Optimisation de la production de coke dans les batteries de fours à coke à sous-produits

Cokéfaction dans les batteries de fours à coke à sous-produits

Le coke représente jusqu'à 50 % des coûts pendant la production de fonte. La production rentable de coke de haute qualité est donc d'une importance primordiale pour la compétitivité de la production de fer.

Le coke métallurgique est utilisé dans l'industrie sidérurgique (principalement dans les hauts fourneaux) pour réduire le minerai de fer en fer. Plus de 90 % de la production totale de coke est dédiée aux opérations de haut fourneau. Le coke de fonderie constitue la majeure partie du reste et est utilisé par les fonderies dans les fours pour fondre le métal et préparer les moules. La production de coke de fonderie utilise un mélange différent de charbons cokéfiables, des temps de cokéfaction plus longs et des températures plus basses que pour le coke métallurgique.

La plupart du coke est produit dans le monde en utilisant des batteries de fours à coke à sous-produits et la plupart des cokeries sont intégrées aux installations de production de fer et d'acier.

La fabrication de coke par chauffage du charbon en l'absence d'air a ses origines au début de la révolution industrielle quand Abraham Darby l'a utilisé pour la fusion de minerais de fer en 1709 en Angleterre. La méthode était initialement la même que pour le charbon de bois : empilage en tas ronds, ignition, recouvrement des côtés d'argile. Cela a posé les bases de la cokéfaction en ruches. Des avancées progressives ont mené au développement de fours en ruches, réverbératoires et à sous-produits, culminant dans les fours à coke régénératifs avec récupération des sous-produits il y a environ un siècle.

Le charbon est converti en coke dans de grandes batteries de fours par distillation destructive. Le processus consiste à chauffer le charbon en l'absence d'air pour chasser les composés volatils. Le matériau résultant est une masse de carbone appelée coke, un matériau carboné dur mais poreux. Le four à sous-produits récupère la matière volatile du charbon sous forme de gaz de cokerie, goudrons et huiles.

Il existe trois procédés éprouvés pour la fabrication de coke métallurgique :

• Fours à coke en ruches. Fours sans récupération
• Fours à coke à récupération de chaleur ou d'énergie. Aussi parfois appelés fours sans récupération
• Fours à coke à sous-produits

Le procédé de cokéfaction à sous-produits implique la carbonisation du charbon à hautes températures dans une atmosphère sans oxygène. Le processus élimine la matière volatile et concentre le carbone. Dans ce processus, le gaz de sortie est collecté et envoyé à l'usine de sous-produits où divers sous-produits (gaz de cokerie, goudron, ammoniaque, benzol brut) sont récupérés.

Une cokerie à sous-produits a trois sections principales : usine de manutention et préparation du charbon, batteries de fours à coke avec installations de trempe, et usine de concassage et triage du coke. Le flux de procédé typique et les flux d'émission sont montrés Fig. 1.

Fig 1 Flux de procédé typique et flux d'émission

Charbons cokéfiables et facteurs affectant la qualité du coke

Le charbon cokéfiable est une matière première importante dans la production de coke dans les fours à sous-produits car il détermine les propriétés du coke. Les propriétés requises : taille uniforme, bonne résistance (CRI, CSR, valeurs Micum), porosité avec matière volatile et cendres minimales.

Le charbon cokéfiable peut être classé selon ses propriétés de cokéfaction : charbon cokéfiable premier, moyen, semi ou faible. Les propriétés de cokéfaction pour produire du bon coke incluent : fluidité, dilatation, nombre de gonflement au creuset, valeur Gray King, rang indiqué par la réflectance maximale moyenne (MMR), vitrinite et distribution vitrinite (V9-V14). Autres propriétés importantes : humidité, cendres, soufre, phosphore, alcalins pourcentages et température de fusion des cendres. Faibles teneurs en humidité, cendres, soufre, phosphore sont souhaitables. Autres propriétés affectant la qualité : granulométrie, densité apparente, altération du charbon. Les charbons peuvent avoir des matières volatiles faibles, moyennes ou élevées. La température de cokéfaction, le taux, le temps de trempe, la pratique de trempe et la manutention du coke affectent aussi la qualité.

Le charbon chargé est généralement un mélange de deux ou plus de charbons cokéfiables. Le mélange est requis pour contrôler les propriétés du coke résultant, optimiser la qualité et quantité des sous-produits, et éviter l'expansion de certains charbons qui pourrait causer une pression excessive sur les parois pendant la cokéfaction.

Usine de manutention et préparation du charbon

Cette section prépare le mélange de charbon adapté à la carbonisation. Étapes : déchargement et stockage, mélange de charbons de diverses qualités, concassage et transport vers la tour de stockage.

Les convoyeurs transfèrent le charbon du stockage vers les bacs de mélange où les différents types sont stockés. Le mélange est transféré des bacs vers le concasseur où il est pulvérisé à une taille normalement de -3 mm.

Le charbon pulvérisé est alors mélangé et homogénéisé, et parfois de l'eau et de l'huile sont ajoutées pour contrôler la densité apparente. Le mélange préparé est transporté vers la tour de stockage au sommet de la batterie.

Le charbon doit être stocké à divers stades et convoyé dans la section de préparation. Concassage et criblage sont des parties importantes. Le concassage réduit la taille pour faciliter le traitement et la manutention. Les cribles classent la taille. Ils peuvent être statiques ou vibrants mécaniquement.

