Brevet FR2560206A1 — publié le 19850830

La présente invention est relative à un réacteur de gazéification de charbon du type à bain de métal liqui- de. On connaît déjà des réacteurs de gazéification de charbon dans lesquels on injecte du charbon pulvérisé à travers un bain de métal liquide à l'aide de tuyères placées dans le fond d'un réacteur dont les parois inté- rieures sont revêtues d'un garnissage réfractaire destiné à supporter les contraintes engendrées par le métal liqui- de. Ces réacteurs sont d'une construction analogue à celle des convertisseurs d'aciérie et ils sont munis de tourillons permettant un basculement autour d'un axe hori- zontal notamment pour des raisons d'accès régulier indis- pensable pour l'entretien des tuyères et la réfection du revêtement réfractaire. Un premier inconvénient de ce type de réacteur réside précisément dans la conception à basculement qui est nécessaire et qui ne permet pas de construire des cu- ves de grand diamètre garnies d'un revêtement réfractaire épais et convenablement refroidi, en raison du poids inhé- rent à ces caractéristiques. Le manque de refroidissement combine à l'épais- seur relativement faible du revêtement réfractaire des réacteurs basculants, conduit à une usure rapide de ce dernier qui nécessite des réfections fréquentes préjudi- ciables à la disponibilité de fonctionnement de l'appareil et à son coût d'exploitation. I1 est, en outre, difficile d'assurer une bonne étanchéité des réacteurs basculants de sorte qu'il peut se produire des entrées d'air ou des pertes de gaz et que l'accroissement de la pression de fonctionnement, qui se- rait favorable au fonctionnement de l'appareil et à son économie, est limité. Par ailleurs, la capacité de gazéification d'une tuyère étant limitée, l'installation de nombreuses tuyères pour une unité industrielle complique la réalisation tech- nologique de la distribution du charbon et des gaz entre les tuyères. Les tuyères de fond provoquent un excellent bras- sage des divers réactifs, mais entraînent en contre partie une usure rapide du garnissage réfractaire qui, en parti- culier sur le fond, dans la zone des tuyères, ne peut être très épais en raison de la conception à basculement de l'ensemble et qui ne comporte pas de refroidissement effi- cace comme indiqué précédemment. Enfin les tuyères elles-mêmes doivent être effi- cacement refroidies, en général par un hydrocarbure liqui- de ou gazeux ou encore par un gaz liquifié (CO2), le cot de cet agent de refroidissement augmentant très sensible- ment le prix de revient du gaz produit à partir de char- bon. On connaît par ailleurs des réacteurs de gazéifi- cation de charbon sur bain de métal liquide dans lesquels on injecte du charbon pulvérisé au moyen d'une lance dont le jet est projeté sur la surface du bain, mais ces réac- teurs restent également du type à basculement et ont les mêmes inconvénients que ceux indiqués précédemment qui li- mitent la rentabilité et l'efficacité; en particulier leur volume intérieur trop faible ne permet pas au gaz d'atteindre -l'quilibre des réactions et par ailleurs nuit a la bonne tenue des-réfractaires an niveau du ventre. En outre, la surface trop faible de l'interface entre le bain de métalliquide et le laitier produit par la fusion des cendres, ne permet pas une bonne décantation des billes de métal dans le laitier et provoque une perte de métal liquide coûteuse et préjudiciable à la bonne va- lorisation de ce même laitier. -La présente invention a pour but de remédier à ces ineonvénients en fournissant un réacteur dont la dis- ponibilité de fonctionnement soit plus grande, l'exploita- tion plus simple et plus continue et qui produise un gaz de haute qualité ainsi qu'un laitier issu des cendres, va- lorisable. Elle a ainsi pour objet un réacteur de gazéifica- tion de combustibles solides sous forme pulvérisée, du ty-- pe comprenant une enceinte contenant un bain de métal li- quide et une lance d'injection du combustible située à la partie supérieure de l'enceinte, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve sensiblement cylindrique dont la section par un plan perpendiculaire aux génératrices a une forme oblongue, comportant des parois latérales et un fond revé- tus d'un garnissage réfractaire, et délimitant un orifice d'évacuation du laitier surnageant à la surface du métal et un orifice d'évacuation du métal; un dôme reposant à joint étanche sur la cuve et délimitant au moins un ori- fice d'introduction d'au moins une lance verticale à tra- vers un caisson étanche, un orifice de grande section pour l'évacuation des gaz produits dans le réacteur, ces deux orifices étant disposés respectivement au voisinage des extrémités opposées du réacteur, ainsi qu'un orifice pour l'introduction d'éléments d'addition; des moyens étant prévus