Brevet FR2491945A1 — publié le 19820416

Tous les procédés de gazéification du charbon extrait, qui visent à produire un gaz à hlaute teneur en hydrogène, sont basés sur la réaction du gaz à l'eau qui a pour expression z 1120 + C = CO + 112 - 118,7 kJ/mole. La chaleur nécessaire au déroulement de cette réaction est généralement obtenue par combustion d'une partie de la charge. Dans les procédés les plus anciens, on procédait à des inversions périodiques, avec injection alternative d'air et de vapeur d'eau. Les procédés plus récents utilisent un soufflage con- tinu au moyen d'un agent gazéifiant constitué d'un mélange de vapeur et d'oxygène. Le mOmc mélange gazéifiant a été utilisé en U.R.S.S. et aux U.S.A., lors des preLmiers essais de production d'un gaz à haute teneur en hydrogène, réalisés par gazéification souter- raine du charbon h relativement basse pression dans des gisements de houille, situés à des profondeurs n'excédant pas 300 m. Si on envisage de produire un gaz riche en hydrogène par gezéification souterraine de gisements de houille situés à plus grande profondeur (audelà de 700 m ou 800 m), l'économie du procédé impose d'augmenter la pression de gazéification jusqu'à un niveau minimrum de l'ordre de 30 bar à 40 bar. Dans ces conditions de travail à grande profondeur et sous haute pression, l'utilisation, comme agent gazéifiant, d'un mélange oxygène-vapeur dans lequel la proportion de vapeur peut atteindre de 65 % à 85,; n'est pas sans inconvénients. Pour éviter tout risque de condensation de la vapeur, la température du mélange doit rester, en tous points, au-dessus d'une valeur minimale de l'ordre de 250 C. Cette température élevée impose de réduire la longueur des conduites d'injection de l'agent gazéifiant et d'y intercaler, de place en place, des compensateurs de dilatation. Dans ces con- ditions, il est pratiquement exclu d'utiliser une méthode de ga- zéification, dans laquelle l'agent gazéifiant serait acheminé à travers des galeries creusées par les techniques minières con- ventionnelles, et l'injection de l'agent gazéifiant, par des son- dages verticaux accédant directement au gazogène souterrain, ne peut tre réalisée qu'à travers des sondages d'assez grand dia- mètre à l'intérieur desquels on installe un tubage calorifugé. La gazéification souterraine, au moyen d'un m6lange oxygène-vapeur, présente deux autres types d'inconvénients. Du fait de sa température relativement élevée, l'agent gazéifiant ne peut se préchauffer au contact des roches qui en- tourent le gazogène et il peut, au contraire, leur céder une partie de sa chaleur sensible, ce qui diminue d'autant le rende- ment énergétique du gazogène. Par ailleurs, dans tous les procédés de gazéification souterraine, il existe une interférence entre le déroulement des réactions de gazéification et le déroulement des réactions de pyrolyse du charbon, les matières volatiles qui se dégagent dans les profondeurs de la veine n'ayant d'autre exutoire que la surface de contact gaz-solide le long de laquelle se déroulent les réactions de gazéification. Le dégagement de ces matières volatiles, qui con- tiennent des quantités importantes d'hydrogène, a un effet inhi- biteur marqué sur la réaction du gaz à l'eau; il en résulte une réduction du degré de décomposition de la vapeur injectée et une dégradation du rendement de gazéification. Le procédé conforme à l'invention a pour objet de re- médier à ces différents inconvénients. Pour y parvenir, il associe une opération de gazéifi- cation souterraine du charbon réalisée au moyen d'un mélange d'oxygène et de C02, une opération de refroidissement du gaz brut par injection d'eau dans les sondages de sortie du gazogène et une opération de conversion du CO réalisée en surface, en utilisant la vapeur d'eau produite lors du refroidissement du gaz. Le procédé conforme à l'invention est également caracté- risé par le fait que le C02 nécessaire à la réalisation de la gazéification souterraine est récupéré dans l'installation d'é- puration du gaz produit, et par le fait que la chaleur de