Brevet FR2595711A1 — publié le 19870918

L'invention a pour objet un mélange combustible fluide à trois composants principaux, à base de charbon, et un procédé pour le préparer. Le charbon est un combustible fossile abondant que L'on ne peut obtenir, à la sortie des mines de charbon, sans une quantité non négligeable de matières minérales stériles diverses, en quantité et en composition très variables. Non seulement ces matières minérales sont improductives de chaleur mais, en plus, elles donnent naissance à des sousproduits de combustion considérés comme des polluants du mi lieu environnant, comme les cendres et divers gaz, notammentceux qui dérivent du soufre. Plusieurs procédés sont connus dont le but est d'éliminer du charbon le maximum de matières minérales indésirables. Ce traitement nécessite une première opération de broyage du charbon à un degré de finesse poussé. Plus le charbon est broyé finement, plus la quantité résiduelle de cendre est faible après la séparation du charbon broyé et des matières minérales broyées. Par exemple pour un broyage du charbon brut à un degré de finesse inférieur à 80 microns (pour une fraction de 80 X au moins du charbon brut), on obtient après séparation un charbon traité dont la teneur en cendres ne dépasse pas 2 X Pour un broyage plus poussé, jusqu'à une gamme comprise entre 0 et 20 microns, la teneur en cendres du charbon traité ne dépasse pas 1 % dans la majorité des cas. Toutefois, quand le charbon est réduit en particules aussi fines, son utilisation dans cet état n'est pas possible. La technique classique consiste à agglomérer le charbon traité, c'est-à-dire décendré, en particules plus grosses, de l'ordre de quelques centimètres de-grosseur, que l'on peut facilement manutentionner et brûler à L'aide de moyens adaptés. La séparation du charbon et des matières minérales est exécutée après L'opération de broyage selon diverses méthodes connues. Une méthode classique consiste à utiliser de L'eau avec un agglomérant. Ce dernier tend à lier entre elles les particules fines de charbon; L'eau entrasse avec eLle les matières minérales stériles qui sont généralement hydrophiles. En pratique, on réalise une bouillie, couramment appelée slurry, à laquelle on fait subir une ou plusieurs opérations de filtration successives pour en retirer L'eau dans laquelle les matières stériles réduites en poussière sont en suspension. Ensuite on recueille les grains de charbon aggloméré et, même, on poursuit l'agglomération en vue de parvenir au produit finaL qui est du charbon aggloméré. On trouve un exemple typique de ce procédé classique dans le document US-A-4 248 698. Dans ce dernier, on prévoit l'emploi comme agglomérant de dérivés du pétrole ou de dérivés fluorochlorés de méthane ou d'éthane. Le charbon brut initialement réduit en particules fines comprises entre O et 50 microns est transformé en charbon décendré aggloméré en particules de 0,5 à 3 cm de grosseur. L'agglomérant est éliminé du charbon décendré aggloméré et récupéré. Le document précité mentionne que L'avantage procuré par les dérivés fluorochlorés est qu'ils sont plus facilement éliminables et récupérables à partir du charbon décendré aggloméré. L'invention procède d'une idée totalement opposée à celle sur laquelle est basé le procédé classique de décendrage du charbon. Selon L'invention, après avoir réduit Le charbon brut en particules dont La finesse est en rapport avec Le taux résiduel de cendres admissible dans le charbon décendré, de toute façon à une dimension maxima le inférieure à 200 microns, on réalise une bouillie comprenant principalement le charbon broyé, de L'eau et un agglomérant choisi parmi les dérivés du pétrole connus comme agglomérants et comme combustibles liquides; après séparation de L'eau et des matières minérales stériles entratnées par l'eau, on augmente la quan tité d'agglomérant jusqu a une proportion qui peut atteindre 35 % en poids, on agite fortement le mélange obtenu pour mettre les particules de charbon en suspension à L'état divisé dans L'agglomérant liquide.On ajoute encore un agent dispersant favorable au maintien du charbon en suspension dans l'agglomérant, en quantité qui n'a pas besoin de dépasser 1,5 % en poids, en général. Comme dérivé du pétrole, on utilise avantageusement du fuel-oil domestique,mais on peut employer