Brevet FR2554457A1 — publié le 19850510

La présente invention concerne un procédé et une installation pour l'épuration de gaz chauds avec récupération de chaleur, avantageusement du gaz de houille chaud prove- nant d'un processus de gazéification de houille, auquel cas le gaz de houille est refroidi jusqu'à ce qu'une épuration finale puisse être effectuée à basse température. Le gaz produit dans un processus de gazéification de houille, par exemple dans un réacteur à bain de fer, o des substances contenant du carbone sont converties au moyen d'oxygène en gaz de houille, se compose essentiellement de CO et H2 et il présente généralement une température comprise entre 1300 et 1700-C. Le gaz de houille contient des impuretés solides, liquides et gazeuses. Des difficultés sont créées à cet égard aussi bien par la température élevée que pour libérer le gaz de houille des impuretés. Du fait que le gaz de houille ne peut être correc- tement épuré, pour des raisons physiques, qu'à des tempéra- tures inférieures à 550'C, et même de préférence inférieures à 10C, il est nécessaire, dans un procédé valable, de refroidir initialement le gaz de houille puis de l'épurer, auquel cas on doit simultanément exploiter la chaleur exis- tante. D'après l'art antérieur, on connatt évidemment des filtres dans lesquels l'agent de filtrage se compose d'une couche de matière en vrac, de préférence également de matières résistant à haute températures. Cependant ce mode de filtration de gaz chauds rend pratiquement impossible la séparation par rapport au gaz de matières qui sont solides ou liquides à des températures assez basses. En outre il est en principe très difficile de séparer des impuretés solides et liquides à une température élevée car les poussières se formant sont dans la plupart des cas collantes et ont tendan- ce à former des dép8ts. Des impuretés ou substances nocives se solidifiant ou se désublimant dans le gaz produit peuvent créer pendant le refroidissement des perturbations importan- tes dans les étapes opératoires ultérieures, en formant par exemple des dép8ts dans des conduits d'évacuation d'effluents gazeux et sur des surfaces de chaudières à vapeur, qui perdent ainsi leur efficacité. D'après le brevet allemand DE-24 24 932, on connait un procédé pour le dépoussiérage de gaz chauds, o les gaz de houille sont soumis à un dépoussiérage grossier dans un réacteur à bain de fer. Un inconvénient rencontré avec ce procédé consiste en ce qu'on ne peut pas éliminer de fines impuretés se trouvant dans le gaz de houille, notamment de la poussière fine ainsi que d'autres composants liquides ou gazeux à hautes températures, qui ne deviennent respective- ment solides ou liquides qu'à des températures très basses. D'après la demande de brevet allemand DE-OS 24 977, il est connu de faire passer le gaz de houille provenant d'un processus de gazéification de houille dans un échangeur de chaleur, o le gaz produit cède sa chaleur au support de carbone. Ce document ne donne cependant aucune indication concernant un dépoussiérage ou une épuration des gaz. La demande de brevet européen EP-OS 0054099 décrit un procédé et une installation d'épuration de. gaz chauds, notamment pour réacteurs à bain d'acier et à bain de fer, les gaz chauds étant refroidis jusqu'à ce qu'une épura- tion finale à basses températures puisse être effectuée dans un électrofiltre. D'après ce document, on ne peut cependant pas se rendre compte de quelle manière l'échange de chaleur doit s'effectuer et on ne peut également pas déduire dans quelle plage de température particulièrement critique on peut opérer. Un objet de la présente invention est par consé- quent de créer un procédé et une installation d'épuration de gaz chauds avec récupération de chaleur, l'épuration finale des gaz étant effectuée à des températures optimales en adaptation aux impératifs existants des appareils de consom- mation branchés à la suite. Simultanément les pertes d'énergie doivent être réduites au minimum dans l'ensemble du processus. En outre des plages de températures dangereuses, dans lesquelles se produisent notamment un collage et une formation de suie, doivent être franchies rapidement, avec conservation ou amélioration de la qualité du gaz produit. Le problème posé est résolu conformément à l'invention en ce qu'on mélange au gaz de houille au moins une matière solide. Par le mélange de matières solides, on améliore fortement la transmission de chaleur entre le gaz et les matières solides, ce qui est imputable au grand pouvoir