pour-refroidir les parois latérales et le fond de la cuve ainsi que le dbme. Selon une autre caractéristique de l'invention au moins une partie du fond de la cuve est inclinée, la pro- fondeur du bain de métal liquide étant maximale dans la zone située audessous de la lance et minimale dans la zone situâe au-dessous de l'orifice d'évacuatidn des gaz. L'invention sera décrite ci-après à i'aide du des- sin annexé qui en représente seulement un mode de réalisa- tion. - La Fig. Unique est une vue en perspective avec coupe partielle du réacteur selon la présente invention. Le réacteur de gazéification représenté à la Fig. Unique est constitué d'une cuve (1) en acier de forme sen- siblement cylindrique à section oblongue dont la paroi la- térale (2) et le fond (3) sont munis sur leur face inté- rieure d'un garnissage réfractaire '(4). Ce garnissage réfractaire est à double épaisseur au niveau inférieur de la cuve, c'est-à-dire au moins dans la zone en contact avec le bain de métal liquide (5), constituant le creuset. Le fond (3) de la cuve est refroidi à l'aide d'un réseau de tubes (6) de circulation d'un fluide de refroi- dissement qui sont noyés dans une couche (7) de revêtement réfractaire, telle qu'un béton réfractaire, située entre le garnissage réfractaire (4) et la paroi du fond (3). La paroi latérale (2) de la cuve est doublée le long de sa surface extérieure par une enveloppe (8) de for- me ondulée délimitant avec le blindage de la cuve des ca- naux (9) de circulation d'un fluide de refroidissement, qui communiquent avec un circuit extérieur de refroidisse- ment par les orifices 10a, lob, O10c,!Od, 10e, etc... Ce circuit est mis en circulation forcée et pressurisée par des moyens non représentés. La cuve (1) est surmontée d'un dôme (11) également muni sur sa face interne d'un garnissage réfractaire (12), la liaison entre le dôme (11) et le bord supérieur de la cuve (1) étant assurée de façon étanche. Un canal (13) formant une gouttière circule-le long de la paroi externe du réacteur au niveau de la jonction dâme (11).- cuve (1) pour récupérer le fluide de refroidissement envoyé par ruissellement à partir de rampes d'aspersion- (14, 15) pla- cées a la partie supérieure du dôme. Le dôme (11) comporte à sa partie supérieure, verticalement au-dessus du grand diamètre de section de la cuve, un orifice-16a surmonté d'un caisson étanche (i6) d'introduction d'une lance (17), en une position en projec- tion, proche de la paroi latérale, c'est-à-dire d'une ex- trémité du grand diamètre. Ce caisson (16) est reçu sur un siège (18), l'é- tanchéité entre le siège (18) et le caisson (16) étant assurée par un joint mécanique. Le siège (18) est refroidi intérieurement par un réseau circulaire-de tubes (19) de circulation d'un fluide de refroidissement noyés dans un garnissage réfractaire (20) placé le long de la paroi in- terne du siège. Par ailleurs, pour assurer l'étanchéité au ni- veau de l'orifice d'introduction de la lance (17), mobile en translation verticale par des moyens non représentés, le caisson (16) est pressurisé par insufflation d'un gaz inerte tel que de la vapeur d'eau ou du gaz carbonique. Le dôme (11) comporte également à sa partie supé- rieure, un orifice (21) d'évacuation des gaz produits, de grand diamètre, cet orifice étant centré, en projection sur le grand diamètre de la cuve, en une position relati- ve proche de l'extrémité opposée à celle o se trouve la lance (17). L'orifice (21) est coiffé de façon étanche par un conduit d'évacuation (22), qui dans le mode de ré- alisation représenté, est une chaudière à haute pression à rayonnement direct de forme tronconique. Cette chaudière (22) est reçue sur un siège (23) prévu à la partie supé- rieure du dôme qui est refroidi, comme le siège (18), par un réseau de tubes circulaires (24) noyés dans un garnis- sage réfractaire (25). Cette chaudière (22) est constituée de tubes (26) accolés et soudés reliés à leur entrée inférieure à une circulaire (27) d'alimentation en eau surchauffée sous pression à 40-60 bars. Le dôme (11) comporte encore à sa partie supé- rieure une goulotte (28) d'introduction d'éléments d'addi- tion qui débouche par un orifice (29) ménagé à travers le garnissage réfractaire dans le volume intérieur de la cuve. La goulotte (28) est située entre le caisson (16) et la chaudière (22) et est inclinée de telle sorte que les élé- ments d'addition atteignent le bain de métal liquide (5) dans la zone d'impact du jet issu de la lance (17). - La lance (17) est constituée d'un tube à quadru- ple enveloppe délimitant quatre espaces annulaires concen- _. triques. Un jet (30) de charbon pulvérisé contenant éven- tuellement des additifs et transporté a la vapeur, est en- voyé sur la surface du bain de métal liquide (5) par le conduit cylindrique central de la lance. On envoie