une fraction plus Légère (pentane, hexane, heptane, etc...) ou une fraction plus lourde, ou des mélanges de ces dérivés, en fonction de la viscosité souhaitée du produit final. Un avantage du procédé de L'invention est qu'il n'oblige pas à éliminer totalement L'eau qui reste contenue dans le produit obtenu après séparation des matières minérales stériles entraînées par L'eau chargée, ni à éliminer l'ag- agglomérant, opération très coûteuse tant en investissements matériels qu'en mise en oeuvre. IL est avantageux, au contraire, selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de L'invention, de conserver de L'eau propre dans le produit obtenu afin de parvenir à un mélange essentiellement ternaire, répondant à la formule généra le suivante : - charbon décendré 40 à 60 % en poids - eau 16 à 35 % en poids - dérivé du pétrole 16 à 35 % en poids De préférence, on incorpore à ce mélange un agent tensioactif en proportion de 0,5 à 2 % en poids du poids total du mélange final. Cet agent tensioactif est choisi pour sa propriété de maintenir La suspension du charbon et la dispersion de L'eau dans le dérivé du pétrole par diminution de la tension interfaciale entre les deux liquides. Comme exemples d'agents tensioactifs convenables, on peut citer les tensioactifs non ioniques, comme ceux qui contiennent des motifs polyéthylène- glycol ou polypropyleneglycol, ou une combinaison de ces motifs; par exemple les phénols, les alkylphénols, les amines, Les diamines, les phosphates polyéthoxylés, polypropoxylés, ainsi que les polyéthylèneglycoLs, Les polypropylèneglycols, les polyalkylèneglycols, en général les molécules qui contiennent un ou plusieurs motifs polyalkoxylés. Dans l'esprit de L'invention, L'agglomérant ne joue un rôle d'aggLomération que d'une manière Limitée et momentanée puisqu'on souhaite finalement que les particules de charbon restent en suspension à L'état dispersé, non aggloméré, dans le mélange final. Pendant la séparation, L'agglomérant mouille et retient principalement les particules hydrophobes du charbon pendant que les particules hydrophiles des matières stériles sont mouillées et entraînées par L'eau. En outre, dans le mélange final l'agglomérant est un combustible propre à haut pouvoir calorifique qui contribue au pouvoir calorifique du mélange. Par exempLe, dans un mélange de composition - charbon décendré à 1 X, type FReyming de PCI 7800 Kcal/kg (32600 kJ) 50 % en poids - fuel-oil domestique 20 % en poids - eau 30 % en poids (sans tenir compte de L'agent tensioactif) dont le PCI est de 5900 Kcal/kg (24 662 kJ), on constate que Le charbon contribue à ce dernier pour 66 % environ et Le dérivé du pétroLe pour 34 X environ. De plus, ce mélange ne renferme que 0,5 % en poids de cendres correspondant à une teneur de 0,203 x 10 g de cendres/Joule,teneur qui est inférieure à la teneur admise par La législation française (0,234 x 10 6 g/J.). Ces chiffres sont à comparer avec ceux des mélanges charbon/eau concentrés connus contenant 70 % de charbon et 30 % d'eau. Le PCI d'un tel mélange n'est que de 5145 Kcal/ kg (21 506 kJ) et renferme environ 6 % de cendres correspondant à 2,785 x 10 6 9 de cendres par Joule. D'autre part, en termes de viscosité, les mélanges décrits par L'invention s'échelonnent sur une gamme allant de 20 Pa > à 150 Selon la granu Lométrie du charbon utilisé contre des viscosités de L'ordre de 200 PeA pour les me langes charbon/eau 70/30 classiques. Un mélange conforme à L'invention ne comporte aucune difficulté pendant la combustion. Le préchauffage du foyer de combustion n;est pas nécessaire; l'allumage est simplifié par la présence du combustible liquide, de sorte qu'un fonctionnement par intermittence est possible sans difficulté. Le procédé de l'invention a encore L'avantage de ne pas imposer de limite inférieure à La dimension des particules du charbon à traiter. Il est favorable par conséquent à la réalisation d'un décendrage poussé du charbon. Actuellement, la règlementation française impose, pour la réduction de La pollution atmosphériqe, une teneur en cendres entraînées par les gaz de combustion de 1 g par thermie (lu/4180 kJ) produite dans les générateurs de puissance inférieure à 3000 thermies/heure (12.540.1û3 kJ). Pour un charbon dont le PCI est de 7500 KcalSkg (31.350 kJ), sa teneur en cendres doit être