Modelisation mathematique d'un four de calcination du coke de petrole

A one-dimensional steady-state mathematical model has been developed to simulate the petroleum coke calcination process in a rotary kiln.

The model is made of 14 ordinary differential equations describing the conservation of energy in the coke bed and in the freeboard gas. They are solved simultaneously using the 4th-order Adams-Moulton numerical method. The model calculates the various temperature profiles and the mass concentration profiles of the different chemical species. Special emphasis is laid on the prediction of calcined coke qualities such as density and mean crystalline length, and on the prediction of the usual process variables such as calcined coke recovery factor, and the loss of coke in the form of dust exhausted with the gas.

A simulation is made to reproduce the operating conditions prevailing during a normal working day, in order to validate the model partially, and to study the effects of the main process control variables. It has been found that in the energy provided by combustion, 59.5% comes from hydrogen, 14.6% from the carbon of the coke bed, 13.8% from coke dust, 11.3% from methane and 0.8% from tar. Dust generation is more substantial at feed end than at discharge end. It increases as coke moisture decreases, and also increases at the location where hydrogen evolves from the coke. Third air has little effect on dust generation.

A comparison with existing models is made to identify eventual similarities between the various kilns under study. It appears that maximum coke temperature occurs at 45 to 55% of kiln length, while the evolution of volatile matters takes place between 5 and 50% of kiln length, measured from feed end.

A parameter study is made on the three main control variables, namely third air flow rate, speed of rotation and coke feed rate. It shows that third air flow rate is the best choice as control variable, for the purpose of controlling kiln temperatures with a well adjusted speed of rotation and a given coke feed rate.

Finally, an optimal operational practice is sought that would allow a higher coke feed rate, therefore a higher productivity, while keeping the process and the furnace in a satisfactory operational condition. It appears that a 1% increase in coke feed rate requires a 2.9% increase in third air flow rate to keep the coke temperature high enough, and an accompanying 1.4% increase in speed of rotation to push the calcining zone back toward the feed end, in order to keep it at its appropriate place along the kiln axis.

Alternate abstract:

Un modèle mathématique unidimensionnel en régime permanent a été développé pour simuler le processus de calcination du coke de pétrole dans un four rotatif.

Le modèle est composé de 14 équations différentielles ordinaires décrivant la conservation de l'énergie dans le lit de coke et dans le gaz de franc-bord. Ils sont résolus simultanément en utilisant la méthode numérique d'Adams-Moulton d'ordre 4. Le modèle calcule les différents profils de température et les profils de concentration massique des différentes espèces chimiques. Un accent particulier est mis sur la prédiction des qualités du coke calciné telles que la densité et la longueur cristalline moyenne, et sur la prédiction des variables usuelles du procédé telles que le facteur de récupération du coke calciné et la perte de coke sous forme de poussière épuisée avec le gaz.

Une simulation est réalisée pour reproduire les conditions opératoires prévalant au cours d'une journée de travail normale, afin de valider partiellement le modèle, et d'étudier les effets des principales variables de contrôle du procédé. Il a été constaté que dans l'énergie apportée par la combustion, 59,5 % proviennent de l'hydrogène, 14,6 % du carbone du lit de coke, 13,8 % des poussières de coke, 11,3 % du méthane et 0,8 % du goudron. La génération de poussière est plus importante à l'extrémité d'alimentation qu'à l'extrémité de décharge. Il augmente à mesure que l'humidité du coke diminue et augmente également à l'endroit où l'hydrogène se dégage du coke. Le troisième air a peu d'effet sur la génération de poussière.

Une comparaison avec des modèles existants est faite pour identifier d'éventuelles similitudes entre les différents fours étudiés. Il apparaît que la température maximale du coke se situe entre 45 et 55 % de la longueur du four, tandis que le dégagement de matières volatiles se produit entre 5 et 50 % de la longueur du four, mesuré depuis l'extrémité d'alimentation.

Une étude paramétrique est faite sur les trois principales variables de contrôle, à savoir le débit d'air tiers, la vitesse de rotation et le débit d'alimentation en coke. Il montre que le troisième débit d'air est le meilleur choix comme variable de contrôle, dans le but de contrôler les températures du four avec une vitesse de rotation bien ajustée et un débit d'alimentation en coke donné.

Enfin, une pratique opérationnelle optimale est recherchée qui permettrait un débit d'alimentation en coke plus élevé, donc une productivité plus élevée, tout en maintenant le procédé et le four dans un état opérationnel satisfaisant. Il apparaît qu'une augmentation de 1% du débit d'alimentation en coke nécessite une augmentation de 2,9% du troisième débit d'air pour maintenir la température du coke suffisamment élevée, et une augmentation concomitante de 1,4% de la vitesse de rotation pour repousser la zone de calcination vers l'extrémité d'alimentation, afin de le maintenir à sa place appropriée le long de l'axe du four.