Brevet FR2465178A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un procédé pour re- froidir des substances solides chaudes en grains ayant des températures allant de 400 à 13000C environ. L'invention vise à exécuter un tel procédé d'une manière économique et à tirer profit de l'énergie d'une manière favorable. On y parvient suivant l'invention en maintenant les subs- tances solides à l'état fluidisé ou ruisselant dans une zone de refroidissement et en envoyant dans la zone de refroidissement de l'air en un mouvement ascendant au con- tact direct des substances solides et en évacuant et utili- sant au moins partiellement la chaleur sensible des subs- tances solides. Celles-ci peuvent provenir de divers processus en amont et avoir aussi un spectre granulométrique assez large. Afin de pouvoir les mettre à l'état fluidisé. ou ruisselant, la limite supérieure du spectre granulométri- que doit être comprise entre 10 et 12 mm environ. Pour mettre les substances solides à l'état fluidisé, on peut mettre en oeuvre des lits fluidisés connus avec ou sans plateau de soufflage en des agencements divers, par exem- ple avec un chambre de fluidisation ou avec plusieurs chambres de fluidisation communiquant entre elles. Le ruissellement des substances solides du haut vers le bas peut s'effectuer dans des tours de ruissellement ou dans des colonnes de ruissellement,qui sont avantageusement munis de plusieurs plateaux intermédiaires pouvant être traversés par les substances solides et destinés à frei- ner ces dernières et à prolonger leur durée de séjour dans la zone de ruissellement. Suivant une variante préférée, les substances so- lides proviennent de la distillation sèche de matières en grains soumis à distillation, par exemple des sables pétrolifères, des schistes bitumineux, des craies pétrolifères, de l'asphalte brute ou de la terre de diato- mée pétrolifère. En soumettant ces substances à une 2 2465178 distillation sèche, on libère et on soutire des vapeurs hydrocarbonées et il reste une substance solide chaude en grains. Il importe beaucoup pour l'économie de telles installations de distillation, de tirer profit d'une par- tie de la teneur en énergie de ce résidu solide. La substance solide chaude qui se forme, par exemple par la distillation sèche, peut avoir encore une teneur en carbone de 1 à 15% en poids. Dans ce cas il est recommandé de brûler au moins partiellement cette teneur en carbone par addition d'air de combustion et ainsi de chauffer encore la substance solide. le résidu solide pauvre en carbone obtenu après la combustion est alors envoyé dans la zone de refroidissement en ayant des températures de 600 à 13001C environ. On peut effec- tuer la combustion de la substance solide contenant du carbone dans une chambre de combustion qui peut affecter la forme d'une chambre de combustion en venturi. Si l'on doit soutirer la chaleur sensible de la substance solide chaude en grains dans la zone de re- froidissement, cela peut s'effectuer par contact direct avec l'air qui la traverse. On peut utiliser cet air comme air chaud dans d'autres processus, par exemple dans les installations en amont pour effectuer la dis- tillation sèche ou bien aussi dans le processus lui- même comme air de combustion pour la post-combustion du carbone du résidu en grains fins. On peut aussi évacuer indirectement une partie de l'énergie calorifique de la substance solide en grains dans la zone de refroidisse- ment, à l'aide d'un milieu réfrigérant liquide ou ga- zeux. On peut en particulier utiliser cette énergie calorifique soutirée pour obtenir de la vapeur. Aux dessins annexés, donnés uniquement a titre d'exemples: La figure 1 illustre le refroidissement en wn stade d'une substance solide provenant de la distl1a- tion sèche, La figure 2 illustre une variante de refroidisse- ment en trois stades, et La figure 3 illustre une autre variante pour le refroidissement en plusieurs stades d'une substance solide en grains. La partie supérieure de la figure 1 est un schéma représentant la distillation sèche de matières hydrocar- bonées telles que le sable pétrolifère, le schiste bitu- mineux,la craie pétrolifère, l'asphalte brute ou la terre de diatomée. Ce type de distillation est déjà connu par les brevets de la République Fédérale Allemande 1 809 874 et 1 909 263 ainsi que par les brevets Nord- américains correspondants 3 655 518 et 3 703 442. D'une trémie 1 collectrice, on envoie à un mélan- geur 3 par l'intermédiaire d'un conduit 2 un résidu de distillation à graine fins ayant des températures