Économies d'énergie efficaces par le refroidissement à sec du coke chaud

Refroidissement à sec du coke chaud (CDQ)

Le refroidissement à sec du coke (CDQ) est un processus d'économie d'énergie utilisé lors de la production de coke dans la batterie de fours à coke. Une usine CDQ est également appelée usine de refroidissement à sec du coke (CDCP). Dans le processus traditionnel de trempage à l'eau (CWQ), le coke rougeoyant poussé depuis le four à coke est refroidi par pulvérisation d'eau sur le coke chaud. L'eau utilisée pour le refroidissement est vaporisée et rejetée dans l'atmosphère. Un problème avec ce système conventionnel est la perte d'énergie lorsque l'énergie thermique du coke rougeoyant est convertie en vapeur qui est vaporisée et rejetée sans être utilisée. Un autre inconvénient est que le processus CWQ produit également des poussières de coke en suspension dans l'air, et par conséquent, le processus CWQ est associé à de fortes émissions de CO₂ et à une perte d'énergie thermique.

Pendant le processus CWQ pour le refroidissement du coke sortant du four, la chaleur sensible du coke chaud est dissipée dans l'atmosphère et perdue. De plus, il y a des émissions en suspension dans l'air (0,5 tonne de vapeur par tonne de coke, chargée en phénol, cyanure, sulfure et poussière) et une grande quantité d'eau (environ 0,6 m³ par tonne de coke) est nécessaire pour le trempage à l'eau. Les contaminants dans l'eau sont également déversés dans l'environnement. Le tableau 1 montre la comparaison des propriétés typiques du coke produit par le processus CWQ et le processus CDQ.

Tableau 1 : Comparaison des propriétés typiques du coke produit par les procédés CWQ et CDQ
N°	Paramètres	Unités	Procédé CWQ	Procédé CDQ
1	Teneur en eau	%	2-5	0,1-0,3
2	Teneur en cendres	%	11,35	11,39
3	Composants volatils	%	0,5	0,41
4	Granulométrie moyenne	mm	65	55
5	Taux de coke fin (après coupure à -15 mm)	%	10	13
6	Porosité	%	49	48
7	Indice au tambour	%	83,5	85
8	Résistance du coke après réaction (CSR)	%	58	60

Dans le processus CDQ, le coke rougeoyant est refroidi par un gaz circulant dans un système fermé, empêchant ainsi le rejet de poussières de coke en suspension dans l'air. L'énergie thermique du coke rougeoyant, qui est perdue dans le processus CWQ conventionnel, est récupérée et réutilisée sous forme de vapeur dans le système CDQ. Cette technologie utilise moins de combustibles fossiles et entraîne des émissions de CO₂ plus faibles, contribuant ainsi à la prévention du réchauffement climatique. De nos jours, les usines CDQ ont attiré beaucoup l'attention mondiale en raison de leur récupération d'énergie efficace et de leur caractéristique de réduction de la pollution environnementale. Elles sont considérées comme une installation essentielle pour contrer les problèmes environnementaux comme le réchauffement climatique par le CO₂ et la pollution de l'air. Dans une étude où le calcul d'économie d'énergie a été effectué sur la base de l'exploitation d'un processus CDQ existant, il a été montré que 85 % de la chaleur perdue générée pendant la carbonisation du charbon est récupérée par le processus CDQ.

Historique

La technique CDQ a été introduite en Suisse par les frères Sulzer dans les années 1920. Quelques décennies plus tard, une conception améliorée du processus CDQ pour un fonctionnement continu a été produite par l'Institut Giprokoks en Russie. Après des essais pilotes et pilotes/commerciaux, la première installation CDQ à grande échelle a été mise en service en 1965 à l'Usine sidérurgique de Cherepovets en URSS. En 1978, environ 50 modules CDCP de 56 tonnes par heure étaient en fonctionnement en URSS. Au cours des deux dernières décennies, le processus CDQ a été progressivement accepté, bien que le processus CWQ reste populaire. Cependant, un grand nombre d'usines CDQ fonctionnent dans de nombreux pays. La figure 1 montre un module d'usine CDQ de conception Giprokoks d'une capacité de 56 tonnes par heure.

