FR2470152A1

FR2470152A1 - Procede de gazeification de materiaux carbones

Info

Publication number: FR2470152A1
Application number: FR8024746A
Authority: FR
Inventors: Ernst Schuster
Original assignee: Carbon Gas Technologie GmbH
Current assignee: Carbon Gas Technologie GmbH
Priority date: 1979-11-23
Filing date: 1980-11-21
Publication date: 1981-05-29
Also published as: JPS5686991A; US4441892A; PL125935B1; PL228009A1; JPH021879B2; GB2065162B; AU540408B2; AU6428280A; CS222192B2; ZA806636B; DE2947222C2; CA1173251A; GB2065162A; NZ195609A; DE2947222A1

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA GAZEIFICATION DE MATERIAUX CARBONES DANS UN DISPOSITIF A COUCHE TOURBILLONNAIRE. SUIVANT L'INVENTION, ON PREVOIT DEUX COUCHES TOURBILLONNAIRES 1 ET 2 DISPOSEES L'UNE AU-DESSUS DE L'AUTRE ET RELIEES PAR UNE SECTION RESSERREE 3 AU-DESSUS D'UN LIT FIXE 4, L'INJECTION DU COMBUSTIBLE S'EFFECTUANT DANS LA COUCHE INFERIEURE PAR LES ARRIVEES 7, UNE OU PLUSIEURS CHAMBRES DE GAZEIFICATION 21 COMPRENANT DES BRULEURS 19 DISPOSES A L'EXTERIEUR DU REACTEUR, PENETRANT OU DEBOUCHANT AU-DESSUS DE LA COUCHE TOURBILLONNAIRE DANS LAQUELLE EST AMENE LE COMBUSTIBLE RECYCLE, SOIT DIRECTEMENT PAR UN OU PLUSIEURS CYCLONES 14 DISPOSES DANS LE REACTEUR AU-DESSUS DE LA COUCHE TOURBILLONNAIRE SUPERIEURE, SOIT APRES SEPARATION DES GAZ PRODUITS DANS UN SEPARATEUR EXTERIEUR, UN REFROIDISSEMENT POUVANT EN OUTRE ETRE PREVU AINSI QU'UN BROYAGE DES PARTICULES SOLIDES. APPLICATION A LA GAZEIFICATION DES MATERIAUX CARBONES DANS DES CONDITIONS AMELIOREES DE RENDEMENT ET D'ENTRETIEN.

Description

La présente invention concerne un procédé de gazéifi-

cation de matériaux carbonés se présentant sous forme solide

pulvérulente ou granulaire, suivant une méthode o la gazéi-

fication des cendres volantes et la gazéification en couche tourbillonnaire, et le cas échéant la gazéification en lit fixe, sont réalisées en même temps dans un réacteur à un ou plusieurs étages, et o s'effectue un retour dans le réacteur

des matières solides séparées des gaz produits.

On connait divers procédés mettant en oeuvre dans un

réacteur à la fois les gaz, les matières solides, et les réac-

tions. La partie des matières solides constituée par les par-

ticules les plus fines, entraînée par le gaz produit, est séparée de la couche tourbillonnaire au moyen d'un cyclone qui se trouve placé dans le réacteur, au-dessus de la couche tourbillonnaire. La matière solide séparée dans le cyclone tombe directement dans un dispositif de gazéification disposé à la sortie inférieure du cyclone, et comprenant un brûleur et une chambre de gazéification. Les produits pulvérulents de gazéification (mélange gaz-matières solides et scories fondues) sortant de la chambre de gazéification sont injectés par

insufflation sur la couche tourbillonnaire. Ainsi, ces pro-

duits cèdent une partie de leur chaleur, qui est considé-

rable, à la couche tourbillonnaire. Les scories fondues doi-

vent être solidifiées et séparées à travers la couche tour-

billonnaire dans le lit fixe disposé immédiatement en dessous.

Par l'insufflation des produits pulvérulents de gazéification sur la couche tourbillonnaire, on utilise une partie d'autant plus limitée de la chaleur sensible des produits pulvérulents de gazéification pour réchauffer la couche tourbillonnaire que la profondeur de pénétration des

jets de gaz dans la couche tourbillonnaire est plus faible.

