Brevet FR2883295A1 — publié le 20060922

L'invention concerne les installations de cokéfaction comportant des fours de fabrication de coke à partir de charbon, ceci afin d'alimenter les haut-fourneaux sidérurgiques en agent réducteur dans les réacteurs d'élaboration du fer. La carbonisation de la pâte à coke dans les fours conduit à la formation de dépôts sur les parois des fours, les voûtes, les portes, dans les bouches d'enfournement du charbon et dans les colonnes montantes destinées à l'évacuation des matières volatiles s'échappant durant le cycle de cokéfaction. Ces dépôts carbonés sont désignés par le terme générique de graphite . Ils peuvent résulter de la présence de matières volatiles dont la io quantité et la nature dépendent notamment des types de charbons et de la température. Ces matières hydrocarburées forment progressivement des dépôts formés de brais, de goudrons durcissant progressivement pour être constitués essentiellement de carbone, sur les voûtes et les bouches d'enfournement des fours. Une autre forme de graphitisation provient des is fines particules de charbon entraînées lors de l'enfournement par le gaz et la vapeur d'eau, carbonisées et adhérant au substrat. Ce type de dépôt se retrouve essentiellement à la base des colonnes montantes des fours. L'épaisseur des différents dépôts de graphite croît progressivement, au point de perturber sérieusement la bonne marche des fours et la tenue des maçonneries réfractaires: la graphitisation des bouches d'enfournement rend l'alimentation en charbon de plus en plus difficile et provoque des bourrages à l'enfournement. La graphitisation des portes pose des difficultés d'étanchéité, et peut se traduite par l'émission de gaz vers l'extérieur pendant la phase de carbonisation. On assiste également à un bouchage progressif des colonnes montantes: si celles-ci venaient à être totalement obturées par la graphitisation, l'accumulation de la pression résultant d'un cycle de cokéfaction conduirait à un échappement de gaz par les portes, les bouches d'enfournement, fragiliserait l'ensemble des réfractaires, et constituerait un danger pour les opérateurs par suite des risques d'inflammation. On met donc en oeuvre différents procédés pour lutter contre la graphitisation progressive des fours: Conventionnellement, on peut effectuer régulièrement une dégraphitisation mécanique au moyen d'outils de type divers introduits par la partie supérieure des bouches d'enfournement, de la colonne montante, ou encore disposés sur un dispositif de défournement de façon à racler le plafond de la voûte. Ces modes de dégraphitisation mécanique trouvent cependant rapidement leurs limites: L'usage manuel au moyen d'outils tels que des barres en acier manoeuvrés depuis le dessus des fours pour ôter les dépôts de graphite aux bouches d'enfournement est très malaisé à cause de la io haute température, de la pénibilité, et peut comporter des risques de brûlures pour les opérateurs. - Des trépans rotatifs motorisés utilisés à la partie supérieure des bouches d'enfournement peuvent se bloquer en raison de l'importance des dépôts et de leur dureté. Le nettoyage mécanique peut mettre complètement à nu la maçonnerie, sans laisser de fine couche de carbone protectrice, ce qui diminue l'étanchéité et la durée de vie des réfractaires. Compte tenu de ces insuffisances, on a proposé des techniques basées sur la combustion du graphite en présence d'air: le brevet US 1, 862,028 présente ainsi une méthode d'élimination des dépôts essentiellement situés sur la voûte, par le soufflage d'air au moyen d'une lance située sur la défourneuse au moment du défournement du coke. Cette méthode présente cependant l'inconvénient de nécessiter une grande quantité d'air à projeter au sein du large volume du four vide et chaud. Tout en étant consommateur d'énergie, ce procédé réduit la température du four et diminue la durée de vie des réfractaires. II ne peut intervenir que sur une période relativement courte, ce qui limite son efficacité. Il est de plus peu opérant pour réduire les dépôts situés en base de colonne montante. On a également proposé, dans le brevet JP 61197685, de souffler du gaz riche en CO2 par les bouches d'enfournement ou par la base des fours au sein d'un four vide. Ce procédé souffre