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PROCEDE POUR LE CHAUFFAGE DES BATTERIES DE FOURS A COKE A L'AIDE DE GAZ A POUVOIR CALORIFIQUE ELEVE, RICHES EN METHANE ET, EN 'GENERAL, EN HYDROCARBURES
GAZEUX SATURES ET NON SATURES.
(Inventeur: Uberto Segre) .
Cette invention a trait à un procédé pour le chauffage des batteries de fours à coke par l'emploi de gaz à pouvoir calorifique élevé, riches en méthane et, en général, en hydrocarbures gazeux saturés et non satu- rés.
On sait que certaines cokeries emploient pour le chauffage de leurs batteries de fours à coke le gaz riche (c'est-à-dire le gaz de cokerie) produit par les batteries elles-mêmes. Par contre, ce gaz est parfois cédé aux réseaux de distribution du gaz de ville, ou bien il est utilisé dans les industries chimiques ou dans les industries de synthèse qui emploient, comme matière première, un ou plusieurs de ces constituants.
Dans ces cas, les cokeries doivent remplacer en tout ou en partie le gaz riche par un autre gaz combustible, constitué dans nombre de cas par du gaz de haut fourneau ou du gaz pauvre produits dans des générateurs utilisant les dimensions moins intéressantes du coke criblé. D'autres fois, le gaz qui remplace le gaz riche se compose en majeure partie de méthane et est donc un gaz ayant un pouvoir calorifique élevé allant de 5000 oal/m jus- qu'à 6500 cal/m3,
Ce dernier gaz est surtout le gaz des cokeries qui sont reliées à des installations de production d'ammoniaque synthétique et d'engrais azo- tés. La cokerie envoie alors tout son gaz à l'installation de production d'en- gràis azotés où, par liquéfaction et distillation fractionnée, on sépare un ou plusieurs de ses constituants, par exemple l'hydrogène.
Le gaz résiduel contenant les autres constituants, moins les pertes survenant au cours du tra- vail est renvoyé à la cokerie.
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Les cokeries reliées à une fabrique d'engrais azotés éprouvait assez souvent des inconvénients ennuyeux, lorsqu'elles doivent utiliser le gaz résiduel seul pour le réchauffage de leurs batteries de fours à coke.
Le pouvoir calorifique du gaz résiduel est souvent sujet à des oscillations considérables, et varie plusieurs fois par jour de quelques cen- taines de calories par m3. Cela oblige à régler la combustion dans les bat- teries des fours à coke sur les pointes maxima du pouvoir calorifique, dom avec un excès d'air chaque fois que le pouvoir calorifique n'est pas très élevé. Il en résulte que la consommation de calories augmente et que la lon- gueur de la flamme n'est jamais bien réglée et n'est pas stable. La conduite des batteries, l'uniformité de réchauffage des parois des chambres de distil- lation et la production des sous-produits ne peuvent donc être satisfaisants.
Ces inconvénients peuvent être supprimés en partie si l'on , dispose d'un gazomètre de capacité suffisante, dans lequel on parvient à em- pêcher la stratification du gaz par des mesures appropriées. '
L'inconvénient principal se manifeste lorsque le gaz résiduel possède un pouvoir calorifique élevé c'est-à-dire lorsqu'il a une teneur éle- vée en méthane et autres hydrocarbures.
Suivant la construction la plus fréquemment employée, la bat- terie de fours à coke' s'appuie sur une fondation comportant un radier en bé- ton armé, au-dessous duquel se trouve un sous-sol acessible. Au-dessus de ce radier se dressent les régénérateurs supportant les chambres de distilla- tion proprement dites. Les conduits de chauffage sont aménagés dans les murs qui séparent une chambre de l'autre.
Pour atteindre dans les conduits de chauffage les températures d'exploitation requises, qui sont comprises entre 1000 C et 12500C, sans gas- piller la chaleur sensible de fumées, on utilise un système de récupération comportant dans la plupart des cas des régénérateurs munis d'un remplissage en briques (cageots) en matière réfractaire.
Les régénérateurs sont subdivisés en deux groupes, parcourus alternativement par l'air (et également, si l'on en dispose, par le gaz pau- vre ou gaz de haut-fourneau) et par les produits de la combustion. Les in- versions s'effectuent généralement toutes les demi-heures.
