Brevet FR2484438A1 — publié le 19811218

L'invention concerne un procédé de liquéfaction du charbon par hydrogénation. La liquéfaction du charbon est effectuée selon des modes opératoires connus dans des cuves sous-pression dans lesquelles le charbon est introduit avec une huile dési- gnée le plus souvent sous le nom d'huile d'empâtage et avec des gaz contenant de l'hydrogène et dans lesquelles, à des températures comprises entre 300 et 550 C et des pressions supérieures à 100.105 Pa, a lieu la décomposi- tion de la substance organique du charbon principalement en des produits liquides. Dans la chambre de réaction, un ou plusieurs compo- sés chimiques, catalytiquemenú actifs, peuvent être pré- sents. Dans le mode opératoire connu sous le nom de "phase du produit de queue", un catalyseur sous une forme en sus- pension est introduit en continu dans la chambre de réac- tion en même temps que le charbon et retiré de la chambre de réaction avec les produits de réaction. Dans d'autres modes opératoires, le catalyseur en morceaux est maintenu en mouvement dans la chambre de réaction, par exemple par obtention d'une couche de catalyseur "en bouillonnement" ou par des dispositifs rotatifs dans la chambre de réac- tion, sur lesquels le catalyseur est déposé à l'état so- lide. Les Produits liquides se composent généralement a'huiles légères, d'huiles moyennes ou, d'huiles lourdes, jusqu'à des masses nondistillables, uniquement liquides à l'état fondu. Ces constituants sont dans des rapports quantitatifs différents, selon les conditions de liquéfac- tion. Le produit sortant du réacteur de liquéfaction cor- tient, outre les produits essentiellement liquides dans les conditions normales, qui se forment par destruction chimique de substance organique de charbon, et l'huile d'empâtage nécessaire à l'introduction du charbon, des substances solides, insolubles dans les conditions de réaction. Celles-ci se composent aussi bien de la substance organique du charbon qui n'a pas été liquéfiée, que des constituants minéraux du charbon non liquéfiables dans les conditions de liquéfaction du charbon par hydrogénation (cendres), ainsi que des catalyseurs non liquéfiables ou des additifs à action catalytique, dans la mesure o ils ont été ajoutés en continu à la charge. Enfin, les produits de sortie mentionnés se compo- sent également de substances gazeuses dans les conditions normales. Ce sont d'une Dart les gaz essentiellement iner- tes - quant à l'hydrogénation -, tels que le méthane, l'é- thane et d'autres hydrocarbures ainsi que des oxydes de carbone, de l'hydrogène sulfuré et de l'ammoniac qui sont tous des sous-produits de la liquéfaction, et d'autre part l'hydrogène non consommé dans la liquéfaction du charbon. Ce dernier, pour différentes raisons, est ajouté en un excès la plupart du temps relativement important, dans l'installation de liquéfaction du charbon. On opère donc généralement en circuit fermé. Eventiuellement, les gaz mentionnés, essentiellement inertes, sont séparés dans un stade de traitement particulier"d'épuration du gaz de re- cyclage", par des mesures appropriées pour faire en sorte d'introduire de nouveau dans la chambre de réaction un hy- drogène suffisamment enrichi comme gaz de recyclage_ La séparation des substances solides très finement divisées jusqu'à un état colloïdal d'avec le produit hui- leux visqueux est alors une tâche qui présente une imnor- tance décisive pour la possibilité de mise en oeuvre écono- mique de la liquéfaction du charbon. Une concentration des substances solides a lieu gé- néralement dans des appareils dits "séparateurs à chaud". De ceux-ci, à une température un peu plus faible que la température de réaction et à une pression pratiquement égale à la pression de fonctionnement du réacteur de li- quéfaction, on retire en tête des produits qui se présen- tent sous forme de gaz et de vapeur dans ces conditions. Dans le fond du séparateur, on obtient un liquide ayant l'aspect du goudron, appelé "boues" ou "boues décantées". Cette boue contient la totalité des substances solides et la majeure partie des substances asphaltiques, alors que le liquide obtenu à partir des vapeurs aorès refroidisse- ment, appelé "huile de stripping" (Abstreiferal) est un produit analogue à un distillat, généralement exempt de substances solides. Dans l'huile de