inférieure à 0,75 x si il est brûlé pur. Des teneurs aussi basses ne peuvent être obtenues qu'avec une quantité limitée de charbon et ce pour un coût élevé. Le mélange décrit par L'invention, grâce à la présence d'une fraction d'hydrocarbure liquide autorise l'uti- lisation de charbons décendrés à une teneur d'environ 1 %. Pour purifier un charbon jusqu une telle teneur en cendres inférieures à 1 %, le broyage doit être réalisé jusqu a ce que toutes les particules aient une grosseur intérieure à 20 microns. Le procédé de L'invention est parfaitement compatible avec cette condition, à un coût admissible au point de vue économique. Au contraire, plus les particules sont fines, plus il est certain qu'elles resteront en suspension dans le mélange fluide combustible de L'invention et qu'aucune sédimentation ne sera à craindre. On donnera maintenant une description d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de L'invention en se reportant à la figure unique annexée qui est une représentation schématique d'une installation utilisable pour L'emploi du procédé. On part d'un charbon pulvérulent de granulométrie courante dans L'industrie; par exemple en particules de dimensions maximales inférieures à 2 mm environ; dans un broyeur, par exemple un broyeur à boulets, on réduit les particules à une grosseur inférieure à 200 microns. Dans un bac 1, on introduit par une conduite 2 le charbon ainsi prébroyé et par une conduite 3 de l'eau. A L'aide d'un agitateur 4, on réalise une suspension homogène à une concentration de 30 à 40 % en poids de charbon par rapport au poids du mélange. A partir de ce stade, le produit traité est pompable et il le restera jusqu'à l'obtention du mélange final qui est également pompable. Par une pompe 5 on envoie la suspension du bac 1 dans un broyeur à billes 6 où on réduit la dimension des particules à une grosseur maximale de 20 pm. Cette opération de réduction du charbon en grains de grosseur inférieur à 200 wm, selon la teneur finale désirée en cendres, pourrait être exécutée à L'aide d'autres moyens équivalents. Le mélange eau-charbon broyé finement est envoyé par une conduite 7 dans une cuve 8 où on ajoute de L'eau par une conduite 9. Un agitateur 10 permet de réaliser une boue homogène (slurry) contenant 10 à 15 % en poids de charbon. L'agglomérant (du fuel-oil domestique) contenu dans une cuve 11 est repris par une pompe doseuse 12 en même temps que Le mélange de La cuve 8 pour réaliser un mélange ternaire homogène charbon-eau-hydrocarbure. La proportion de ce dernier dépend de la grosseur des particules du charbon broyé; elle est comprise entre 30 % du poids du charbon broyé quand celui-ci a été réduit en particules d'une grosseur moyenne de 10 microns et 5 % du poids du charbon pour une grosseur moyenne voisine de 100 microns. Dans le présent exemple avec une bouiLLie composée de 15 X en -poids de charbon broyé à une grosseur moyenne de 15 microns, on ajoute une quantité de fuel domestique égale en poids à 30 % du poids du charbon. La sortie de la pompe doseuse 12 est raccordée à une canalisation 13 sur laquelle est monté un agitateur 14. Tout agitateur dynamique en Ligne connu peut convenir. Il est préférable de se servir d'un agitateur capable de créer un taux de cisaillement élevé pour assurer une bonne dispersion de L'hydrocarbure élevé et pour favoriser au maximum la rencontre entre ce dernier et Les particules de charbon. Il se forme alors des agglomérats de faible importance, par exemple de pLusieurs dizaines de microns, de charbon, cependant que les particules fines des matières stériles restent dispersées en suspension dans l'eau. L'ensemble est envoyé dans un tamis vibrant 15 où on ajoute de L'eau de lavage par une conduite 16. Les agglomérats de charbon qui n'ont pas traversé le tamis sont envoyés dans un appareil 17 de filtration sous vide (un filtre sous pression pourrait être employé aussi) afin de concentrer le mélange en éliminant La partie de L'eau qui est en excédent par rapport à sa teneur finale désirée. A ce stade, la quantité d'eau éliminée est importante. Elle est exécutée jusqu'à ce que le charbon décendré représente environ 53 X de poids de matière solide par rapport au poids total du mélange qui est composé de charbon, d'eau et d'agglomérant hydrocarbure.La composition est typiquement la