Brevet FR2544737A1 — publié le 19841026

i La présente invention se rapporte à un four de traitement des schistes bi- tumineuxcomportant une zone de pyrolyse suivie de zones de gazéification et de refroidissement, le four étant alimenté par injection de gaz et de fu- mées, chauds ou froids, de vapeur d'eau et d'air. Une installation connue de ce type, décrite par exemple dans l e brevet fran çais N O 2 263 290 au nom du demandeur, est constitué d'un four gazogène vertical comportant à sa partie supérieure un dispositif d'alimentation de roches à traiter et une sortie de gaz issus de la zone réactionnelle, des entrées de gaz nécessaires pour la réaction de gazéification, la zone de gazéification étant subdivisée par des cloisons verticales munies de moyens d'injection de fluides réactionnels à plusieurs niveaux. L'invention a pour objet un perfectionnement du four de ce type, qui est caractérisé en ce qu'il est subdivisé sur toute sa hauteur en chambres ver- ticales au moyen de cloisons en matière réfractaire, des carnaux pour l'in- jection de fluides réactionnels et de fumées et pour le soutirage de gaz et de vapeurs étant logés dans lesdites cloisons et dans les murs de l'en- ceinte du four. Ainsi, le four présente des alvéoles modulaires verticales parallèles, juxtaposables en grand nombre pour réaliser des unités de grande capacité de production. Cette conception de la géométrie du four permet de multiplier les alvé- oles modulaires suivant la capacité de production envisagée L'étude d'une unité de grande capacité peut être menée à partir d'un module expérimental, car, quelle que soit son emplacement dans le four, chaque alvéole modu- laire est soumise à des conditions d'exploitation comparables aux autres alvéoles. Les alvéoles reçoivent, en continu, le minerai granulé à leur partie supé- rieure, la matière s'écoule sur toute la section des alvéoles de haut en bas sans rencontrer d'obstacles, pour arriver à la base du four, après pyrolyse, épuisée de ses huiles, du carbone résiduaire et des résidus or- ganiques Les surfaces des parois des alvéoles sont lisses sans aucune aspérité Le chargement en minerai de chaque alvéole est assuré sur toute sa section, de sorte qu'aucun vide consécutif à la formation d'un talus d'éboulement ne puisse se produire dans la zone active. Les cloisons de séparation des alvéoles étant en matériaux réfractaires, tels que briques, pièces de forme ou béton réfractaire, elles constituent une masse thermique importante noyée dans la matière à traiter, jouant le rôle de régulateur thermique en absorbant et en restituant la chaleur sui- vant les variations internes de la température des zones actives du four et assurant ainsi une excellente stabilité thermique. En outre, la masse des matériaux réfractaires des murs et des cloisons du four joue un rôle catalytique important dans la zone de gazéification, en particulier dans la formation de l'oxydé de carbone par réaction du dioxyde de carbone sur du carbone. Selon un mode préférentiel de réalisation, les cloisons sont constituées dans la zone de gazéification par des panneaux de diffusion alimentés en fluides réactionnels à partir de chambres adjacentes de diffusionn dont la hauteur correspond sensiblement à la hauteur de panneaux. De tels panneaux de diffusion peuvent être constitués de préférence par des panneaux à porosité ouverte, dont le degré de perméabilité soit au moins de % ou par des panneaux réfractaires à perforations multiples, par exemple de l'ordre de 100 perforations d'un centimètre de diamètre au mètre carré. Les panneaux ainsi constitués laissent diffuser sur toute, leur surface les gaz et les vapeurs à des vitesses très faibles, par exemple de l'ordre de 0,06 m/sec, et de ce fait, la matière en contact dans le proche voisinage des parois n'est pas soumise à un refroidissement intempestif, tandis que la vitesse de réaction du carbone résiduaire, qui s'oxyde au contact de l'oxy- gène de l'air arrivant à un débit modéré, compense par la chaleur dégagée le refroidissement dû au vent L'homogénéité et le niveau recherché des tempé- ratures réactionnelles sont ainsi assurés-dans la masse des matériaux, quelle que soit la position des grains