Brevet FR2529221A1 — publié le 19831230

La présente invention concerne un procédé et un appareil perfectionnés pour la production de gaz combustible à partir de charbon, de coke ou l'équivalent. Compte tenu des circonstances récentes concernant le problème critique de lténergie, la réutilisation de l'énergie du charbon, par exemple, a été étudiée partout dans le monde. En raison de la forme solide du charbon comme source d'énergie, la liquéfaction ou la gazéification du charbon a été fortement demandée par les fournisseurs et les utilisateurs qui ont eu l'expérience de la facilité de manutention du pétrole et des gaz ainsi que de leurs formes ne laissant pas de résidus solides durant leur utilisation ou après leur utilisation au cours de la période où on comptait sur le pétrole et les gaz et il y a eu une nécessité pressante d'établir les techniques nécessaires. Si les techniques nécessaires de liquéfaction ou de gazéification du charbon étaient mises au point, des effets économiques très importants seraient obtenus car les voies classiques d'approvisionnement en énergie ou l'équipement final formant les sites d'utilisation pourraient être utilisés sans modifications considérables de ces voies ou de cet équipement. Dans ces conditions, des études techniques concernant la liquéfaction et la gazéification du charbon ont été entreprises et il y a eu de nombreuses informations concernant les résultats d'études ou de propositions. Les techniques connues de gazéification du charbon ont été divisées d'une manière générale en méthodes du type à lit fixe, du type à lit fluidisé, du type à lit entrains et d'autres méthodes. Toutes ces méthodes ont un problème sérieux concernant la façon d'évacuer les résidus laissés après la gazéification du charbon, c'est-à-dire-la cendre, et l'objectif consistant à trouver une solution à ce problème est maintenant une question importante occupant une position éminente dans les techniques de gazéification du charbon. La présente invention concerne un four de gazéification du type à lit fluidisé. Bien qu'il soit connu que dans la gazéification du charbon au moyen d'un lit fluidisé la conduite des réactions à des températures élevées ait pour effet d'augmenter la vitesse de la réaction de gazéification du charbon et d'améliorer le rendement de la gazéification, il est connu aussi que des troubles sont causés par la cendre résultant de la gazéification. Plus particulièrement, quand la température de la réaction de gazéification se rapproche du point de fusion de la cendre, la fusion de la cendre commence et elle se vitrifie surlaplaque de distribution et la surface des parois dans le four de gazéification, donnant ainsi naissance aux problèmes dits de scorification.Comme résultat, on a considéré qu'il était difficile d'effectuer la gazéification du charbon à des températures~supérieures à 1000 C dans les fours de gazéification ordinaires du type à lit fluidisé. Dans le cas du procédé Winkler actuellement mis en oeuvre sous la forme de fours de gazéification du type à lit fluidisé, la température de la réaction de gazéification est comprise entre 900 et 1000bu, avec le résultat que non seulement le rendement de la gazéification par tour est faible, mais encore du goudron, du phénol, etc., sont produits en grandes quantités en raison de la température peu élevée de réaction. L'accroissement du rendement de la gazéification est à base d'une solution utilisée pour réduire à zéro ou à un bas niveau les troubles de scorification et il a été proposé, comme procédé de gazéification pour empecher les troubles de scorification, un procédé de gazéification à lit fluidisé dans lequel la cendre produite est positivement agglomérée jusqu'd ce qu'une grosseur donnée des particules ou un poids donné des particules soit atteint et alors la cendre est déchargée à l'extérieur du système. Ce procédé enlève la cendre agglomérée de la gorge au-dessous du lit fluidisé tout en effectuant la réaction de gazéification à une température voisine du point de fusion de la cendre et un exemple typique de ce procédé est le procédé dit "U-gas" mis en oeuvre par la firme I.G.T. en Amérique. Pour décrire maintenant ce procédé, le charbon pulvérisé arrivant d'une trémie 7 est introduit dans un four de gazéification 1 à agglomération de cendre par un type connu de moyen transporteur, par exemple un transporteur à vis ou à courroie de manière que le charbon soit mélangé avec de l'air ou de l'oxygène ou de la vapeur d'eau arrivant séparément par une canalisation9et gazéifié. Le gaz brut résultant est introduit dans une tour de lavage 6 à travers un refroidisseur de premier étage 2, un cyclone de deuxième étage 3, un cyclone de troisième étage 4 et un refroidisseur