EP0149930A2 - Procédé et installation pour la gazéification du charbon - Google Patents

Procédé et installation pour la gazéification du charbon Download PDF

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EP0149930A2
EP0149930A2 EP84402292A EP84402292A EP0149930A2 EP 0149930 A2 EP0149930 A2 EP 0149930A2 EP 84402292 A EP84402292 A EP 84402292A EP 84402292 A EP84402292 A EP 84402292A EP 0149930 A2 EP0149930 A2 EP 0149930A2
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slag
bath
gasification
metal
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Charles Roederer
Guy Denier
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Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID
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Definitions

  • the present invention relates to the gasification of solid carbonaceous materials and more particularly to the technique according to which powdered coal is injected, together with oxygen and materials for forming a scrubbing slag, in a gasification reactor.
  • a gasification reactor constituted 'by a metallurgical vessel.
  • This reactor contains a metal bath capable of dissolving carbon, in particular a molten iron bath, playing a role comparable to a catalyst, to give rise to the formation of a combustible gas containing mainly carbon monoxide.
  • this process is carried out in a container containing a certain volume of molten iron and in which all of the agents and materials intended to intervene in the gasification process are injected by a lance with multiple flow, or separately by different lances, or even by lances and nozzles opening below the surface of the bath.
  • the gasification is carried out sequentially: the slag of the "cast iron refining slag" type, ensures the elimination of the impurities introduced by the coal, in particular sulfur, and is subjected to periodic descaling, while the molten iron bath is used again after reheating.
  • the present invention consists in continuously collecting the supernatant slag on the bath as it forms in the reactor by overflow above a threshold, allow the slag collected to decant to allow gravity separation of the iron droplets present in suspension and which collect at the bottom, then to evacuate the slag which floats and to recycle the iron in the reactor liquid obtained by decanting the slag.
  • the process can then be carried out continuously for long periods, the proportion of iron eliminated from the circuit being practically negligible.
  • the recycling channel opens into the reactor below the level of the metal bath so as to allow the metal to flow from the bottom of the decanter to the reactor, according to the principle of communicating vessels.
  • motive energy for example an electromagnetic pump constituted by a linear inductor with a sliding magnetic field housed in the refractory along the recycling channel.
  • Another means may consist of a gas blowing through a permeable refractory element housed in the bottom of the reactor, in the vicinity of the outlet outlet of the channel, so as to cause an upward mixing of the metal at the level of the channel favoring the flow sought in it.
  • a permeable element can perfectly well be of the type described in the published European patent application No. 0021861.
  • water is also injected into the reactor, preferably in the vapor state, associated with an external calorific supply for compensate for the cooling effect of water, in particular with regard to the very endothermic nature of the reaction with carbon for the equimolar production of hydrogen and carbon monoxide.
  • the external calorific contribution can be limited to the thermal needs of the fraction of water injected beyond that whose cooling effect is naturally compensated by the internal thermal resources of the reactor, subject, of course, to conserve the metallic bath in the liquid state, i.e. not to drop below a temperature of the order of 1400-1500 ° C in the case of an iron bath.
  • the determinations of the thermal and material balances make it possible in each case to adjust the external calorific contribution to the quantities of water injected according to the introductions of carbon and oxygen, possibly taking into account the search for productivity installation maximum.
  • the decanter is associated with a reactor having an elongated shape, while there is provided a plurality of oxygen lances with spread jets distributed along the reactor so that all of these jets are of interest most of the surface of the metal bath.
  • FIG. 1 shows a double-stage gasification installation comprising a reactor 1 and an associated decanter 2 separated by a half-height partition 3, the assembly being closed by a cover 4 provided with an opening 5 for the outlet of the gases produced.
  • the reactor 1 is equipped with two emerging lances 6 and 7 respectively for the blowing of gaseous oxygen added with lime and for the introduction of powdered carbon using any transport gas.
  • These lances cooled by internal circulation of water, of a type known in pneumatic refining, pass vertically through the cover 4 by passages denoted 8, 8 '. All the openings 8, 8 'and 5 of the cover are capped by a gas collecting cover 9 connected to a recovery pipe 10.
  • the decanter 2 has a lateral opening 11 at a height level approximately equal to that of the upper end of the separating partition 3 and formed at a location on the wall of the decanter remote from this partition.
  • the bottom of the decanter is substantially raised relative to that of the reactor, and a channel 12, connecting the bottom of the decanter to the reactor, is formed in the refractory partition 3 in a slope inclined downward in the decanter-reactor direction.
  • the reactor is filled with molten iron 13 to a level between the outlet of the channel 12 and the upper end of the partition 3.
  • the injected carbon dissolves in the bath 13 and the rest of the operation is quite comparable to what happens in conventional refining of the cast iron by oxygen blown by the top. This oxygen thus ensures the decarburization of the bath by the formation of gaseous carbon monoxide.
  • the formation of a fluid basic slag 14 based on lime constitutes a sulfur-purifying agent which eliminates this element from the bath 13 as it is introduced by the carbonating gas.
