Brevet FR2543967A1 — publié le 19841012

Produit fluide à vocation énergétique et son application à l'alimentation d'une chambre de réaction en matière combustible L'invention a pour objet un produit fluide à vocation énergétique contenant une matière combustible finement diviséeun dispositif de prépara- tion d'un tel produit et une application particulière du produit à l'alimen- tation en matière combustible d'une chambre de réaction. On connatt divers procédés de combustion ou de gazéification uti- lisant une chambre de réaction alimentée en matière combustible solide tel- le que du charbon finement divisé. Le combustible doit normalement être introduit de façon continue dans la chambre de réaction et il est utile, à cet effet, de le préparer sous forme d'un produit fluide susceptible d'être véhiculé dans des condui- tes d'alimentation par des moyens simples On peut utiliser par exemple un transport pneumatique, les particules étant mises en suspension dans un cou- rant d'air, mais il en résulte un risque d'auto-inflammation et d'explo- sion Si l'on ne dispose pas de gaz inerte à bon marché, on préfère généra- lement disperser les particules dans une phase liquide pour former un mélan- ge ayant la consistance d'une boue et pouvant être véhiculé par exemple au moyen d'une pompe volumétrique Généralement, le charbon est mis en suspen- sion dans de l'eau mais, dans ce cas, on retarde les réactions de combus- tion, ce qui oblige à accroitre les chambres de combustion et on diminue fortement le rendement thermique de la réaction puisqu'une partie impor- tante de l'énergie fournie ne sert qu'à vaporiser l'eau On cherche donc à diminuer autant que possible la proportion d'eau par rapport à la propor- ion de matière solide Cependant, à mesure que la concentration en solide augmente la viscosité du produit augmente également et l'on doit utiliser plus d'énergie pour le pompage du produit La viscosité du mélange pour une proportion minimale d'eau peut être diminuée au moyen d'additifs chimiques mais ceux-ci sont onéreux et en outre risquent d'attaquer les parois des chambres de réaction. On a aussi envisagé de jouer sur la granulométrie des particules solides car o TI sait que l'on obtient un mélange plus dense en utilisant des particules appartenant à au moins deux intervalles dimensionnels On est al-rs amené à ajouter aux particules normalement employées d'autres particu- ies, plus fines, en des proportions déterminées, mais la constitution de tzels mélanges à granulométrie multimodale est onéreuse et de toutes façons, la quantité de matière solide contenue ne peut dépasser 70 à 75 % selon la nature du solide. Or la valorisation du combustible est d'autant plus efficace que sa granulométrie est fine puisque le temps nécessaire à la réaction est fonction de la dimension des grains Il est donc intéressant de chercher à utiliser des combustibles de granulométrie aussi fine que possible, ce qui interdit l'utilisation de filtres et conduit à réduire au maximum la teneur en liquide sans atteindre cependant une compacité qui interdirait le pompa- ge en vue dès l'introduction du mélange dans le réacteur. Le problème de l'introduction de la matière combustible dans un réacteur est encore compliqué par le fait que le rendement de la réaction est meilleur lorsque le réacteur fonctionne sous pression, ce qui impose de mettre également le produit sous pression si l'on désire l'introduire dans le réacteur en continu Les difficultés d'introduction d'un mélange peu hu- mide sont alors augmentées On a déjà proposé d'utiliser à cet effet des dispositifs d'introduction à vis qui présentent l'avantage d'exprimer de l'eau pendant le transfert et de réaliser à l'intérieur d'un fourreau un bouchon continu de matière comprimé susceptible de résister à la pression mais un tel dispositif ne fonctionne qu'avec des particules de dimension moyenne relativement importante, de l'ordre de 0,5 mm Ces dispositifs à vis ne permettent donc pas de résoudre le problème de l'introduction des particules combustibles de granulométrie fine, comme celle des charbons pul- vérisés utilisés dans les chaudières industrielles. Il résulte de ces difficultés que, jusqu'à présent, les produits fluides réalisés pour l'alimentation de réacteur en matière combustible con- tiennent une proportion de