Génération et utilisation du gaz de four à coke dans la sidérurgie

Génération et utilisation du gaz de four à coke

Le coke est un intrant essentiel pour le processus de sidérurgie. Pour fabriquer du coke, le charbon est chauffé en l'absence d'air pour en chasser la matière volatile (MV). La conversion du charbon en coke est appelée carbonisation du charbon et le processus est réalisé dans des fours à coke. Une batterie de fours à coke se compose d'un certain nombre de fours à coke. Actuellement, il existe deux méthodes principales de production de coke pour haut fourneau.

La première méthode consiste en un processus de récupération dans lequel le charbon est chauffé dans une atmosphère complètement réductrice et les produits volatils sont récupérés dans une usine de sous-produits associée. Les fours à coke utilisés pour cette méthode de carbonisation du charbon sont appelés fours à sous-produits et la batterie de fours à coke est appelée batterie de fours à coke à sous-produits. Pendant la carbonisation du charbon cokéfiable dans une batterie de fours à coke à sous-produits, la MV consistant en environ 25 % à 30 % du charbon chargé est chassée sous forme de gaz d'effluent qui quitte les chambres de four à coke sous forme de gaz de four à coke brut chaud. Le gaz de four à coke brut est un gaz inflammable et a une couleur jaunâtre-brun et une odeur organique.

Dans la seconde méthode, la carbonisation du charbon est réalisée dans une batterie de fours à coke sans récupération (également connue sous le nom de récupération de chaleur, ou récupération d'énergie). Dans le processus sans récupération, de l'air est introduit au-dessus du lit de coke dans le four à coke et les produits volatils générés pendant la carbonisation sont brûlés dans le four lui-même pour fournir la chaleur nécessaire au processus de carbonisation du charbon.

Usine de sous-produits et traitement du gaz brut

L'usine de sous-produits est une partie intégrante du processus de cokéfaction à sous-produits. L'opération de chaque four est cyclique, mais la batterie contient un nombre suffisamment grand de fours pour produire un flux essentiellement continu de gaz de four à coke brut. Les fours individuels sont chargés et vidés à intervalles de temps approximativement égaux pendant le cycle de cokéfaction. La cokéfaction se poursuit pendant 15 à 18 heures pour produire du coke HF. Pendant cette période, la MV du charbon se distille sous forme de gaz de four à coke brut. Le temps de cokéfaction est déterminé par le mélange de charbon, la teneur en humidité, le taux de chauffage par le bas, et les propriétés désirées du coke. Lorsque la demande de coke est faible, les temps de cokéfaction peuvent être augmentés à 24 heures. Les températures de cokéfaction varient généralement de 900 °C à 1 100 °C. L'air est empêché de fuir dans les fours à coke en maintenant une contre-pression positive dans le collecteur principal. Les fours à coke sont maintenus sous pression positive en maintenant une pression hydraulique élevée du collecteur principal d'environ 10 mm colonne d'eau dans les batteries. Les gaz et hydrocarbures qui évoluent pendant la distillation thermique sont éliminés par le système de prise et envoyés à l'usine de sous-produits pour récupération.

La grande quantité de gaz générée due à la vaporisation de la MV dans le charbon pendant la production de coke dans la batterie de fours à coke à sous-produits est traitée dans une usine de sous-produits adjacente. Pendant le cycle de cokéfaction, le gaz est produit pendant la majeure partie de la période de cokéfaction. La composition et le taux d'évolution du gaz CO changent pendant la période et l'évolution du gaz CO est normalement complète au moment où la charge de charbon dans la batterie atteint 700 °C. Ce gaz est connu sous le nom de gaz de four à coke brut et est traité dans l'usine de sous-produits. Les fonctions de l'usine de sous-produits sont de traiter le gaz brut pour récupérer les produits chimiques de charbon précieux et de traiter le gaz de four à coke brut suffisamment pour qu'il puisse être utilisé comme un carburant propre, respectueux de l'environnement. Le gaz de four à coke brut après traitement dans l'usine de sous-produits est appelé gaz de four à coke propre ou simplement gaz CO.

