LU82999A1 - Procede et installation pour la fabrication en continu de coke metallurgique - Google Patents

Description

Procédé et installâtion pour la fabrication en continu de coke métallurgique

La présente invention concerne un procédé de fabrication en continu de coke métallurgique ainsi que l’installation necessaire à • 5 la mise en oeuvre du procédé.

La fabrication de coke métallurgique, essentiellement discontinue à l’heure actuelle, consiste ä enfourner les matières premières, principalement du charbon cokéfiable, dans des cellules de car-10 bonisation et ä chauffer ces matières qui par distill'ation et agglutination donnent des produits ayant la forme bien connue du coke utilisé dans les usines métallurgiques. On rencontre actu-v ellement des difficultés d'ordre économiques dans une telle fa- * brication â cause de la diminution des réserves de charbon 15 cokéfiable et de l’augmentation du prix de ces charbons. Ces difficultés deviennent également plus aigues du fait de l’augmentation rapide du prix de la main d'oeuvre pour ce qui est de la construction d'unités de fabrication classiques nouvelles.

' 20 Bien que la mise au point de procédés de fabrication de coke moulé ait atteint un stade de développement industriel, ces procédés présentent les inconvénients de nécessiter des investissements importants pour construire des nouvelles installations appropriées, de ne pas pouvoir toujours permettre l’utilisation de 25 charbon non cokéfiable et de produire parfois des cokes qui sont de dimensions trop petites et qui ont une densité trop forte.

C'est dans ce contexte que le déposant a décrit dans la LU 72.666 un procédé de fabrication en discontinu de coke métallurgique dans ‘ 30 des cellules classiques de carbonisation permettant d'utiliser un * fort pourcentage de charbon non cokéfiable et ainsi de remédier aux difficultés et inconvénients décrits ci-dessus. *

Ce procédé prévoit essentiellement que l'on agglomère du charbon 35 fin non cokéfiable sous forme de boulets ou de briquettes dont les dimensions sont inférieurs à celles du produit final, en ce que l'on mélange les agglomérés crus ainsi obtenus avec du charbon - 2 - fin cokëfiable et en ce que l'on soumet ce mélange à un traitement de carbonisation.

Maigre les avantages indéniables qu'apporte la possibilité d'uti-5 liser du charbon non-cokéfiable en pourcentages plus ou moins élevés, ces avantages se situent uniquement sur le plan économique du coût des matières premières. Or la cokéfaction classique est un processus que pose également des problèmes qui se sitüent sur le plan de la protection de l'environnement et ceci à cause des 10 effluves liquides et des émanations gazeuses qui accompagnent les < réactions de cokéfaction.

Le but de la présente invention consiste à proposer un procédé de fabrication en continu de coke métallurgique supérieur aux procédés 15 connus, tant du point de vue économique que du point de vue de la protection de l'environnement.

Ce but est atteint par le procédé suivant l'invention qui prévoit de carboniser des matières carbonifères, telles que des charbons 20 cokéfiables ou réputés non-cokéfiables, par un chauffage indirect, caractérisé en ce que l'on déplace les matières carbonifères en continu et dans un sens vertical à travers un système essentiellement fermé, que l'on ajuste les conditions de transfert de la chaleur vers les matières carbonifères en voie de carbonisation, ainsi 25 que leur vitesse de déplacement de manière à limiter le temps de cuisson à 6-7 heures et à établir dans le système dans lequel s'effectue la carbonisation, des zones de températures déterminées v croissantes dans le sens du déplacement des matières et que l'on assure que tous les composés gazeux ou liquides qui sont formés au 30 cours du processus parviennent depuis leur zone de formation dans" la zone spécifique où règne la température maximum, d'où on les évacue.

L'idée qui est à la base de l'invention découle de considérations 35 sur les mécanismes des réactions qui se déroulent au cours de la carbonisation des matières carbonifères et sur la cinétique de la pyrolyse du charbon.

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Suivant l'invention on accélère le passage de l'énergie thermique de l'extérieur vers les matières cabonifëres en effectuant la carbonisation dans un système qui présente une conductibilité thermique supérieure ä celle qui correspond à la pratique convention-5 nelle, l'apport d'énergie étant effectué par l'intermédiaire d'un milieu calorifère porté ä 1000-1200 °C.

