Brevet FR2555195A1 — publié le 19850524

INSTALLATION POUR LA GAZEIFICATION DE MATIèRE CARBONE, NOTAMMENT W CHARBON, SUR NETAL LIQUIDE La présente invention concerne la gazéification des matières carbonées solides, notamment du charbon. Elle a trait plus spécialement au procédé dans lequel du charbon pulvérulent est injecté en même temps que de l'oxygène, et des matières de formation de laitier épurant dans un récipient métallurgique contenant un bain métallique capable de dissoudre du carbone, en particulier un bain de fer en fusion, jouant un rôle assimilable à un catalyseur, pour donner lieu à la formation d'un gaz combustible contenant principalement de l'oxyde de carbone. L'invention vise plus spécialement des moyens destinés à accroitre la productivité de ce procédé. On sait que, en principe, ce procédé est réalisé dans un réacteur contenant un certain volume de fer en fusion et dans lequel l'ensemble des agents et matières destinés à intervenir dans le processus de gazéification sont injectés par une lance à flux multiples, ou séparément par des lances différentes, ou même par des lances et des tuyères débouchant sous la surface du bain. Globalement, les réactions de base diffèrent peu de celles mises en jeu dans l'affinage pneumatique de la fonte par l'oxygène soufflé par le haut, même si ces deux techniques sont par ailleurs totalement étrangères tant par leurs buts que leurs mises en oeuvre respectives. Dès lors, il n'est pas surprenant que la gazéification du charbon sur métal liquide soit habituellement effectuée dans un réacteur tout à fait similaire à un convertisseur d'aciérie à l'oxygène soufflé par le haut, voire dans un tel convertisseur lui-même (Demande de brevet français nO 2 495 178 de Sumitomo Metal ou 2 488 903 - de Klockner Werke). Bien qu'il soit désormais fréquent de rechercher à améliorer le contact du bain métallique avec les réactifs par une agitation appropriée, généralement à l'aide d'une injection de gaz de brassage au sein du bain, le besoin d'une meilleure utilisation de ce bain en vue d'une productivité accrue subsiste encore. L'invention permet, pour un volume déterminé de bain métallique, d'augmenter la productivité en gaz du procédé grâce à une installation de gazéification spécialement conçue pour donner naissance à un "volume utile" beaucoup plus élevé de ce bain. A cet effet, l'invention consiste en une installation de gazéification dont le réacteur présente une forme ------ allongée de manière que, pour un volume déterminé de métal en fusion, la largeur de ce réacteur est sensiblement égale au diamètre de la base du cône d'étalement du jet de la lance d'injection des réactifs, et que sa longueur corresponde à un nombre N de ces diamètres, tandis qu'un même nombre N de lances d'injection semblables sont disposées côte à côte le long de l'axe longitudinal du réacteur, selon une répartition telle que les bases des cônes d'étalement des différents jets déterminent une surface globale de contact avec le bain la plus grande possible. La mise en oeuvre du procédé de gazéification dans une installation telle que définie ci-dessus assure un relèvement très sensible de la productivité par accroissement du débit de matière carbonée injectée suivi d'un accroissement corrélatif du débit de gaz produit. Cet accroissement de productivité peut avantageusement être associé, conformément à une variante de l'invention, à un mode de fonctionnement "en continu" de l'installation. Ainsi, on pourra recueillir un débit important de gaz pendant une durée prolongée sans en être empêché par une accumulation de laitier qui doit être cependant formé à la surface du bain pour assurer l'élimination des impuretés, notamment le soufre, apportées au bain métallique par le charbon injecté. A cet effet, l'invention a donc également pour objet une installation comprenant un réacteur tel que défini ci-avant, et un décanteur adjacent, séparé du réacteur par une cloison commune dont l'extrémité libre supérieure constitue un seuil de débordement du laitier formé dans le réacteur, le fond du décanteur, surélevé par rapport au réacteur étant en. outre mis en communication avec ce dernier par un chenal ménagé au travers de ladite cloison et assurant le recyclage dans le réacteur du métal liquide déposé dans le fond du décanteur par décantation du laitier, le décanteur présentant de plus, une ouverture pour l'évacuation du laitier décanté hors de l'installation. Conformément à une autre variante de l'invention visant cette fois une amélioration qualitative des gaz produits par augmentation de leur teneur en hydrogène, l'installation est pourvue de moyens pour une introduction d'eau, de préférence à l'état de vapeur, ainsi que de moyens d'apport calorifique pour permettre de compenser l'effet refroidissant dû à la décomposition de l'eau, lesdits moyens d'apport calorifique