Le Japon a acheté la licence de l'URSS en 1975 et trois installations japonaises ont été mises en service en 1976-77. Comme la capacité de production des fours à coke augmente ces dernières années, la capacité CDQ a également dû s'adapter à cette tendance. Afin de suivre cette tendance et de satisfaire diverses exigences clients, le développement d'une usine CDQ à grande échelle à chambre unique (CDQ à chambre unique) pour le trempage d'une grande quantité de coke a eu lieu au Japon. Pour le CDQ à chambre unique, la disponibilité est un facteur très important car il n'y a pas d'installations de secours. Pour atteindre une haute disponibilité, un fonctionnement stable est essentiel. Pour un opérateur inexpérimenté, il est toutefois difficile d'atteindre un fonctionnement stable en ajustant divers paramètres. Ces dernières années, une nouvelle technologie d'automatisation pour les usines CDQ a également été développée. L'augmentation progressive de la capacité des chambres CDQ depuis 1975 est montrée à la figure 2.

Procédé CDQ

Le coke chaud après son poussage est amené du four à coke à l'usine CDQ dans un bac à ouverture inférieure posé sur le wagon de trempage. Ce bac est soulevé à l'usine CDQ par un dispositif de levage/chargement au sommet de la chambre CDQ et le coke rougeoyant est déchargé dans la pré-chambre par le dispositif de chargement. Le coke chaud (température autour de 1 000 °C à 1 100 °C) est refroidi dans la chambre par le gaz circulant. Dans la chambre, le gaz circulant se déplace en contre-courant par rapport au mouvement du coke, c'est-à-dire que le gaz circulant monte tandis que le coke descend par gravité.

Le gaz circulant dans une usine CDCP en fonctionnement continu est un gaz mélangé qui consiste principalement en azote (N₂) ainsi que de petites quantités de dioxyde de carbone (CO₂), de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H₂). La composition typique du gaz circulant est : N₂ – 70 % à 75 %, CO₂ – 10 % à 15 %, CO – 8 % à 10 %, et H₂ – 2 % à 3 %. Le coke chaud, en descendant dans la chambre, est refroidi à une température inférieure à 200 °C par le gaz circulant soufflé depuis la zone inférieure de la chambre de refroidissement et est déchargé par l'installation de déchargement au fond de la chambre. Le temps de passage du coke à travers la chambre est d'environ 5 à 6 heures. Les paramètres d'exploitation typiques pour une usine CDQ de capacité 56 tonnes/heure sont donnés au tableau 2.

Tableau 2 : Paramètres typiques pour une usine CDQ de 56 tonnes/heure
N°	Paramètre	Unité	Valeur
1	Capacité	tonnes/heure	56
2	Température de chargement du coke	°C	1 000 – 1 050
3	Température de sortie du coke	°C	200
4	Température d'entrée du gaz	°C	170
5	Température de sortie du gaz	°C	800 - 850
6	Génération de vapeur	tonnes/heure	25
7	Pression de la vapeur	kg/cm²	40
8	Température de la vapeur	°C	440
9	Volume total de gaz	Nm³/heure	84 000

Le gaz de circulation à haute température (environ 800 °C à 850 °C) après un processus d'échange thermique dans la chambre de refroidissement passe par le collecteur de poussière primaire et est alimenté dans la chaudière. Le gaz de circulation après un processus d'échange thermique dans la chaudière est refroidi à environ 180 °C. La vapeur générée dans la chaudière est utilisée soit comme vapeur de processus à usage général, soit convertie en vapeur surchauffée à haute pression pour la production d'énergie électrique via une turbine génératrice.

Le gaz de circulation passe par le collecteur de poussière secondaire dans le ventilateur de circulation de gaz, par lequel sa pression est augmentée, et sa composition est corrigée par addition de gaz N₂, puis le gaz de circulation est injecté au fond de la chambre CDQ. Si nécessaire, un sous-économiseur est installé pour diminuer la température du gaz de circulation à environ 130 °C, améliorant l'efficacité de refroidissement de la chambre de refroidissement.

Il existe des installations auxiliaires qui comprennent un dispositif de coupure pour extraire le coke de la chambre, un système d'élimination de la poussière pour enlever la poussière dans le gaz inerte de circulation, et le collecteur de poussière secondaire installé avant le ventilateur de circulation. Le flux de processus du procédé CDQ est montré à la figure 3.

Avantages du procédé CDQ

Le procédé CDQ présente de nombreux avantages par rapport au procédé CWQ conventionnel. Les principaux avantages sont décrits ci-dessous.

