Brevet FR2046890A1 — publié le 19710312

L'invention concerne un procddé et un appareil pour le sèchage et/ou la gazéificaticn de charbon à haute teneur en humidité, notamment de lignite brut, la chaleur nécessaire au processus de séchage et/ou de gazéification étant fournie totalement ou en majeure partie de l'extérieur sous forme de chaleur sensible. I1 est connu de gazéifier ducharbon, c'est-à-dire de traiter du charbon par un gaz, dans une couche fluidIsée. Le charbon est fluidisé au moyen d'un gaz étranger, qui est introduit de l'extérieur dans la couche fluidisée. Le gaz do fluidisation est aussi en général, l'agent gazeux de gazéification ou de traitement. Dans les cas connus, ce gaz étranger est-le plus souvent de la vapeur d'eau qui sert en même temps à fournir la chaleur nécessaire au processus de gazéification. La vapeur d'eau doit être considérée comme un agent de gazéification relativement coûteux qui nuit notåblement à l'économie du procédé. L'invention a pour but d'aménager un procédé du genre défini ci-dessus et un appareil pour son application de façon telle que le sèchage et/ou la gazéification puissent s'effectuer de façon simple. En particulier, il s'agit d'obtenir en définitive des gaz de grande valeur de façon simple et économique. Par exemple, des gaz convenant à la réduction de minerais de fer et/ou à d-es synthèses de gaz. Pou résoudre ce problème, l'invention propose d'effectuer le sèchage etXou la gazéification dans une couche fluidisée de charbon et d'assurer cette fluidisation au moyen des gaz chassés par la chaleur, en particulier au moyen de la vapeur d'eau et de ses produits de réaction. Le procédé selon l'invention est ainsi basé sur cette idée que pour des combustibles solides qui ont une haute teneur en humidité, tels qu'on les extrait ou par suite de leur traitement, il est particulièrement avantageux d'utiliser comme agent de fluidisation et éventuellement aussi comme agent de gazéification la vapeur d'eau formée par évaporation lors de ltélimination de l'humidité du combustible.Ces conditions sont réunies, en particulier, pour le lignite brut qui présente tel qu'il est extrait une teneur en eau d'environ 55-60X ou pour un lignite brut faiblement sèché, ayant par exemple une teneur en eau de 40 à 50%. La mesure prévue par l'invention, ctest-à-dire l'auto-fluidisation du charbon à sécher et/ou à gazéifier au moyen de l'agent de gazéification tiré du charbon lui-même,entraine une simplifi cation notable de l'appareillage de séchage ou de gazéification car, contrairement aux procédés et appareils connus, il n'est plus nécessaire de prévoir un fond de Soufflage ni tous les dispositifs qui sont utiles pour distribuer uniformément le gaz fluidisant sur toute la couche fluidisée. Un autre avantage notable de l'invention, en particulier en ce qui concerne la gazéification du charbon, réside dans le fait qu'immédiatement après l'expulsion de l'eau et après le dégazaqe plus poussé par apport de chaleur, le charbon est particulièrement réactif.Il s'ensuit qu'en partant d'un volume réactionnel donnai est possible d'obtenir un grand rendement et que la réaction du charbon sur la vapeur d'eau se fait déjà à des températures relativement basses. Quand l'auto-fluidisation est appliquée, l'amorçage de la fluidisation peut poser des problèmes dans certains cas car, tout d'abord, lors de la mise en service, on ne dispose pas de gaz pour mettre en suspension le charbon de la couche à fluidiser. Si cela cause des difficultés, il est possible, selon un mode d'exécution de l'invention, d'amorcer la fluidisation au moyen de gaz étrangers, de préférence au moyen d'air et d'arrêter,totalement ou partiellement, l'arrivée du gaz étranger une fois que l'auto-fluidisatlon est amorcée. Dans la gazéification, l'air convient particulièrement comme gaz étranger pour cette phase d'amorçage car sa réaction sur le charbon conduit de façon avantageuse à un chauffage rapide du système, ce qui fait qu'obli- gatoirement, l'auto-fluidisation s'établit rapidement aussi. Il est possible d'arrêter l'addition de gaz étrangers une fois