Brevet FR2555194A1 — publié le 19850524

PROCEDE ET INSTALLATION POUR LA GAZEIFICATION DU CHARBON La présente invention concerne la gazéification des matières carbo- nées solides et plus particulièrement la technique selon laquelle du charbon en poudre est injecté en même temps que de l'oxygène, et des matières de formation d'un laitier d'épuration dans un réacteur de gazéification simi- laire à un convertisseur d'aciérie. Ce réacteur contient un bain métallique capable de dissoudre le 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 la mise en oeuvre "en continu" de cette technique, ainsi que divers autres aménagements tendant à en aug- menter la productivité. On sait qu'en règle générale, la technique de gazéification consi- dérée est réalisée de façon séquentielle: le laitier du type "laitier d'affinage de la fonte", assure l'élimination du soufre introduit comme impureté du charbon et se trouve soumis à des décrassages périodiques, alors que le bain de fer en fusion sert à nouveau après réchauffage. Or, ce laitier a tendance à entraîner avec lui des gouttelettes (ou microparticules) de fer liquide en suspension, de sorte que le simple décrassage provoque à chaque fois un certain appauvrissement du bain en fer, qui peut devenir appréciable au bout d'un certain nombre de cycles. Pour parvenir à un fonctionnement "en continu" de l'opération de gazéification sans pertes en fer conséquentes, la présente invention con- siste à recueillir de façon continue le laitier surnageant sur le bain à mesure de sa formation dans le réacteur par débordement au-dessus d'un seuil, à laisser décanter le laitier recueilli pour permettre la séparation par gravité des gouttelettes de fer présentes en suspension et qui se ras- semblent dans le fond, puis à évacuer le laitier qui surnage et à recycler dans le réacteur le fer liquide obtenu par décantation du laitier. Le procédé peut alors être mis en oeuvre de façon continue pendant de longues périodes, la proportion de fer éliminée du circuit étant prati- quement négligeable. L'invention a également pour objet une installation de mise en oeuvre composée d'un ensemble intégré à deux étages: - un réacteur de gazéification destiné à contenir un bain métalli- que en fusion capable de dissoudre du carbone et pourvu de moyens pour l'introduction de matières carbonées (notamment du charbon pulvérisé) d'oxy- gène gazeux ainsi que des matières de formation d'un laitier d'épuration, - et un décanteur, adjacent au réacteur, destiné à recueillir le laitier formé dans ledit réacteur et communiquant avec ce dernier, d'une part, par un seuil de débordement du laitier formé dans le réacteur, et, d'autre part, par un chenal de recyclage dans le réacteur du métal liquide déposé dans le fond du décanteur, ledit chenal étant ménagé au travers de la paroi commune séparant le réacteur du décanteur et dont l'extrémité haute libre constitue le seuil de débordement. Conformément à une réalisation préférée, le chenal de recyclage débouche dans le réacteur en-dessous du niveau du bain métallique de manière à permettre l'écoulement du métal du fond du décanteur vers le réacteur, 1; selon le principe des vases communicants. Avantageusement, il est prévu d'assister cet écoulement par des moyens d'apport d'énergie motrice, par exemple une pompe électromagnétique constituée par un inducteur linéaire à champ magnétique glissant logé dans le réfractaire le long du chenal de recyclage. Un autre moyen peut consister en un soufflage gazeux au travers d'un élément réfractaire perméable logé dans le fond du réacteur, au voisi- nage de l'orifice de sortie du chenal, de manière à provoquer un brassage ascendant du métal au droit du chenal favorisant l'écoulement recherché dans celui-ci. Un tel élément perméable peut parfaitement être du type décrit dans la demande de brevet européen publiée n 0021861. Conformément à une mise en oeuvre préférée du procédé selon l'in- vention, destinée à procurer un gaz riche en hydrogène, on injecte égale- ment dans le réacteur de l'eau, à l'état de vapeur de préférence, associée à un apport calorifique extérieur pour compenser l'effet refroidissant de l'eau, notamment eu égard au caractère très endothermique de la réaction