cependant de la plupart des inconvénients mentionnés ci-dessus. Dans un autre procédé connu, on tente d'éliminer les dépôts de graphite en colonne montante en soufflant de l'air par la partie inférieure de celle-ci, le jet d'air étant donc dirigé vers l'extérieur du four. Cette opération est accomplie après le défournement. Ce procédé présente l'inconvénient de ne pas réduire les dépôts localisés aux bouches d'enfournement, sur la voûte ou les parois. De plus, le soufflage d'air vers l'extérieur du four provoque la projection de particules carbonées incandescentes (graphite d'envol ou mousses ) qui nécessitent un entretien périodique des abords et qui peuvent occasionner des brûlures pour le personnel. io La présente invention a pour but de résoudre les problèmes évoqués cidessus. Elle vise en particulier à mettre à disposition un dispositif et un procédé de nettoyage pour stabiliser ou faire régresser les dépôts de graphite dans les colonnes montantes des fours de cokerie. Elle permet également de réduire les dépôts sur les voûtes et aux bouches d'enfournement. Elle vise à éliminer les nuisances associées aux projections de particules vers l'extérieur. Elle vise encore à limiter le refroidissement du four lorsque le procédé est mis en oeuvre. Elle vise également à s'intégrer de façon simple et économique au sein de dispositifs de cokerie préexistants, sans réduction de la productivité des procédés de cokéfaction usuels. Dans ce but, l'invention a pour objet un procédé de nettoyage de four d'installation de cokéfaction, du type comprenant des parois latérales, une voûte, des portes, une colonne montante, des bouches d'enfournement, selon lequel on insuffle un gaz contenant de l'oxygène par la partie supérieure de la colonne montante du four contenant un chargement de coke à une température de 900 à 1100 C, l'insufflation étant effectuée après le cycle de dégazage de la cokéfaction, et avant le déchargement du coke hors du four, les portes étant fermées, le gaz insufflé s'échappant exclusivement par au moins une bouche d'enfournement du four. Préférentiellement, une ou plusieurs bouches d'enfournement sont 30 partiellement ouvertes durant l'insufflation Selon un mode de réalisation de l'invention, le degré d'ouverture d'une ou plusieurs bouches d'enfournement durant l'insufflation varie avec leur degré de graphitisation. Préférentiellement encore, le degré d'ouverture des bouches d'enfournement durant l'insufflation varie selon leur proximité avec la base de la colonne montante du four. La durée de l'insufflation est avantageusement supérieure à 5s, et s préférentiellement à 15s. Avantageusement encore, le gaz est insufflé sous une pression allant de 4 à 20 bars. Selon un mode particulier, on ajoute de l'oxygène dans le gaz insufflé. Préférentiellement, le gaz insufflé est de l'air. io L'invention a également pour objet un dispositif d'injection d'un gaz contenant de l'oxygène dans un four d'installation de cokéfaction du type comprenant des parois latérales, une voûte, des portes, une colonne montante, des bouches d'enfournement, le dispositif d'injection comprenant une source du gaz reliée à une ou plusieurs lances dont la partie terminale d'injection est susceptible d'être introduite temporairement au voisinage de la partie supérieure de la colonne montante et à l'intérieur de celle-ci, et dont le jet de gaz est dirigé vers la base de colonne. Préférentiellement, la longueur de la lance est telle, qu'une fois introduite par le haut de la colonne montante, sa partie terminale d'injection se situe à un niveau inférieur à celui de la liaison entre la colonne montante et le barillet. Préférentiellement encore, la lance et la source de gaz sont reliées de façon solidaire à une enfourneuse à charbon animée d'un déplacement relatif par rapport au four, et se positionnent au niveau de la colonne montante du four par le biais du déplacement de l'enfourneuse. La source du gaz, dite source secondaire, est reliée avantageusement de façon temporaire à une source de gaz fixe, dite source primaire. La source primaire est située avantageusement sur une tour à charbon. Préférentiellement, la liaison temporaire entre les sources primaire et secondaire est un raccord rapide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description