liquide d'au moins 30 % Bien entendu, on peut diminuer les inconvénients énergétiques de l'utilisation d'une telle propor- tion de phase liquide si celle-ci est constituée par un combustible liquide mais, dans ce cas, on diminue également l'intérêt économique du procédé. L'invention a pour objet un nouveau produit fluide à vocation é- nergétique dans lequel la proportion en poids de phase liquide par rapport à celle des particules solides est sensiblement diminuée par rapport au pro- duit connu et qui permet en outre d'utiliser des particules très fines. Le produit fluide selon l'invention est constitué par une mousse stable réalisée par mélange d'une phase gazeuse avec la phase liquide addi- tionnée de produits stabilisants et émulsifiants et à l'intérieur de laquel- le sont dispersées de façon homogène les particules solides, la phase liqui- de étant constituée uniquement par de fines pellicules reliant entre elles les particules solides et limitant des bulles gazeuses qui occupent les es- 43967 paces entre les particules solides. Dans un tel produit selon l'invention, les particules solides peu- vent avoir une distribution granulométrique quelconque et la proportion en poids de phase solide peut atteindre 85 %, environ. Selon-une caractéristique de l'invention, la phase gazeuse peut être un gaz neutre, un gaz comburant ou bien un gaz combustible. L'invention a également pour objet un dispositif de préparation d'un produit fluide selon l'invention comprenant un moyen de préparation d'une mousse stable par incorporation d'une phase gazeuse dans une phase li- quide additionnée de produits émulsifiants et stabilisants et un moyen de dispersion homogène des particules de matière combustible à l'intérieur de la mousse ainsi préparée. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux le moyen de dispersion homogène des particules solides dans la mousse comprend un mé- langeur à double vis comportant, à l'intérieur d'un fourreau cylindrique al- longé, un agitateur en forme de ruban hélicoidal entrainé en rotation au- tour de l'axe dans un sens déterminant l'avancement de l'amont vers l'aval et sur la périphérie du fourreau de la mousse introduite par un orifice pla- cé à l'extrémité amont, le ruban hélicoïdal entourant un espace libre axial dans la partie amont duquel pénètre un doseur à vis pour l'introduction d'un débit déterminé de particules solides. Dans une application particulière, l'invention concerne également un procédé d'introduction dans une chambre de réaction d'une matière combus- tible solide finement pulvérisée et dispersée de façon homogène dans une mousse stable dans laquelle la phase liquide est constituée uniquement par les pellicules reliant entre elles les particules solides et limitant des bulles gazeuses qui occupent les espaces entre les particules, ladite mous- se étant ensuite mise en circulation dans une conduite d'alimentation de la chambre de réaction. Pour préparer le produit fluide selon l'invention, de préférence, on réalise tout d'abord la mousse par brassage énergique de la phase liqui- de en présence de la phase gazeuse et l'on disperse ensuite les particules solides dans la mousse ainsi préparée, celle-ci pouvant être stockée à l'a- vance pour une utilisation ultérieure. Selon une caractéristique avantageuse, avant son introduction dans la chambre, le produit fluide est soumis à une augmentation de pres- sion conduisant à un accroissement de la proportion de matière solide par unité de volume, jusqu'à une pression inférieure à la pression limite à par- tir de laquelle le volume du produit comprimé reste constant. La description suivante d'un mode de réalisation particulier don- né à titre d'exemple et représenté sur les dessins annexés, permettra de mieux comprendre l'invention. La figure 1 est un schéma représentant à grande échelle un échan- tillon du produit. La figure 2 est un schéma du produit après compression jusqu'à la pression limite. La figure 3 représente schématiquement une installation de prépa- ration et d'utilisation du produit. La figure 4 représente schématiquement un autre exemple d'instal- lation de préparation et d'utilisation du produit. Sur la figure 1 on a représenté schématiquement un échantillon du produit 1 qui est constitué d'une mousse formée de bulles 11 limitées par des