de deuxième étage 5 et le gaz produit est délivré par une canalisation 16. Sur la figure, les références 11, 13 et 14 désignent des canalisations d'alimentation en eau et la référence 15 désigne une canalisation d'écoulement. Le charbon pulvérisé n'ayant pas réagi et la cendre qui ont été recueillis par les cyclones de deuxième étage et de troisième étage 3 et 4 sont ramenés à la partie inférieure du four de gazéification 1 par une canalisation 12. Une plaque de distribution inclinée 17 est disposée dans la partie inférieure du four de gazéification 1 et la plaque de distribution 17 sert aussi d'injecteur pour le gaz introduit.De plus, de l'air ou de l'oxygène est introduit dans le four de gazéification 1 par une canalisation 10 de facon que, en plus de la réaction de gazéification, la formation d'une agglomération de cendre progresse tandis que la cendre est maintenue dans un état fluidisé et qu'une agglomération donnée de cendre soit formée pour déchargement par la partie inférieure. Toutefois, comme ce procédé utilise deux canalisations d'alimentation en fluides, à savoir la canalisation 9 pour l'air ou l'oxygène et la vapeur d'eau introduits principalement pour la gazéification du charbon pulvérisé et la canalisation 10 pour l'air ou l'oxygène introduit principalement pour la fluidisation du charbon pulvérisé et de la cendre, on peut dire, pour chacune des canalisations, que tout changement dans le débit des substances fluides a une influence sur l'état fluidisé de la matière en poudre et la température de gazéification dans le four de gazéification agglomérant 1 et les opérations de réglage des deux canalisations deviennent très compliquées. Du point de vue de l'opération réelle, la méthode d'introduction de l'agent de gazéification et le mécanisme de déchargement de la cendre sont importants et les méthodes classiques sont désavantageuses sur les points suivants. La figure 2 représente à titre d'exemple l'appareil décrit dans la publication de brevet japonais NO 52-126404. Cet appareil permet un chauffage localisé à l'intérieur du lit fluidisé, de sorte que les particules individuelles de cendre sont fusionnées en particules plus grossières et sont évacuées de manière continue de l'intérieur du lit. Un produit de carbonisation distillé sec 24 est introduit dans un four à lit fluidisé 21 et de la vapeur d'eau 25 est injectée de bas en haut à travers une plaque de distribution inclinée 23 du type plaque perforée dans la partie inférieure du four et par un tuyau 26 de déchargement de la cendre formé dans la partie centrale de la plaque de distribution 23, fluidisant ainsi le produit de carbonisation. Par ailleurs, un agent de gazéification 22 comprenant de l'oxygène est injecté par des buses 27 de manière que les portions entourant les buses soient transformées en zones de combustion et que la cendre soit fondue et s'agglomère.Ainsi, la cendre agglomérée 29, arrivée à l'état de particules assez grosses pour surmonter la force de poussée vers le haut exercée par la vapeur 25 est refroidie et solidifiée par la vapeur 25 et la cendre en grosses particules tombe et est déchargée par le tuyau de déchargement 26. Bien que ce procédé supprime tout chauffage localisé sur la plaque de distribution 23 et empêche la fusion de la cendre, la température de la plaque de distribution 23 est abaissée à un niveau de température qui cause l'adhésion du charbon et il est impossible d'utiliser directement le charbon comme matière première. Ainsi, il est nécessaire d'utiliser un produit de carbonisation qui a été soumis au préalable à un certain traitement thermique et ne présentant pas de danger d'adhésion. Comme résultat, non seulement un four de craquage thermique doit être utilisé en plus du four de gazéification, mais encore il y des inconvénients en ce que le fonctionnement pendant une longue période a pour effet que la cendre fondue se colle aux extrémités antérieures des buses 27, donnant ainsi naissance aux troubles dits de scorification; et que le gaz 22 contenant de l'oxygène et la vapeur d'eau 23 sont injectés séparément dans le four de gazéification, rendant ainsi très difficile de régler la température à l'intérieur du four de gazéification. Les inventeurs ont effectué diverses études en vue d'empêcher ces troubles de scorification et ont découvert un procédé et un appareil de gazéification dans lesquels au lieu d'utiliser dans la portion inférieure du four de gazéification une plaque perforée qui doit être un élément résistant à la chaleur et a tendance à causer un inconvénient de scorification, on brûle une partie du gaz produit dans une chambre de combustion située au-dessous du four de gazéification de façon à introduire le gaz de combustion