Brevet FR2607824A1 — publié le 19880610

Procédé de fabrication d'un gaz approprié pour la production d'énergie La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un gaz approprié pour la production d'énergie par gazéification de charbon à contrecourant de l'air dans une cuve, afin de générer un gaz ayant une température d'environ 500 C, et contenant, en plus de H2, CO et N2, des composés du sou- fre et des substances goudronneuses, ledit gaz étant soumis à des opérations d'élimination des substances goudronneuses avant d' être conduit à travers une cuve de dolomite ou de chaux pour éliminer les composés du soufre. L'utilisation de charbon pour la production d'énergie est nette- ment entravée par de sérieux facteurs environnementaux, associés avec la combustion du charbon. Le problème principal est la décharge des subs- tances acidifiantes tels que les oxydes de soufre et d'azote. Des tentati- ves ont été faites pour résoudre ce problème dans une certaine mesure par différentes étapes de lavage, mais celles-ci augmentent considérablement les couts de fabrication et il est extrêmement difficile ou impossible avec les techniques classiques d'atteindre le degré de purification qui serait exigé si le charbon était accepté comme une des principales matières premières pour la production d'énergie. On peut résoudre ces problèmes en gazéifiant d'abord le charbon et en produisant ensuite l'énergie par combustion du gaz généré. Il est re- lativement facile d'obtenir un degré de purification élevé, c'est-à-dire supérieur à 95 y, du soufre dans le gaz de houille réducteur et, étant donné que la combustion est alors celle d'un carburant gazeux,elle peutêtreagencée de laçonqu'il se forme nettement moins d'oxyde d'azote que ce ne serait pos- sible avec des carburants solides ou gazeux. La gazéification offre également -2-- 2607824 -2- 1 de meilleures solutions à divers autres problèmes environnementaux de la combustion de charbon, telle que la décharge du mercure, des hydrocarbures polyaromatiques, des métaux lourds et des cendres volantes. Un effort considérable a été fait récemment pour développer un procédé de gazéification du charbon pour la production d'énergie, mais dans tous les cas, les coûts de production se sont avérés trop élevés. La raison principale en est la consommation élevée de gaz oxygène, en raison des coûts d'investissement élevés et de la consommation relativement importante d'électricité impliquée dans la production du gaz oxygène. De plus, dans la plupart des gazéificateurs de charbon, 10 à 20 % du gaz formé sont brûflés dans le réacteur de gazéification, afin de répondre aux exigences calori- ques de la gazéification et produire une température de réaction favorable. Des procédés simples et économiques de fabrication de gaz appro- prié à la production d'énergie sont les procédés de gazéification du charbon utilisant de l'air et consommant un minimum de charbon. Du charbon essentiellement en morceaux est gazéifié à contre-courant d'air de soufflage chaud dans un four à cuve. Le gaz formé est à une température d'environ 500 C et grâce à cette faible température, il comprend des quantités raisonnables de substances goudronneuses et de faibles quantités de charbon non brûlé sous forme de particules. Comme décrit dans les demandes de brevet suédoises 85 04 439-4 et 04 4402 du même demandeur, il a été proposé d'effectuer un crackage thermique des hydrocarbures contenus dans un gaz produit par gazéification de charbon par fourniture d'un gaz chauffé par générateur au plasma. Après crackage partiel, le gaz est conduit à travers un filtre à dolomite du type utilisé dans le procédé Wiber-Sbderfors. Un crackage complet des substances goudronneuses restantes est obtenu pendant le passage à travers le filtre, et le gaz est en même temps débarrassé du soufre. Un objectif de l'inven- tion est de poursuivre l'amélioration de la technique proposée dans les de- mandes de brevets mentionnées ci-dessus, en poursuivant la réduction de la consommation d'électricité. Le procédé selon la présente invention est basé sur la techni- que mentionnée en introduction, et il est caractérisé en ce que le gaz quit- tant la cuve est introduit dans unechambre en commun avec un gaz contenant de l'oxygène, afin d'effectuer un crackage au moins partiel des substances -3 - 1 goudronneuses se trouvant dans le gaz, la quantité d'oxygène ajoutée étant ajustée de façon que le quotient C02/C0 dans le gaz résultant ne dépasse pas 0,1, une température de 900 à 1.200 C étant maintenue dans ladite