  • the deliberately foaming slag 14 that is formed here on the surface of the bath 13 passes, by continuous and regular overflow above the threshold 15, from the reactor 1 to the decanter 2.
  • the slag 14 ' which during its progress in the decanter, passes from an initial foaming state to a consistency close to the liquid, reaches the outlet 11 through which it is continuously discharged.
  • the communication channel 12 ensures the recycling of the deposited iron 16 to the main bath 13.
  • the start-up phase may be slightly longer, but the transient phase is practically reduced to the time necessary for the first slag which overflows from the threshold 15 to reach the outlet orifice 11.
  • the flow of recycled metal in the channel 12 is assisted.
  • assistance means may for example be an electromagnetic pump, as shown diagrammatically at 17 in FIG. 1, and constituted by an inductor with a magnetic field sliding along the channel.
  • This inductor is composed of a succession of annular conductors 18 (three in the example shown) housed in the refractory material around the channel 12 and supplied by a three-phase electrical source 19.
  • these assistance means can be constituted by stirring the bath 13 preferably in the vicinity of the outlet of the channel 12.
  • This stirring can advantageously be obtained by blowing a gas, such as than with carbon dioxide (CV 2 ) through an air-tight refractory element 20 mounted in the bottom of the reactor and connected to a source of pressurized gas symbolized at 21.
  • CV 2 carbon dioxide
  • these two types of means can be used separately or jointly, as is the case with the installation in FIG. 1.
  • the gasification installation illustrated in FIG. 1 allows the production of gases of the CO, H Z , CO z type , rich in CO, continuously: the regular removal of the slag and the continuous recycling of the liquid iron entrained by the slag avoid the accumulation of impurities in the reaction medium (in particular sulfur from charcoal), as well as the consumption of the metal bath, with slight losses by oxidation in the slag and by dust, but which can easily be compensated if necessary by spaced metal back-ups.
  • the reaction medium in particular sulfur from charcoal
  • reaction 1 Because of the very endothermic nature of the dissociation of water vapor (reaction 1) - the effect of which, as can be seen on the gasification reaction (4), is far from being offset by the combustion of carbon at from the oxygen thus released (reaction 2) - the possibilities of injecting water for the production of a gas rich in hydrogen are relatively limited, and the current techniques of gasification of coal on liquid metal hardly allow to exceed a content of approximately 20 - 30% by volume of hydrogen in the gases recovered.
  • the lance 7 for injecting the coal is also used for the introduction of water which, preferably used in the vapor state, can then also serve as a fluid for the pneumatic transport of the coal particles.
  • the reactor is provided with a graphite electrode 22 passing through a passage 8 "provided for this purpose in the cover 4, preferably in the center of the reactor to limit the harmful effects on the resistance of the refractory walls of the radiation of the electric arc 23 maintained between the bath 13 and the tip of the electrode, which is connected to a terminal of an electrical supply symbolized at 24, the other terminal being brought into contact with the bath 13 by means of a conductive pad 25, located in the bottom of the reactor.
  • the invention also aims at a quantitative improvement, i.e. an improvement in the productivity of a gasification installation.
  • the basic principle is based on the double idea that the metal bath must offer, for a given volume, the largest contact surface possible with the blown oxygen and that this oxygen must be blown so as to interest the greatest possible proportion of this surface.
  • the inventors have been led to design the variant illustrated in FIG. 3 in which the bath 13, of the same volume as in the preceding variants, occupies a reactor 1 of elongated linear shape.
  • the bath 13 therefore has a lower height "H" than before but, conversely, a much larger free surface 26 above which can be distributed, no longer a single oxygen blowing lance, but several lances 6a, 6b, 6c ... (three in the example considered) arranged side by side along the reactor and releasing jets whose impact zones on the surface 26 of the bath are substantially tangent to each other.
  • a second series of three nozzles 7a, 7b, 7c, for the injection of powdered coal are placed obliquely through the large side wall of the reactor and preferably emerge each in an oxygen jet in the direction of the surface of the bath.
  • the optimal size of the reactor shown is 2R in width and 2NR in length, where N is the number of lances used.
  • the reactor according to the present variant makes it possible to practically triple the metal-oxygen contact surface, which leads to multiplying by three the capacity of the bath to dissolve the carbon quickly, thus increasing proportionally the flow of charcoal that can be injected.
  • a gasification installation of this type can also be used for the production of a gas rich in hydrogen, according to the technique described with reference to the variant of Figure 2 (injection of water vapor associated with ur. Calorific intake compensator).
  • the partition 3 separating the reactor from the decanter can be replaced by any other threshold means, the role of this threshold being to promote a calm zone as soon as it leaves the reactor, which makes it possible to use a decanter of relatively small size.
  • the metal recycling channel 12 can very well lead, no longer under the surface of the bath 13, but above it.
  • the respective levels of the main bath 13 and of the bath foot 16 in the decanter are offset in height, and recycling takes place, no longer by balancing the pressures. between the reactor and the decanter according to the principle of communicating vessels, but by simple gravity spill, from the decanter to the reactor.
