Brevet FR2059709A1 — publié le 19710604

ii est connu de carboniser à "basse température du charbon en grains fins dans un lit "tourbillonnant par introduction dans celui-ci de l'air de combustion froid ou pré-chauffé à travers la grille de la chambre de réaction, ce qui permet de chauffer le lit tourbillonnant, 5 donc également de carboniser à basse température le charbon introduit, par combustion partielle de celui-ci ou du coke et des constituants volatils obtenus par carbonisation à basse températureo Or on sait que cette combustion partielle a lieu de préférence sur' le coke obtenu, de sorte qu'elle est /désirable en ce qui concerne le rendement 10 ©"t teneur en cendres ô Le coke est généralement le produit principal de la carbonisation à basse température, et on l'utilise de préférence comme combustible dans les installations de frittage, comme agent d'amaigrissement dans les cokeries, comme matériau de départ pour la fabrication d'agglomérés moulés de coke, etc.», au lieu d'utiliser 15 le goudron volatil et les fluides gazeux, dont la mise en oeuvre ne peut aujourd'hui guère avoir lieu économiquement0 le mode de mise en oeuvre usuel de la carbonisation à basse température d'agglomérés ou de combustibles en grains au moyen d'un gaz de rinçage, et h l'intérieur d'un four à fût, dans lequel on fait 20 circuler à travers ce four des gaz de combustion très chauds, présentant une teneur en 0^ très faible ou nulle pour le chauffage et la carbonisation du combustible par circulation en contre-courant avec celui-ci, ne convient pas à la carbonisation à basse température dans un lit tourbillonnant. À cet effet, il serait en effet nécessaire que . 25 la grille de la chambre de réaction à lit tourbillonnant soit conçue pour pouvoir résistêr aux hautes températures, comprises entre 1000 et plus de 1200°0, auxquelles les gaz de. combustion sont introduits. Par rapport au chauffage interne, par combustion partielle du coke avec de l'air, il est nécessaire d'utiliser environ quatre fois plus J>0 de gaz de combustion chaud qu'en volume normal. Pour le traitement d'une quantité prédéterminée de charbon, ceci se traduit par un diamètre deux fois plus grand du lit tourbillonnant, ou par un nombre de chambres de réaction quatre fois supérieur lorsque le diamètre de chacune de ces chambres a déjà été porté au maximum applicable. Pour 55 le réglage de la température des gaz en amont de la grille de la chambre de réaction, il est également nécessaire de ramener en circuit fermé une très forte proportion du gaz sortant de la chambre de réaction. On évite tous ces inconvénients en utilisant le chauffage du lit tourbillonnant par combustion interne. Il est donc nécessaire de 40 chercher un moyen permettant d'obtenir la chaleur de carbonisation à basse température par une combustion au sein du lit tourbillonnant, 69 45732 2 2059709 sans qu'il soit nécessaire de brûler à cet effet du coke. Selon l'invention, l'air de combustion et les combustibles gazeux vaporisés ou liquides sont introduits par des tuyères dans le lit tourbillonnant, et chaque tuyère reçoit une quantité de combus-5 tible correspondant à l'oxygène disponible dans l'air de combustion. Il en résulte que la combustion peut avoir lieu à proximité immédiate de la tuyère. Lorsque cette tuyère mélangeuse présente à la sortie un évasement en forme de cuvette, dans lequel les gaz de combustion circulent à grande vitesse, les grains de coke du lit tourbil-10 lonnant ne peuvent pas pénétrer facilement dans cet évasement. On empêche de cette manière la combustion indésirable du coke. On peut augnenter la vitesse de combustion en chauffant préalablement l'air de combustion.■A titre d'exemple, cet air de combustion peut être chauffé préalablement par échange de chaleur avec les gaz très 15 chauds quittant la chambre de réaction à lit tourbillonnant. Cependant, on peut également porter l'air de combustion à une température, par exemple de iOO - 700°C, en le mélangeant avec les gaz de combustion sortant d'une chambre de combustion dans laquelle on fait brûler des combustibles gazeux, vaporisés ou liquides, ou même un 20 poussier de charbon très finement pulvérisé. De préférence, on utilise pour les tuyères mélangeuses un combustible sous la forme des constituants volatils très chauds dégagés du lit tourbillonnant pendant la carbonisation à basse température, et quittant le lit tourbillonnant avec le gaz de com-25 bustion introduit par les tuyères mélangeuses. Le mélange de vapeur et de gaz sortant du lit tourbillonnant est avantageusement d'abord \ dépoussiéré dans un cyclone, et refroidi ensuite par injection et évaporation d'eau. Le goudron condensé est ensuite séparé dans un laveur et retient également les dernières particules de poussière. 