Brevet FR2369502A1 — publié le 19780526

La présente invention concerne un procédé et un appareil de combustion de matières carbonées solides. Plus précisément, l'invention concerne un procédé et un appareil de combustion de matières carbonées solides telles que le charbon, avec formation d'un gaz de gazogène a faible teneur en soufre et dépourvu de cendres volantes, par mélange d'un composé alcalin et de préférence de carbonate de sodium, de charbon pulvérisé et d'une quantité d'air insuffisante pour la combustion complète du charbon, puis par combustion partielle du charbon dans un réacteur, avantageusement a cyclone, pararevêtement des parois du réacteur par un mélange fondu du composé alcalin et des cendres volantes, afin que les cendres volantes restantes soient piégées et réagissent avec les composés du soufre libérés par le charbon, par retrait de la matière fondue a une première extrémité du réacteur, le fond en principe, etpar collecte du gaz de gazogène à l'autre extrémité, à la partie supérieure du réacteur en principe. L'invention concerne de façon générale la production d'énergie par combustion de matières carbones solides telles que le charbon et plus précisément la combustion préalable du charbon afin qu'il forme un gaz de gazogène dépourvu de composés du soufre et de cendres volantes, par combustion partielle du charbon dans un réacteur à cyclone et en presence d'un composé alcalin. La combustion du charbon destinée à la formation d'énergie utilisable est connue et utilisée depuis de nombreuses années. Dans l'une des applications les plus courantes, du charbon pulvérisé brûle totalement directement dans un four ou une chaudière et dégage des quantités très importantes de chaleur d'une manière efficace. Cependant, cette combustion du charbon provoque aussi la formation de quantités importantes de cendres volantes et de composés nuisibles du soufre qui contaminent l'atmosphère et l'environnement. Jusqu'à présent, le traitement des produits de combustion n'a donné satisfaction que de façon marginale ou a nécessite un traitement compliqué ou prolongé. Le retrait efficace des composés du soufre des produits de combustion est particulièrement difficile.La précipitation des cendres volantes est plus facile, par exemple par un appareil électronique de précipitation, mails, lorsque le charbon utilise a une faible teneur en soufre, l'ionisation des composés du soufre est reduite si bien qu'il faut choisir un compromis entre le retrait facile des cendres volantes avec présence de soufre dont le retrait est plus difficile, et la suppression du soufre par combustion d'un charbon à faible teneur en soufre mais avec un retrait difficile des cendres volantes. Le traitement postérieur des produits de combustion du charbon par divers composés, notamment des composés alcalins, est déjà connu. Cependant, les rendements et la rentabilité de la circulation et du traitement de quantités importantes de produits de combustion dans un appareillage convenable nécessitant un traitement prolongé ne sont pas avantageux, Un certain nombre de brevets concernent les problèmes du traitement des cendres volantes, des composés du soufre, etc. Par exemNb, le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 2 274 414 décrit les avantages de la fusion des cendres volantes, mais indique aussi que ce résultat n'est obtenu que par un compromis sur le rendent de combustion et sur la complexité des techniques de recyclage. Plus précisément, le traitement sug gére comprend la fusion des cendres volantes par mélange avec une matière combustible, par exemple liquide. Un séparateur électrostatique est indiqué comme dispositif principal de séparation avant le recyclage. On connais aussi des fours à combustion tangentielle, consommant du charbon pulvérisé. Ainsi, le brevet des Etats Unis d'Amérique ne 2 970 001 décrit une chambre de four à combustion tangentielle. Cependant, les cendres volantes ne sont pas là encore collectées essentiellement sur les parois du four. Au contraire, la collecte est assurée par un ensemble de séparation, et les matières sont recycles dans une trémie à laitier placée au fond du four. Les parois de ce dernier sont refroidies et, bien que le combustible soit brûlé à une température qui dépasse la température de fusion des cendres, le transfert de chaleur à travers les parois du four serait évidem ment compromis par du laitier fondu collecté sur les parois du four. Ainsi, il est simplement indiqué que le laitier fondu "tombe" vers le fond du four. Ainsi, bien que diverses opérations et étapes individuelles de traitement telles que la combustion centrifuge, la séparation centrifuge, l1épuration par un liquide, la séparation par un gaz, soient déjà connues, comme l'indique aussi la description