Il en résulte que le gaz de gazéification des produits pul-

vérulents peut ne pas être suffisamment refroidi, et la tem-

pérature du mélange du gaz de gazéification des produits pul-

vérulents et du gaz de gazéification dans la couche tour-

billonnaire reste plus élevée jusqu'au cyclone que dans le cas d'un échange thermique complet à l'intérieur de la couche tourbillonnaire. En conséquence subsiste le risque que des cendres,, et en particulier les cendres fines, demeurent dans la zone de fusion et adhèrent aux parois du réacteur,

jusqu'au cyclone et même dans ce dernier.

Dans les procédés connus de gazéification en couche tourbillonnaire la séparation des gaz et des matières soli- des sortant de la couche tourbillonnaire est réalisée dans un cyclone qui se trouve soit dans le réacteur, d'o les

matières solides sont reconduites, par des tuyaux de des-

cente, dans la couche tourbillonnaire, soit à l'extérieur

du réacteur et les matières solides sont également recon-

duites de ce cyclone extérieur dans la couche tourbillon-

naire. Cette matière solide recyclée est cependant réextraite très rapidement de la couche tourbillonnaire en raison de sa finesse, de telle sorte qu'une partie-seulement de la matière pure qui y est contenue peut être échangée. Il en résulte que le recyclage de cette partie de la matière solide peut le cas échéant s'effectuer à une cadence très élevée et conduire à une concentration -des cendres dans la

couche tourbillonnaire.

On a tenté de remédier à cet inconvénient, sans toutefois y parvenir totalement en pratique, en prévoyant au-dessus de la couche tourbillonnaire un volume de contact

très encombrant, dans lequel on injecte en outre de l'oxy-

gène pour provoquer une postgazéification.

Le regroupement du dispositif cyclone-brûleur de gazéification et de la chambre de gazéification dans un

seul ensemble, conformément à une variante qui a été pro-

posée, présente du point de vue du fonctionnement l'incon-

vénient irrémédiable que l'entretien du brûleur de gazéi-

fication des poussières, qui est fragile, n'est pas pos-

sible, ou n'est possible qu'au prix de pertes de temps importantes, car le cyclone, le brûleur de gazéification

des poussières, et la chambre de gazéification sont dis-

posés dans le réacteur sous forme d'une seule unité refroi-

die. L'accessibilité des installations se trouve donc

considérablement limitée.

Un autre inconvénient important tient au fait que

ce dispositif de gazéification des poussières doit fonc-

tionner en aveugle de telle sorte qu'on ne peut pas contrô-

ler si de la matière, et en quelle quantité, a été amenée

au brûleur par les quatre sorties du cyclone. Une addi-

tion adéquate d'un moyen de gazéification, comme l'oxygène, n'est donc pas possible. Pour des raisons techniques tenant à la sécurité, on se trouve dans l'obligation d'injecter dans la gazéification des poussières, l'hydrogène, ou un

gaz purifié produit dans l'installation même, en une quan-

tité telle que l'oxygène soit totalement consommé à la sortie de l'arrivée des matières solides. Or l'hydrogène, ou le cas échéant le gaz purifié produit sur place, est le

consommateur d'énergie le plus coûteux du procédé.

Tous deux sont transformés en vapeur d'eau, ou le cas échéant en vapeur d'eau et en dioxyde de carbone, par combustion avec production d'un dégagement de chaleur très

important, et doivent à nouveau se transformer en hydro-

gène et en monoxyde de carbone par contact avec la substance

pure contenue dans la matière solide. On sait que ce proces-

sus n'est pas total, et il l'est d'autant moins que le mé-

lange de la matière solide et du moyen de gazéification est moins bon, et que le temps disponible, à une température

de réaction donnée, est plus faible.

Dans les systèmes connus, les proportions de ce mélange ne sont pas optimales et la matière solide se sépare

du moyen de gazéification sous l'action de la force centri-

fuge. En conséquence, dans les dispositifs connus de gazéification des poussières on ne dispose que d'un temps de gazéification de l'ordre de 0, 05 seconde. Cette durée ne peut suffire qu'à assurer la transformation d'une faible partie seulement de la matière solide, car dans le cas de poussières dont le diamètre est inférieur à Omm, la transformation totale exige une durée d'au moins 0,2 à 0,3 seconde pour une température de réaction supérieure à

16000C.