réa- ction, dégagée au cours de l'opération de conversion du C0, sert à produire de la vapeur qui est utilisée dans un cycle à conden- sation pour produire une partie de l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'installation, Le procédé conforme à l'invention est décrit ci-après en se référant au schéma de la figure annexée. Le gazogène souterrain 1 est alimenté par un agent gazéifiant injecté à température ambiante et à pression élevée (par exemple 40 bar à 50 bar). Cet agent gazéifiant est cons- titué par un mélange d'oxygène provenant de l'usine de sépara- tion de l'oxygène de l'air 2 et de C02 provenant de l'usine de traitement du gaz produit. Le gaz brut arrive à la sortie du gazogène à une tem- pérature de l'ordre de 600 C à 8000 C. Son évacuation vers la surface est assurée par un ou plusieurs sondages à gaz, tels que 3 comportant chacun un revê- tement métallique cimenté dans les terrains et un tube métal- lique intérieur suspendu à la tête de puits et librement dila- table vers le bas. Une conduite 4 munie des dispositifs de réglage appro- priés inJecte de l'eau sous pression dans l'espace annulaire qui sépare le revêterment et le tube int6rieur. Cette eau s'évapore au contact de la paroi chaude du tube intérieur et la vapeur, ainsi produite, se mélange au gaz brut au pied du sondage. Le débit d'agent gazéifiant et le débit d'eau de re- froidissement sont réglés de telle façon que le mélènge de gaz brut et de vapeur produite par l'eau de refroidissement par- vienne en surface à une pression de l'ordre de 15 bar à 20 bar et à une température de l'ordre de 2000 C. Le mélange de gaz brut et de vapeur traverse un cy- clone calorifugé 5, qui élimine la majeure partie des particules solides entraînées, puis un laveur 6 qui sature le gaz en humi- dité et qui élimine les poussières fines et les hydrocarbures condensables. Après cette première épuration, le mélange de gaz et de vapeur passe par tn compresseur 7, qui porte sa pression à un niveau de l'ordre de 40 bar h 50 bar et sa température au voisinage de 300 C. Un complément d'eau ou de vapeur est ajouté à travers la conduite 8, afin d'ajuster la température et la teneur en humidité du gaz, au niveau optimal requis par l'opération de conversion catalytique du C00. Le gaz est enrichi en hydrogène par conversion de la majeure partie du C0, qu'il contient, suivant la réaction: CO + I120 C02 + 112 + 41 kJ/mole. Cette réaction est réalisée dans les réacteurs 9 et 11 garnis d'un catalyseur capable d'topérer en présence de com- posés sulfureux (par exemple, un catalyseur à base de molybdate de cobalt). Chacun des deux réacteurs est suivi d'une ou plu- sieurs chaudières de récupération, telles que 10 et 12, q(lui utilisent la chaleur dégagée par la réaction de conversion pour produire de la vapeur à pression élevée (de l'ordre de 40 bar à bar). En variante, on peut également envisager de regrouper réacteurs de conversion et chaudières de récupération en utili- sant des réacteurs à lit fluidisé refroidis par des tubes éva- porateurs d'eau disposés à l'intérieur du lit. Après refroidissement final du gaz dans le refroidis- seur 13 et élimination de l'eau et des condensais dans le sépa- rateur 14, le gaz est introduit dans le réacteur 15 dans lequel s'effectue la séparation de la majeure partie du 002 et du H2S, par lavage sous pression, au moyen d'un solvant approprié. Le gaz épuré, toujours sous pression, est évacué par la conduite 26 pour être dirigé vers les usines de synthèse chi- mique ou vers le réseau de distribution. Le solvant détendu à pression atmosphérique dans le détendeur 16 passe dans le séparateur 17, dans lequel le li- quide est porté à la température voulue par un circuit de chauf- fage 18. Le C02 et le H2S se séparent et sont amenés dans l'installation de désulfuration 19, dans laquelle la majeure partie du H2S est éliminée par une technique chimique classique. Le 002 nécessaire à la gazéification souterraine est recomprimé jusqu'à la pression d'injection dans une installa- tion de compression à plusieurs