comprises entre 500 et 9000C environ et servant de produit caloporteur. La matière à distiller lentement est amenée au mélangeur par le conduit 4. Grâce au mé- lange intime du produit caloporteur provenant du conduit 2 et de la matière de distillation, on obtient une température du mélange de 400 à 8000C environ, grâce à quoi des gaz de distillation et des vapeurs hydrocarbonées sont libérés de la matière de distillation par pyrolyse et s'évacuent par le conduit 5. Les gaz et les vapeurs arrivent ensuite en vue d'être retraitées, d'abord dans une installation de condensation qui n'est pas représen- tée. La quantité de substances solides chaudes qui sort du mélangeur 3 tombe dans un récipient 6 intermédiaire o elle est encore dégazée. Une partie du résidu de distillation et du produit caloporteur constituée principalement d'une subs- tance en grains fins est envoyée par le conduit 7 au pied d'un transporteur 8 pneumatique. Dans ce transporteur, les substances solides sont transportées vers le haut à l'aide de l'air de combustion préchauffé provenant du conduit 9, le cas échéant avec addition de combustibles supplémen- taires provenant du conduit 10 et sont ainsi réchauffées par les gaz de combustion qui se produisent. L'extrémité supérieure du transporteur 8 débouche dans la trémie 1, o la substance solide réchauffée est rassemblée en vue d'être utilisée ensuite et o le gaz résiduaire est éva- cué par le conduit 11. Une autre partie de la quantité de substances so- lides chaudes issues du récipient 6 doit être soutirée à titre-d'excès en permanence par le conduit 10. Quelles que soient les conditions, cela peut se faire aussi al- ternativement ou en plus par le conduit 12a issu de la trémie 1. Le résidu de distillation est constitué non seulement de substances solides inertes, mais a ha- bituellement encore une teneur en carbone de 1 à 15% en poids. Dans un brûleur 13 en venturi, on enlève par combustion l'essentiel de la teneur en carbone de la quantité de substances solides provenant du conduit 12 et/ou du conduit 12a en utilisant de l'air de combustion préchauffé provenant d'un lit 14 fluidisé, grâce à quoi on réchauffe les substances solides à des températures de 600 à 13000C environ. Ces substances solides réchauf- fées parviennent par un canal 15 allant vers le bas dans le lit 14 fluidisé,tandis que les gaz résiduaires chauds passent d'abord par un conduit 16 en direction d'un cyclone 17 de séparation. Les substances solides séparées dans le cyclone 17 vont également par un con- duit 18 dans le lit 14 fluidisé. Comme gaz fluidisant, on envoie par le bas dans le lit fluidisé de l'air pro- venant de l'atmosphère à l'aide du conduit 19 et de la soufflante 20. Les substances solides sont alors re- froidies dans le lit 14 fluidisé et l'air est réchauffé, puis est utilisé dans la chambre 13 de combustion comme air de combustion. On soutire les substances solides re- froidies du lit 14 fluidisé par le conduit 23. Les gaz résiduaires sortant du cyclone 17 tra- versent une unité 21 de préchauffage de l'air et cèdent une partie de leur chaleur à l'air de combustion qui passe dans le conduit 9. Les gaz résiduaires ainsi par- tiellement refroidis peuvent être utilisés dans le con- duit 22 si on le souhaite pour obtenir encore de la va- peur, ce qui n'est pas représenté à la figure 1. Une variante simplifiée de l'agencement de la figure 1 tient en ce que l'on remplace le lit 14 flui- disé par une colonne de ruissellement en soi connue a- yant des plateaux intermédiaires que la substance solide peut traverser. Une telle colonne de ruissellement est décrite par exemple au brevet Nord-américain 3 705 086. Dans l'agencement de la figuré 2 il y a dans un lit 30 fluidisé à plusieurs chambres une zone de combus- tion et aussi une zone de refroidissement. Les subs- tances solides chaudes en grains sont chargées d'abord par le conduit 31 dans la zone 32 de combustion. L'air de combustion qui sert aussi de gaz de fluidisation vient de la soufflante 33 par le conduit 34. Par une cloison 35 intermédiaire à mi-hauteur formant déversoir, une partie de la substance solide passe constamment de la zone 32 de combustion dans une première zone 36 de refroidissement. Par une autre cloison 37 intermédiai- re à mi-hauteur, les substances solides parviennent en- fin dans la seconde zone 38 de refroidissement. De l'air est envoyé aux deux zones 36 et 38 de refroidissement comme fluide de fluidisation par des soufflantes 39 et et conduits 41 et 42 distincts. La seconde zone 38 de refroidissement