qui suit, on ne connalt pas actuellement et on n'a pas suggéré apparemment de procédé intégré permettant la formation d'un gaz combustible pratiquement non polluant, préparé au cours d'une opération limitée. L'invention qui constitue un perfectionnement nouveau des dispositifs connus d'utilisation du charbon comme source d'énergie, concerne un procédé et un appareil de combustion partielle de matières carbonées solides telles que le charbon pulvérisé, dans un réacteur à cyclone et en présence de composés alcalins, de préférence de composés riches en sodium tels que le carbonate anhydre de sodium, le trona, la nahcolite, la dawsonite, le chlorure de sodium ou l'hydroxyde de sodium, fondant au voisinage de 9000C, afin qu'il se forme un gaz de gazogène qui peut être utilisé comme source d'énergie. Le procédé et l'appareil assurent simultanément la formation d'un laitier à température relativement basse de fusion étant donné la présence du composé alcalin, sur les parois du réacteur. En outre, le laitier qui est riche en matières alcalines, extrait les composés nuisibles du soufre des produits de oenibistion et, comme-il constitue aussi un fluide adhérant à faible tension superficielle, il piège les cendres volantes fugaces qui n'ont pas été fondues initialement. Ainsi, l'invention concerne avantageusement un procédé et un appareil de combustion de matières carbonées solides, selon lesquels la plus grande partie du soufre disponible est transformée en un composé chimique qui est facilement retiré du système et permet ainsi une réduction importante des émissions de SOx des gaz de cOmbustion. Elle concerne aussi avantageusement un procédé et un appareil mettant en oeuvre un additif formé par un composé alcalin qui réduit la température de fusion des cendres du température normale de fusion, et revet ainsi les parois du volume 18 sous forme d'un laitier visqueux 26. Ce dernier, étant donné la présence du composé alcalin, réagit avec le soufre disponible et forme des composés qui s'incorporent au laitier et sont ainsi retirés de la phase gazeuse. Les cendres volantes qui ne sont pas fondues initialement à la suite du contact avec l'additif alcalin sont piégées dans le liquide visqueux 26. Ainsi, ce dernier et les polluants descendent le long des parois du volume 18 et s'égouttent dans le réservoir 28 de laitier dans lequel ils sont refroidis par exemple par de l'eau 30.Une matière solide compacte, dense et vitreuse se forme ainsi et peut être facilement retiree par une sortie 33. Un tampon 35 qui est réglable axialement et peut ainsi pénétrer plus ou moins dans le volume 18 du cyclone, est maintenu en position par un support réglable 36 dans la gorge du volume 18. Ainsi, le laitier 26 forme un joint entre le tampon 35 et la gorge du volume 18. Un collecteur 39 est disposé au centre du volume 18 et il constitue un dispositif collecteur de tourbillons. Ainsi, le gaz de gazogène provenant de la combustion partielle du charbon circule dans le collecteur 39 et parvient par exemple à un distributeur 41 de transport vers un dispositif utilisateur qui assure la combustion dans un générateur de chaleur à gaz propre. En résumé, lors du fonctionnement,du charbon, un additif alcalin et une quantité limitée d'air sont injectés tangentiellement dans le brûleur du volume 18 du cyclone par la gorge ou le canal 16 du brûleur. La combustion s'effectue alors et élève la température à plus de 900"C si bien que 11 additif alcalin fond et, à la suite du mélange des additifs alcalins et des cendres volantes réfractaires, forme un laitier visqueux et collant 26 sur les parois du brûleur 18. La combustion est suffisante pour que le charbon passe de l'état carbone à l'état gaz de gazogène contenant par exemple de l'oxyde de carbone, du méthane et d'autres gaz partiellement oxydés. L'oxydation partielle ne forme pas avantageusement de matière carbonisée. Le laitier 26 collecte, par réaction chimique et piégeage physique, les polluants formés par SOx et les charbon si bien que ces cendres fondent et forment un laitier à température réduite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé qui représente un mode de réalisation avantageux d'installation selon l'invention, destinée à la mise en oeuvre du procédé de l'invention, et sur lequel - la figure 1 est une coupe par un plan horizontal d'un appareil selon l'invention - la figure 2 est une coupe transversale de l'appareil de la figure 1 ; et - la figure 3 est une élévation frontale de l'appareil des figures 1 et 2. Sur les dessins, les références identiques désignent des éléments analogues. La figure 1 représente un réacteur simplifié 10. Celui-ci est délimité essentiellement par une structure 12 formant un boîtier externe et un revêtement réfractaire interne 