EP0041460B1 - Perfectionnements aux procédés de pyrolyse et de traitement des résidus de pyrolyse - Google Patents

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EP0041460B1
EP0041460B1 EP81400881A EP81400881A EP0041460B1 EP 0041460 B1 EP0041460 B1 EP 0041460B1 EP 81400881 A EP81400881 A EP 81400881A EP 81400881 A EP81400881 A EP 81400881A EP 0041460 B1 EP0041460 B1 EP 0041460B1
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EP
European Patent Office
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pyrolysis
residues
furnace
materials
process according
Prior art date
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EP81400881A
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German (de)
English (en)
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EP0041460A3 (en
EP0041460A2 (fr
Inventor
Moussa Saadi
Rabah Bouchta
Chang Yul Cha
Mohamed Sdiqui
Bachir Barodi
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BUREAU DE RECHERCHES ET DE PARTICIPATIONS MINIERES
Original Assignee
BUREAU DE RECHERCHES ET DE PARTICIPATIONS MINIERES
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Publication date
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Publication of EP0041460A3 publication Critical patent/EP0041460A3/fr
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Publication of EP0041460B1 publication Critical patent/EP0041460B1/fr
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G1/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal
    • C10G1/02—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal by distillation

Definitions

  • the invention relates to improvements to the pyrolysis processes and to the treatment of pyrolysis residues. It relates more particularly to a process for the pyrolysis of materials capable of supplying liquid or gaseous hydrocarbons by thermal decomposition, and to the treatment of the residues obtained at the end of such a process.
  • the materials used in this type of process contain organic matter in the form of kerogen, bitumen or asphalt, and are constituted, in particular, by bituminous or asphaltic rocks, lignites, coals or the like.
  • the object of the invention is therefore to provide a process for the treatment of materials of the type mentioned above which makes it possible to carry out pyrolysis in semi-continuous and, thereby, of great economic interest.
  • It also aims to provide an easy implementation process for the treatment and removal of pyrolysis residues and for the preparation of an oven for a new pyrolysis operation.
  • it also aims to provide a process in which the heat of the pyrolysis residues is used for other pyrolysis operations.
  • the method according to the invention is characterized in that at least two ovens are combined, the operation of which is coordinated so as to simultaneously carry out, in an oven, an operation of pyrolysis of the materials and in another oven an operation of treatment of the residues hot as obtained at the end of a pyrolysis operation, this treatment comprising the recovery of the heat from the pyrolysis residues by circulation through at least most of their mass of an oxidizing gas, advantageously of air and sprayed water, the unloading of residues and the loading of raw materials, the mixture resulting from heated oxidizing gas and water vapor being admitted into an oven in the pyrolysis phase and being used to maintain the combustion of carbonaceous residues formed during the pyrolysis of the material charge of this furnace.
  • the method of treatment according to the invention of the pyrolysis residues has at least a double advantage.
  • the residues are treated in the same oven where the pyrolysis has just been carried out and are not evacuated, gradually, until they have cooled down.
  • These arrangements thus advantageously make it possible to avoid the problems of the previous processes resulting from the unloading in bulk of the residues which are still hot.
  • the invention provides the means, while advantageously cooling these residues before discharging them, to recover their heat which will be used to improve an ongoing pyrolysis process.
  • the provisions of the invention make it possible to use ovens of similar construction, advantageously conventional pyrolysis ovens which will therefore be used alternately for a pyrolysis operation then for the treatment of pyrolysis residues with loading of raw materials and discharge of residues.
  • At least part of the water formed during the pyrolysis of a charge of materials is recycled in a furnace for treating hot residues, in order to form water vapor. usable to maintain the combustion of carbonaceous residues in another pyrolysis operation.
  • this pyrolysis water does not require any prior treatment before being injected into an oven during the treatment of residues.
  • the injection of the pyrolysis water as mentioned above allows, in contact with the hot residues, the elimination of the polluting organic compounds contained in this water.
  • the unloading of the cooled residues is carried out by leaving a layer of residues in the lower part of the furnace.
  • the treatment installation shown in the figure comprises two ovens 1 and 2 of the same construction.
  • these are vertical cylindrical elements of steel, iron or the like, the upper part of which in the form of a truncated cone 3 is extended by a vertical tubular element 4, provided at its end with a hopper 5 with an adjustable feed system 6 for materials from a feed channel 7.
  • the oven 1 contains a mass 1a of pyrolysis residues.
  • Three conduits 8, 9 and 10 provided with valves, respectively for supplying atomized water, air and water vapor at low pressure, open into the lower part of the furnace 1, which contains an unloading device, formed from conduits discharge 11, cooled pyrolysis residues, from which escapes a conduit 12 for discharging water which has not been entrained, through oven 1, towards oven 2.
  • the oven 2 has in its lower part a pipe 13 for evacuating light oils in the form of vapor and gas to a condenser and a suction fan not shown and a pipe 14 bringing the pyrolysis water and the liquid oils to the collector .
  • This furnace 2 contains a mass of bituminous shales 15 to be pyrolyzed.
  • the ovens 1 and 2 can communicate, via the set of valves, through the pipe 16.