avec le carbone pour la production équimolaire d'hydrogène et d'oxyde de carbone. Plus précisément, l'apport calorifique extérieur peut être limité aux besoins thermiques de la fraction d'eau injectée au-delà de celle dont l'effet refroidissant est naturellement compensé par les ressources ther- miques internes du réacteur, sous réserve, bien entendu, de conserver le bain métallique à l'état liquide, i.e. de ne pas descendre sous une tempé- rature de l'ordre de 1400-1500 C dans le cas d'un bain de fer. A cet égard, les déterminations des bilans thermiques et matières permettent dans chaque cas d'ajuster l'apport calorifique extérieur aux quantités d'eau injectée en fonction des introductions de carbone et d'oxy- gène, compte tenu éventuellement de la recherche d'une productivité maxi- male de l'installation. Parmi les moyens envisageables d'apport calorifique, on retiendra de préférence ceux non-susceptibles d'intervenir chimiquement dans les réactions mises en jeu par la gazéification du charbon. Ainsi, on optera de préférence pour l'énergie d'origine électrique, notamment sous forme d'un arc électrique que l'on entretient entre une électrode et le bain métallique lui-même, comme cela se passe dans un four à arcs d'aciérie électrique. D'autres moyens de cette nature peuvent bien entendu être utili- sés, tel qu'une torche à plasma ou un inducteur électromagnétique. En ce qui concerne la recherche, évoquée ci-avant, d'une producti- vite maximale pour une installation donnée selon l'invention, il est remar- quable de noter qu'au vu des expériences qu'ils ont menées, les inventeurs ont été conduits à retenir que, pour un volume de bain métallique donné, la quantité de charbon introduite dans le bain est liée au "volume utile" du bain par une relation de la forme: Qc = k.Vu Qc= quantité du charbon injectée Vu= volume utile pour une charge donnée k = constante de proportionalité dépendant des conditions de mise en oeuvre du procédé (granulométrie, qualité du charbon, etc...) Il est donc avantageux, selon une variante de l'invention, d'associer au décanteur un réacteur assurant le "volume utile" maximum du bain. A cet effet, selon l'invention, le décanteur est associé à un réac- teur ayant une forme allongée, tandis qu' est prévue une pluralité de lances à oxygène à jets étalés réparties le long du réacteur de manière que l'ensemble de ces jets intéresse la majeure partie de la surface du bain métallique. On va maintenant décrire l'invention plus en détail en se référant aux planches de dessins annexées qui illustrent à titre d'exemples non limitatifs et de façon schématique l'invention et ses deux variantes princi- pales. Sur ces planches: - la figure 1 illustre une installation de base selon l'invention, - et la figure 2 illustre une variante de la figure 1 équipée de moyens d'introduction d'eau, - la figure 3 illustre une deuxième variante de l'installation selon l'invention équipée d'une pluralité de lances d'oxygène alignées dans un réacteur de forme allongée. Sur toutes les figures, les mêmes éléments sont désignés sous des références identiques. Sur la figure 1, on a représenté une installation de gazéification à double étage comprenant un réacteur 1 et un décanteur associé 2 séparé par une cloison à mi-hauteur 3, l'ensemble étant fermé par un couvercle 4 pourvu d'une ouverture 5 pour la sortie des gaz produits. Comme on le voit, le réacteur 1 est équipé en deux lances émergées 6 et 7 respectivement pour le soufflage d'oxygène gazeux additionné de chaux et pour l'introduction de carbone pulvérulent à l'aide d'un gaz de transport quelconque. Ces lances, refroidies par circulation interne d'eau, de type connu en affinage pneumatique, traversent verticalement le couver- cle 4 par des passages notés 8, 8'. L'ensemble des ouvertures 8, 8' et du couvercle est coiffé par un capot collecteur de gaz 9 relié à une conduite de récupération 10. Le décanteur 2 présente une ouverture latérale 11 à un niveau en hauteur approximativement égal à celui de l'extrémité haute de la cloison séparatrice 3 et ménagée à un endroit de la paroi du décanteur éloigné de cette cloison. En outre, le fond du décanteur est sensiblement relevé par rapport à celui du réacteur, et un