Brevet FR2401217A1 — publié le 19790323

La présente invention concerne une installation pour la production de méthane ou de gaz de synthèse à partir de substances contenant du carbone à l'aide d'un circuit d'hélium chauffé par énergie nucléaire. Dans cette installation, une première partie du carbone est cenvertie en méthane à l'aide d'hydrogèns dans un gazéificateur d'hydrogénation et une seconde partie du carbone est convertie en gaz de synthèse à l'aide de vapeur d'eau dans un gazéificateur fonctionnant en presence de vapeur d'eau ; au moins une partie du méthane est convertie en hidrogène à l'aide de vapeur d'eau dans un four de dissociation. Cette installation donne soit du méthane (CH4) soit du gaz de synthèse qui est un mélange de H2 et CO contenant de petites quantités de C02 et CH4 Dans la revue "Qhemie-Ingenieur-echnik" 1974, page 938, notamment sur la figure 1 , et page 941, notamment sur la fi gure 2, est décrit un schéma de procédé pour la préparation du méthane par gazéification de charbon à l'aide de vapeur d'eau. Page 937, de nouveaux procédés de gazéification du charbon en méthane par hydrogénation sont mentionnés. Les deux procédés comportent cependant un inconvénient important. Dans la gazéi- fication par hydrogénation, on ne peut obtenir une réaction com plète du charbon en raison des temps de séjour importants du charbon et eu égard aux dimensions limitées du gazéificateur. Le coke résiduel se formant dans la gazéification par hydrogénation contient, outre des cendres, encore environ 30 à 45 % du carbone introduit. Par contre, dans la gazéification par la vapeur d'eau, on peut il est vrai gazéifier le carbone introduit pratiquement sans résidu. Cependant, étant donné que ce processus ne se déroule qu'a des températures élevées (houille 7900C, lignite 6300 - 660 C), seul l'intervalle supérieur de températures de la chaleur libérée dans le réacteur peut être utilisé pour la gazéification . La chaleur résiduelle, dans un processus de gazéification, simplement à l'aide de vapeur d'eau, ne peut plus être utilisée essentiellement que pour la production de vapeur et donc pour la production de courant, parce que seule une faible partie de cette vapeur peut être utilisée dans le procédé. Dans le rapport 0RNL/Tfl-5242 (Oak Ridge National Laboratory, novembre 1976), page 82, est représentée une installation dans laquelle du carbone est converti en méthane à l'aide de chaleur nucléaire. Le charbon est d'abord séché, puis gazéifié par hydrogénation et le coke résiduel est transformé en gaz de synthèse dans un gazéificateur a vapeur d'eau. Une partie du méthane produit est convertie en gaz de synthèse dans un four de dissociation de méthane (appelé four de re- formage) avec addition de vapeur dtea,I chaude. Ce montage a cependant encore les inconvénients suivants : la valeur prévue pour le gazéificateur à vapeur d'eau a une température qui est bien inférieure à la température de gazéification intéressante du point de vue économique.Par conséquement, une partie de la chaleur prélevée dans l'intervalle de températures élevées n'est utilisée que pour le chauffage de la vapeur et est perdue pour la gazéification. Pour une puissance de réacteur nucléaire identique, une quantité inférieure de charbon est donc utilisée et une quantité inférieure de gaz produite. La présente invention a pour objet une installation pour la production de méthane ou de gaz de synthèse à partir de subs- tance s contenant du carbone a l'aide d'un circuit d'hélium chan fé par énergie nucléaire, qui évite largement les inconvénients décrits. Pour atteindre cet objectif, la a demanderesse propose une installation dans laquelle une première partie du carbone est convertie en méthane à l'aide d'hydrogène dans un gazéificateur d'hydrogénation et une seconde partie du carbone est convertie en gaz de synthèse à l'aide de vapeur d'eau dans un gazéificateur à vapeur d'eau , au moins une partie du méthane étant convertie en hydrogène à l'aide de vapeur d'eau dans un four de dissociation, cette installation étant caractérisée par le fait que dans le circuit d'hélium, entre le gazéificateur à vapeur d'eau et le four de dissociation, est disposé un surchauffeur de vapeur utilisée dans le procédé, la vapeur sortant de ce surchauffeur étant introduite dans le gazéificateur à vapeur d'eau.La disposition proposée d'un surchauffeur de vapeur dans le circuit d'hélium entre le gazéificateur à vapeur d'eau et le four de dissociation, améliore de façon très importante le rendement du gazéificateur à vapeur d'eau