On sait également que dans les procédés connus de gazéification de produits pulvérulents on utilise des grains de dimension inférieure à Mlumm, c'est-à-dire des grains de dimension moyenne de l'ordre de 0,025 mm, tandis que la poussière sortant de la couche tourbillonnaire peut avoir une dimension de particules allant jusqu'à lmm. La matière solide recyclée présente ainsi une dimension moyen-

ne de particules supérieure d'au moins dix fois par compa-

raison avec les poussières en cours de gazéification. En

conséquence, pour des températures et des durées de réac-

tion identiques, on ne transforme qu'une quantité infé-

rieure de substance-pure à partir des matières solides recyclées. De plus, suivant les procédés connus, les cendres doivent être totalement fondues et mises en granulés dans la couche tourbillonnaire se trouvant audessous, pour en être extraites ensuite. Cependant, une cendre de dimension égale à environ 0,lmm exige une température réactionnelle de 16000C, et pour un point de fusion des cendres de 1300'C

par exemple, la durée de la fusion est tout juste de 0,3 s.

Ceci signifie que dans le procédé connu de gazéification,

seule une partie limitée de la substance pure est trans-

formée, et une faible partie des cendres est fondue.

En conséquence la quantité de matières solides en circulation et recyclées en continu s'élève, de telle sorte que, le cas échéant, la quantité exactement prévue de matière solide, ou même une quantité plus élevée, se trouve amenée par le brûleur dans des zones telles que la couche tourbillonnaire ou le lit fixe. Ceci conduit aussi à une consommation élevée en oxygène et en gaz car si la matière

solide est recyclée plusieurs fois, il est également néces-

saire de chauffer plusieurs fois à des températures de l'ordre de 1000WC à 1600'C par exemple. Par ailleurs l'équilibrage thermique entre la couche tourbillonnaire et les produits de gazéification ne peut pas s'établir en raison de la partie trop importante prise par les produits de gazéification. La présente invention a pour objet un

procédé de gazéification qui évite les inconvénients pré-

cités et rend possible en pratique la mise en oeuvre d'un

procédé combiné.

Conformément à la présente invention le procédé de gazéification de matériaux carbonés se présentant sous forme

solide pulvérulente ou granulaire s'effectue à l'aide d'oxy-

gène et/ou d'air, et le cas échéant de vapeur d'eau, sous une pression de 1 à 80 bars, la gazéification en couche tourbillonnaire, la gazéification des poussières, et le cas échéant la gazéification en lit fixe se déroulent en même temps dans un réacteur à un ou plusieurs étages, et un retour des matières solides séparées des gaz produits s'effectue dans le réacteur; suivant une caractéristique essentielle du

procédé de l'invention, deux étages d'une couche tourbillon-

naire connectés l'un à l'autre et disposés l'un au-dessus de l'autre sont placés, dans le sens du courant gazeux, à la suite de la gazéification en lit fixe existante, de telle sorte que l'injection de la matière solide brute se fasse dans la couche tourbillonnaire inférieure, et en outre

une ou plusieurs chambres de gazéification de matières pul-

vérulentes comprenant des brûleurs de gazéification fixés à l'extérieur du réacteur, pénètrent ou débouchent juste au-dessus de la couche tourbillonnaire dans laquelle est amenée la matière solide recyclée, soit directement par un ou plusieurs cyclones disposés dans le réacteur audessus

de la couche tourbillonnaire supérieure, soit après sépara-

tion des gaz produits, dans un séparateur placé à l'exté-

rieur du réacteur, un refroidissement des matières solides

à séparer pouvant être prévu en amont ou en aval du ou des sé-

parateurs à la suite desquels le cas échéant les matières

solides refroidies peuvent être pulvérisées.

Le combustible brut à gazéifier est amené dans.la

couche tourbillonnaire inférieure, par exemple latérale-

ment au moyen d'un convoyeur à vis, par un tuyau de des-

cente venant du dessus ou par des moyens usuels. La dimen-

sion des particules de matière combustible est comprise entre 0 et lOOmm et de préférence entre 0 et 30mm lorsqu'un lit fixe est disposé sous la couche tourbillonnaire; elle est de 0 à 8 ou lOmm lorsque seul un lit fixe de matières

très fines ou seule une évacuation des cendres est prévue.

Dans le premier cas, la partie fine du charbon, c'est-à-

dire

-2470151

les particules de dimension inférieure à lmm environ repré-

sentent 15 à 20% de l'ensemble, et dans le second cas elles

peuvent atteindre 40%.

