Brevet FR2565992A1 — publié le 19851220

L'invention concerne un procédé pour la combustion par- tielle et la gazéification de matières carbonées ato- misées, par introduction d'un agent oxydant et de la matière carbonée dans une chambre à réaction, avec fourniture simultanée d'énergie au moyen d'un généra- teur de plasma; et concerne un générateur de plasma pour cet usage. On connaît déjà l'utilisation de brûleurs à oxygène pour la gazéification de matières carbonées, ces brû- leurs étant dirigés vers le centre d'une chambre ayant une sortie centrale pour les gaz et les scories. Cepen- dant, certains problèmes se posent ici concernant la conception du brûleur. La vitesse à laquelle l'oxygène est injecté détermine l'emplacement du front de flammes et, afin d'éviter l'inflammation inversée, une certaine distance doit séparer la buse de brûleur du front de flammes. Cela limite considérablement la plage de contrôle. Afin de protéger les parois de la chambre, une paroi de vapeur d'eau est soufflée parfois autour de l'entrée d'oxygène, rendant l'écoulement relativement exempt de perturbations. En raison de l'écoulement sans perturba- tions et du débit élevé, le mélange est extrêmement faible et une longue distance de mélange est nécessaire pour l'eau dans les particules de carbone à gazéifier et pour que les particules elles-mêmes soient suffisamment chauffées. De plus, la vitesse de réaction obtenue est relative- ment faible dans les procédés connus de chauffage de l'agent oxydant et du combustible à une température o la réaction commence, ceci étant principalement réalisé par circulation des produits réactionnels chauds. Il est également connu en soi d'utiliser des générateurs de plasma pour l'apport d'énergie thermique pour la combustion et la gazéification de combustible carboné. Du carbone pulvérisé est injecté dans un gaz vecteur chauffé par un générateur de plasma. De l'oxygène, du CO2 et/ou de la vapeur d'eau sont utilisés comme agent oxydant, et injectés soit dans le gaz vecteur chaud soit utilisés totalement ou partiellement comme gaz vecteur. L'objet de l'invention est un procédé pour la combustion partielle et la gazéification de matière carbonée per- mettant un mélange rapide, efficace de l'agent oxydant et du porteur de carbone, donnant une courte distance de mélange et une grande plage de contrôle indépendam- ment de l'emplacement du front de flammes, et apportant une vitesse de réaction considérablement plus élevée par la fourniture directe d'énergie thermique à l'agent oxydant et au combustible utilisés. L'invention a également pour objet un brûleur combiné pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans le procédé décrit en l'introduction, les objectifs ci-dessus sont réalisés par production d'un courant ga- zeux chaud dans un générateur de plasma et introduction du gaz dans une 'chambre à réaction, la matière carbonée pulvérulente étant introduite de manière concentrique autour du courant gazeux chaud à l'aide du gaz transpor- teur. Le gaz transporteur peut être constitué par un agent oxydant, par exemple des produits de combustion (02, C02, H20) ou du gaz recirculé. Il est conféré au gaz plasma un mouvement rotatoire dans le générateur de plasma, de sorte qu'à la sortie du générateur de plasma, une vigoureuse turbulence est réalisée dans la matière carbonée à écoulement concen- trique, tandis que simultanément, le courant central de gaz chaud réchauffe instantanément le mélange de matières à la température de la réaction. L'agent oxydant est constitué de préférence par 02' C02, de la vapeur d'eau, de l'air ou un mélange de ces pro- duits, tandis que la matière carbonée est constituée par de la poussière de charbon, de coke, de charbon de bois, par de la tourbe et/ou des copeaux. Le générateur de plasma pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est constitué par des électrodes cylindriques entre lesquelles est produit un arc élec- trique, un tube d'alimentation pour l'introduction d'un gaz vecteur dans le générateur de plasma, des moyens pour conférer un composant de vitesse tangentiel au courant gazeux chaud produit dans le générateur de plasma, un tube extérieur disposé autour du générateur de plasma pour former un espace annulaire entre l'ex- térieur du générateur de plasma et le tube extérieur, au moins à l'extrémité de sortie du générateur de plasma, et des organes pour l'alimentation de