  • the electrode may very well, if it is deemed necessary or simply useful, be placed in the decanter. In any event, it remains preferable to carry out, in one way or another, a chemically neutral calorific contribution to the reaction medium and in particular to the metal bath, which, in addition to its function of dissolving carbon, also plays a role of thermal reservoir essential to the process.
  • the torch may very well be of the plasma transferred type, with consequently the formation of an electric arc between the metal bath and the electrode, or with plasma gas, this gas possibly being for example steam. of water itself.

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Abstract

Selon l'invention, la matière carbonée est injectée, en même temps que de l'oxygène et des matières de formation d'un laitier épurant, ainsi qu'éventuellement de la vapeur d'eau, dans un réacteur de gazéification (1) contenant un bain de fer (13) pour la dissolution du carbone. On recueille de façon continue le laitier (14) formé sur le bain, par débordement au-dessus d'un seuil (15) dans un décanteur (2); on laisse décanter le laitier recueilli pour permettre la séparation par gravité des gouttelettes de métal qui y sont contenues et qui se rassemblent dans le fond, et on évacue en continu le laitier obtenu (14') hors du décanteur et on recycle, également en continu, dans le bain de fer (13) le métal liquide décanté dans le décanteur.
L'invention assure ainsi un fonctionnement régulier et continu de la technique de gazéification du charbon sur métal liquide.

Description

  • La présente invention concerne la gazéification des matières carbonées solides et plus particulièrement la technique selon laquelle du charbon en poudre est injecté, en même temps que de l'oxygène et des matières de formation d'un laitier d'épuration, dans un réacteur de gazéification constitué 'par un récipient métallurgique. Ce réacteur contient un bain métallique capable de dissoudre le carbone, en particulier un bain de fer en fusion, jouant un rôle assimilable à un catalyseur, pour donner lieu à la formation d'un gaz combustible contenant principalement de l'oxyde de carbone.
  • On sait que, en principe, ce procédé est réalisé dans un récipient contenant un certain volume de fer en fusion et dans lequel l'ensemble des agents et matières destinés à intervenir dans le processus de gazéification sont injectés par une lance à flux multiples, ou séparément par des lances différentes, ou même par des lances et des tuyères débouchant sous la surface du bain.
  • Globalement, les réactions de base diffèrent peu de celles mises en jeu dans l'affinage pneumatique de la fonte par l'oxygène soufflé par le haut, même si ces deux techniques sont par ailleurs totalement étrangères tant par leurs buts que leurs mises en oeuvre respectives. Dès lors, il n'est pas surprenant que la gazéification du charbon sur métal liquide soit habituellement effectuée dans un réacteur tout à fait similaire à un convertisseur d'aciérie à l'oxygène soufflé par le haut, voire dans un tel convertisseur lui-même (demande de brevet français n° 2 495 178 - de Sumitomo Metal ou 2 488 903 - de Klock- ner Werke).
  • Aussi, la gazéification est - elle réalisée de façon séquentielle : le laitier du type "laitier d'affinage de la fonte", assure l'élimination des impuretés introduites par le charbon, notamment le soufre, et se trouve soumis à des décrassages périodiques, alors que le bain de fer en fusion sert à nouveau après réchauffage.
  • Or, ce laitier a tendance à entraîner avec lui des gouttelettes (ou micro-particules) de fer liquide en suspension, de sorte que le simple décrassage provoque à chaque fois un certain appauvrissement du bain en fer, qui peut devenir appréciable au bout d'un certain nombre de cycles.
  • Dans le but principal de parvenir à un fonctionnement "en continu" de l'opération de gazéification sans pertes en fer conséquentes, la présente invention consiste à recueillir de façon continue le laitier surnageant sur le bain à mesure de sa formation dans le réacteur par débordement au-dessus d'un seuil, à laisser décanter le laitier recueilli pour permettre la séparation par gravité des gouttelettes de fer présentes en suspension et qui se rassemblent dans le fond, puis à évacuer le laitier qui surnage et à recycler dans le réacteur le fer liquide obtenu par décantation du laitier.
  • Le procédé peut alors être mis en oeuvre de façon continue pendant de longues périodes, la proportion de fer éliminée du circuit étant pratiquement négligeable.
  • L'invention a également pour objet une installation de mise en oeuvre composée d'un ensemble intégré à deux étages :
    • - un réacteur de gazéification destiné à contenir un bain métallique en fusion capable de dissoudre du carbone et pourvu de moyens pour l'introduction de matières carbonées (notamment du charbon pulvérisé) d'oxygène gazeux ainsi que des matières de formation d'un laitier d'épuration,
    • - et un décanteur, adjacent au réacteur, destiné à recueillir le laitier formé dans ledit réacteur et communiquant avec ce dernier, d'une part, par un seuil de débordement du laitier formé dans le réacteur, et, d'autre part, par un chenal de recyclage dans le réacteur du métal liquide déposé dans le fond du décanteur, ledit chenal étant ménagé au travers de la paroi commune séparant le réacteur du décanteur et dont l'extrémité haute libre constitue le seuil de débordement.