Ainsi il est prévu suivant l'invention qu'en vue de dégager l'humidité des matières carbonifères, on établit une première zone où 10 règne une température de 150-160 °C, qu'en vue d’encourager le dé-v gagement sélectif des goudrons, et par la la fusion des charbons, on établit une zone où règne une température de 350-360 °C, qu'en vue de provoquer la formation sélective des produits condensables, on établit une zone où règne une température de 500-600 °C, et 15 finalement qu'en vue de parfaire la solidification du coke produit, on établit une dernière zone où règne une température de 1000 °C.

En effet quand on chauffe progressivement .du charbon on peut distinguer plusieurs zones de température où se déroulent des réactions 20 significatives: - entre 100 et 150°, l'humidité se dégage; - entre 200 et 350°, les charbons ne changent guère de poids; - entre 400 et 500°, il y a décomposition rapide des charbons gras 25 et flambants; - au-dessus de 500°, la vitesse de perte de poids tombe à une valeur faible et remarquablement indépendante du charbon à condi- » tion d'avoir un minimum de 20% en matières volatiles; - à 1000°, le poids reste ä peu près constant.

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La différence de rendements en matière volatiles entre un chauffage lent et un chauffage rapide tient essentiellement à la cokéfaction des produits bitumineux, du type des goudrons primaires, à l'intérieur des grains de charbon avant le passage en phase vapeur 35 qui est d'autant plus important que le chauffage est plus lent.

Avant 350°, ne se dégagent guère que des gaz déjà formé et occlus dans le charbon.

- 4· - C’est vers 350° pour les flambants et vers 400° pour les charbons à coke que commence le dégagement rapide constitué essentiellement par des goudrons.

5 À 500°, pour une vitesse de chauffage classique de 3°C/min., on obtient la quasi-totalité des produits condensables.

Il surprend de constater que les goudrons et benzols he se forment que dans une zone aussi étroite.

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Les goudrons très peu craqués sont des produits de masse moléculaire élevée, contenant jusqu’à 50 à 60% du brai et dont la constitution élémentaire est très voisine de celle du charbon de départ en ce qui concerne l’oxygène, le soufre et l’azote et peu 15 différente pour le carbone et l'hydrogène. On peut les représenter comme des fragments de charbon â peine dépolymérisés.

Il est important d'expliquer l'influence d'un certain nombre de paramètres sur le cours de la carbonisation.

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Il se produit presque simultanément deux types de réaction antagonistes quant à leurs efforts, mais forcément coexistantes pour que le bilan hydrogène s'équilibre.

25 D'une part les réactions de craquages produisent des constituants moins polymérisés que le charbon et dont des proportions importantes seront des liquides à la températures de pyrolyse. La saturation des deux radicaux formé par la rupture C - C exige de l'hydrogène.

30 D'autre part des réactions d'aromatisation et de condensation consistent en la formation de groupements aromatiques de plus en plus étendus à la fois par déshydrogénation, donc aromatisation de cycles saturés et réunion de groupements aromatiques entre eux par 35 formation de liaisons C - C aromatiques. Ces reactions libèrent de l'hydrogène et conduisent à la formation d'un résidu solide de carbone, soit a partir du charbon initial, soit à partir des liquide intermédiaires formés.

- 5· - L'équilibre entre les deux types de réaction est fonction de 1'hydrogéné disponible pour se combiner à 1'oxygène et au carbone dans les matières volatiles.

5 De la, il ressort que le teneur en matière volatiles dépend de leur constitution élémentaire, et en particulier de l'hydrogène disponible.

* , L'hydrogénation même très modérée des charbons augmentera donc le 10 rendement en goudrons et benzol ce qui a été prouvé en laboratoire v quand on carbonise sous courant d'hydrogène. L'oxydation est l'opé ration inverse, car elle consiste en une élimination d'hydrogène. Elle diminue la formation de goudrons, ce que l'on aperçoit quand on brûle du charbon oxydé : Il y a émission diminuée de fumées.

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Ainsi on peut supposer que la fusion des charbons est très probablement provoquée par la formation de goudrons qui, avant de passer en phase gazeuse, dissolvent et solubilisent les parties non encore trop condensées du charbon.

