Brevet FR2493333A1 — publié le 19820507

L'invention concerne un procédé ainsi qu'un appareil améliorés de gazéification du charbon du type utilisant de la poudre de charbon. En raison des circonstances actuelles concer- nant les problèmes de l'énergie, l'utilisation du charbon comme source d'énergie est de nouveau à l'ordre du jour. Pour répondre à la demande des producteurs et des utilisateurs, habitués à la forme commode des sources conventionnelles d'énergie telles que le pétrole et le gaz, on considère comme une nécessité urgente d'étudier et de résoudre les problèmes posés par la liquéfaction et la gazéification du charbon, et de nom- breuses propositions ont déjà été faites dans ce but. Les techniques conventionnelles de gazéification du charbon comprennent les méthodes utilisant les lits fluidisés du type à lit fixe, les méthodes utilisant les courants gazeux, ainsi que d'autres méthodes, et la technique de la présente invention entre dans la catégorie des méthodes à lits fluidisés. Plus particulièrement, l'in- vention concerne un procédé selon lequel on maintient la zone de température réactionnelle d'un lit fluidisé à une température d'environ 1100'C, de sorte qu'il se forme un lit aggloméré de matière fluidisée, ce qui permet d'augmenter la capacité du four de gazéification ainsi que la quantité gazéifiée obtenue. Le brevet des EUA n0 3 454 383 décrit une méthode et un appareil de gazéification du charbon du type à lit fluidisé, du genre décrit cidessus. On introduit, en même temps que le gaz produit, des morceaux de charbon d'une dimension d'environ 6,35 à 9,52 mm, ainsi que ceux de dimension supérieure à la taille 100 de tamis, dans le col d'un four vertical de gazéification, dont la surface externe est entourée d'un serpentin de refroidissement et qui est garni d'un matériau réfrac- taire. On introduit aussi dans un four à tourbillon de lair et du charbon pulvérisé et tamisé de taille infé- rieure au tamis de 100, en même temps que le gaz produit, qui sont soufflés dans la chambre de ce four pour y être brûlés à une température de combustion de 16500C, formant ainsi, dans la partie du four située audessus de la portion du col, une zone de gazéification sous forme de lit fluidisé. On introduit dans un échangeur de chaleur annexé au four de gazéification le gaz et les produits formés, et leur chaleur sensible de 980'C donne lieu à un échange de chaleur. On introduit ensuite le gaz et les produits dans un capteur de poussières, de façon que les produits de carbonisation ainsi séparés soient renvoyés dans le four à tourbillon, et qu'une portion du gaz produit soit également renvoyée dans le système de combustion. Toutefois, la méthode et l'appareil décrits ci-dessus présentent l'inconvénient que la température de réaction est basse, en raison du lit fluidisé de type usuel, et que la durée de la réaction est longue, en raison des grandes dimensions des particules du charbon. Les méthodes connues de gazéification du charbon par courant gazeux comprennent la méthode dite de Koppers-Totzek. Cependant cette méthode présente l'incon- vénient que le charbon doit être pulvérisé de telle sorte que plus de 80 % traverse un tamis de 200, avec l'augmen- tation de coût qui en résulte, et qu'avec les fours convenant à la méthode, le taux de gazéification (taux de gazéification du charbon en gaz réducteurs tels que CO et H2 et en gaz oxydants tels que CO2, etc.) est aussi bas qu'environ 90 %. Ces inconvénients sont attribués au fait que, afin d'empêcher la fusion des cendres à la partie de l'appareil servant au dégagement du gaz produit, les cendres (s'élevant de 50 à 90 % des produits) doivent être évacuées par entraînement avec le gaz, ce qui a pour résultat la formation de carbone non brûlé. En considérant les méthodes et appareils connus de gazéification du charbon, on constate que le besoin se faisait sentir d'assurer un taux de conversion en gaz de 95 à 100 %. La présente invention qui permet de pallier les inconvénients décrits cidessus, a pour objet un procédé de gazéification du charbon utilisant du charbon en poudre, comportant les opérations qui consistent à introduire, dans