  • Conformément à une réalisation préférée, le chenal de recyclage débouche dans le réacteur en dessous du niveau du bain métallique de manière à permettre l'écoulement du métal du fond du décanteur vers le réacteur, selon le principe des vases communicants.
  • Avantageusement, il est prévu d'assister cet écoulement par des moyens d'apport d'énergie motrice, par exemple une pompe électromagnétique constituée par un inducteur linéaire à champ magnétique glissant logé dans le réfractaire le long du chenal de recyclage.
  • Un autre moyen peut consister en un soufflage gazeux au travers d'un élément réfractaire perméable logé dans le fond du réacteur, au voisinage de l'orifice de sortie du chenal, de manière à provoquer un brassage ascendant du métal au droit du chenal favorisant l'écoulement recherché dans celui-ci. Un tel élément perméable peut parfaitement être du type décrit dans la demande de brevet européen publiée n° 0021861.
  • Conformément à une mise en oeuvre préférée du procédé selon l'invention, destinée à procurer un gaz riche en hydrogène, on injecte également dans le réacteur de l'eau, à l'état de vapeur de préférence, associée à un apport calorifique extérieur pour compenser l'effet refroidissant de l'eau, notamment eu égard au caractère très endothermique de la réaction avec le carbone pour la production équimolaire d'hydrogène et d'oxyde de carbone.
  • Plus précisément, l'apport calorifique extérieur peut être limité aux besoins thermiques de la fraction d'eau injectée au-delà de celle dont l'effet refroidissant est naturellement compensé par les ressources thermiques internes du réacteur, sous réserve, bien entendu, de conserver le bain métallique à l'état liquide, c.à.d.de ne pas descendre sous une température de l'ordre de 1400-1500 °C dans le cas d'un bain de fer.
  • A cet égard, les déterminations des bilans thermiques et matières permettent dans chaque cas d'ajuster l'apport calorifique extérieur aux quantités d'eau injectée en fonction des introductions de carbone et d'oxygène, compte tenu éventuellement de la recherche d'une productivité maximale de l'installation.
  • Parmi les moyens envisageables d'apport calorifique, on retiendra de préférence ceux non-susceptibles d'intervenir chimiquement dans les réactions mises en jeu par la gazéification du charbon. Ainsi, on optera de préférence pour l'énergie d'origine électrique, notamment sous forme d'un arc électrique que l'on entretient entre une électrode et le bain métallique lui-même, comme cela se passe dans un four à arcs d'aciérie électrique. D'autres moyens de cette nature peuvent bien entendu être utilisés, tels qu'une torche à plasma ou un inducteur électromagnétique.
  • Il est remarquable de noter qu'au vu des expériences qu'ils ont menées, les inventeurs ont été conduits à retenir que, pour un volume de bain métallique donné, la quantité de charbon introduite dans le bain est liée au "volume utile" du bain par une relation de la forme :
    Qc = k . Vu
    • Qc = quantité du charbon injectée
    • Vu = volume utile pour une charge donnée
    • k = constante de proportionalité dépendant des conditions de mise en oeuvre du procédé (granulométrie, qualité du charbon, etc.)
  • Il est donc avantageux, selon une variante de l'invention, d'associer au décanteur un réacteur assurant le "volume utile" maximum du bain.
  • A cet effet, selon l'invention, le décanteur est associé à un réacteur ayant une forme allongée, tandis qu'est prévue une pluralité de lances à oxygène à jets étalés réparties le long du réacteur de manière que l'ensemble de ces jets intéresse la majeure partie de la surface du bain métallique.
  • On va maintenant décrire l'invention plus en détail en se référant aux planches de dessins annexées qui illustrent à titre d'exemples non limitatifs et de façon schématique, l'invention et ses deux variantes principales. Sur ces planches :
    • - la figure 1 illustre une installation de base selon l'invention,
    • - et la figure 2 illustre une variante de la figure 1 équipée de moyens d'introduction d'eau,
    • - la figure 3 illustre une deuxième variante de l'installation selon l'invention équipée d'une pluralité de lances d'oxygène alignées dans un réacteur de forme allongée.
  • Sur toutes les figures, les mêmes éléments sont désignés sous des références identiques.
  • Sur la figure 1, on a représenté une installation de gazéification à double étage comprenant un réacteur 1 et un décanteur associé 2 séparés par une cloison à mi-hauteur 3, l'ensemble étant fermé par un couvercle 4 pourvu d'une ouverture 5 pour la sortie des gaz produits.
  • Comme on le voit, le réacteur 1 est équipé en deux lances émergées 6 et 7 respectivement pour le soufflage d'oxygène gazeux additionné de chaux et pour l'introduction de carbone pulvérulent à l'aide d'un gaz de transport quelconque. Ces lances, refroidies par circulation interne d'eau, de type connu en affinage pneumatique, traversent verticalement le couvercle 4 par des passages notés 8, 8'. L'ensemble des ouvertures 8, 8' et 5 du couvercle est coiffé par un capot collecteur de gaz 9 relié à une conduite de récupération 10.