Lorsque la batterie est chauffée par le gaz de cokerie, le con- duit principal parcouru par le gaz de chauffage s'étend dans le sous-sol dans la direction de l'axe longitudinal de la batterie. Des conduits de dériva- tion ou conduits horizontaux sont branchés sur le conduit principal en un- nombre double du nombre des murs séparant une chambre de l'autre. A l'en- trée de chaque conduit se trouve un robinet à pointeau commandé par l'appa- reil d'inversion, et à chaque période de travail une moitié des robinets est ouverte et l'autre moitié est fermée.
Des conduits susdits se détachent des tubes en fer formant des conduits verticaux en nombre correspondant à celui des brûleurs. Ces conduits verticaux traversent de bas en haut le radier de fondation et débouchent en autant de conduits en matière réfractaire, ménagés dans l'épaisseur des murs séparant un régénérateur de l'autre. Ces conduits sont parcourus par des - gaz initialement froids; ils sont cependant creusés à l'intérieur d'une con- struction en maçonnerie, dont la température moyenne augmente au fur et à me- sure que l'on avance du bas vers le 'haut, jusqu'à ce qu'elle excède dans cer- tains endroits 1000 C.
Le gaz monte ainsi en effleurant des parois à température graduellement croissante jusqu'a ce qu'il débouche du brûleur. dans le conduit de chauffage, où il s'enflamme en venant à contact avec l'air combu- rant arrivant des régénérateurs convenablement préchauffé.
Lorsqu'on utilise, au lieu du gaz de cokerie, un gaz à teneur élevée en méthane ou autres hydrocarbures, à l'intérieur des conduits ascen- dants menant aux brûleurs proprement dits se produit une décomposition ther-
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mique des hydrocarbures en carbone et hydrogène, avec formation de dépôts vo- lumineux de carbone qui ne tardent pas à boucher les conduits.
Si l'on ne remédie pas à cet inconvénient, l'exploitation de la batterie devient même impossible.
On a tenté de supprimer ces dépôts carbones en raclant l'in- térieur des conduits par de longues vrilles en profitant de la demi-heure pendant laquelle l'écoulement du gaz est suspendu, mais ce système s'est mon- tré bientôt inadéquat. En effet, il suffit de considérer que, dans le cas d'une batterie usuelle à 30 chambres il y aurait lieu de prévoir 17.856 opé- rations de raclage toutes les 24 heures.
D'après un autre système connu, on brûle les dépota carbonés qui se forment dans les conduits parcourus par le gaz riche. On emploie dans ce cas des dispositifs permettant d'admettre dans les conduits une cer- taine quantité d'air, pendant la demi-heure où ils ne sont pas parcourus par le gaz. L'accès de l'air est favorisé par la dépression régnant dans les ca- naux de chauffage.
Cette mesure, combinée avec quelques opérations de nettoyage mécanique, donne des résultats assez satisfaisants lorsque le pouvoir calorifique supérieur du gaz utilisé n'excède pas notablement 5000 cal/m3.
D'autres installations connues effectuent le mélange du gaz résiduel avec le gaz pauvre et, le cas échéant, avec une partie du gaz de cokerie, dans des appareils automatiques réglant le pouvoir calorifique du gaz mixte à une valeur prédéterminée (par exemple 4.000 cal/m3). Ce mode opératoire représente un progrès technique considérable, car il assure, tout au moins, la constance du pouvoir calorifique du gaz, mais il oblige en revanche à consommer un produit intéressant tel que le coke, pour obtenir un gaz combustible, dont la qualité pourrait même être excessive par rapport à celle qui est nécessaire.
Les inconvénients ci-dessus indiqués sont devenus encore plus graves du fait qu'à la suite des progrès réalisés par les fabriques d'engrais azotés, le gaz résiduel possède un pouvoir calorifique plus élevé que dans le passé, ce qui augmente les difficultés rencontrées par les cokeries. De plus, en nombre de cas, du gaz naturel, ou de toute façon, du gaz riche en hydrocarbures, tel par exemple que le gaz d'une raffinerie d'huiles minérales, peut être mis à disposition au lieu du gaz pauvre plus coûteux. On peut ainsi obtenir un gaz mixte, dont le pouvoir calorifique est constant, mais trop élevé pour pouvoir être utilisé pour le chauffage des batteries de fours à coke.