chenal 12, reliant le fond du décan- teur au réacteur, est ménagé dans la cloison réfractaire 3 en pente incli- née vers le bas dans le sens décanteur - réacteur. Les éléments qui viennent d'être décrits constituent l'aménagement de base d'une installation selon l'invention. Son fonctionnement est schématiquement le suivant: On remplit le réacteur par du fer en fusion 13 jusqu'à un niveau compris entre la sortie du chenal 12 et l'extrémité supérieure de la cloi- son 3. Lors de la mise en service des lances 6 et 7, le charbon injecté se dissout dans le bain 13 et le reste de l'opération est tout à fait compa- rable à ce qui se passe en affinage classique de la fonte par l'oxygène soufflé par le haut. Cet oxygène assure ainsi la décarburation du bain par formation d'oxyde de carbone gazeux. La formation d'un laitier basique fluide 14 à base de chaux constitue un agent d'épuration en soufre qui élimine cet élément du bain 13 au fur et à mesure de son introduction par le charbon à gazéifier. Le caractère continu de l'opération à ce stade est assuré par un départ continu du laitier 14, à mesure de sa formation, par passage au-dessus de la cloison dont l'extrémité supérieure constitue ainsi un "seuil de débordement" 15 du laitier. Cette expression "seuil de débordement du laitier" a été consacrée par le passé dans le domaine de l'affinage continu de la fonte en acier qui précisément met en oeuvre une installation à double étage réacteur- décanteur, de principe et de technologie tout à fait analogues à l'installa- tion de gazéification exemplifiée ici. Le lecteur pourra d'ailleurs s'en rendre compte par lui-même en se rapportant aux nombreux brevets déposés 2555 1 94 à ce sujet par le demandeur, et notamment les brevets français n 1 407 082, 1 427 201 et 1 418 924. On rappelle à cet égard que la technique d'évacuation "en continu" du laitier surnageant sur un bain métallique par débordement d'un seuil semble être bien maîtrisée lorsque le laitier présente une consistance plutôt mousseuse. On sait que ce résultat peut être facilement obtenu par un contrôle adéquat des caractéristiques du jet d'oxygène, contrôle qui peut être facilement assuré; par exemple, par un réglage de la position en hauteur de la lance de soufflage. On sait aussi qu'un laitier moussant contient en suspension une quantité relativement importante de fer sous forme de gouttelettes ou de micro-particules liquides. Ainsi, le laitier voontairement moussant 14 que l'on forme ici à la surface du bain 13 passe: par débordement continu et régulier au-dessus du seuil 15, du réacteur 1 au décanteur 2. Pendant son séjour dans le dcanteur le laitier est au repos de sorte que les gouttelette3 de fer liquide en suspension ont la possibilité de se séparer par gravité de la phase non-métallique et de se rassembler dans le fond en donnant naissance Puis en alimentant régulièrement un pied de bain 16. Le latier 74', qui au cours de sa progression dans le décanteur passe d'un état moussant initial a une consistance proche du liquide, atteint l'orifice de sortie 11 par lequel il est évacué en continuo Par ailleurs, au fond du réacteur, le chenal de communication 12 assure le recyclage du fer déposé 16 vers le bain principal 13. Ce recyclage s'effectue automatiquement selon le principe des vases communicants puisqu'en régime établi, le niveau du pied de bain 16 dans le décanteur s'ajuste naturellement à chaque instant sur celui du bain principal 13 dans le réacteur. Ici, une observation doit être faite à propos de la phase de démar- rage de l'installation. Deux possibilités existent - o l'on procède initialement au remplissage du réacteur seul, auquel cas il est nécessaire d'obturer temporairement le chenal 12 par tout moyen approprié (obturateur à tiroir coulissant, etc...) et de préfé- rence à son extrémité de sortie dans le réacteur. Dans ce cas, la mise en service de l'installation est suivie d'une phase transitoire de mise en régime au cours de laquelle le décanteur voit se former le pied de bain 16 à partir du laitier déborde jusqu'à ce que, le niveau de la surface du bain 16 i'6&lisant avec celui du bain principal 13, on ouvre le chenal de communication 12. - o l'on procède initialement au remplissage