  • a pipe 17 for supplying air and / or water vapor opens into the pipe 16.
  • the operation of the ovens 1 and 2 is coordinated so as to simultaneously carry out, in the oven 1, the treatment of the hot residues 1a (with cooling of these residues, discharge of the cooled residues, and loading of a new mass of shales raw), and in the oven 2, the pyrolysis of the mass 15 of shale.
  • each of the ovens involves the control of various parameters, such as the air and water spray rates, the temperature, in order to avoid any pyrolysis of the newly loaded materials as well as the loading and unloading speeds. , the advancement of cooling in one furnace and the advancement of the combustion front in the other furnace.
  • the furnace 1 contains the mass of hot residues as obtained after a pyrolysis operation.
  • Air and water spray are uniformly injected, continuously, through lines 8 and 9.
  • conduits are located in the lower part of the oven. In general, the location of the various conduits depends on the unloading system used.
  • the air In contact with the hot mass of residues, the air is heated and the water is transformed into steam while the lower part of the mass of residues is cooled.
  • the mixture of hot air and water vapor crosses up the furnace 1 and engages in the conduit 16 to be admitted into the furnace 2 in which a pyrolysis operation has started.
  • the size of the water droplets must be small enough to be entrained by the air through the mass of residue to be cooled.
  • the water vapor circulating through the mass 1a of the pyrolysis residues can react with the carbon possibly present in this mass, leading to the formation of carbon monoxide and of hydrogen, which could advantageously be introduced, as an addition of fuel, in the furnace 2 which is in the period of initiation of combustion, at the beginning of the cooling of the mass 1a of the furnace 1.
  • the amount of water in the injected mixture advantageously represents around 10 to 80% by volume, preferably around 50%.
  • air and / or water vapor is supplied from an external source through the conduit 17.
  • the water which is not entrained by the air through the furnace 1 is continuously evacuated by the conduit 12, then recycled.
  • the discharge of the cooled pyrolysis residues is carried out by the conduit device 11.
  • This unloading can be carried out, with an appropriate device, continuously, or in stages, at regular intervals, the conditions being adjusted according to the coordination established with the other operations in progress in the treatment installation.
  • a sufficient layer of residue is kept in the furnace 1 to serve as protection for the unloading system when the combustion front reaches this zone.
  • this layer makes it possible to avoid, at least in large part, the problems associated with the high temperatures of the outlet gases mentioned above.
  • the operation of the furnace 1 also includes the loading of crude bituminous shales. This loading can be carried out continuously, or in stages, during unloading, or immediately after or between two successive stages of unloading the residues.
  • the conditions implemented are chosen so as to allow a coordinated progress of the various operations in progress throughout the installation.
  • the raw materials are loaded according to a given particle size distribution.
  • This distribution is such that the column of shales, once the loading is complete, is presented in several layers having a small difference in particle size along a given section of furnace which makes it possible in particular to reduce, the oil losses, the phenomena resulting from a preferential path of the gas flow in the mass and the pressure drops through the furnace.
  • the particle size of the upper layer is more especially chosen in order to facilitate the initiation of the combustion of the shales at the start of the pyrolysis.
  • a particle size 8 in mm of the order of 0 ⁇ 8 ⁇ 13, preferably 4 to 8 mm, proves to be advantageous.
  • the loading is carried out so as to successively form four layers a, b, c and d, of particle size in mm respectively between approximately 0 and 13 for a, from 75 to 150 for b , from 13 to 75 for c and from 75 to 150 for d.
  • the particle size of the mass of residues refroi - say left in the bottom of the furnace as a protective layer is of the order of 75 to 150 mm.
  • the loading is. made in such a way that layer a represents approximately 1 to 3% of the total volume of the filler, preferably of the order of 2%, layer b, approximately 3 to 5%, preferably of the order of 4 %, layer c, approximately 45 to 50%, preferably of the order of 48%, layer d, approximately 40 to 45%, of preferably of the order of 42%, the mass of cooled residues left at the bottom of the furnace 1 advantageously representing approximately 3 to 5%, advantageously of the order of 4%.
  • This charge is advantageously formed, at the start of pyrolysis, of layers of different particle sizes, such as layers a, b, c and d above.
  • the pyrolysis is carried out according to the so-called internal combustion process, that is to say that the heat necessary for the decomposition of the shales is provided by the combustion of the carbonaceous residues originating from this pyrolysis.
  • the advancement of the combustion front is from the top to the bottom of the oven.
  • the conditions used for carrying out the pyrolysis are chosen so as to allow the desired decomposition of the shales into liquid or gaseous hydrocarbons.
  • This pyrolysis is accompanied by the formation of water recovered by the pipe 14.
  • the pyrolysis water is recycled in whole or in part to the furnace 1, without undergoing any prior treatment.
  • Water and liquid oils are then sent to a collector via line 14 and light oils in the form of vapor and gases, via line 13, to condensation and treatment systems.
  • This arrangement therefore makes it possible to recover the heat from the pyrolysis residues for carrying out another pyrolysis operation.
  • reaction of water vapor with carbonaceous residues allows rapid advancement of the combustion front.