50 Le gaz résiduel d'une température d'environ 120 à 150°C, et contenant encore des vapeurs d'huile et d'eau, peut servir de combustible dans les tuyères mélangeuses. Cependant, on peut également utiliser les gaz portés à une température d'environ 30°C par refroidissement complémentaire et condensation des huiles et de la vapeur 35 d'eau. De même, on peut utiliser le combustible sous la forme du goudron sortant du laveur. Il suffit de refroidir la partie des gaz résiduels sortant de la chambre de réaction à lit tourbillonnant qui doit servir de combustible pour le chauffage de ce lit. Le reste peut #0 être introduit sans refroidissement dans le foyer d'une chaudière. 69 45732 3 2059709 15 20 Il n'est pas indiqué de comprimer les gaz résiduels très chauds ou modérément refroidis sortant de la chambre de réaction à lit tourbillonnant, après la séparation des poussières dans un cyclone pour les introduire dans les tuyères mélangeuses. En effet, les goudrons non saturés et encore capables de réagir 5 ^ ne forment alors que des dépots de produits de polymérisation et de condensation- en mélange avec de faibles porpor'cicns de fines poussières dans le compresseur, dans les conduits adducteurs de combustibles aboutissant à la chambre de réaction, et dans les tuyères IQ mélangeuses. Etant donné que les gaz, huiles et goudrons, provenant de la carbonisation à basse température dans le lit tourbillonnant, ne sont pas particulièrement purs et ont à la longue tendance à former des dépôts, les conduits adducteurs de combustibles aboutissant aux tuyères 'mélan^-vuses doivent être très simples et facilement accessibles, afin qu'il soit possible de les nettoyer périodiquement, au besoin par combustion des dépôts. On connaît déjà divers modes de réalisation de tuyères conçues pour recevoir séparément l'air de combustion et un combustible gazeux ou liquide pour le chauffage direct d'un lit tourbillonnant. Elles sont notamment destinées à apporter la chaleur nécessaire aux réactions endothermiques de matériaux non combustibles, qui doivent être mises en oeuvre dans me chambre de réaction à lit tourbillonnant. Ces tuyères doubles sont conçues de façon que les 25 courants de l'air de combustion et du combustible se rejoignent immédiatement à.la sortie de la tuyère pour se mélanger intimement et pour brûler ensuite rapidement au sein du lit tourbillonnant sans qu'il en résulte des combustions complémentaires dans la chambre à atmosphère gazeuse au-dessus du lit tourbillonnant. 50 Dans une tuyère à deux courants, que décrit par exemple le Brevet français N° 1.504.455, la vitesse de sortie de l'air et du combustible est choisie de façon qu'elle soit tout d'abord supérieure à la vitesse des flammes du mélange en voie de combustion, et qu'elle ne soit ensuite réduite qu'à une certaine distance des 55 orifices de sortie jusqu'au niveau de la vitesse des flammes. De cette manière, la combustion se répartit sur tout le volume du lit tourbillonnant sans dépasser le niveau de celui-ci. "Z Les demandes de brevet, déposées en Allemagne (jj sous les Nos PV. P 17.58.244.4, P 18 15.286.0 et P 19 06 895.2, g 40 décrivent des tuyères à deux courants destinées au chauffage direct Q 2? de lits tourbillonnants avec des combustibles liquides ou gazeux, 03 69 45732 4' 2059709 qu'on fait brûler avec de l'air au sein du lit tourbillonnant. Dans ce cas encore, le combustible et l'air de combustion sont mélangés directement avant ou après la sortie de la tuyère, de sorte que la combustion peut avoir lieu au sein du lit tourbillonnant sans ^ aucune apparition de combustions complémentaires au-dessus du lit. Or, pour la mise en oeuvre du.procédé selon l'invention, -les tuyères à deux courants distribuées sur le fond de la chambre de réaction doivent être conçues de façon que la combustion ait lieu complètement, et avec une rapidité suffisante à proximité immé-10 diate de la tuyère, afin que les lits tourbillonnants, essentiellement composés de coke, ne reçoivent aucune