une chambre de réaction, du charbon en poudre, en nmne temips que de l'oxygène (ou de l'air) et de la vapeur d'eau, _ introduire dans une chambre de combustion, formée dans la partie inférieure de la chambre de réaction, les produits de carbonisation, produits dans la chambre de réaction et récupérés, ou les produits de carbonisation et du charbon, en même temps que de l'air (ou de l'oxyr gêne) et de la vapeur d'eau, et les brûler dans la chambre de combustion, de façon à y maintenir une tempé- rature d'environ 1600C; et maintenir, dans la chambre de réaction, une température de 900 à 1300'C, de manière à former un lit aggloméré de charbon fluidisé. L'invention a aussi pour objet un appareil de gazéification du charbon utilisant de la poudre de charbon convenant pour mettre en oeuvre ce procédé de gazéifica- tion du charbon, ledit appareil comprenant: - un four de gazéification comportant une chambre de réaction dont la partie inférieure forme une gorge d'un diamètre légèrement plus faible, et une chambre de combustion, située au-dessous de la chambre de réaction 2 493333 et reliée à celle-ci; - une tubulure d'injection montée dans une position permettant d'injecter, dans la partie -médiane de la chambre de réaction, de la poudre de charbon brute ainsi que de l'oxygène (ou de l'air) et de la vapeur d'eau; et - une autre tubulure d'injection montée dans une position permettant d'injecter, dans la chambre de combustion, des produits de carbonisation ou du charbon avec de l'air (ou de l'oxygène) et de la vapeur d'eau. L'invention sera -mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen du dessin annexé qui représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. Sur ce dessin, la figure représente schématique- ment un mode de réalisation d'un appareil de gazéification du charbon- selon l'invention. Sur la figure, une chambre de réaction 1 comporte une partie inférieure en forme de gorge 30, de diamètre légèrement plus faible, et une chambre de combustion 2 est reliée à la partie inférieure de la chambre de réaction 1. Les chambres 1 et 2 forment un four de gazéification. Des tubulures d'injection 12 et 11 permettent d'injecter, approximativement dans la partie médiane de la chambre de réaction 1, la première, de la poudre de charbon et, la seconde, de l'oxygène (ou de l'air) et de la vapeur d'eau. Une tubulure d'injection 20 sert à injecter, dans la chambre de combustion 2, des produits de carbonisation ou du charbon, avec de l'oxygène (ou de l'air), et de la vapeur d'eau. Un cendrier 7 est prévu à la partie infé- rieure de la chambre de combustion 2, et des canalisations de sortie 13, 14 et 15 servent à évacuer les gaz et produits provenant de la chambre de réaction 1 et à les envoyer dans un capteur de poussières 5. Un conduit de décharge 23 des produits de carbonisation permet de décharger, dans une trémie 8, les produits de carbonisa- tion et une petite portion de cendres, séparés dans le capteur de poussières 5. Un conduit 24 d'alimentation en charbon permet une alimentation en charbon en supplément des produits de carbonisation provenant du four de gazéi- fication, comme décrit ci-après. Un conduit 21 d'alimen- tation en combustible sert à amener à la tubulure d'in- jection 20 les produits de carbonisation ou le charbon. Un conduit 18 supplémentaire d'alimentation en produits de carbonisation permet de diriger tout excès de produits de carbonisation pour mélange avec la poudre de charbon brut. Un conduit d'alimentation 19 de poudre de charbon alimente une trémie 3 en charbon brut, préalablement pulvérisé en particules d'un diamètre de 2 à 3 mm ou moins, et un conduit de décharge 10 de poudre de charbon alimente la tubulure d'injection 12 en poudre de charbon provenant de la trémie 3. Le mode de fonctionnement de l'appareil décrit ci-dessus, suivant le procédé de l'invention de gazéifi- cation du charbon utilisant de la poudre de charbon, est le suivant. De la poudre de charbon, d'un diamètre de particules inférieur à 3 mm, est introduite avec de l'oxygène et de la vapeur d'eau (la vapeur d'eau provient d'une chaudière décrite ci-après) dans la chambre de