  • Le décanteur 2 présente une ouverture latérale 11 à un niveau en hauteur approximativement égal à celui de l'extrémité haute de la cloison séparatrice 3 et ménagée à un endroit de la paroi du décanteur éloigné de cette cloison. En outre, le fond du décanteur est sensiblement relevé par rapport à celui du réacteur, et un chenal 12, reliant le fond du décanteur au réacteur, est ménagé dans la cloison réfractaire 3 en pente inclinée vers le bas dans le sens décanteur-réacteur.
  • Les éléments qui viennent d'être décrits constituent l'aménagement de base d'une installation selon l'invention.
  • Son fonctionnement est schématiquement le suivant : On remplit le réacteur par du fer en fusion 13 jusqu'à un niveau compris entre la sortie du chenal 12 et l'extrémité supérieure de la cloison 3.
  • Lors de la mise en service des lances 6 et 7, le charbon injecté se dissout dans le bain 13 et le reste de l'opération est tout à fait comparable à ce qui se passe en affinage classique de la fonte par l'oxygène soufflé par le haut. Cet oxygène assure ainsi la décarburation du bain par formation d'oxyde de carbone gazeux. La formation d'un laitier basique fluide 14 à base de chaux constitue un agent d'épuration en soufre qui élimine cet élément du bain 13 au fur et à mesure de son introduction par le charbon à gazéifier.
  • Le caractère continu de l'opération à ce stade est assuré par un départ continu du laitier 14, à mesure de sa formation, par passage au-dessus de la cloison dont l'extrémité supérieure constitue ainsi un "seuil de débordement" 15 du laitier.
  • Cette expression "seuil de débordement du laitier" a été consacrée par le passé dans le domaine de l'affinage continu de la fonte en acier qui, précisément, met en oeuvre une installation à double étage réacteur-décanteur, de principe et de technologie tout à fait analogues à l'installation de gazéification exemplifiée ici. Le lecteur pourra d'ailleurs s'en rendre compte par lui-même en se rapportant aux nombreux brevets déposés à ce sujet par le demandeur, et notamment les brevets français n° 1407082, 1 427 201 et 1 418 924.
  • On rappelle à cet égard que la technique d'évacuation "en continu" du laitier surnageant sur un bain métallique par débordement d'un seuil semble être bien maîtrisée lorsque le laitier présente une consistance plutôt mousseuse. On sait que ce résultat peut être facilement obtenu par un contrôle adéquat des caractéristiques du jet d'oxygène, contrôle qui peut être facilement assuré, par exemple, par un réglage de la position en hauteur de la lance de soufflage. On sait aussi qu'un laitier moussant contient en suspension une quantité relativement importante de fer sous forme de gouttelettes ou de micro-particules liquides.
  • Ainsi, le laitier volontairement moussant 14 que l'on forme ici à la surface du bain 13 passe, par débordement continu et régulier au-dessus du seuil 15, du réacteur 1 au décanteur 2.
  • Pendant son séjour dans le décanteur, le laitier est au repos de sorte que les gouttelettes de fer liquide en suspension ont la possibilité de se séparer par gravité de la phase non- métallique et de se rassembler dans le fond en donnant naissance puis en alimentant régulièrement un pied de bain 16. Le laitier 14', qui au cours de sa progression dans le décanteur, passe d'un état moussant initial à une consistance proche du liquide, atteint l'orifice de sortie 11 par lequel il est évacué en continu.
  • Par ailleurs, au fond du réacteur, le chenal de communication 12 assure le recyclage du fer déposé 16 vers le bain principal 13.
  • Ce recyclage s'effectue automatiquement selon le principe des vases communicants puisqu'en régime établi, le niveau du pied de bain 16 dans le décanteur s'ajuste naturellement à chaque instant sur celui du bain principal 13 dans le réacteur.
  • Ici, une observation doit être faite à propos de la phase de démarrage de l'installation.
  • Deux possibilités existent :
    • - où l'on procède initialement au remplissage du réacteur seul, auquel cas il est nécessaire d'obturer temporairement le chenal 12 par tout moyen approprié (obturateur à tiroir coulissant, etc.) et, de préférence, pâturer son extrémité de sortie dans le réacteur.
  • Dans ce cas, la mise en service de l'installation est suivie d'une phase transitoire de mise en régime au cours de laquelle le décanteur voit se former le pied de bain 16 à partir du laitier débordé jusqu'à ce que, le niveau de la surface du bain 16 s'égalisant avec celui du bain principal 13, on ouvre le chenal de communication 12;
    • - où l'on procède initialement au remplissage simultané du réacteur et du décanteur, soit séparément si l'on obture le chenal 12, soit en alimentant en métal liquide l'un des deux dans le cas contraire.
  • Dans ce mode, la phase de démarrage peut être légèrement plus longue, mais la phase transitoire est pratiquement réduite au temps nécessaire au premier laitier qui déborde du seuil 15 pour atteindre l'orifice de sortie 11.