suivante, en poids du mélange total . charbon décendré 53 x environ eau 31,1 % environ fuel domestique 15,9 % environ Ce mélange est envoyé ensuite dans un bac de préparation finale 18 dans lequet est installé un agitateur 19 et où aboutissent une conduite d'hydrocarbure 20 et une conduite d'agent tensioactif 21. La quantité de fuel domestique ajoutée est déterminée pour que la proportion de ce dernier s'élève à 19 % environ, ce qui donne La composition finale suivante, en poids du mélange total : - charbon 50 X environ . eau 29,5 X environ - fuel domestique 19 % environ . agent tensioactif 1,5 % environ Le mélange ainsi formulé présente une viscosité inférieure à 100 Ps mesuré au viscosimètre DRAGE. L'agent tensioactif apporte une garantie supplémentaire d'absence de sédimentation et de conservation de L'homogénéité du mélange obtenu pendant le stockage jusqu' au moment de l'utilisation dans une cuve de stockage 22 et pendant Les transvasements qui suivront, principaLement au point de vue de L'émulsion de L'eau et de l'hydrocarbure. Dans un autre exemple, en utilisant La même installation et en broyant le charbon jusqu'à la même grosseur moyenne des particules, on a préparé avant Le bac de préparation finale 21 un mélange ayant la composition suivante : - charbon décendré 60 X environ - eau 22 X environ - fuel domestique 18 X environ Ensuite on a ajouté dans le bac 21 du fuel domestique et un agent tensioactif pour arriver à la composition finale suivante, en poids du mélange total :: . charbon 50 % environ . eau 18,3 X environ . fuel domestique 30 % environ agent tensioactif 1,5 % environ La viscosité de ce tel mélange est de 130 Pz 5 mesuré au viscosimètre DRAGE. On remarquera que L'adjonction d'hydrocarbure liquide, qui est exempt de cendres, permet d'obtenir un mélange ternaire fluide à taux de cendres réduit. Il suffit de décendrer le charbon jusqu'à un pourcentage de 0,8 % pour que, dans un mélange final où L'hydrocarbure et L'eau entrent ensemble pour 50 %, on obtienne un taux de cendres de 0,40 %. Le broyage du charbon brut à une finesse de O à 20 um convient bien parce que cette valeur permet d'éliminer les cendres, comme expliqué plus haut, jusqu'à un taux résiduel de cendres ne dépassant pas 1 %, avec-la plupart des charbons. Ensuite, après adjonction d'eau et d'hydrocarbure aux proportions indiquées, le taux de cendres du mélange ternaire fluide est abaissé jusqu'à 0,50 % au moins. On peut trouver certaines qualités de charbon qui ne permettent pas d'atteindre une teneur en cendres inférieure à 1 % en une seule étape de décendrage telle que décrite ci-dessus conformément au procédé de L'invention. IL est possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'appliquer le procédé en deux étapes. La première étape consiste à broyer le charbon à décendrer à un degré de finesse moyenne (par exemple environ 6Q pm, avec 80 % des grains à grosseur -infé- rieure à 80hum) et à le traiter comme expliqué plus haut en ajoutant une quantité réduite d'agglomérant en relation avec la grosseur des grains broyés (par exemple 5 % environ en poids par rapport au poids du charbon). Ceci permet d'abaisser le taux de cendres à une teneur voisine de 2 % avec la plupart des charbons. Après filtrage, lavage et éLimination de L'eau comme expliqué plus haut, on fait subir alors à ce charbon déjà traité une fois un broyage plus poussé jusqu'à une granu lométrie comprise entre 0 et 20ftm (valeur moyenne 10/ > m) comme mentionné plus haut. On le traite à nouveau comme déjà décrit en y ajoutant le complément d'agglomérant jusqu'à La valeur indiquée (par exemple jusqu'à 30 %). La teneur en cendres du charbon traité une deuxième fois par Le procédé de L'invention ne dépasse pas alors 1 % dans la plupart des cas. Ce second traitement est poursuivi jusqu'à L'obtention du mélange ternaire désiré. L'invention ne s'oppose pas à L'adjonction au mélange défini plus haut de divers adjuvants, ainsi qu'tl est connu en soi dans le domaine des combustibles liquides, sans changement substantiel des proportions relatives des trois composants principaux. REVENDICATIONS 1. Mélange fluide à trois composants principaux, base de charbon, caractérisé en ce que ces trois composants sont présentés dans les proportions relatives suivantes : . charbon en particules de grosseur ne dépassant pas 200 lin 40 à 60 % . eau 16 à 35 % . combustible liquide agglomérant dérivé du pétrole 16 à 35 % ces proportions s'entendant en poids du poids total, de ces trois composants principaux. 