Brevet FR2552535A1 — publié le 19850329

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CUISSON D'ELECTRODES AVEC RECUPERATION DE LA CHALEUR DES FUMEES L'invention concerne un procédé de cuisson d'électrodes avec récupération de la chaleur des fumées dans un ou plusieurs fours industriels de cuisson d'électrodes. Dans la fabrication des électrodes de carbone, on utilise par exemple des fours de cuisson à sole mobile, chauffés par des brûleurs, des ventilateurs de voûte assurant un brassage énergique, de façon à obtenir une bonne homogénéité de températures. Les fumées et les matières volatiles émises par la charge en cours de cuisson sont évacuées par -l'in- termédiaire d'une cheminée ; cette cheminée est équipée d'un incinérateur assurant la combustion des matières volatiles : une dilution par de l'air permet de maintenir la température des gaz dans la cheminée à un niveau compatible avec la tenue des tuyauteries, par exemple inférieur à 90oxo C. Dans les fabrications classiques d'électrodes de carbone, l'énergie correspondant à la chaleur sensible des fumées et à la chaleur de combustion des matières volatiles en provenance des fours de cuisson est ainsi perdue. On peut donner comme ordres de grandeur typiques de consommation dléner- gie et d'énergie disponible perdue, dans le cas d'un four de cuisson d'électrodes à sole mobile charge de 250 t dont 120 t d'électrodes - consommation pour une charge four : 4185 MJ par tonne d'électrodes de carbone incinérateur de combustion des matières volatiles : 418 MJ par tonne d'électrodes, pour le maintien en température de l'incinérateur - durée d'une cuisson : environ 300 heures pour les premières cuissons, environ 100 heures pour les recuissons après imprégnation - énergie disponible à la cheminée d'évacuation des fumées et des matiè res volatiles : environ 2093 MJ par heure, correspondant à 1700 Nm3 de fumées à 9000 C par heure, soit plus de 4000 AG par tonne d'électrodes, correspondant principalement à environ 100 kg de matières volatiles par tonne d'électrodes. L'énergie disponible à la cheminée est ainsi une fraction très importante, par exemple supérieure à 80 %, de l'énergie consommée. I1 est connu de recycler des fumées provenant d'un four dans ce four lui-même, soit pour régulariser la marche du four, soit pour réaliser des économies d'énergie. Ainsi, le brevet PR-B-2 181 597 décrit la réinjection des fumées traitées dans un circuit de récupération pour améliorer le fonctionnement d'un four d'incinération de déchets combustibles comportant des moyens de recyclage des fumées dépoussiérées, dans un but d'amélioration du rendement thermique. Le brevet US-C-4 310 301 décrit la recirculation immédiate des gaz brûlés chauds sortant du four dans la chambre de traitement thermique de ce four, de façon à compléter le débit de gaz des bru leurs. L'objet de l'invention est un procédé de cuisson avec récupération d'une partie de la chaleur des fumées provenant d'un ou plusieurs fours de cuisson, dans lequel ces fumées sont captées et, au moins en partie, injectées dans une ou plusieurs cellules de préchauffage. Ce procédé est particulièrement intéressant lorsque le ou les fours de cuisson d'une part et le ou les cellules de préchauffage d'autre part peuvent recevoir des soles mobiles interchangeables chargées de produits à cuire. Chaque charge est alors préchauffée dans une cellule de préchauffage puis transférée avec des pertes thermiques réduites dans un four de cuisson, où se fait la fin du cycle de cuisson. Ainsi, dans le cas des électrodes de carbone, le temps de séjour des produits dans le four de cuisson peut être écourté de 10 à 20 % grâce à un tel préchauffage. On a trouvé que le procédé de l'invention s'appliquait particulièrement bien à la cuisson d'électrodes de carbone, soit brutes de compactage, soit cuites et imprégnées de brai, en raison notamment de l'importance de la consommation d'énergie et de l'utilisation habituelle de plusieurs fours de cuisson groupés en une batterie de fours, par exemple de 4 à 16 fours de cuisson auxquels viennent alors de rajouter 1 à 4 cellules de préchauffage de dimensions voisines de celles des fours de cuisson mais de structure simplifiée. Une partie des fumées chaudes, dont l'essentiel sera en temps normal utilisé dans une ou plusieurs cellules de préchauffage, est éventuellement réinjectée dans un ou plusieurs fours de cuisson. On a alors un dispositif de recyclage des fumées à fonctions multiples, la réinjection dans un four de cuisson particulier pouvant avoir un rôle occasionnel ou permanent : soit de préchauffer une charge dans le four de cuisson luimême ; soit de compléter la combustion du gaz des brûleurs, ltoxygène contenu dans les fumées -par exemple 15 % en volume- pouvant compenser un défaut d'air dû au réglage des brûleurs ; soit encore assurer une combustion partielle des matières volatiles, et diminuer en conséquence la consommation d'énergie au niveau du four. L'exemple et les dessins qui suivent, concernant un dispositif de cuisson selon l'invention et ses conditions de fonctionnement, permettront de mieux comprendre l'invention. La figure 