ci-dessous, donnée à titre d'exemple et faite en référence à la figure 1 annexée suivante. La figure 1 présente schématiquement la coupe longitudinale d'un four à coke de type connu, muni d'un dispositif selon l'invention En particulier, la figure 1 illustre différents éléments constitutifs d'un four à coke, constitué de parois latérales (l'une d'entre elles étant repérée 18), d'une voûte 17 et de portes 19 (située côté machine ou défourneuse) et 20 (située côté du déchargement du coke lors de la fin du cycle de cokéfaction) L'alimentation en charbon est réalisée par le biais de bouches d'enfournement en nombre variable, la figure 1 présentant un exemple d'un four comportant 5 bouches, repérées 1 à 5. Ces bouches peuvent être io fermées temporairement au moyen de tampons, repérés 6 à 10. La figure 1 présente les bouches en position ouverte. On a également fait figurer la partie supérieure 25 du chargement de coke au sein du four. Le traitement de cokéfaction provoque le dégagement de gaz chauds (600 à 650 C environ) évacués par une colonne montante 16, fermée à son sommet 15 par un clapet 21, représenté sur la figure en position ouverte. Les gaz sont évacués au moyen d'un barillet 28 (vu en coupe sur la figure 1) conduite de grand diamètre collectant les gaz des différents fours de la batterie, en vue d'un traitement ultérieur. Le raccordement entre le barillet 28 et la colonne montante 16 est effectué par une conduite débouchant dans la colonne montante en 29 (coude). Pendant la phase de défournement du coke, le four est isolé du barillet par l'intermédiaire d'une assiette 27, qui empêche les entrées d'air. Durant la phase de cokéfaction (production de gaz), l'assiette est ouverte et le clapet 21 est fermé, ce qui permet l'évacuation des gaz au sein du barillet. La graphitisation du four intervient notamment: - Sur les parois latérales, en particulier sur la partie supérieure des portes 19 et 20 Sur la voûte: on a figuré des dépôts de graphite sous les repères 11 à 15. Ces dépôts, s'étendant progressivement au niveau des bouches d'enfournement, diminuent le débit d'alimentation en charbon par les bouches 1 à 5. - En base de colonne montante, sous la forme de dépôts schématisés 24, résultant notamment de très fines particules de charbon entraînées par les gaz lors de l'enfournement. Les inventeurs ont mis en évidence de façon surprenante que ces différents dépôts néfastes pouvaient être éliminés ou très fortement réduits, grâce à une insufflation contrôlée de gaz contenant de l'oxygène, par la partie supérieure de la colonne montante, vers l'intérieur du four. On a mis en évidence que cette insufflation est efficace lorsque le volume du four au sein de laquelle elle est effectuée est réduit, c'est-à- dire lorsque les portes 19 et io 20 sont fermées et que le four contient un chargement de coke. L'insufflation est réalisée après le cycle de dégazage du coke, c'est-à-dire en fin de cuisson, lorsque la température du chargement de coke est à une température comprise entre 900 et 1100 C. Ces conditions ont pour but de favoriser les réactions d'oxydation des dépôts graphités par l'oxygène du gaz insufflé, ainsi que d'éviter une réaction d'inflammation spontanée avec le gaz, ce qui interviendrait avec un chargement non totalement dégazé. Ces conditions sont réunies dans la phase qui précède immédiatement le déchargement du coke, et lorsque le gaz insufflé ne peut s'échapper que par une ou plusieurs bouches d'enfournement ouvertes. Il est usuel, lors de la phase précédant immédiatement le défournement du coke, de retirer les tampons d'enfournement 6 à 10, de façon à nettoyer mécaniquement le siège des bouches, par exemple au moyen de trépans. Le procédé d'insufflation selon l'invention sera mis en oeuvre de façon très avantageuse durant cette phase, pendant laquelle le gaz insufflé ne peut s'échapper que par les ouvertures 1 à 5. De la sorte, le parcours du gaz insufflé au sommet de la colonne 16 conduit à réduire les dépôts néfastes 24, et 11 à 15. Le faible volume existant entre le sommet du chargement 25 et la voûte 17 assure que la pression de gaz injecté sera élevée, et que l'éjection du gaz par les bouches 1 à 5 s'effectuera dans des conditions cinétiques particulièrement favorables pour favoriser