contient, là o s'effectue la fluidisation de la substance solide, un serpentin 43 de refroidissement (ou des bottes de re- froidissement ou d'autres équipements échangeurs de cha- 6 22465178 leur semblables) qui est parcouru par l'eau d'alimentation de la chaudière arrivant par le conduit 44. L'eau ré- chauffée passe dans le conduit 45 pour aller à un tambour 46 à vapeur. L'énergie de la première zone 36 de refroi- dissement est utilisée pour obtenir de la vapeur et à cet effet de l'eau de refroidissement préchauffée prove- nant du tambour 46 est envoyée dans le conduit 47, le serpentin 48 de refroidissement, puis en passant par le conduit de retour 49 à nouveau au tambour 46. On souti- re de la vapeur d'eau par le conduit 50. Les substances solides refroidies quittent le lit fluidisé par le conduit 51 de sortie. Les gaz sortant des zones 32, 36 et 38 sont envoyés par le conduit 52 en- semble à un cyclone 53 de dépoussiérage et quittent ce cyclone par le conduit 54 pour le gaz résiduaire. La poussière séparée dans ce cyclone est envoyée par l'in- termédiaire du sas 55 dans le conduit 51 d'évacuation. Par le conduit 54 pour les gaz résiduaires, ces gaz peu- vent être, en vue d'en récupérer la chaleur sensible, en- voyés à d'autres échangeurs de chaleur. Afin de brûler d'une manière suffisamment intensive dans la zone 32 de combustion le carbone restant dans les substances solides chargées, on choisit une vitesse du gaz de fluidisation dans cette zonerapportée à la section droite exempte de substances solides du réacteur, d'environ 1 à 3 m par seconde. La vitesse de gaz dans cette zone de combustion est plus grande que dans les deux zones 36 et 38 de refroidissement qui viennent ensuite. A la dif- férence de ce qui est représenté à la figure 2, les deux zones 36 et 38 de refroidissement pourraient être aussi alimentées en gaz de fluidisation par une soufflante com- mune. Dans les deux zones de refroidissement, on établit à peu près la même vitesse pour le gaz de fluidisation entre 1 et 2 m par seconde environ, rapportée à la section droite du réacteur exempte de substances solides. L'agen- cement suivant la figure 2 permet d'évacuer la chaleur des substances solides d'une manière intensive et il est possible sans autres difficultés d'obtenir pour une tem- pérature de la zone 32 de combustion de 600 à 10000C environ une température de la substance solide dans le conduit 51 de seulement 200 à 4001C. La température du gaz résiduaire dans le conduit 52 est comprise entre 300 et 5000 C environ. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on branche ou l'on débranche divers dispositifs de re- froidissement dans les chambres d'un lit fluidisé en fonction des conditions de fonctionnement. C'est ainsi par exemple qu'il est avantageux, dans un agencement suivant la figure 2, de mettre hors circuit une partie des surfaces de contact du serpentin 48 de refroidisse- ment lorsque l'on doit traiter un résidu très riche en carbone qui n'a pas pu être brûlé sans reste dans la chambre 32. Dans ce casla chambre 36 est utilisée en- core comme chambre de post-combustion,dont la températu- re pourrait s'abaisser à des valeurs trop basses si le serpentin de refroidissement fonctionnait à plein. Dans l'agencement suivant la figure 3, on charge d'abord la substance solide chaude à traiter dans un lit 61 fluidisé par un conduit 60, le lit 61 fluidisé présentant deux chambres séparées par une cloison 62 intermédiaire à mi-hauteur. Dans les deux chambres, il y a de la substance solide qui est mise à l'état flui- disé par de l'air de fluidisation envoyé par les con- duits 63 et 64 et par la soufflante 65. Dans le lit 61 fluidisé, la teneur de la substance solide chargée en substances combustibles est beaucoup diminuée par com- bustion. Comme on l'a déjà mentionné à propos de la figure 2, les substances solides du lit 61 fluidisé peu- vent passer au-dessus de la cloison 62 intermédiaire de la chambre de gauche à la chambre de droite. Les deux 2 4 6 5 1 7 8 chambres du lit 61 fluidisé sont traversées par un serpen- tin 66 de refroidissement qui reçoit de l'eau d'un tambour 67 à vapeur et renvoie à ce tambour 67 un mélange d'eau et de vapeur. La vapeur d'eau est soutirée par le conduit 68 en vue d'être utiliséetandis que de l'eau d'alimenta- tion est envoyée au tambour 67 par le conduit 69. Dans l'agencement de la figure 3 la plus grande partie de la teneur en énergie de la substance solide à traiter est soutirée à l'aide du lit 61 fluidisé. Les substances solides brûlées et partiellement