calorifique des matières solides. De cette manière, il est possible de refroidir rapidement de grandes quantités de gaz dans le volume minimal et de franchir ainsi rapide- ment des plages de températures critiques, en évitant ainsi la formation de suie ou l'apparition de collage qui se manifestent autrement dans des domaines déterminés de tempé- ratures. Conformément à un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention, il est prévu d'incorporer au mélange comme matière solide des matières inertes et/ou réactives, et/ou d'autres additifs. Ce moyen permet d'éliminer intentionnelle- ment des impuretés déterminées par un choix approprié de la matière solide ou de l'additif incorporé au mélange. Les matières solides ou les additifs spéciaux servent à fixer des impuretés sous forme gazeuse par adsorption, par absorption et par réaction chimique, de façon à empocher de cette manière également un collage ou une adhérence dans des composants placés à la suite. Par exemple il est possible de cette manière d'éliminer sélectivement le fluor ou le chlore. Simultanément, il peut cependant être également avantageux, en fonction de la qualité du gaz, d'ajouter des matières inertes en vue d'assurer une transmission contr8lée de chaleur. Selon un autre aspect de l'invention, il est en outre prévu qu'initialement dans une première étape une matière solide réactive soit mélangée avec le gaz de houille, de préférence du CaCO3, et que dans ure seconde étape une matière solide inerte, de préférence A1203, soit incorporée au mélange. Il est ainsi possible d'obtenir par exemple une post-désulfuration efficace du gaz de luille par addition du carbonate de calcium, ou le cas échéant également d'oxyde de calcium. Simultanément, le C02 libéré à partir du carbonate de calcium peut réagir avec le carbone sous forme de poussière encore existant dans le gaz de houille pour former du CO et améliorer ainsi le rendement de production de gaz. La chaux calcinée de cette manière peut par exemple être introduite dans le réacteur de gazéification de houille, comme un formateur de laitier. Par ce moyen, il est possible d'utili- ser le gaz sortant d'un réacteur à bain de fer dans une large palette d'applications, en l'utilisant par exemple comme un gaz de synthèse, ou bien également dans une turbine à gaz, pour laquelle il est nécessaire d'avoir un haut degré de pureté à de basses températures. Selon un autre aspect de l'invention, il est en outre avantageux que les matières incorporées au mélange soient canalisées au moins en partie dans un circuit. Ainsi les quantités de matière solide à ajouter peuvent être maintenues à des valeurs faibles, de même que par conséquent les frais d'exploitation. Selon un mode avantageux de réalisation de l'in- vention, il est prévu que le refrddissement dans la première étape soit effectué jusqu'à environ 1OOOC. Un refroidisse- ment jusqu'à une température de cet ordre est initialement suffisant pour tomber en dessous de la plage critique de températures à peu de frais. Selon encore un autre aspect de l'invention, il est prévu que le gaz de houille soit refroidi simultanément aussi bien de façon directe qu'également de façon indirecte. Notamment le refroidissement indirect permet d'utiliser la chaleur cédée de cette manière d'une façon avantageuse du point de vue de l'économie du procédé. Une telle possibilité d'utilisation prévoit par exemple de faire distiller lente- ment du charbon fortement volatil et d'utiliser le gaz de distillation obtenu dans un processus de gazéification. Le charbon distillé et préchauffé peut être mélangé avec le charbon de gazéification proprement dit. Conformément'à l'invention, il est avantageuse- ment prévu que le gaz de houille sortant du réacteur de gazéification de houille soit mélangé dans un échangeur de chaleur avec de la pierre à chaux et que le gaz de houille refroidi soit introduit en même temps que la pierre à chaux désacidifiée dans un échangeur de chaleur à couche tourbil- lonnaire et à cyclone à plusieurs étages, dans lequel s'effectue une séparation matière solide/gaz et o la matière solide réactive traverse l'échangeur de chaleur pour être utilisée, après refroidissement dans le réacteur de gazéification de houille, comme un formateur de laitier, et que le gaz de houille partiellement libéré de la matière solide et plus refroidi soit introduit dans un second échan- geur de chaleur, o il est mélangé avec une matière solide inerte en vue d'un refroidissement supplémentaire, le gaz de houille chargé en