résultant comme gaz fluidisant dans le four de gazéification et à gazéifier ainsi le charbon, le coke ou la matière de départ du même genre, et la cendre résultante est agglomérée de façon qu'on décharge la cendre agglomérée parvenue à une grosseur donnée (ou à un poids donné) à l'extérieur du système à travers la chambre de combustion. Aux dessins annexés : Les figures 1 et 2 sont des diagrammes schématiques pour expliquer des techniques antérieures se rapportant à la gazéification du charbon. Les figures 3 et 4 sont des diagrammes schématiques pour expliquer les techniques de gazéification selon l'invention. Un procédé et un appareil selon l'invention, bien que ce soient un procédé et un appareil extrêmement simplifiés n'exigeant pas un contrôle compliqué de fluides comme dans le cas du procédé dit "U-gas" et n'exigeant pas non plus d'addition à l'appareil .as. élément similaire tel qu'une plaque de distribution inclinée, sont particulièrement excellents en ce que la vitesse de la réaction de gazéification est accrue eL aussi la capacité de traitement par unité de volume de la chambre de réaction est accrue. La présente invention va maintenant être décrite avec référence aux dessins annexés. La figure 3 est un schéma de principe pour- la gazéi- fication de matières comprenant essentiellement du charbon, du coke ou une matière du même genre (qu'on appellera ci-après charbon). Une matière pulvérisée pour gazéifi- cation ayant une grosseur de particules de plusieurs sm est introduite de manière continue dans un four de gazéification 32 à partir d'une trémie 31 par an type csmm de moyen transporteur tel qu'un alimentateur -à vis. ans le four de gazéification 32, les particules de matière de départ sont mises sous la forme d'un lit fluidisé par un gaz fluidisant et la température intérieure du lit est réglée avec une limite inférieure de température choisie. à environ 2000C au-dessous du point de fusion de la cendre dans la matière de départ. La température dans le four de gazéification 32 est réglée en réglant les quantités des gaz de gazéification, c'est-à-dire de l'air ou de l'oxygène et de la vapeur d'eau, qui sont introduits par une canalisation 33. Dans ce cas, les gaz de gazéification à introduire doivent de préférence être tels que le rapport en volume vapeur d'eau/oxygène soit inférieur à 3. La cendre produite comme résultat de la progression de la réaction de gazéification est soumise à une action de grossissement par agglomération effectuée à l'intérieur du lit fluidisé de manière que l'agglomérat de cendre résultant, de forme sphéroidique ou granulaire, tombe dans une trémie 35 à travers une chambre de combustion 34. Quand on fait fonctionner le système de réaction de gazéification pour un procédé à haute pression, l'agglomérat de cendre résultant est transféré à une trémie inférieure 36 et ensuite déchargé à l'extérieur du système. Par ailleurs, le gaz produit dans le four de gazéification 32 est passé par le haut du four dans un cyclone 37 pour élimination des substances fines telles que le charbon n'ayant pas réagi et ensuite le gaz est introduit dans une tour 38 de purification du gaz pour élimination de la poussière, de NOx, de SOx, etc. Ensuite, le gaz est conservé dans un réservoir à gaz 40 après passage à travers un compresseur 39. Les substancés fines séparées par le cyclone 37 sont ramenées par une canalisation 41 au four de gazéification 32 et sont soumises de nouveau, en même temps que la matière de départ, à la réaction de gazéification. Par ailleurs, une partie du gaz produit emmagasiné dans le réservoir à gaz 40 est introduite dans la chambre de combustion 34 par une canalisation 42 et également de l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène est introduit dans la chambre de combustion 34 par une canalisation 43 de fason-à brûler le premier gaz pour produire un gaz fluidisant. En ce qui concerne les conditions de combustion dans la chambre de combustion 34, la combustion est réglée de façon que la vitesse d'écoulement dans la gorge formée entre le four de gazéification 32 et la chambre de combustion 34 devienne supérieure à la vitesse terminale de la matière en poudre s'écoulant dass le four de gazéification 32. Comme une partie du gaz produit est brûlée dans la chambre de combustion 34, la quantité du gaz fluidisant peut être réglée très facilement. Les résultats de divers essais ont montré que bien qu'il ait été admis que la cendre peut être agglomérée de manière satisfaisante par réglage de la température du gaz fluidisant à environ 100 C au-dessous du point de fusion de la cendre, en fonction du rapport vapeur d'eau/oxygène et de la qualité du charbon de départ, cela ne peut évidemment pas être mentionné en même