trace d'oxygène libre, mais seulement des gaz de combustion. Une chambre de réaction pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention contient un certain nombre de tuyères à deux 25 courants distribuées sur le fond de la chambre. Chacune des tuyères à deux courants comprend une tige formée par deux tubes concentriques, et une tête de tuyère. L'un des deux tubes concentriques, qui est généralement" le tube extérieur, sert à faire passer l'air de combustion dans 20 la tête de tuyère, et traverse ie fond de la chambre de réaction pour communiquer avec un distributeur d'air. L'autre des deux tubes concentriques, de préférence le tube intérieur, communique avec un distributeur de combustible prévu à l'intérieur ou même au-dessous du distributeur d'air. De 25 préférence, le distributeur d'air et le distributeur de combustible sont conçus sous la forme de chambres agencées au-dessous du fond de la chambre de réaction, de façon que ce fond forme le plafond du distributeur d'air, tandis que le fond de ce dernier forme le plafond du distributeur de combustible. Le fond du distributeur jO de combustible est avantageusement garni de tubulures obstruées, rendant éventuellement la chambre accessible pour le nettoyage. La chambre du distributeur de combustible est supprimée lorsque le procédé selon l'invention est mis en oeuvre avec un combustible liquide. Dans ce cas, le tube intérieur de la tige de 55 tuyère traverse le fond de la chambre du distributeur d'air, et communique avec une tubulure permettant de raccorder le tube préci- ^ té à un conduit adducteur principal de combustible au moyen d'un j| tuyau souple ou d'un tube rigide. g La tuyère comprend un corps de tuyère et une buse rappor- ^ 40 tée, dont l'orifice de sortie est évasé en cuvette dans laquelle gj la combustion du combustible introduit a lieu presque complètement. 69 45732 5 2059709 La t'ête de tuyère se présente sous là forme d'un corps creux cylindrique obstrué à une extrémité par un couvercle plat ou tronconique. L'extrémité ouverte de la tête de tuyère est emmanchée sur le tube extérieur de la tige. Dans la paroi périphérique 5 de la tête de tuyère, et directement au-dessous de l'extrémité supérieure sont pratiqués des orifices radiaux, par exemple sous la forige de canaux ou de fentes. Le tube intérieur de la tige de tuyère, par'lequel arrive le combustible, aboutit à un orifice de sortie calibré. Ce tube peut s'arrêter à l'intérieur de la tête 10 de tuyère au-dessous de l'extrémité obstruée, ou peut passer par un orifice central du couvercle pour déboucher au-dessus de la tête de tuyère dans m chapeau déflecteur. La tête de tuyère présente sur le pourtour extérieur un épaulement périphérique destiné à servir de support à la buse présentant un orifice de sortie évasé 15 en cuvette. Au-dessous de la partie la plus étroite de la cuvette évasée, la buse rapportée- présente une chambre de mélange dans laquelle débouchent les orifices de sortie de la tête de-tuyère, et c'est dans cette chambre de mélange que débute la combustion. 20 Le mélange en voie de combustion passe à grande vitesse dans la cuvette évasée, dans laquelle la combustion est ensuite presque achevée. Les gaz de combustion très chauds quittent la cuvette évasée à une vitesse telle que les particules de colce du lit tourbillonnant superposé ne puissent pas tomber dans cette cuvette 25 pour ne pas être amenées en contact avec de l'oxygène libre. Bien entendu, la tête de tuyère et la buse rapportée doivent être suffisamment lourdes pour ne pas être arrachées par les courants gazeux qui les traversent. Grâce à cette conception très robuste des tuyères de JO combustion à deux courants, il est possible de vaincre deux difficultés de la carbonisation à basse température en lit tourbillonnant. On simplifie ainsi considérablement la séparation coûteuse et compliquée des produits volatils de -carbonisation à basse température, qui ne sont que très difficilement utilisables et que contiennent 35 les gaz résiduels sortant de la chambre de réaction à lit tourbillonnant, tandis que les produits volatils de carbonisation à basse température peuvent servir au chauffage direct de la chambre de réaction. La combustion est mise en oeuvre de façon qu'elle puisse avoir lieu directement dans la chambre de réaction sans que le 40 coke du lit tourbillonnant risque-d'entrer en contact avec de l'oxygène libre. è") 45732 6 2059709 Le dessin annexé représente schématiquement et à titre d'exemples deux: têtes de tuyères pour chambres de réaction à lit tourbillonnant destinées à la cokéfaction du charbon avec buse rapportée évasée en cuvette. 