particules de liquide 12 en forme de ménisque et à l'intérieur de la- quelle sont dispersées de façon homogène des particules solides 13 reliée entre elles par les pellicules liquides 12 Sur le dessin les particules so- lides 13 ont été symbolisées par des sphères mais peuvent évidemment avoir des formes quelconques La largeur moyenne des grains est de l'ordre de 50 microns mais peut descendre jusqu'à 20 microns Les bulles gazeuses Il peu- vent avoir des dimensions de l'ordre d'un millimètre mais peuvent également être plus petites, une diminution de'la taille des bulles permettant d'aug- menter la proportion de particules solides incorporées dans la mousse. On voit que, dans un tel produit, la phase liquide est constituée uniquement par les pellicules 12 de liaison entre les particules 13 et que, par conséquent, la proportion en-poids du liquide dans le produit peut être très réduite Cependant, étant donné que les particules sont éloignées les unes des autres par les bulles, le mélange est pompable et peut être véhicu- lé à l'intérieur de conduites par tout moyen connu et il se comporte comme un fluide compressible. Sur la figure 3, on a donné à titre d'exemple un schéma de prépa- ration d'un tel produit La phase liquide, par exemple de l'eau, est intro- duite dans un bac 2 dans lequel elle est brassée énergiquement avec un pro- duit épaississant 21, introduit par un dispositif de dosage et qui permet de réaliser une sorte de gel 20 Celui-ci est alors conduit dans un deu- xième bac 23 dans lequel on introduit également de l'eau par une entrée 24 et un produit émulsifiant du genre tensio-actif par une conduite 25 L'en- semble est brassé énergiquement jusqu'à ce que toute la phase liquide soit émulsionnée avec le gaz présent dans l'enceinte. La mousse 10 ainsi réalisée est dirigée vers un troisième bac 4 dans lequel sont déversées les particules solides 13 au moyen d'une trémie doseuse 44 L'ensemble est brassé énergiquement pour disperser les particu- les solides de façon homogène à l'intérieur du produit 1 qui se présente alors schématiquement sous la forme représentée sur la figure 1. Le produit épaississant 21 introduit dans le bac 2 permet de sta- biliser l'émulsion en supprimant les ruptures spontan Aiées des pellicules de liquide assurant le cloisonnement de la mousse et assure ainsi le maintien en suspension des particules solides On peut utiliser des produits solu- bles hygroscopiques non volatil*s comme la carboxyméthylcellulose ou bien le glycérol, le dodécane, la gélatine par exemple. Le produit émulsifiant 25 est un tensio-actif qui permet d'émul- sionner le gaz dans l'eau On peut utiliser un alkylarylsulfonate ou bien un autre agent moussant connu, par exemple un acide gras saponifié, une ami- ne, de l'ammonium quaternaire etc A titre d'exemple, on a réalisé un produit dans lequel la phase liquide préparée avant l'incorporation du gaz contenait 5 % de tensio-actif et 0,2 % de stabilisant. Etant donné que l'écartement des particules solides assurant la fluidité du produit est obtenu par la présence de bulles gazeuses de poids négligeable, on peut en effet incorporer dans le produit une proportion très importante en poids de phase solide sans être obligé d'associer des particules de granulométries différentes. C'est ainsi que l'on a pu préparer un produit fluide contenant jusqu'à 80 % en poids de charbon pulvérisé dont les particules étaient à 80 % d'un diamètre inférieur à 80 microns. Il faut remarquer d'autre part que, sous forme de bulles gazeu- ses, la présence d'air dans le mélangeur, même en proportion importante, n'est pas dangereuse, puisque les particules de charbon sont enrobées dans les pellicules liquides limitant les bulles et que celles-ci diminuent les risques d'oxydation des particules pouvant provoquer une élévation de tempé- rature. Pour utiliser la mousse, on peut la mettre en circulation au moyen d'une pompe 27 dans un circuit fermé 28 sur lequel la mousse néces- saire est prélevée par des pompes doseuses 29 On peut aussi mettre le cir- cuit 28 sous pression et remplacer les pompes doseuses par de simples van- nes d'admission permettant par exemple d'alimenter les brûleurs d'une cham- bre de réaction 6. En effet, selon une caractéristique avantageuse, le produit flui- de constitué par la mousse stabilisée peut subir