que l'auto-fluidisation s'est amorcée.En outre, il est possible, même après l'amorçage de l'auto-fluidisation, d'entretenir en plus de celle-ci, une amenée de gaz étranger servant à règler continuellement l'état de fluidisation et le niveau de température. Au moyen d'un tel gaz étranger, qui sera appele gaz auxiliaire, il est possible d'obtenir de façon particulièrement simple, un fonctionnement continu dans des conditions toujours constantes. De plus, selon l'invention, il est possible d'introduire dans la couche fluidisée un charbon présentant une granulométrie supérieure à celle qui est nécessaire à la fluidisation, l'effet d'éclatement produit par le chauffage brusque de grains étant utilisé pour diviser ces derniers à la grosseur favorable à la fluidisation. Selon un autre mode d'exécution important de l'invention, le processus de gaéification est échelonné sur plusieurs couches fluidisées reliées en série et au moins une des couches dans lesquelles s'effectue soit le sèchage, soit le sèchage et le dégazage total ou partiel du charbon,-fonctionne selon le principe de l'a-uto-fluidisation tandis- que, pour assurer leur état de fluidisation, les couches suivantes fonctionnent avec amenée de gaz étranger, avec ou sans fond de soufflage. Ainsi, dans ce procédé, le sèchagè, le dégazage et la gazéification s'éffectuent de façon échelonnée sur plusieurs couches fluidisées qui sont parcourues successivement par le charbon ou le coke.Le -gaz engendré dans la première couche, fonctionnant selon le principe de l'auto-fluidisation, peut fournir, éventuellement après un chauffage;intermédiaires du gaz étranger pour les couches fluidisées situées à la suite. te chauffage intermédiaire sert à introduire comme chaleur sensible dans la couche fluidisée consi dérée,-la-chaleur nécessaire dans le processus de gazéification. Par 'ailleurs, le gaz engendré dans les couches fluidisées alimentées en.-gaz étranger peut servir à fluidiser d'autres couches. Avantageusement, il est fait zen sorte que la couche fluidisée qui engendre le gaz le plus réactif fournisse ce gaz à la couche fluidisée qui présente le résidu de gazéification le plus lent à réagir. Par exemple, le gaz venant de la première couche fluidisée, dans laquelle s'effectue pratiquement le séchage et le dégazage, peut être mis à réagir sur le résidu de la dernière couche. De cette manière, il est encore possible d'obtenir un ré sultat satisfaisant dans -la conversion du résidu le plus lent à réagir qui se trouve en général dans la dernière couche fluidisée. La mesure qui consiste à faire réagir le gaz le plus réactif sur le résidu le plus'lent' à réagir, est basée sur le fait que la vitesse de réaction augmente avec la force thermodynamique du gaz.- La forte thermoRynamique augmente à mesure que le mélange gazeux est plus -éloigné de l'état d'équilibre thermodynamique des constituants qu'il contient. Le processus de gazéification dans les différentes couches fluidisées suppose en tout cas que. de la chaleur soit amenée de l'extérieur. Cela peut se faire dans la première couche dans la quelle est appliquée une auto-fluidisation parl'intérmédiaire d'agencements intérieurs qui sont situés à l'intérieur de la couche et qui sont parcourus par un fluide cédant de-la chaleur. Ainsi, en pareil cas, la chaleur est transmise au charbon à travers les parois de ces agencements intérieurs. Par ailleurs, la production de chaleur d'un réacteur nucléaire peut servir à cet effet, de façon particulièrement économique. Par contre, pour chauffer les couches fluidisées au moyen de gaz étranger, il est avantageux d'utiliser comme véhicule de chaleur, de la façon déjà mentionnée, le gaz engendré dans d'autres couches et éventuellement soumis à un chauffage intermédiaire. Ce mode d'exécution du procédé est avantageux parce qu'il évite lesphinomènes d'usure. Normalement, les agencements intérieurs de transmission de chaleur situés dans la couche fluidisée sont soumis à une usure notable par la matière fluidisée, car celle-ci frotte continuellement contre les parois desdits agencements intérieurs. Ce- frottement