1 est le schéma général d'une installation de cuisson à soles mobiles avec préchauffage selon l'invention. Sur la figure 1, est schématisée une batterie (1) de fours de cuisson dont deux seulement (2, 3) sont représentés. Les cheminées d'évacuation des fumées et des matières volatiles (4, 5) de ces fours (2, 3) comportent chacune un incinérateur (6, 7) des matières volatiles et, plus haut, un piquage (8,- 9) muni d'une vanne papillon haute température (10, 11) et éventuellement d'un ventilateur d'extraction. Cette vanne, pilotée par une mesure de la température des fumées prélevées, assure une limitation du soutirage en cas de débit insuffisant de fumées par le four (2, 3) car alors un excès de soutirage se traduirait par une aspiration de l'air extérieur par le haut de la cheminée (4, 5), et cette aspiration d'air extérieur refroidirait les fumées prélevées. Les fumées arrivant par les piquages (8, 9) sont rassemblées dans un carneau (12) convenablement isolé thermiquement, situé en travers de la batterie de fours (1), et elles sont injectées dans une cellule de préchauf fage (13) à l'aide d'un ventilateur (14) prévu pour fonctionner à environ 500 à 7000 C et situé à l'extrémité du carneau (12). En fonction du débit de fumées nécessaire à l'opération de préchauffage, les vannes papillon (10, 11) s'ajusteront automatiquement de manière que la somme des débits aspirés soit égale au débit nécessaire et que le débit de chaque piquage (8, 9) n'excède pas le débit que la cheminée correspondante (4, 5) peut délivrer. Les dimensions de chaque four de cuisson (2, 3) et de la cellule de préchauffage (13) sont : longueur x largeur x hauteur de l'ordre de 16 m x 5 m x 4 m. Une porte guillotine permet l'introduction de la sole mobile portant la charge de 250 t environ. Pour chaque four de cuisson (2, 3), un ensemble de brûleurs situés en haut des murs longitudinaux assure le chauffage, et des ventilateurs de voûte assurent un brassage énergique des fumées, améliorant ainsi l'homogénéité du chauffage des produits. Dans la cheminée d'évacuation des fumées (4, 5) de chaque four de cuisson (2, 3) une dilution par de l'air est effectuée pour ramener la température des fumées dans la cheminée à un niveau compatible avec la tenue des tuyauteries, par exemple inférieur à 9000 C. La cellule de préchauffage (13) a l'allure générale d'un four de cuisson simplifié : - parois, voûte et porte de conception identique à celles des fours (2, 3), - température maximale : 3500 C, - construction légère (réfractaires fibreux), - ventilateurs de recirculation à basse température, - pas d'incinérateur sur la cheminée d'évacuation (15), - pas de brûleurs (injection des fumées par des ouvertures en haut de la cellule, contrôle par des vannes régulées par un thermocouple de zone), - le ventilateur (14) pour fonctionnement à environ 6000 C ou ventilateur "600 C" assure l'aspiration des fumées dans chaque cheminée (4, 5) dans le cas où le conduit (8, 9) n'est pas équipé d'un -ventilateur d'extrac tion, et assure le soufflage des fumées dans la cellule de préchauffage (13). De façon à ne pas dépasser 6000 C, une injection contrôlée d'air de dilution par un conduit (16) portant une vanne de réglage (17) est faite sur le carneau (12) avant le ventilateur (14), - les soles chargées sont celles des fours de cuisson. A l'image du four, la cellule (13) est divisée en trois zones : chaque zone comporte un (ou plusieurs) orifice d'introduction des fumées. La quantité injectée est pilotée par une vanne papillon régulée par la montée en température désirée pour le cycle de préchauffage, cycle à peu près identique à celui pratiqué dans les fours eux-mêmes. La durée du chauffage d'une charge dans un four de cuisson (2, 3) étant par exemple de 300 heures, le début de ce chauffage est effectué dans la cellule de préchauffage (13) à l'aide des fumées chaudes qui y sont injectées. De façon typique, ce préchauffage amène les produits de la charge à environ 2500 C en une durée de 45 heures, la charge sur sole mobile est ensuite transférée dans un four de cuisson libre tel que (2) ou (3), dans lequel se fera la suite du cycle de cuisson en une durée de 300 - 45 = 255 heures. Dès ce transfert de la charge préchauffée dans un four de cuisson, la cellule de préchauffage (13) peut recevoir une autre charge à préchauffer. Dans cet exemple, le temps de cuisson de la charge dans le four est raccourci de 3Co = 15 % et la cellule de préchauffage (13) peut alimenter de 300 100 - 15 ~ 85 ~ cette façon : -- 15 = l5 - 5,7 soit 6 fours. Et la cellule Qe pré- chauffage (13), recevant le mena apport thermique qu'un four de cuisson (2, 3), remplace alors un four de cuisson pour la production. Le gain de production pour chaque four de cuisson est alors de l'ordre de 85 = }7,68 85 et l'économie d'énergie par cuisson est de 15 à 20 %. L'opération de préchauffage à 2500 C de la sole mobile et de sa charge d'électrodes dans la cellule (13) nécessite de l'ordre de 936 MJ par tonne, soit environ 2093 MJ/heure pour une charge de 120 t d'électrodes et une durée de préchauffage de l'ordre de 45 heures, ce qui correspond à l'ordre