Optimisation de la performance des batteries de fours à coke non récupérateurs pour opérations métallurgiques

Le coke métallurgique est un matériau carboné dur produit par « distillation destructive » de divers mélanges de charbon bitumineux. Il est produit par carbonisation du charbon à haute température (environ 1 100 °C) dans une atmosphère déficiente en oxygène dans un four à coke.

La fabrication de coke par chauffage du charbon en défaut d'air a ses origines au début de la révolution industrielle quand Abraham Darby l'utilisa pour la fusion de minerais de fer en 1709 en Angleterre. La méthode était initialement la même que pour le charbon de bois : empiler le charbon en tas ronds, allumer, et couvrir les côtés d'argile. Cela posa les bases de la cokéfaction en fours à ruche. Des avancées graduelles menèrent au développement des fours à ruche, réverbératoires et à sous-produits, culminant dans les fours à coke régénératifs avec récupération des sous-produits il y a environ un siècle.

Technologie des fours à coke non récupérateurs

La technologie des fours à coke non récupérateurs est issue des fours à ruche classiques qui ont fourni depuis le XVIIIe siècle le coke pour la révolution industrielle. Les fours à ruche étaient opérés manuellement, avec une faible récupération de chaleur, juste pour chauffer le four. Maintenant, les fours non-récupérateurs sont des constructions modernes, avec opération hautement mécanisée et automatisée dans une certaine mesure. Les gaz générés par la combustion des matières volatiles sont envoyés par des descentes et brûlés pour chauffer le fond et les parois du four.

Il existe trois procédés éprouvés pour la fabrication de coke métallurgique : (i) fours à ruche, (ii) fours à coke à sous-produits, et (iii) fours à coke non récupérateurs. Lorsque l'énergie thermique des gaz de combustion est récupérée sous forme de vapeur, les fours non récupérateurs sont appelés fours à récupération de chaleur ou d'énergie. Dans les trois procédés, les fours sont généralement construits en rangées, un four à côté de l'autre avec des parois communes. Une telle rangée est appelée une batterie. Une batterie comprend généralement de nombreux fours, parfois des centaines, en rangée.

Un four à ruche est une simple chambre en briques réfractaires avec un toit en voûte donnant une forme de ruche à l'intérieur. La cokéfaction en ruche est maintenant un procédé obsolète en raison de la petite quantité produite et de la très grande pollution. Cependant, il est encore utilisé à certains endroits.

Dans la batterie de fours à coke à sous-produits, le charbon est carbonisé en absence d'air car ces batteries opèrent avec une pression positive dans les fours. Le processus est appelé cokéfaction à sous-produits car le gaz de sortie est collecté et envoyé à l'usine de sous-produits où différents sous-produits sont récupérés.

Dans le processus de cokéfaction dans les fours non récupérateurs, les volatils émis pendant la carbonisation ne sont pas récupérés comme sous-produits mais sont combustés dans le four lui-même en présence d'une quantité contrôlée d'air et la chaleur des gaz volatils est utilisée pour la cokéfaction de la masse de charbon en coke, donc aucun chauffage externe n'est requis. La chaleur est générée par la combustion des matières volatiles qui pénètre dans la masse de charbon par rayonnement depuis le toit du four et aussi par conduction. Le niveau de chaleur plus élevé est utilisé pour décomposer les hydrocarbures potentiellement polluants en composés combustibles constitutifs et les brûler, évitant ainsi la pollution potentiellement dangereuse. La chaleur consécutive à la combustion n'est que partiellement utilisée et la chaleur résiduelle dans les gaz de combustion est récupérée pour la génération d'énergie.

Les gaz de combustion sortant du four transportent une quantité significative de chaleur sensible en plus de certains combustibles. Comme rien d'autre que le coke n'est récupéré des fours incorporant cette technologie, ils sont appelés fours à coke non récupérateurs. Lorsque les combustibles présents dans les gaz résiduels sont brûlés et la chaleur générée avec la chaleur sensible des gaz est utilisée pour la production de vapeur et la génération d'électricité, les fours sont appelés fours à récupération de chaleur ou d'énergie.

La base des fours non récupérateurs avec récupération de chaleur est le « four Jewell-Thompson ». Ces fours furent développés en 1960 quand trois fours tests furent construits avec succès à Vansant, VA. En 1972, 16 grands fours Jewell-Thompson furent construits. La première usine de coke non récupérateur avec récupération de chaleur fut mise en service en Indiana, USA en mars 1998. L'usine avait 268 fours avec une capacité de 1,3 million de tonnes/an et une centrale de récupération de chaleur de 100 MW. Le four Jewell-Thompson a une forme rectangulaire. Le revêtement en briques est en matériau réfractaire siliceux.