stripping, on trouve également des huiles lourdes, car dans les conditions régnant dans le séparateur à chaud, ces dernières restent sous forme de vapeur. Ces huiles lourdes atteignent le séparateur dit "à froid" qui constitue le stade de refroi- dissement mentionné pour les vapeurs quittant le sépara- teur à chaud, le plus souvent en raison de leur solubilité dans le mélange de gaz eèt de vapeurs condensé. Elles sont avantageusement utilisées comme constituant de l'huile d'empâtage. En raison du retour des asphaltes, considéré aupa- ravant comme inévitable, une séparation mécanique des sub- stances solides de la boue était nécessaire, laquelle sé- paration ne pouvant pas être effectuée de façon satisfai- sante par une filtration en raison de la présence des as- phaltes, devait être faite par centrifugation de la boue. La centrifugation demandait une dilution de la boue, ce qui pouvait être accepté étant donné que le liquide dé- canté sortant de la centrifugeuse était utilisé comme constituant de l'huile d'empâtage et n'était donc pas dis- tillé. Mais lors de la séparation seulement médiocre des substances solides par centrifugation de la boue diluée, des quantités considérables de substances solides et éga- lement des asphaltes indésirables pour la réaction de li- quéfaction revenaient avec l'huile d'empâtage dans les réacteurs. De plus, le concentré de centrifugation conte- nait encore une importante quantité d'huile moyenne et d'huile lourde. Etant donné qu'on ne pouvait pas renoncer à leur récupération, une installation de distillation à basse température techniquement et économiquement non-sa- tisfaisante était nécessaire, grâce à laquelle environ de à 20 X d'huiles, par rapport au charbon sans eau et sans cendres, étaient distillés pour ainsi dire dans des condi- tions défavorables pour l'hydrogénation. On n'obtenait d'ailleurs aucun distillat chimiquement intéressant. La plus grande partie de ces huiles lourdes était ajoutée à la boue comme huile de dilution avant la centrifugation. Un concept différent de ce mode opératoire pour la séparation des substances solides provenant du procédé d'hydrogénation du charbon est encore décrit dans la de- mande de brevet allemand DOS 26 54 635: la partie d'huile moyenne et d'huile lourde contenue dans la boue est large- ment extraite par détente de la boue chaude sous vide ("évaporation par détente"), de sorte qu'on obtient un résidu sous vide avec environ 50 X en poids de substances solidessous la forme d'une masse fondue, poisseuse dans la- quelle est fixée la plus grande partie des asphaltes. Ce résidu est totalement soumis à une gazéification; d'autres stades opératoires pour une séparation de l'asphalte et des substances solides sont donc inutiles. La gazéifica- tion permet d'obtenir l'hydrogène nécessaire pour la li- quéfaction du charbon. Dans ce mode opératoire, l'huile d'empàtage consiste uniquement en un distillat sans sub- stance solide. Le traitement de la boue Dar distillation ou "l'éva- poration par détente" sont des opérations difficiles. Mais pour extraire les huiles les plus lourdes, on ne peut pas y renoncer, d'une part pour des raisons de rentabilité, d'autre part parce que ces huiles influencent considéra- blement les propriétés de l'huile d'empâtage. L'invention a donc pour but de remédier aux inconvé- nients des procédés cités et d'améliorer l'efficacité et la possibilité d'exécution de la séparation d'une huile sans substance solide ni asphalte, semblable à un distil- lat et par là de rendre inutile une récupération ultérieure et laborieuse de l'huile à partir de la boue. La proportion de substance solide dans la boue doit alors atteindre de à 60 %, de préférence de 45 à 55 %. Par le terme "sub- stance solide", on entend des substances insolubles dans la pyridine. A cet effet, -la présente invention a pour objet un procédé de liquéfaction du charbon par hydrogénation, uti- lisant des huiles d'empàtage et un gaz de recyclage conte- nant de l'hydrogène, dans lequel une concentration des constituants solides non-liquéfiables a lieu dans le sépa- rateur à chaud intercalé après le réacteur de liquéfaction proprement dit et dans des conditions de température et de pression pratiquement égales à celles régnant dans le réacteur de liquéfaction, et les produits de sortie du réacteur de liquéfaction sous forme de gaz