"Nouvel appareillage pour l'hydrogénopyrolyse du charbon et
du lignite" Depuis très longtemps la pyrolyse du charbon et du lignite est pratiquée à l'échelle industrielle, en vue de séparer ces combustibles en une fraction "matières volatiles", comportant des produits hydrocarbures liquides et gazeux, et en une fraction "carbone fixe" constituée par le résidu solide.
Il est bien connu que, pour un type de combustible donné, le rapport pondéral entre ces deux fractions dépend des conditions, dans lesquelles s'effectue la pyrolyse, et que le rendement en matières volatiles peut être largement accru par deux artifices :
- le chauffage très rapide du combustible solide, et
- la réalisation de la pyrolyse en présence d'un gaz à forte teneur en hydrogène, maintenu sous pression élevée.
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dépend, dans une large mesure, de la possibilité de réaliser un appareillage capable d'assurer un chauffage rapide du charbon dans une enceinte sous pression, en présence d'un gaz riche en hydrogène. Pour atteindre ces objectifs il est nécessaire que le combustible solide soit finement broyé et ceci a conduit à la réalisation de différents appareillages, dans lesquels sont utilisées les techniques de traitement en lit fluidisé et les techniques par entraînement du charbon dans un gaz porteur.
Les appareillages existants pour la réalisation du procédé différent entre eux par les moyens adoptés pour assurer l'apport de chaleur nécessaire à l'échauffement du combustible solide jusqu'à la zone de température, qui permet sa dissociation, cette zone pouvant se situer entre 500[deg.] C et
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matières volatiles sous forme liquide ou sous forme gazeuse.
L'appareillage conforme à l'invention est destiné à réaliser l'opération d'hydrogénopyrolyse dans un réacteur à lit fluidisé mouvant (moving fluidized bed) opérant sous haute pression et dans lequel la fluidisation est assurée par un
gaz riche en hydrogène, à température élevée, utilisé tout à
la fois comme agent de fluidisation, comme réactif chimique
et comme porteur de la chaleur nécessaire à l'échauffement du combustible solide.
La conception de cet appareillage permet de préchauffer le gaz à une température très élevée, ce qui a pour résultat de réduire le débit gazeux nécessaire au transfert de chaleur et, par le fait même, de réduire la dépense d'énergie nécessaire pour le chauffage de l'installation et pour la compression du gaz et de réduire les dimensions des installations de dépoussiérage, de refroidissement et de traitement du gaz,
à l'aval du réacteur.
Pour atteindre ces objectifs, l'appareillage conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de chauffage du gaz par arc électrique (torche à plasma), dont la puissance permet de porter le gaz à une température de l'ordre de 2000[deg.] C, et un réacteur de fluidisation, à la base duquel le charbon est introduit sous pression par un alimentateur latéral de type classique, dispositif de chauffage et réacteur étant disposés de bas en haut à l'intérieur d'une enveloppe métallique cylindrique de grande hauteur et d'assez faible diamètre, et un échangeur de chaleur constitué de surfaces métalliques, dont l'une des faces est en contact direct avec le lit de combustible solide et dont l'autre face est refroidie par la circulation d'un gaz ou d'un liquide.
Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, l'échangeur de chaleur est disposé à l'intérieur de l'enveloppe, au-dessus du réacteur de fluidisation.
La disposition d'une installation conforme à l'invention est donnée, à titre d'exemple uniquement, dans les dessins annexés montrant en :
Figure 1 un schéma de circulation (flow sheet) des matières ; Figure 2 une coupe par un plan vertical passant par l'axe du réacteur, et Figure 3 une coupe par un plan horizontal passant par le plan médian de la torche à plasma.
Dans l'installation représentée en figure 1 le charbon broyé introduit par la trémie 1 passe dans un sas 2, où il est porté à la pression de fonctionnement du réacteur par une injection d'azote ou de tout autre gaz inerte. Par la vis d'alimentation 3 il est transféré à la base du réacteur 4, dans lequel il est fluidisé par un courant ascensionnel de gaz très chaud à haute teneur en hydrogène. Il passe ensuite dans l'échangeur de chaleur 5 constitué par un lit fluidisé entouré d'une enveloppe, dans laquelle le fluide de refroidissement circule à contre courant.
Le charbon sort de l'échangeur de chaleur 5 à une température de l'ordre de 300[deg.] C ; il est transporté pneumatiquement vers le cyclone 6 dans lequel s'effectue la séparation de la phase solide, constituée par le carbone fixe (char), et de la phase gazeuse constituée par le mélange du gaz porteur et des matières volatiles. La phase gazeuse passe ensuite dans un échangeur tubulaire 7 alimenté en eau par la tubulure 8 et dans lequel s'effectue la séparation des gaz permanents et des produits condensables résultant de la pyrolyse du charbon.