Les éléments clés de la technologie des fours à coke non récupérateurs sont : (i) le coke est produit en chauffant le charbon dans une atmosphère contrôlée, libérant les matières volatiles (gaz et humidité), (ii) le gaz est combusté de manière environnementalement « intelligente » pour produire la chaleur nécessaire au coke, (iii) l'excès de chaleur est utilisé pour générer de l'électricité, (iv) le processus ne repose pas sur la combustion du charbon, seulement sur le gaz libéré du charbon, (v) les émissions de gaz à effet de serre sont typiques d'un générateur d'électricité à gaz simple, c'est-à-dire qui produit de la vapeur passant par une turbine.

Les fours à coke non récupérateurs produisent un coke de qualité pour hauts fourneaux, cubilots, fours à ferro-alliages, etc. Ces fours sont utiles pour obtenir un coke de haute qualité pour l'exploitation de haut fourneau avec injection élevée de charbon pulvérisé, où de meilleures propriétés de coke sont nécessaires, ou pour obtenir une qualité standard basée sur des mélanges avec une proportion de charbons non cokéfiables.

Comparaison avec les fours à sous-produits

La comparaison de la cokéfaction dans le four à sous-produits et dans le four non récupérateur est montrée à la Fig. 1.

Fig. 1 Comparaison du four à coke non récupérateur avec le four à sous-produits

La comparaison de divers paramètres est donnée dans le Tableau 1.

Tableau 1 Comparaison fours à sous-produits et fours non récupérateurs
N°	Paramètre	Four à sous-produits	Four non récupérateur
1	Pression du four	Légèrement positive	Légèrement négative
2	Hauteur du four	Fours hauts	Fours larges horizontaux
3	Formes de briques	Grand nombre	Peu de formes
4	Apport de chaleur	Externe par gaz combustible	Interne par combustion partielle des volatils
5	Transfert de chaleur	Indirect, horizontal, conduction	Direct, vertical, rayonnement/convection du haut et conduction indirecte du bas
6	Pollution	Non respectueux environnement	Pratiquement aucune pollution
7	Coût capital	Plus élevé	Plus bas
8	Énergie	Besoin énergétique plus élevé	Besoin énergétique faible
9	Coût exploitation	Plus élevé	Plus bas
10	Temps construction	Plus long	Plus court
11	Mise en service	Lente	Rapide
12	Charbon cokéfiable	Restrictions qualité	Flexibilité disponible
13	Sous-produits	Grand nombre	Aucun sous-produit
14	Co-produit	Gaz CO	Vapeur/Électricité
15	Pression paroi	Sensible	Non sensible
16	Température carbonisation	Plus basse	Plus haute
17	Rendement coke	Plus élevé	Plus bas
18	Qualité coke	Plus basse	Plus haute
19	Main-d'œuvre	Qualifiée	Moins qualifiée
20	Maintenance	Maintenance à chaud	Fours refroidissables pour maintenance

La comparaison des diagrammes de Sankey des configurations d'usine à sous-produits et à récupération de chaleur est donnée à la Fig. 2.

Fig. 2 Diagrammes de Sankey

Caractéristiques de conception et construction des fours non récupérateurs

Plusieurs conceptions sont disponibles. Les caractéristiques principales de certaines sont décrites ci-dessous.

Fours à coke Jewell-Thompson

Dimensions typiques des chambres : 14 m longueur, 3,5-3,7 m largeur, 2,4-2,8 m hauteur. 40-50 tonnes de charbon chargées par four. Hauteur de charge typique 1 000 mm. Les fours sont construits avec 23 formes de briques réfractaires. Le mélange de charbon est chargé par un côté, au moyen d'une machine chargeuse-pousseuse (PCM) se déplaçant sur rails près des fours. Immédiatement après chargement, le mélange absorbe la chaleur des réfractaires et la combustion des matières volatiles commence.

Sous le toit, la combustion partielle des volatiles a lieu au-dessus de la masse de charbon. Peu après, les gaz sont aspirés vers le foyer du four, où plus d'air est introduit pour compléter la combustion. Le front de cokéfaction avance du bas et du haut, se rejoignant au milieu. Il n'y a pas de surpression comme dans les fours à sous-produits, donc des charbons à faible volatils peuvent être mélangés.

Température, pression et combustion interne sont contrôlées. Le temps de cokéfaction est d'environ 48 heures. Le déchargement se fait avec la même PCM. Le coke est refroidi à l'eau. Toute l'eau utilisée est récupérée, sauf perte par évaporation. Une coupe transversale est montrée à la Fig. 3.

