Brevet FR2507203A1 — publié le 19821210

Appareil et procédé pour une gazéification de matières carbonéesen litsfluidisés. La présente invention concerne la gazéification de matière: carbonéeset elle a trait, plus particulièrement, à un procédé et à un appareil pour la séparation et l'évacuation des cendres dans des réacteurs de gazéification à litéfluidisés. Dans les réacteurs pour la gazéification de matières carbonéeetelles quele charbon, on obtient un gaz combustible ainsi que des produits résiduaires solides tels que cendres agglomérées Dans le réacteur de gazéification à lits fluidisés du système PDU (Process Develooment Unit), on injecte du charbon en particules à travers un tube central parmi un grand nombre de tubes concentriques s'étendant vers le haut jusqu'au centre d'une cuve verticale sous pression contenant des lits. La cuve comprend, de façon caractéristique, une ou plusieurs sections supérieures de grand diamètre par rapport à une section inférieure de plus petit diamètre à laquelle ces sections supérieures sont raccordées par une région de transition inclinée Une fluidisation a lieu dans les sections supérieures à une vitesse plus grande que la vitesse de fluidisation minimale (Um) mentionnée ordinairement. Dans le système PDU, on injecte des gaz de support de fluidisation et de combustion de diverses manières comprenant une injection verticalement à travers les tubes concentriques et une injection à travers des rampes annulaires disposées à des hauteurs choisies à l'intérieur de la cuve Dans d'autres réacteurs de gazéification, un gaz de fluidisation est déchargé dans des cuves verticales à travers des plaques perforées disposées près de la base de la cuve. Dans le réacteur de Gazéification à lits fluidisésdu système PDU, le charbon en particules introduit,en plus de produire un gaz combustible, forme à un stade intermédiaire des produits de carbonisation et, finalementdonne des cendres résiduaires Le traitement a lieu à des températures de l'ordre de 7600 C à 10500 C, et à des températures supérieures Il faut évacuer les cendres de la cuve, de préférence d'une façon continue ou d'une façon intermittente en cours de traitement, nour maintenir le déroulement efficace du traitement Pour maintenir un rendement élevé, il est souhaitable d'évacuer uniquement les cendres à l'exclusion des matières de carbo- nisation avant réaai de façon incomplète Il est également souhaitable d'évacuer les cendres à une température basse, inférieure à environ 260 C, pour réduire à un minimum l'in- fluence du transfert de chaleur sur les éléments constitutifs situés en aval et pour diminuer les pertes de cha Leur Ceci peut necessiter une cuve longue comportant une section inférieure de forme allongaée à travers laquelle a lieu un déplacement vers le bas des cendres denses pendant une période de temps prolongée, ce qui permet un refroidissement suffisant de ces cendres avant leur évacuation de la cuve Par contre, il est souhaitable de maintenir les dimensions des éléments consti- tutifs du système de gazéification, y compris la cuve de confinement, à une valeur raisonnable pour la fabrication, l'intégrité structurale, le prix de revient ainsi que pour d'autres fins Une cuve plus grande tend aussi à exiger des quantités plus grandes de gaz de fluidisation et de combustion, ce qui nuit au rendement du système. Le système PDU de gazéification à lit fluidisésa fonctionné avec succèsîpur le traitementd 1 environ 15 tonnes de charbon par heure dans le cas d'un fonctionnement avec souf- flage d'air et de 35 tonnes de charbon par heure dans le cas d'un fonctionnement avec soufflage d'oxygène Le système comprend un seul ensemble de tubesd'injection concentriques disposésverticalement et à travers lesquels, en plus du charbon enparticules, divers agents de traitement, tels que du gaz recyclé, de la vapeur d'eau et de l'oxygène, sont injectés. Du oaz de fluidisation supplémentaire est injecté par l'inter- médiaire d'une rampe annulaire de section droite circulaire disposée concentriauement à l'intérieur de la région inférieure de la cuve de Gazéification Pour obtenir des systèmes de