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Dans les charbons gras, les réactions de craquage se produisent les premières et entraînent l'état plastique. Après quoi, le résidu s'étant appauvri en hydrogène, les réactions antagonistes de condensation l’emportent et provoquent finalement la resolidifica-25 tion. Mais si le charbon est très riche en groupements oxhydriles, « ce qui est le cas des flambants, les réactions de condensation l'emportent dès le début et les goudrons ne provoquent plus de so-= lubilisation.

30 Ceci pourrait expliquer pourquoi l'augmentation de la vitesse de chauffage accroît le rendement en matières volatiles, bien qu'elle conduise à effectuer la pyrolyse à température plus élevée.

La vitesse de pyrolyse du charbon, mesurée par exemple par sa 35 perte de poids, dépend bien entendu de sa température, mais aussi du temps.

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On sait qu'à température constante, la vitesse de perte de poids décroît en fonction du temps, par suite de l'épuisement progressif de la substance initiale.

5 Dans le cas simple ou la vitesse de réaction de chaque molécule restante est indépendante de la concentration, la vitesse décroît exponentiellement en fonction du temps, étant à chaque instant i proportionnelle au nombre de molécules n'ayant pas encore réagi.

10 Dans des cas où la pyrolyse se fait par exemple par réaction bi- * moléculaire entre deux molécules initiales, la vitesse de réaction dépend de leur concentration et décroît en fonction du temps. Donc, à température constante, l'état du système en réaction est défini à chaque instant par le nombre de molécules qui n’ont pas réagi; 15 et la vitesse de réaction est seulement fonction de ce nombre.

L'expérience confirme que pour des vitesses de chauffage comprises entre 0,25 et 5 degrés/minute: 20 - la vitesse maximale de perte de poids par rapport à la tempéra ture doit être indépendante de la vitesse de chauffage.

- la température à laquelle cette vitesse est maximale doit croître avec la vitesse de chauffage, d'environ 15° quand la vitesse de chauffage double.

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Il ressort de ce qui précède que le décalage en température constaé . dans le dégagement des gaz et dans la température de résolidifica tion suivant la vitesse de chauffage a des raisons fondamentales de nature chimique. Ainsi lorsqu'on augmente la vitesse de chauf-30 fage du charbon, les réactions chimiques de pyrolyse, sans être fondamentalement modifiées, sont déplacées vers les températures plus élevées et d'autant plus que leur énergie d'activation est plus faible.

35 Les phénomènes de fusion et de solidification du charbon pendant sa carbonisation sont sous la dépendance de ces réactions chimiques et se déplacent avec elles.

« - 7' - L'installation nécessaire à la mise en oeuvre du procédé suivant l’invention est caractérisée en ce qu'une double paroi (1) en acier délimite une chambre cylindrique (0) ainsi qu'une chambre annulaire (2,3) concentriques, qu'il est prévu des passages (6) 5 entre les deux chambres, la chambre annulaire étant subdivisée au moins en deux compartiment (2) et (3) par au moins une cloison (7) essentiellement horizontale qui comporte des passages (5), le cour partiment inférieur (3) comprenant une entrée (4) de gaz de chauffage et que les extrémités de la chambre cylindriques (0) com- 10 portent des sas servant à l'introduction des matières carbonifères • par le haut et à l'évacuation du coke fabriqué par le bas. En plus il est disposé autour de l'extrémité supérieure de la chambre „ annulaire (2) un conduit (10) également annulaire qui est relié par plusieurs conduits (11) à ladite chambre ainsi qu'a un système 15 d'extraction de gaz.

Le fonctionnement de l'installation suivant l'invention ressort de la description du dessin schématisé qui représente de manière non-limitative une forme d'exécution possible. La chambre cylindrique 20 (0) peut être subdivisée grossièrement en 3 parties principales, ä savoir une partie de séchage (A), une partie de chauffage (B) et une partie de refroidissement (C). Les matières carbonifères sont introduites en continu dans la partie (A) par l'intermédiaire d'un sas non-représenté. Elles traversent tour à tour les différentes 25 zones (160, 350, 600, 1000) de la partie (B) de chauffage. Les gaz v et les liquides qui sont soit formés, soit craqués ou autrement modifiés dans leur constitution physique et chimique, sont évacués par les passages (6) et parviennent dans le compartiment (2) où ils sont mis au contact avec de la vapeur resp. l'air. En effet on 30 alimente le compartiment (3) de vapeur et d'air que l'on introduit par le bas, par l'entrée (4). Dans la partie du cylindre (0) qui est entourée par le compartiment (3) se déroule le refroidissement du coke produit. Grâce à la conception du procédé et de l'installation suivant l'invention, les gaz qui parviennent depuis le 35 compartiment (2) dans le conduit (10), ä travers les passages (11), sont principalement de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone.