2. Mélange fluide selon la revendication 1, contenant en plus un agent tensioactif, caractérisé en ce que les composants sont présents dans les proportions relatives suivantes . charbon 40 à 58 % . eau 16 à 35 % . dérivé du pétrole 16 à 35 % . agent tensioactif 0,5 à 2 % ces proportions s'entendant en poids du poids total de ces quatre composants. 3. Mélange selon l'une quelconque des revendications 1, 2, caractérisé en ce que le charbon est en particu- les d'une grosseur ne dépassant pas 20 pm à teneur résiduelle en cendres égal à 1 % environ. 4. Mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dérivé du pétrole est choisi parmi les corps suivants, fuel-oil domestique, fraction plus légère que le fuel-oil domestique telle que le pentane, l'hexane, L'heptane, fraction plus lourde que le fuel-oil domestique, un mélange de ces corps. 5. Mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que L'agent tensioactif est choisi parmi les tensioactifs non ioniques contenant au moins un motif polyéthylèneglycol ou polypropylèneglycol, tels que Les phénols, alkylphénols, amines, diamines, phosphates polyéthoxylés, polypropoxylés, les corps contenant au moins un motif poLyalkoxylé tels que les polyéthylèneglycols, les polypropyleneglycols. les poLyalkyleneglycols. 6. Procédé de-préparation d'un mélange fluide ternaire, à trois composants principaux, à partir de charbon brut contenant des matières stériles, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes : - on réduit le charbon en particules dont la grosseur n'excède pas 200 pm, - on prépare un mélange homogène du charbon broyé obtenu et d'eau, - on ajoute à ce mélange un combustible liquide agglomérant dérivé du pétrole et on agite pour obtenir un mélange ternaire homogène comprenant du charbon et du combustible Liquide en proportion comprise entre 30 % environ en poids de ce combustible Liquide par rapport au poids du charbon quand celui-ci est en particules d'une grosseur moyenne de 10 microns et 5 % environ en poids de ce combustible liquide par rapport au poids du charbon quand celui-ci est en particules d'une grosseur moyenne voisine de 100 microns, - on filtre et on Lave le mélange pour éliminer Les matières stériles, - on élimine L'eau jusqu a une teneur qui correspond à sa teneur finale désirée, comprise entre 16 et 35 % en poids du mélange final, - on ajoute du combustible Liquide agglomérant derivé du pétrole jusqu'à lui donner une teneur comprise entre 16 et 35 X en poids du mélange final. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on ajoute au mélange un agent tensioactif en proportion comprise entre 0,5 X et 2 X en poids du mélange final. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on réduit le charbon en particules de grosseur moyenne inférieure à 15 microns, de préférence comprise entre 5 microns et 20 microns. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on utilise comme combustible agglomérant dérivé du pétrole au moins l'un des corps suivants, fuel-oil domestique, une fraction plus légère que le fuel-oil domestique telle que le pentane, l'hexane, l'heptane, une fraction plus lourde que le fuel-oil domestique. 10. Procédé de préparation d'un mélange fluide ternaire à trois composants principaux, à partir de charbon brut contenant des matières stériles caractérisé en ce que l'on applique une première fois à ce charbon les opérations du procédé de la revendication 6 jusqu'à l'élimination de I' eau, en broyant ce charbon à une première grosseur moyenne de 60 lim et en employant une quantité réduite de combustible liquide agglomérant égale à 5 % environ du poids par rapport au poids du charbon, on applique ensuite une deuxième fois à ce charbon le procédé de La revendication 6 jusqu'à l'obtention du mélange ternaire désiré en le soumettant à une opération de broyage qui lui donne une grosseur moyenne de 10 lim et en employant une quantité de combustible liquide agglomérant complémentaire jusqu'à 30 % en poids par rapport au poids du charbon, et en exécutant ensuite les opérations de filtrage, Lavage, élimination de l'eau et adjonction finale de combustible liquide agglomérant.