matière solide inerte étant introduit dans un second échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone à plusieurs étages, auquel cas la matière solide est refroidie dans un échangeur de chaleur et est à nouveau introduite dans l'échangeur de chaleur précité, le gaz de houille refroidi sortant de l'échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone étant introduit dans un autre échangeur de chaleur dans lequel se produit un autre refroi- disement en dessous de 200-C, de préférence jusqu'à environ 100'C, avant que le gaz soit libéré des impuretés encore subsistantes dans les étages d'épuration de gaz. La combinai- son de ces moyens représente un mode opératoire particulière- ment simple et peu coûteux pour l'épuration de gaz de houille et la récupération de chaleur. Pour la mise en oeuvre du procédé, il est prévu une installation se composant d'au moins un échangeur de chaleur ansi que d'au moins un étage d'épuration finale, auquel cas un échangeur de chaleur relié du c8té du gaz effluent directement avec le réacteur de gazéification de houille est agencé sous forme d'un refroidisseur à radiateur et d'une vole de mélange de matière solide et de gaz. Un tel mode de réalisation est très approprié pour former une installation d'une construction particulièrement simple et permettant d'évacuer rapidement de grandes quantités de chaleur. Conformément à l'invention, il est particulièrement avantageux de placer en aval de l'échangeur de chaleur précité d'autres échangeurs de chaleur, auquel cas un échangeur de chaleur placé en aval est agencé comme un échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone et permet également un échange indirect de chaleur. De cette manière, il est possible d'optimiser l'ensemble du processus en ce qui concerne le bilan thermique, notamment du fait que chacun des échangeurs de chaleur branchés en aval permet une transmission de chaleur à d'autres milieux. Dans l'échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone, on peut par exemple produire un refroidissement de la matière solide introduite dans le mélange dans le premier échangeur de chaleur, auquel cas simultanément de l'oxygè-ne intervenant dans la gazéifica- tion de la houille est échauffé avec échange indirect de chaleur. Selon un mode avantageux de réalisation de l'inven- tion, il est prévu que l'échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone soit constitué au moins partiel- lement d'éléments profilés céramiques disposés en nids d'abeilles. L'agencement précité de l'échangeur de chaleur conforme à l'invention permet de résoudre le problème-d'une manière particulièrement peu coûteuse, l'échangeur de chaleur étant conçu de manière à résister au feu et étant soumis à une faible usure. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu que l'étage d'épuration finale soit agencé comme un système de dépoussiérage à sec, auquel cas on utilise de préférence un filtre à tuyau souple. L'utilisation d'un filtre à tuyau souple garantit un très haut degré de pureté du gaz produit qui est approprié, lorsqu'il contient moins de 5 mg de poussière par mètre cube de gaz, pour être utilisé avantageu- sement dans des turbines à gaz. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est un schéma de procédé mettant en évidence l'épuration de gaz et la récupération de chaleur dans un processus de gazéification de houille, la Figure 2 représente en coupe un schema de principe montrant la structure interne d'un échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire qui est constitué d'éléments profilés, la Figure 3 montre l'agencement des éléments profilés de la Figure 2. La figure 1 est un schéma de procédé mettant en évidence l'épuration de gaz avec récupération de chaleur dans le cas d'un processus de gazéification de houille, ce proces- sus faisant intervenir un réacteur de gazéification de houille 1, les échangeurs de chaleur 2, 3 et 4, les échan- geurs de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone 5 et 6, un séparateur à cyclone 7 ainsi qu'un étage d'épuration finale 8 et un compresseur 9. Dans le réacteur de gazéification de houille 1 sont introduits des substances contenant du carbone et des gaz protecteurs 20 avec de l'oxygène ou de l'air 21 ainsi que des matières d'addition formant du laitier 22, comme par exemple CaO. Le gaz de houille 23 formé dans le réacteur à bain de fer 1 sort non épuré et chargé en poussières du- réacteur 1 à une température d'environ 1350 C. Le gaz de houille 23 est mélangé dans un échangeur de