CA1148494A - Four electrique a haut rendement pour la calcination de matieres carbonees - Google Patents

Abstract

Procédé de traitement de matières carbonées contenant des matières volatiles dans lequel, dans le but d'éliminer ces matières volatiles, on fait circuler une charge de matières carbonées à l'intérieur d'un four dans lequel cette charge est chauffée par passage d'un courant électrique, et dans lequel un mélange gazeux contenant de l'hydrogène et des composés hydro-carbonés, provenant de cette charge circule à contre courant de celle-ci. Le procédé est caractérisé en ce qu'on injecte dans la partie supérieure du four une quantité, limitée d'un gaz comburant qui permet de brûler une partie au moins de l'hydrogène et des composes hydro-carbonés présents à l'intérieur du four. Et un four pour mettre en oeuvre ce procédé.

Description

La pré~ente invent.ion concerne un four de calcination et un procédé de trai-tement de mati.ères carbonée~ contenant des matières volatiles.
he nouveau four qui fait l~objet de l'invention est du type dans le~uel la charge à traiter joue le r81e de ré~i~tance électri~ue et s'échauffe par passage direct du courant à travers elle. Ce four convien-t pour la calcina-tion de matières carbonées et, en particuliert de l'anthracite, dans le but d'éliminer les matières volatiles qu'elles contiennent.
Il existe dé~à des fours électriques de calcination de 1'anthracite par passage de courant à travers la charge tels que ceux décrits dans le brevet FR 1 051 895 page 1, colonne de gaucheO bes fours compor-tent une cuve cylindrique verticale à
l'intérieur de laquelle on ~ait ci:rculer en continu, de haut en bas, une charge d'anthracite. ~e contact électrique entre la charge et les amenées de courant est assuré au moyen d'électrodes placées a~x deux extrémité~ supérieure et inférieure du four, en général dans l'axe.
Au cour~ du chauffage, les matières carbonées chargées perdent leur humidités puis leurs matières volatiles progressi-vement dans un domaine de -température pouvant aller ju~qu'à
1300C et le produit, extrait à la base du four, convient parti-culièrement bien pour la fabrication d'élec-trodes ou de bloc~ de formes diverses en carbone ou graphite.
Comme cela est indiqué dans la description du brevet cité, ce type de four présente plusieurs inconvénients: tout d'abord, la température à ].a~uelle est portée la charge n'est pas du tout homogène; la fraction de celle-ci qui se trouve au voi~i-nage de l'axe du four atteint des temperatures telles qu'elle ~e transforme en graphi-te, état qui n'e~t pas souhaitable pour la fabrication de pates carbo~ées. Au con-traire, la fraction de la charge qui se trouve à ~a périphérie du four est mal chauffée et ~ ~ ~r~