cham- bre et le gaz étant ensuite introduit dans la cuve à dolomite ou à chaux pour l'élimination des composés du soufre et de toutes substances goudron- neuses restantes et afin de gazéifier toutes particules de charbon. Selon un mode de réalisation de l'invention, de l'énergie est fournie dans la chambre de réaction afin d'atteindre les températures fa- vorables au crackage. Ceci peut être obtenu par préchauffage du gaz oxygéné avant sa pénétration dans la chambre. L'énergie est fournie de préférence en partie par préchauffage du gaz oxygéné et en partie par combustion par- tielle dans la chambre. Le gaz oxygéné est de préférence de l'air ou de l'air enrichi en oxygène. L'intervalle de température est essentiel pour produire un crackage sans fusion, et quotient gazeux est essentiel pour se débarrasser du sou- fre et, bien entendu, pour la densité d'énergie du gaz produit. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention vont apparaître à l'aide de la description ci-après et de l'exemple fourni à titre illustratif. La cuve de gazéification est du type générateur de gaz utilisé généralement, en particulier en Angleterre, pendant la première moitié du vingtième siècle. Le fonctionnement de ces générateurs de gaz était entiè- rement assuré par du charbon en forme de morceaux et ils Droduisaient un car- burant gazeux ayant une teneur extrêmement élevée en goudron. Selon notre conception, le générateur fonctionne avec un soufflage d'air chaud et la cendre de houille est donc fondue en une scorie liquide, tout en permettant à une partie du charbon d'être sous forme de poussière de charbon, si l'é- quilibre thermique altéré est compensé par la température de soufflage. Transformer la poudre de charbon offre un rendement élevé en charbon, car des quantités négligeables restent dans la scorie, le volume de la cendre est grandement réduit et les vitesses de lixiviation sont considérablement réduites. Un autre avantage obtenu par la conversion des cendres de charbon en scories est que l'addition d'un formateur de scories peut être utilisée -4-_ 1 pour réguler la composition de la cendre pour la fabrication de matières - premières pour le ciment par exemple. Un inconvénient de ce type de gazéi- ficateur est que tous les types de charbon ne sont pas appropriés pour la gazéification à contre-courant avec une faible augmentation des températures. Cela s'applique principalement au charbon qui est converti en forme liquide par chauffage ou charbon qui "explose" en petites particules. Ceci est par- tiellement compensé par le fait que 70 % du produit de charbon brut sont injectablessous la forme de particules fines et les limitations décrites ci-dessus ne s'appliquent pas à ce pourcentage. Le gaz provenant de la cuve du générateur est mélangé avec de l'air afin de répondre aux besoins en oxygène pour le crackage des subs- tances goudronneuses. L'air est préchauffé de préférence pour éviter une teneur trop élevée en CO2 dans le gaz, étant donné que ceci aurait un effet négatif sur l'élimination subséquente du soufre. Toutefois, une partie des besoins d'énergie peut être couverte par une combustion par- tielle dans la chambre. Le quotient C02/C0 ne doit pas dépasser 0,1, pour donner une indication de la quantité de C02 qui peut rester dans le gaz. La température dans la chambre doit se situer dans l'intervalle de 900 à 1.200 C, de préférence environ 1.1000C. Le mélange et l'augmentation de la température ont ainsi lieu en une seule étape dans une chambre de mélange en relation directe avec la cuve de désulfuration dans laquelle le gaz reste alors pendant une durée suffisante pour permettre un crackage complet et une élimination du soufre. Le filtre à soufre est du type testé utilisé dans le procédé WiberSôderfors pour éliminer le soufre du gaz de réduction. Selon les mesures effectuées dans ce procédé sur des gaz comparables, la teneur en soufre du gaz évacué reste constamment entre 20 et 30 ppm, tandis que la dolomite est utilisée complètement jusqu'à une profondeur d'environ 6 mm, lorsque le gaz reste dans la cuve pendant environ 36 heures. La principale raison du fait que toute l'augmentation de température dans le gaz pénétrant dans le filtre n'est pas absorbée par la combustion partielle du gaz, est qu'alors le gaz pourrait acquérir un potentiel d'oxygène supérieur, détériorant ainsi les conditions d'élimination du soufre. Le grand avantage de l'élimina- tion du soufre lorsque l'agent éliminateur du soufre est en phase solide (au lieu d'être sous la forme d'une scorie par