simultané du réacteur et du décanteur, soit séparément si l'on obture le chenal 12, soit en ali- mentant en métal liquide l'un des deux dans le cas contraire. Dans ce mode, la phase de démarrage peut être légèrement plus longue, mais la phase transitoire est pratiquement réduite au temps nécessaire au premier laitier qui déborde du seuil 15 pour atteindre l'orifice de sortie 11. Quel que soit le mode choisi, on prendra bien entendu le soin de préchauffer convenablement l'installation à vide, en particulier le chenal de communication 12, pour éviter des phénomènes intempestifs de solidifi- 1n fication localisés de bain métallique. Conformément à une mise en oeuvre préférée de l'invention, le flux de métal recyclé dans le chenal 12 est assisté. Ces moyens d'assistance peuvent être par exemple une pompe électromagnétique, telle que schématisée en 17 sur la figure 1, et constituée par un inducteur à champ magnétique glissant le long du chenal. Cet inducteur est composé d'une succession de conducteurs annulaires 18 (trois dans l'exemple représenté) logés dans la matière réfractaire autour du chenal 12 et alimentés par une source électrique triphasée 19. Selon une autre variante, ces moyens d'assistance peuvent être cons- titués par un brassage du bain 13 de préférence au voisinage de la sortie du chenal 12. Ce brassage peut être obtenu avantageusement à l'aide d'une insufflation d'un gaz, tel que de l'azote (gaz inerte et peu coûteux) au travers d'un élément réfractaire aéroperméable 20 monté dans le fond du réacteur et relié à une source de gaz sous pression symbolisée en 21. Bien entendu, ces deux types de moyens peuvent être utilisés séparément ou con- jointement, comme c'est le cas sur l'installation de la figure 1. Comme déjà indiqué, ces moyens sont connus en eux mêmes, ainsi que dans leur application au domaine de l'élaboration des métaux. Au besoin, on pourra se rapporter par exemple aux demandes de brevets français PV n 170198 ou PV n 908871 pour ce qui concerne le pompage électromagnétique et à la demande de brevet européen publiée n 0081861 pour ce qui concerne l'élément réfractaire aéroperméable, tel que 20. L'installation de gazéification illustrée sur la figure 1 permet la production de gaz du type CO, H2, CO2, riche en CO, de manière continue; l'évacuation régulière du laitier et le recyclage continu du fer liquide entraîné par le laitier évitent C'accumulation d'impuretés dans le milieu réactionnel (notamment le soufre du charbon), ainsi que la consommation du bain métallique, aux légères pertes près par oxydation dans le laitier et par poussières, mais que l'on peut aisément compenser au besoin par des appoints espacés de métal. Conformément à une variante particulièrement avantageuse de l'in- vention, illustrée sur la figure 2, on produit par gazéification du charbon un gaz riche en hydrogène à partir de la décomposition de l'eau. A cet effet, comme on le voit, la lance 7 d'injection du charbon sert également pour l'introduction d'eau qui, utilisée de préférence à l'état de vapeur, peut alors servir en outre de fluide pour le transport pneumatique des particules de charbon. De plus, le réacteur est pourvu d'une électrode de graphite 22 traversant un passage 8" prévu à cet effet dans le couvercle 4, de préférence au centre du réacteur pour limiter les effets nocifs sur la tenue des parois réfractaires du rayonnement de l'arc électrique 23 entretenu entre le bain 13 et la pointe de l'électrode. Celle- ci est reliée à une borne d'une alimentation électrique symbolisée en 24, l'autre borne étant mise au contact du bain 13 par l'intermédiaire d'un plot conducteur 25, implanté dans le fond du réacteur. On a déjà dit que l'arc électrique 23 est mis en oeuvre en tant que moyen d'apport calorifique non susceptible d'intervenir chimiquement sur la gazéification. Cet apport calorifique extérieur, qui ajoute aux disponibilités propres du milieu réactionnel permet d'augmenter jusqu'à des valeurs de 40 % et au-delà la teneur volumique en hydrogène du gaz produit, en rendant possible l'injection d'une quantité d'eau bien plus importante que celle qui serait permise autrement. La mise en oeuvre d'une telle variante permet ainsi une amelioration qualitative