matière porteuse de carbone dans l'espace annulaire. Une chambre de pressurisation peut être disposée de préférence en liaison avec le côté entrée de l'espace annulaire, dans laquelle des lances sont disposées pour la fourniture de matière carbonée afin de conférer à la matière carbonée un composant de vitesse tangentielle pour réaliser une distribution uniforme de la matière dans l'espace annulaire. En variante, un tube de protection interne peut être disposé avec des guides extérieurs,par exemple sous forme de lames pour conférer un mouvement rotatoire, de préférence dans une direction opposée à celle du gaz plasma. Dans ce cas, l'espace annulaire pour l'in- troduction de la matière pulvérulente est formé par le tube extérieur et le tube intérieur. Outre le fait qu'il permet un mélange plus rapide, ce dispositif provoque une usure réduite du générateur de plasma. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription détaillée ci-après et en regard des dessins annexes o les figures représentent: - Figure 1: le générateur de plasma selon l'invention; - Figure 2: un môde de réalisation constituant une variante du générateur de plasma selon la Figure 1; et - Figure 3: un mode de réalisation quelque peu modifié du générateur de plasma selon la Figure 2. La Figure 1 représente donc un brQleur selon l'invention, avec un générateur de plasma 1. Ce générateur de plasma est du type classique, avec des électrodes cylindriques entre lesquelles est créé un arc. Un gaz vecteur est injecté à travers un tube d'alimentation 2 et chauffé lors de son passage à travers l'arc. Outre l'acquisitiond'un composant de vitesse axiale dans le générateur de plasma, le gaz vecteur acquiert également un composant de vitesse tangentielle, de sorte que le gaz plasma est en rotation énergique à la sortie du générateur de plasma. Placé autour de la partie frontale du générateur de plasma, il y a un tube extérieur 4 soudé au générateur de plasma en 5. Dans le mode de réalisation représenté, le tube extérieur est pourvu d'une bride 6 pour le mon- tage sur une chambre de combustion ou de gazéification. Cela indique que le tube extérieur peut être fixé en permanence à la paroi, facilitant ainsi considérable- ment l'enlèvement et la remise en place du générateur de plasma. Dans ce cas, le tube extérieur est de pré- férence refroidi à l'eau et, en le laissant dépasser légèrement de la paroi de la chambre, le tube extérieur peut également fonctionner comme tuyère. Du combustible sec, pulvérulent est introduit à travers le tube 7 dans l'espace annulaire 8 formé entre le générateur de plasma et le tube extérieur. Selon le - mode de réalisation représenté, une chambre de pressu- risation 9 est disposée du côté de l'entrée de l'espace annulaire, l'orifice du tube d'alimentation 7 étant dans cette chambre. Ceci assure une distribution plus uniforme de la matière dans l'espace annulaire. La Figure 2 représente une variante du générateur de plasma selon la Figure 1. Un tube de protection interne est disposé autour de l'extrémité libre 3 du géné- rateur de plasma, entouré par le tube extérieur 4. A l'extérieur du tube protecteur interne 10, se trouvent des lames 11-14, destinées à conférer à la matière pulvérulente introduite, une direction de rotation opposée à celle du gaz plasma produit.- Ceci procure un mélange meilleur et plus rapide ainsi qu'une protection du générateur de plasma contre l'usure. La Figure 3 représente cependant un autre mode de réa- lisation du générateur de plasma selon la Figure 2. Le tube extérieur, désigné ici par 15, est refroidi à l'eau, l'agent de refroidissement étant alimenté en 16 dans l'espace 17. Dans ce mode de réalisation, le tube extérieur, refroidi à l'eau, a la forme d'une tuyère prolongée, destinée à remplacer une tuyère classique. L'exploitation du dispositif sera décrite avec plus de détails ci-dessous. Un gaz vecteur, comprenant de préférence une partie de l'agent oxydant utilisé, est chauffé dans le générateur de plasma et sort de celui-ci sous la forme d'un noyau chaud de gaz plasma en rotation. Cela enflamme la ma- tière carbonée pulvérulente-et provoque une vigoureuse turbulence à l'intérieur de cette matière qui est introduite à travers l'espace annulaire 8, de préférence au moyen d'un agent oxydant tel que de la vapeur d'eau, de l'oxygène, de-l'air ou un mélange de ces produits. Contrairement à un brûleur à mazout, par