exemple) est que l'activité -5 - 1 de CaO reste proche de 1, produisant ainsi'une élimination plus complète du soufre et une consommation réduite de l'agent éliminateur de soufre. En plus des substances goudronneuses, le gaz quittant la cuve de gazéification contient également des quantités variables de fines parti- S cules de charbon. Celles-ci sont captées dans la cuve d'élimination du soufre et, étant donné que le gaz est légèrement oxydant (environ 5 % de CO2 + H20), elles seront gazéifiées lentement et la dolomite est de ce fait 2 20) pratiquement exempte de charbon lorsqu'elle est évacuée. La combinaison de la conversion des cendres en scories et du crackage dans les filtres à dolomites produit ainsi un rendement de pratiquement 100 % du charbon. L'éliminateur du soufre dans le filtre estde la dolomite brute qui est brûlée dans la partie supérieure de la cuve. Cela donne une addi- tion d'à peine 1 % et réduit la température du gaz de 50 à 75 C, de sorte qu'il quitte le filtre à environ 1.000 C. Le gaz purifié subit un échange thermique avec le soufflage d'air pénétrant et quitte l'installation de gazéification à environ 650 C. Le gazéificateur est conçu pour travailler dans une gamme de pression de 0 à 3 bars de surpression, en fonction de l'utilisation à laquelle le gaz est destiné. Le gaz produit présente une valeur thermique d'environ 4,6 MJ/m3N. La température de la flamme et la quantité de l'évacuation par unité d'é- nergie sont proches des valeurs atteintes lors de la combustion normale du fuel avec de l'air. Le gaz doit donc être considéré comme extrêmement appro- prié pour la production d'énergie. Exemple Le charbon est gazéifié dans une cuve à contre-courant d'un souf- flage d'air préchauffé. L'analyse du charbon donne la composition suivante: C 75,9% M 4,3 % 0 9,4 % N 1,3 % S 0,5 % Cendre 8,6 % Humidité 1 % - 6 - 1 Le gaz provenant de la cuve présente une température de 500 C et la composition suivante: C H 6,5 % nm Co2 1,8 % H20 1,4% CC 30,0 % N2 60,2 % H2S 0,1% 2 3 Stoechiométriquement, 29,3 m3N d'air par 100 kg de charbon sont nécessaires pour le crackage de tous les hydrocarbures du gaz en CO et H2. La température du gaz quittant la cuve de dolomite après la chambre de mélange est d'environ 1.000 C et sa composition est la suivante CO2 0,3 % H20 0,1 % H2 12,0 % CO 32,0 % N2 55,6 % L'équilibre entre CaO + H2S et CaS + H20 commande l'élimination du soufre et, pour le cas stoechiométrique,un rapport de H20:H2S de 180 est obtenu, ce qui correspond à une élimination à 99 % du soufre. Avec un mélange gazeux dans la chambre de mélange ayant une composition correspondant au quotient C02 + H20 _ _ _ _ _ _ _ _ _ = 0,075 C02 + B20 + CO + H2 64,1 m3N d'air par 100 kg de charbon sont nécessaires. Le gaz quittant le filtre de dolomite présente alors une température d'environ 1.1000C et la composition suivante: -* 2607824 - 7 - 1 CO2 1,9 % CO 28,4 % H20 1,6 % H2 9,7 % N 58,4 % H2S 0,009 % Dans ce cas, le degré d'élimination du soufre est de 87,5 %. -- 8 -- 1 Revendications 1. Procédé de fabrication d'un gaz approprié pour la production d'énergie par gazéification de charbon à contre-courant d'air dans une cuve, le gaz obtenu ayant une température d'environ 5000C et contenant, outre H2, CO et N2, des composés du soufre et des substances goudronneuses, lesdits gaz étant soumis à des procédés pour éliminer les substances goudronneuses avant d'être conduits à travers une cuve à dolomite ou à chaux pour élimi- ner les composés du soufre, caractérisé en ce que le gaz quittant la cuve est introduit dans une chambre en commun avec un gaz contenant de l'oxygène, pour effectuer un crackage au moins partiel des substances goudronneuses se trouvant dans le gaz, la quantité d'oxygène ajoutée étant ajustée de façon que le quotient C02/C0 dans le gaz résultant ne dépasse pas 0,1, une tem- pérature de 900 à 1.200 C étant maintenue dans ladite chambre et le gaz étant ensuite introduit dans la cuve à dolomite ou à chaux pour éliminer les composés du soufre et toute substance groudronneuse restante et pour gazéifier toute particule de charbon. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que de l'énergie est fournie par préchauffage du gaz contenant de l'oxygène avant sa pénétration dans la chambre. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz oxygéné est de l'air ou de l'air enrichi en oxygène. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que de l'énergie est fournie en partie par préchauffage du gaz oxygéné et en partie par combustion partielle dans la chambre.