étages, tels que 20 et 21 avec réfrigérants intercalaires. L'excédent de C02 est éliminé par la conduite 22 pour servir à d'autres usages ou être rejeté à l'atmosphère. Les différents compresseurs sont actionnés par des turbines à vapeur, telles que 23, 24 et 25 alimentées par la vapeur produite dans les chaudières de récupération 10 et 12. Les avantages que l'on peut tirer du remplacement d'un agent gazéifiant contenant une importante quantité de vapeur à température élevée par un agent gazéifiant constitué par un mé- lange d'oxygène et de dioxyde de carbone distribué à température ambiante ont déjà été signalés précédemment. Ce remplacement permet de réduire le diamètre et le co"t des sondages d'injection de l'agent gazéifiant; il permet aussi d'envisager d'utiliser une méthode mixte comportant une préparation des chantiers de gazéification par les techniques minières conventionnelles et une distribution de l'agent gazéi- fiant par un réseau de conduites établies dans les galeries sou- terraines. On peut cependant se demander si ces avantages ne sont pas compensés par une importante diminution du rendement éner- gétique, qui aurait pour conséquence une sensible augmentation du prix de revient du gaz produit. Pour répondre à cette objection, on procède ci-après à l'étude comparative de la production d'un gaz à haute teneur en hydrogène par la méthode classique de gazéification au moyen d'un mélange oxygène-vapeur et de la production du même type de gaz par le procédé qui fait l'objet de la présente invention. A titre d'exemple, on choisit le cas d'une installa- tion comportant un gazogène souterrain fonctionnant sous pression de 32 bar, avec une température de sortie de 9000 C et dont l'objectif est de produire un gaz destiné à la synthèse du mé- thanol, dont le rapport molaire H2/CO doit être légèrement su- périeur à 2. La pression d'injection de l'agent gazéifiant est supposée être de 45 bar et la pression utile du gaz produit de bar. On utilise un modèle de calcul basé sur les équilibres classiques des réactions H20 + C et CO2 + C et sur l'hypothèse que le méthane produit provient essentiellement de la décomposi- tion des matières volatiles du charbon. En appliquant ce modèle à un gisement de charbon an- thraciteux à 7 % de matières volatiles sur charbon pur, on par- vient aux résultats suivants: I. Gazéification par un mélange oxygène-vapeur. Composition du gaz (en % du vol. de gaz brut) Gaz: Brut Refroidi Converti Epuré à 9000 C à 2000 C CO: 33,5 33,5 23,0 23,0 C02: 15,5 15,5 26,0 H2: 36,0 36,0 46,5 46,5 CH: 2,5 2,5 2,5 2,5 H20: 12,5 62,5 52,0 --- ,0 150,0 150,0 72,0 Dans ces conditions opératoires, le rendement de :0 0 -2491945 gazéification (P.C.I. du gaz brut/P.C.I. du charbon gazéifié) atteint 88 %. La consommation d'agents gazéifiants s'élève à: - 0,175 mole d'oxygène et à - 0,407 mole de vapeur par mole de gaz brut produit. II. Gazéification au moyen d'un mélange oxygène-CO Composition du gaz (en % du vol. de gaz brut) GAZ: Brut Refroidi Converti Epuré -_ a 900 C a 200 C CO. 55,0 55,0 20,0 20,0 C02: 37,0 37,0 72,0 --- H2: 5,5 5,5 40,5 40,5 CH4: 2,2 2,2 2,2 2,2 H20: 0,3 50,3 15,3 - ,0 150,0 150,0 62,7 Le rendement de gazéification (P.C.I. du gaz brut/ P.C.I. du charbon gazéifié) atteint 86 %. La consommation d'agents gazéifiants s'élève à: - 0,187 mole d'oxygène et à - 0,441 mole de 002 par mole de gaz brut produit. Si ces chiffres de rendement de gazéification et de consommation d'agents gazéifiants sont ramenés à une même pro- duction de gaz épuré, les valeurs obtenues sont à l'avantage de la gazéification au moyen du mélange oxygène-vapeur. En effet, compte tenu de la réduction de pouvoir calo- rifique résultant de l'opération de conversion du 00, il vient: Pour la gazéification à l'oxygène-vapeur: Rendement de gazéification (gaz épuré/charbon) = 86,1 % Consommation d'oxygène: 0,175 x 100 = 0,243 mole/mole Consommation de vapeur: 0,407 x - = 0,565 mole/mole Pour la gazéification à l'oxygène-dioxyde de carbone: Rendement de gazéification (gaz épuré/charbon) = 79,3 % Consommation