  • reaction with carbon monoxide makes it possible to increase the production of hydrogen.
  • the ovens are used both under negative pressure and under positive pressure. These ovens can be built above ground or underground, and can be of any form suitable for carrying out the above processes.
  • Ovens 1 and 2 of this installation are generally cylindrical, the height of their cylindrical part being 30 m and their diameter 12 m.
  • Furnace 1 contains approximately 4,500 tonnes of hot residues as obtained after pyrolysis of a bituminous shale load and Furnace 2 contains approximately 5,000 tonnes of shales to be pyrolyzed containing 70 liters of hydrocarbons (by compared to the Fisher test) and having a calorific value greater than 950 kc / kg of shale.
  • each of the ovens are adjusted so as to carry out in the furnace 1 the cooling of the mass of hot residues over a period of 5 days and, simultaneously, in the furnace 2, the pyrolysis of the raw load of bituminous shales in 5, 4 days.
  • Cooling of hot residues is carried out by injection of 52 kgs of water / min through line 8, 142 m 3 of air / min through line 9. Circulation through the mass of residue from oven 1 is carried out by a suction system to which the oven 2 is connected. The conditions of this circulation are adjusted so as to obtain a total flow of air and water in the duct 16, at the inlet of the oven 2, of 210 m 3 / min. If necessary, water vapor is injected through line 17 at a rate of 74 m 3 / min.
  • Raw shales are loaded and the cooled residues are discharged at the same time, every 4 hours, for 30 minutes.
  • Unloading is stopped so as to leave a mass of cooled residue at the bottom of the oven which will represent 4% of the total volume of the load.
  • the particle size of these residues is 76 to 152 mm.
  • the loading is carried out so as to have from bottom to top, first of all a layer of shales with a particle size of 76 to 152 mm, representing 42% of the total volume of the load, above, a layer with a particle size of 12 at 76 mm representing 48%, then a layer with a particle size of 76 to 152 mm representing 4% and finally a layer representing 2% of the total volume of the filler, having a particle size of 13 mm or less.
  • the pyrolysis in the oven 2 is carried out on a shale charge formed of layers according to the proportions and the particle size mentioned above for the oven 1.
  • the average temperature of shales is 90 ° C
  • the maximum temperature of the residues is 500 ° C
  • the average temperature at the bottom of the oven is 65 ° C.
  • the average temperature of the residues is 250 ° C, the maximum temperature of the combustion front of 900 ° C, the average temperature of the pyrolysis zone of 450 ° C, the average temperature of the condensation zone of 90 ° C and the average residue temperature at the bottom of the oven of 65 ° C.
  • a hydrocarbon yield of 85% is obtained (compared to the Fisher test).
  • this furnace 1 containing then a new load of shales to be pyrolyzed, the operating characteristics of the two ovens can be reversed.
  • the pyrolysis of the new charge from the oven 1 is then started and, in a coordinated manner, the hot pyrolysis residues which are in the oven 2 are cooled.
  • the ovens of the installation are equipped with the elements necessary for carrying out the various operations of the ovens 1 and 2 reported above.
  • a pyrolysis operation of a material charge can be carried out in an oven, the pyrolysis water being recovered at least in part and after spraying, used for the residue cooling operation carried out in a second oven in which previously carried out a pyrolysis operation.
  • the mixture of hot air and steam recovered at the outlet of the second oven in the series is introduced into a third oven in the series operating in pyrolysis mode, etc.

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Description

  • L'invention est relative à des perfectionnements aux procédés de pyrolyse et de traitement des résidus de pyrolyse. Elle se rapporte plus particulièrement à un procédé de pyrolyse de matériaux susceptibles de fournir par décomposition thermique des hydrocarbures liquides ou gazeux, et au traitement des résidus obtenus à l'issue d'un tel procédé.
  • D'une manière générale, les matériaux mis en oeuvre dans ce type de procédé renferment de la matière organique sous forme de kérogène, bitume ou asphalte, et sont constitués, notamment, par des roches bitumineuses ou asphaltiques, lignites, charbons ou analogues.
  • Leur pyrolyse fournit, en plus des hydrocarbures, de l'eau'et des résidus carbonés. La combustion de ces résidus carbonés est couramment utilisée pour fournir la chaleur nécessaire à la pyrolyse.
  • Il en est ainsi, par exempte, dans le procédé appelé N.T.U. (NEVADA-TEXAS-UTAH), décrit dans le brevet US-1 469628, dans lequel la combustion interne des résidus carbonés est assurée par injection d'air au sommet du four de pyrolyse.
  • Pour entretenir la combustion de ces résidus, on a proposé, par exemple, selon le brevet US-1 536 696, d'injecter dans le four de pyrolyse un mélange d'air et de gaz recyclés.
  • Dans le brevet US 2 544 843, on décrit un procédé de traitement de matériaux hydrocarbonés solides dans lequel on récupère de la chaleur de zones de distillation pour préchauffer de la vapeur d'eau qui sera utilisée dans une autre zone de distillation.