étant de nature à ne pas intervenir chimiquement dans les réactions de gazéification. Avantageusement, ces moyens d'apport thermique sont constitués par un arc électrique entretenu entre le bain et une électrode placée au-dessus. Dans un mode préféré de réalisation, les moyens pour injecter l'eau à l'état de vapeur sont constitués par la lance déjà prévue pour l'injection des matières carbonées solides en poudre, la vapeur d'eau servant alors avantageusement de gaz de transport pneumatique des solides. L'invention sera mieux comprise et d'autres aspects et avantages apparaitront plus clairement au vu de la description qui suit donnée en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles - la figure 1 montre schématiquement en coupe verticale la constitution d'un réacteur tel qu'exploité habituellement pour la gazéification du charbon sur métal liquide, - les figures 2 et 3 sont des vues semblables à la figure 1 d'un premier mode de réalisation d'un réacteur selon l'invention, - la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 du même réacteur, aménagé en vue d'un fonctionnement 'en continu", - et la figure 5 est une vue analogue à la figure 4, mais dont les moyens d'apport d'énergie thermique d'appoint sont prévus au niveau du réacteur. On se réfère tout d'abord à la figure 1, où l'on a représenté pour mémoire un réacteur connu 1, dans lequel est placée une charge 2 de fer en fusion. Ce réacteur, de forme générale cylindrique, présente un diamètre intérieur D, et le bain de fer en fusion 3 a une profondeur H. De manière connue, une lance 3, de préférence à buses multiples, injecte dans le réacteur de l'oxygène, du charbon pulvérulent véhiculé par un gaz transporteur, ainsi que des matières habituelles en conversion de la fonte pour la formation d'un laitier basique 4 (CaO, Na2CO3, etc ...). Pour injecter le charbon pulvérulent} on peut également utiliser une tuyère de paroi (non représentée) débouchant sous la surface du bain. L'ouverture 5 à la partie supérieure du réacteur sert au chargement initial du métal 2 et, en fin d'opération, à l'évacuation du laitier saturé en soufre apporté par le charbon. Au cours de l'opération de gazéification du charbon, l'ouverture 5 est recouverte par un capot 6 pourvu d'une conduite 7 pour la récupération des gaz. Selon l'invention, comme on le voit sur les figures 2 et 3, une charge égale de fer en fusion 2 est placée dans un réacteur 1' de forme rectangulaire allongée, de largeur intérieure D et de longueur intérieure L égale à 3D dans le cas présent. Compte tenu de cette forme particulière du réacteur, la charge de fer en fusion a une profondeur H', qui n'est plu rye quart environ de la hauteur H vu précédemment, mais dont la surface libre 10, égale à 3D2 est par contre multipliée par quatre environ. Simultanément, selon l'invention, trois lances 3a, 3b, 3c semblables à la lance 3 sont réparties linéairement côte à côte le long de l'axe du réacteur 1' en traversant verticalement le couvercle par des ouvertures étanches. Chaque nez de lance 8 est pourvu de buses de soufflage permettant de former un jet étalé conique dont la base, au contact de la surface 10, présente un diamètre approximatif de D. Ainsi, comme le montre la figure, lorsque les lances sont correctement espacées entre elles et de la paroi du réacteur, les trois cônes d'étalement 9a, 9b et 9c intéressent une superficie totale voisine des 3/4 de celle du bain. On peut même dépasser ce taux pour peu que les cônes d'étalement se chevauchent, ce qui peut être obtenu facilement, par exemple en remontant légèrement les lances ou seulement celle du milieu. Ainsi, conformément à l'invention, le volume utile du bain est multiplié par un coefficient proche de 3, c'est-à-dire proche du nombre de lances, ceci à supposer que le jet 9 de la figure 1 recouvre toute la surface du bain. En d'autres termes, on peut utiliser un même volume de bain de fer en fusion pour près de 3 fois plus de réactifs, donc pour l'obtention de près de 3 fois plus de gaz. A titre de variante de la présente invention, il est possible de compléter l'installation des figures 2 et 3 précédentes de manière à en rendre l'exploitation continue, comme l'illustre la figure 4, sur laquelle les éléments correspondants sont désignés par les mêmes références. Dans cette variante, au réacteur 1' est associé un volume de décantation adjacent 11, dont la cloison 12, mitoyenne avec le réacteur 1', a une hauteur inférieure aux autres parois de l'installation de manière à permettre le passage par débordement du laitier 4 dans le décanteur 10. Le laitier, chargé en micro-particules de fer liquide 2' demeure au repos dans le décanteur 10, et ces particules se déposent et se rassemblent en couche 13 dans le fond du décanteur, d'où elles sont recyclées dans le réacteur par un chenal 14, tandis que le laitier est