesée de charbon;-une liaison entre ce dispc- sitif de pesée et les moyens de calcul pour fournir à ceux-ci une information représentative du poids de charbon enfourne; des moyens pour transmettre aux moyens de calcul des informations représentatives notamment du taux d'humidité dans le charbon enfourné et des pertes thermiques des fours; et un dispositif de mesure du débit destine à transmettre aux moyens de calcul une information représentative du débit instantané de gaz de chauffage; les moyens de calcul étant agencés pour cal culer la chaleur de cokéfaction à apporter au cours d'un cycle de cokéfaction et pour en déduire la durée des pauses de chauffages nécessaires, en fonction notamment du débit instantané du gaz de chauffage, de la chaleur sensible des fumées et de l'air en excès et des pertes thermiques. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de mesure de température monté sur le guide-coke et des moyens de liaison entre ce dispositif de mesure et le calculateur pour transmettre à ce dernier une information représentative de la température du coke défourné. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, pour la conduite d'un chauffage mixte sur une même batterie de fours dont certains sont chauffés avec un gaz riche et d'autres avec du gaz plus pauvre, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de régulation du débit instantané ou du pouvoir calorifique instantané du gaz pauvre.