La présente invention prévoit un procédé pour le chauffage des batteries de fours à coke permettant d'utiliser sans inconvénients des gaz riches en méthane et, en général en hydrocarbures saturés et non saturés, en utilisant, par exemple, un mélange en parties variables de gaz naturel, riche en méthane, et de gaz résiduel lui aussi plus riche en méthane en comparaison du gaz résiduel disponible dans le passé.
Le procédé suivant l'invention est suffisamment souple pour permettre non seulement que le rapport entre le gaz naturel et le gaz résiduel puisse prendre toute valeur comprise entre 0 et 100, en suivant une loi quelconque de variation dans le temps, sans qu'il se forme des dépôts carbonésà l'intérieur des conduits du gaz, mais aussi que dans le cas d'une consommation inférieure ou d'un arrêt de l'installation de production d'engrais azotés, du gaz de cokerie puisse être mélangé aux gaz susdits, dans un rapport quelconque, sans aucun risque ou inconvénient.
Le procédé suivant l'invention permet, en outre, de chauffer les batteries des fours à coke par un gaz ayant un pouvoir calorifique rigoureusement constant,d'une valeur prédéterminée, fixée à volonté dans des limites assez larges, et telle qu'elle permet un réglage optimum de la combustion et, de toute façon, non inférieur à celui qu'on obtient par l'emploi
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du gaz de cokerie seul.,
Suivant l'invention, on obtient ces résultats en ajoutant-de l'air, avec les modalités qui seront indiquées ci-après, au gaz à pouvoir calorifique élevé, consistant en gaz naturel, en gaz résiduel ou en d'autres gaz riches en hydrocarbures, seuls ou mélangés entre eux.
Les recherches qui ont conduit à l'invention ont consisté à examiner le comportement de l'air et à le comparer avec celui d'autres gaz faciles à obtenir c'est-à-dire la vapeur d'eau, loxygène, l'anhydride carbonique et les gaz de combustion.
Au cours de ces recherches on a 'étudié les équilibres de chacun de ces gaz en présence de méthane ou de gaz mixtes à pouvoirs calorifiques différents, à la température à laquelle se trouve la partie supérieure des conduits du gaz de chauffage, avant de déboucher dans le brûleur proprement dit.
On a trouvé, par exemple, qu'en présence de méthane pur l'efficacité de chacun des gaz mentionnés ci-dessus au point de vue de la sûreté contre la formation des dépôts carbonés, peut être représentée par l'échel- le de valeurs suivante :
Gaz de combustion ......... 1
EMI4.1
Air e e e .. e a .. s e e . a .. 3,5
Anhydride carbonique ....... 5
Vapeur d'eau ........... 9 ,5
Oxygène .............. 17
Les résultats de ces calculs théoriques, tout en n'ayant qu'une valeur indicative, parce qu'en réalité à l'intérieur des conduits du gaz, l'équilibre n'est jamais atteint, permettent d'effectuer une première sélection et de rejeter comme gaz diluants :
- - l'oxygène, pour des raisons de sécurité et de prix de revient, - l'anhydride carbonique, à cause de la disponibilité insuffisante de gaz pur, - les gaz de combustion parce que leur efficacité est presque nulle.
On a trouvé également qu'en présence de méthane pur et de gaz combustibles à pouvoirs calorifiques différents, la quantité de vapeur nécessaire varie en proportion directe de la variation du pouvoir calorifique du gaz combustible, tandis que l'air suit une loi plus favorable, de telle sorte que, plus le pouvoir calorifique du gaz disponible pour la combustion est bas, plus le pourcentage de l'air à ajouter au gaz (rapporté à l'air total requis pour la combustion ) est faible. Puisque l'emploi de la valeur présente d'autres inconvénients de caractère pratique, on a approfondi davantage l'étude de l'emploi de l'air en examinant les caractéristiques de la combustion d'un gaz à pouvoir calorifique constant, provenant d'un mélange d'air et de gaz combustible à pouvoir calorifique variable.
