Brevet FR2130317A1 — publié le 19721103

i % 2130317 la présente invention a pour objet un procédé et une installation pour séparer les constituants solides indé- gai sirables ou réutilisables de/combustibles chauds sous pression élevée, produits par combustion partielle de substances combus-5 tibles liquides ou solides dans un réacteur0 Elle' s'applique plus spécialement à la séparation du vanadium, des constituants alcalins et des cendres carbonées de gaz chauds produits par combustion partielle d'huile lourde, d'huile résiduelle ou de combustible de soutes ou fuel lourd appelé aussi bunker C-10 On sait que l'on peut améliorer considérablement le rendement des machines motrices thermiques telles que, par exemple, les turbines à gaz, en élevant la température d'entrée du fluide de travail. On ne peut cependant, sans qu'il se produise de détériorations dues à la corrosion dans la chambre de 15 combustion et dans la turbine, notamment aux aubages, échauffer ce fluide jusqu'à une température supérieure ou égale à, par exemple, lo100°C, sauf s'il s'agit de produits de distillation de combustible dépourvus de cendres ou de gaz naturel. Le prix élevé des combustibles de ce type fait perdre l'avantage thermo-20 dynamique du rendement élevé, de sorte que, pour des raisons économiques, en dehors de l'aéronautique, les turbines à gaz à haute température ne peuvent fonctionner en service continu que dans un domaine réduit. Pendant la combustion d'huiles de faible prix 25 riches en cendres, comme l'huile lourde, l'huile résiduelle et le combustible de soutes, la température des gaz à l'entrée des turbines ne peut dépasser 650°G, car, à cette température, les cendres,qui renferment du pentoxyde de vanadium, commencent à fondre. Les cendres liquides se déposent dans les premiers éta-30 ges desturbines à gaz et favorisent conjointement avec le sodium et le soufre, l'apparition de phénomènes de corrosion redoutés. On a certes constaté qu'en ajoutant SiOg, ou MgO, on peut augmenter légèrement la température maximale admissible, car on transforme ainsi les composants des cendres à 55 bas point de fusion en composés à point de fusion plus élevé, mais ce procédé n'offre pas de solution réelle au problème de la corrosion à haute température» On ne peut éliminer que partiellement de la - fraction combustible liquide les impuretés contenues dans les 40 huiles de faible prix riches en cendres,, Notamment, on ne 72 09160 2 2130317 connaît pas de procédé pour éliminer de façon économiquement rentable le vanadium des huiles minéralesD Pour la mise en oeuvre de l'invention, il faut garder à l'état solide autant que possible les constituants 5 indésirables,, On peut obtenir ce résultat au moyen d'une installation de gazéification connue en soi quand on effectue la gazéification avec un manque d'oxygène. Cette condition ne favorise alors à partir des composés du vanadium contenus dans le combustible introduit qu'une faible oxydation de ce vanadium, a-10 vec des températures de fusion supérieures à 1.200°Co Lors de cette gazéification ou combustion partielle de combustibles liquides ou solides, il se forme sous pression élevée des gaz combustibles à partir des combustibles introduits avec de l'air ou un autre porteur d'oxygène servant d'agent de gazéification et 15 éventuellement avec addition d'eau ou de vapeur d'eau. Ces procédés de gazéification sont, de façon générale, connus par le brevet allemand n° 1.231.222, la demande de brevet allemand publiée après examen n° 1o055»74-2 et les demandes de brevet allemand publiées avant examen n° lo926 On connaît déjà des procédés d'épuration des gaz en combinaison avec des chambres de combustion. Par exemple, 25 dans le brevet allemand n° 1»195-554 il est décrit un dispositif à filtre remplaçable que l'on peut faire fonctionner avec de l'huile lourde. Dans ce dispositif, le filtre remplaçable est un filtre à couronne circulaire tournant autour d'un axe parallèle à l'axe de la chambre de combustion et placée à l'extérieur de 30 celle-ci. Au cours de la