et de vapeur, sont condensés dans des stades ultérieurs, alors que les produits séparés qui ne sont pas sous forme de gaz ou de vapeur et qui ne contiennent plus d'huiles distillables, sont retirés du séparateur à chaud en un état permettant encore leur pompage et sont détendus dans un dégazeur placé en aval, lequel procédé est caractérisé en ce qu'un gaz de recyclage contenant de l'hydrogène est amené en une quanti- té de plus de 5000 Nm3 par t de charbon de charge ne con- tenant ni eau, ni cendres, en contact avec les produits de sortie du réacteur de liquéfaction dans le séparateur à chaud. Grâce aux dispositions selon l'invention, on par- vient à extraire les huiles distillables de la boue dans le séparateur à chaud, de telle sorte qu'on-peut renoncer à une distillation ultérieure de la boue et également à une centrifugation ou une évaporation par détente, de sorte que dans tous les cas la détente des produits de réaction a lieu jusqu'à la pression normale. Comme limite inférieure de la concentration en sub- stance solide dans la boue, on considère 40 % comme encore acceptable. A de plus faibles valeurs, il y aurait une perte trop élevée en produits de liquéfaction intéressants. On préfère cependant atteindre une limite inférieure de 45 % environ. Comme limite supérieure, on envisage 60 X, étant donné qu'à des valeurs supérieures, même pour une composition chimique favorable des constituants liquides 2 484438 de la boue, l'aptitude au pompage elle-même n'est plus garantie. On préfère une limite supérieure de 55 X, étant donné que dans ce cas, la boue de presque chaque produit d'hydrogénation du charbon, du type dont il est question ici, s'avère encore capable d'être pompée. Dans chaque cas, en maintenant les limites indiquées lors de l'application du procédé selon l'invention, la totalité des asphaltes non-distillables reste dans la boue. Il est apparu en outre que des températures de 440 à 4700C dans le séparateur à chaud sont particulièrement avantageuses. A des températures inférieures, dans de nom- breux cas, même en utilisant des quantités de gaz de recy- clage bien plus importantes, -on ne parvient plus à la pro- portion désirée de 40 X de substance solide dans la boue. A des températures supérieures, la tendance à la cokéfac- tion des produits d'hydrogénation dans le séparateur à chaud est trop forte dans de nombreux cas. Pour-des quantités de gaz de recyclage inférieures à 5000 m3 dans les conditions normales par t de charbon de charge ne contenant ni eau, ni cendres, dans le sépara- teur à chaud, de façon générale, même aux plus hautes tem- pératures possibles ci-dessus, il n'est plus possible d'atteindre la proportion minimale désirée de 40 X de sub- stance solide dans la boue. Cette limite inférieure ne se rapporte qu'au gaz de recyclage pur, donc sans tenir compte des quantités d'hydrogène frais qui doivent être introdui- tes continuellement dans le processus pour compenser la consommation en hydrogène. La concentration en hydrogène dans le gaz de recyclage atteint alors normalement 80 X 30. eaviron, mais d'autres concentrations sont également possi- bles. La limite supérieure pour la quantité de gaz de re- cyclage amenée au séparateur à chaud est déterminée par la proportion maximale acceptable de substance solide dans la boue. Celle-ci s'élève, comme mentionné, à environ 60 X pour le maintien de l'aptitude au pompage. Il est apparu qu'avec des températures augmentant dans le séparateur à chaud pour une proportion de substance 24i84438 solide déterminée à l'avance, on doit utiliser moins de gaz de recyclage, mais sans toutefois descendre en-deçà de la limite inférieure indiquée.- D'autre part, des pro- portions de substance solide supérieures que doit contenir la boue, nécessitent à une température donnée dans le sé- parateur à chaud, des quantités plus importantes de gaz de recyclage. Il est cependant toujours nécessaire d'assurer un contact le plus intime possible entre les produits prove- nant du réacteur de liquéfaction et le gaz de recyclage contenant de l'hydrogène dans le séparateur à chaud. Pour atteindre le but conformément à l'invention, il n'est pas niécessaire que la totalité de la quantité de gaz de recyclage soit amenée à travers le réacteur de li- quéfaction, avant qu'elle ne pénètre dans le séparateur à chaud; une partie du gaz de