  • Quel que soit le mode choisi, on prendra bien entendu le soin de préchauffer convenablement l'installation à vide, en particulier le chenal de communication 12, pour éviter des phénomènes intempestifs de solidification localisé e de bain métallique.
  • Conformément à une mise en oeuvre préférée de l'invention, le flux de métal recyclé dans le chenal 12 est assisté. Ces moyens d'assistance peuvent être par exemple une pompe électromagnétique, telle que schématisée en 17 sur la figure 1, et constituée par un inducteur à champ magnétique glissant le long du chenal. Cet inducteur est composé d'une succession de conducteurs annulaires 18 (trois dans l'exemple représenté) logés dans la matière réfractaire autour du chenal 12 et alimentés par une source électrique triphasée 19.
  • Selon une autre variante, ces moyens d'assistance peuvent être constitués par un brassage du bain 13 de préférence au voisinage de la sortie du chenal 12. Ce brassage peut être obtenu avantageusement à l'aide d'une insufflation d'un gaz, tel que au dioxyde de carbone (CV2) au travers d'un élément réfractaire aéroperméable 20 monté dans le fond du réacteur et relié à une source de gaz sous pression symbolisée en 21. Bien entendu, ces deux types de moyens peuvent être utilisés séparément ou conjointement, comme c'est le cas sur l'installation de la figure 1.
  • Comme déjà indiqué, ces moyens sont connus en eux-mêmes, ainsi que dans leur application au domaine de l'élaboration des métaux. Au besoin, on pourra se rapporter par exemple aux demandes de brevets français PV n° 170198 ou PV n° 908871 pour ce qui concerne le pompage électromagnétique et à la demande de brevet européen publiée n° 0081861 pour ce qui concerne l'élément réfractaire aéroperméable, tel que 20.
  • L'installation de gazéification illustrée sur la figure 1 permet la production de gaz du type CO, HZ, COz, riche en CO, de manière continue : l'évacuation régulière du laitier et le recyclage continu du fer liquide entraîné par le laitier évitent l'accumulation d'impuretés dans le milieu réactionnel (notamment le soufre du charbon), ainsi que la consommation du bain métallique, aux légères pertes près par oxydation dans le laitier et par poussières, mais que l'on peut aisément compenser au besoin par des appoints espacés de métal.
  • Conformément à une variante particulièrement avantageuse de l'invention, illustrée sur le figure 2, on produit par gazéification du charbon un gaz riche en hydrogène à partir d'une décomposition d'eau injectée.
  • Mais avant de décrire plus en détail cette variante, il n'est pas inutile de faire quelques rappels.
  • A partir du charbon de l'oxygène et de la vapeur d'eau injectée, on recueille dans le réacteur de gazéification un mélange gazeux produit selon la réaction globale suivante :
    Figure imgb0001
  • Afin de mieux faire apparaître les phénomènes élémentaires et les chaleurs mises en jeu, cette réaction peut se décomposer en :
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
  • La combinaison des réactions (1) et (2) permet de retrouver la réaction bien connue de formation du gaz à l'eau
    Figure imgb0005
  • En raison du caractère très endothermique de la dissociation de la vapeur d'eau (réaction 1) - dont l'effet, comme on le voit sur la réaction de gazéification (4), est loin d'être compensé par la combustion de carbone à partir de l'oxygène ainsi libéré (réaction 2) - les possibilités d'injection d'eau pour la production d'un gaz riche en hydrogène sont relativement limitées, et les techniques courantes de gazéification du charbon sur métal liquide ne permettent guère de dépasser une teneur de 20 - 30 % environ en volume d'hydrogène dans les gaz récupérés.
  • On pourrait penser pallier l'effet refroidissant d'une injection accrue d'eau par une augmentation corrélative du soufflage d'oxygène. Une telle mesure cependant, non seulement n'est guère aisée à maîtriser en raison du fait que les différents équilibres réactionnels ne s'établissent pas de la même façon selon les niveaux de température atteints dans le réacteur, mais, de plus, la combustion recherchée du carbone conduit alors à une production d'oxydes de carbone (CO, CO2) qui abaissent la teneur en hydrogène du gaz récupéré pour la ramener aux alentours des valeurs prémentionnées.
  • Il demeure qu'une telle façon d'opérer permet d'accroître la quantité de gaz produite, donc également celle du charbon à gazéifier, encore que des limites apparaissent également à ce niveau du fa-t cette fois des cinétiques différentes entre les diverses réactions chimiques mises en jeu.
  • Certains artifices ont toutefois été envisagés pour tenter de surmonter les limitations de la teneur en hydrogène des gaz produits. Ainsi Sumitomo Metal Industries Ltd. a proposé, dans ses brevets FR.A 2.445.364 et 2.495.178, de faire converger les jets d'oxygène et de vapeur d'eau sur la surface du bain métallique pour y créer et maintenir un "point chaud" à haute température non susceptible de nuire à la tenue thermique du réfractaire du récipient. Il serait possible dans ce cas de porter à plus de 3C % la teneur en hydrogène du gaz produit. Cependant, les moyens mis en oeuvre nécessitent des réglages très précis, de sorte que les teneurs en H2 supérieures à 30 % indiquées dans les exemples de ce brevet ne s'appliquent vraisemblablement qu'à des cas d'espèces et ne sauraient être considérées comme un résultat constant et reproductible à partir de caractéristiques réellement bien définies et d'application large.