Pour assurer le maintien de la couche tourbillonnaire la vitesse du gaz tourbillonnaire provenant du moyen de ga- séification et du charbon, doit être 3 à 4 fois la vitesse limite de décrochement correspondant aux particules moyennes de la couche tourbillonnaire. Pour les particules dont la dimension est supérieure à la dimension moyenne, le rapport de la vitesse du tourbillon à la vitesse de décrochement

peut être inférieur à 3 ou 4 environ. Les particules gros-

sières se déplacent dans la zone inférieure de la couche

tourbillonnaire ou quittent la couche par gravité, et in-

versement en ce-qui concerne les particules les plus fines,

qui se déplacent dans la zone supérieure de la couche tour-

billonnaire et sont entraînées par le gaz hors de la couche à partir d'une dimension déterminée. Si la pression du gaz

de gazéification augmente, la vitesse de décrochement dimi-

nue - davantage pour les particules les plus grosses que les plus fines et par conséquent il en est de même pour

la vitesse minimale du gaz tourbillonnaire. La couche tour-

billonnaire peut alors être stabilisée. Les particules les plus grossières, qui dans un fonctionnement sous pression seraient extraites par le dessus, restent dans la couche tourbillonnaires et par conséquent la proportion de matière évacuée par rapport à la quantité de combustible apportée

dans le réacteur diminue.

Les particules de matière extraites de la couche tourbillonnaire au terme d'un temps relativement court sont

seulement dégazées ou partiellement dégazées. Pour des rai-

sons économiques, et en particulier en raison du coût élevé

des combustibles, il est nécessaire de recycler ces matiè-

res solides dans le système pour une gazéification totale.

Conformément à la présente invention, il est par-

ticulièrement avantageux d'amener ces particules fines jus-

qu'aux brûleurs de gazéification qui sont placés à l'exté-

rieur de la chambre de réaction de telle sorte que leur entretien technique s'en trouve facilité. Il devient alors possible de diviser la couche tourbillonnaire en deux

étages raccordés par un passage de section plus étroite.

Au niveau du rétrécissement de la section,à l'exté-

rieur de la chambre de réaction, sont disposés un ou plu-

sieurs brûleurs dans le prolongement desquels, vers le bas, se trouvent les chambres de gazéification pénétrant dans la

chambre de réaction et s'arrêtant juste au-dessus de la cou-

che tourbillonnaire ou y pénétrant. Suivant une forme de réalisation de l'invention on peut prévoir par ailleurs de dimensionner la longueur et le volume de chaque chambre de gazéification de la poussière de telle sorte qu'il y ait au-dessus de la couche tourbillonnaire une zone calme dont la hauteur correspond à au moins trois fois l'épaisseur de

la couche tourbillonnaire, tandis que les chambres de gazéi-

fication présentent un volume qui, par rapport à la quantité de gaz qui s'y trouve produite, implique un temps de passage dans la chambre de gazéification qui suffit à assurer la gazéification d'au moins la moitié des substances pures in jectées, et la fusion d'au moins la moitié des, cendres0

De plus, on peut prévoir que les chambres de gazéi-

fication débouchent immédiatement au-dessus de la couche tourbillonnaire, ou plongent dans cette couche, de telle sorte que, entre le flux gazeux sortant des chambres de

gazéification, les scories liquides, et la couche tourbil-

lonnaire, s'établisse un échange thermique suffisamment im-u portant pour que des scories liquides sortant de la chambre de gazéification soient solidifiées au moins en surface, de telle sorte que les scories les plus grosses séparées et tombant de la couche tourbillonnaire et les petites scories entraînées vers le haut par le courant gazeux ne provoquent

plus aucune scarification.

Pour une gazéification partielle de la poussière de coke présentant des particules de dimension inférieure à Olmm, et pour une teneur en produit pur de 70%, par exemple, la température de la réaction étant par exemple de 1500C,

la durée de la réaction doit Itre d'environ 0,3 seconde.