une augmentation de pres- sion qui détermine une diminution de la dimension des bulles et le rappro- chement des particules et par conséquent une augmentation de la densité du produit. Lorsque le produit est à la pression atmosphérique, les parti- cules de charbon, dispersées au hasard dans la mousse sont pratiquement sans contact entre elles Le mélange-est alors aisément pompable. Si l'on augmente la pression P appliquée sur le produit, les par- ticules se rapprochent les unes des autres, les bulles diminuant de dia- mètre Cependant, le produit reste pompable tant que les particules restent suffisamment écartées les unes des autres. Il existe donc une pression limite à partir de laquelle, comme on l'a représenté sur la figure 2, les particules de charbon s'arrangent sui- vant un empilement compact Dans ce cas, le mélange n'est plus pompable, les frottements entre les particules s'opposant à leurs mouvements. Il en résulte que l'accroissement de pression appliqué au produit fluide doit rester inférieur à la limite à partir de laquelle le volume spé- cifique du produit ne diminue plus lorsqu'on augmente la pression. Cette limite dépend de la concentration en particules solides et peut être déterminée soit empiriquement, par une série d'essais, soit par le calcul. On sait par exemple qu'un empilement compact de répartition granu- lométrique unimodale comportant 80 % de particules de dimension inférieure à 80 microns correspond à une porosité de 0,4 environ Cela signifie que, dans un empilement compact, le volume occupé par les particules solides est de 60 % de l'ensemble. Par ailleurs, on a pu déterminer expérimentalement que, pour une proportion de particules solides de 80 % en poids, un kilogramme de produit occupe un volume d'environ deux litres En assimilant le gaz à un gaz par- fait et en appliquant la loi de Mariotte, on peut donc, à partir de ces don- nées, déterminer, en partant de la pression atmosphérique, l'augmentation de pression limite à partir de laquelle le volume occupé par une masse déterminée de produit ne varie plus Par exemple, dans le cas d'un produit à base de charbon, d'air et d'eau et contenant 75 % de charbon en poids la pression limite est de l'ordre de 9 bars On veillera donc, dans le circuit d'utilisation 27, 28 et 29, à ne pas atteindre cette pression pour laquelle on déterminerait l'obstruction définitive des conduites. Cette pression peut se révéler trop faible pour l'alimentation d'un réacteur de gazéification Cependant, elle a été calculée pour un pro- duit préparé à la pression atmosphérique et à la température ambiante Or on peut montrer que si le produit est préparé à une pression absolue supé- rieure à la pression atmosphérique, par exemple de 5 bars, la pression limi- te peut atteindre 45 bars D'autre part, la pression limite est fonction é- galement du rapport entre la température d'utilisation et la température de préparation Ainsi, dans le cas o le produit est préparé à 20 'C, on peut augmenter de 10 % la pression limite si, au moment de l'utilisation la tempé- rature est portée à 50 'C dans la mesure évidemment, o la mousse reste sta- ble à une telle température. Sur la figure 4, on a représenté à titre d'exemple une installa- tion de préparation sous pression d'un produit fluide à base de charbon, d'air et d'eau. La solution aqueuse préparée, comme dans le cas de la figure 3, par mélange de l'eau avec un épaississant puis un émulsifiant, est amenée par une pompe 31 dans un dispositif 3 de préparation de la mousse constitué d'un tube au milieu duquel est placé un venturi 30 L'air est insufflé par un compresseur 32 dans le venturi et s'incorpore ainsi à la solution aqueu- se pour former une mousse qui est dirigé vers le mélangeur 4 Celui-ci, qui peut comprendre plusieurs parties en ligne, est constitué essentiellement par un agitateur en forme de ruban hélicoïdal 41 entrainé en rotation au- tour de son axe par un moteur 42 à l'intérieur d'un fourreau cylindrique 4 muni d'un orifice 43 d'introduction de la mousse, placé à l'extrémité amont dans le sens de circulation du produit résultant de la rotation du ruban hé- licoîdal 41 Ce dernier limite d'autre part un espace axial libre dans le- quel pénètre un doseur à vis de type connu, comprenant une trémie munie à sa base d'une vis entrainée en rotation