très appréciable des gaz obtenus, dont le domaine d'utilisation se trouve ainsi élargi vers la chimie de synthèse ou vers des processus industriels demandeurs d'agents gazeux hautement réducteurs, par exemple. En plus de cette variante destinée à améliorer qualitativement les gaz obtenus, comme on vient de le voir, l'invention a également pour but une amélioration quantitative, i.e. une amélioration de la productivité d'une installation de gazéification. Le principe de base repose sur la double idée que le bain métalli- que doit offrir, pour un volume donné, la plus grande surface de contact possible à l'oxygène soufflé et que cet oxygène doit être soufflé de manière à intéresser la plus grande proportion possible de cette surface. Ainsi, les inventeurs ont été amenés à concevoir la variante illus- trée sur la figure 3 dans laquelle le bain 13, de même volume que dans les variantes précédentes, occupe un réacteur 1 de forme linéaire allongée. Le bain 13 présente de ce fait une hauteur "H" plus faible qu'auparavant mais, inversement, une surface libre 26 beaucoup plus importante au-dessus de laquelle peuvent être réparties, non plus une seule lance de soufflage d'oxygène, mais plusieurs lances 6a, 6b, 6c... (trois dans l'exemple consi- déré) disposées côte à côte le long du réacteur et libérant des jets dont les zones d'impact sur la surface 26 du bain sont sensiblement tangentes entre elles. Parallèlement, une seconde série de trois lances 7a, 7b, 7c, pour l'injection de charbon en poudre, sont placées obliquement au travers de la grande paroi latérale du réacteur et débouchent, de préférence, chacune dans un jet d'oxygène en direction de la surface du bain. On comprend que, pour un rayon "R" de la zone d'impact du jet, la taille optimale du réacteur représenté (ayant une seule rangée de lances à oxygène) est de 2R en largeur et de 2NR en longueur, o N est le nombre de lances utilisées. Par rapport à un réacteur de même capacité mais de forme carrée (ou circulaire) de 2R de côté (ou de diamètre), le réacteur selon la pré- sente variante permet de tripler pratiquement la surface de contact métal- oxygène, ce qui conduit à multiplier par trois la capacité du bain à dissou- dre rapidement le carbone, donc à accroître en proportion le débit de char- bon pouvant être injecté. Ceci peut s'exprimer, selon les inventeurs, en disant que le "volume utile" du bain a également triplé, sachant que ce volume utile "Vu" conditionne le débit "Qc" de charbon injectable selon la relation empirique Qc = k.Vu (vue précédemment). L'augmentation de productivité recherchée se manifeste aussi par le fait que pour une même masse de bain de fer, la quantité d'oxygène et de carbone pouvant être considérablement accrue, la production instantanée de gaz recueillie sera d'autant plus volumineuse. Bien entendu, une installation de gazéification de ce type peut également servir pour la production d'un gaz riche en hydrogène, selon la technique décrite en référence à la variante de la figure 2 (injection de vapeur d'eau associée à un apport calorifique compensateur). Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais s'étend à de multiples autres variantes ou équivalents dans la mesure o sont respectées les caractéristiques énoncées dans les reven- dications jointes. Ainsi, la cloison 3 séparant le réacteur du décanteur peut être remplacée par tout autre moyen de seuil, le rôle de ce seuil étant de favo- riser une zone calme dès la sortie du réacteur, ce qui permet de mettre en oeuvre un décanteur de taille relativement petite. De même, le chenal 12 de recyclage du métal peut fort bien déboucher, non plus sous la surface du bain 13 mais au-dessus. Dans ce cas, les niveaux respectifs du bain principal 13 et du pied de bain 16 dans le déanteur sont décalés en hauteur, et le recyclage s'opère, non plus par équilibrage des pressions entre le réacteur et le décanteur selon le principe des vases communicants, mais par simple déversement par gravité, depuis le décanteur vers le réacteur. De même encore, dans le cas de la variante à injection d'eau, l'élec- trode peut fort bien, si on l'estime nécessaire ou simplement utile, être placée dans le décanteur. En tout état de cause, il