réaction 1 du four de gazéification à lit fluidisé. Par ailleurs, des produits de carbonisation (produits récu- pérés et provenant du capteur de poussières décrit ci- après) avec de l'oxygène et de la vapeur d'eau (vapeur d'eau provenant de la chaudière précitée) sont introduits dans la chambre 2 de combustion par courant gazeux, formée dans la partie inférieure de la chambre de réaction 1. On maintient de cette façon la température dans la chambre 2 de combustion par courant gazeux à environ 16000C, et la température dans la chambre de réaction 1 à sensible- ment 13000C. Une chaudière 4 à chaleur perdue est disposée au-dessus du four de gazéification à lit fluidisé, et elle est conçue pour récupérer la chaleur sensible, à environ 8000C, du gaz produit et extrait du four de gazéification à lit fluidisé. Le gaz produit, traversant la chaudière 4 à chaleur perdue, est introduit à une température d'environ 300'C dans le capteur de poussières 5, puis il est refroidi à température sensiblement ambiante dans une tour 6 de refroidissement de gaz, d'o il est dirigé vers l'ex- térieur pour utilisation. Il est à noter que dans ce mode de mise en oeuvre, on utilise le gaz produit et refroidi comme gaz de refroidissement circulant servant de moyen de refroidissement pour l'appareillage au sommet du four de gazéification à lit fluidisé. La vapeur d'eau provenant de la chaudière 4 à chaleur perdue est amenée en partie à la chambre de réaction 1 à lit fluidisé et à la chambre 2 de combustion par courant gazeux, comme précédemment mentionné, et le reste de la vapeur d'eau sert à une utilisation extérieure quelconque. Quand on introduit, comme précédemment mentionné, dans la chambre 2 de combustion par courant gazeux les produits de carbonisa- tion, séparés du gaz produit par le capteur de poussières , la cendre qui accompagne les produits de carbonisation est également introduite avec eux. Les produits de carbo- nisation et la cendre, séparés, dans la tour de refroi- dissement de gaz 6, du gaz qui traverse cette tour, sont retirés lors de la purge de la tour 6. Après avoir indiqué le fonctionnement du procédé dans son ensemble, on va décrire ci-après le processus de gazéification de la poudre de charbon dans la chambre de réaction 1 à lit fluidisé. Les produits de carbonisation introduits avec l'oxygène et la vapeur d'eau dans la chambre 2 de combus- tion sont d'abord brûlés par l'oxygène et la vapeur d'eau, et la température dans la chambre de combustion 2 augmente. Lorsque la température dans la chambre de com- bustion 2 s'accroit au point que la température de la chambre 1 de réaction atteint la zone de température de réaction, la poudre de charbon introduite en même temps que l'oxygène et la vapeur d'eau commence à réagir, et la gazéification s'effectue. Dans ce cas, en maintenant la température dans la chambre 2 de combustion à environ 16000C, la tempé- rature dans la chambre 1 de réaction est maintenue dans l'intervalle de température de 900 à 13000C, ce qui assure le meilleur rendement à l'opération. De cette façon, la cendre est agglomérée dans la chambre 1 à lit fluidisé, elle tombe, en traversant la zone de la gorge 30, face au courant gazeux de la chambre de combustion 2, elle est fondue dans la chambre de combustion 2 et elle est déchargée dans le cendrier 7. Selon le procédé de l'invention, la chambre de réaction 1 à lit fluidisé est maintenue à une tempé- rature entre 900 et 13000C, pour que, en formant un lit fluidisé aggloméré dans la chambre de réaction 1 comme précédemment mentionné, la cendre agglomérée puisse tomber, à travers la gorge 30, dans la chambre de combustion 2, et rencontrer le courant ascendant de gaz, évitant ainsi que toute la cendre ne soit entraînée et déchargée avec le gaz produit, comme dans la technique antérieure. Pour que ce phénomène ait lieu, les températures inférieures à 9000C ne conviennent pas, car une gazéification complète du charbon ne peut avoir lieu. De plus, on ne peut, en général, former aucun lit aggloméré de matière fluidisée à une température supérieure à 1300'C, bien qu'il existe des exceptions selon les qualités du charbon. C'est la raison