  • Ces difficultés sont résolues par une mise en oeuvre de l'invention conformément à sa variante de réalisation illustrée sur la figure 2.
  • Comme on le voit, la lance 7 d'injection du charbon sert également pour l'introduction d'eau qui, utilisée de préférence à l'état de vapeur, peut alors servir en outre de fluide pour le transport pneumatique des particules de charbon. De plus, le réacteur est pourvu d'une électrode de graphite 22 traversant un passage 8" prévu à cet effet dans le couvercle 4, de préférence au centre du réacteur pour limiter les effets nocifs sur la tenue des parois réfractaires du rayonnement de l'arc électrique 23 entretenu entre le bain 13 et la pointe de l'électrode. Celle-ci est reliée à une borne d'une alimentation électrique symbolisée en 24, l'autre borne étant mise au contact du bain 13 par l'intermédiaire d'un plot conducteur 25, implanté dans le fond du réacteur.
  • On a déjà dit que l'arc électrique 23 est mis en oeuvre en tant que moyen d'apport calorifique non susceptible d'intervenir chimiquement sur la gazéification. Cet apport calorifique extérieur, qui ajoute aux disponibilités propres du milieu réactionnel, permet d'augmenter jusqu'à des valeurs de 40 % et au-delà la teneur volumique en hydrogène du gaz produit, en rendant possible l'injection d'une quantité d'eau bien plus importante que celle qui serait permise autrement.
  • La mise en oeuvre d'une telle variante permet ainsi une amélioration qualitative très appréciable des gaz obtenus, dont le domaine d'utilisation se trouve ainsi élargi vers la chimie de synthèse ou vers des processus industriels demandeurs d'agents gazeux hautement réducteurs, par exemple.
  • En plus de cette variante destinée à améliorer qualitativement les gaz obtenus, comme on vient de le voir, l'invention a également pour but une amélioration quantitative, c.à.d. une amélioration de la productivité d'une installation de gazéification.
  • Le principe de base repose sur la double idée que le bain métallique doit offrir, pour un volume donné, la plus grande surface de contact possible à l'oxygène soufflé et que cet oxygène doit être soufflé de manière à intéresser la plus grande proportion possible de cette surface.
  • Ainsi, les inventeurs ont été amenés à concevoir la variante illustrée sur la figure 3 dans laquelle le bain 13, de même volume que dans les variantes précédentes, occupe un réacteur 1 de forme linéaire allongée. Le bain 13 présente de ce fait une hauteur "H" plus faible qu'auparavant mais, inversement, une surface libre 26 beaucoup plus importante au-dessus de laquelle peuvent être réparties, non plus une seule lance de soufflage d'oxygène, mais plusieurs lances 6a, 6b, 6c ... (trois dans l'exemple considéré) disposées côte à côte le long du réacteur et libérant des jets dont les zones d'impact sur la surfacë 26 du bain sont sensiblement tangentes entre elles. Parallèlement, une seconde série de trois lances 7a, 7b, 7c, pour l'injection de charbon en poudre, sont placées obliquement au travers de la grande paroi latérale du réacteur et débouchent, de préférence, chacune dans un jet d'oxygène en direction de la surface du bain.
  • On comprend que, pour un rayon "R" de la zone d'impact du jet, la taille optimale du réacteur représenté (ayant une seule rangée de lances à oxygène) est de 2R en largeur et de 2NR en longueur, où N est le nombre de lances utilisées.
  • Par rapport à un réacteur de même capacité mais de forme carrée (ou circulaire) de 2R de côté (ou de diamètre), le réacteur selon la présente variante permet de tripler pratiquement la surface de contact métal-oxygène, ce qui conduit à multiplier par trois la capacité du bain à dissoudre rapidement le carbone, donc à accroître en proportion le débit de charbon pouvant être injecté. Ceci peut s'exprimer, selon les inventeurs, en disant que le "volume utile" du bain a également triplé, sachant que ce volume utile "Vu" conditionne le débit "Qc" de charbon injectable selon la relation empirique Qc = k.Vu (vue précédemment).
  • L'augmentation de productivité recherchée se manifeste aussi par le fait que pour une même masse de bain de fer, la quantité d'oxygène et de carbone pouvant être considérablement accrue, la production instantanée de gaz recueillie sera d'autant plus volumineuse.
  • Bien entendu, une installation de gazéification de ce type peut également servir pour la production d'un gaz riche en hydrogène, selon la technique décrite en référence à la variante de la figure 2 (injection de vapeur d'eau associée à ur. apport calorifique compensateur).
  • Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais s'étend à de multiples autres variantes ou équivalents dans la mesure où sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications jointes.