autour de son axe et qui se pro- longe dans un tube 45 débouchant dans l'espace libre délimité par le ruban hélicotdal 41 dans l'axe du fourreau 4. De la sorte, la mousse préparée dans le dispositif 3 et intro- duite par l'orifice 43 dans le fourreau 4 est entrainée vers l'aval le long de la périphérie interne du fourreau par la rotation du ruban 41 et prend en charge le charbon finement divisé, déversé dans la trémie 44 et qui s'incorpore donc à l'intérieur de la mousse avec un débit réglé par la rota- tion de la vis On peut ainsi obtenir une dispersion parfaitement homogène des particules solides à l'intérieur de la mousse. Un tel mélangeur peut fonctionner à une pression faible inférieure à la pression limite, par exemple de trois à six bars et alimenter ainsi une cuve principale 5 maintenue à la pression voulue. Le produit ainsi préparé peut donc être stocké à l'avance dans une cuve maintenue sous une pression faible. Si le produit doit être injecté dans le réacteur sous une pres- sion plus forte, il est intéressant de passer par l'intermédiaire d'une cu- ve tampon 51 se trouvant sous une pression supérieure à la pression d'utili- sation, par exemple dix bars La cuve tampon 51 est alimentée à partir de la cuve principale 5 par une pompe volumétrique munie d'un dispositif de ga- vage En effet, la proportion importante de gaz contenu dans le produit sto- cké dans la cuve 5 pourrait entraîner un refoulement discontinu et aléa- toire Le dispositif de gavage pourrait être constitué, de façon très sim- ple par une vis d'archimède placée dans le fond de la cuve de stockage 5 et alimentant une pompe volumétrique 52. A partir de la cuve tampon 51, il est possible d'introduire le produit fluide directement dans le réacteur 6 au moyen d'une conduite d'ali- mentation 61 munie d'une vanne de laminage 62 assurant la détente du pro- duit jusqu'à la pression voulue. Si la cuve tampon 51 se trouve à une pression supérieure à la pression d'utilisation, la détente du gaz comprimé contenu dans les bulles au moment de l'injection dans le réacteur favorise la pulvérisation du pro- duit fluide et disperse très efficacement les particules de charbon dans l'enceinte du réacteur Compte tenu de la finesse des particules qui peut être atteinte grâce au procédé selon l'invention, on obtient une véritable atomisation de la matière combustible dans le réacteur. D'ailleurs, d'une façon générale, la possibilité d'utiliser, grâ- ce à l'invention, du charbon de granulométrie particulièrement fine repré- sente un avantage important, la valorisation du combustible étant d'autant plus efficace que sa granulométrie est fine puisque le temps nécessaire à la réaction est fonction de la dimension des grains. On notera aussi que la constitution triphasique du produit, à for- te proportion de gaz, diminue les probabilités de chocs des particules con- tre les parois, puisque les particules sont maintenues à l'intérieur des bulles constituant la mousse et par conséquent diminuent l'érosion des orga- nes d'injection. Par ailleurs, la possibilité de fabriquer à l'avance le produit sous une forme stable, stockable et directement utilisable est un avantage important car elle permet de séparer l'installation de fabrication du pro- duit des utilisateurs, ceux-ci n'ayant à prévoir que les dispositifs de mi- se sous pression et d'injection dans le réacteur d'un produit fluide déjà préparé. Bien entendu, les dispositions qui viennent d'être décrites, n'ont été données qu'à titre d'exemple et l'on pourrait utiliser d'autres appareils permettant de réaliser une mousse et d'y incorporer des parti- cules solides. Par ailleurs, si l'on a décrit le produit dans le cas d'un mélan- ge charbon eau air, il est bien évident que l'on pourrait utiliser un combustible solide différent avec une phase liquide et une phase gazeuse d'autre nature On notera que, généralement, la proportion de phase liquide doit être aussi faible que possible puisque l'utilisation d'eau diminue le rendement énergétique et qu'un liquide combustible est plus onéreux En re- vanche, la phase gazeuse est généralement utile à la réaction et l'on pour- rait par exemple utiliser comme phase gazeuse soit un gaz comburant-soit un gaz combustible. REVENDICATIONS 1 Produit fluide à vocation énergétique contenant une matière combustible