Utilisation de la chaleur sensible du coke chaud

L'énergie électrique peut être générée par le trempage à sec du coke sans consommation de combustibles fossiles. Cela entraîne une réduction des émissions de CO₂. À titre d'exemple (figure 4), un CDQ d'une capacité de 200 tonnes par heure (t/h) peut générer environ 36 MW d'énergie électrique. Pour produire la même puissance électrique avec une chaudière au fioul lourd, 12 t/h de fioul lourd sont nécessaires et cela entraîne 36 t/h d'émission de CO₂ dans l'atmosphère. Ainsi, une usine CDQ offre à la fois des avantages économiques et environnementaux. Comme elle récupère la chaleur sensible du coke, il y a une économie nette d'énergie. L'économie d'énergie est d'environ 0,25 Gcal/tonne de coke. Le processus CDQ permet ainsi une utilisation efficace de l'énergie qui est dispersée dans l'atmosphère dans le processus CWQ.

Protection de l'environnement

Dans le CDQ, il n'y a pas de fumée blanche qui est normalement vue sortant de la tour de trempage dans le cas du processus CWQ. Cette fumée blanche a une forte teneur en poussière. L'absence de fumée blanche dans le cas du processus CDQ est due au fait que tous les processus sont totalement fermés. Par conséquent, l'environnement de travail autour des équipements CDQ est amélioré.

En général, avec le processus CWQ, une grande quantité de poussière de coke (environ 300 g/t de coke à 400 g/t de coke) est émise, contenue dans la vapeur émise dans l'environnement. Le processus récemment développé de « trempage stabilisateur du coke (CSQ) » réduit le volume d'émission de poussière. Mais le processus CDQ reste plus efficace dans la prévention de l'émission de poussière. Le volume d'émission de poussière du CDQ est inférieur à 3 g/t de coke (figure 4). Cette valeur s'est encore améliorée avec les améliorations continues du processus CDQ en cours.

Le processus CDQ est également respectueux de l'environnement en ce qui concerne la pollution de l'eau et la conservation de l'eau. Cela est dû au fait qu'aucune eau n'est utilisée dans le processus CDQ, contrairement au processus CWQ où le milieu de trempage est l'eau.

Contribution du processus CDQ à l'amélioration de la productivité au HF

La qualité améliorée du coke produit par le processus CDQ conduit à l'amélioration de la productivité au haut fourneau (HF). En ce qui concerne le coke produit par le processus CDQ, il possède deux excellentes caractéristiques par rapport à la qualité du coke produit par le processus CWQ. Ces caractéristiques sont : (i) une résistance mécanique plus élevée du coke, et (ii) une teneur en humidité très faible dans le coke (presque nulle). Ces caractéristiques apportent certains avantages au HF qui sont décrits ci-dessous.

La consommation de combustible dans le HF est réduite de quelques pourcents puisque l'énergie thermique supplémentaire n'est pas nécessaire pour l'évaporation de l'humidité contenue dans le coke. Cela contribue également à la réduction du CO₂ au HF, et à une amélioration de la production d'énergie à la TRT (turbine de récupération de pression au sommet) due à l'augmentation de la température au sommet du HF.

En utilisant le coke trempé par le processus CDQ, la perméabilité dans le HF est améliorée grâce à la haute résistance du coke. Une perméabilité plus élevée dans le HF améliore l'efficacité de la réaction de réduction dans le HF, et cela améliore la productivité de la fonte du HF. Les HF utilisant du coke produit par le processus CDQ ont un fonctionnement comparativement plus stable. De plus, comme la résistance du coke est augmentée, l'intérieur du HF peut maintenir une perméabilité suffisante et donc des taux d'injection de charbon pulvérisé plus élevés peuvent être atteints au HF.

Amélioration de la qualité du coke

La qualité du coke est améliorée par le processus CDQ par rapport au coke produit par le processus CWQ. La qualité du coke est plus stable grâce à l'écart-type faible (généralement autour de 1,25 %). Une qualité uniforme du coke aide dans l'opération du HF. C'est parce que le coke est refroidi progressivement par le gaz circulant dans la chambre CDQ au lieu d'un trempage rapide par pulvérisation d'eau avec des jets d'eau dans le cas du processus CWQ. De plus, la réaction eau-gaz est évitée. L'amélioration attendue de la résistance mécanique (indice au tambour) est d'environ 1,5 % et l'amélioration de la résistance du coke après réaction (CSR) est d'environ 2,5 %. Cette amélioration est due au fait que le coke chaud qui est refroidi progressivement par le gaz circulant est exempt de pores de surface et de fissures internes qui sont généralement présents dans le coke trempé à l'eau.

On observe généralement que le taux d'augmentation de la résistance du coke est relativement faible, dans le cas où il y a un pourcentage élevé de charbon cokéfiable de haute qualité dans le mélange de charbon utilisé pour la carbonisation. L'utilisation plus élevée de charbon cokéfiable de faible qualité dans le mélange de charbon procure un avantage de coût supplémentaire par le processus CDQ.