On a trouvé que la densité (poids spécifique) de ces mélanges, la quantité théorique d'air nécessaire pour leur combustion et le poids des fumées sont pratiquement invariables avec la variation du pouvoir calorifique du gaz combustible.
Une fois réglés les débits, les ouvertures des vannes, les pressions et les dépressions, et pour autant qu'on dispose d'un appareil de malaxage approprié, toute variation dans la-composition du gaz combustible qui peut se produire, n'a aucune répercussion sur le régime de la combustion.
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Pour contrôler le degré de sécurité par rapport au risque d'ex- plosion, on a imaginé d9utiliser, comme gaz de chauffage, d gaz naturel dilué par de l'air dans les proportions d'un à deux, et que'pour des raisons accidentelles, ce gaz soit mélangé avec du gaz de cokerie ajouté en proporticns croissantes.
Le calcul démontre que l'on a toujours un degré de sécurité contre l'explosion plus élevé que celui du gaz naturel simple dilué par de 1-'air.
Quelques exemples de réalisation sont indiqués ci-après mais à titre simplement illustratif et non limitatif.
Le gaz résiduel provenant d9une fabrique d'engrais azotés ayant un pouvoir calorifique de 6.000 cal/m3, a été mélangé avec de l'air dans la proportion de deux parties de gaz et d'une partie d'aira On a obtenu ainsi un mélange gaz résiduel/air, dont l'analyse est donnée par le tableau qui suit dans la colonne (1) et qui a été admis dans les conduits de chauffage d'Une batterie de fours à coke. On a prélevé un échantillon de ce mélange immédiatement avant qu'il ne rencontre l'air comburant, et on l'a analysé. L'analyse est donnée au tableau qui suit dans la colonne (2).
Le même essai a été fait avec le gaz naturel ayant un pouvoir calorifique de 9.000 cal/m3, qui a été mélangé avec de l'air dans la propor-, tion d'une partie de gaz pour deux parties d'air. L'analyse de ce mélange
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est donnée au tableau qui suit dans la colonne (3). L'anàlyse de 1-'échan- tillon correspondant prélevé immédiatement avant la combustion est donnée à la colonne (4).
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Premier <SEP> essai <SEP> Deuxième <SEP> essai
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<tb> Mélange <SEP> gaz: <SEP> résiduel <SEP> / <SEP> air <SEP> Mélange <SEP> gaz <SEP> naturel <SEP> / <SEP> air <SEP>
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<tb> (1) <SEP> (2) <SEP> (3) <SEP> : <SEP> (4) <SEP> :
<tb> :L <SEP> : <SEP> : <SEP> :
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Co2 0 4 3 fo - 2,5 :
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Il CH4: 33,0 24.,6 31,8 18,0 : :
N2: 44.6 44,4 tir 54,5 O O 5± , 9ho
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Pour plus de clarté, il y a lieu de remarquer que les analyses indiquées dans les colonnes (2) et (4) sont incomplètes, car elles ne comprennent pas la vapeur d'eau qui, d2après le calcul, est présente dans les proportions respectives de 8 parties et de 15 parties pour 100 parties de gaz non condensables.
Dans les deux cas, l'air additionné au gaz combustible n'agit pas comme un diluant inerte, ayant simplement pour fonction de réduire le pouvoir calorifique du gaz combustible.
Au contraire,ce qui est pleinement en accord avec la théorie,
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il se produit entre les divers constituants du gaz une série de réactions complexes grâce auxquelles le phénomène de la décomposition thermique du méthane et de la formation de dépôts carbonés n'a plus lieu. De'plus-, par suite de ces réactions, la composition du gaz de chauffage subit une transformation profonde, à la suite de laquelle, à cause de la diminution sensiblé de la quantité de méthane présente et de l'augmentation correspondante de la quantité d'hydrogène et d'oxyde de carbone, le gaz se prête beaucoup mieux que le gaz originel à donner une combustion rapide et complète.
L'expérience démontre que le gaz de chauffage ayant la compo-sition décrite précédemment et utilisé pour le chauffage d'une batterie de fours à coke agit d'une façon comparable au gaz de cokerie, et que la consommation de calories est du même ordre de grandeur.