14. Dans la partie supérieure du réacteur 10, un canal 16 d'un brûleur recoupe en direction pradquement tangentielle le volume 18 du réacteur délimité comme représenté en direction pratiquement verticale au- centre du réacteur 10. Ainsi, du charbon ou d'autres matières carbnées analogues, et un additif, par exemple un composé alcalin et notamment de sodium, sont introduits par une tuyauterie 20 alors que de l'air est injecté par une tuyauterie 21 et une quantité supplémentaire d'un composé du sodium est éventuellement ajoutée par l'injecteur 22. Un allumeur 24 est destiné à provoquer la combustion. Le mélange injecté passe dans le canal 16 et parvient au volume 18 du cyclone dans lequel le charbon subit une combustion partielle, c'est-à-dire qu'il brûle suffisamment pour former des gaz tels que le méthane, l'oxyde de carbone et d'autres composés gazeux incomplètement oxydés, mais la combustion est pratiquement suffisante pour qu'une partie au moins du carbone présent soit oxydée. La réaction initiale du soufre est très rapide dans le volume de turbulence formé par le brûleur.Etant donné la présence du composé alcalin, la matière incombustible du charbon, c'est-à-dire les cendres volantes, fond à une température nettement inférieure à sa cendres volantes étant donné le contact entre les gaz de combustion qui tournent dans le cyclone en descendant dans le brûleur 18, et le laitier 26 porté par les parois du brûleur 18. On sait que les constituants gazeux migrent vers le centre du brûleur 18 et forment un tourbillon interne si bien qu'ils ont tendance à circuler dans le collecteur 39 pratiquement à contre-courant du courant cyclonique principal dans le brûleur 18. Les gaz combustibles collectés forment un gaz de gazogène à pouvoir calorifique volumique relativement faible. Cependant, étant donné la chaleur sensible disponible qui peut être utilisée et étant donné en outre le caractère "propre" du gaz de gazogène formé, ce gaz contitue une source d'énergie efficace et économique. Il apparaît ainsi qu'il est souhaitable que le gaz de gazogène formé soit utilisé près du réacteur 10 afin que les pertes de chaleur sensibles soient évitées. Dans un cas idéal, ces gaz peuvent être utilisés directement dans des chaudières, des séchoirs, des fours rotatifs ou fixes ou d'autres appareillages de traitement, produisant ou utilisant de la chaleur et qui consomment normalement du gaz naturel classique. Il faut noter que le composé alcalin a plusieurs rôles simultanés. D'abord, certains additifs tels que le carbonate de sodium assurent une catalyse de l'oxydation du charbon. Ensuite, l'additif s'associe aux cendres volantes par fusion et forme un laitier ayant une température de fusion inférieure à celle du laitier formé par les cendres volantes pures. Le composé alcalin, en coopération avec les cendres volantes fondues, constitue un excellent agent de mouillage qui assure le piégeage des cendres volantes qui n'ont pas été fondues initialement pour la formation du laitier. Enfin, il réagit rapidement dans le réacteur à cyclone à courant turbulent, avec les composés SOx dégagés par le soufre du char bon, avec formation de composés qui restent dans le laitier et sont facilement retirés de l'appareil.Ces diverses fonctions ne sont pas inconnues séparément, mais seuls le procédé et l'appareil de l'invention les mettent en oeuvre simultanément d'une façon aussi commode et rentable. I1 suffit que l'additif alcalin fonde aux températures créées dans le réacteur 10. Les composés du sodium qui sont les composés alcalins les plus courants et les plus disponibles, sont particulièrement avantageux. Le carbonate de sodium est le plus avantageux. Cependant, d'autres composés tels que le carbonate de potassium K2C03 peuvent aussi être utilisés facilement. Il n'est pas nécessaire que l'additif alcalin soit introduit sous forme pure, et des minerais contenant le composé alcalin, par exemple le carbonate anhydre de sodium riche en sodium, le trona, la dawsonite, la nahcolite, le chlorure de sodium brut ou l'hydroxyde de sodium brut peuvent être utilisés comme additifs alcalins. La quantité d'additif alcalin utilisée varie évidemment dans une certaine mesure. Le charbon n'est pas une matière invariable et fixe. Suivant la quantité de composés du soufre qu'il contient, la nature et la quantité de cendres, etc., la quantité d'additif peut varier. En général, on constate que par exemple, lorsque l'additif est formé par du carbonate de sodium, 8 à 10 e d'additif par rapport au charbon, en poids, donnent des résultats avantageux avec réduction des émissions de soufre et de bonnes propriétés de formation de laitier. Il est avantageux qu'au moins 9,5 % d'additif par rapport au poids du charbon soient ajoutés, bien qu'une quantité