les conditions d'oxydation et d'entraînement mécanique des dépôts de graphite. Les inventeurs ont également mis en évidence que le procédé de nettoyage était mis en oeuvre de façon particulièrement avantageuse lorsque le gaz était insufflé et s'échappait par une ou plusieurs bouches d'enfournement partiellement ouvertes: cette mise en oeuvre peut être réalisée de la façon suivante: lors du nettoyage d'une bouche par un moyen mécanique mentionné ci-dessus, tel que le trépan, l'ouverture est naturellement réduite par le passage de l'outil au sein de la bouche. Si l'insufflation a lieu à ce moment, son efficacité est encore renforcée par la faible section résiduelle au niveau de la bouche, qui conduit à une accélération de la vitesse d'éjection du gaz entraînant, comme on l'a mentionné, une augmentation de la vitesse d'oxydation et de l'entraînement mécanique des dépôts. io Par ailleurs, le degré de graphitisation des bouches 1 à 5 est variable. Les inventeurs ont également mis en évidence que, pour augmenter l'efficacité du procédé, certaines bouches peu graphitisées pouvaient être obturées au moyen de leur tampon, de façon à ce que l'éjection du gaz soit concentrée de façon privilégiée sur les bouches les plus graphitisées. Ainsi, on constate fréquemment que les bouches les plus graphitisées sont situées à proximité de la colonne montante 16. L'invention est mise en oeuvre de façon très avantageuse lorsque l'insufflation est réalisée dans un four dont l'ouverture des bouches est réalisée de telle sorte que la vitesse et le débit de sortie du gaz soient plus importants aux bouches les plus graphitisées. Par exemple, on met en oeuvre avantageusement l'invention lorsque la bouche 5, la plus éloignée de la colonne montante, est obturée par le tampon 10, alors que les bouches 1 à 4 sont en cours de nettoyage mécanique, de façon à ce que leur ouverture partielle conduise à une éjection plus violente de gaz et à un nettoyage particulièrement efficace. Les inventeurs ont mis en évidence que l'insufflation de gaz doit être effectuée avec une pression minimale de 4 bars au sommet de la colonne montante, faute de quoi le nettoyage est insuffisant. Au-delà d'une pression de 20 bars, il existe un risque d'endommagement pour les installations, principalement au niveau des tampons d'enfournement. De plus, l'insufflation doit être effectuée pendant un temps minimal de 5 secondes pour permettre une réduction significative des dépôts. Selon un mode de réalisation préféré, une durée d'insufflation de 15 secondes permet 2883295 8 d'assurer que ce résultat est bien atteint en favorisant les réactions de combustion des dépôts. Le gaz insufflé contient de l'oxygène, de façon à provoquer une réaction d'oxydation exothermique des dépôts. De façon économique, l'air peut être utilisé dans le procédé selon l'invention, mais l'efficacité du procédé peut être encore accrue par addition complémentaire d'oxygène dans le gaz. Selon l'invention, le gaz est insufflé par l'intermédiaire d'une lance 22, dont l'extrémité est temporairement positionnée à la partie supérieure de la colonne montante, à l'intérieur de celle-ci: si la lance était positionnée de io façon fixe sur la colonne montante, la corrosion et les effets des fortes températures conduiraient à sa dégradation plus ou moins rapide. De plus, une telle position fixe entraînerait inévitablement une graphitisation de cette lance et réduirait l'efficacité de son fonctionnement. II est usuel que les colonnes montantes soit fermées par des clapets 21. Après l'ouverture du clapet, la lance 22 se positionne de façon temporaire au sein de la colonne montante, de telle sorte que sa partie terminale 23 soit orientée vers le bas de cette colonne pour diriger le jet de gaz, comme le montre la figure 1 où l'on a également schématisé le flux de gaz par des flèches. Ce positionnement peut être assuré par exemple par le pivotement de la lance 22 autour d'une articulation 26. Plusieurs lances peuvent être naturellement utilisées simultanément pour accroître l'efficacité du procédé. Selon un mode préféré de l'invention, la longueur de la lance 22 est telle qu'une fois introduite par le haut de la colonne et disposée en position d'injection de gaz, sa partie terminale 23 se situe à un niveau inférieur