Optimisation de la carbonisation du charbon pour un coke métallurgique de haute qualité

Carbonisation du charbon pour la production de coke métallurgique

La carbonisation du charbon est également connue sous le nom de cokéfaction du charbon. Le processus consiste en la décomposition thermique des charbons soit en l'absence d'air, soit dans une atmosphère contrôlée pour produire un résidu carboné connu sous le nom de coke.

La carbonisation du charbon peut être réalisée aux trois plages de température suivantes :

• Carbonisation à basse température – Normalement réalisée dans la plage de température de 500 °C à 700 °C. Dans ce type de carbonisation, les rendements de produits liquides sont plus élevés et le rendement en produits gazeux est plus faible. Le coke produit a une matière volatile plus élevée et est à combustion libre.
• Carbonisation à température moyenne – Effectuée à une plage de température d'environ 800 °C. Cette carbonisation produit du coke tendre sans fumée. Les sous-produits produits sont similaires en caractéristiques à la carbonisation à haute température. La carbonisation à température moyenne est rarement pratiquée de nos jours.
• Carbonisation à haute température – Réalisée à une température supérieure à 900 °C. Cette carbonisation donne un rendement plus élevé de produits gazeux et un rendement plus faible de produits liquides. Cette carbonisation produit du coke dur et est normalement employée pour la production de coke métallurgique à partir de charbons cokéfiables.

Processus de carbonisation du charbon

La transformation du charbon en coke a lieu au fur et à mesure que le charbon est chauffé. Lorsque l'état de fusion est atteint, la couche de charbon chauffé se ramollit et fond. De حوالي 375 °C à 475 °C, le charbon se décompose pour former une couche plastique. Les réactions de distillation destructrice se déroulent rapidement dans la couche plastique avec évolution de produits volatils. À environ 475 °C à 600 °C, il y a une évolution marquée de goudron et de composés aromatiques. Le gaz et la vapeur condensable sont piégés dans la masse plastique et, en se dilatant, tendent à la faire gonfler. Au fur et à mesure que les réactions se poursuivent et que la température de la zone fondue augmente, la plasticité du charbon diminue. Avec le chauffage continu et l'évolution du gaz, la couche fondue se resolidifie progressivement en semi-coke ayant une structure cellulaire typique de coke. Le coke à ce stade contient encore une matière volatile substantielle. À mesure que la température augmente au-delà de 600 °C, la réaction de distillation destructrice se poursuit avec l'évolution de gaz et un peu de goudron. La stabilisation du coke a lieu à mesure que la température augmente de 600 °C à 1100 °C. Cela se caractérise par une contraction de la masse de coke, le développement structural du coke et l'évolution finale d'hydrogène. À ce stade, les réactions finales ont lieu. Ces réactions séparent l'hydrogène d'hydrocarbures à poids moléculaire extrêmement élevé et complexes. Avec l'augmentation de la température, la masse de coke se rétracte avec le développement de fissures de retrait.

Le mécanisme de cokéfaction

Lorsque les charbons cokéfiables sont carbonisés, d'abord la masse plastique optiquement isotrope est formée, et par la suite, des cristaux liquides nématiques lamellaires se forment progressivement. Cette phase polymérique est appelée méso-phase. C'est la phase intermédiaire entre le charbon fluide isotrope et le semi-coke solide anisotrope finalement formé à partir de la méso-phase, et a des propriétés qui sont intermédiaires entre les solides et les liquides. Si la fluidité de la phase intermédiaire est assez élevée, alors la méso-phase se coalesce immédiatement en une seule unité plus grande. Sur une gamme de température croissante, la méso-phase se forme continuellement, grandit en taille et finit par se toucher. Ainsi, la méso-phase peut se solidifier et convertir le charbon cokéfiable en texture anisotrope optique du coke.

Histoire des charbons cokéfiables

Le coke a été produit dans la Chine ancienne selon des sources historiques datant du quatrième siècle. Le peuple chinois a d'abord utilisé le coke pour le chauffage et la cuisine au plus tard au neuvième siècle. En 1709, un haut fourneau à coke pour produire de la fonte a été établi en Grande-Bretagne. Au début du 18e siècle, le coke était fabriqué en brûlant du charbon en tas sur le sol de telle manière que seule la couche externe brûlait, laissant l'intérieur du tas dans un état carbonisé.

Le procédé « Hearth » de fabrication de coke, utilisant du charbon en morceaux, a continué à être utilisé dans de nombreuses régions pendant la première moitié du 19e siècle. Ce procédé était similaire à celui de la combustion du charbon de bois mais en utilisant un tas de charbons recouvert de poussière de coke au lieu d'un tas de bois préparé, recouvert de brindilles, feuilles et terre.

Cela a conduit par la suite au développement de fours en ruche de différentes formes et tailles pour répondre aux demandes croissantes de coke dur pour la fusion du fer.

Fours en ruche

Un four en ruche est une simple chambre en briques réfractaires construite avec un toit en arc de sorte que la forme à l'intérieur est celle d'une ruche à l'ancienne. Ses dimensions sont typiquement de 4 m de largeur et 2,5 m de hauteur. Les fours en ruche sont généralement construits en rangées, un four à côté de l'autre avec des murs communs entre les fours voisins. Une telle rangée de fours est appelée une batterie. Une batterie se compose généralement de nombreux fours, parfois des centaines, en rangée. Une coupe transversale typique d'un four en ruche est montrée à la Fig. 1.