temps et généralement on peut assurer une opération satisfaisante en réglant la température dans un intervalle entre le point de fusion de la cendre et une température inférieure d'environ 2000C au point de fusion de la cendre. En ce qui concerne la méthode d'introduction de l'agent de gazéification et la-prévention des troubles de scorification qui sont particulièrement importants du point de vue opératoire, les effets désirés peuvent être obtenus en utilisant une méthode telle que celle représentée sur la figure 4. Plus particulièrement, sur la figure 4, la matière première arrivant par une canalisation 51 est mise sous la forme d'un lit fluidisé dans un four de gazéification 53 par le gaz fluidisant injecté de bas en haut par une gorge 55 et la matière est gazéifiée par le mélange d'oxygène ou d'air et de vapeur d'eau introduit par des buses 52. Chaque buse 52 d'alimentation en agent de gazéification fait saillie dans le four 53 à travers sa paroi de façon à empêcher la formation d'un point chaud avec une forte concentration d'agent de gazéification près de la paroi. Si un tel point chaud se forme près de la paroi, la cendre dans le charbon est fondue et se colle à la buse, causant ainsi des troubles de scorification. ta cendre fondue sur l'extrémité antérieure des buses 52 est enlevée par des dispositifs 54 tels que des marteaux pneumatiques ou des vibrateurs. La cendre ainsi enlevée a une haute densité par rapport à celle du charbon et elle tombe à travers la gorge 55 dans une trémie inférieure. Evidemment, on fait fonctionner les dispositifs 54 tels que des marteaux pneumatiques ou des vibrateurs de façon à empêcher la cendre fondue de devenir plus grosse que le diamètre intérieur de la gorge 55. En ce qui concerne la matière utilisée pour les buses d'injection 52 de l'agent de gazéification, elles doivent de préférence être formées d'un alliage résistant à la chaleur comme de l'acier inoxydable ayant des propriétés de résistance au choc et tendant à empêcher que la cendre fondue ne se colle aux buses. (ta température d'introduction de l'agent de gazéification est de l'ordre de 1500C et les buses elles-mêmes sont refroidies). De plus, afin d'empêcher que la partie inférieure du four soit chauffée et dépasse le point de fusion de la cendre, des tuyaux de refroidissement 56 sont enfouis dans la paroi du four dans sa partie inférieure et un milieu de refroidissement comme de l'eau, de la vapeur d'eau ou de l'azote gazeux est introduit dans les tuyaux de refroidissement 56 de façon à empêcher la fusion de la cendre ou l'adhésion et la croissance de la cendre fondue. Bien qu'il soit souhaitable de relier le tuyau 51 d'alimentation en matière première à la plus basse partie possible du four de manière à décomposer le goudron formé comme sous-produit au cours de la décomposition thermique du charbon et à réduire la quantité du charbon pulvérisé qui se disperse à l'état n'ayant pas réagi, Si le charbon est introduit dans la portion conique, le charbon introduit dans la portion conique ne sera pas distribué complètement en raison de la stagnation et il existe le danger de causer un trouble de cokéfaction dans cette portion.De plus, cela n'aurait pas dé sens de disposer le tuyau 51 d'alimentation en matière première au-dessous du tuyau 52 (33) amenant l'agent de gazéification et dans l'analyse finale la méthode la plus avantageuse consiste à relier le tuyau 51 à la portion située juste au-dessus de la portion conique, ou la portion de paroi latérale montante. Bien que les positions du tuyau 52 (33) amenant l'agent de gazéification soient choisies de préférence au-dessous du tuyau 51 d'alimentation en matière première de façon à les relier à la plus basse portion possible du four pour les raisons mentionnées précédemment, si leurs positions sont trop proches du voisinage de la gorge, il existe le danger de production d'un point chaud au voisinage de la gorge et, comme conséquence, de troubles de scorification. Comme résultat, le tuyau 52 (33) doit de préférence etre relié à sensiblement des positions moyennes sur la pente de la portion conique. Dans ce cas, en faisant saillir les extrémités de déchargement du tuyau 52 (33) dans le four à travers la paroi du four, il est possible d'empêcher les scories de se fondre à partir de la surface de la paroi sur les extrémités de déchargement et de s'y développer. Le tuyau d'alimentation 41 en charbon récupéré doit être relié à la partie inférieure du four, de préférence à la portion du four située au-dessous du tuyau 33 (52) de façon à augmenter autant que possible le laps de temps pendant lequel le charbon est retenu à l'intérieur du four de gazéification. La température de la surface de la paroi du four à