refroidies parviennent alors par le conduit 70 et un sas 71 à un autre lit 72 fluidisé. A ce lit fluidisé,qui est exempt de tout montage intérieur,est envoyé de l'air fluidisé par l'intermédiaire des conduits 73 et 74 ainsi que de la soufflante 75. Le gaz résiduaire du lit 61 fluidisé est envoyé dans un cyclone 76 de séparation. Par le conduit 77, les substances solides séparées sont égale- ment chargées dans le second lit 72 fluidisé. L'air de fluidisation du lit 72 soutire encore de la chaleur des substances solides, de sorte qu'en aucun cas on ne peut compter avoir encore une combustion. L'air résiduaire parvient par un second cyclone 78 de séparation à une conduite 79 collectrice. Les substances solides refroidies quittent le lit 72 fluidisé par le conduit 80 et sont transportées, comme le sont les substances solides provenant du cyclone 78, d'une manière qui n'est pas représentée. A l'air rési- duaire du conduit 79 est ajouté aussi le gaz résiduaire provenant du conduit 78 par l'intermédiairedu conduit 81 et le mélange gazeux est envoyé dans une unité 82 de préchauffage de l'air. Par échange de chaleur indirecte, l'air provenant du conduit 83 est réchauffé dans l'unité 82 et est disponible dans le conduit 84 comme air du processus, par exemple pour une installation de distilla- tion sèche. A cet effet,le conduit 84 peut communiquer avec le conduit 9 de la figure 1. Une autre utilisation de cet air du processus consiste à l'envoyer partiellement au lit 61 fluidisé comme air de combustion préchauffé par les conduits 63 et 64. Une variante de l'agencement suivant la figure 3 consiste à utiliser dans une unité de récupération de chaleur, par exemple dans une unité de préchauffage de l'air, les gaz résiduaires relativement chauds qui sor- tent du cyclone 76, indépendamment de l'air résiduaire plus froid qui passe dans le conduit 79. Les exemples suivants illustrent l'invention. Exemple 1 Dans un agencement suivant la figure 1, sans le conduit 12a, on soutire par le conduit 12 un résidu so- lide provenant de la distillation de schiste bitumi- neux ayant une granulométrie inférieure à 1 mm et une teneur en carbone de 5% en poids à raison de 30 tonnes par heure. Cette substance solide parvient, en ayant une température à l'entrée de 8001C, dans le brûleur 13 en venturi. Le carbone y est brûlé jusqu'à une teneur restante de 1% en poids environ. Dans la chambre 14 de fluidisation, la substance solide est refroidie à 4001C et sort par le cônduit 23. La vitesse de l'air provenant du conduit 19 qui traverse le lit fluidisé est, rapportée au lit fluidisé exempt de substances solides, de 0,8 m/seconde. L'air de fluidisation ayant une température de 4000C environ passe dans le canal 15 pour aller au brûleur 13 et.un gaz de carneau contenant de l'air passe par le conduit 16 en ayant une tempéra- ture de 10001C environ et par le cyclone 17 pour aller à l'unité 21 de préchauffage de l'air. Le gaz de car- neau refroidi qui se trouve dans le conduit 22 a encore une température de 5001C environ, de sorte qu'il peut être envoyé à une autre utilisation, par exemple à une unité de production de vapeur. Au total, on récupère de la substance solide avec la combustion dans le brûleur 13, une énergie de 5,5 x 107 kJ par heure. Exemple 2: En procédant comme illustré à la figure 2, on charge 800 tonnes à l'heure de matières en grains fins, ayant un diamètre de grains inférieur à 4 mm et une teneur en carbone de 19 en poids et une température d'entrée de 10001C,dans le lit 30 fluidisé. La com- bustion du carbone restant s'effectue pratiquement seulement dans la première chambre de fluidisation o se trouve la zone 32 de combustion. On envoie de l'air de fluidisation dans cette chambre à une vitesse de 2 m/seconde. Cette vitesse, comme les vitesses de gaz de fluidisation qui seront données ensuite, est rapportée toujours à la section droite du réacteur exempte de substances solides. Dans la première zone 36 de refroidissement et aussi dans la seconde zone 38, la vitesse de l'air de fluidisation est de 1,5 m/secon- de. Le gaz résiduaire contenant de l'air quitte le lit fluidisé 30 par le conduit 52 en ayant une tempé- rature de 3000C. Les substances solides qui sortent par le conduit 51 ont une température de 1201C. Au total,on a tiré environ 109 kJ/heure en chaleur de combustion et en enthalpie des substances solides. On envoie cette énergie pour environ 60% à l'eau qui passe dans les serpentins 43 et 48 de re- froidissement et on l'utilise pour obtenir de la va- peur. Exemple 3 Dans un agencement