se produit naturellement aussi dans le procédé selon l'invention pour la couche qui travaille par autofluidisation, lorsque celle-ci contient des agencements intérieurs du genre ci-dessus. Toutefois, dans ce cas, le frottement du charbon contre les agencements intérieurs ne joue aucun rôle quant à l'usure, car à ce stade et donc dans cette couche fluidisée, le charbon est encore relativement mou.L'effet d'usure ne peut devenir important que lorsque le charbon se convertit en coke à haute température et avec gazéification croissante. Toute- fois, ce stade , c'est-à-dire la conversion du charbon en coke, n'est atteint que dans les couches fluidisées suivantes, dans lesquelles, comme il a été déjà signalé, l'apport de chaleur est assuré par le gaz de fluidisation (gaz étranger). Dans ces cou-ches, les agencements intérieurs ne sont donc pas-nécessaires pour l-'apport de chaleur. Ils peuvent être supprimés et par suite, il ne peut plus se produire d'usure. Il a déjà été indiqué qu'au fur et à mesure de la progression du processus de gazéification, le résidu de gazéif-ication, donc la teneur résiduelle en carbone, devient plus lent à réagir.Dans ces conditions, pour des raisons d'économie, il peut être avanta- geux de ne pas pousser la gazéification du charbon avec chauffage extérieur jusqu'à la gazéification complète ou a peu près complète du carbone associé à la cendré.Au contraire, l'invention prévoit la possibilité de conduire seulement la gazéification au moyen d'un chauffage extérieur jusqu'à un degré de gazéification du charbon qui soit techniquement et économiquement utilisable, c'est-à-dire jusqu'd gazéifier, par exemple, 80% du carbone, et d'amener de l'oxygène à la couche fluidifiée dans laquelle s'effectue la gazéification de la teneur résiduelle en carbone du charbon ou d'un mélange d'agents de gazéification et de charbon résiduel, par exemple, en ajoutant une quantité appropriée d'air d 'eu au gaz étranger amené. La vapeur necessaire à la gazéification peut être fournie par le fait qu'un courant partiel du gaz de production de la couche à auto-fluidisation servant principalement au sèchage est amené au dernier étage de gazéification, en mélange avec de l'oxygène. L'invention est expliquée ci-après à propos de l'exemple d'exécution représenté par le dessin; Dans la couche fluidisée chauffé fée 1, la matière carbonée contenant de l'eau est amenée par une admission 7. Il peut s'agir, par exemple, de lignite brut contenant son humidité naturelle d'extraction ou, éventuellement, qui peut déjà avoir été chauffé, pour des raisons stoechiométriques, jusqu'à présenter une teneur en humidité d'environ 42%. Le chauffage s'effectue au moyen d'un agent de transfert de chaleur qui afflue par une admission 8 à un système de tubes 17 situé à l'intérieur dé la couche fluidisée 1. L'agent est évacué par un échappement 9. Le sens d'écoulement de l'agent de chauffage peut aussi être inverse, comme l'indiquent les flèches 8a et 9a.Le choix du sens d'écoulement revient à choisir entre le courant direct et ie contre-courant le plus efficace des dieux0 Dans la couche fluidisée 1, par suite d'une grande vitesse de chauffage, la matière carbonée cède rapidement son humidité et ses constituants volatils et elle arrive, par ce dégagement de gaz, à l'état d'auto-fluidisation. Cet effet d'auto-fluidisation est renforcé par la désa grégation des grains quand la vitesse de sèchage est grande. De la couche fluidisée, la matière carbonée sèchée et partiellement gazéifiée (par exemple le lignite sec partiellement déga déifié) arrive tout d'abord à la couche fluidisée de gazéification 2, puis à la couche fluidisée de gazéification 3. Ces couches fluidisées de gazéification 2 et 3 peuvent etre réunies en un même ensemble. Le gaz retiré de la couche fluidisée 1 est amené par une canalisation 19 à un dispositif de chauffage de gaz 6 où il est chauffé, puis introduit par une canalisation 20 dans la couche fluidisée 3. L'arrivée et l'évacuation du fluide d'apport de chaleur dans le dispositif de chauffage 6 sont indiquées 13 et 14. La matière carbonée