aussi faible que 4 % en poids puisse être utilisée avec un charbon à faible teneur en soufre et à faible teneur en cendres.En règle générale, des quantités égales d'additif alcalin et de cendres se révèlent utilisables, sinon optimales. On peut prévoir que la rentabilité de l'addition des additifs varie lorsque la disponibilité et le prix des composés alcalins varient. Suivant l'emplacement, l'additif particulier utilisé et le coût peuvent varier, et peuvent conduire à une utilisation légèrement plus élevée ou plus faible afin que l'efficacité soit marginalement suprieure ou inférieure. Un tel "réglage fin" peut être facilement réalisé en fonction des conditions particulières d'utilisation. I1 faut noter r en ce qui concerne l'additif à base de carbonate de sodium, que ce composé réagit avec les constituants les plus courants des cendres, par exemple suivant la réaction Na 2C03 + Sio2 Na2S iO3 + CO2 Les silicates ainsi formés réagissent aussi avec d'autres constituants des cendres et forment une matière vitreuse à température relativement faible de fusion. De manière analogue, les composés du soufre présents dans le charbon,par exemple l'hydrogène sulfuré, réagissent de la manière suivante H2 S + Na2C03 Na2S + H20 + CO2 Il est avantageux que la température réactionnelle soit maintenue dans la plage générale comprise entre 900 et 10000C afin que les sulfures ainsi formés ne se décomposent pas, bien que des températures plus élevées puissent aussi être utilisées. Cette réaction n'est pas inconnue, mais jusqu'à présent, sa mise en oeuvre a nécessité un contact prolongé dans un réacteur à lit. LoWs de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on dispose un réacteur en deux parties dans un four "Lindberg". On introduit initialement du charbon, de l'air et un composé alcalin dans un réacteur horizontal, avec maintien de la température entre 900 et 1000 0C. Le composé alcalin est introduit en quantité pondérale égale à celle des cendres du charbon. Les produits de combustion partielle parviennent alors à un séparateur et le laitier est retiré au fond du séparateur alors que le gaz de gazogène -s'échappe par la partie supérieure. Le tableau I indique les résultats des essais réalisés ainsi que ceux d'un essai témoin. TABLEAU I Exemples de résultats de composition des gaz produits Essai nO I II III IV ~ V Débit d'introduction de charbon, kg/h 10,2 14,7 14,7 11,1 11,1 Débit d'introduction d'air,m3/h 22,26 73,4 73,4 55,1 55,4 Rapport molaire O2/C 0,66 0,69 0,69 0,68 0,69 Température de la réaction, C 931 950 950 935 930 Suite du tableau I Essai nO I Il III IV V Composition des gaz en volume % CO 24,90 19,97 20,68 22,06 23,27 H2 13,40 10,39 20,75 10,31 12,29 CH4 0,10 0,42 0,50 0,22 0,57 N2 59,50 62,35 62,81 58,82 55,48 O2 1,60 1,15 0,80 1,42 1,71 CO2 0,60 5,71 4,45 7,17 6,69 CO/CO2 41,50 3,50 4,65 3,08 3,48 Chaleur de combustion, kWh/m3 1,562 1,335 1,376 1,376 1,521 Rendement thermique, % de transformation de chaleur 56 96 98 100 100 Additif (Na2CO3) NON OUI OUI OUI OUI Il faut noter que le rendement thermique obtenu avec les additifs est nettement supérieur à celui d'un essai comparable réalisé sans additif, ce rendement étant proche de l'unité dans deux cas. On effectue des essais analogues afin d'obtenir des données concernant le retrait des particules et de l'anhydride sulfureux. Dans ce cas encore, le charbon, l'additif et une quantité limitée d'air brûlent dans le dispositif décrit précédemment en deux parties. Les résultats figurent dans le tableau II. TABLEAU II Résultats portant sur le retrait des particules et de l'anhy dride sulfureux Essai nc III IV VI VII VIII Débit d'introduction de charbon, kg/h 14,7 11,1 16,1 11,1 10,2 Débit d'introduction de charbon, kW 113 81 124 85 78 Cendres, kg/h 1,77 1,27 1,91 1,32 1,22 Soufre exprimé sous forme S02, kg/h 0,22 0,15 0,24 0,16 0,15 Emissions particulaires, kg/h 0,28 0,12 0,68 0,10 0,20 g/kWh 2,49 4,33 5,66 1,23 2,49 retrait, % 84,1 89,1 63,2 92,1 83,7 Suite du tableau II Essai n III IV ~ VI VII VIII Emissions d'anhydride sulfureux kg/h 0,00181 0,000263 0,2177 0,00454 0,00454 kg/kWh 0,0124 0,0032 0,65 0,061 0,061 retrait, % 98,4 99,8 7,7 88,9 96,6 Additif (Na2CO3) OUI OUI NON OUI OUI I1 faut noter que le pourcentage de retrait des émissions particulaires et de l'anhydride sulfureux est nettement accru par addition de l'additif alcalin sous forme de carbonate de sodium. L'analyse du charbanutilisé dans les essais des tableaux I et II figure dans le tableau III. TABLEAU III Analyse du charbon Analyse immédiate ASrès séchaqe Brut de réception cendres . 