solide finement divisée mise en suspension dans au moins une phase liquide, et susceptible d'être mis en circulation dans une conduite d'alimentation d'une chambre de traitement, caractérisé par le fait que les particules solides ( 13) sont dispersées de façon homogène à l'intérieur d'une mousse stable réalisée par mélange d'une phase gazeuse avec la phase liquide additionnée de produits stabilisants et émulsifiants, et que la pha- se liquide est constituée uniquement par de fines pellicules ( 12) reliant entre elles les particules solides ( 13) et limitant des bulles gazeuses ( 11) qui occupent les espaces entre les particules solides ( 13). 2 Produit fluide énergétique selon revendication 1, caractérisé par le fait que la proportion en poids de phase solide peut atteindre 85 % environ. 3 Produit fluide énergétique selon l'une des revendications 1, ou 2, caractérisé par le fait que la matière combustible solide est un char- bon pulvérisé. 4 Produit fluide énergétique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que la phase gazeuse est un gaz comburant. Produit fluide énergétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la phase gazeuse est un gaz combustible. 6 Produit fluide énergétique selon la revendication 1, caractéri- sé par le fait que le produit stabilisant est une carboxyméthylcellulose et le produit émulsifiant un tensio-actif du genre alkylarylsulfonate. 7 Dispositif de préparation d'un produit fluide contenant une forte proportion de matière combustible solide finement divisée, caractéri- sé par le fait qu'il comprend un moyen ( 2,3) de préparation d'une mousse stable par incorporation d'une phase gazeuse dans une phase liquide addi- tionnée de produits émulsifiants et stabilisants et un moyen ( 4) de disper- sion homogène des particules de matière combustible à l'intérieur de la mousse ainsi préparée. 8 Dispositif de préparation d'un produit fluide selon la revendi- cation 7 caractérisé par le fait que le moyen ( 4) de dispersion des particu- les solides dans la mousse comprend un mélangeur à double vis comportant, à l'intérieur d'un fourreau cylindrique allongé ( 40) un agitateur ( 41) en for- me de ruban hélicoïdal entrainé en rotation autour de l'axe dans un sens dé- terminant l'avancement de l'amont vers l'aval, sur la périphérie du four- reau ( 40) de la mousse introduite par un orifice ( 43) placé à l'extrémité il amont, le ruban hélicotdal ( 41) entourant un espace libre axial dans la par- tie amont duquel pénètre un doseur à vis ( 45) pour l'introduction d'un dé- bit déterminé de particules solides. 9 Procédé d'introduction dans une chambre de réaction ( 6) d'une matière combustible solide finement divisée mise en suspension dans au moins une phase liquide pour former un produit fluide susceptible d'être mis en circulation dans une conduite d'alimentation ( 61) débouchant dans la chambre de réaction ( 6), caractérisé par le fait que, l'on disperse de fa- çon homogène les particules -( 13) de matière solide dans une mousse stable ( 1) réalisée par mélange d'une phase gazeuse avec la phase liquide addition- née d'un produit stabilisant et d'un produit émulsifiant et ne contenant que la quantité de phase liquide nécessaire à la formation des pellicules ( 12) reliant entre elles les particules solides ( 13) et limitant des bulles gazeuses ( 11) occupant les espaces entre les particules ( 13), ladite mousse ( 1) étant ensuite mise en circulation dans la conduite d'alimentation de la chambre de réaction. Procédé selon la revendication 9 d'introduction d'une matière combustible caractérisé par le fait que l'on réalise tout d'abord une mous- se par brassage énergique de la phase liquide avec la phase gazeuse et que l'on disperse ensuite les particules solides dans la mousse ainsi préparée, celle-ci pouvant être stockée à l'avance pour une utilisation ultérieure. 11 Procédé selon l'une des revendications 9 et 10 d'introduction d'une matière combustible dans une chambre de réaction 6, caractérisé par le fait qu'avant son introduction dans la chambre ( 6), le produit fluide ( 1) est soumis à une augmentation de pression susceptible d'augmenter la proportion de matière solide ( 13) par unité de volume jusqu'à une pression inférieure à la pression limite à partir de laquelle le volume du produit comprimé reste constant.