de grandeur de l'énergie disponible au niveau de la cheminée d'évacuation (4) d'un seul four de cuisson (2). En tenant compte des pertes thermiques, modérées ou non par des moyens d'isolement thermique, il reste encore beaucoup d'énergie disponible dans les fumées chaudes captées sur les cheminées d'évacuation (4, 5). Une récupération plus poussée peut être faite pour certaines qualités de produits en faisant le préchauffage jusque vers 3200 C, température audessus de laquelle l'émission des matières volatiles à partir des électrodes de carbone crues devient gênante. Le gain de production peut alors être amélioré. On peut également réinjecter une partie des fumées chaudes dans un ou plusieurs fours de cuisson (2, 3) à l'aide d'un ventilateur fil6000 C" par four, ce ou ces ventilateurs de réinjection aspirant les fumées sur le carneau collecteur de fumées (12). Cette réinjection de fumées est alors utilisée dans chaque four pour une ou plusieurs des taches suivantes - préchauffer, au moins partiellement, les charges n'ayant pas été pré chauffée dans la cellule de préchauffage (13), avant la mise en marche des brûleurs pour la suite du chauffage du cycle de cuisson, - compléter la combustion du gaz des bru leurs, et/ou assurer une combus tion partielle des matières volatiles, comme il a été indiqué plus haut. La réinjection des fumées dans un four de cuisson particulier est alors faite typiquement, à partir du ventilateur de réinjection, à 11 aide de conduits délivrant les fumées dans chaque zone de chauffage du four par des orifices situés entre les brûleurs. Le procédé de l'invention permet ainsi une économie d'énergie et un gain de production dans une installation comprenant un ou plusieurs fours de cuisson et une ou plusieurs cellules de préchauffage qui leur sont associées. La mise en place d'un carneau collecteur de fumées permet l'opti- misation de l'ensemble de l'installation, notamment dans le cas de fours à soles mobiles, par association de 1 à 4 cellules de préchauffage avec 4 à 16 fours de combustion, et par réinjection dans un ou plusieurs fours de cuisson d'une partie au moins des fumées chaudes non utilisées dans la ou les cellules de préchauffage, de façon à améliorer le bilan thermique et la capacité de production. Dans le cas de la cuisson des électrodes de carbone, le dispositif modi fié par le procédé de l'invention comporte typiquement au moins : 1 à 4 cellules de préchauffage (13) associées à 4 à 16 fours de cuisson ou de recuisson (2, 3), ainsi que des moyens d'extraction des fumees chaudes (8, 9) de une ou plusieurs cheminées (4, 5) des fours de cuisson ou de recuisson (2, 3), des moyens de rassemblement et d'acheminement (12) de ces fumées chaudes et des moyens d'injection (14) desdites fumées dans la ou les cellules de préchauffage (13). REVENDICATIONS 10/ Procédé de cuisson d'électrodes avec récupération d'une partie de la chaleur des fumées provenant d'un ou plusieurs fours de cuisson, caractérisé en ce que ces fumées sont captées et au moins en partie injectées dans une ou plusieurs cellules de préchauffage. 20/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les fours de cuisson d'une part, et la ou les cellules de préchauffage d'autre part, peuvent recevoir des soles mobiles interchangeables chargées a produits à cuire. 30/ Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les produits froids sont préchauffés dans une cellule de préchauffage alimentée en fumées chaudes provenant d'un ou plusieurs fours de cuisson, et en ce que les produits ainsi préchauffés sont ensuite transférés dans un four de cuisson pour la fin du cycle de cuisson. 40/ Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les produits froids sont au moins en partie des électrodes de carbone brutes de compactage. 50/ Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les produits froids sont au moins en partie des électrodes de carbone cuites et imprégnées de brai. 60/ Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les produits froids sont chauffés dans la cellule de préchauffage à une température comprise entre 200 et 3200 C. 70/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une partie des fumées chaudes est injectée dans un ou plusieurs fours de cuisson. 80/ Dispositif de cuisson d'électrodes de carbone comportant 4 à 16 fours de cuisson ou de recuisson d'électrodes de carbone, caractérisé en ce qu'il comporte également 1 à 4 cellules de préchauffage et en ce qu'il comprend des moyens d'extraction des fumées chaudes de une ou plusieurs cheminées de four, des moyens de rassemblement ou d'acheminement de ces fumées et des moyens d'injection desdites fumées dans la ou les cellules de préchauffage. 90/ Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est équipé de soles mobiles interchangeables servant de support aux électrodes à préchauffer ou à cuire, chacune de ces soles mobiles pouvant être introduites dans l'un quelconque des fours de cuisson et dans la ou les cellules de préchauffage. a00/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de réinjection d'une partie des fumées chaudes dans un ou plusieurs fours de cuisson.