  • Mais, d'une manière générale, la mise en oeuvre de ces procédés se heurte à de nombreux inconvénients. On peut constater notamment, une pyrolyse incomplète des matériaux dans la partie inférieure du four, et un déroulement insatisfaisant du processus de pyrolyse, avec notamment, en raison de la température élevée des gaz de sortie, une formation indésirée de coke dans les conduits des gaz qui sont produits et une condensation incomplète des huiles.
  • Enfin, du point de vue économique, le caractère discontinu de ces procédés constitue un inconvénient majeur. En effet, à la fin d'une opération de pyrolyse on doit procéder à l'évacuation des résidus chauds, puis à leur refroidissement, et au chargement du four pour une nouvelle pyrolyse, ce qui réduit d'autant la période d'utilisation du four et, par conséquent, la production d'huiles.
  • En outre, le traitement de ces masses chaudes de résidus entraîne des difficultés et des risques de manipulation. Leur encombrement et la pous- siêre créée constituent autant de problèmes auxquels on se heurte lors de la mise en oeuvre des procédés classiques.
  • En recherchant des moyens permettant de remédier au moins en partie aux inconvénients des procédés de l'art antérieur et notamment de réaliser une opération de pyrolyse en semi-. continu, les inventeurs se sont intéressés aux résidus chauds tels qu'obtenus à l'issue d'une pyrolyse.
  • Les travaux effectués ont alors montré qu'en traitant ces résidus selon des conditions particulières, il était possible de mettre à profit leur chaleur pour des opérations de pyrolyse en cours dans d'autres fours et en même temps de préparer le four même dans-lequel ces résidus peuvent être traités pour une nouvelle opération de pyrolyse.
  • L'invention a donc pour but de fournir un procédé de traitement de matériaux du type évoqué ci-dessus permettant d'effectuer des pyrolyses en semi-continu et, par là, d'un grand intérêt économique.
  • Elle vise également à fournir un procédé de mise en oeuvre aisée pour le traitement et l'évacuation des résidus de pyrolyse et pour la préparation d'un four pour une nouvelle opération de pyrolyse.
  • Selon un autre aspect, elle vise également à fournir un procédé dans lequel la chaleur des résidus de pyrolyse est mise à profit pour d'autres opérations de pyrolyse.
  • Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on associe au moins deux fours dont on coordonne le fonctionnement de manière à réaliser simultanément, dans un four, une opération de pyrolyse des matériaux et dans un autre four une opération de traitement des résidus chauds tels qu'obtenus à l'issue d'une opération de pyrolyse, ce traitement comportant la récupération de la chaleur des résidus de pyrolyse par la circulation au travers d'au moins la majeure partie de leur masse d'un gaz oxydant, avantageusement d'air, et d'eau pulvérisée, le déchargement des résidus et le chargement des matériaux bruts le mélange résultant de gaz oxydant chauffé et de vapeur d'eau étant admis dans un four en phase de pyrolyse et étant utilisé pour entretenir la combustion des résidus carbonés formés lors de la pyrolyse de la charge de matériaux de ce four.
  • La mise en oeuvre de ces dispositions permet avantageusement, tout en traitant les résidus de pyrolyse et en récupérant leur chaleur pour une pyrolyse en cours, d'apprêter un four pour une nouvelle opération de pyrolyse.
  • Ces opérations, d'une part, de traitement de résidus de pyrolyse avec déchargement des résidus et chargement d'une nouvelle masse de matériaux dans un four, d'autre part, de pyrolyse dans un autre four, se succèdent en alternance, ce qui permet un fonctionnement en semi-continu de l'installation.
  • En effet, le seul temps mort correspond à la période d'amorçage de la combustion dans un four de pyrolyse. Naturellement, cette période d'arrêt sera d'autant moins significative qu'on multiplie le nombre de fours en fonctionnement. Ces dispositions de l'invention permettent donc d'augmenter considérablement le temps d'utilisation des fours et, par conséquent, la production d'huiles.
  • En outre, le mode de traitement selon l'invention des résidus de pyrolyse présente au moins un double avantage.
  • D'une part, les résidus sont traités dans le four même où l'on vient de réaliser la pyrolyse et ne sont évacués, progressivement, qu'une fois refroidis. Ces dispositions permettent ainsi avantageusement d'éviter les problèmes des procédés antérieurs résultant du déchargement en vrac des résidus encore chauds. D'autre part, l'invention fournit les moyens, tout en refroidissant avantageusement ces résidus avant de les évacuer, d'en récupérer leur chaleur qui sera mise à profit pour améliorer un processus de pyrolyse en cours.
  • On observera de plus que le passage d'air chaud et de vapeur d'eau dans la masse de matériaux bruts en cours de chargement permet avantageusement un préchauffage de. ces derniers, ce qui correspond à un gain de temps et d'énergie vis-à-vis de la réaction de pyrolyse à laquelle sera ultérieurement soumise cette charge.
  • En outre, les dispositions de l'invention permettent d'utiliser des fours de construction similaire, avantageusement les fours classiques de pyrolyse qui seront donc mis en oeuvre alternativement pour une opération de pyrolyse puis pour le traitement des résidus de pyrolyse avec chargement de matériaux bruts et déchargement des résidus.