Le procédé suivant l'invention est applicable dans de nombreux cas particuliers. Ainsi, par exemple, lorsque pour le chauffage des batteries, on dispose de gaz résiduel seul, ou bien de gaz naturel seulement, ou bien de gaz provenant des raffineries d'huile minérale seulement, ou enfin, lorsqu'on dispose d'un mélange en proportions quelconques (fixes ou variables) de deux des gaz ou des trois gaz ci-dessus indiqués, avec ou sans addition de quantités fixes ou variables de gaz de cokerie,
En règle générale, le procédé que prévoit l'invention est applicable dans tous les cas où, pour des raisons techniques ou économiques, on estime convenable de destiner le gaz de cokerie à d'autres applications et d'utiliser un gaz autre que le gaz de cokerie pour le chauffage des batteries .
En conclusion, le présent procédé présente l'avantage d'être simple, d'offrir une grande sûreté de fonctionnement, d'exiger des installations de coût réduit et de donner lieu à des frais d'exploitation presque négligeable.
Le dessin annexé montre l'un des différents schémas d'installation que l'on peut adopter pour mettre en pratique le procédé suivant l'invention.
1 désigne le conduit qui amène le gaz résiduel de l'usine de fabrication des engrais azotés au gazomètre du gaz de chauffage des batteries.
La direction du courant de gaz est indiquée par les flèches A et B.
2 désigne le conduit dans lequel passe le gaz naturel. Les conduits 1 et 2 sont reliés par un conduit 3. dans lequel est disposée une vanne !3:. de réglage du débit, qui peut être commandée à la main, ou bien asservie suivant les cas par un système de réglage et un servo-moteur à la grandeur ou condition que l'on désire observer. Sur le conduit 3 se trouve une bride de mesure 5.
6 désigne un groupe compresseur refoulant l'air dans le con- duit 1 en aval du point où le conduit 2 y débouche. 7 désigne le conduit amenant l'air du compresseur 6 au conduit 1. Sur le conduit 7 sont prévus une bride de mesure 8, une soupape de sûreté automatique à tampon 9 et un régu- lateur de débit 10 actionné par un servo-moteur 10a commandé par un calorimètre régulateur 11, relié à un point du conduit 1 situé en aval du point 12 où le conduit 7 débouche dans le conduit 1. Il est utile d'insérer au point 12 une spirale ou de recourir à toutes autres mesures appropriées pour assu- rer un mélange intime, homogène et uniforme des différents gaz présents.
Le gaz naturel, qui arrive du "pipe-line" sous une pression élevée, est mesuré et décomprimé dans la cabine 13. En aval du branchement du conduit 3 est prévu un groupe régulateur de pression, de manière que les autres utilisateurs éventuels de gaz naturel ne ressentent pas les variations du prélèvement par le conduit 3.
Le fonctionnement de l'installation est le suivant:- La quantité de gaz naturel à prélever est réglée au moyen de la vanne 4; elle
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est mesurée par la bride de mesure 5. Le calorimètre 11 est également ré-' glé selon le pouvoir calorifique qui est le plus indiqué pour assurer un bon' réglage de la combustion. Au calorimètre 11 parvient, d'une manière' continue, un échantillon du gaz de chauffage des batteries qui est prélevé en aval du point 12. Selon que son pouvoir calorifique est plus g nd ou moins grand'que la valeur prédéterminée, le régulateur de débit 10 actionné à l'aide du ser- vo-moteur 10a est ouvert ou fermé dans la mesure suffisante pour corriger le pouvoir calorifique.
La soupape de sûreté à tampon à fermeture rapide 9 se déclen- che lorsque le courant manque ou lorsque l'admission d'une quantité excessi- ve d'air pourrait pour d'autres raisons représenter un danger d'explosion.
REVENDICATIONS.
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1.- Procédé pour le chauffage des batteries de fours à coke à l'aide d'un gaz combustible constitué par du méthane, des gaz naturels ri- ches en méthane, des gaz industriels contenu en méthane élevé, ainsi que des gaz contenant d'autres hydrocarbures saturés et non saturés à deux ou plus de deux atomes de carbone, caractérisé en ce que l'on ajoute à ces gaz de l'air avant leur admission dans les conduits du gaz de chauffage des batteries.