d'oxygène: 0,187 x 100 = 0,298 mole/mole 62,7 Consommation de C02: 0,441 x 100 = 0,703 mole/mole 62,7 Cependant, la conclusion se modifie si l'on 6titdie le bilan énergétique global du procédé; en effet, deux faits ma- Jeurs sont h l'avantage du procédé à l'oxygine-CO2: 1 ) la compression d'une nole de CO, de 1 bar à 45 bar consomme sensiblement noins d'énergie que la production d'une mole de vapeur à la même pression; 2 ) la chaleur dégagée par l'opération de conversion du CO n'est pas une chaleur perdue, mais une chaleur qui peut 8tre récupérée nous forme de vapeur à un niveau thermique relativement élevé (de l'ordre de 300 C l 400 C). Compte tenu de ces deux facteurs et si l'on attribue un rendement de 40 ('), à l'opération de conversion d'énergie ther- mique en énergie mécanique, le bilan énergétique final se pré- sente comme suit: Gazéification à l'oxyène-vapeur kJ/m3 gaz épuré % du P'. C.I. du charbon gazéifié Contenu énergétique du gaz 12 235 86,1 Récupération chaleur de conversion: + 267,5 + 1,9 Production de l'oxygbne et de la vapeur: -2 633,5 -13,5 Compression du gaz avant conversion: - 836 - 5,9 Rendement énergétique 9 033 63,6 Gazéification à l'oxygèno-COo gaz épuré ' du P.C.I. du charbon Gazéifié Contenu énergétique du gaz: 12 235 79,5 Récupération chaleur de conversion: + 1 028 + 6,6 Production de l'oxygène et compression du C02 _ 2 550 - 16,5 Compression du gaz avant conversion: _ 961 - 6,2 Rendement énergétique 9 752 63,2 Ces résultats montrent que, du point de vue du ren- dement énergétique, les deux procédés sont pratiquement équiva- lents et cette conclusion serait encore renforcée, si la sépa- ration du C02 dans le séparateur 17 s'effectuait à une pression optimisée, supérieure à la pression atmosphérique, et si l'on tenait compte de l'effet inhibiteur du dégagement des matières volatiles du charbon sur la réaction du gaz à l'eau. En résumé, le procédé conforme à l'invention permet de bénéficier de tous les avantages que procure l'utilisation d'un agent gazéifiant non condensable, qui peut être utilisé à la température ambiante, sans entratner d'inconvénients sur le plan du rendement énergétique de l'installation. Ce résultat est obtenu par une association des opérations de gazéification souterraine du charbon, de refroidissement du gaz et de conver- sion du CO qui permet de valoriser par voie chimique la vapeur fatale produite par le refroidissement du gaz brut, dans des conditions de pression et de température trop basses pour per- mettre son utilisation rentable dans un cycle thermodynamique et qui permet de valoriser la chaleur dégagée par la réaction de conversion en produisant de la vapeur à température relativement élevée, utilisée dans un cycle à condensation, pour produire une partie de l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'installa- tion, L'économie énergétique du procédé est également favo- risée par le fait que le 002 qui résulte de l'épuration du gaz est utilisé comme agent gazéifiant et que la compression de ce C C02 consomme moins d'énergie que la production d'une quantité équivalente de vapeur d'eau. 249 1945 R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de production d'un gaz riche en hydrogène par gazéification souterraine du charbon, caractérisé en ce qu'il consiste à associer une opération de gazéification souter- raine du charbon réalisée au moyen d'un mélange d'oxygène et de C02, le C02 étant récupéré dans l'installation d'épuration du gaz produit, une opération de refroidissement du gaz brut par injection d'eau dans les sondages de sortie du gazogène et une opération de conversion du CO, réalisée en surface, en utilisant la vapeur d'eau produite lors du refroidissement du gaz. 2. Procédé de production d'un gaz riche en hydrogène suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chaleur de réaction dégagée au cours de l'opération de conversion du CO sert à produire de la vapeur, qui est utilisée dans un cycle à condensation, pour produire une partie de l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'installation.