gazéification similaires de production supérieure, des cuves plus grandes sont nécessaires On envisage également que des tubes concentriques plus grands ou des ensembles multiples de tubes soient nécessaires Avec un tel matériel de plus grande dimension, et particulièrement avec des ensembles multiples de tubes concentriques d'injection, on s'est alors aperçu qu'une seule rampe de distribution risaue d'être insuffisante pour donner une répartition relativement équilibrée des gaz de fluidisation au droit de la section transversale de la cuve On ne s'était pas aperçu de cela antérieurement dans la technique Une répartition déséquilibrée peut conduire à un cheminement préférentiel du gaz de fluidisation s'écoulant vers le haut à travers la matière enparticules Il peut en résulter un "coup de bélier" (appelé slugging dans la technique anglosaxonne)local, un mélange exagéré et une stagnation locale s'opposant à une séparation des particules de matière de carbonisation et de cendres. C'est pourquoi la présente invention a pour objet principal des appareils de gazéification de taille relativement faible mais aptes à une production importante avec une gazé- ification et une combustion complète du charbon ou autre matière carbonée d'alimentation et avec la possibilité de décharger les cendres en cours d'opération et à une tempé- rature inférieure à environ 260 C. Compte tenu de cet objet, la présente invention réside dans un réacteur du type à lit fluidisé pour gazéification de charbon comprenant une cuve disposée verticalement et compor- tant une section supérieure ayant un diamètre intérieur plus grand que le diamètre intérieur d d'une section inférieure de séparation, le réacteur susvisé étant caractérisé par le fait qu'une plaque perforée conique de distribution est disposée à la base de ladite section de séparation, l'angle aue fait ladite plaque par rapport à l'horizontale étant supé- rieur à 7 et inférieur à 150, des moyens étant prévus pour injecter un gaz de fluidisation vers le haut à travers ladite plaque perforée de distribution et dans ladite section de séparation, de manière à maintenir une vitesse de fluidisation d'environ 1,2 Umf (vitesse de fluidisation minimale) dans ladite section inférieure de séparation, une pluralité de tubes d'injection de solidess'étendant verticalement vers le haut depuis ladite plaque de distribution sur une longueur 1, le rapport l/d étant inférieur à environ 2,5, et des moyens étant prévus pour évacuer les solides du dessus de ladite plaque de distribution La combinaison d'un gaz d'écoulement et de la pente de la plaque permettent d'obtenir un angle de talus équivalent faible, de sorte que les particules de cendres peuvent être évacuées facilement de la plaque à travers une ouverture de plus grande dimension se trouvant au centre de la plaque ou à travers des orifices de décharge se trouvant sur le côté de la plaque. Des ensembles multiples de tubes d'injection de matière solides et aazeusess'étendent vers le haut à partir de la plaque Chaque ensemble comprend plusieurs tubes concen- triques, comme il est bien connu, pour l'injection de charbon en particules, de gaz de gazéification, de combustion et de fluidisation Les tubes d'injection de matièressolides s'étendent vers le haut jusque dans la longueur ( 1) couverte par la section de séparation et peuvent s'étendre jusqu'à une hauteur au sommet de la section de séparation En maintenant dans cette structure le rapport l/d à une valeur inférieure à environ 2,5, un gaz de fluidisation en quantité suffisante est réparti de façon uniforme, s'écoule à travers les perfo- rations puis vers le haut à travers la section de séparation d'une manière qui facilite la séparation des produits de carbonisation et des cendres et qui évite une chute de pression déséquilibrée ainsi qu'un cheminement préférentiel associé des gaz de fluidisation à l'intérieur de la section de séparation Le système évite une opération de "coup de bélier" dans la section de séparation et un mélange associé des matières de carbonisation et des cendres qui fait échouer la fonction de séparation et il peut fonctionner de façon