recyclage amenée au sépara- teur à chaud peut être également prélevée avant le réac- teur de liquéfaction et introduite directement dans le séparateur à chaud. Ce dernier mode opératoire peut être particulièrement favorable pour l'efficacité du procédé. Les quantités de gaz de recyclage prélevées et ame- nées directement dans le séparateur à chaud, peuvent être chargées dans celui-ci aussi bien par mélange avec les pro- duits provenant du réacteur de liquéfaction que par intro- duction dans le bas du séparateur à chaud. Dans chaque cas, une introduction d'une partie du gaz de recyclage directe- ment dans le séparateur à chaud est particulièrement pré- férée, car lors d'une charge trop élevée en gaz, le réac- teur de liquéfaction n'est utilisé que partiellement le cas échéant et peut même dessécher. En préchauffant la quantité de gaz de recyclage introduite directement dans le sépara- teur à chaud à des températures comprises entre 300 et 5500C, on obtient entre autres l'avantage d'une part d'in- fluencer l'aptitude au pompage de la boue dans le sens chaque fois désiré et d'autre part de pouvoir commander la température dans le séparateur à chaud. Après la détente dans le détendeur à la pression normale, la boue, comme mentionné ci-dessus, est débarras- sée des produits huileux au point qu'une récupération d'huile plus poussée est généralement superflue du point de vue de la rentabilité. Il est cependant possible, au cours d'une décomposition thermique, telle qu'une pyrogé- nation à basse température ou une cokéfaction, d'extraire encore d'autres produits hydrocarbonés dans la boue, ou de produire par gazéification l'hydrogène frais nécessaire pour le procédé. Selon le procédé de l'invention, il n'est mainte- nant plus nécessaire, comme auparavant, d'extraire de la boue l'huile nécessaire à I'empatage du charbon de charge, mais ceci peut avoir lieu d'une manière déterminée, parti- culièrement économique, dans les stades de condensation après le séparateur à chaud, auquel cas il s'avère parti- culièrement avantageux selon l'invention d'effectuer la production de l'huile d'empâtage dans un stade de sépara- tion intermédiaire prévu spécialement et exclusivement à cet effet, directement après le séparateur à chaud. De cette manière, on peut obtenir un résultat de technique bien meilleur a à savoir que la totalité du résidu de la réaction de liquéfaction - encore utilisable au maximum par décomposition thermique ou gazéification - se sépare dans le séparateur à chaud, que toute l'huile d'empâtage (mais pas plus) nécessaire au procédé est produite dans le séparateur intermédiaire par un choix connu en soi des conditions de température et de pression, et enfin qu'ex- clusivement la totalité de l'huile produite sans substance solide se sépare dans le séparateur à froid. L'invention est décrite en détail à l'aide des deux figures des dessins annexés, qui représentent deux des mo- des de réalisation possibles et préférés de l'invention; pour cela, spécialement en ce qui concerne le site d'addi- tion 14 pour l'hydrogène frais dans le circuit du gaz d'hy- drogénation et également le site d'addition 17 pour les quantités partielles de gaz de recyclage dans le séparateur chaud, différents points sont possibles, dans le cadre de l'invention, tel qu'on l'a représenté par exemple sur les figures par des tirets. Sur la figure 1, le charbon 1 est chargé dans la cuve de mélange 2 ainsi que l'huile d'empâtage provenant de l'opération de distillation Dar le conduit 19. Le mé- lange de ces constituants est envoyé par une pompe à pâte 3 et le préchauffeur à pâte dans le réacteur de liquéfac- tion 5. De là, les produits de réaction parviennent dans le séparateur à chaud 6 dans lequel ils sont séparés en boue et en produits gazeux et sous forme de vapeur. La boue est alors envoyée dans le dégazeur 7 d'o sortent la boue épaissie 7a et les gaz de détente 21. Les consti- tuEants sous forme de gaz et de vapeur sont amenés par le conduit 8 vers le séparateur à froid 9 o ils se conden- sent en grande partie. Le condensat est détendu et dégazé en 10 (gaz de détente 22) et de là envoyé vers le stade de distillation 18 d'o l'on obtient d'une part l'huile d'empâtage 19 et l'huile produite 20. Les gaz non conden- - sés dans le séparateur à froid 9 sont envoyés par le con- duit 11 vers une épuration des gaz