partiellement gazéifiée et sèche provenant de la couche fluidisée 2 est encore convertie par le gaz venant de la couche fluidisée 1 et chauffé dans le dispositif de chauffage de gaz 6. Un second dispositif de chauffage de gaz Sest destiné au chauffage du gaz sortant de la couche fluidisée pour être amené à la couche fluidisée de gazéification 2. De celle-ci, il sort par l'échappement 12 un produit gazeux dans lequel le rapport oxyde de carbone/hydrogène est d'environ 1/1. L'admission et l'échappement du fluide qui cède la chaleur au dispositif de chauffage 5 sont indiquées en 10 et 11. Le carbone résiduel encore non gazéifié qui se trouve dans le produit de sortie de la couche fluidisée 3 est converti de fa çon entièrement exothermique dans la couche fluidisée à haute température 4, au moyen d'air qui peut être fortement enrichi en oxygène et qui est introduit par une canalisation d'admission 16. La cendre est extraite de la couche fluidisée 4 par la sortie 15. A l'air introduit par l'admission 16, il est en outre possible d'amener, par une canalisation 21, un courant partiel de gaz venant du dispositif de chauffage de gaz 6 et qui est ainsi amené à la couche fluidisée 4 pour la combustion. De la couche fluidisée à haute température 4, le produit gazeux sortant par l'échappement indiqué par 18 présente une haute teneur en CO,.En mélangeant ce produit gazeux sortant en 18 à des fractions du produit gazeux qui sort de l'échappement 12 de la couche fluidisée 2 et en convertissant et en purifiant ensuite partiellement ce produit, il est possible d'obtenir des qualités et compositions quelconques de gaz de synthèse. En ajoutant du C02 provenant de groupes de réduction (par exemple de la réduction du minerai de fer), les produits gazeux peuvent être partiellement reconvertis en CO, en particulier avec apport de chaleur, à un niveau de température insuffisant pour la pratique de la réaction de Boudouard. Pour obtenir les gaz de syn thèse riches en hydrogène, les produits gazeux qui sortent en 12 et 18 peuvent être convertis au moyen de H20. Pour obtenir la chaleur qui est nécessaire dans les couches fluidisées t, 2 et 3, pour la conduite des processus de séchage, de dégazage, de division et de gazéification qui exigent beaucoup d'énergie, on peut avoir recours en particulier à des réac teurs nucléaires à haute température. La chaleur est introduite par les canalisations d'amenée et les admissions 8 ou 9j 10 et 13 déjà mentionhées dans les ensembles 1, 5 et 6, Le chauffage de l'échangeur de chaleur à tubes 17 de la couche fludisée 1 peut aussi se faire avec de la chaleur passive venant des échangeurs de chaleur 5 et/ou 6 et qui est évacuée de ces échangeurs par les échappements 11 et 14. REVENDICATIONS 1) Procédé de sèchage et/ou de gazéification de charbon à haute teneur en humidité, en particulier de lignite brut ou de lignite faiblement séché, dans lequel la chaleur nicessaire au processus de schage et/ou de gazéification est fournie totalement ou en majeure partie de l'extérieur sous forme de chaleur sensible, procédé caractérisé en ce que le sèchage et/ou la gazéification sont effectués dans une couche fluidisée et que la fluidisation du charbon est assurée au moyen des gaz chassés par la chaleur, en particulier au moyen de la vapeur d'eau et éventuellement de ses produits de réaction. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fluidisation est amorcée au moyen de gaz étrangers, de préférence d'air, et qu'après l'établissement de l'auto-fluidisation, l'amenée de gaz étranger est arrêtée au moins partiellement. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'après l'amorçage de la fluidisation, une amenée de gaz étranger est maintenue en plus de l'auto-fluidisation pour régler continuellement l'état de fluidisation et le niveau de températurne. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le charbon est introduit dans la couche fluidisée avec une grosseur de particules supérieure à celle qui est nécessaire à la fluidisation et que l'effet d'éclatement qui se produit lors du chauffage brusque des grains, est utilisé pour réduire ces derniers à la grosseur favorable à la fluidisation. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que le processus de gazéification est pratiqué de façon échelonnée sur plusieurs couches fluidisées reliées en série et qu'au moins une des couches dans lesquelles s'effectuent soit le sèchage, soit le sèchage et le dégazage total ou partiel du charbon, fonctionne selon le principe de l'auto-fluidisation, tandis que pour assurer l'état de fluidisation, les couches suivantes fonctionnent avec amenée de gaz étranger, avec ou sans fond de soufflage. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en Cé quele gaz engendré dans la première couche fonctionnant selon le principe de l'auto-fluidisation fournit, éventuellement après un chauffage intermédiaire, du gaz étranger pour les couches flui disées situées à la suite. 7) Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le gaz engendré dans les couches fluidisées alimentées en gaz étranger sert aussi à fluidiser d'autres couches fluidi- sées. 8) Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la couche fluidisée qui engendre le gaz le plus réactif fournit ce gaz de préférence à contre-courant à la couche fluidisée qui présente le résidu de gazéification le plus lent à réa- gir. 9) Procédé selon l'une quelconque des revendications prdcden- tes, caractérisé en ce que la chaleur extérieure est introduite dans la ou les premières couches fonctionnant selon le principe d'auto-fluidisation par l'intermédiaire d'agencements intérieurs qui sont parcourus par un agent cédant de la chaleur et chauffé par exemple par un réacteur nucléaire. îo).Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gazéification est conduite au moyen d'un chauffage extérieur seulement jusqu'à un degré de gazéification du charbon qui soit techniquement et économiquement utilisables, ctest-à-dire jusqu'à gazéifier par exemple 80% du carbone, et que de l'oxygène est amené à la couche fluidisée dans laquelle s'effectue la gazéification de la teneur résiduelle en carbone du charbon, par exemple, en ajoutant une quantité appropriée d'air au gaz étranger amené. 11) Procédé selonla revendication 10, caractérisé en ce qu'un courant partiel du gaz provenant de la couche à auto-fluidisa- tion servant prlncipalement au sèchage est amené auidernier étage de gazéification. 12) Appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une couche fluidisée destinée au séchage et éventuellement à la gazéification du charbon qui présente des agencements intérieurs avantageusement tubulaires, des ouvertures d'amenée de charbon aqueux juste au-dessus du fond et des ouvertures d'évacuation de gaz le long du toitet, en outre, des admissions et échappements destinés à un agent de chauffage parcourant les agencements intérieurs, par exemple, à un agent de transfert de chaleur de réacteurs nucléaires, et enfin des ouvertures d'extraction de charbon séché et éventuellement dégazez 13) Appareil selon la revendication 12 caractérisé par une ou plusieurs autres couches fluidisées, chacune présentant un fond de soufflage perméable au gaz et destiné à un gaz de fluidisation, une ouverture d'amenée de charbon préalablement sèche, ou préalablement séché et dégazé, et éventuellement aussi préalablement gazéifi4, des évacuations de gaz le long du toit du récipient et des ouvertures d'extraction des résidus de gazéifi- cation. 14) Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que le fond de soufflage de la dernière couche fluidisée est muni d'une canalisation d'admission d'un gaz oxygéné, par exemple d'air et en même temps de HZO ou d'un mélange de H20 et de C02. 15) Appareil selon l'une des revendications 12 à 14, carac térisé en ce que les couches fluidisées se présentent sous la forme de récipients disposés en cheminée. 16) Appareil selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que des échangeurs de chaleur sont prévus pour chauffer les gaz d'échappement d'une ou plusieurs couches fluidisées au moyen d'un agent de chauffage, par exemple d'un agent de transfert de chaleur de réacteurs nucléaires.