rotation, la partie du filtre saturée d'impuretés quitte un tube et entre dans une chambre d'échange de filtre qui se trouve à l'extérieur du tube et où elle peut être remplacée. Les inconvénients en sont le coût élevé de l'équipement nécessaire à l'échange des filtres et la nécessité de 35 les remplacer à des températures élevées. En outre, avec ce procédé, il existe déjà une atmosphère oxydante du fait de la filtration, de sorte que le point de fusion des cendres est d'environ 650°Co Enfin, on connaît, par le brevet allemand n° 40 1.259.001, un procédé de gazéification empêchant les détériora 72 09160 3 2130317 tions dues à la corrosion par des constituants alcalins ou à base de vanadium, contenus dans des huiles combustibles, selon lequel on. élimine à l'intérieur du réacteur les constituants générateurs de cendres et causes de détériorations par corroie sion, en guidant les gaz sur une trajectoire courbe, de façon à projeter les particules de cendres vers l'extérieur sous l'action de la force centrifuge. Des vues au microscope électronique des particules de noir de fumée et de cendres provenant d'huiles gazéifiées par combustion partielle montrent que la 10 dimension des impuretés est, dans une proportion considérable, inférieure au micron, de sorte que la séparation par l'action des forces centrifuges à l'intérieur du réacteur n'est guère possible. En outre, il faudrait éliminer plus de 95 % des substances solides encore partiellement utilisables, si l'on voulait 15 employer le gaz combustible pour des turbines à gaz à haute température, ce qui n'est guère possible avec ce procédéo L'invention a pour but d'éliminer, les inconvénients des procédés précités,, Elle permet d'étendre la gamme des combustibles utilisables avec les procédés à haute tempéra-20 ture, notamment pour l'alimentation des turbines à gaz ayant à l'entrée des températures supérieures à 950°0, jusqu'aux combustibles bon marché et riches en cendres. Elle permet en outre une exploitation économiquement rentable et de bons rendements des machines motrices thermiques utilisées» 25 L'exploitation économique dépend de l'élimina tion des constituants qui sont la cause des phénomènes de corrosion, sans recours à un refroidissement important de recyclage suivi d'un nouveau chauffage du gaz combustible,, Elle tient également à ce que le gaz combustible soit dépourvu de cendres, et 30 que les substances combustibles contenues dans les cendres ne soient pas perdues, mais largement utilisées. Pour résoudre ce problème, selon l'invention on produit le gaz combustible, de façon connue en soi» dans un réacteur, avec une atmosphère réductrice telle que les 35 constituants à séparer ne passent pas encore à l'état gazeux ou liquide à des températures comprises entre 1.000°0 et 1„250°G et lTon sépare immédiatement les constituants solides du gaz combustible chaud, sans refroidissement intermédiaire ou avec un refroidissement intermédiaire seulement minime, dans une instal-40 lation d'épuration des gaz chauds, après quoi on renvoie fla-ps 72 09160 4 2130317 le réacteur de façon continue ou intermittente, les constituants solides séparés pour faire subir une nouvelle transformation aux fractions combustibles qu'ils contiennent. Pendant que, d'une part, les gaz chauds à é-5 purer traversent l'appareil d'épuration, on effectue d'autre part, en même temps, selon le principe du contre-courant, l'expulsion hors de l'appareil d*épuration, des constituants solides retenus, au moyen de vapeur d'eau ou d'un mélange de gaz et de vapeur d'eau, à l'aide d'un électeur et on renvoie ces cons-10 tituants solides dans le réacteur» On parvient ainsi à un fonctionnement continu, la vapeur d'eau nécessaire étant prélevée sur la vapeur d'eau présente de toute façon dans le réacteur pour produire le gaz, et le gaz utilisé étant un gaz déjà épuré produit d'ans le réacteur . Le recyclage de l'ensemble des cons-r 15 tituants séparés dans l'appareil d'épuration, et pas seulement du carbone, est possible, car la proportion en poids des cendres