demeure préférable d'effectuer, d'une manière ou d'une autre, un apport calorifique chimiquement neutre au milieu réactionnel et en particulier au bain métallique, lequel, en plus de sa fonction de dissolution du carbone, joue également un rôle de réservoir thermi- que indispensable au procédé. REVEDICATIONS 1) Procédé de gazéification de matière carbonée, notamment du char- bon, selon lequel la matière carbonée est injectée, en même temps que de l'oxygène et des matières de formation d'un laitier épurant, dans un récipient de gazéification contenant un bain métallique capable de dissoudre le carbone, en particulier un bain de fer en fusion, procédé en ce que: on recueille de façon continue le laitier (14) surnageant sur le bain métallique (13), à mesure de sa formation dans le réacteur (1), par débordement d'un seuil (15), - on laisse décanter le laitier recueilli (14') pour permettre la séparation par gravité des gouttelettes de métal qui y sont présentes en suspension et qui se rassemblent dans le fond, - on évacue en continu le laitier ainsi épuré et on recycle, égale- ment en continu, dans le bain métallique le métal liquide (16) obtenu par décantation du laitier. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, on in- jecte également de l'eau dans le récipient et conjointement on effectue un apport calorifique afin de compenser l'effet de refroidissement de l'in- jection d'eau. 3) Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on pro- cède à l'apport calorifique sans intervenir chimiquement dans les réactions mises en jeu par la gazéification. 4) Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on répartit l'oxygène soufflé sur la plus grande partie possible de la surface libre du bain et en ce que, pour un volume de bain donné, on augmente au maximum sa surface libre. ) Installation de gazéification pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un ensemble intégré à deux étages: - un réacteur de gazéification proprement dit (1), destiné à conte- nir un bain métallique en fusion (13) capable de dissoudre du carbone, et pourvu de moyens (6, 7) pour l'introduction de matières carbonées, notam- ment du charbon, d'oxygène gazeux ainsi que des matières de formation d'un laitier épurant, - et un décanteur (2) adjacent ai réacteur, destiné à recueillir le laitier (14) formé dans le réacteur et communicant avec celui-ci d'une part, par un seuil de débordement (15) constitué par l'extrémité supérieure d'une cloison (3) séparant le réacteur du décanteur et, d'autre part, par un chenal (12) de recyclage dans le réacteur du métal liquide déposé dans le fond du décanteur, et provenant de gouttelettes métalliques en suspen- sion dans le laitier recueilli (14'), ledit chenal étant ménagé au travers de la cloison commune (3). 6) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour assister la circulation du métal liquide dans le chenal de recyclage. 7) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens sont constitués par un inducteur électromagnétique (17) à champ glissant le long du chenal de recyclage. 8) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que, le chenal de recyclage débouchant dans le réacteur sous la surface du bain métallique, lesdits moyens sont constitués par un élément réfractaire aéro- perméable (20) monté dans le fond du réacteur et relié à une source (21) de gaz sous pression. 9) Installation selon les revendications 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle est également pourvue de moyens pour l'introduction d'eau et de moyens d'apport calorifique, ces derniers n'étant pas susceptibles d'in- tervenir chimiquement dans les réactions de gazéification. ) Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits moyens d'apport calorifique sont constitués par un arc électrique (23) entretenu entre une électrode (22) et le bain métallique (13 ou 16). 11) Installation selon les revendications 5, 6 ou 9 -caractérisée en ce que le réacteur (1) présente une forme linéaire allongée et en ce que les moyens d'injection de l'oxygène gazeux (6a,6b,...) sont répartis le long du réacteur de manière que l'ensemble des jets d'oxygène intéresse la majeure partie de la surface libre (26) du bain métallique (13).