chaleur 2, agencé comme une voie de mélange de matière solide et de gaz, avec des matières solides réactives 24, par exemple CaCO3, ainsi que le cas échéant avec d'autres additifs, qui sont transpor- tés au moyen d'un courant partiel de gaz pur froid 25 jusque dans l'échangeur de chaleur 2. Dans l'échangeur de chaleur 2, il se produit une réaction fortement endothermique qui transforme CaCO3 en CaO, auquel cas le produit de dissocia- tion C02 est converti en CO avec les poussières de carbone se trouvant dans le gaz. En outre de la chaleur 26 est extrai- te de la voie de mélange de matière solide et de gaz 2 de sorte que le gaz de houille 27 sortant de l'échangeur de chaleur 2, chargé en matière solide et refroidi se trouve à une température d'environ 1000C. Le gaz 27 parvient ensuite dans l'échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone 5, dans lequel initialement la matière solide est séparée, cette matière solide séparée passant dans l'échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire à plusieurs étages 5 pour 255445? être utilisée dans le réacteur de gazéification de houille 1 comme un formateur de laitier 22. Pour maintenir la couche tourbillonnaire, l'échangeur de chaleur à couche tourbillon- naire 5 est parcouru par du gaz pur froid 28. Dans l'échan- geur de chaleur 5, l'oxygène 21 nécessaire pour la gazéifica- tion de la houille est échauffé indirectement. Le gaz de houille 29 sortant de l'échangeur de chaleur 5 est introduit dans un autre échangeur de chaleur 3 o il est mélangé avec un autre courant partiel du gaz pur 30, qui transporte une matière solide 31, par exemple inerte, de préférence A1203. Le gaz de houille 32 encore plus refroidi est ensuite introduit dans un second échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone 6, la matière solide qui a été séparée étant refroidie dans cet échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à plusieurs étages 6 et parvenant ensuite sous forme d'une matière solide inerte 31 dans l'échangeur de chaleur 3. Pour maintenir la couche tourbil- lonnaire, l'échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire 6 est parcouru par du gaz pur froid 33. Egalement une quantité additionnelle de chaleur 34 peut être extraite du système d'une manière appropriée. Le gaz de houille 35 libéré de la matière solide inerte est introduit dans un échangeur de chaleur 4 placé en aval, pour être refroidi à une température déterminée d'épuration finale, qui est de préférence d'envi- ron 10C. Dans ce cas également, de la chaleur 36 est extraite du système. Le gaz 37 encore chargé en poussières est ensuite pré-épuré par exemple dans un cyclone 7, pour parvenir ensuite, après élimination des poussières grossières, sous forme de gaz pré-épuré 38 dans un étage d'épuration finale 8, par exemple un filtre à tuyau souple, o il est épuré à un degré tel que par exemple le gaz produit 40 puisse être introduit dans une turbine à gaz. Un courant partiel 41 du gaz épuré 39 est soumis à une post-compression dans un compresseur 9 en vue d'une autre utilisation comme indiqué en 28, 33, 25, 30. Les quantités de chaleur 26, 34, 36 sortant des échangeurs de chaleur 2, 6, 4 suffisent pour échauffer à nouveau le gaz final 40 ou bien pour actionner une turbine à vapeur en vue de l'entrainement du compresseur de production d'oxygène, ce qui permet au réacteur à bain de fer 1 de fonctionner d'une manière autonome. Les Figures 2 et 3 montrent l'agencement des éléments profilés ou nervures 50 qui sont prévus à l'inté- rieur d'un échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire opérant par échange indirect de chaleur ( en correspondance par exemple à la référence 5 sur la figure 1), auquel cas il se forme dans les sections en nids d'abeilles 51 une couche tourbillonnaire dont le contenu de chaleur est cédé en partie aux agents, par exemple de l'oxygène, s'écoulant dans les canaux de forme circulaire 52. Les canaux de forme circulaire 52 peuvent également recevoir des tubes métalli- ques qui ne sont pas soumis à l'action abrasive de la couche tourbillonnaire. Dans la suite, on a indiqué sous forme d'un tableau et à titre d'exemple un bilan pondéral et un bilan thermique: I. BILAN PONDERAL Référence Matière Débit Température Pression kg/s oC 105Pa Houille 2,778 N2 0,306 Propane 0,306 21 02 2,370 214 22 CaO O,433 300 23 Gaz de houille 5,479 1350 10 (CO = 67,5 % H2 = 29,5 % N2 = 2,8 %) 24 CaCO3 0,732 20 Gaz épuré 0,1 150 27 Gaz de houille 5,919 1000 CaO 0, 433 28 Gaz épuré 0,037 150 29 Gaz de houille 