Batteries de fours à coke à sous-produits

Les fours sont des chambres en réfractaire pour convertir le charbon en coke par carbonisation en l'absence d'air et distillation de la matière volatile. Une cokerie comprend une ou plusieurs batteries contenant un nombre de fours (20 à 100 par batterie). Le charbon est chargé par les trous de chargement. Une coupe transversale type d'une batterie de 7 m est montrée Fig. 2.

Fig 2 Coupe transversale type d'une batterie de four à coke de 7 m

Une quantité pesée de charbon est déchargée de la tour dans une voiture de chargement, qui parcourt la longueur de la batterie. La voiture est positionnée sur le four vide et chaud, les couvercles des trous sont retirés, et le charbon est déchargé des trémies dans le four.

Pour minimiser l'échappement de gaz pendant le chargement, l'aspiration à la vapeur est utilisée pour aspirer les gaz de l'espace au-dessus du charbon vers le collecteur principal. Le déchargement des trémies est « échelonné » en contrôlant la séquence de vidange pour éviter les pics de charbon bloquant l'espace au-dessus, ce qui gênerait l'élimination des gaz générés. Vers la fin, les pics sont nivelés par une barre d'acier en porte-à-faux depuis la voiture de poussée par une petite porte latérale, la porte de nivellement. Ce nivellement aide à une cokéfaction uniforme et fournit un espace vapeur clair et un tunnel de sortie pour les gaz évoluant pendant la cokéfaction vers le système de collecte. Après chargement, la porte de nivellement est fermée, les couvercles remis et scellés (lutés) avec un mélange d'argile humide, l'aspiration arrêtée, et les gaz dirigés vers le système de prise et collecteur principal.

Processus de carbonisation du charbon

La transformation du charbon en coke commence. La chaleur est transférée des parois en briques chauffées dans la charge. De 375 à 475 °C, le charbon se décompose formant des couches plastiques près de chaque paroi. Vers 475-600 °C, évolution marquée de goudron et composés aromatiques, suivie de re-solidification de la masse plastique en semi-coke. À 600-1100 °C, la phase de stabilisation du coke commence : contraction de la masse, développement structurel et évolution finale d'hydrogène. Pendant l'étape plastique, les couches plastiques se déplacent de chaque paroi vers le centre, piégeant le gaz libéré et créant une pression transférée au mur de chauffe. Une fois les couches rencontrées au centre, toute la masse est carbonisée. Le coke incandescent est poussé du four et trempé humide ou sec.

La distillation thermique se fait par groupes de fours appelés batteries. Une batterie consiste en fours adjacents avec parois communes en silice de haute qualité et autres briques réfractaires. La paroi séparant les fours, ainsi que chaque paroi d'extrémité, est composée de séries de canaux de chauffe. À tout moment, la moitié des canaux d'un mur brûlent du gaz tandis que l'autre moitié évacue la chaleur résiduelle des canaux de combustion vers un échangeur de chaleur à « briques à damier » puis vers la cheminée. Toutes les 20-30 minutes, la batterie « inverse » : les canaux de chaleur résiduelle deviennent canaux de combustion et vice versa. Cela assure un chauffage plus uniforme. L'opération de chaque four est cyclique, mais la batterie contient suffisamment de fours pour produire un flux essentiellement continu de gaz de cokerie brut. Les fours sont chargés et vidés à intervalles approximativement égaux pendant le cycle. La cokéfaction dure 15-18 heures pour produire du coke de HF. Pendant cette période, la matière volatile distille comme gaz de cokerie. Le temps est déterminé par le mélange, l'humidité, le taux de sous-feu et les propriétés désirées. Quand la demande est faible, les temps peuvent être augmentés à 24 heures. Les températures varient généralement 900-1100 °C, maintenues côté haut pour le coke de HF. L'air est empêché d'entrer en maintenant une contre-pression positive dans le collecteur. Les fours sont maintenus sous pression positive par une pression hydraulique élevée d'environ 10 mm colonne d'eau. Les gaz et hydrocarbures évoluant sont évacués par le système de prise vers l'usine de sous-produits pour récupération.

La cokéfaction est complète quand la température centrale est autour de 950-1000 °C. Le four est isolé du collecteur hydraulique et après évacuation des gaz résiduels, les portes sont ouvertes pour le poussage. À la fin, la masse a un retrait volumique élevé menant au détachement des parois assurant un poussage facile.

Le contrôle de la pression du four est important : pression basse = entrée d'air ; pression haute = gazage excessif, fuites portes, tuyaux. Le nivellement correct est important en maintenant un espace libre d'environ 300 mm pour éviter l'étouffement.

À la fin du cycle, les portes des deux extrémités sont retirées et le coke incandescent est poussé par un bélier depuis la voiture de poussée. Le coke est poussé à travers un guide dans une voiture de trempe qui l'emmène vers une tour de trempe humide ou une usine de trempe sèche pour refroidissement.

Usine de concassage et triage du coke

Le coke trempé est pris par convoyeur vers une usine de concassage et criblage aussi appelée usine de concassage et triage. Ici, le coke est concassé et criblé aux fractions de taille requises. Pendant le concassage et criblage, le coke est trié en trois fractions : coke breeze (taille -10 mm), coke noix (+10 à -25 mm) et coke de HF (+25 à -80 mm). Le coke de HF calibré et le coke noix sont transportés vers leurs stockages respectifs au HF. Le coke breeze est envoyé à l'usine d'agglomération.