Fig. 3 Coupe transversale typique d'un four non récupérateur

Fours non récupérateurs de conception chinoise

Les Chinois ont construit, outre les fours horizontaux standards à récupération de chaleur, un four vertical non récupérateur. Pour les fours horizontaux, le toit est une structure en arche de 120°. Des entrées d'air primaire réglables sont installées uniformément dans l'arche, formant une couche de protection des gaz résiduels entre le charbon et la zone de combustion. Quatre arches liées sont utilisées au fond. Sur la base, des entrées d'air secondaire réglables distribuent l'air dans le conduit pour la combustion supplémentaire du gaz de sortie pour chauffer le fond. Les conduits dans le mur et le fond peuvent être coordonnés. Une couche de ventilation entre la fondation et la sole empêche la surchauffe. Le mur principal est équipé de dispositifs d'ajustement d'aspiration.

La porte du four est divisée en deux sections, la supérieure fixe et l'inférieure mobile, pour prévenir les fuites de suie. Elles sont en fonte et doublées de fibre céramique.

Les dimensions de la chambre de carbonisation d'une batterie horizontale d'un design consistent en 13 340 mm longueur, 3 596 mm largeur, 2 758 mm hauteur avec 4 292 mm distance centre-à-centre. La dimension effective du gâteau de charbon est 1 300 mm longueur, 3 400 mm largeur, 1 100 mm hauteur. La densité apparente de la charge est 1,0-1,5 t/m³. Capacité de charge ~50 tonnes, temps de cokéfaction 72 heures.

Deux autres designs ont des dimensions : 13 334 mm et 15 440 mm longueur, 3 598 mm et 3 700 mm largeur, 2 888 mm et 2 693 mm hauteur avec distances centre-à-centre 4 530 mm et 4 300 mm. Dimensions effectives du gâteau : 12 750 mm et 14 850 mm longueur, 3 500 mm et 3 600 mm largeur, 1 050 mm et 1 000 mm hauteur. Capacités de charge (base sèche) 42,393 t et 51,856 t, temps de cokéfaction 72 h et 70 h.

La première batterie de fours verticaux à récupération de chaleur a été construite en 2002 en Chine. Comparés aux horizontaux, ils nécessitent moins d'espace et 20-30 % moins de coût de construction. Plus important, la séparation entre chambre de cokéfaction et chambre de combustion évite la combustion du coke qui peut survenir dans les fours horizontaux. La chaleur ne vient que par les réfractaires, comme dans les batteries conventionnelles. Il y a deux couches de canaux de refroidissement à air au fond. La température de la fondation est entre 100-150 °C, prévenant les défaillances. Les principaux paramètres des fours verticaux sont listés au Tableau 2.

Tableau 2 Paramètres techniques des fours verticaux à récupération de chaleur
N°	Paramètre	Unité	Valeur
1	Chambre de carbonisation - Hauteur	mm	3 200-4 830
	Longueur	mm	12 570-16 940
	Largeur moyenne	mm	560
	Distance centre	mm	1 180
2	Poids de charge	tonnes	Environ 24
3	Densité apparente du gâteau	t/m³	1,0-1,1
4	Temps de cokéfaction	heures	38
5	Nombre de fours	unités	4×35
6	Épaisseur paroi de séparation	mm	100
7	Épaisseur de la sole	mm	1 182
8	Hauteur utile	mm	2 800-4 400
9	Température centre	°C	1 000 ± 50
10	Poids coke poussé	tonnes	Environ 18
11	Gaz de sortie	Nm³/h	350 000
12	Température gaz sortie	°C	950 ± 50

Conception des fours à coke de Sesa Goa

Les fours sont plus étroits que les fours Jewell-Thompson, permettant l'utilisation d'une arche romaine. Ils sont construits avec des réfractaires alumineux, impliquant une largeur plus petite. Le four a 10 760 mm longueur et 2 745 mm largeur. 21 fours sont connectés à une cheminée. Chargement par le haut. L'utilisation de réfractaires alumineux au lieu de siliceux est due à leur meilleur comportement sous atmosphère oxydante, meilleure résistance au choc thermique et moins de changements de volume au refroidissement, en cas de retard de rechargement. Les fours opèrent avec charge de charbon compactée.

Conception Uhde

Dans la conception Uhde actuelle, les fours sont à chargement compacté. La machine de chargement n'entre pas dans le four. Dimensions : 3,8 m largeur, 15 m longueur. Revêtement en briques de silice. Le tunnel pour gaz de sortie court latéralement sous le niveau du plancher du four, au lieu de passer au-dessus.