la forge 55 et celle de la portion conique du fond du four sont réglées d'après la quantité de l'agent de refroidissement introduite dans les tuyaux de refroidissement 56. Quand la matière de départ est une ratière cokéfiante coke du charbon, l'intervalle de température doit être tel que la limite inférieure soit la température maxir-ale causant la cokéfaction (environ 7000C) et que la limite srieure soit la température de rarollissement ce la cendre contenue dans la matière de départ. D'asrès la description précédente, on verra que l'utilisation du procédé et de l'appareil selon l'invention a l'avantage de simplifier remarquablement l'opération par rapport au procédé de la technique antérieure, en raison du fait que la température et le mouvement d'écoulement à l'intérieur d'un four de gazéification sont réglés indépendamment l'un de l'autre. On présente ci-après quelques exemples oui montrent les effets de la présente invention. Exemples On effectue la gazéification ae charbon en utilisant différents types de gaz favorisant la combustion pour introduction dans la chambre de combustion. matière première utilisée Heskisson (charbon ordinaire) Grosseur de particules 3 mm ou moins Pourvoir calorifique 29335 kJ/kg Température de ramollissement de la cendre 1 1750C Température de fusion de la cendre 1 2500C Analyse élémentaire (en poids à sec, %) Carbone 7,72 hydrogène 4,6 Azote 1,72 Oxygène 9,4 Soufre 0,42 Cendre 9,06 Températures d'introduction Matière première 25 C Agent de gazéification 1500C Air (oxygène) de la chambre de combustion 25@ Températures opératoires Four de gazéification 1 175 C Chambre de combustion 1 2O00C Pression opératoire 1471 Pa Gaz de la chambre Quantité de gaz nécessaire de combustion pour le four de gazéification Type Quantité Vapeur nécessaire d'eau Oxygène Nm3/h Nm3/h Nm3/h Cas 1 Air 26,0t 38,48 32,94 Cas 2 Oxygène 14,10 46,18 36,21 Composition du gaz sec produit (%) H2 N2 CH4 CO CO2 Cas 1 22,61 35,32 3,55 22,91 15,61 Cas 2- 41,02 0,6 2,81 30,07 25,50 REVENDICATIONS 1 - Un procédé pour la gazéification de charbon ou d'une matière analogue, comprenant les étapes selon lesquelles on introduit les matières premières (31) compare nant du charbon, du coke ou l'équivalent, ainsi que de l'oxygène ou de l'air et de la vapeur d'eau (33) dans une chambre a réaction de gazéification (32) et on gazéifie le charbon dans un état fluidisé ; et on injecte (42) une partie du gaz qui a été produit dans la chambre à réaction de gazéification, en même temps qu'un gaz contenant de l'oxygène (43), dans une chambre de combustion (34) situee au-dessous de la chambre à réaction de gazéification, on brtle le gaz dans la chambre de combustion et on utilise le gaz résultant comme gaz fluidisant dans la chambre à réaction de gazéification. 2 - Un procédé de gazéification selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on maintient dans une partie inférieure de la chambre à réaction de gazéification (32) une température plus basse que le point de fusion de la cendre produite dans la chambre à réaction de gazéification, 3 - Un procédé de gazéification selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit une vitesse d'écoulement de gaz dans une gorge de la chambre à réaction de gazéification supérieure à la vitesse terminale des matières en particules s'écoulant à l'intérieur de la chambre à réaction de gazéification. 4 - Un appareil utilisable pour la gazéification de charbon ou d'une matière du même genre, caracté- risé en ce qu'il comprend - une chambre à réaction de gazéification (32;53), - des moyens (31;51) pour introduire dans ladite chambre des matières premières comprenant du charbon, du coke ou matières analogues - des moyens (33;52) pour introduire dans ladite chambre de l'oxygène ou de l'air et de la vapeur d'eau - une chambre de combustion (34) située audessous de la chambre à reaction de gazéification de façon à utiliser commune constituant du combustible de cette chambre une partie d'un gaz produit dans la chambre à réaction de gazéification, la chambre à réaction'de gazéification (32; ;53) et la chambre de combustion (34) étant reliées l'une à l'autre par une gorge verticale (55). 5 - Un appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour introduire dans la chambre à réaction de gazéification (53) de l'oxygène ou de l'air et de la vapeur d'eau comprennent des buses (52) qui font saillie dans ladite chambre (53) à travers sa paroi. 6 - Un appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (54) pour faire vibrer lesdites buses. 7 - Un appareil de gazéification selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de refroidissement (56) disposé dans une partie inférieure de la chambre à réaction de gazéification.