pour laquelle l'intervalle de températures mentionné ci- dessus est choisi. Dans un exemple du procédé de l'invention, on constate que, par rapport à la valeur calorifique de ,87.10 J par tonne de charbon brut (6190.103 kcal/t), la valeur calorifique récupérée du gaz produit est de 21,04.109 J (5033.103 kcal), soit 81,0 %, et le rendement à froid a été confirmé. Le tableau suivant indique les résultats calculés par tonne de charbon brut, selon le procédé de l'invention, dans les trois cas d'une combustion réductrice dans la chambre à courant gazeux, d'une combustion oxydante dans la chambre à courant gazeux, et d'une combustion oxydante avec 10 % de poudre de charbon brut introduite dans la chambre à courant gazeux. TABLEAU Type de comb. Conditions Vapeur 02 Quantité de gaz produit dans la champréalables d'eau (% à l'état sec) Temp. Kp Néces- Néces- Nm3 (2Oc) saire saire H20 CO H2 CO2 02 Total (Kg) (Kg) Chambre 1600 0,256 0,17 0,12 0,13 0,14 0,08 0,06 tr 0,41 (2) (Z) Réductrice Chambre 1300 0,333 0,12 0,55 0,23 1,06 0,72 0,11 tr 2,12 (1) 56 % 38 % 6 % Total 0,29 0,67 Chambre 1700 excès 0,53 0,68 0,66 tr tr 0,20 0,28 1,14 (2) (*) d'O2 Oxydante Chambre 1250 0,358 - 0,04 0,50 0,93 0,75 0,22 tr 2,40 (1) 49 % 40 % il % Total 0,53 0,72 %o CO H 20 carbonisation en circulation carbonisation en circulation Type de comb. Conditions Vapeur 02 Quantité de gaz produit dans La champréalables d'eau (% à l'état sec) dans la cham-3 bre (2) Temp. Kp Néces- Néces- Nm (2C) saire saire H20 H2 C2 02 Total (Kg) (Kg) Chambre 1800 excès 0,88 0,68 1, 11 tr tr 0,28 0,20 1,59 (2) dO Oxydante avec (2) d'2 % de poudre de charbon brut Chambre 1290 0,343 - 0,09 0,89 0,81 0,76 0,33 tr 2,79 (1) 43 % 40 % 17 % Total. 0,88 0,77 %0 o4 cm. u4 il Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux exemples décrits. Elle est susceptible de nombreuses variantes, suivant les applications envisa- gées, sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'in- vention. REVENDICATIONS 1. Procédé de gazéification du charbon utili- sant de la poudre de charbon, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations qui consistent à: * introduire dans une chambre de réaction du charbon en poudre, en même temps que de l'oxygène (ou de l'air) et de la vapeur d'eau; introduire dans une chambre de combustion, formée à la partie inférieure de ladite chambre de réaction les produits de carbonisation, produits dans ladite chambre de réaction et récupérés, ou les produits de carboni- sation et du charbon, en même temps que de l'oxygène et de la vapeur d'eau, et les brûler dans ladite chambre de combustion de façon à y maintenir la tempé- rature à environ 1600'C; et 15. maintenir dans la chambre de réaction une température comprise entre 900 et 1300'C, de manière à former un lit aggloméré de charbon fluidisé. 2. Appareil de gazéification du charbon pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: un four de gazéification comportant une chambre de com- bustion (2) et une chambre de réaction (1), séparées entre elles par une gorge (30); un échangeur de chaleur (4); 25. un capteur de poussières (5); ledit four de gazéification, ledit échangeur de chaleur et ledit capteur de poussières étant disposés à la suite et ordonnés dans le sens d'écoulement des flux; * des conduits (10) d'alimentation en poudre de charbon brut, en air (ouoxygène) et en vapeur d'eau; une tubulure d'injection (12) des matières brutes, reliée auxdits conduits d'alimentation et à une partie médiane de la chambre de réaction; un conduit d'alimentation (18) en produits de carboni- sation en excès, relié auxdits conduits d'alimentation (10) et au capteur de poussières; un conduit d'alimentation en combustible (20), relié à la chambre de combustion; un conduit d'alimentation (21) en produits de carboni- sation, relié auxdits conduits d'alimentation en com- bustible (20) et au capteur de poussières; un conduit d'alimentation relié audit conduit d'alimen- tation en combustible (20) pour y introduire de l'air (ou de l'oxygène), du charbon et de la vapeur d'eau; et un conduit de vapeur d'eau (22) relié à l'échangeur de chaleur et à la chambre de combustion.