La même durée, approximativement, est nécessaire pour une température de 16000C, pour gazéifier à peu près totalement

le produit pur. Toutefois le processus de fusion des cen-

dres lui aussi est fonction du temps. Pour une particule de cendre dont la dimension est environ 0,lmm, la fusion nécessite également environ 0,3 s. lorsque le point de fusion de la cendre est de l'ordre de 1300'C. Il en résulte

que, conformément à la présente invention, la durée du pas-

sage dans la chambre de gazéification de la poussière doit être d'au moins 0,2 s. pour des particules de 0,lmm et une température de réaction de 1600'C, afin d'assurer à un degré suffisant la conversion du combustible et la fusion des scories. La finesse des particules, la température de la réaction, la durée de passage dans le milieu, et le point de fusion des cendres sont les facteurs interdépendants

qu'il faut prendre en considération.

Dans une particule de charbon se trouvent mélangées une substance pure et des cendres. L'expérience montre que

la cendre commence à fondre lorsque 80% au moins de la subs-

tance pure est décomposée. Le processus de fusion subit ainsi un retard supplémentaire, c'est-à-dire que la fusion

de la cendre d'une particule de coke exige un temps de pas-

sage dans la chambre de gazéification plus important que

dans le cas d'une particule de cendre pure de même grosseur.

Il est avantageux que les particules de cendres les plus lourdes soient entraînées rapidement vers les parois

de la chambre de gazéification par le courant rotatif engen-

dré par le brûleur, o leur paroi ramollie rencontre le film de cendres liquides qui s'y trouve déjà, ou les autres

parties de cendres en cours de ramollissement, et y adhère.

Il reste donc plus de temps disponible pour leur liquéfac-

tion que dans le cas du courant gazeux seul.

L'évacuation des scories liquides hors de la chambre de gazéification s'effectue conformément à l'invention en faisant en sorte que le flux de scories liquides traversant la couche tourbillonnaire ait une épaisseur telle qu'au cours de la solidification dans la couche tourbillonnaire il se forme des particules de scories qui tombent sûrement hors

de la couche tourbillonnaire.

La qualité de l'échange thermique entre la couche tourbillonnaire et les produits de la gazéification des poussières conditionne l'économie-en moyen d'oxydation, par exemple l'oxygène, utilisé pour le chauffage de la couche tourbillonnaire. Pour une température de sortie des produits de gazéification de 1600'C, par exemple, dans la couche tourbillonnaire, on injecte par le bas de la couche tourbillonnaire juste assez doxygène, par rapport à la

vapeur d'eau nécessaire, pour que s'établisse une tempé-

rature de la couche tourbillonnaire de 1000 C et que les produits de gazéification quittent le réacteur à cette température. La limite supérieure de cette température est déterminée par la vitesse de gazéification nécessaired'une part, et par la durée du ramollissement des cendres ou des

scories, d'autre part. L'arrivée des produits de gazéifi-

cation des poussières jusqu'à immédiatement au-dessus de la couche tourbillonnaire, ou dans celle-ci, entraîne une turbulence importante, ce qui doit provoquer une éjection plus importante des particules les plus grosses hors de la couche tourbillonnaire, vers le haut, par comparaison avec une couche tourbillonnaire normale. Pour cette raison, conformément à la présente invention, on prévoit de réserver au-dessus des couches tourbillonnaires un volume stable dont la hauteur doit être au moins trois fois celle de la couche tourbillonnaire elle-même, afin de permettre aux particules grossières éjectées de la couche tourbillonnaire, d'y retomber. Une couche tourbillonnaire se caractérise par le transfert de chaleur et de matières intensif et par une

répartition régulière de la température sur toute la couche.

En raison de l'importance de la masse de la couche, la réserve de chaleur est très grande, de telle sorte que l'on

peut considérer pour le chauffage d'une quantité de com-

bustible brut injecté, comparativement plus faible que la

température environnante reste sensiblement constante.

Si on injecte du charbon en particules de dimension comprise entre 0 et 50mm, les particules, supposées sensiblement sphériques, pour simplifier, se réchauffent d'autant plus

vite que leur diamètre est plus faible. En raison de l'im-

portance de l'échange thermique à la surface de la sphère de charbon, dans la couche tourbillonnaire, et dela très faible conductivité thermique du charbon, la température

superficielle du charbon peut pendant un laps de temps dé-

terminé au cours du chauffage, être supérieure à celle de l'intérieur de la sphère, c'est-à-dire qu'il apparaît une différence de température importante qui croit avec la

dimension de la particule de charbon. La chute de tempé-

rature de la surface à l'intérieur de la particule de dhar-

bon apparait pratiquement déjà au niveau de la couche externe.