Dans la batterie de fours à coke à sous-produits, le gaz de four à coke évolué quitte les chambres de four à coke à des températures élevées approchant 1 100 °C. Le gaz CO brut est refroidi par évaporation adiabatique d'une partie de l'eau de lavage (eau de rinçage) à environ 80 °C et est saturé en eau. La température du gaz devient suffisamment basse pour qu'il puisse être manipulé dans les collecteurs principaux de gaz. Du collecteur principal de gaz, le gaz de four à coke brut s'écoule dans le collecteur d'aspiration. La quantité d'eau de lavage pulvérisée dans le gaz chaud quittant les chambres de four est bien plus que ce qui est requis pour le refroidissement, et l'eau de lavage restante qui n'est pas évaporée fournit un flux liquide dans le collecteur principal de gaz qui sert à évacuer le goudron condensé et d'autres composés. Le flux d'eau de lavage s'écoule par gravité dans le collecteur d'aspiration avec le gaz de four à coke brut. Le gaz de four à coke brut et l'eau de lavage sont séparés en utilisant un pot de drainage (le descendant) dans le collecteur d'aspiration. L'eau de lavage et le gaz de four à coke brut s'écoulent ensuite séparément vers l'usine de sous-produits pour traitement. La composition typique des composants principaux dans le gaz de four à coke brut est dans le tableau 1.

Tableau 1 : Composition du gaz de four à coke brut
N°	Nom chimique	% Volume
1	Hydrogène	52-59
2	Méthane	26-33
3	Azote	1,9-5,7
4	Monoxyde de carbone	4,5-7,0
5	Éthylène	2,0-2,8
6	Dioxyde de carbone	1,4-2,1
7	Sulfure d'hydrogène	0,4-1,2
8	Cyanure d'hydrogène	0-1,2
9	Éthane	0,7-1,1
10	Ammoniac	0-1,1
11	Benzène	0-1,0
12	Disulfure de carbone	0-0,3
13	Toluène	0,1-0,2

Le gaz brut saturé provenant de la batterie de fours à coke contient environ 46 % à 48 % de vapeur d'eau. Les autres composants du gaz brut contiennent l'hydrogène (H₂), le méthane (CH₄), l'azote (N₂), le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO₂), les paraffines supérieures et les hydrocarbures insaturés (éthane, propane, etc.), et l'oxygène (O₂), etc. Le gaz de four à coke brut contient également divers contaminants, qui donnent au gaz de four à coke ses caractéristiques uniques. Ceux-ci consistent en : (i) composants de goudron, (ii) gaz acides de goudron (gaz phénoliques), (iii) gaz basiques de goudron (bases pyridiniques), (iv) benzène, toluène et xylène (BTX), huile légère et autres aromatiques, (v) naphtalène, (vi) gaz ammoniac, (vi) gaz sulfure d'hydrogène, (vii) gaz cyanure d'hydrogène, (viii) chlorure d'ammonium, et (ix) disulfure de carbone.

Afin de rendre le gaz de four à coke brut approprié pour une utilisation comme gaz carburant propre, respectueux de l'environnement, l'usine de sous-produits doit effectuer certaines fonctions qui incluent : (i) refroidir le gaz brut du four pour la condensation de la vapeur d'eau et des contaminants, (ii) éliminer le goudron et le naphtalène pour prévenir l'encrassement des conduites/équipements de gaz, (iii) éliminer l'ammoniac (NH₃) pour prévenir la corrosion des conduites de gaz, (iv) éliminer l'huile de benzol pour la récupération et la vente de benzène, toluène et xylène (BTX), et (v) éliminer le sulfure d'hydrogène pour respecter les réglementations locales sur les émissions régissant la combustion du gaz de four à coke. Le diagramme de flux du traitement du gaz de four à coke brut est donné à la figure 1.

Les effets de la récupération des sous-produits du gaz de four à coke sont : (i) réduction du volume de gaz de four à coke, (ii) réduction de la valeur calorifique du gaz, (iii) effet sur la température de flamme et le volume de flamme, et (iv) modification de la densité et de la composition du gaz. Le gaz de four à coke propre est un gaz incolore avec une odeur caractéristique de sulfure d'hydrogène et d'hydrocarbures.

Le gaz CO brut peut contenir de l'hydrogène, du méthane, de l'azote, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, de l'éthane, de l'oxygène, de l'éthylène et du benzène. Il peut également contenir certaines quantités d'ammoniac, de sulfure d'hydrogène, de vapeur d'eau, de cyclopentadiène, de toluène, de naphtalène, de cyanure d'hydrogène, de cyanogène et d'oxyde nitrique. Une composition typique du gaz de four à coke propre est donnée dans le tableau 2.