à celui de la liaison 29 entre la colonne et le barillet. De la sorte, l'insufflation de gaz s'effectue uniquement vers la partie inférieure de la colonne montante, et non vers le barillet par l'intermédiaire de la liaison 29 (coude). On évite ainsi une l'entrée de gaz dans le barillet par une ouverture inopinée de l'assiette. Après injection du gaz, la lance 22 est dégagée de la partie supérieure de la colonne 16, et le clapet 21 est refermé sur l'extrémité supérieure de cette colonne. La lance 22 peut être reliée de façon permanente ou temporaire à une source de gaz. Dans le premier cas, il peut s'agir par exemple d'un réseau de distribution de gaz ou d'air comprimé. Dans le second cas, une mise en place efficace et économique du dispositif peut être effectuée de la façon suivante: on sait que l'alimentation en charbon des fours à coke est usuellement réalisée au moyen d'une tour à charbon fixe située à une extrémité de la batterie des fours à coke. Une enfourneuse mobile se positionne au niveau de cette tour, effectue un chargement de charbon, puis se déplace pour se positionner au niveau d'un io four. La lance 22 peut être reliée avantageusement de façon solidaire à une source de gaz placée à demeure sur l'enfourneuse à charbon. Cette source de gaz peut être par exemple constituée d'un ballon de stockage alimenté par un compresseur d'air. Un détendeur intermédiaire permet d'assurer que la pression du gaz insufflé par la lance 22 correspond bien au niveau désiré. De la sorte, l'insufflation de gaz intervient lorsque l'enfourneuse vient se positionner au niveau d'un four, dans la phase précédant son défournement. Compte tenu de l'encombrement, il peut être cependant malaisé d'installer l'ensemble de la source de gaz sur l'enfourneuse. Avantageusement, une source dite primaire de gaz (constituée par exemple d'un ballon de stockage sous haute pression alimenté par un compresseur d'air ou un réseau) peut être disposée d'une manière fixe sur la tour à charbon, et une source dite secondaire de gaz (constituée par exemple d'un ballon de stockage à plus faible pression) peut être placée sur l'enfourneuse à charbon. Lorsque l'enfourneuse vient effectuer un chargement auprès de la tour à charbon, on effectue une liaison temporaire par exemple au moyen d'un raccord rapide, entre la source primaire et la source secondaire, et on effectue ainsi un stockage de gaz au sein de cette dernière. Lorsque le chargement de charbon est terminé, le raccord est désaccouplé, et l'enfourneuse part se positionner au niveau d'un four avec la source secondaire de gaz prête à assurer l'insufflation au moyen de la lance 22 placée elle-aussi à demeure sur l'enfourneuse. L'exemple qui suit démontre l'efficacité de l'invention: On a comparé l'évolution de la graphitisation de deux fours, - Un premier four a été nettoyé régulièrement au moyen d'un procédé conventionnel: un soufflage d'air est effectué par le bas de la colonne montante, immédiatement après chaque défournement. Le clapet de la colonne montante est ouvert pour chasser les dépôts hors du four; Un second four a été nettoyé au moyen d'un dispositif et d'un procédé selon l'invention: le soufflage a été effectué vers l'intérieur du four au moyen d'une lance placé temporairement au sommet de la colonne montante. Le soufflage a été effectué pendant 15 secondes sous une pression de 6 bars, immédiatement avant défournement du coke à la température de 900 à 1100 C. Le tableau ci-dessous résume l'état de graphitisation des fours après 200 jours de marche. Mode de Proportion Epaisseur de Proportion de Accumulation soufflage de graphite graphite en voûte et graphite au d'éléments en base de en paroi au niveau niveau des deux grossiers de coke colonne (*) des deux bouches bouches les sur les portes les plus proches de plus proches de la colonne la colonne (*) montante Procédé 50-60% 50-60mm 30-40% Présence convend'épaisseur constatée -tionnel Procédé 25% _ 20% Réduction de selon 10 à 20 mm 80% par rapport à l'invention d'épaisseur la technique conventionnelle (*) : Un indice de 100% exprime un bouchage complet Grâce à l'invention, le nettoyage des machines, des abords et du dessus des fours est très réduit en raison de la projection nettement moins importante de mousses incandescentes. Pour