représente moins de 1 % de l'ensemble des substances solides» Ce recyclage est également nécessaire, du fait que le carbone est lié directement aux cendres. Le recyclage dans le ré-20 acteur des substances séparées permet de transformer le carbone dans une large mesure et ainsi d'augmenter le rendement total» Il est certain que pendant le fonctionnement que l'on vient de décrire, le circuit intérieur du réacteur s'enrichit de plus en plus en cendres pures, ce à quoi on peut 25 remédier de façon simple en évacuant du circuit du réacteur au moment où la limite de charge de l'appareil d'épuration des gaz chauds est atteinte, les constituants solides séparés, à des intervalles de temps déterminés, automatiquement ou manuellement, chaque fois pendant une courte période, .ce qui permet un 30 nettoyage rapide. Le dispositif pour mettre en oeuvre le procédé décrit comprend essentiellement un filtre tournant à un ou plusieurs étages dans lequel un secteur de filtre saturé d'impuretés est soustrait par rotation, de façon continue ou intermit-35 tente, au courant de gaz brut, et est nettoyé par soufflage en sens contraire de façon continue ou intermittente dans une zone opposée par rapport à l'axe de rotation. Gomme matière filtrante, on utilise un métal fritté poreux ou une matière céramique résistant aux températures élevées. Il y a lieu de mentionner 72 09160 5 2130317 expressément ici que l'on peut utiliser aussi, au lieu d'un filtre tournant, d'autres dispositifs, tels que, par exemple, des filtres à deux chambres ou à chambres multiples à nettoyage périodique d'une chambre de filtration après une autre. ^ Il paraît approprié de monter, avant le filtre tournant, un séparateur préliminaire connu en soi0 Ce séparateur sépare déjà les substances solides grossières et les évacue à l'extérieur ou bien les envoie également dans le réacteur,, Cela permet de retarder le moment où la limite de charge du 10 filtre est atteinte„ On peut également disposer, entre le réacteur et l'appareil d'épuration, un échangeur de chaleur, pour mettre le gaz qui sort du réacteur à une température uniforme, convenant mieux à l'épuration. Ce léger refroidissement intermédiaire 15 peut provoquer une agglomération des particules solides les plus petites, ce qui favorise le rendement de la séparation ultérieure „ le procédé selon l'invention permet de résoudre complètement le problème posé. Il présente, en outre, les avan-20 tages que le gaz combustible fourni à la machine à haute température est dépourvu de constituants favorisant la corrosion et que, grâce à l'atmosphère réductrice, il n'y a pas lieu de craindre de détérioration du réacteur ni de l'appareil d'épuration, du fait qu'il ne se produit pas d'oxydation du vanadium en 25 pentoxyde et qu'il ne se forme que des cendres à températures de fusion élevées„ D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif en référence à la figure 30 unique annexée qui est un schéma d'un mode d'exécution d'une installation conforme à l'invention. Comme l'invention s'applique, de préférence, aux installations à turbines à gaz à haute température, ce schéma est celui d'une installation complète de ce type0 35 On introduit dans un réacteur 1, par des condui tes d'amenée 2, 3 et 4, les matières air, huile et éventuellement vapeur d'eau, que l'on gazéifie en atmosphère réductrice. Le gaz combustible qui quitte le réacteur 1 par la conduite 5 à une température d'environ 1250°C est ramené, dans cet exemple, 40 par un appareil de refroidissement à injection 6, à une tempéra 72 09160 6 2130317 ture admissible pour l'épuration d'environ 1.000°C, ce qui provoque l'agglomération des particules solides les plus fines et favorise le rendement de la séparation ultérieure,, Dans un séparateur préliminaire 7» le gaz combustible est séparé des 5 solides grossiers qui sont, au choix, évacués à l'extérieur suivant la flèche 8 ou bien renvoyés dans le réacteur suivant la ligne en trait interrompu 9» Du séparateur préliminaire 7, le gaz combustible est conduit à un filtre tournant 10 