progressivement évacué en continu par l'orifice 15. La circulation du métal récupéré vers le réacteur 1' peut être avantageusement assistée par des moyens physiques extérieurs (non représentés) tels qu'un inducteur statique à champ magnétique glissant selon le chenal et disposé dans le réfractaire de la paroi 12 autour du chenal, ou un soufflage d'un gaz sous pression au travers d'un élément réfractaire perméable monté dans le fond du réacteur au voisinage de la sortie du chenal 14. La figure 5 illustre l'aménagement supplémentaire de l'installation grâce auquel on améliore qualitativement cette fois les gaz produits en augmentant leur teneur en hydrogène. Cet aménagement consiste, comme on le voit, dans la combinaison d'une ou plusieurs lances d'injection d'eau, de préférence à l'état de vapeur, (lances qui d'ailleurs peuvent fort bien être celles servant déjà pour l'insufflation de l'oxygène et des solides) avec des moyens de compensation de l'effet refroidissant de la décomposi tion de l'eau et qui, dans l'exemple décrit, sont constitués par un arc électrique 16 entretenu entre une électrode 17 et le bain 2. Il doit être souligné que le bilan thermique global de la gazéification montre que des disponibilités calorifiques existent pour assurer la dissociation d'une certaine quantité d'eau, pouvant conduire à une teneur voisine de 30 % en volume dans les gaz produits. Si l'on souhaite atteindre des teneurs plus importantes, il est alors nécessaire de compenser l'effet refroidissant d'une injection accrue d'eau par un apport de calories exté rieurs à l'aide d'un moyen de chauffage chimiquement neutre par rapport aux réactions de gazéification par par exemple un arc électrique ou une torche à plasma. Si l'on considère cette dernière variante de l'invention et les différents avantages résultant de l'ensemble des aménagements apportés au procédé et à l'installation classique, on constate que, grâce à ces aménagements, on peut, selon l'invention, réaliser de manière continue la production d'un gaz riche en hydrogène avec une productivité accrue et moyennant une dépense globale en énergie sensiblement diminuée. Bien entendu, les exemples mentionnés ici n'ont qu'un caractère illustratif et de nombreuses autres variantes pourront y être apportées, notamment en ce qui concerne le nombre et la répartition des lances d'injection, la forme précise du réacteur et du décanteur, ou les moyens d'apport d'énergie calorifique de compensation de l'effet endothermique de la décomposition de l'eau. REVENDICATIONS 1) Installation pour la gazéification de matière carbonée, notamment du charbon, du type comprenant un réacteur contenant un bain de fer en fusion (2'), réacteur équipé de moyens pour l'injection des matières carbonées, de l'oxygène gazeux ainsi que des matières de formation d'un laitier épurant, installation caractérisée en ce que la largeur (D) du réacteur (1') est sensiblement égale au diamètre de la base du cône d'étalement du jet d'oxygène (8a,...), et sa longueur (L) est égale à un nombre N de ces diamètres, et en ce que lesdits moyens d'injection (3a,...), au nombre de N également, sont disposés linéairement côte à côte le long de l'axe du réacteur de manière que les bases des N cônes d'étalement (8a,...) définissent ensemble une zone de contact avec le bain (2') la plus proche possible de la surface de celui-ci. 2) Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les moyens d'injection sont constitués par des lances de soufflage (3a,...) débouchant au-dessus du bain (2'). 3) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un décanteur (11) adjacent au réacteur (1), et séparé de celui-ci par une cloison à mi-hauteur (12) dont l'extrémité supérieure libre constitue un seuil de débordement du laitier (4) formé dans le réacteur, le fond du décanteur (11) étant en outre mis en communication avec le réacteur (1) par un chenal (14) ménagé au travers de ladite cloison et assurant le recyclage dans le réacteur du métal liquide (13) déposé dans le fond du décanteur par décantation du laitier, le décanteur présentant de plus une ouverture (15) pour l'évacuation du laitier hors de l'installation et ménagée en paroi, en un endroit éloigné de la cloison commune (12). 4} Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle est pourvue de moyens pour assister la circulation du métal liquide dans le chenal de communication. 5) Installation selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour l'injection d'eau dans le réacteur et en ce que conjointement, des moyens sont prévus pour compenser thermiquement l'effet refroidissant de la dissociation de l'eau. 6) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de compensation thermique sont - constitués par au moins un arc électrique (16) entretenu entre la surface du bain métallique et une électrode (17) disposée au-dessus.