~ouvent incomplètement degazée.
Dans la pratique, ~i on veut réduire au minimum la frac-tion de la charge d'anthracite mal dégazee, il faut accepter de ~urchauffer une part importante de ce-tte charge. Ceci a pour conséquence une consommation accrue dlénergie électrique qui e~t de 1'ordre de 1200 KWH par tonne d'cm thraci-te. Par ailleurs, les matières volatiles qui distillent sont perdue3~
Dans le FR 1 051 895 déjà ci-té, il a été proposé d'u-tiliser les matières volatiles issues du four de calcination10 pour réaliser un préchauffage de l'an-thracite avant de le f`aire pénétrer dans le four.
Ce préchauffage peut ~tre effectué dans un ~our tou~nant qui comporte des br~leurs alimentés par les matières volatiles provenant du four électrique ou dans un four vertical dans le-quel on fait descendre les grains d'anthracite à travers un courant de gaz chaud provenant de la combustion des matières volatiles dans un br~leur séparé.
Ce procédé, qui améliore effectivement le rendement global de calcination~ nécessite la réalisa-tion d'une installa-tion rela-tivement complexe comportant deux fours en série dont la construc-tion est coûteuse et l'exploitation relativement dé-licate. I1 est, en particulier, nécessaire dtéviter l'excè~ de comburant dans le mélange gazeux pour ne pas oxyder l'anthracite9 et ceci peut entrainer de~ risques dlexplosion non négligeables en présence de grandes quantités d'hydrogène. Par ailleurs, ce dispositif ne remédie pas à l'inconvénient le plus sérieux du four électxique qui est le m~nque d'homogénéité dans le chauffage de la charge.
~ e nouveau four, qui fait l'objet de l'invention, permet de diminuer de façon très importante la consommation d'énergie des fours électriques de calcination de matières carbonées qui viennent d'etre décri-ts, -tout en évitant de les combiner avec des dispositifs complexes de prechauffage de la charge. Il permet auss:i d'ameliorer dans une certaine mesure l'homoge-néité de température de la charge et, enfin, il permet de recuperer les matières volatiles degagees pendan-t la calcina-tion, dont la totalite ou la majeure partie pourra être utili-see pour d'autres applica-tions.
Selon la presente invention, il est prevu un procéde de traitement de matières carbonees contenant des matières volatiles dans lequel, dans le but d'eliminer ces matières volatiles, on fait circuler une charge de matières carbonees :à l'interieur d'un four dans lequel cette charge est chauffee par passage d:'un courant électrique, et dans lequel un melange gazeux contenant de l'hydrogène et des composes hydro-carbones, provenant de cet-te charge circule à contre courant de celle-ci, caracterise en ce qu'on injecte dans la partie superieure du four une quantite limitee d'un gaz comburant qui permet de bruler une partie au moins de llhydrogène et des composes ~hydro~Garbones presents à l'in-terieur du four.
Selon la presente invention, il est aussi prevu.un .four de calcination de matières carbonees contenant des mati~-res volatiles comportant une cuve verticale munie de moyens d'introduction.de ces matières carbonees à la partie supe-rieure, et des moyens d'extraction de ces memes matières à
la partie inferieure, ces moyens permettant de maintenir la cuve sensiblement remplie par la charge de matières carbonees, des moyens de contact electrique de cette charge avec:une source de courant electrique, des moyens de liaison externe de la zone superieure du four avec la zone inférieure compor~
tant des moyens d'entrainement des gaz reducteurs extraits de la zone supérieure du.four.vers le bas et des moyens d'in-troduction d:'une partie~au moins de ceux-ci dans la zone inf-e-. -3-.~,, rieure du.four, caractérisé en ce ~ue la cuve du.four est munie dans sa partie superieure d'un ou:plusieurs dispositifs d'introduction de gaz re1ies ~ une sourc~ de gaz comburant.

On a constaté que, grâce à la combinaison de ces moyens, il est possible à la ois de:
1. - récupérer une fraction importante de l'énergie contenue sous forme de chaleur dans les matières calcinées qui sont extraites du four,

2. - améliorer la répartition de la température de la charge à l'intérieur du four,