la même raison, le risque de détérioration des câbles électriques est également réduit. La diminution du graphitage au niveau des bouches d'enfournement du charbon supprime la nécessité d'intervention par marteau-piquage, ce qui réduit le risque de détérioration des briques et des joints réfractaires. Grâce à l'invention, la diminution du graphitage des voûtes des fours réduit le risque de blocage des repaleuses (dispositifs destinés à égaliser le niveau supérieur du charbon) des défourneuses, et donc les coûts d'entretien et de réparation. Le dispositif selon l'invention est simple à mettre en oeuvre, à faible coût de maintenance, et s'intègre aisément à une installation existante. REVENDICATIONS 1. Procédé de nettoyage d'au moins un four d'installation de cokéfaction du type comprenant au moins une paroi latérale (18), une voûte (17), au moins une porte (19), une colonne montante (16), au moins une bouche d'enfournement (1), selon lequel on insuffle un gaz contenant de l'oxygène par la partie supérieure de ladite colonne montante dudit au moins un four contenant un chargement de coke à une température de 900 à 1100 C, ladite io insufflation étant effectuée après le cycle de dégazage de ladite cokéfaction, et avant le déchargement dudit coke hors dudit au moins un four, ladite au moins une porte (19) étant fermée, ledit gaz insufflé s'échappant exclusivement par au moins une bouche d'enfournement (1) dudit au moins un four. 1s 2. Procédé de nettoyage selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite au moins une bouche d'enfournement (1) est partiellement ouverte durant ladite insufflation 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le degré d'ouverture de ladite au moins une bouche d'enfournement (1) durant ladite insufflation varie avec son degré de graphitisation 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le degré d'ouverture de ladite au moins une bouche d'enfournement (1) durant ladite insufflation varie selon sa proximité avec la base de ladite colonne montante (16) dudit au moins un four. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la durée de ladite insufflation est supérieure à 5s, et préférentiellement à 15s. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit gaz est insufflé sous une pression allant de 4 à 20 bars 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on ajoute de l'oxygène dans ledit gaz insufflé. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit gaz insufflé est de l'air. i0 9. Dispositif d'injection d'un gaz contenant de l'oxygène dans au moins un four d'installation de cokéfaction du type comprenant au moins une paroi latérale (18), une voûte (17), au moins une porte (19), une colonne montante (16), au moins une bouche d'enfournement (1), ledit dispositif d'injection ts comprenant au moins une source dudit gaz reliée à au moins une lance (22) dont la partie terminale d'injection est susceptible d'être introduite temporairement au voisinage de la partie supérieure de ladite colonne montante (16) et à l'intérieur de celle-ci, et dont ledit jet de gaz est dirigé vers la base de ladite colonne. 10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce que la longueur de ladite au moins une lance (22) est telle, qu'une fois introduite par le haut de ladite colonne montante (16), sa dite partie terminale d'injection (23) se situe à un niveau inférieur à celui de la liaison (29) entre la colonne montante et le barillet. 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce que ladite au moins une lance (22) et ladite source de gaz sont reliées de façon solidaire à une enfourneuse à charbon animée d'un déplacement relatif par rapport audit four, et se positionnent au niveau de ladite colonne montante (16) dudit four parle biais du déplacement de ladite enfourneuse. 12. Dispositif selon la revendication 11 caractérisé en ce que ladite source dudit gaz, dite source secondaire, est reliée de façon temporaire à une source de gaz fixe, dite source primaire. 13. Dispositif selon la revendication 12 caractérisé en ce que ladite source primaire est située sur une tour à charbon 14. Dispositif selon la revendication 12 ou 13 caractérisé en ce que la dite liaison temporaire entre lesdites source primaire et secondaire est un raccord io rapide.