11,85 % 11,29 % matières volatiles 38,29 36,47 C fixé 49,86 47,49 S 0,73 0,69 3,480 kWh humidite 4,76 % Analyse élémentaire C 71,30 % 67,91 % H 5,10 4,86 N 1,45 1,38 O 9,57 9,11 S 0,73 0,69 cendres 11,85 11,29 humidité 4,76 En résumé, l'invention concerne un procédé et un appareil simples et directs de combustion préalable rapide et partielle de charbon ou d'une autre matière carbonée afin que les impuretés les plus nuisibles, c'est-à-dire les particules et les composés du soufre, soient séparées dans un laitier solidifié en phase solide qui peut être facilement séparé.Au cours de cette opération, le rendement de combustion du charbon est accru par mise en oeuvre des additifs avantageux, et la combustion et le retrait des impuretés sont réalisés à température relativement faible étant donné l'incorporation d'un additif alcalin. Le gaz chaud de gazogène, pratiquement débarrassé d'impuretés, peut être facilement collecté et utilisé d'une manière tout à fait analogue à l'utilisation des gaz naturels. Le pouvoir calorifique relativement faible du gaz de gazogène est partiellement compensé par la chaleur sensible du gaz obtenu, et le gaz est très rentable'étant adonné les faibles investissements nécessaires à la transformation du charbon en un gaz. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de combustion de matières solides carbonées pulvérisées contenant des cendres et des composés du soufre, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend le mélange d'une matière carbonée solide pulvérisée, d'un composé alcalin et d'une quantité d'air qui ne suffit pas à l'oxydation complètende la matière carbonée, avant combustion notable de la ma tière carbonée, l'oxydation partielle de la matière carbonée par combustion dans un réacteur à brûleur à cyclone en présence du composé alcalin, la formation d'un laitier fondu a l'aide du composé alcalin et des cendres provenant de la-matière carbonée, la réaction des composés du soufre de la matière carbonée avec le composé alcalin, pratiquement pendant la combustion, avec maintien des produits de la réaction dans le liquide, le piégeage des cendres volantes solides dans le laitier fondu porté par les parois du brûleur à cyclone, le retrait du laitier du réacteur, et la collecte des gaz incomplètement oxydés provenant du réacteur afin que ces gaz, débarrassés des impuretés particulaires et des composés du soufre, constituent une source avantageuse d'énergie. 2. Procédé selon la revendication 1,- caractérisé en ce que la matière carbonée pulvérisée, le composé alcalin et l'air sont injectés dans le brûleur à cyclone de manière tangentielle, par une gorge d'un canal de brûleur. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, ca ractérisé en ce que la matière carbonée pulvérisée, le composé alcalin et l'air sont injectés indépendamment dans une gorge de brûleur reliée au brûleur à cyclone. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le laitier fondu est retiré du brûleur à cyclone et se solidifie au contact d'un bain d'eau qui assure la collecte du laitier. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 3 et 4, caractérisé en ce que le composé alcalin est un composé du sodium. 6. procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les composes du sodium sont choisis parmi le carbonate de sodium, le carbonate anhydre de sodium, le trona, la dawsonite, la nahcolite, le chlorure de sodium et l'hydroxyde de sodium. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le composé du sodium contient du carbonate de sodium. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérise en ce que la matière carbonée subit une combustion à une température supérieure à 9000C dans le brûleur à cyclone. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la combustion est effectuée pratiquement entre 900 et 10000C. 10. Procédé selon ltune quelconque des revendiations I à 9, caractérisé en ce que les gaz collectés et incomplètement oxydés contiennent du méthane et de l'oxyde de carbone. 11. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière carbonée est le charbon. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le composé alcalin est présent en quantité pondérale sensiblement égale au poids des cendres dans la matière carbonée. 13. Appareil de combustion partielle d'une matière carbonée, caractérisé en ce qu'il comprend un brûleur à cyclone, une gorge de brûleur communiquant avec le brûleur à cyclone, au moins une sortie disposée dans la gorge et destinée à l'introduction d'une matière carbone pulvérisée et d'un additif alcalin dans la gorge, un tampon placé à une première extrémité du bruleur à cyclone et destiné à délimiter une sortie pour le laitier formé dans le brûleur tout en empêchant la sortie du courant de gaz du brûleur à cyclone, et un collecteur de gaz formé dans le brûleur. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que la gorge du bruleur est disposée tangentiellement par rapport au brûleur.