où tous les constituants solides en sont séparés. Il parvient enfin, par 10 "une conduite 11, dans me chambre de combustion 12 dans laquelle il brûle, grâce à une arrivée d'air provenant d'un compresseur 13. Ce dernier aspire de l'air frais par une conduite 14.C'est à une température d'environ 1.100°C que les gaz parviennent, par la conduite 15, à une turbine à gaz à haute température 16 qui. 15 entraîne le compresseur 13 en même temps qu'une machine réceptrice 17 o Par une conduite 18, le gaz détendu et refroidi jusqu'à 400°C sort de la turbine 15, alimente un préchauffeur d'air.19, un appareil générateur de vapeur 20 et enfin un pré-20 chauffeur d'huile 21, jusqu'à ce qu'il passe à l'air libre, en 22, sous forme de gaz d'échappement. Dans le préchauffeur d'air 19, l'air qui provient du compresseur 13 est chauffé à environ 360°C, avant de parvenir au réacteur. L'appareil générateur de vapeur 20 transforme l'eau qui entre en 23 en vapeur gui est 25 conduite au réacteur 1 à une température d'environ 250°0o Enfin, le préchauffeur d'huile 21 donne à l'huile, qui entre au point 24 et est également conduite au réacteur 1 par la conduite 3, une température d'environ 200°C. Le filtre tournant 10 comprend essentiellement 30 un ou plusieurs disques filtrants 25 rotatifso La partie du disque filtrant 25 qui est chargée de substances séparées et retenues est continuellement retirée par rotation du courant gazeux et soumise de l'autre côté de l'axe de rotation à un soufflage s'exerçant en sens inverse qui la nettoie. Ge nettoyage du dis-35 que 25 se fait au moyen de vapeur d'eau prélevée de la conduite 4 par une conduite 26 et de gaz combustible détourné de la conduite 11, que l'on utilise et que l'on renvoie au réacteur par l'intermédiaire d'un éjecteur 27» L'air ne convient pas comme agent de nettoyage du disque filtrant 25, car le joint 28 72 09160 7 2130317 qui sépare les deux côtés de- filtre ne donne pas la certitude d'empêcher la combustion. Le mélange de vapeur d'eau, de gaz et de substances solides ainsi formé parvient, par la conduite 29, dans le réacteur 1 où le carbone contenu réagito. Dès que la 5 limite de charge du filtre 10, 25 est atteinte par enrichissement progressif en cendres du circuit interne 1, 5, 6, 7» 10,25, 29, une soupape ou un clapet JO qui se trouve sur la conduite 29 interrompt, pendant une courte période, l'arrivée au réacteur 1 des substances séparées et une conduite en dérivation 31 est 10 ouverte. Il se produit ainsi une extraction rapide des cendres0 La commande de la soupape ou du clapet 30 peut avoir lieu automatiquement, par exemple en fonction de la perte de pression à travers le filtre0 Il y a encore lieu de mentionner que le procédé 15 d'épuration des gaz décrit permet une adaptation facile au débit des matières traitées par modification de la vitesse de rotation du disque filtrant 25. L'installation à turbine à gaz à haute température représentée schématiquement sur la moitié droite de la fi-20 gure ne fait pas partie de l'invention ; elle n'a pour objet que d'en donner une meilleure compréhension. Il va de soi que l'invention s'applique aussi à d'autres installations. 72 09160 8 2130317 RE7EHDICATI0NS lo Procédé pour séparer des constituants solides indésirables et des constituants réutilisables d'un gaz combustible chaud sous pression élevée, produit par combustion 5 partielle de substances combustibles liquides ou solides dans un réacteur, notamment pour séparer des gaz chauds produits par combustion partielle d'huile lourde, d'huile résiduelle, de combustible de soutes, le vanadium, les constituants alcalins et les cendres carbonées, caractérisé en ce que l'on produit de fa-10 ÇQ31 connue en soi les gaz combustibles dans un réacteur, en atmosphère réductrice et de façon que les constituants à séparer ne passent pas à l'état gazeux ou liquide à des températures comprises entre 1.000°C et 1.250°C et l'on sépare de ces gaz combustibles chauds les constituants solides avec au plus un 15 refroidissement intermédiaire minime, dans un appareil d'épuration des gaz chauds, puis on renvoie dans le réacteur les constituants solides séparés, selon l'une quelconque des deux méthodes continue et discontinue, pour une nouvelle transformation des fractions combustibles. 