5,956 950 Gaz épuré 1,672 150 31 A1203 9,834 155 32 Gaz de houille 7,672 500 Ai O3 9,834 2 3 33 Gaz épuré 0,861 150 Gaz de houille 8,489 450 37 Gaz de houille 8,489 100 Gaz produit 5,819 41 Gaz épuré 2,67 II. BILAN THERMIQUE Référence Mode Quantité MW 26 Fourniture de chaleur 1,4 34 Fourniture de chaleur 3,94 36 Fourniture de chaleur 4,35 il REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'épuration de gaz chauds avec récupération de chaleur, de préférence du gaz de houille chaud dans un processus de gazéification de houille, le gaz de houille étant refroidi suffisamment pour qu'une épuration finale puisse s'effectuer à basse température, caractérisé en ce qu'au moins une matière solide est mélangée au gaz de houille. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, comme matières solides intervenant dans le mélange, on utilise des matières inertes et/ou réactives, et/ou d'autres additifs. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on mélange au gaz de houille initialement dans une première étape une matière solide réactive, de préférence CaC03, et dans une seconde étape une matière solide inerte, de préférence A1203. 4. Procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les matières solides intervenant dans le mélange sont canaliséesau moins partiellement en circuit. 5. Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le refroidissement dans la première étape est effectué jusqu'à environ 1000l'C. 6. Procédé selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz de houille est refroidi simul- tanément aussi bien directement qu'également indirectement. 7. Procédé selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que: a) le gaz de houille (23) sortant du réacteur de gazéification de houille (1) est mélangé dans un échangeur de chaleur (2) avec de la pierre à chaux (24), et b) le gaz de houille refroidi (27) est introduit en même temps que la pierre à chaux désacidifiée dans un échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone à plusieurs étages (5), dans lequel s'effectue une séparation matière solide/gaz et la matière solide réactive travers l'échan- geur de chaleur (5) pour être utilisée, après refroidisse- ment dans le réacteur de gazéification de houille (1), comme un formateur de laitier (22), et c) en ce que le gaz de houille (29) partiellement libéré de la matière solide et' refroidi est introduit dans un second échangeur de chaleur (3) o il est mélangé avec une matière solide inerte pour un autre refroidisse- ment, et auquel cas d) le gaz de houille chargé de la matière solide inerte (32) est introduit dans un second échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone à plusieurs étages (6), la matière solide (31) étant refroidie dans cet échangeur de chaleur et étant à nouveau introduite dans l'échangeur de chaleur (3), auquel cas e) le gaz de houille (35) refroidi qui sort de l'échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone (6) est introduit dans un autre échangeur de chaleur (4) o s'effectue un autre refroidissement en dessous de 200*C, de préférence jusqu'à environ 100 C, avant que ce gaz soit libéré des impuretés encore subsistantes dans les étages d'épuration de gaz (7, 8). 8. Installation pour l'épuration de gaz chauds avec récupération de chaleur, de préférence du gaz de houille chaud d'un processus de gazéification de houille, se compo- sant d'au moins un échangeur de chaleur ainsi que d'au moins un étage d'épuration finale, pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'un échangeur de chaleur (2) relié du c8té de sortie de gaz directement avec le réacteur de gazéi- fication de houille (1) est agencé sous forme d'un refroi- disseur à radiateur et d'une voie de mélange de matière solide et de gaz. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ceu'il est prévu en aval de l'échangeur de chaleur préci- té (2) d'autres échangeurs de chaleur (5, 3, 6, 4), auquel cas un échangeur de chaleur placé en aval (5) est agencé comme un échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone et permet également un échange indirect de chaleur. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur à couche tourbillonnaire et à cyclone (5) est constitué au moins en partie d'éléments profilés céramiques (50) disposés en nids d'abeilles. 11. Installation selon une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que l'étage d'épuration finale (8) est agencé comme un système de dépoussiérage en voie sèche, auquel cas on utilise de préférence un filtre à tuyau souple.