5 La figure 1 est une vue en coupe verticale montrant la tuyère coiffée de sa buse, et la partie adjacente du fond de la chambre de réaction.. La figure 2 est une vue en coupe verticale d'un autre mode de réalisation de la tête de tuyère. XO La figure 1 est une vue partielle du fond de la chambre de réaction et d'une tuyère aélangeuse. Celle-ci comprend la tête de tuyère 1, une tige formée par un tube extérieur 2, un tube intérieur concentrique 3 et une buse 4 coiffant la tête. Le tube extérieur 2 est raccordé avec étanchéité à un orifice pratiqué 15 dans le fond 5 de la chambre de réaction et communique avec un distributeur d'air 6. Le fond 7 de ce distributeur d'air 6 forme simultanément le plafond du distributeur de combustible 8, délimité vers le bas par un fond 9 équipé de trémies 10 et de tubulures de nettoyage obstruées 11. Le tube intérieur 3 de la tige est 20 centré sur l'axe du tube extérieur 2, et descend jusqu'au fond 7 séparant le distributeur d'air du distributeur de combustible. Ce tube 3 est raccordé avec étanchéité à un orifice pratiqué dans ce fond. La tête de tuyère 1 est emmanchée sur le tube extérieur 25 de la tige, et vient buter contre un épaulement 12 prévu à une hauteur prédéterminée-. La tête de tuyère présente dans sa paroi périphérique, et au-dessous du couvercle 13, des orifices de sortie 14 façonnés à la forme de canaux ou de fentes. Le tube intérieur 3 de la tige passe par un orifice central 15 pratiqué dans ^0 Ie couvercle 13 de la tête de tuyère, et présente au-dessus de celle-ci vin orifice de soufflage coaxial et calibré 16 débouchant sur la face inférieure d'un déflecteur 17. On peut également remplacer l'orifice de sortie 16 par d'autres orifices de sortie prévus à l'extrémité du tube 3, et orientés horizontalement et 55 tangentiellement. Au dessous des orifices de sortie 14, la tête de tuyère 1 présente sur le pourtour extérieur un épaulement périphérique 18 portant la buse 4. Cette buse est profilée sur le pourtour intérieur de façon qu'elle forme avec la tête de tuyère 1, et dans 40 la zone des orifices de sortie 14, un canal annulaire 19 communiquant avec la chambre de mélange 20 qui se rétrécit au-dessus de &9 45732 7 2059709 la tête de tuyère. Au-dessus de la section transversale la plus étroite 21, débute un évasement en cuvette 22 dans lequel a lieu la combustion. Au-dessous de la surface annulaire, par laquelle la buse 5 4 prend appui sur 1'épaulement 18, celle-ci est prolongée vers le bas par une jupe tubulaire 23 entourant la tige de tuyère avec un certain espacement. Cette jupe augmente de préférence le poids de la tête dè tuyère 1 et de la buse 4, de façon que les deux ne soient pas décollées par le fluide gazeux entrant. De plus, 20 cette jupe forme complémentairement autour du tube extérieur de la tige de tuyère un écran- protégeant ce tube contre l'action des matériaux très chauds de la couche tourbillonnante. L'augmentation du poids de la tête de tuyère et de la buse est particulièrement importante pour le mode de réalisation de la tête de tuyère selon 25 la figure 2. Dans ce rnode de réalisation, la tête de tuyère 31 est coiffée d'un couvercle 32. Dans ce cas encore, la tête de tuyère est montée sur le tube extérieur 35 de la tige de la manière décrite en regard de la figure 1. 20 " Le tube intérieur 34 de la tige de tuyère débouche au- dessous du couvercle 32 et des orifices de sortie radiaux 35 de la tête de tuyère, de sorte que le mélange d'air et de combustible a déjà lieu dans ces orifices. La buse 4 est emmanchée sur 1'épaulement 36 du corps 25 de tuyère de la manière indiquée sur la figure 1. Le mélange combustible, formé à l'intérieur de la tête de tuyère, passe par les orifices de sortie 35 dans la chambre de mélange au-dessus de la tête de tuyère, ensuite dans la zone de combustion proprement dite délimitée par l'évasement en forme de cuvette de la buse. Ce mode de réa-lisation est de préférence destiné à faire brûler les combustibles liquides, plus précisément du goudron provenant de l'extracteur par lavage. Dans les deux modes de réalisation de la tuyère mélangéuse, le tube intérieur de la tige (3, 34) est exclusivement fixé dans le 55 fond du distributeur d'air. L'extrémité présentant l'orifice de sortie est librement mobile. Il en résulte que le tube peut compenser les dilatations thermiques apparaissant éventuellement. L'exemple ci-après est destiné à mieux faire comprendre l'invention. 