exemple, lorsque l'inflammation est effectuée par le front de flamme dont l'emplacement est déterminé par les condi- tions d'écoulement, la température élevée du gaz plasma assure une inflammation stable, indépendante d'autres conditions. Ceci procure une plage de contrôle extrê- mement étendue pour le générateur de plasma, ainsi qu'une initiation considérablement plus rapide de l'in- flammation et, en conséquence, une vitesse de réaction totale plus élevée. Le gaz plasma chaud réduit aussi la nécessité pour de l'oxygène en excès afin de réaliser une combustion/ gazéification essentiellement complètes. De plus, une température de flamme extrêmement élevée est obtenue, nettement plus élevée que dans les brûleurs classiques. Il en résulte une proportion considérablement réduite en constituants indésirables dans le gaz après combus- tion/gazéification, tels que les carbone, alcools, phénols, méthane, goudrons, hydrocarbures lourds, etc., non brûlés/non gazéifiés. Un autre avantage important est qu'un excès d'énergie thermique indépendant de la combustion est fourni à travers le générateur de plasma. Ceci offre des pos- sibilités nettement plus étendues pour contrôler la composition des produits réactionnels, tout en permet- tant de réduire le risque de dépôt de suie. REVENDICATICNS 1. Procédé pour la combustion partielle et la gazéi- fication de matières carbonées atomisées, par introduc- tion d'un agent oxydant et de la matière carbonée dans une chambre à réaction, avec fourniture simultanée d'énergie thermique au moyen d'un générateur de plasma, procédé caractérisé en ce qu'un courant gazeux chaud contenant un agent oxydant est produit dans un générateur de plasma et introduit dans la chambre à réaction et que la matière carbonée pulvérulente est introduite de manière concentrique autour du courant gazeux chaud à l'aide d'un gaz vecteur. 2. Procédéselon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent oxydant utilisé est 02, C02, de la vapeur d'eau, de l'air ou un mélange d'un ou de plusieurs de ces composants. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'agent oxydant est utilisé comme gaz de transport pour la matière carbonée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'agent oxydant est chauffé partiellement ou totalement dans le générateur de plasma pour produire ce courant gazeux chaud. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que de la poussière de charbon, de la poudrede charbon de bois, de la tourbe ou des copeaux sont utilisés comme matière carbonée. 6. Moyen destiné à la combustion partielle et à la gazéification de matières carbonées atomisées par introduction d'un agent oxydant et de la matière carbonée dans une chambre à réaction, avec fourniture simultanée d'énergie thermique au moyen d'un générateur de plasma, pour réaliser l1 procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de plasma est constitué par des électrodes cylindriques entre les- quelles est produit un arc électrique, un tube d'ali- mentation pour l'introduction d'un gaz vecteur dans le générateur de plasma, des moyens pour conférer un composant de vitesse tangentielle au courant gazeux chaud produit dans le générateur de plasma, un tube extérieur disposé autour du générateur de plasma pour former un espace annulaire entre l'extérieur du générateur de plasma et le tube extérieur, au moins à l'extrémité de sortie du générateur de plasma, et des organes pour l'alimentation de matière porteuse de carbone dans l'espace annulaire. 7. Moyen selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une chambre de pressurisation est disposée en liaison avec le côté entrée de l'espace annulaire, pour effectuer une distribution uniforme de la matière por- teuse de carbone fournie. 8. Moyen selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tube d'alimentation pour la matière carbonée est disposé de façon à s'ouvrir tangentiellement vers la chambre de pressurisation. 9. Moyen selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un tube intérieur de protection est prévu, avec des lames montées de façon oblique pour conférer un mouvement rotatoire et protéger le générateur de plasma contre l'usure. 10. Moyen selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le tube extérieur est refroidi à l'eau. 11. Moyen selon la revendication 10, caractérisé en ce que le tube extérieur refroidi à l'eau a la forme d'une tuyère prolongée.