parce que celui-ci donne de cette manière une vapeur qui possède déjà la température nécessaire à la gazéification. I1 en résulte que la chaleur transférée dans le gazéificateur est disponible presque complètement pour la réaction de gazéification et on obtient, par rapport à la puissance du réacteur nucléaire, une production de gaz maximaie. La dépense supplémentaire occasionnée par le surchauffeur de vapeur prévu, est relativement faible parce que la quantité de vapeur utilisée dans le procédé, comparée aux autres quantités de substances utilisées, est beaucoup plus faible.L'abaissement de la température d'entrée du circuit d'hélium dans le four de dissociation, provoqué par le surchauffeur de vapeur, n'est qu'apparent , parce que la quantité de chaleur cédée par l'hélium à la vapeur, devrait être fournie au gazéificateur à vapeur d'eau si le surchauffeur de vapeur ntexis- tait pas. Etant donné que lors de la combinaison prévue selon l'invention d'une gazéification par hydrogénation et d'une gazéification par vapeur d'eau, les quantités dus méthane introduites dans le four de dissociation, comparées aux autres quantités de substances, sont faibles, le montage proposé ne doit pas non plus occasionner de dépenses supplémentaires importantes dans le four de dissociation. Selon la présente invention, on dispose dans le circuit d'héliui, après le four de dissociation, un premier surchauffeur de vapeur, puis un appareil générateur de vapeur ; la vapeur provenant de cet appareil générateur de vapeur entrasse un turbine et la vapeur soutirée de cette turbine à vapeur est conduite directement, en tant que vapeur utilisée dans le procédé, dans le four de dissociation et, par l'intermédiaire du sur chauffeur de vapeur, dans le gaséificateur~à vapeur d'eau. L'appareil générateur de vapeur peut produire de la vapeur surchauffée aux températures de l'hélium indiquées sous ne pression d'environ 180 barsa Etant donné que cette pression élevée n'est pas nécessaire pour l'utilisation ultérieure de la vapeur dans le procédé, il est avantageux à ce stade du point de vue économie de chaleur', d'abord de détendre cette vapeur dans une turbine et ensuite de la surchauffer à nouveau au moins partiellement. Aussi bien dans le gazéificateur â vapeur d'eau que dans le four de dissociation de méthane, une vapeur de température élevée, mais de pression assez faible, par exemple 40 bars, est nécesssaire. Pour des raisons d'economie de chaleur, il est donc judicieux de surchauffer cette vapeur utilisée dans le procédé autant que possible avant qu'elle ne pénètre dans ces appareils. La figure unique du dessin annexé représente de façon très schématique un montage permettant de produire essentiellement du méthane. Cependant, du gaz de synthèse peut également être produit â l'aide de ce montage en y apportant des modifications mineures, sans importance pour la présente invention , gaz de synthèse qui se compose essentiellement d'hydrogène et d'oxyde de carbone. Un réacteur nucléaire 1 cède par l'intermédiaire d'un circuit primaire d'hélium 2 et d'un échangeur de chaleur 3 de la chaleur à un circuit secondaire d'hélium 4 sur lequel sont disposés successivement un gazéificateur a vapeur d'eau 5, un surchauffeur de vapeur 6, un four de dissociation de méthane 7, un premier surchauffeur de vapeur 8 , un appareil générateur de vapeur 9 et un condenseur d'hélium 10. Le charbon brut est d'abord converti en grande partie dans un gazéificateur d'hydrogénation il, par addition d'hydrogène, en un mélange de méthane contenant de faibles quantités d' hydrogène, oxyde de carbone et dioxyde de carbone.Le coke provenant du gazéificateur d'hydrogé- nation Il est ensuite gazéifié presque sans résidu par addition de vapeur surchauffée dans le gazéificateur & vapeur d'eau 5, dans lequel se forme un mélange de dioxyde de carbone, d'hydrogène et de faibles quantités d'oxyde de carbone et de méthane. Selon les calculs actuels, on peut gazéifier dans le gazéificateur d'hydrogénation 11. jusqutà 60 % du charbon brut introduit dans le cas de houille de la Ruhr et même 65 à 70 % du charbon brut introduit dans le cas de lignite allemande. Pour une gazéification de 60 % du charbon brut, on dissocie dans le four de dissociation7 environ 8 % de la quantité de méthane produite eu hydrogène. Le montage selon la présente invention stabilise presque automatiquement la totalité du procédé pour les diverses aortes de charbon. Lorsqu'une gazéification plus importante a lieu dans le gazéificateur d'hydrogénation 11, il s'y produit moins