  • Ainsi, la cloison 3 séparant le réacteur du décanteur peut être remplacée par tout autre moyen de seuil, le rôle de ce seuil étant de favoriser une zone calme dès la sortie du réacteur, ce qui permet de mettre en oeuvre un décanteur de taille relativement petite.
  • De même, le chenal 12 de recyclage du métal peut fort bien déboucher, non plus sous la surface du bain 13, mais au-dessus. Dans ce cas, les niveaux respectifs du bain principal 13 et du pied de bain 16 dans le décanteur sont décalés en hauteur, et le recyclage s'opère, non plus par équilibrage des pressions. entre le réacteur et le décanteur selon le principe des vases communicants, mais par simple déversement par gravité, depuis le décanteur vers le réacteur.
  • De même encore, dans le cas de la variante à injection d'eau, l'électrode peut fort bien, si on l'estime nécessaire ou simplement utile, être placée dans le décanteur. En tout état de cause, il demeure préférable d'effectuer, d'une manière ou d'une autre, un apport calorifique chimiquement neutre au milieu réactionnel et en particulier au bain métallique, lequel, en plus de sa fonction de dissolution du carbone, joue également un rôle de réservoir thermique indispensable au procédé.
  • Parmi les différentes possibilités d'apport calorifique, on portera un intérêt particulier à une technique connue de longue date mais qui, grâce aux progrès techniques, se développe aujourd'hui industriellement : le chauffage électrique par torche à plasma. Appliquée à l'invention, la torche peut fort bien être du type à plasma transféré avec par conséquent, formation d'un arc électrique entre le bain de métal et l'électrode, ou à gaz plasmagène, ce gaz pouvant être par exemple la vapeur d'eau elle-même.

Claims (11)

1) Procédé de gazéification de matière carbonée, notamment du charbon, selon lequel la matière carbonée est injectée, en même temps que de l'oxygène et des matières de formation d'un laitier épurant, dans un réacteur de gazéification constitué par un récipient métallurgique contenant un bain métallique capable de dissoudre le carbone, en particulier un bain de fer en fusion, procédé caractérisé en ce que :
- on recueille de façon continue le laitier (14) surnageant sur le bain métallique (13), à mesure de sa formation dans le réacteur (1), par débordement d'un seuil (15),
- on laisse décanter le laitier recueilli (14') pour permettre la séparation par gravité des gouttelettes de métal qui y sont présentes en suspension et qui se rassemblent dans le fond,
- on évacue en continu le laitier ainsi obtenu et on recycle, également en continu, dans le bain métallique le métal liquide (16) obtenu par décantation du laitier.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, on injecte également de l'eau dans le récipient et conjointement on effectue un apport calorifique afin de compenser l'effet de refroidissement de l'injection d'eau.
3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on procède à l'apport calorifique sans intervenir chimiquement dans les réactions mises en jeu par la gazéification.
4) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on répartit l'oxygène soufflé sur la plus grande partie possible de la surface libre du bain et en ce que, pour un volume de bain donné, on augmente au maximum sa surface libre.
5) Installation de gazéification pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un ensemble intégré à deux étages :
- un réacteur de gazéification proprement dit (1), destiné à contenir un bain métallique en fusion (13) capable de dissoudre du carbone, et pourvu de moyens (6, 7) pour l'introduction de matières carbonées, notamment du charbon, d'oxygène gazeux ainsi que des matières de formation d'un laitier épurant,
- et un décanteur (2) adjacent au réacteur, destiné à recueillir le laitier (14) formé dans le réacteur et communicant avec celui-ci d'une part, par un seuil de débordement (15) constitué par l'extrémité supérieure d'une cloison (3) séparant le réacteur du décanteur et, d'autre part, par un chenal (12) de recyclage dans le réacteur du métal liquide déposé dans le fond du décanteur, et provenant de gouttelettes métalliques en suspension dans le laitier recueilli (14'), ledit chenal étant ménagé au travers de la cloison commune (3).
6) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour assister la circulation du métal liquide dans le chenal de recyclage.
7) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens sont constitués par un inducteur électromagnétique (17) à champ glissant le long du chenal de recyclage.
8) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que, le chenal de recyclage débouchant dans le réacteur sous la surface du bain métallique, lesdits moyens sont constitués par un élément réfractaire aéroperméable (20) monté dans le fond du réacteur et relié à une source (21) de gaz sous pression.
9) Installation selon les revendications 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle est également pourvue de moyens pour l'introduction d'eau et de moyens d'apport calorifique, ces derniers n'étant pas susceptibles d'intervenir chimiquement dans les réactions de gazéification.
10) Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits moyens d'apport calorifique sont constitués par un arc électrique (23) entretenu entre une électrode (22) et le bain métallique (13 ou 16).
11) Installation selon les revendications 5, 6 ou 9, caractérisée en ce que le réacteur (1) présente une forme linéaire allongée et en ce que les moyens d'injection de l'oxygène gazeux (6a, 6b,...) sont répartis le long du réacteur de manière que l'ensemble des jets d'oxygène intéresse la majeure partie de la surface libre (26) du bain métallique (13).
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