par rapport à la source d'arrivée des gaz réactifs. Les plans de diffusion constitués par des panneaux présentent au passage des gaz et des vapeurs une perte de charge suffisante pour créer une pression in- terne dans les carnaux égale en tout point et rendent ainsi identique la dif- fusion à travers les parois sur toute la surface des plans concernés. De Mus, la diffusion de l'air et des gaz et vapeurs réactifs à travers des panneaux supprime les cheminements préférentiels qui persisteraient jusque dans la zone de pyrolyse Ceci permet d'assurer une bonne désoxygénation des gaz et des fumées issus de la zone de gazéification, d'o l'amélioration du rendement de la pyrolyse en huile et l'amélioration de la qualité des huiles obtenues, en dehors de tout risque d'oxydation pendant leur élaboration. D'autres particularités de l'invention apparaîtront à la lumière de la descri- ption qui suit d'un mode de réalisation du four selon l'invention illustré à l'aide de dessins, dont la figure 1 représente une vue en coupe verticale selon A-A de la fig 3, la figure 2 une vue en coupe verticale selon B-B de la fig 3 la figure 3 une vue en coupe horizontale selon C-C de la fig 1, la figure 4 une vue en coupe d'une chambre verticale, et la figure 5 un schéma général de l'installation. Le four de section rectangulaire de 13 m de hauteur est constitué d'un mur d'enceinte 50 muni de parois calorifuges extérieurs 51, dont l'intérieur est divisé par des cloisons 52 en alvéoles ou chambres verticales l dont la sec- tion droite est de 0,4 m sur 10 m Il est surmonté d'une trémie mobile 2 qui alimente un sas 3 coiffant chaque alvéole 1 A sa partie inférieure, chaque alvéole est munie d'un extracteur à marche continue 4 constitué par une paire de rouleaux métalliques cannelés Sous chaque paire de rouleaux, une auge avec une vis sans fin 5 évacue le schiste épuisé vers un sas d'extraction étanche 6. Chaque mur 50 et cloison 52 comprend, de haut en bas: des parties de mur ou de cloisons étanches en éléments préfabriqués moulés et vibrés en béton réfractaire 7, 9, 13 et 15 limitant res- pectivement la zone neutre de remplissage des alvéoles, la zone de pyrolyse, la zone de séparation entre la zone de gazéification et la zone de refroidissement et la zone de refroidissement elle-même, un carnau 8 construit en pièces réfractaires de forme, muni d'une rampe simple, lorsqu'il est logé dans le mur 50 de l'enceinte et d'une rampe double d'évents 54, lorsqu'il est logé dans une cloison 52 pour l'évacuation des produits de distillation des schistes, un carnau 11, de construction analogue, pour le soutirage des gaz de gazogène excédentaires produits dans la zone de gazéification et pour l'injection des fumées chaudes et neutres lors du démarrage de l'unité, des carnaux 14 et 16, de construction analogue, servant respective- ment à l'aspiration et à l'injection des gaz et des fumées de re- froidissement des schistes traités, deux chambres de diffusion 12 construites en pièces réfractaires de de forme 17 pour la distribution à travers des parois poreuses 18 de l'air, de la vapeur d'eau et des fumées nécessaires à la gazéifi- cation-combustion de la veine deschiste comprise entre les parois des alvéoles 1, des tunnels 10 munis de rampes doubles à fenêtres 55 en pièces réf- ractaires de forme ouverts aux deux extrémités pour le placement des appareils de mesure et de contrôle. Les murs 50 et les cloisons 52 dans leurs parties autres que celles cor- respondant à la zone de gazéification sont constitués par des éléments creux préfabriqués moulables vibrés en béton réfractaire 54, les murs étant doublés d'une couche de calorifuge 51. Au niveau de la zone de gazéification, les alvéoles sont limitées de part et d'autre par des chambres de diffusion 12 présentées schématiquement aux figures 1 et 2 Ces chambres sont alimentées en fluide réactionnel par des tuyauteries 56 qui débouchent à l'intérieur de chambres par une partie évasée La zone de gazéification d'environ 3 m de hauteur comporte deux sections superposées 12 séparées dans une cloison sur deux par un tunnel 10. Les chambres 12 sont constituées par des pièces de forme 17 qui s'emboîtent par tenons et mortaises dans