3~ - brûler une petite fraction des matières volatiles qui se dégagent de fa,con à réduire la consommation d'énergie électrique et à réaliser aussi un préchauf-fage de la charge dès son entrée dans la zone supé-rieure du four pour éviter la condensation dans cette zone d'une fraction des mati~res volatiles.
: 4~ - transférer à l'extérieur du four les matières volati- , les qui se dégagent de la charge et les recueillir .
afin d'en utiliser la plus grande partie comme source d'énergie pour les utilisations les plus diverses.
Les figures ci-après illustrent de façon non limita-tive un mo~e de mise en oeuvre de l'invention.
La figure 1 représente, en élévation et en coupe, un nouveau four suivant l'inve~tion.
La -figure 2 représente le dispositi~ d'introduction de.comburant dans la zone supérieure du fourA
Le four électrique représenté figure 1 est constitué
d~une virole cylindrique (1) en t~le d'acier pourvue d'un gar nissage intérieur en réfractaire (2). La charge (3) est cons-tituée de grains d'anthracite qui sont introduits à l'extrémité
supérieure du four au moyen d'une trémie (4) pourvue d'un sas (5) fermé par deux clapets à ouverture et fermeture combinées (6) et ~7).
Au moyen de ce dispositif, on réalise les apports d'an thracite nécessaires pour maintenir le four pratiquement rempli g ~7 sans pertes impor-tantes de gaz par passage à tra~ers le sa3 à
con~re courant. A la partie inférieure, ~e goulot-te d'évacua-tion (~) est prolongée par un sas (9) ferme par deux clapets (10) et (11) a ouverture et fermeture combinée~ à in-tervalles déterminés pour règler l'écoulement dc la charge a travers le four à vi-tesse suffisamment :~aible pour atteindre le degré de calcination souhaité.
Deux électrodes de graphite (12) et (1~) sont reliées à des amenées de courant non représen-tées don-t la tension est aju~tée de façon à porter la charge à la température néce~saire pour calcincr convenablement l'anthraci-te, température qui est, suivant les utilisations, de l'ordre de 1200 à 1700C.
Un orifice (14) à la partie supérieure du four est relié
par une canali~ation (15) à ~m ventilateur (16) qui entra~ne les gaz extraits du four et les fait p~sser à tr~vers un conden-seur (17) refroidi par exemple par circulation d'eau, dans lequel 50nt retenus les goudrons et les composés hydrocarbonés liquides à température ambia~te. ~es ga~ non condensés passent ensui-te à -travers un laveur (18~ où les particules solides et aussi cer-tains composés acides ou autres sont retenus, puis dans un ré-partiteur (19) au moyen duquel la fraction de gaz excédentaire eetprélevée et dirigée par la canalisation ~20) vers d'autres utili-sations-tandi~ que le reste du gaz est conduit par la canali~ation (21) à l'orifice ~22) à la base de la goulotte d'évacuation (8) juste au-dessus du clape-t (10). De cette façon, les gaz ainsi réintroduits dans le four sont en majeure partie débarrassés des composés contenant ae l'oxygène tels que vapeur d'eau et gaz carbonique qui auraient-pu réoxyder en partie la charge.
~orsque le four est en régime de fonctionnement, les ga~ froids qui pénètrent par cet orifice (22) rencontrent l'anthractie cal-ciné porté à haute -température qui se dirige ver~ la goulotte d'évacuation. L'échange de chaleur qui s'effectue permet de re~'roldir l'anthracite avan-t sa sortie du four a une température pouvant descendre au-dessous de 200C pour éviter sa combustion rapide et permet de porter à température élevée les gaz qui circulent à contre couran-t. Au fur et à mesure de leur montée dans le four, ces gaz qui 9 gr~ce à leur haute teneur en hydrogène, présen-tent une très grande diffusivité, favorisent une certaine homogénéisation de la -température en augmentant les transferts de chaleur radiaux entre le5 zones au voisinage de l'axe et les zones périphériques. En même temps, ces gaz, lorsqu'ils attei-gnent la ~one supérieure du four, provoquent un réchau~fementconsidérable de celle-ci en échange~t leur chaleur avec les grains d'anthracite qui viennent de pénétrer dans le four par le sas (5) et 1~ clapet dtintroduction (7). Au cours de leur traver-sée du four à contre couran-t de la charge, les gaz introduits se mélangent aux matières volatiles résul-tant de la calcination et leur quantité massique s t accro~-t. Si la température de la charge, dans la zone supérieure du four, est suffisante, l'ensemble de ces gaz ~ort du four par l~orifice (14) et effectue ensuite le cycle operatoire déjà decrit. ~e débit du courant gazeux qui parcourt le four est réglé en utilisant un ventilateur (16) de caractéristiqwes convenables pour que la pression à l~orifice d'entrée (22) atteigne une valeur suff'isante. Cette pression dépend essentiellement de la hauteur de la charge d'anthracite contenue dans le four et de sa granulométrie.
On remarque que, en l'absence de fuite, c'est toujours la même quantité de gaz qui circule en circuit fermé Il en ré-sulte ~ue les matières volatiles qui se degagent de la charge sont, sont, en régime permanent, in-tégralement recupérés à lleætérieur du ~our en partie dans le condenseur (17) et le laveur (18) et en partie à travers la canalisa-tion (20). ~eci montre bien que les gaz qu'on fait circuler à travers la charge à contre courant jouent uniquement le rôle d'un caloporteur perme-ttant de transfé-rer des calorlea d'une région à une autre~
~ a diminution de consomma-tion dlénergie électri~ue constatée dans l'utilisation d'un tel four dépend d'assez nom-breux fac-teurs -tels que ses dimensions, son rapport hauteur-diamètre, les caractéristiques physiques e-t physicochimiques des c~nthracites ou éventuellement d'autres matières carbonées qui sont -traitées. Cette diminu-tion de consommation dépasse en général 50% et peut atteindre 80% de la consommation d'un four électrique classique pour calcination dlanthracite.
En meme temps, comme cela a été montré, la qualité des produits calcinés est améliorée, car plu~ homogène, et enfin, on récupère les matières volatiles résultant de la calcination.
On évite cependant difficilement u~e certaine condensation des matières volatiles dans la partie haute du four due à une tempé-rature de charge dans cette zone pas tout à fait assez élevée.
Afin d'éviter cet inconYénient et aussi de réduire encore la consommation d'énergie élec-trique on injecte dans la partie supérieure du four une quantité limitée d'un gaz combu-ran-t oxygène ou air ~ui perme-t de faire brûler une fxaction des matières ~olatiles: ce-tte combustion provoque un réchauffage ac-cru de la charge dans cet-te zone. En réglant convenablement l'ap-port de comburant, on porte la temperature de la charge à un ni-veau suffisant pour évi-ter la condensation d'~e ~raction des matières volatile~ et permettre 1'entra~nement de cette fraction à l'extérieur du four ju~qu'au conden~eur.
On voit figure 2, la partie supérieure d'un four du m~mc type que celui d~ la fig~ure 1 équipé d'un di3posi-tif d'in-jection d'air~ Un ~en-tilateur (23) introduit de l'air dan~ une canalisation annulaire (24) entouran-t la partie supérieure du ~ four qui est reliée par des tubulures radiales (25)-(26) a des orifices (27)-(28) traversant la paroi du four. On dispo~e un nombre sufi~a~t d~orifices tou-t autour du four pour réaliser à