par l'espace annulaire immédiatement adjacent au conduit cen- tral, de l'oxygène et de la vapeur d'eau, ces gaz étant projetés dans la zone de dépression du bain créée par l'impact du jet (30), à travers des orifices (31), les espiaces annulaires les plus extérieurs de la lance (17) étant destinés à une circulation du fluide de refroidisse- ment de la lance. Selon une caractéristique essentielle de la pré- sente invention, le fond de la cuve comporte une zone (32) en forme de plan incliné dans la partie non exposée à la dépression créée sur la surface du bain de métal liquide (5) par le jet (30) de charbon pulvérisé issu de la lance. Ce fond incliné délimite deux zones distinctes du bain de métal liquide (5), une première zone à profon- deur plus importante pour les réactions chimiques de ga- zéification du charbon avec brassage intense, et une se- conde zone (32) à profondeur se réduisant graduellement ayant une fonction d'équilibrage des réactions et de dé- cantation entre le métal et laitier. On peut en outre loger sous la partie (32) du fond en forme de plan incliné un dispositif (33) de bras- - sage électromagnétique favorisant la décantation du bain (5) par circulation selon le trajet de la flèche (34). Une couche de laitier (35) surnage au-dessus du bain de métal (5), et est périodiquement, et de façon ré- glable, évacuée par un trou de coulée (36) situé à l'ex- trémité de la zone du bain à faible profondeur au niveau de la-couche du laitier. Un trou de coulée (37) du métal du bain est ména- gé à l'extrémité opposée du trou de coulée (36) du laitier - dans la zone de grande profondeur et à la partie inférieu- re du creuset. Le bain est constitué d'un métal dans lequel le carbone peut exister à l'état dissous et est, par exemple, de la fonte dont on règle les caractéristiques physico- chimiques par des éléments d'addition en fonction de la température de fonctionnement. La cuve (1) non-basculante du réacteur est montée sur un chassis métallique (38). L'ensemble peut être dé- placé en translation horizontale par des moyens non repré- sentés. Le fonctionnement du réacteur est le suivant: On introduit de la fonte solide et/ou des ferrail- les, ainsi que du ferro-silicium et du coke, puis on souf- fle par la lance de l'oxygène et du charbon pulvérisé qui est enflammé. Au stade du démarrage, les gaz produits sont des gaz oxydés sans valeur qui sont éliminés. Le bain de fonte liquide se forme et on ajoute par la goulotte, en plus de la chaux en poudre admise dans le jet de charbon pulvérisé, des éléments d'addition en roches tels que des flux et des fondants, éventuellement de la chaux, de la dolomie, des ferrailles et ferro-alliages. Lorsque le bain est établi à une composition et une température déterminées, on augmente l'injection de charbon pulvérisé et on règle la hauteur de la lance à sa position optimale, ni trop haute pour ne pas obtenir un gaz oxydé par l'oxygène qui s'échappe, ni trop basse pour ne pas être dégradée par le métal en fusion. La gazéifica- tion de charbon est alors conduite en régime continu comp- te tenu des équilibres thermodynamiques et chimiques. Une caractéristique importante du réacteur-de la présente invention réside dans le volume libre important situé au-dessus du bain de métal liquide, favorable à l'é- tablissement des équilibres gazeux réactionnels pour l'ob- tention d'un gaz de bonne qualité. Ainsi le réacteur selon la présente invention, grâce à sa position fixe, c'est-à-dire non basculante, peut être doté d'un refroidissement de meilleure qualité et d'une plus grande épaisseur de revêtement réfractaire qui conditionnent la longévité et donc la disponibilité de l'installation qui peut produire-du gaz de façon quasi interrompue. Compte tenu des dimensions importantes du réac- teur, la quantité de métal liquide contenue dans le réac- teur est plus importante et permet donc d'obtenir une ca- pacité de gazéification unitaire supérieure sans provo- quer une usure excessive des réfractaires. Par ailleurs, la grande surface libre du bain de métal liquide permet un temps de séjour de laitier plus important et donc une meilleure obtention des équilibres réactionnels chimiques, et une meilleure décantation des billes de métal entraînées par le laitier. La variation de profondeur du bain permet en ou- tre d'installer une zone à fort brassage mécanique du à l'impact du jet de lance, o les réactions sont plus rapi- des, et une zone relativement calme de décantation au-des- sus du plan incliné (32). On peut noter que la diminution de la profondeur du bain, outre l'effet favorable exercé sur la décantation, permet de diminuer le poids du métal liquide présent dans le réacteur pour une profondeur donnée nécessaire à l'en- droit de l'impact du jet et donc d'alléger les structures porteuses. La zone de