Tableau 2 : Composition du gaz de four à coke propre
N°	Nom chimique	% Volume
1	Hydrogène	42-65
2	Méthane	17-34
3	Azote	1,2-18
4	Monoxyde de carbone	4,6-7,5
5	Dioxyde de carbone	0,2-3,5
6	Éthane	0,1-2,9
7	Oxygène	0-2,6
8	Éthylène	0,1-2,5
9	Benzène	0-0,4

Le rendement final de gaz de four à coke propre après traitement dans l'usine de sous-produits est d'environ 300 Nm³ par tonne de charbon sec. Le rendement de gaz dépend de : (i) la matière volatile dans le charbon de charge et (ii) la condition de carbonisation. La densité du gaz CO à température et pression standard est dans la gamme de 0,45 kg/m³ à 0,50 kg/m³. Le gaz CO a une valeur calorifique variant entre 4 000 kcal/Nm³ à 4 600 kcal/Nm³. Il a une température de flamme théorique de 1 982 °C. Il a un taux de propagation de flamme qui permet à sa température de flamme réelle d'être proche de sa température de flamme théorique. Le gaz CO transporte environ 18 % de l'énergie d'entrée dans une batterie de four à coke et de sous-produits (figure 2).

Les données analytiques indiquent que les HAP (polluants atmosphériques dangereux) volatils représentent collectivement beaucoup moins de 1 % en volume du gaz CO après traitement conventionnel du gaz CO brut dans une usine de sous-produits. Par conséquent, la combustion du gaz CO dans des unités de combustion bien entretenues et opérées telles que les réchauffeurs de processus, les chaudières, etc., entraîne des niveaux très faibles d'émissions de HAP. Les émissions de matières particulaires filtrables (MP) de la combustion du gaz CO sont généralement faibles. Les émissions de métaux HAP du gaz CO ne sont pas significatives.

Utilisations du gaz de four à coke

Le gaz de four à coke forme un composant majeur dans le bilan énergétique de l'usine sidérurgique. Il est normalement utilisé dans le chauffage de la batterie de fours à coke, le chauffage dans les autres fours de l'usine sidérurgique, et pour la production d'énergie. Le gaz de four à coke peut être utilisé tel quel ou peut être mélangé avec le gaz de haut fourneau avant d'être utilisé comme carburant dans un four.

Le gaz de four à coke peut également être utilisé comme réducteur dans le haut fourneau. L'injection de gaz CO est un processus qui implique l'injection de grands volumes de gaz de four à coke dans la tuyère d'un haut fourneau. Cela fournit non seulement une source de carbone supplémentaire, mais accélère également la production de fer liquide tout en réduisant le besoin de coke métallurgique pour les réactions dans le haut fourneau. La technologie d'injection de gaz CO réduit également les émissions absolues de CO₂ ainsi que les émissions de SO₂ du haut fourneau.

La production de DRI (fer réduit direct) dans la voie sidérurgique intégrée basée sur l'utilisation du gaz CO disponible est un phénomène très récent. L'utilisation du gaz CO pour la production de DRI présente plusieurs avantages tant du point de vue économique qu'environnemental. L'utilisation du gaz CO excédentaire comme gaz réducteur pour produire du DRI récupère 97 % de l'énergie disponible comparé à une récupération de 30 % à 40 % en brûlant le gaz CO pour produire de l'énergie électrique. L'utilisation du gaz CO est montrée à la figure 3.

Selon une étude de 2007 de l'Agence internationale de l'énergie, environ 70 % du gaz CO est utilisé dans les processus de sidérurgie, 15 % pour le chauffage des fours à coke, et 15 % pour la production d'électricité. De plus, l'étude indique qu'en utilisant plus de gaz CO pour la production d'énergie (de préférence par une technique de production d'énergie à cycle combiné plus efficace qui peut fournir des rendements d'environ 42 % par opposition à l'utilisation dans les centrales à chaudière fonctionnant sur des cycles vapeur avec un rendement moyen d'environ 30 %), des améliorations d'efficacité énergétique peuvent être atteintes.