Fours SJ 96

Développés par Shanxi Sanjia, caractérisés par le poids exceptionnel de la charge : 120 tonnes. Nécessite un long temps de cokéfaction de 10 jours comparé aux 48-72 heures typiques. Hauteur de masse de charbon 1,8 m, nivellement à 90 cm et 180 cm. Charge et déchargement manuels avec four refroidi. Températures ~1 200 °C dans la couche supérieure et 1 150 °C dans la inférieure. Le gaz est brûlé complètement dans les sous-conduits sous le four, sa température utilisée pour produire de la vapeur pour la génération d'électricité.

Processus de cokéfaction dans les fours non récupérateurs

Dans les fours non récupérateurs, tous les volatils du charbon sont brûlés dans le four pour fournir la chaleur nécessaire. Le four opère sous pression négative. L'air de combustion primaire introduit par des orifices dans les portes brûle partiellement les volatils dans la chambre. L'air secondaire est introduit dans les conduits de sole qui serpentent sous la masse de charbon. La conception des conduits et le contrôle du flux d'air permettent d'égaliser le taux de cokéfaction au sommet et à la base de la masse.

Contrairement au procédé à sous-produits où le coke est chauffé indirectement par combustion de gaz dans les conduits de chauffage extérieurs à la chambre, dans la cokéfaction non-récupératrice la chaleur nécessaire est transférée à la fois directement et indirectement dans la chambre.

Le charbon est chargé sur le plancher au début du cycle. La carbonisation démarre par la chaleur résiduelle du cycle précédent. Le chargement se fait par la porte côté pousseur ouverte. Souvent le charbon est compacté avant, puis chargé dans la chambre chaude. Niveaux de charge typiques à 1 000 mm.

Le gaz brut libéré est partiellement combusté dans la voûte par adjonction d'air ambiant par les portes et les gaz passent par les descentes dans les conduits de chauffage dans la sole. Ce système est sous le plancher et là, par un apport supplémentaire d'air ambiant, la combustion complète a lieu à 1 200-1 400 °C. Les gaz passent ensuite dans un tunnel de post-combustion où les gaz non combustés restants sont oxydés. Le système de tunnel achemine les gaz chauds vers les générateurs de vapeur à récupération de chaleur.

Dans toutes les installations récentes, le gaz résiduel chaud est utilisé pour générer de l'énergie, puis soumis à une désulfuration avant rejet dans l'atmosphère. Le temps de cokéfaction varie selon les types de fours, de 48 à 72 heures selon la conception. Après achèvement, le coke est poussé et normalement trempé à l'eau.

Du fait de la pression négative, les émissions par fuites aux portes sont évitées en principe. Les émissions de poussière pendant le poussage sont évacuées via un hangar côté coke. Souvent des dispositifs d'aspiration sont installés côté pousseur pour capter les émissions lors du chargement.

Les techniques de contrôle d'émissions pendant chargement, poussage et trempage sont similaires à celles des fours à sous-produits.

Du fait des températures générées, tous les hydrocarbures toxiques et sous-produits des matières volatiles sont incinérés dans le four. Les gaz chauds passent dans un tunnel à gaz résiduels vers des générateurs de vapeur à récupération de chaleur, où de la vapeur haute pression est produite pour chauffage ou génération d'électricité. Le gaz résiduel refroidi est nettoyé dans une usine de désulfuration des gaz de combustion avant rejet. Le diagramme de flux est montré à la Fig. 4.

Fig. 4 Diagramme de flux pour four à coke non récupérateur

Avantages des fours à coke non récupérateurs

Les divers avantages incluent : (i) pas d'usine de traitement des eaux usées nécessaire, (ii) pas de rejet net d'eaux usées car toute l'eau est utilisée pour le trempage du coke, (iii) flexibilité accrue dans le choix du mélange de charbon grâce à l'élimination des contraintes de pression sur les parois, (iv) résistance du coke améliorée attribuée au chauffage lent à températures plus élevées et temps de trempage plus long causant une croissance cristalline cohérente, (v) besoin de moins d'espace comparé aux fours à coke et usine de sous-produits, (vi) construction modulaire possible, (vii) comme les fours opèrent sous pression négative, l'air ambiant est aspiré dans le four à tout point d'admission disponible, éliminant ainsi les émissions fugitives, (viii) les polluants atmosphériques dangereux sont détruits dans le four par oxydation thermique, et (ix) moins de points de contrôle de processus.