Brevet FR2491490A1 — publié le 19820409

La présente invention concerne la gazéification à laide de plasmas et, plus précisément, un procédé de transformation thermique des combustibles solides. La présente invention peut être utilisée avec le maximum de succès dans la thermique industrielle pour ltobtention des combustibles de chauffe destinés aux foyers industriels, aux turbines à gaz, etc. ; dans l'industrie chimique pour la production des matières premières destinées aux synthèses de produits, notamment de l'ammoniac (NH3), du méthane (CH4), du méthanol (CH30H), des alcools supérieurs, etc., qui sont demandés en quantités de plus en plus importantes ; dans 1' industrie métallurgique pour l'obtention des gaz réducteurs. La consommation dans l'industrie des combustibles organiques, notamment du pétrole, du gaz naturel et des charbons de haute qualité ne cesse de s'accrotre tous les ans. Cependant leurs réserves s'épuisent ce qui entrain des augmentations rapides de prix des combustibles organiques sur les marchés mondiaux. Cela explique pourquoi le problème de la transformation des combustibles solides peu onéreux, par exemple des lignites, des schistes bitumineux, etc. par leur gazéification à l'aide de plasmas est devenu actuel. Les produits de la gazéification susdite servent à obtenir des combustibles synthétiques. En outre la gazéification à l'aide de plasmas des combustibles solides permet de lutter efficacement contre la pollution de l'atmosphère par les composés soufrés et les poussières. Les tentatives pour résoudre ce problème ont conduit à la création d'un procédé de transformation thermique des combustibles solides, notamment des charbons bitumineux. Le procédé susdit consiste en ce qui suit. On sèche le charbon bitumineux et on le broie. Ensuite on admet le charbon en forme de poussière dans un jet de plasma obtenu en faisant passer de l'hydrogène â travers une décharge électrique. Ensuite on procède au mélange du jet de plasma d'hy drogène avec du charbon pulvérulent. Pour une température moyenne massique de 2 500 OC et pour une durée de réaction de 0,003 secondes il y a formation d'acétylène et d'éthylène, suivie de leur trempe jusqu'à une température de soe OC. Toutefois au cours de l'interaction du jet de plasma d'hydrogène avec la poussière de charbon, outre la formation d'acétylène et d'éthylène, il y a formation d'un résidu solide qui se compose de carbone et de cendres. Le procédé susdit est caractérisé par un bas rendement énergétique à cause des hautes températures du procédé et par sa faible productivité qui stexplique par le faible rendement en produit final par rapport au carbone du combustible. Une autre solution du problème d'obtention des combustibles de synthèse est un procédé de transformation thermique des combustibles solides, notamment des schistes bitumineux, dans un jet de plasma de l'argon. Ce procédé consiste en ce qui suit. On admet le schiste bitumineux sous forme pulvérulente et un écoulement d'oxydant tel que la vapeur d'eau dans la zone d'écoulement d'un jet de plasma formé par passage de l'argon a' travers une décharge électrique.Dans le jet de plasma de l'argon intervient la gazéification de la partie organique du combustible à une température moyenne de la réaction dans un intervalle de 2 600 a' 2 800 K (température moyenne calculée en rapportant la chaleur dégagée par unité de temps dans le plasmatron, deduction faite de la chaleur évacuée par le fluide de refroidissement et les déperditions au débit massique des gaz par unité de temps a travers le plasmatron). Comme résultat de la gazéification on obtient du gaz de synthèse (CO + H2). Pour réaliser le procédé connu il est indispensable de consommer de fortes quantités d'énergie électrique à cause de l'utilisation comme caloporteur de l'argon et à titre d'oxydant de la vapeur d'eau. En outre ce procédé est onéreux à cause de la mise en oeuvre de l'argon et de sa récupération à partir des produits de la gazéification du combustible. Le procédé décrit dans ce qui précède est peu productif en gaz de synthèse à cause de la présence de C02 dans les produits de la gazéification du combustible. On s'est donc proposé de résoudre le problème suivant créer un procédé de transformation thermique de combustible solide non missible du point de vue écologique* caractérisé par un haut rendement énergétique par intensification du processus de la gazéification et de l'utilisation de la chaleur physique des produits de la gazéification pour l'obtention de la vapeur surchauffée et pour le séchage du combustible. Le problème posé est résolu en ce que dans un procédé de transformation thermique des combustibles solides consistant à broyer les combustibles solides, à créer un jet de plasma en faisant passer un caloporteur à travers la zone de jaillissement d'un arc électrique et à gazéifier ensuite les combustibles solides broyés au sein dudit jet de plasma en présence d'un oxydant avec formation d'un gaz de synthèse (CO + H2), suivant l'invention, les