de coke.En conséquence, une quantité moindre d'hydrogène est produite dans le gazéificateur a vapeur d'eau 5 et une quantité plus importante de chaleur est cédée au four de dissociation 7 par le circuit secondaire d'hélium 4, qui peut dissocier par con séquent plus de méthane et par la compléter la quantité de vapeur d'eau manquant & la sortie du gazéificateur à vapeur d'eau 5 Le produit sortant du gazéificateur d'hydrogénation 11 est refroidi en 12 par régénération, à nouveau refroidi en 13, purifié en 14, débarrassé du dioxyde de carbone et de l'hydrogène sulfuré en 15 et et amené dans un appareil de fractionnement de gaz a basse température 16. Le produit sortant du gazéificateur à vapeur d'eau 5 est refroidi en 17 et amené conjointement avec le produit sortant du four de dissociation 7 à un appareil de conversion 18 dans lequel l'oxyde de carbone présent est transformé avec de l'eau en dioxyde de carbone et hydrogène. Le produit est ensuite refroidi en 19, libéré du dioxyde de carbone et de l'hydrogène sulfuré en 20, condensé en 21, préchauffé par régénération en 12 et amené au gazéificateur d'hydrogénation Il. L'appareil de fractionnement de gaz a basse température 16 mentionné ci-dessus donne comme produit final recherché le méthane, ainsi que de l'hydrogène qui est amené a nouveau dans le gazéi- ficateur d'hydrogénation par l'intermédiaire d'un condenseur 22 et du dispositif de préchauffage par régénération 12 déåà mentionné ci-dessus. L'oxyde de carbone séparé également en 16 est condensé en 29 et amené à l'appareil de conversion déjà mentionné 18 L'appareil générateur de vapeur chauffé par le circuit secondaire d'hélium 4 donne de la vapeur alimentant une turbine 24 pour la production de courant, dont la vapeur soutirée est amenée sous une pression d'environ 40 bars en partie dans le four de dissociation 7 et en partie dans le premier surchauffeur de vapeur 8 et de là dans le gazéificateur à vapeur d'eau 5 par l'intermédiaire du surchauffeur de vapeur 6. Les températures indiquées en dessous ou à droite des conduites représentées donnent en degrés Celsius un exemple des températures de fonctionnement normal de cette installation. L'installation décrite dans la présente demande produirait environ 575 000 Nm3/h de méthane avec un réacteur haute température de 3000 MW refroidi par gaz et en utilisant un charbon flambant contenant 38 % de constituants volatils. Grâce à la disposition en série du gazéificateur à vapeur d'eau 5, du surchauffeur de vapeur 6 et du fôur de dissociation 7, l'énergie nucléaire utilisable dans le processus de gazéification est augmentée par rapport aux procédés connus et par conséquent la production de gaz est accrue pour une puissance de réacteur analogue. Dans le cas du charbon flambant mentionné, on opère avec débit de 985 t/h. Le démarrage de l'instalation selon la pré- sente invention est particulièrement simple par rapport à celui des installations connues, car l'hydrogène nécessaire à la mise en marche du gazéificateur d'hydrogénation il peut être produit dans le four de dissociation 7 à partir du méthane présent dans le roseau gazeux. R E V E N D I C A T I O N S le Installation pour la production de méthane ou de gaz de synthèse à partir de substances contenant da carbone, à l'aide d'un circuit d' hélium chauffé par énergie nucléaire, dans laquelle une première partie du carbone est convertie en méthane avec de l'hydrogène dans un gazéificateur d'hydrogénation et une seconde partie du carbone est convertie en gaz de synthèse à l'aide de vapeur d'eau dans un gazéificateur à vapeur d'eau, au moins une partie du méthane étant convertie en hydrogène à l'aide de vapeur d'eau dans un four de dissociation, installation ca ractérisée par le fait que dans le circuit d'hélium est disposé un surchauffeur de vapeur utilisée dans le procédé, entre le gazéificateur à vapeur d'eau et le four de dissociation, et que la vapeur provenant de ce surchauffeur de vapeur est introduite dans le gazéificateur à vapeur d'eau. 2. Installation selon la revendication 1 , caractérisée par le fait que dans le circuit d'hélium est disposé après le four de dissociation, un premier surchauffeur de vapeur utilisée dans le procédé, puis un appareil générateur de vapeur, la vapeur provenant de ce générateur de vapeur entre une turbine et la vapeur soutirée de cette turbine à vapeur est conduite directement, en tant que vapeur utilisée dans le procédé, dans le four de dissociation et dans le gazéificateur à vapeur d'eau par l'intermédiaire du surchauffeur de vapeur.