satisfaisante même si un "coup de bélier" se produit au- dessus de la section de séparation Le système assure également un temps de séjour suffisant des particules de cendres à l'intérieur de la section de séparation et un transfert de chaleur suffisant entre les particules et le gaz de fluidi- sation pour permettre un refroidissement des particules de cendres jusqu'à des températures inférieures à 260 'C avant leur évacuation du réacteur. La présente invention apparaîtra de façon plus claire à la lecture de la description donnée ci-après, à titre pu- rement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une élévation en coupe d'une cuve pour le confinement d'un processus de gazéification à lits fluidisés; la figure 2 est une vue en perspective arrachée de la section inférieure de la cuve de confinement; les ficures 3 et 4 sont des élévations coupesde la cuve et des éléments constitutifs pour des variantes de mode de réalisation; la f iaure 5 est une vue en plan d'une plaque conique de distribution; et la figure 6 est une représentation graphique, à l'aide de valeurs relevées au cours d'essais, de la vitesse de séparation des matières solides (kg/min-m 2: axes des X) en fonction de la vitesse d'alimentation (kg/min-m axes des Y). En se référant maintenant à la figure 1, on voit que l'on y a représenté une cuve sous pression 10 orientée verti- calement et destinée au confinement d'un traitement de gazéi- fication en lit 5 fluidisés Les agents de traitement, tels que l'air ou l'oxygène, lés gaz de recyclage, la vapeur d'eau et des matières carbonées en particules têes que le charbon, sont introduits à travers des admissions tubulaires concentriques 12 dans la cuve 10 La cuve comporte plusieurs sections comprenant une ou plusieurs sections supérieures 14 de grand diamètre intérieur et une section inférieure 16 de séparation dont le diamètre intérieur d est plus petit que celui des sections supérieures La cuve 10 peut aussi comprendre une ou plusieurs régions de transition le long de ces diamètres intérieur et extérieur Les agents de traitement, lors de l'injection, forment un lit fluidisé de gazéification et de combustion sous pression à l'intérieur de la cuve 10, généralement au-dessus du sommet des admissions tubulaires 12 o les matières volatiles sont, à un instant intermédiaire éliminées des particules de charbon pour donner une matière de carbonisation et un gaz et, fina- lement, la matière de carbonisation est gazéifiée et transformée en cendres par combustion Le gaz combustible obtenu à partir de la réaction est déchargé à travers une sortie 18 et les cendres agglomérées sont déchargées près de la base de la cuve. Le traitement ou processus a lieu à une température de l'ordre de 760 a C à 11000 C,et à des températures supérieures. Un ensemble ou de préférence plusieurs ensembles, de tubes concentriques, s'étendent vers le haut depuis une plaque de distribution 20 jusqu'à une hauteur à l'endroit ou en-dessous du sommet de la section de séparation inférieure 16, comme on peut le voir sur les figures 2 à 4 La plaque 20 de distribution forme la base du séparateur 16 La plaque 20 de distribution est perforée et comprend des perforations 22 pour le passage d'un gaz de fluidisation La plaque de distribution comprend écalement des ouvertures 24 à travers lesquelles passent une ou plusieurs admissions tubulaires concentriques 12 Chacun des tubes des admissions 12 peut pénétrer dans la plaque 20 de distribution, comme représenté sur la figure 2, ou bien, comme représenté sur la figure 3, certaines des admissions tubulaires peuvent pénétrer latéralement dans la section de séparation inférieure 16. La plaque de distribution 22 est d'une façon générale conique et est de préférence orientée comme un cône inversé comme on peut le voir sur la figure 3 Elle peut aussi être orientée comme en cône debout, c'est-à-dire ulcône dont la pointe est dirigée vers le haut, comme représenté sur la figure 4 Dans le cas de l'agencement conique inversé, les particules de cendres produites sont évacuées de la section de séparation inférieure 16 à travers une ou plusieurs ouvertures 26 de plus grande