combustibles solides broyés et 1' écoulement d'oxydant sont préalablement mélangés, le mélange obtenu est utilisé à titre de caloporteur et est admis dans la zone de l'arc électrique de manière que le vecteur vitesse dudit mélange ait une composante parallèle à l'axe du jet de plasma et on maintient une température moyenne du gaz de synthèse dans un intervalle de 1 200 à 1 700 OC par réglage de la puissance de l'arc électrique. Pareille mise en forme du procédé le rend hautement productif grace à la transformation complète de la partie organique du combustible en produit gazeux : gaz de synthèse (CO et H2) et H2S. On y parvient en intensifiant le déroulement des échanges de masses et de chaleur entre le mélange d'oxydant et les combustibles solides broyés et la zone de combustion de l'arc électrique tout en maintenant la température moyenne des produits de la gazéification, calculée en rapportant la chaleur dégagée par unité de temps dans le plasmatron, déduction faite de la chaleur évacuée par le fluide de refroidissement et des déperditions, au débit massique des gaz par unité de temps à travers le plasmatron, dans un intervalle de 1 200 à 1 700 OC. L'admission du mélange des combustibles solides broyés et de 1' oxydant dans la zone de jaillissement de l'arc électrique de manière que le vecteur vitesse dudit mélange ait une composante parallèle à l'axe du jet de plasma, permet d'allonger l'arc électrique dans la direction d'écoulement des réactifs ce qui permet de réaliser le procédé avec des longueurs augmentées de l'arc électrique. La chaleur dégagée par l'arc électrique et la chaleur d'oxydation par l'oxygène de la masse carbonée des combustibles en CO crée les conditions thermiques indispensables à un déroulement rapide de la réaction de gazéification des combustibles pulvérulents. I1 est avantageux qu'à titre d'oxydant soit utilisé un mélange de vapeur d'eau surchauffée et d' oxygène pour les teneurs suivantes en composants calculées par rapport à la masse carbonée des combustibles, % en masse vapeur d'eau 45 à 15 oxygène 55 à 85. Cela permet d'élever le rendement énergétique du procédé. Dans le procédé de gazéification on augmente le rendement en gaz de synthèse (CO + H2 > grâce à la transformation partielle de l'énergie électrique en énergie chimique des produits gazeux avec mise en oeuvre au sein de l'oxydant d'une addition de vapeur d'eau préalablement surchauffée jusqu'a' 550 C grâce-à la chaleur physique des produits évacués de la gazéification. L'énergie électrique au cours de la décharge se transforme en énergie thermique qui est dépensée au cours de la gazéification aussi bien pour l'élévation de la température des réactifs jusqu'au niveau imposé du procédé que pour les réactions endothermiques. La température moyenne des produits de la gazéification, est maintenue dans un intervalle de 1200 à 1700 OC par réglage de la puissance appliquée à l'arc électrique. A titre d'oxydant on utilise soit de la vapeur d'eau surchauffée, soit de l'oxygène, soit leur mélange. On obtient la quantité maximale de gaz de synthèse (CO + H2) au cours de la gazéification des combustibles solides à forte teneur en matière carbonée avec utilisation à titre d'oxydant seulement de la vapeur d'eau surchauffée pour le compte de l'hydrogène qui se dégage lors de la réaction entre H20 et le carbone. Dans ce cas le rendement énergétique du procédé de la gazéification est d'environ 70 %. Lorsqu'on échauffe la vapeur d'eau jusqu'à 550 OC grâce à la chaleur physique des produits de la gazéification, environ 80 % de l'énergie de la décharge électrique se transforme en énergie potentielle du gaz de synthèse (CO + H2). C'est la gazéification du charbon sec broyé dans un oxydant composé d'un mélange de vapeur d'eau surchauffée et d'oxygè- ne qui offre le plus dwintéret. L'addition d'oxygène influe sur la réduction de la consommation d'énergie électrique et élève par conséquence le rendement énergétique du procédé de gazéification jusqu'à 88,6 R. Pour les lignites oxydées dont la teneur en cendres est supérieure à 30 % il est particulièrement avantageux au point de vue économique d'effectuer la gazéification ctest-à-dire la transformation complète de la masse organique de ces charbons en gaz de synthèse (CO + H2) avec utilisation d'un oxydant à base d'oxygène, en admettant un mélange d'oxygène avec du combustible broyé dans la zone de jaillissement de l'arc électrique. Dans ce cas le rendement énergétique du procédé de la gazéification est de 87 %. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la suite de sa description, qui va suivre, d'exemples concrets de sa réalisation et de la figure unique sur laquelle est schématiquement représenté le procédé de transformation thermique des combustibles solides. Les combustibles solides préalablement broyés et séchés arrivent suivant la direction de la flèche dans une trémie I d'où ils sont envoyés dans la chambre 2 pour mélange avec l'oxydant. Suivant la flèche en trait interrompu on envoie dans la chambre 2 un oxydant choisi parmi la vapeur d'eau surchauffée, l'oxygène, un mélange de vapeur d'eau surchauffée et d'oxygène ; on admet le mélange obtenu de combustibles broyés et d' oxydant dans un réacteur 3 suivant la flèche représentée en trait mixte, dans la zone de jaillissement de l'arc de manière que le vecteur vitesse de l'écoulement dudit mélange ait une composante parallèle à l'axe de 1' arc. Le jaillissement de l'arc est maintenu par une source dtalimen- tation 4.Dans le réacteur 3 par réglage de la puissance de l'arc électrique on maintient une température moyenne des produits de la gazéification de 1200 à 1700 OC, calculée en rapportant la chaleur dégagée par unité de temps dans le plasmatron, déduction faite de la chaleur évacuée par le fluide de refroidissement et des déperditions au débit massique des gaz par unité de temps a' travers le plasmatron. Etant donné l'action électrocatalytique des composantes électronique et ionique du courant de décharge la réaction de gazéification de la masse carbonée des combustibles se déroule efficacement avec formation d'oxyde de carbone et d'hydrogène alors que le soufre contenu dans les combustibles solides forme par interaction avec l'hydrogène de l'hydrogène sulfuré.Les produits de la gazéification arrivent dans le cyclone 5 où il s'en dégage une phase solide que sont les cendres tandis que le mélange gazeux de CO, H2 et de H2S est envoyé pour une transformation ultérieure. A titre d'exemple citons les résultats de la recherche sur les charbons(broyé sec): IO Charbon d'Ircha-Borodino. La composition élémentaire de ce charbon est la suivante (% en poids) C - 65,07 ; H - 4,55 ; O - 20,20 N - 0,91, S - 0,27 A ( cendres ) - 9,00 ; pouvoir calorifique supérieur Q = 25 650 kJ/kg ; pouvoir calorifique inférieur Q = 24 600 kJ/kg ; et 20 Charbon du bassin de Moscou (S en poids) : C - 42,16 ; H - 3,60 ; 0 - 13,53 ; N - 0,68 ; S - 8,03 et A - 32,00 ; pouvoir calorifique supérieur Q = 19 750 kJ/kg; pouvoir calorifique inférieur Q = 17 000 kJ/kg. Le tableau I résume les données relatives à la consommation d'oxydant : vapeur d'eau portée à 550 OC, mélange de vapeur d'eau et d'oxygène et oxygène pur ainsi que les consommations spécifiques de charbon sec, d'oxygène, de vapeur d'eau et d'énergie électrique par NX de gaz de synthèse et le rendement énergétique du processus de gazéification à l'aide d'un plasma pour une température moyenne des produits de la gazéification de 1 200 OC, (Cette température est calculée en rapportant la chaleur dégagée par unité de temps dans le plasmotron, déduction faite de la chaleur évacuée par le fluide de refroidissement et des déperditions, au débit massique des gaz par unité de temps à travers le plasmatron). Les données du tableau montrent que la gazéification au plasma à haut rendement énergétique permet de transformer toute la masse organique de combustible en gaz de synthèse (CO + H2) et hydrogène sulfuré (H2S). Après la purification des gaz en vue d'en éliminer H25 on obtient un gaz de synthèse pur (CO + H2) qu'il est possible de transformer en gaz à haut pouvoir calorifique CH4 et combustible liquide. TABLEAU I Repères Consommation Consommations spécifiques : charbon, oxygène, vapeur d'oxydant d'eau et d'énergie électrique globale par Nm3 par tonne de gaz de synthèse de charbon (CO + H2) Rendement H2O O2 charbon sec O2 H2O (vapeur), énergie élec- énergetique du procédé #, % kg kg kg trique, kW-h 1 2 3 4 5 6 7 8 Charbon d'Ircha-Borodino 1 748,8 0 0,376 0 0,282 1,056 69,5 2 342,1 361,5 0,465 0,168 0,159 0,573 73,5 3 281,9 415,0 0,482 0,200 0,136 0,479 82,0 4 133,5 547,0 0,529 0,289 0,071 0,224 86,7 5 95,0 581,1 0,543 0,315 0,052 0,150 88,6 Charbon du bassin de Moscou 6 480,2 0 0,577 0 0,277 1,125 69,6 7 219,4 231,8 0,710 0,165 0,156 0,669 76,5 8 0 426,8 0,881 0,376 0 0,140 87,3 REVENDICATIONS 1 - Procédé de transformation thermique des combustibles solides consistant dans le broyage des combustibles solides, dans la création d'un jet de plasma par passage d'un caloporteur à travers la zone de jaillissement d'un arc électrique et dans une gazéification subséquente de combustibles solides broyés dans le jet de plasma en présence d'un oxydant avec formation d'un gaz de synthèse (CO et H2), caractérisé en ce qu'on mélange les combustibles solides broyés et l'o- xydant et qu'à titre de caloporteur on utilise le mélange obtenu que l'on admet dans la zone de jaillissement de l'arc électrique de manière que le vecteur vitesse de l'écoulement dudit mélange ait une composante parallèle à l'axe de l'arc électrique et on maintient en outre une température moyenne du gaz de synthèse dans un intervalle de températures de 1200 à 1700 OC en réglant la puissance de l'arc électrique. 2 - Procédé de transformation thermique des combustibles solides suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme oxydant un mélange de vapeur d'eau et d'oxygène pour des teneurs suivantes en constituants, par rapport à la masse carbonée des combustibles, % en masse vapeur d'eau 45 à 15 oxygène 55 à 85.