Les produits liquides sont évacués par la tubulure 9. L'excédent de gaz est évacué par la tubulure 10. Le gaz à haute teneur en hydrogène nécessaire au fonctionnement du
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presseur 12, qui assure sa recirculation. Il passe ensuite dans l'enveloppe extérieure de l'échangeur 5, où il est préchauffé jusqu'à une température voisine de la température du charbon qui sort du réacteur de pyrolyse.
Le gaz est alors repris par la tubulure 13 pour
être injecté entre les électrodes de la torche à plasma 14, dont les électrodes sont alimentées en courant à haute tension par le circuit électrique 15.
La traversée de l'arc électrique porte le gaz au voisinage de 2000[deg.] C et c'est ce gaz à très haute température qui est injecté de bas en haut dans le réacteur 4.
La figure 2 donne quelques détails constructifs de l'appareillage, qui comporte notamment un water-jacket 16 destiné à refroidir les électrodes et le cône d'alimentation du gaz dans le réacteur de fluidisation 5, et un passage rétréci
17 destiné à séparer la zone chaude du réacteur 5 de la zone
de refroidissement du combustible dans l'échangeur 6. L'ensemble de l'appareillage est contenu dans une enveloppe métallique 18 capable de résister aux pression utilisées pour le traitement d'hydrogénopyrolyse et qui est séparée des parois du réacteur par une couche de matériaux isolants d'épaisseur appropriée.
On a déjà signalé que l'utilisation de l'appareillage conforme à l'invention permet de réduire au minimum le débit gazeux nécessaire au traitement d'hydrogénopyrolyse. Deux autres avantages peuvent être portés à son actif :
- le passage du gaz recyclé dans l'arc électrique de la torche à plasma a pour effet de crackar les molécules de méthane et d'hydrocarbures présentas dans le gaz recyclé, ce qui entraîne une élévation de sa teneur en hydrogène ;
- la traversée de l'arc électrique produit une ionisation élevée de l'hydrogène et cette ionisation entraîne un accroissement de réactivité, qui améliore le rendement de l'hydrogénopyrolyse.
REVENDICATIONS
1. Appareillage pour la réalisation de l'hydrogénopyrolyse du charbon et du lignite, constitué d'un réacteur à lit mouvant, fluidisé par un gaz sous pression riche en hydrogène, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de chauffage du gaz par arc électrique (torche à plasma), dont la puissance permet de porter le gaz à une température de l'ordre de 2000[deg.] C, et un réacteur de fluidisation, à la base duquel le charbon est introduit sous pression par un alimentateur latéral de type classique, dispositif de chauffage et réacteur étant disposés de bas en haut à l'intérieur d'une enveloppe métallique cylindrique de grande hauteur et d'assez faible diamètre, et un échangeur de chaleur constitué de surfaces métalliques,
dont l'une des faces est en contact direct avec le lit de combustible solide et dont l'autre face est refroidie par la circulation d'un gaz ou d'un liquide.
"New equipment for the hydrogenopyrolysis of coal and
lignite "For a very long time pyrolysis of coal and lignite has been practiced on an industrial scale, with a view to separating these fuels into a" volatile matter "fraction, comprising liquid and gaseous hydrocarbon products, and into a" fixed carbon fraction " "consisting of the solid residue.
It is well known that, for a given type of fuel, the weight ratio between these two fractions depends on the conditions under which the pyrolysis takes place, and that the yield of volatile materials can be greatly increased by two devices:
- very rapid heating of solid fuel, and
- Performing pyrolysis in the presence of a gas with a high hydrogen content, maintained under high pressure.
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depends, to a large extent, on the possibility of producing an apparatus capable of ensuring rapid heating of the coal in a pressurized enclosure, in the presence of a gas rich in hydrogen. To achieve these objectives, the solid fuel must be finely ground and this has led to the production of various apparatuses, in which the fluidized bed treatment techniques and the techniques by entraining coal in a carrier gas are used.
The existing equipment for carrying out the process different from one another by the means adopted to ensure the supply of heat necessary for the heating of the solid fuel up to the temperature zone, which allows its dissociation, this zone possibly being between 500 [deg.] C and
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volatile matter in liquid or gaseous form.
The apparatus according to the invention is intended to carry out the hydrogen-pyrolysis operation in a moving fluidized bed reactor operating under high pressure and in which the fluidization is ensured by a
gas rich in hydrogen, at high temperature, used quite
both as a fluidizing agent, as a chemical reagent
and as a carrier of the heat necessary for heating the solid fuel.