Les différences de température, ajoutées à la forma-

tion de la partie fluide du charbon pendant le chauffage et

aux effets de frottement et de choc dans la couche tour-

billonnaire, peuvent provoquer une fragmentation supplémen-

taire des particules de combustible injectées. Il en résulte que les particules grossières destinées à la gazéification en lit fixe peuvent être plus petites que l'on pourrait s'y

attendre pour une matière brute connaissant sa courbe carac-

téristique, et par conséquent la proportion de particules fines extraites de la couche tourbillonnaire se trouve augmentée. Par ailleurs les combustibles bruts peuvent être traités avant injection dans la couche tourbillonnaire

par exemple par gazéification préalable, ou préoxydation,etc.

La partie de matière solide extraite de la couche tourbil-

lonnaire inférieure vers le haut, malgré la zone calme qui

y est établie, parvient à la couche tourbillonnaire supé-

rieure à travers le passage de section réduite. Cette méthode ne constitue qu'une des possibilités de transfert d'une couche à l'autre. Etant donné que dans la couche tourbillonnaire supérieure seule la partie la plus fine de l'ensemble des particules amenées y est traitée, il est avantageux de prévoir pour cet étage en raison de la vitesse tourbillonnaire nécessairement plus faible, une section

plus importante que celle de la couche tourbillonnaire in-

férieure, ce qui permet d'augmenter considérablement le temps de gazéification des particules fines extraites trop

rapidement de la couche inférieure. La partie de la pous-

sière encore entrainée par le gaz de gazéification est dirigée au-delà de la zone calme au-dessus de la couche il tourbillonnaire supérieure jusqu'à des séparateurs o la

poussière de coke restante est séparée du gaz.

La place de cette séparation peut être variable et

peut aussi bien se trouver dans le réacteur que à l'extérieur.

Lorsqu'elle s'effectue à l'intérieur du réacteur, la sépara-

tion du gaz et de la poussière de coke se fait à des tempé-

ratures très élevées, par exemple à 900-10000C. On sait que le degré de séparation dans un cyclone est nettement moins

bon à haute qu'à basse température quand on ne peut stacco-

moder d'une perte de pression importante. Bien entendu, la séparation à haute température peut s'effectuer également à l'extérieur du réacteur. Il est cependant préférable de refroidir tout d'abord le mélange gazpoussière de coke à

une température accessible au moyen d'un échangeur de cha-

leur de manière usuelle, par exemple à 150-200'C, et ensuite d'effectuer la séparation dans un filtre ou un électro-= filtre. On peut ainsi diviser la matière solide sortant de la chambre de réaction, en deux parties, l'une regroupant les particules les plus grosses, et l'autre les plus fines, les particules les plus grosses étant utilisées dans une dérivation de l'échangeur de chaleur pour refroidir le mélange gaz- poussières (par exemple dans une chaudière de récupération), les particules fines étant séparées dans un filtre. Conformément à l'invention, la matière solide du dépoussiérage fin, lorsqu'elle a u n e teneur trop élevée en substance pure, est dirigée directement vers le brûleur, et la matière provenant du dépoussiérage grossier (par exemple de la chaudière de récupération) est dirigée soit directement dans l'une des couches tourbillonnaires, de préférence dans la couche inférieure, soit au brûleur

après broyage en particules de dimension inférieure à Olmm.

Quand, après un dépoussiérage grossier la matière solide est séparée du système et du dépoussiérage fin en raison

d'une trop grande teneur en cendres, les particules gros-

sières, ou le cas échéant les particules grossières broyées,

peuvent être aussi dirigées vers les brûleurs dont les cham-

bres de gazéification correspondantes ne sont pas placées dans la chambre de réaction elle-même, mais latéralement, au niveau d'une réduction d'épaisseur de la matière, par exemple dans la zone située entre le lit fixe et la couche tourbillonnaire, ou à proximité de la zone calme. Dans ce

cas une fusion des cendres n'est pas strictement nécessaire.

Les températures sont alors déterminées de manière à être,

par exemple, inférieures à 1450WC pour des durées de gazéi-

fication de l'ordre de 0,5 s. La conversion de la substance pure s'effectue dans ces conditions à plus de 60% ce qui permet de se contenter d'un recyclage d'une fois et demie des particules fines. Pour une disposition latérale des

chambres de gazéification, le rapport de la quantité de cha-

leur qui les traverse, à la quantité se trouvant dans la chambre de réaction à son voisinage, doit être surveillé car une température excessive ne doit apparaitre en aucun endroit, qui pourrait provoquer une fixation des cendres

aux parois du réacteur, après leur fusion.