dimension se trouvant dans la partie infé- rieure de la plaque et par un conduit de sortie 28 Le conduit 28 peut comprendre un système de vanne bien connu Dans le cas de l'agencement conique debout, les particules de cendres sont évacuées de la partie inférieure de la plaque 20, à la périphérie extérieure de celle-ci, de préférence à travers plusieurs passages de sortie 30 répartis sur la périphérie. Les perforations 22 ont des dimensions et une configu- ration telles que, d'une part, elles permettent le passage vers le haut d'un gaz de fluidisation, tel qu'un produit gazeux recyclé, qui pénètre dans une chambre 32 de surpression en- dessous de la plaque 20 à travers une admission 34 et, d'autre part, elles restreignent le passaae vers le bas des particules de cendres à travers les perforations Le gaz de fluidisation est injecté à une vitesse de fluidisation d'environ 1,2 U f, de telle sorte que le fonctionnement de la section inférieure de-séparation 16 est réai par le mécanisme appelé communément le mécanisme de fluidisation minimale De préférence, les perforations 22, comme on peut le voir sur la figure 5, sont circulaires et ont un diamètre de 0,32 cm à 2,5 cm On peut aussi placer un tamis métallique sur les perforations Dans une variante, on peut utiliser une plaque de distribution poreuse frittée en métal ou en des matières céramiques, par exemple une plaque constituée par du laiton ou de l'acier inoxydable poreux fritté. L'ouverture 26 pour l'évacuation des cendres, si elle se trouve à un endroit o aucun tube d'admission 12 ne pénètre dans la plaque, est circulaire et a undiamètre d'environ 15,3 cm à 20,3 cm Si l'ouverture 26 est disposée autour d'un tube concentrique 12, la largeur de l'anneau formé entre le tube extérieur 12 et l'ouverture 26 d'évacuation de cendres est à peu près de 15,3 cm à 20,3 cm. L'angle G, c'est-à-dire la pente du dessus de la plaque de distribution par rapport à l'horizontal est comprise entre et 30 et, de préférence, entre 7 et 15 Il est souhaitable de réduire à un minimum l'angle afin d'atténuer la différence de pression non uniforme au droit du volume intérieur de la section inférieure de séparation 16 Un angle faible réduit la différence de la chute de pression statique parmi les perfora- tions les plus hautes et les plus basses Une différence entraîne un trajet d'écoulement préférentiel, c'est-à-dire un cheminement à travers le volume inférieur sous pression du séparateur et une mauvaise répartition de la fluidisation et il en résulte une mauvaise séparation des matières de carboni- sation et des cendres Il est également souhaitable d'augmenter l'angle pour favoriser l'évacuation des particules de cendres sur la plaque de distribution En-dessous d'une pente de , méme si un fluide s'écoule à travers les perforations 22, les particules de cendres tendent à s'accumuler en certains endroits sur la plaque de distribution et de ne pas migrer vers l'ouverture de sortie. La section de séparation inférieure 16 estla réaion dans laquelle sont séparées les matières de carbonisation et les cendres, les matières de carbonisation étant recyclées vers le haut pour une autre combustion et les cendres migrant vers le bas pour leur évacuation finale Un mécanisme fonda- mental contribuant à la séparation est l'aptitude d'une bulle montante à transporter vers le haut dans son sillage une particule de matière de carbonisation d'une densité relativement 1 O faible au lieu d'une particule de cendre d'une densité plus élevée Un mécanisme qui peut faire échouer la séparation est un "coup de bélier" à l'intérieur de la section de séparation. Un "coup de bélier", c'est-à-dire la formation d'une bulle gazeuse de grande dimension sur la totalité de la section droite du séparateur 16, tend à pousser vers le haut à la fois les particules de cendres et les particules de matièresde carbonisation Toutefois, on peut éviter un régime de"coup de bélier"en maintenant le rapport l/d à une valeur inférieure a 2,5, 1 étant la distance entre la plaque de distribution et le point situé à l'intérieur de la section de séparation ou près du sommet de cette section o la matière