Λ -S'il n'y a pas de vapeurs d'eau qui dans les procédés classiques donnent par la condensation des eaux résiduaires, exigeant des installations importantes d'épuration avant de pouvoir être déversées en rivière.

5 i ♦·

Claims (10)

1. Procédé de fabrication de coke métallurgique qui consiste à carboniser des matières carbonifères, telles que des charbons coké- 5 fiables ou réputés non-cokéfiables, par un chauffage indirect caractérisé en ce que l'on déplace les matières carbonifères en continu et dans un sens vertical à travers un système essentiellement fermé, que l'on ajuste les conditions de transfert de la chaleur vers les matières carbonifères en voie de carbonisation, 10 ainsi que leur vitesse de déplacement de manière à limiter le temps de cuisson â 6-7 heures et à établir dans le système dans lequel s'effectue la carbonisation, des zones ou régnent des tempé- ♦ ratures déterminées croissantes dans le sens de déplacement des matières et que l’on assure que tous les composés gazeux ou li- 15 quides qui sont formés au cours du processus parviennent depuis leur zone de formation dans la zone spécifique ou règne la température maximum, avant d'être évacués.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on 20 accélère le passage de l'énergie thermique de l'extérieur vers les matières carbonifères en effectuant la carbonisation dans un système qui présente une conductibilité thermique supérieure ä celle qui correspond I la pratique conventionnelle, l'apport d'énergie étant effectué par l’intermédiaire d’un milieu calorifère porté â 1000-1200°C. 25

3. Procédé suivant les revendications 1-2, caractérisé en ce qu'en vue de dégager l'humidité des matières carbonifères, on établit une première zone on règne une température de 150-160°C.

4. Procédé suivant les revendications 1-2, caractérisé en ce qu'ert vue d'encourager le dégagement sélectif des goudrons, et par la la fusion des charbons, on établit une zone ou règne une température de 350-360°C.

5. Procédé suivant les revendications 1-2, caractérisé en ce qu'en vue de provoquer la formation sélective des produits condensables, on établit une zone où règne une température de 500-600°C. A -2- '

6. Procède suivant les revendications 1-2, caractérise en ce qu'en vue de parfaire la solidification du coke produit, on établit une dernière zone où règne une température de 1000°C.

7. Procédé suivant les revendications 1-6, caractérisé en ce que l'on refrodidit le coke produit, directement à la suite de son passage ä travers la dernière zone, en établissant dans le même système une zone de refroidissement. 1

8. Procédé suivant les revendications 1-7, caractérisé en ce que l'on refroidit le coke produit, en exposant la zone de refroidissement . au contact indirect avec le milieu calorifère initialement froid.

9. Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant les reven-15 dications 1-8, caractérisée en ce qu'une double paroi (1) en acier délimite une chambre cylindrique (0) ainsi qu'une chambre annulaire (2,3) concentriques, qu'en vue de l'évacuation les composés formés il est prévu des passages (6) entre les deux chambres, la chambre annulaire étant subdivisée au moins en deux compartiments 20 (2) et (3) par au moins une cloison (7) essentiellement horizon tale, qui comporte des passages (5), le compartiment inférieur (3) comprenant une entrée (4) pour l'introduction du milieu calorifère, et que les deux extrémités de la chambre cylindrique comportent des sas servant à l'introduction de matières carboni-25 fëres respectivement à l'évacuation du coke fabriqué.

10. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce qu'en " vue de l'évacuation des composés formés il est disposé autour de l'extrémité supérieure de la chambre annulaire un conduit égale-30 ment annulaire qui est relié par plusieurs conduits ä ladite chambre ainsi qu'à un système d'extraction de gaz.