éventuellement néces- saire 12, d'o on retire en 23 les gaz indésirables pour la suite du traitement. Le gaz ainsi épuré et concentré à la teneur souhaitée en hydrogène est de nouveau introduit dans le processus comme gaz de recyclage par le condenseur 13. Une quantité suffisante pour le processus de liquéfac- tion est alors envoyée par le conduit 15 et le préchauf- feur de pâte 4 dans le réacteur de liquéfaction 5 alors que l'autre partie est envoyée directement par le réchauf- feur de gaz de recyclage 16 dans le séparateur à chaud 6_ La figure 2 se différencie de la figure 1 en c-e qu'entre le séparateur à chaud 6 et le séparateur à froid 9, on intercale un séparateur intermédiaire 31 pour la pro- duction exclusive d'huile d'empàtage. Ce séparateur inter- médiaire travaille à des températures inférieures aux va- leurs correspondantes dans le séparateur à chaud. Les huiles d'empâtage produites ici sont détendues dans le dégazeur 32 et par le conduit 19 sont envoyées de nouveau (comme sur la figure 1) dans la cuve de mélange 2, alors que les gaz 33 sont évacués séparément du dégazeur 32. L'utilisation du séparateur intermédiaire 31 rend superflue la difficile distillation -18 des constituants du produit condensés dans le séparateur à froid 9. Le mode opératoire représenté sur la figure 2 est donc entre autres particulièrement avantageux, car toute l'huile 20 recueillie derrière le séparateur à froid con- tient des huiles dont on sait qu'elles sont plus intéres- santes, car plus riches en hydrogène, que les fractions de distillation comparables provenant du séparateur inter- médiaire 31. L'avantage des huiles plus riches-en hydrogène réside dans le fait qu'elles sont plus faciles à transfor-E mer dans un procédé catalytique. REVENDICATIONS 1. Procédé de liquéfaction du charbon par hydrdgé- nation, utilisant des huiles d'empâtage et un gaz de recy- clage contenant de l'hydrogène, dans lequel une concentra- tion des constituants solides non-liquéfiables a lieu dans le séparateur à chaud intercalé-après le réacteur de li- quéfaction proprement dit et dans des conditions de temvé- rature et de pression pratiquement égales à celles régnant dans le réacteur de liquéfaction, et les produits de sor- tie-du réacteur de liquéfaction sous forme de gaz et de vapeur, sont condensés dans des stades ultérieurs, alors que les produits séparés qui ne sont pas sous forme de-gaz ou-de vapeur, et qui ne contiennent plus d'huiles distilla- bles, sont retirés du séparateur à chaud en un état per- mettant encore leur pompage et sont détendus dans un déga- zeur placé en aval, lequel procédé est caractérisé en ce qu'un gaz de recyclage contenant de l'hydrogène est amené, en une quantité de plus de 5000 Nm3 par t de charbon de charge ne contenant ni eau, ni cendres, en contact avec les produits de sortie du réacteur de-liquéfaction dans le séparateur à chaud. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température dans le séparateur à chaud est main- tenue entre 440 et 4800C. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une partie du gaz de recyclage traversant le séparateur à chaud est prélevée avant le réacteur de liquéfaction et amenée directement dans le séparateur à chaud. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz de recyclage prélevé est introduit dans le séparateur à chaud avec les produits de sortie du réacteur de liquéfaction. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz de recyclage prélevé est envoyé dans le bas du séparateur à chaud. 6. Procédé selon l'une quelconque oui plusieurs des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le gaz de re- cyclage prélevé est préchauffé à des températures compri- ses entre 300 et 5500C avant son introduction dans le séparateur à chaud. 7. Procédé selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'huile d'em- pâtage est produite principalement à partir des opérations de condensation suivant le séparateur va chaud. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'huile d'empâtage est produite exclusivement dans une opération de séparation intermédiaire suivant directe- ment le séparateur à chaud. - 9_. Procédé selon l'une quelconque ou plusieurs des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le produit dé- gazé dans le dégazeur est décomposé thermiquement pour produire des hydrocarbures.