The design of this apparatus makes it possible to preheat the gas to a very high temperature, which has the result of reducing the gas flow required for heat transfer and, thereby, reducing the energy expenditure required for heating the the installation and for the compression of the gas and to reduce the dimensions of the dedusting, cooling and gas treatment installations,
downstream of the reactor.
To achieve these objectives, the apparatus according to the invention is characterized in that it comprises a device for heating the gas by electric arc (plasma torch), the power of which makes it possible to bring the gas to a temperature of order of 2000 [deg.] C, and a fluidization reactor, at the base of which the coal is introduced under pressure by a lateral feeder of conventional type, heating device and reactor being arranged from bottom to top inside a cylindrical metallic shell of great height and of relatively small diameter, and a heat exchanger made up of metallic surfaces, one of the faces of which is in direct contact with the solid fuel bed and the other side of which is cooled by the circulation of a gas or a liquid.
According to an advantageous embodiment of the invention, the heat exchanger is arranged inside the envelope, above the fluidization reactor.
The arrangement of an installation in accordance with the invention is given, by way of example only, in the appended drawings showing in:
Figure 1 a flow sheet of materials; Figure 2 a section through a vertical plane passing through the axis of the reactor, and Figure 3 a section through a horizontal plane passing through the median plane of the plasma torch.
In the installation shown in FIG. 1, the ground coal introduced by the hopper 1 passes through an airlock 2, where it is brought to the operating pressure of the reactor by an injection of nitrogen or any other inert gas. By the feed screw 3 it is transferred to the base of the reactor 4, in which it is fluidized by an upward flow of very hot gas with high hydrogen content. It then passes into the heat exchanger 5 constituted by a fluidized bed surrounded by an envelope, in which the cooling fluid circulates against the current.
The coal leaves the heat exchanger 5 at a temperature of the order of 300 [deg.] C; it is transported pneumatically to cyclone 6 in which the separation of the solid phase, consisting of fixed carbon (char), and of the gaseous phase consisting of the mixture of carrier gas and volatile materials takes place. The gas phase then passes through a tubular exchanger 7 supplied with water through the pipe 8 and in which the separation of the permanent gases and the condensable products resulting from the pyrolysis of the coal takes place.
Liquid products are evacuated through tubing 9. Excess gas is evacuated through tubing 10. Gas with a high hydrogen content necessary for the operation of the
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presser 12, which ensures its recirculation. It then passes into the outer shell of the exchanger 5, where it is preheated to a temperature close to the temperature of the coal leaving the pyrolysis reactor.
The gas is then taken up by the pipe 13 to
be injected between the electrodes of the plasma torch 14, the electrodes of which are supplied with high voltage current by the electrical circuit 15.
The crossing of the electric arc brings the gas to the vicinity of 2000 [deg.] C and it is this gas at very high temperature which is injected from bottom to top in the reactor 4.
FIG. 2 gives some constructive details of the apparatus, which in particular comprises a water-jacket 16 intended to cool the electrodes and the cone for supplying gas to the fluidization reactor 5, and a narrowed passage
17 intended to separate the hot zone of reactor 5 from the zone
for cooling the fuel in the exchanger 6. The entire apparatus is contained in a metal casing 18 capable of withstanding the pressures used for the treatment of hydrogen pyrolysis and which is separated from the walls of the reactor by a layer of insulating materials of appropriate thickness.
It has already been reported that the use of the apparatus in accordance with the invention makes it possible to minimize the gas flow rate necessary for the treatment of hydrogenopyrolysis. Two other advantages can be credited to his credit:
- the passage of the recycled gas in the electric arc of the plasma torch has the effect of cracking the molecules of methane and hydrocarbons present in the recycled gas, which leads to an increase in its hydrogen content;
- the crossing of the electric arc produces a high ionization of hydrogen and this ionization leads to an increase in reactivity, which improves the yield of hydrogenopyrolysis.
CLAIMS
1. Apparatus for carrying out the hydrogenopyrolysis of coal and lignite, consisting of a moving bed reactor, fluidized by a pressurized gas rich in hydrogen, characterized in that it comprises a device for heating the gas by arc electric (plasma torch), whose power makes it possible to bring the gas to a temperature of the order of 2000 [deg.] C, and a fluidization reactor, at the base of which the coal is introduced under pressure by a lateral feeder of conventional type, heating device and reactor being arranged from bottom to top inside a cylindrical metal casing of great height and of relatively small diameter, and a heat exchanger made up of metal surfaces,
one side of which is in direct contact with the solid fuel bed and the other side of which is cooled by the circulation of a gas or a liquid.