Fig. 1 Coupe transversale typique d'un four en ruche

Des voies ferrées pour la manutention du charbon vers les fours couraient le long des toits ; et d'autres voies ferrées pour la manutention des wagons de coke couraient le long des fours. Le toit a un trou pour le chargement du charbon ou d'autres allumages depuis le haut. Le trou de décharge est prévu dans la circonférence de la partie inférieure du mur.

Le charbon est chargé dans un four vide à travers le trou au sommet du dôme. Il forme un tas en forme de cône qui est nivelé en une couche uniforme au moyen d'un râteau passé par la porte pour produire une couche uniforme d'environ 600 mm à 900 mm de profondeur.

Le processus de carbonisation est démarré au moyen de la chaleur retenue dans les parois du four de la charge précédente de charbon. Presque immédiatement après le chargement, du gaz composé de matière volatile est produit à partir du charbon. L'air pour la combustion est admis par une ouverture au sommet de la porte du four ou par une porte latérale. Le début de la carbonisation produit de la matière volatile qui est brûlée à l'intérieur de la porte latérale partiellement fermée. La carbonisation se déroule de haut en bas. La chaleur est fournie par la combustion de la matière volatile, donc aucun sous-produit n'est récupéré. Les gaz d'échappement sont laissés s'échapper dans l'atmosphère.

Le temps de cokéfaction, qui dépend largement de la profondeur de la couche de charbon, varie de 48 à 72 heures. Au fur et à mesure que la cokéfaction progresse, le volume de gaz évolué diminue, et la taille de l'ouverture dans la porte est correspondamment diminuée ou en introduisant des briques à l'ouverture supérieure. Cela régule la quantité d'air et empêche l'entrée d'un volume excessif d'air, qui autrement brûlerait une partie du coke et pourrait suffire à refroidir le four également.

Le coke chaud est trempé à l'eau et déchargé manuellement par la porte latérale. Lorsque la cokéfaction est terminée, la porte est ouverte et le coke blanc chaud est trempé par un jet d'eau dirigé à travers l'ouverture. Le coke trempé est ensuite ratissé manuellement hors du four et chargé dans des wagons de train pour le transport. Les parois et le toit retiennent assez de chaleur pour initier la carbonisation de la charge suivante.

Lorsque le charbon est brûlé dans un four à coke, les impuretés du charbon non déjà chassées sous forme de gaz s'accumulent pour former de la scorie, qui est effectivement une conglomération des impuretés éliminées. Puisque ce n'est pas le produit de coke désiré, la scorie est soit jetée, soit utilisée comme ingrédient dans la fabrication de briques, ciment mélangé, et même comme engrais.

Les nouveaux fours sont amenés à température en chauffant avec du charbon ou du bois avant le chargement.

La cokéfaction en ruche est maintenant un processus obsolète en raison de la petite quantité qu'elle fabriquait et de la très grande quantité de pollution qu'elle produisait. Cependant, elle est encore utilisée.

Batteries de fours à coke à sous-produits

La quantité maximale de production mondiale de coke provient de ces batteries. Le charbon dans ces batteries est carbonisé en l'absence d'air et ces batteries sont exploitées avec une pression positive dans les fours. Le processus de fabrication de coke dans ces batteries de fours à coke est appelé fabrication de coke à sous-produits car le gaz de four est collecté et envoyé à l'usine de sous-produits où divers sous-produits sont récupérés. La plupart des batteries de fours à coke à sous-produits sont intégrées dans une usine de fer et d'acier pour le gaz de four à coke.

Les détails de la fabrication de coke dans les batteries de fours à coke à sous-produits et de l'usine de sous-produits de four à coke sont donnés dans des articles séparés sous les liens https://www.ispatguru.com/coke-making-in-byproduct-coke-oven-batteries/ et https://www.ispatguru.com/coke-oven-by-product-plant/.

Batteries de fours à coke sans récupération

Dans les batteries de fours à coke sans récupération, le charbon est carbonisé dans de grandes chambres de four. Le processus de carbonisation se produit du haut par transfert de chaleur radiatif et du bas par conduction de chaleur à travers le sol. L'air primaire pour la combustion est introduit dans la chambre du four à travers plusieurs ports situés au-dessus du niveau de charge dans les portes du côté pousseur et du côté coke du four. Les gaz partiellement combustés sortent de la chambre supérieure par des passages « down comer » dans le mur du four et entrent dans le conduit de sole, chauffant ainsi la sole du four. Les gaz combustés se collectent dans un tunnel commun et sortent via une cheminée qui crée un tirage naturel dans le four. Puisque les sous-produits ne sont pas récupérés, le processus est appelé fabrication de coke sans récupération. Dans ces batteries, généralement le gaz résiduel sort dans une chaudière de récupération de chaleur perdue qui convertit l'excès de chaleur en vapeur pour la production d'énergie, donc ce processus est aussi appelé fabrication de coke à récupération de chaleur. Les détails de la fabrication de coke dans les batteries de fours à coke sans récupération sont donnés dans un article séparé sous le lien https://www.ispatguru.com/non-recovery-coke-ovens-battery/.