  • Selon une disposition avantageuse de l'invention, on recycle, dans un four de traitement de résidus chauds, au moins une partie de l'eau formée lors de la pyrolyse d'une charge de matériaux, aux fins de formation de vapeur d'eau utilisable pour entretenir la combustion des résidus carbonés dans une autre opération de pyrolyse.
  • Avantageusement, cette eau de pyrolyse ne nécessite aucun traitement préalable avant d'être injectée dans un four en cours de traitement de résidus.
  • D'une manière favorable, l'injection de l'eau de pyrolyse comme évoquée ci-dessus, permet, au contact des résidus chauds, l'élimination des composés organiques polluants contenus dans cette eau.
  • Selon une autre disposition de l'invention, le déchargement des résidus refroidis, dont question ci-dessus, est effectué en laissant une couche de résidus dans la partie inférieure du four. Cette disposition permet d'éviter au moins la majeure partie des problèmes rencontrés avec les procédés antérieurs, associés aux hautes températures des gaz de sortie.
  • Cette couche de résidus s'avère, en effet, utile pour réduire la température des gaz de sortie et permet d'éviter ainsi la « cuisson » (ou cooking) de l'huile et, par conséquent, le dépôt de coke dans les conduits des gaz produits ainsi que la condensation incomplète des huiles.
  • La mise en oeuvre de cette disposition permet également de réaliser une pyrolyse complète de toute la charge de matériaux bruts, sans pour autant risquer de détériorer le fond du four.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit et en se reportant à la figure unique sur laquelle on a représenté un groupe de deux fours dans lesquels on effectue respectivement, d'une part, une opération de traitement de résidus de pyrolyse et, d'autre part, une opération de pyrolyse.
  • L'installation de traitement représentée sur la figure comporte deux fours 1 et 2 de même construction.
  • Dans leur forme, la plus générale, il s'agit d'éléments cylindriques verticaux en acier, fer ou analogues dont la partie supérieure en forme de tronc de cône 3 se prolonge par un élément tubulaire vertical 4, pourvu à son extrémité d'une trémie 5 avec un système 6 d'alimentation réglable en matériaux provenant d'un canal d'alimentation 7.
  • Le four 1 renferme une masse 1a de résidus de pyrolyse.
  • Trois conduits 8, 9 et 10, munis de vannes, respectivement d'alimentation en eau pulvérisée, air et vapeur d'eau à basse pression, débouchent dans la partie inférieure du four 1, qui renferme un dispositif de déchargement, formé de conduits d'évacuation 11, des résidus de pyrolyse refroidis, et dont s'échappe un conduit 12 d'évacuation de l'eau qui n'a pas été entraînée, à travers le four 1, vers le four 2.
  • Le four 2 comporte dans sa partie inférieure un conduit 13 d'évacuation des huiles légères sous forme de vapeur et de gaz vers un condenseur et un ventilateur aspirant non représentés et un conduit 14 amenant l'eau de pyrolyse et les huiles liquides vers le collecteur.
  • Ce four 2 renferme une masse de schistes bitumineux 15 à pyrolyser.
  • Les fours 1 et 2 peuvent communiquer, par le jeu de vannes, par le conduit 16. Un conduit 17 d'amenée d'air et/ou de vapeur d'eau débouche dans le conduit 16.
  • Le fonctionnement des fours 1 et 2 est coordonné de manière à réaliser simultanément, dans le four 1, le traitement des résidus chauds 1a (avec refroidissement de ces résidus, décharge- . ment des résidus refroidis, et chargement d'une nouvelle masse de schistes bruts), et dans le four 2, la pyrolyse de la masse 15 de schistes.
  • La coordination du fonctionnement de chacun des fours entraîne un contrôle de différents paramètres, tels que les débits d'air et d'eau pulvérisée, la température, afin d'éviter toute pyrolyse des matériaux nouvellement chargés ainsi que les vitesses de chargement et de déchargement, l'avancement du refroidissement dans un four et l'avancement du front de combustion dans l'autre four.
  • Ces différents paramètres peuvent être aisément réglés par l'homme de l'art et ce, notamment, en fonction de la nature et de la quantité de matériaux traités.
  • En début de fonctionnement, le four 1 renferme la masse de résidus chauds tels qu'obtenus à l'issue d'une opération de pyrolyse.
  • De l'air et de l'eau pulvérisée sont uniformément injectés, en continu, par les conduits 8 et 9.
  • Ces conduits se trouvent dans la partie inférieure du four. D'une manière générale l'emplacement des différents conduits dépend du système de déchargement utilisé.
  • Au contact de la masse chaude de résidus, i'air est chauffé et l'eau est transformée en vapeur d'eau tandis que la partie inférieure de la masse de résidus est refroidie. Le mélange d'air chaud et de vapeur d'eau traverse en remontant le four 1 et s'engage dans le conduit 16 pour être admis dans le four 2 dans lequel a démarré une opération de pyrolyse.
  • La taille des gouttelettes d'eau doit être suffisamment petite pour pouvoir être entraînées par l'air à travers la masse de résidus à refroidir.