20 2» Procédé selon la revendication 1, caracté risé en ce que l'on entraîne les constituants solides séparés au moyen de vapeur d'eau, et on les introduit dans le réacteur à l'aide d'un électeur compensant la perte de pression. 3. Procédé selon la revendication 1, caractéri-25 sé en ce que l'on entraîne les constituants solides séparés au moyen d'un mélange gaz-vapeur d'eau de l'appareil d'épuration des gaz chauds, et on les introduit dans le réacteur, à l'aide d'un électeur compensant la perte de pression. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendi-30 cations 1 et 2, caractérisé en ce que la vapeur d'eau utilisée pour renvoyer les constituants séparés dans le réacteur est prélevée sur la vapeur d'eau nécessaire à la production de gaz dans le réacteur. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendi-35 cations 1 et 3 caractérisé en ce que le gaz utilisé pour renvoyer dans le réacteur les constituants séparés est du gaz combustible déjà épuré produit dans le réacteur. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5» caractérisé en ce que,, lorsque la limite de 40 charge de l'appareil d'épuration des gaz chauds est atteinte, on. 72 09160 9 2130317 évacue du circuit du réacteur, pendant de brèves périodes chaque fois, suivant l'une quelconque des deux méthodes automatique et manuelle, les constituants solides séparés dans l'appareil d'épuration afin d'abaisser la teneur trop élevée en 5 cendres du réacteur,, 7o Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on utilise comme combustible, pour produire le gaz combustible, de l'huile riche en cendres, caractérisé en ce que la température du gaz combustible est de 10 650°C au moins lorsqu'il entre dans l'appareil d1épuration des gaz chauds„ 8o Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la température du gaz combustible est de 1000°G. 9o Procédé selon l'une quelconque des revendi-15 cations 1 à 8, caractérisé en ce que l'appareil d'épuration des gaz chauds comprend une épuration préliminaire et une épuration principale, et en ce que seuls les constituants séparés lors de l'épuration principale sont renvoyés dans le réacteur,, 10. Procédé selon l'une quelconque des reven-20 dications 1 à 9» dans lequel le gaz combustible épuré est envoyé dans une chambre de combustion pour turbine à gaz, caractérisé en ce que le gaz combustible sortant de l'appareil d'épuration des gaz chauds,envoyé dans la chambre de combustion, est à une température de 600°C au moins» 25 Procédé selon la revendication 10 caracté risé en ce que le gaz combustible envoyé dans la chambre de combustion est à une température de 950oCc 12. Installation pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle com-30 prend un filtre rotatif à au moins un étage dans lequel la partie saturée du filtre est soustraite selon l'une quelconque des deux méthodes continue et discontinue, par rotation, au courant de gaz à épurer et elle est soumise, du côté opposé par rapport à l'axe de rotation à un soufflage, en sens contraire au sens 33 du courant gazeux, qui la nettoie, et en ce que la matière constitutive du filtre est une matière poreuse résistant aux températures élevées choisie parmi un métal fritte, une matière céramique poreuse, une combinaison de ces deux matières. 72 09160 10 2130317 13. Installation selon la revendication 12, pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un séparateur préliminaire connu en soi précède le filtre rotatif. 5 14. Installation pour mettre en oeuvre le pro cédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un échan-geur de chaleur connu en soi est placé entre le réacteur et l'appareil d'épuration des gaz chauds,, 15o Installation selon la revendication 14 10 pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est un appareil de refroidissement à injection»