Il faut également observer, dans le cas d'une dis-

position oblique des dispositifs de gazéification des pous-

sières, que l'écoulement du courant fluide dans la chambre de gazéification, et donc la transformation du combustible, est d'autant plus déréglé que le moyen dans lequel les

produits de gazéification sont introduits est plus épais.

Dans le cas d'un ou plusieurs cyclones dans la zone calme du réacteur, avant la sortie des gaz, la poussière qui

se trouve séparée dans ces cyclones tombe directement jus-

qu'aux brûleurs disposés sur les chambres de gazéification

de la poussière et à côté de ces brûleurs on amène les -

moyens de gazéification comme l'oxygène et/ou l'air, ou le cas échéant la vapeurd'eau, qui peuvent également être utilisés pour faire circuler la poussière séparée à travers les chambres de gazéification. Etant donné qu'on ne connait pas la quantité de poussière séparée dans le cyclone, il peut être avantageux d'effectuer une mesure de la densité

du courant dans la canalisation vers la chambre de gazéi-

fication au moyen d'un dispositif à rayonnement. Le réglage du moyen de gazéification par rapport à la matière solide à gazéifier peut être fait exactement si la poussière

séparée du mélange gaz-poussière, à l'intérieur ou à l'exté-

rieur

du réacteur, est injectée vers le brûleur non pas directe-

ment, mais par l'intermédiaire d'un silo de dosage. Un autre

avantage résulte du fait qu'on dispose d'un domaine de varia-

tion de pression bien plus important pour supporter la chute de pression àla sortie du brûleur, que par exemple dans le cas d'un transfert direct de la poussière du cyclone au

brûleur au moyen d'un injecteur ou d'un diffuseur.

Etant donné que les mécanismes utilisés pour le traitement de la poussière ne peuvent pas supporter des températures trop élevées, conformément à l'invention on prévoit un dispositif de refroidissement de la poussière séparée, par exemple dans un silo intermédiaire. Si la poussière, après séparation, est broyée avant la nouvelle

gazéification, il est également avantageux de la refroidir.

La chaleur récupérée à partir de la poussière de coke chaude est transférée, suivant l'invention, au moyen utilisé pour la gazéification, et sert par exemple à la production de

vapeur pour une turbine.

La quantité de poussière extraite du réacteur peut varier. Par compensation, mais aussi pour d'autres raisons9 il est possible suivant l'invention, d'amener aux brûleurs, à côté ou à la place des matières partiellement gazéifiées et recyclées, d'autres combustibles tels que de la poussière de charbon, des goudrons, des huiles, etc. Par êxemple, on peut aussi injecter de la poussière de hauts fourneaux

pour traiter des scories de fer qui doivent être transfor-

mées en éponges de fer. En principe on peut également injecter des matières additionnelles, qui apportent une aide au procédé de gazéification, lorsque par exemple elles

n'ont plus aucune autre utilisé économique ou rendent pos-

sible l'obtention d'autres produits utilisables, à côté

des gaz de gazéification.

Si on effectue un broyage des matières solides

* séparées des gaz et leur recyclage aux brûleurs, conformé-

ment à l'invention on peut supprimer la couche tourbillon-

naire supérieure. La couche tourbillonnaire inférieure a essentiellement pour rôle d'effectuer une gazéification supplémentaire des particules les plus grossières extraites de la couche inférieure. En raison de la finesse relative de ces particules, elles ne restent pas longtemps à ce niveau lorsque la section de la couche supérieure n'est pas

nettement plus importante que celle de la couche inférieure.

Un avantage certain est ainsi retiré de la présence de la couche tourbillonnaire supérieure. Mais lorsqu'on effectue ensuite un broyage des particules les plus grosses, cette couche supérieure ne joue plus aucun rôle déterminant, si par exemple 15 à 20% de la totalité de la matière injectée dans le réacteur est broyée à l'état de poussière de coke,

dans le cas o un appareil de broyage est prévu à cet effet.

La poussière de coke, qui provient d'un chauffage rapide de

la poussière de charbon, ne nécessite qu'une quantité d'éner-

gie moindre au broyage que la poussière de charbon.