l'intérieur un mélange convenable entre comburant et gaz com-bustibles. Llinjection doit être faite dans une zone suffi-samment chaude pour provoquer une auto-inflammatlon des gaz.
Dans la prati~ue, l'emplacement de cette zone dépend d'un certain nombre de facteurs et en par-ticulier de la proportion de gaz comburant qu'on se propose d'injecter. On porte ainsi les gaz à une température suffisamment élevée pour qu'ils accroissent, de fa~con importante, la température de la charge par contact au cours de leur trajet jusqu'à llori~ice (1~) de sortie du four. ~u-delà de cet orifice, les gaz sont traités de la fa~on habituelle puis recyclés en partie, toujours de la meme façon.
De nombreuses varian~es de réalisation peuvent être apport~es au nouveau four suivant l'invention~ C'est ainsi que la disposition des electrodes de chauffage de la charge peut être modifiée. On peut envisager, en particulier de remplacer l'une des électrodes ou les deux par un groupe d'électrodes de section plus faible disposées non pas axiale-ment mais au voisinage de la périphérie en les repartissant en couronne pour éviter de créer des dissymétries dans le chauffage. ~n pourra ainsi faire appel éventuellement a des électrodes creuses à llintérieur desquelles sera injecté le gas caloporteur.
Enfin, le même type de four peut être utilisé pour chaufer d'autres matières carbonées que l'anthracite telles que, par exemple, des charbons, des lignites, des cokes de toutes natures, les matières carbonées peuvent etre sous forme de gr~ins de dimensions diverses, ou encore dtagglomérés tels que des boulets.

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Claims (3)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de traitement de matières carbonées conte-nant des matières volatiles dans lequel, dans le but d'élimi-ner ces matières volatiles, on fait circuler une charge de matières carbonées à l'intérieur d'un four dans lequel cette charge est chauffée par passage d'un courant électrique, et dans lequel un mélange gazeux contenant de l'hydrogène et des composés hydro-carbonés, provenant de cette charge circule à
contre courant de celle-ci,caractérisé en ce qu'on injecte dans la partie supérieure du four une quantité limitée d'un gaz comburant qui permet de brûler une partie au moins de l'hydrogène et des composés hydro-carbonés présents à l'inté-rieur du four.

2. Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que le gaz comburant est de l'oxygène ou un mélange azote oxygène.

3. Four de calcination de matières carbonées conte-nant des matières volatiles comportant une cuve verticale munie de moyens d'introduction de ces matières carbonées à la partie supérieure, et de moyens d'extraction de ces mêmes matières à la partie inférieure, ces moyens permettant de maintenir la cuve sensiblement remplie par la charge de matiè-res carbonées, des moyens de contact électrique de cette charge avec une source de courant électrique, des moyens de liaison externe de la zone supérieure du four avec la zone inférieure comportant des moyens d'entraînement des gaz réducteurs extraits de la zone supérieure du four vers le bas et des moyens d'introduction d'une partie au moins de ceux-ci dans la zone inférieure du four, caractérisé en ce que la cuve du four est munie dans sa partie supérieure d'un ou plusieurs dispositifs d'introduction de gaz reliés à une source de gaz comburant.