suivant la figure 3, on charge,dans le lit 61 fluidisé à deux chambres et par l'intermédiaire du conduit 60,500 tonnes par heure de matières solides en grains fins ayant une granulométrie allant jusqu'à 8 mm, une teneur en carbone de 155% en poids et une température de 6000C. On envoie l'air de fluidisation dans le lit fluidisé à une vitesse de 2 m/ seconde. On brûle ainsi le carbone contenu dans la subs- tance solide, de sorte que la teneur restanteen carbone est de 1% en poids. Après avoir encore refroidi dans le lit 72 fluidisé qui fonctionne avec une vitesse des gaz dans le lit de 3 mètres par seconde, on soutire la substance solide refroidie par le conduit 80 alors qu'elle a une température de 3500C. Au total,on a soutiré environ 2,5 x 109 kJ par heure d'énergie dont environ 95% sont libérés sous forme de chaleur de combustion dans le lit 61 fluidisé. Envi- ron 30% de la chaleur récupérée au total sont utilisés pour obtenir de la vapeur dans les serpentins 66 de re- froidissement. La chaleur restante dans les gaz rési- duaires réunis provenant dans les lits 61 et 72 fluidi- sés est utilisée dans l'unité 82 de préchauffage de l'air pour préchauffer l'air du processus ainsi que dans une chaudière de récupération non représentée pour ob- tenir de la vapeur. REVENDICATIONS 1) Procédé pour refroidir des substances solides chaudes en grains ayant des températures de 400 à 13000C environ, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir les substances solides à l'état fluidisé ou ruisselant dans une zone de refroidissement, et à fai- re passer dans cette zone de refroidissement en un mou- vement ascendant de l'air au contact direct des subs- tances solides, et à évacuer et à utiliser au moins par- tiellement la chaleur sensible des substances solides. 2) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les substances solides proviennent de la dis- tillation sèche de sable pétrolifère, de schiste bitumi- neux, de craie pétrolifère, de terre de diatomée ou d'asphalte brute. 3) Procédé suivant la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que la zone de refroidissement affecte la forme d'un lit fluidisé, d'un lit fluidisé à plusieurs chambres ou d'une zone de ruissellement. 4) Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les substances solides ont une te- neur en carbone de 1 à 15% en poids qui est brûlée au moins partiellement par addition d'air de combustion et le résidu solide pauvre en carbone est envoyé dans la zone de refroidissement en ayant des températures allant de 600 à 13000C environ. ) Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à brûler les substances solides contenant du carbone dans une chambre de combustion, notamment dans une chambre de combustion en venturi. 6) Procédé suivant l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il consiste à évacuer une partie de l'énergie calorifique des substances solides en grains dans la zone de refroidissement indirectement à l'aide d'un milieu de refroidissement liquide ou ga- zeux. 7) Procédé suivant l'une des revendications 4 à 6, ca- ractérisé en ce qu'il consiste à refroidir par contact direct avec l'air le résidu brûlé dans un ou dans plu- sieurs lits de refroidissement ou dans une zone de ruissellement et à utiliser ensuite cet air comme air de processus. 8) Procédé suivant l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce qu'il consiste, pour la dis- tillation sèche de matières de distillation en grains, à réchauffer le résidu de distillation dans un transporteur pneumatique vertical, par addition d'air de combustion réchauffé provenant du refroidisse- ment des substances solides, le cas échéant avec addi- tion d'un appoint de combustible et en même temps à le transporter vers le haut dans un récipient collec- teur, à charger le résidu de distillation réchauf- fé dans une zone de mélange et à le mélanger à de la substance de distillation fraîche qui est ainsi soumise à la distillation et à envoyer une partie du résidu de distillation au refroidissement à titre de substances solides chaudes en grains, tandis que le reste du résidu de distillation est envoyé au pied du transporteur pneumatique. 9) Procédé suivant la revendication 7 ou 8, caracté- risé en ce qu'il consiste à utiliser l'air préchauffé comme air de processus dans la distillation sèche. ) Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la zone de refroidissement peut être utilisée au moins partiellement comme zone de combustion par mise hors service au moins partielle de dispositifs de refroidissement.