carbonée brute, telle que le charbon, est déchargée à partir d'un tube d'alimentation 12 dans l'espace intérieur libre de la cuve , d étant le diamètre intérieur de la section de séparation inférieure. Le diamètre d est de préférence le diamètre minimal qui empêche l'apparition d'un"coup de bélier" dans la section de séparation tout en maintenant un rapport l/d approprié et qui assure une superficie de section droite suffisante pour la séparation "matières de carbonisation-cendres. De plus, pour éviter une accumulation globale des particules de cendres, le diamètre intérieur de la section de séparation 16 est suffisamment grand pour que la vitesse de séparation "matièresde carbonisationcendres' soit à coup sûr plus grande que la vitesse d'agglomération des cendres La figure 6 montre graphiquement les résultats d'essais effectués sur un système utilisant des particules de dolomite simulant des cendres et une matière de carbonisation introduite dans une zone de fluidisation similaire à la section de séparation inférieure 16 Comme on peut le voir, la vitesse de séparation maximale pour le système,sur la base d'une superficie de section droite normalisée, est d'environ 750 ka/min-m quelle que soit la vitesse d'alimentation, c'est-à-dire d'introduction La vitesse de séparation dépend fortement de la concentration relative des deux matières introduites et de leur densité relative ainsi que des rapports de dimensions Le dispositif d'essai fonctionnait à une pression de 15,5 k Pa et à la tempé- rature ambiante Les vitesses d'injection étaient V 1 = 0,24 m/s, V 2 = 25, 3 m/s, et V 3 = 0,27 m/s, V 1, V 2 et V 3 étant les injections rprésentées dans le croquis de l'appareil d'essai figurant dans le coin gauche supérieur de la figure 6 et correspondant respectivement à l'injection du gaz de fluidisation à travers la plaque de distribution 20 dans le cas de V 1, à l'injection de matières solides dans un gaz véhiculeur à travers les admissions tubulaires 12 dans le cas de V 23 et à l'injection de gaz à travers une grille tronconique au-dessus de la section inférieure de séparation 16 dans le cas de V 3. En plus de limiter les coups de bélier, la section 16 de séparateur a de préférence une hauteur suffisante pour as- surer aux particules de cendres, avant leur évacuation de la cuve 10, un refroidissement jusqu'à une température souhaitable, de préférence inférieure à 260 'C. Le sommet des admissions tubulaires concentriques est disposé-au sommet de la section de séparation inférieure 16 ou à l'intérieur de cette section Il est souhaitable de réduire à un minimum la lonuueur 1 pour raccourcir la hauteur globale de la cuve 10 et pour améliorer le recyclage des matières solides en vue de leur gazéification et de leur combustion, étant donné que la vitesse des particules est supérieure dans la section inférieure plus faible 16 de la section transversale Si le sommet des admissions tubulaires se trouve à l'intérieur de la section de séparation, il se produit une pénétration suffisante du jet de combustion dans la section de la cuve 10 située au-dessus de la section de séparation 16 pour qu'à coup sûr le jet de combustion pénètre dans la région de gazéification située au-dessus de la section de séparation ou que la taille de la bulle engendrée au-dessus du iet de combustion à l'intérieur de la section de séparation soit plus petite que le diamètre intérieur de la section 16 de séparation de"matières de carbonisation- cendres au point d'éviter un coup de bélier"dans la section de séparation Une taille accrue de la bulle au-dessus de la section de sépa- ration est acceptable. Un exemple de cuve 10 comprenant une section 16 de séparation de matières de carbonisation-cendres ayant un diamètre d'environ 91 cm et une hauteur d'environ 151 cm avec des tubes concentriques s'étendant entre 91 cm et 151 cm vers le haut dans la section de séparation, satisfait aux relations décrites Le tabbau 1 ci-après décrit d'autres paramètres du système: Vitesse d'évacuation des cendres 2250 kg/h. Vitesse superficielle des gaz dans la section de séparation 45-76 cm/s. Taille moyenne des particules de cendres 1650 