40 Un lit tourbillonnant, présentant un diamètre intérieur de 2.000 mm et une hauteur de couche de 1.000 mm, est doté dè 50 2059709 tuyères mélangeuses uniformément réparties dans toute la section transversale du lit. Pour une quantité totale de fluide gazeux de 28 000 nrVh, présentant une température de 800°C à la sortie du lit tourbillonnant et composé de gaz de combustion et de gaz 5 de dégazage du charbon, on fait arriver aux tuyères mélangeuses ~A 4.000 ra^K/h d'air et 2,000 m^N/h de gaz de chauffage présentant -A un pouvoir calorifique-de 2.000 Kcal/nrN. Le gaz de chauffage est utilisé sous la forme d'une partie du gaz évacué du lit tourbillonnant après son refroidissement et après l'extraction de l'huile con-10 densée de goudron. Chacune des tuyères mélangeuses reçoit par heure 80 nrN d'air et 40 nrN de gaz de chauffage. La cuvette de chacune des tuyères mélangeuses reçoit donc dans la partie inférieure un diamètre de 50 rrm, et un orifice supérieur de sortie d'un dia-15 mètre de 120 mm r>ox-' une hauteur de cuvette de 120 mm. Les gaz de combustion sort vr.t de l'orifice supérieur à une vitesse d1 environ 10 m/coq.§ 69 45732 • BAD ORIGINAL 69 45732 9 2059709 REVEHDICATTQMS 1° Procédé pour la carbonisation à basse température de charbons en grains fins dans un lit tourbillonnant chauffé par combustion interne,.caractérisé en ce que l'air de combustion et des combustibles gazeux, vaporisés ou liquides, sont introduits par 5 le bas dans la chambre de réaction à lit tourbillonnant au moyen de tuyères mélangeuses, et sont brûlés au-dessous du lit tourbillonnant. 2° Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on utilise le combustible sous, la forme du gaz résultant-20 de la carbonisation à basse température, et ce après le refroidissement et la condensation du goudron et de l'huile. 3° Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on utilise le combustible sous la forme d'un courant partiel de gaz sortant de la chambre de réaction à lit tourbillon-25 nant, après son refroidissement jusqu'à une température de 150° à 100°C et après l'extraction du goudron condensé. 4° Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on utilise le combustible sous la forme du goudron extrait par condensation des gaz sortant de la chambre de réaction 20 à lit tourbillonnant. 5° Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 4, comprenant une chambre de réaction à lit tourbillonnant sur le fond de laquelle sont réparties des tuyères mélangeuses, communiquant par des tubes concentriques de 25 la tige de tuyère' avec des distributeurs de combustible et d'air de combustion prévus au-dessous du fond de la chambre de réaction, caractérisé par le fait que chaque tige de tuyère porte un corps de tuyère 1 présentant des orifices de sortie radiaux 14, 35, et une buse rapportée 4 dont l'orifice supérieur est évasé en cuvette 30 22. 6° Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la tête de tuyère 5 est emmanchée sur le tube extérieur 2 de la tige de tuyère et présente vin épaulement périphérique 18 sur lequel repose la buse 4 rapportée. 55 7° Apparei-l selon les revendications 5 et 6, caractéri sé par une chambre annulaire 19 ménagée entre la tête de tuyère 1 et la bjise rapportée 4, et par une chambre de mélange disposée au-dessous de la section transversale la plus étroite 21 de la buse 4 et au-dessus- de la tête de tuyère 1. 69 45732 10 2059709 8° Appareil selon les revendications 5, 6, 7, caractérisé par le. fait que le tube intérieur 3 de la tige de tuyère, destiné au passage du combustible, débouche par un orifice de sortie calibré 16 du couvercle 13 au-dessous du chapeau déflecteur 5 17 prévu au-dessous ou au niveau de la section transversale la plus étroite de la buse. 9° Appareil selon les revendications 5, 6, 7, caractérisé par le fait que le tube intérieur Jk dé la tige de tuyère, destiné à faire passer le combustible, débouche dans la tête de tuyè-10 re 31 au-dessous des orifices de sortie radiaux 35 et au-dessus de l'extrémité du tube extérieur 33 de la tige de tuyère. BAD ORIGfNAL