le sens longitudinal et vertical pour consti- tuer d'une part un support continu 19 pour les parois poreuses verticales 18, et d'autre part pour constituer des carnaux horizontaux rectilignes 58 alimentés en air et vapeur par ses deux extrémités Lorsqu'il s'agit d'un carnau mural, la paroi verticale 19 côté chambre est percée d'une ligne d'évents 57, tandis que pour un carnau de cloison, chacune des deux parois verticales 19,correspondant chacune à une chambre, est percée d'une ligne d'évents Les évents sont équipés d'ajutages. -Chaque pièce de forme comporte un débordement à sa partie supérieure et à sa partie inférieure muni d'une mortaise de glissement servant à la fixation des panneaux poreux 18. Les panneaux poreux sont réalisés en un matériau dont la porosité est d'au moins 50 % et peuvent être fabriqués par exemple à partir d'une masse d'ar- gile contenant des matériaux volatilisables par combustion. Les panneaux poreux peuvent être remplacés par des panneaux à perforations multiples, par exemple comportant 100 perforations d'un centimètre de dia- mètre par mètre carré de surface D'autres modes de fixation de ces panneaux sur des pièces réfractaires de forme sont également possibles, par aemple au moyen d'entretoises simples conférant à l'ensemble une bonne tenue mécanique. L'organisation extérieure du four comporte essentiellement: Un appareillage de dévésiculation, condensation, extraction des produits condensables résultant de la pyrolyse des schistes ( 20). Il est relié aux deux extrémités des rampes 8 Un ventilateur- extracteur ( 21) assure l'aspiration Les gaz sont distribués par une lyre ( 22) vers les divers points d'utilisation. Un ventilateur-extracteur ( 23) des gaz excédentaires provenant de la zone de gazéification-combustion relié aux deux extrémités des rampes ( 11) Ce dispositif est utilisé en période d'exploitation du four et isolé en période de démarrage du four. Un générateur de fumées chaudes et neutres ( 24) utilisant un combus- tible extérieur pour assumer le démarrage du four par chauffage à contact direct de celles-ci avec le schiste contenu dans la zone de pyrolyse Ce générateur est isolé en période d'exploitation. 254473 'i Un ensemble de dosage, pesage en poids, régulation et distribution de l'air, de la vapeur d'eau, des gaz et fumées réactionnels néce- ssaires à la zone de gazéification, dont la distribution est reliée aux extrémités des chambres de diffusion ( 12). Cet ensemble de dosage en poids des fluides gazeux comporte essentiellement: Un surpresseur d'air ( 25) aspirant l'air atmosphérique, un régula- teur en poids d'air aspiré ( 26) en modulation avec le surpresseur ( 25 Un humidificateur-saturateur d'air ( 27) travaillant sur eau chaude à température réglable et constante suivant la quantité de vapeur d'eau que l'on désire introduire dans la zone de gazéification-com- bustion Les répères ( 28), ( 29) et ( 30) représentent, avec leurs régu lateurs-compteurs, les arrivées d'eau chaude, de vapeur d'eau, de gaz ou fumées que l'on désire introduire dans le système réactionnel de la zone de gazéification-combustion. Un ensemble pour le refroidissement du schiste épuisé afin de per- mettre la récupération de la chaleur sensible et d'abaisser suffi- samment la température pour faciliter le-défournement Cet ensemble est constitué par un ventilateur ( 31), aspirant les gaz aux extré- mités des rampes constante, ou bien elle peut être destinée à d'autres usages. Les gaz refroidis en ( 32) sont mélangés en ( 35) avec des gaz incondensables du four Ils sont injectés ensuite aux extrémités des rampes ( 16) Ils traversent le schiste épuisé à refroidir par contact direct Une grande par- tie est reprise par aspiration aux rampes ( 14) Une petite partie se perd en mouvement ascendant dans la massece matériaux, à travers la zone tampon, avant de pénétrer dans la zone de gazéification du four. Un régulateur de pression ( 36) agit à la sortie du ventilateur- extracteur ( 21) pour maintenir les alvéoles du four en très légère surpression à leur sommet. Des régulateurs de pression ( 37 et 38) sont situés à la sortie des ventilateurs-extracteurs ( 23) et ( 31) pour maintenir constante la pression de travail