  • Au début du refroidissement des résidus, on injecte également de la vapeur d'eau à basse pression par le conduit 11 aux fins de balayage des gaz des hydrocarbures éventuellement encore présents dans la masse 1 a de résidus de pyrolyse. Cette disposition permet, en outre, notamment d'éviter tout risque d'explosion avec l'air introduit également dans le four 1.
  • Avantageusement, la vapeur d'eau en circulant à travers la masse 1a des résidus de pyrolyse peut réagir avec le carbone éventuellement présent dans cette masse, conduisant à la formation de monoxyde carbone et d'hydrogène, qui pourront être avantageusement introduits, comme apport de combustible, dans le four 2 qui se trouve en période d'amorçage de la combustion, au commencement du refroidissement de la masse 1a du four 1.
  • La circulation d'air, d'eau pulvérisée et, le cas échéant, de vapeur d'eau à basse pression au travers de la masse 1a de résidus, est établie dans des conditions permettant le plus large contact possible avec cette masse chaude, afin d'en récupérer sa chaleur.
  • On établit également avantageusement ces conditions afin que le débit total d'air et d'eau injectés, au niveau du four 2, par le conduit 16, soit de l'ordre de 1 à 5 m3/mn/m2 de section, de préférence de l'ordre de 2,5 m3/mn/m2 de section.
  • La quantité d'eau dans le mélange injecté représente avantageusement de l'ordre de 10 à 80 % en volume, de préférence, de l'ordre de 50 %.
  • Ces dispositions permettent un déroulement satisfaisant de l'opération de pyrolyse dans le four 2.
  • Si nécessaire, on effectue un apport en air et/ou vapeur d'eau, provenant d'une source extérieure, par le conduit 17.
  • L'eau qui n'est pas entraînée par l'air à travers le four 1 est continuellement évacuée par le conduit 12, puis recyclée.
  • Le déchargement des résidus de pyrolyse refroidis est effectué par le dispositif de conduits 11.
  • Ce déchargement peut être effectué, avec un dispositif approprié, en continu, ou par étapes, à intervalles réguliers, les conditions étant réglées en fonction de la coordination établie avec les autres opérations en cours dans l'installation de traitement. De préférence, on conserve, dans le four 1, une couche de résidus suffisante pour servir de protection au système de déchargement lorsque le front de combustion atteindra cette zone. Comme déjà indiqué, cette couche permet d'éviter, au moins en grande partie, les problèmes associés aux températures élevées des gaz de sortie évoqués plus haut.
  • Le fonctionnement du four 1 comporte également le chargement de schistes bitumineux bruts. Ce chargement peut être effectué en continu, ou par étapes, durant le déchargement, ou immédiatement après ou encore entre deux étapes successives de déchargement des résidus. Là encore, les conditions mises en oeuvre sont choisies de manière à permettre un déroulement coordonné des différentes opérations en cours dans l'ensemble de l'installation.
  • De manière avantageuse, afin d'augmenter le rendement de la pyrolyse en huiles, on charge les matériaux bruts selon une distribution granulométrique donnée.
  • Cette distribution est telle que la colonne de schistes, une fois le chargement terminé, se présente suivant plusieurs couches ayant un faible écart de granulométrie suivant une section donnée de four ce qui permet de réduire notamment, les pertes en huiles, les phénomènes résultant d'un cheminement préférentiel du flux gazeux dans la masse et les pertes de charge à travers le four.
  • La granulométrie de la couche supérieure est plus spécialement choisie afin de faciliter l'amorçage de la combustion des schistes au début de la pyrolyse.
  • A cet égard, une granulométrie 8 en mm de l'ordre de 0 < 8 < 13, de préférence de 4 à 8 mm s'avère avantageuse.
  • Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, on effectue le chargement de manière à former successivement quatre couches a, b, c et d, de granulométrie en mm respectivement comprise entre environ 0 et 13 pour a, de 75 à 150 pour b, de 13 à 75 pour c et de 75 à 150 pour d.
  • La granulométrie de la masse de résidus refroi- dis laissée dans la partie inférieure du four comme couche de protection est de l'ordre de 75 à 150 mm.
  • Les proportions respectives de ces différentes couches doivent assurer un déroulement satisfaisant du procédé de pyrolyse.
  • Avantageusement, le chargement est. effectué de manière à ce que la couche a représente environ 1 à 3 % du volume total de la charge, de préférence de l'ordre de 2 %, la couche b, environ 3 à 5 %, de préférence de l'ordre de 4 %, la couche c, environ 45 à 50 %, de préférence de l'ordre de 48 %, la couche d, environ 40 à 45 %, de préférence de l'ordre de 42 %, la masse de résidus refroidis laissée au fond du four 1 représentant avantageusement environ 3 à 5 %, avantageusement de l'ordre de 4 %.
  • Tout en réalisant les opérations évoquées ci-dessus, dans le four 1, on soumet, simultanément, dans le four 2, une charge 15 de schistes bitumineux à une opération de pyrolyse.
  • Cette charge est avantageusement formée, en début de pyrolyse, de couches de granulométries différentes, telles que les couches a, b, c et d ci-dessus.
  • La pyrolyse est réalisée selon le' procédé dit à combustion interne, c'est-à-dire que la chaleur nécessaire pour la décomposition des schistes est fournie par la combustion des résidus carbonés provenant de cette pyrolyse.