décantation ainsi créée permet d'obte- nir, par simple coulée, un laitier bien décanté dont le débit d'évacuation peut être réglé et autorise un traite- ment par granulation en vue de la préparation de clinkers valorisabies en cimenterie. - Le réacteur selon l'invention peut fonctionner, grâce à son étanchéité, en allure pressurisée et donc ac- croitre son rendement unitaire et sa rentabilité. REVENDICATIONS 1. Réacteur de gazéification de combustibles so- lides sous forme pulvérisée, du type comprenant une en- ceinte contenant un bain de métal liquide et une lance d'injection du combustible située à la partie supérieure de l'enceinte, caractérisé en ce qu'il comprend: une cu- ve (1) sensiblement cylindrique dont la section par un plan perpendiculaire aux génératrices a une forme oblon- gue, comportant des parois latérales (2) et un fond (3) revêtus d'un garnissage réfractaire (4), et délimitant un orifice (36) d'évacuation du laitier surnageant à la surface du métal et un orifice (37) d'évacuation du métal; un dôme (11) reposant à joint étanche sur la cuve.et déli- mitant au moins un orifice (16a) d'introduction d'au moins une lance verticale (17) à travers un caisson étan- che (16), un orifice (21) de grande section pour l'évacua- tion des gaz produits dans le réacteur, ces deux orifices étant disposés respectivement au voisinage des extrémités opposées du réacteur ainsi qu'un orifice (29) pour l'in- troduction d'éléments d'addition; des moyens (8, 9, 10a- e, 6, 13, 14, 15) étant prévus pour refroidir les parois latérales (2) et le fond (3) de la cuve ainsi que le dôme (11). 2. Réacteur suivant la revendication-1, caracté- risé en ce qu'au moins une partie de fond (3) de la cuve (1) est inclinée, la profondeur du bain de métal liquide étant maximale dans la zone située au-dessous de-la lance (17) et minimale dans la zone située au-dessous de l'ori- fice (21) d'évacuation des gaz. - 3, Réacteur selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce qu'un dispositif de brassage électromagnétique (33) est placé sous la partie (32) en forme dé plan incliné du fond (3) de la cuve-(l). 4. Réacteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le fond de la cuve 1O (1) est refroidi à l'aide d'un réseau de tubes (6f de circu- lation d'un fluide de refroidissement qui sont noyés dans une couche (7) de revêtement réfractaire située entre le gar- nissage réfractaire (4) et le fond C3) 5, Réacteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la paroi latérale (2) de la cuve comporte le long de sa face externe une dou- ble enveloppe (8) de forme ondulée délimitant des canaux (9) de circulation d'un fluide de refroidissement sous une forme forcée et pressurisée, 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le refroidisse- ment du dôme est assuré par le ruissellement d'un fluide distribué à partir de rampes d'aspersion (14, 15), le flui- de étant collecté par une gouttière (13) circulant le long de la paroi externe du réacteur au niveau de la jonction dôme-cuve. 7. Réacteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le caisson étan- che (16) est reçu à joint étanche sur un siège (18) re- frodi intérieurement par un réseau de tubes (19) de cir- culation d'un fluide de refroidissement noyes dans un garnissage réfractaire (20) placé le long de la paroi in- terne du siège (18). 8. Réacteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'orifice (21) d'évacuation des gaz produits est coiffé de façon étanche d'une chaudière (22) à haute pression à rayonnement di- rect. 9. Réacteur selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que la chaudière (22) est constituée de tubes 426) accolés définissant un volume de rayonnement inté- - rieur tronconique, ces tubes (26) étant reliés-à leur en- trée inférieure à une circulaire d'alimentation (27) en eau surchauffée, la chaudière (22) étant reçue à joint étanche sur un siège (23) refroidi intérieurement par un réseau de tubes (24) de circulation d'un fluide de refroi- dissement noyes dans un garnissage réfractaire (25) placé le long de la paroi interne du siège (23). 10. Réacteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'une goulotte (28) inclinée débouche dans un orifice (29) d'introduc- tion des éléments d'addition de façon que ces derniers atteignent le bain (5) de métal liquide dans la zone d'im- pact du jet (30) issu de la lance (17). Il. Réacteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la lance (17) d'injection est constituée d'un tube à quadruple envelop- pe délimitant quatre espaces concentriques séparés, l'es- pace central servant à l'injection de charbon pulvérisé transporté par un gaz neutre, l'espace immédiatement ad- jacent servant à l'injection d'oxygène et de vapeur et les espaces extérieurs à la circulation d'un fluide de refroidissement.