du four dans les zones considérées. Dans une installation comportant un four conforme à l'exemple décrit con- stitué par une cuve parallélipipédique divisée en six chambres verticales aux dimensions internes de 0,4 m de largeur, de 10 m de longueur et de 13 m de hauteur, laquelle hauteur se répartit comme suit: zone de chargement zone de pyrolyse zone d'allumage et de ponction de gaz zone de gazéification zone de refroidissement on réalise un essai de traitement de schistes du W Urtemberg ristiques suivantes: Schiste brut: lm 6 m 0,5 m 3 m 2,5 m de caracté- granulation 5 à 40 mm humidité 4-5 % poids spécifique vrai 2,2 poids spécifique apparent 1,3 Schiste sec: essai de Fischer ( 520 C, 60 min) huile 4,35 % gaz 2,5 %, soit 22,7 nm 3/tonne eau de constitution 1 % résidu minéral 95,1 % Composition du résidu carbone fixe 4,9 % résidu minéral 95,1 % L'alimentation par chambre est de 150 t/jour et le volume de gaz et de vapeurs recueilli est de 1200 m 3 par tonne de schiste, soit 180 000 m 3. Les conditions opératoires sont les suivantes: température dans la zone de pyrolyse 500 C température dans la zone de gazéification 800-850 C température des gaz à la sortie 150 C température du résidu après refroidissement 50 C consommations par tonne de schiste d'air 380 nm 3 La composition CO 2 H 25 SO 2 de vapeur d'eau de gaz recyclé des gaz en pourcents est la suivante: 23 HK 1,4 0,8 0,2 250 kg ou 311 nm 3 240 nm 3. ú CH 4 0,3 Carbures éthyléniques 0,4 N 2 67,9 REVENDICATIONS. 1 Four de traitement des schistes bitumineux consistant à soumettre les roches à une opération de pyrolyse dans une première zone du four, puis à une opération de gazéification dans une deuxième zone du four sudivi- sée par des cloisons verticales munies de moyens pour l'injection de flui- des réactionnels à plusieurs niveaux et, finalement à une opération de refroidissement dans une troisième zone du four, caractérisé en ce que le four est subdivisé sur toute sa hauteur en chambres verticales au moyen de cloisons verticales en matière réfractaire, des carnaux ( 58) mu- nis d'évents ( 57) pour l'injection de fluides réactionnels et de fumées et pour le soutirage de gaz et de vapeurs ( 8) étant logés dans lesdites cloisons et les murs de l'enceinte du four. 2 Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la zone de gazéification les cloisons sont constituées par des panneaux de diffusion ( 18) adjacents à des chambres de diffusion ( 12) reliées à l'alimenta- tion ( 56) en fluides réactionnels et dont la hauteur correspond sensible- ment à la hauteur du panneau. 3 Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que les panneaux ( 18) sont des panneaux poreux, dont la porosité est d'au moins 50 %. 4 Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que les panneaux ( 18) sont des panneaux réfractaires à perforations multiples de l'ordre de perforations d'un centimètre de diamètre au mètre carré de surface. Four selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce qu'au niveau de séparation de la zone de gazéification et de la zone de pyrolyse sont placés des carnaux ( 11) logés dans les cloisons de séparation de chambres verticales et les murs de l'enceinte du four et munis d'évents ( 57) pour le soutirage de gaz de gazogène excédentaire produit dans la zone de gazé- ification. 6.-Four selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits carnaux sont également reliés à un générateur de fumées ( 24) en vue du pré- chauffage des schistes dans la zone de pyrolyse lors du démarrage du four. 7 Four selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au ni- veau de séparation de la zone de refroidissement et de la zone de gazé- ification et à la limite inférieure de la zone de refroidissement sont placés des carnaux ( 14) logés dans les cloisons de séparation et les murs de l'enceinte du four, respectivement pour le soutirage et l'intro- duction des fumées froides servant au refroidissement des schistes épui- sés. 8 Four selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en-ce que des, tunnels ( 10) pour le placement d'appareils de contrôle, percés de fe- nêtres ( 55) sont logés dans une cloisons sur deux aux différents niveaux du four.