  • Pour l'amorçage de cette pyrolyse, on utilise du fuel, du gaz ou de l'huile de schistes.
  • L'avancement du front de combustion se fait du haut vers le bas du four.
  • De manière schématique, on peut distinguer au cours de la pyrolyse, tout d'abord une zone formée de résidus de pyrolyse ou cendres, puis une zone de combustion des résidus carbonés qui se déplace au cours de la pyrolyse vers le bas du four, une zone de pyrolyse se déplaçant également vers le bas du four et une masse de schistes bruts qui sera atteinte d'abord par le front de pyrolyse, puis par le front de combustion.
  • Les conditions mises en oeuvre pour la réalisation de la pyrolyse sont choisies de manière à permettre la décomposition des schistes souhaitée en hydrocarbures liquides ou gazeux. Cette pyrolyse s'accompagne de formation d'eau récupérée par la canalisation 14. Selon une disposition avantageuse de l'invention, l'eau de pyrolyse est recyclée en totalité ou en partie vers le four 1, sans subir de traitement préalable.
  • L'eau et les huiles liquides sont alors envoyées vers un collecteur par le conduit 14 et les huiles légères sous forme de vapeur et les gaz, par la canalisation 13, vers des systèmes de condensation et de traitement.
  • La combustion des résidus carbonés est entretenue par l'injection d'air chaud et de vapeur d'eau provenant avantageusement du four 1.
  • Cette disposition permet donc de récupérer la chaleur des résidus de pyrolyse pour la réalisation d'une autre opération de pyrolyse.
  • L'utilisation de vapeur d'eau dans l'opération de pyrolyse présente l'avantage d'empêcher des fortes montées de température.
  • En outre, la réaction de la vapeur d'eau avec les résidus carbonés permet un avancement rapide du front de combustion. Avantageusement, sa réaction avec le monoxyde de carbone permet d'accroître la production d'hydrogène.
  • D'une manière générale, il apparaît également que l'utilisation de vapeur d'eau permet de réduire les pertes d'huiles par cràquage thermique.
  • Dans le procédé de l'invention, on met en oeuvre les fours aussi bien sous pression négative que sous pression positive. Ces fours peuvent être construits en surface ou en souterrain, et peuvent être de toute forme appropriée pour la réalisation des processus ci-dessus.
  • A titre illustratif, on rapporte, dans l'exemple ci-après, des conditions de mise en oeuvre du procédé de l'invention à l'aide d'une installation du type de celle représentée sur la figure. Les fours 1 et 2 de cette installation sont de forme générale cylindrique, la hauteur de leur partie cylindrique étant de 30 m et leur diamètre de 12 m. Le four 1 renferme environ 4500 tonnes de résidus chauds tels qu'obtenus à l'issue d'une pyrolyse d'une charge de schistes bitumineux et le four 2 renferme environ 5 000 tonnes de schistes à pyrolyser renfermant 70 litres d'hydrocarbures (par rapport à l'essai Fisher) et ayant un pouvoir calorifique supérieur à 950 kc/kg de schistes.
  • Les conditions de fonctionnement de chacun des fours sont réglées de manière à réaliser dans le four 1 le refroidissement de la masse de résidus chauds sur une période de 5 jours et, simultanément, dans le four 2, la pyrolyse de la charge brute de schistes bitumineux en 5, 4 jours.
  • Le refroidissement des résidus chauds est effectué par injection de 52 kgs d'eau/mn par le conduit 8, 142 m3 d'air/mn par le conduit 9. La circulation au travers de la masse de résidus du four 1 est réalisée par un système d'aspiration auquel est relié le four 2. Les conditions de cette circulation sont réglées de manière à obtenir un débit total d'air et d'eau dans le conduit 16, à l'entrée du four 2, de 210 m3/mn. Le cas échéant, on injecte de la vapeur d'eau par le conduit 17 à raison de 74 m3/mn.
  • On procède au chargement de schistes bruts et au déchargement des résidus refroidis en même temps, toutes les 4 heures, durant 30 minutes.
  • On évacue ainsi 150 tonnes de résidus refroidis tandis qu'on charge autant de schistes bruts à pyrolyser.
  • Le déchargement est arrêté de manière à laisser au fond du four une masse de résidus refroidis qui représentera 4 % du volume total de la charge. La granulométrie de ces résidus est de 76 à 152 mm.
  • On procède au chargement de manière à disposer de bas en haut, tout d'abord une couche de schistes de granulométrie de 76 à 152 mm, représentant 42 % du volume total de la charge, au-dessus, une couche avec une granulométrie de 12 à 76 mm représentant 48 %, puis une couche avec une granulométrie de 76 à 152 mm représentant 4 % et enfin une couche représentant 2 % du volume total de la charge, ayant une granulométrie de 13 mm ou inférieure.
  • La pyrolyse dans le four 2 est effectuée sur une charge de schistes formée de couches selon les proportions et la granulométrie évoquées ci-dessus pour le four 1.
  • Après deux jours et demi de fonctionnement de l'installation, avec un débit d'air et de vapeur d'eau de 2,5 m3/mn/m2 de section dans le four 2, le front de combustion se situe au milieu du four 2, la zone de séparation entre les schistes bruts et les résidus au milieu du four 1.