microns Densité des particules de cendres 1,6 kg/dm 3 Température du lit de gazéification 9850 C-10700 C Température de décharge des cendres 260 C Vitesse du jet d'air à partir des admissions tubulaires 18-37 cm/s. Diamètre de l'admission tubulaire extérieure 40,6 cm Vide du lit du séparateur 0,48 Conicité du distributeur inversé 150 Diamètre des perforations 3,2 mm Nombre de perforations 194 Dans le système pris à titre d'exemple, la pénétration du jet de combustion atteint 1,52 m et la taille maximale de la bulle est de 1 m à une hauteur se situant à l'intérieur du lit de gazéification Toutefois, du fait de la pénétration plus longue du jet, le diamètre de 0,9 m de la section de séparation est suffisant pour atténuer une interférence de coup de bélier avec la fonction de séparation, étant donné que des bulles de plus grande dimension n'apparaissent que 1 l dans la section de gazéification. Un système de gazéification à lit 5 fluidiséefonctionnant avec une section de séparation inférieure du type à fluidisation minimale tel aue décrit assure une séparation efficace des matières de carbonisation et des cendres, atténue les'coups de bélier'dans la section de séparation et assure une sépara- tion des matières de carbonisation et des cendres à une vitesse compatible avec la vitesse d'agglomération des cendres De plus, le temps de séjour des particules de cendres dans la section de séparation en contact avec un gaz froid est suffisant pour que les cendres soient déchargées à coup sûr de la cuve de confinement à des températures acceptables. REVENDICATIONS 1 Réacteur du type à lit fluidisé pour la gazéifi- cation du charbon, comprenant une cuve disposée verticalement et comportant une section supérieure d'un diamètre intérieur plus grand que le diamètre intérieur d d'unesection inférieure de séparation, caractérisé par le fait aue: une plaque conique perforée de distribution ( 20) est disposée à la base de ladite section de séparation ( 16), l'angle de ladite plaque ( 20) par rapport à l'horizontale étant supérieur à 7 et inférieur à 15 , des moyens ( 34) sont utilisés pour injecter un gaz de fluidisation vers le haut à travers ladite plaque perforée de distribution ( 20) et dans ladite section de sépa- ration, de manière à maintenir une vitesse de fluidisation d'environ 1,2 Umf (vitesse de fluidisation minimale) dans ladite section inférieure de séparation, une pluralité de tubes ( 12) d'injection de matièressolidess'étendent vertica- lement vers le haut à partir de ladite plaque de distribution ( 20) sur une longueur 1, le rapport l/d étant inférieur à environ 2,5, et des moyens ( 30) sont utilisés pourévacuer les matières solides du dessus de ladite plaque de distribution ( 20). 2 Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite plaque de distribution ( 20) est cons- tituée par de l'acier inoxydable poreux fritté. 3 Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la plaque de distribution ( 20) est constituée par du laiton poreux fritté. 4 Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits tubes ( 12) d'injection de matières solidess'étendent vers le haut à partir de ladite plaque de distribution ( 20) et se terminent à l'intérieur de ladite section de séparation ( 16). Procédé de mise en oeuvre d'un réacteur de gazéifi- cation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel sont formées des matières de carbonisation et finalement des cendres ainsi qu'un gaz combustible, carac- térisé par le fait que l'on injecte une matière carbonée en particules vers le haut dans ladite cuve à une hauteur située en-dessous du sommet de ladite-section inférieure, on injecte un gaz de support de gazéification et de combustion dans ladite section inférieure, de telle sorte qu'un jet de combustion s'étencdvers le haut au-dessus de ladite section inférieure et pénètre dans ladite section supérieure de plus grand diamètre, on injecte le gaz de fluidisation vers le haut dans ladite section inférieure à une vitesse qui maintient une vitesse de fluidisation d'environ 1,2 Umf dans ladite section inférieure et on évacue les cendres de la base de ladite section inférieure.