  • Dans le four 1, la température moyenne des schistes est de 90 °C, la température maximum des résidus est de 500 °C et la température moyenne au bas du four est de 65 °C.
  • Dans le four 2, la température moyenne des résidus est de 250 °C, la température maximum du front de combustion de 900 °C, la température moyenne de la zone de pyrolyse de 450 °C, la température moyenne de la zone de condensation de 90 °C et la température moyenne des résidus dans le bas du four de 65 °C. A l'issue de la pyrolyse, on obtient un rendement en hydrocarbures de 85 % (par rapport à l'essai Fisher).
  • A la fin de la pyrolyse des schistes dans le four bitumineux et de la combustion des résidus carbonés dans le four 2, d'une part, et du traitement des résidus de pyrolyse effectué dans le four 1 d'autre part, ce four 1 renfermant alors une nouvelle charge de schistes à pyrolyser, les caractéristiques de fonctionnement des deux fours peuvent être inversés. On amorce alors ia pyrolyse de la nouvelle charge du four 1 et, de manière cordonnée, on procède au refroidissement des résidus chauds de pyrolyse qui se trouvent dans le four 2.
  • Naturellement, les fours de l'installation sont équipés des éléments nécessaires pour la réalisation des différentes opérations des fours 1 et 2 rapportés ci-dessus.
  • Dans l'exemple qui précède, on a décrit l'application du procédé de l'invention à un couple de deux fours pouvant fonctionner de manière alternée selon les deux modes décrits ci-dessus. Dans le cas où un plus grand nombre de fours sera utilisé, ces fours seront reliés, de manière appropriée afin de fonctionner en coordination. En particulier, ils pourront être montés en série et fonctionner alternativement, par exemple, selon le schéma suivant.
  • Une opération de pyrolyse d'une charge de matériaux peut être réalisée dans un four, l'eau de pyrolyse étant récupérée au moins en partie et après pulvérisation, utilisée pour l'opération de refroidissement des résidus effectuée dans un deuxième four dans lequel a été réalisée antérieurement une opération de pyrolyse.
  • Le mélange d'air chaud et de vapeur récupérés à la sortie du deuxième four de la série est introduit dans un troisième four de la série fonctionnant en mode de pyrolyse etc...
  • D'autres modes de fonctionnement des fours de manière coordonnée pourront être aisément .envisagés par l'homme de l'art.

Claims (9)

1. Procédé de pyrolyse de matériaux susceptibles de fournir des hydrocarbures, caractérisé en ce qu'on associe au moins deux fours dont on coordonne le fonctionnement de manière à réaliser simultanément, dans un four (2), une opération de pyrolyse des matériaux et dans un autre four (1), une opération de traitement des résidus chauds tels qu'obtenus à l'issue d'une opération de pyrolyse, ce traitement comportant la récupération de la chaleur des résidus de pyrolyse par la circulation au travers d'au moins la majeure partie de leur masse d'un gaz oxydant, avantageusement d'air et d'eau pulvérisée, le déchargement des résidus refroidis et le chargement des matériaux bruts, le mélange de gaz oxydant chauffé et de vapeur d'eau résultant étant admis dans un four en phase de pyrolyse et étant utilisé pour entretenir la combustion des résidus carbonés formés par pyrolyse des matériaux du four, et qu'en fin d'opération, aux fins de réalisation du procédé en semi-continu, on inverse le mode de fonctionnement des fours.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on recycle l'eau formée lors de la pyrolyse des matériaux vers le four (1) de traitement des résidus de pyrolyse.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le débit total d'air et d'eau à l'entrée du four (2) est de l'ordre de 1 à 5 m3/mn/m2 de section, de préférence de l'ordre de 2,5, le mélange renfermant de 10 à 80 % en volume d'eau, de préférence de l'ordre de 50 %.
4. Procédé selori l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on procède au déchargement des résidus de pyrolyse refroidis en continu ou par étapes à intervalles réguliers.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on conserve dans le four (1) une quantité de résidus suffisante pour servir de protection lorsque la charge brute introduite dans le four sera soumise à la pyrolyse au regard des problèmes associés aux températures élevées des gaz de sortie, tels que la cuisson des huiles, les dépôts de coke et la condensation incomplète des huiles.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte le chargement de matériaux pyrolysables bruts, en continu, ou par étapes durant le déchargement, ou immédiatement après ou encore entre deux étapes successives de déchargement de résidus.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on réalise la charge des matériaux afin de former des couches ayant une répartition granulométrique serrée suivant une section donnée du four.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise comme combustible complémentaire pour l'amorçage de la combustion des matériaux dans le four (2), de l'hydrogène et du monoxyde de carbone produits dans le four (1) par réaction de la vapeur d'eau avec le carbone contenu dans les résidus de pyrolyse.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre comme matériaux pyrolysables en hydrocarbures, des matériaux renfermant de la matière organique sous forme de kèrogène, bitume ou asphalte, tels que des roches bitumineuses ou asphaltiques, des lignites ou des charbons.
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