Il est possible d'éviter, tout au moins dans sa par-

tie principale, la zone de calme de grand volume utilisée jusqu'à présent suivant les techniques usuelles au-dessus d'une couche tourbillonnaire, car le passage, par exemple le passage à la chaudière de récupération, peut en faire

fonction.

La séparation des combustibles bruts s'effectue dans

la couche tourbillonnaire suivant la dimension des- parti-

cules. Les particules dont la dimension est inférieure

à Imm par exemple, sont extraites de la couche tourbillon-

naire plus ou moins rapidement vers le haut, et les parti-

cules de dimension voisine de lOmm, par exemple, sont

séparées vers le bas et tombent dans le lit fixe. On pré-

voit à proximité un chauffage des particules, dont la vi-

tesse de déplacement dépend de la dimension.

Au cours de la séparation en fonction de la dimen-

sion des particules, et du chauffage, s'effectue simulta-

nément un dégazage plus ou moins poussé, dépendant de la dimension des particules, c'est-à-dire une transformation des particules de charbon en particules de coke. Dans le temps relativement court séparant l'arrivée des particules

grossières dans la couche tourbillonnaire de leur sépa-

ration dans le lit fixe, les particules fines de dimension inférieure à lmm sont pratiquement dégazées et en partie

également partiellement gazéifiées, tandis que les parti-

cules de dimension voisine de 50mm par exemple, qui ne sont que superficiellement traitées, tombent dans le lit fixe. Le moyen de gazéification est injecté dans le lit fixe par le dessous, o se trouve également la zone la plus chaude. Le gaz formé à cet endroit traverse la couche vers le haut, fournit par conséquent de la chaleur à la matière solide qu'il faut chauffer, et parvient à la couche tourbillonnaire à une température relativement plus faible,

o les substances condensables comme par exemple les gou-

drons sont traitées par craquage. Ce passage du lit fixe

à la couche tourbillonnaire est, comme mentionné précédem-

ment, un endroit approprié pour la mise en place du dis-

positif de gazéification des poussières, en particulier

lorsque la gazéification, totale ou partielle, des pous-

sières s'effectue à des températures pour lesquelles la fusion des cendres ne commence pas encore. Si les scories sont séparées dans le lit fixe, il convient de s'assurer que la scarification qui s'effectue dans ce lit fixe par des moyens techniques connus, par exemple par additions

intermittentes périodiques de vapeur, s'enfonce progres-

sivement afin que le courant gazeux puisse passer sans

en être gêné.

Plusieurs formes préférentielles de réalisation de l'invention sont décrites plus en détail ci-après, en références aux figures 1 à 3 annexées qui représentent des coupes schématiques longitudinales de dispositifs pour

la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention.

La figure 1 représente schématiquement un exemple de séparation de poussières de coke dans des cyclones,

dans le réacteur, au-dessus de l'étage de la couche tour-

billonnaire supérieure, avec à chaque fois une prise di-

recte sur le brûleur de gazéification disposé à l'extérieur du réacteur, dont les chambres de gazéification pénètrent

dans l'étage inférieur de la couche tourbillonnaire.

L'exemple convient en principe aussi bien pour le.fonc-

tionnement sous pression que pour le fonctionnement à

l'air libre. L'ensemble du réacteur comprend l'étage in-

férieur de la couche tourbillonnaire 1, l'étage supérieur de la couche tourbillonnaire 2, la section de liaison 3 entre les deux étages de la couche tourbillonnaire, la couche de matière solide 4 avec le passage 5 à la couche

tourbillonnaire ainsi que le sas à cendres et à scories 6.

Le combustible à gazéifier est amené dans la couche tourbillonnaire inférieure 1 au moyen des vis 7, tandis que les moyens de gazéification, l'oxygène et/ou l'air,et

le cas échéant la vapeur d'eau sont amenés par les arri-

vées 8. La fourniture du moyen de gazéification peut éga-

lement se faire par l'arrivée 9 dans la couche tourbillon-

naire supérieure 2, et par l'arrivée 10 dans le lit fixe 4 et est dirigée vers la partie à gazéifier, les moyens de

gazéification ayant été au préalable réchauffés à une tem-

pérature aussi élevée que possible compte tenu des con-

traintes économiques. Pendant que les particules grossières tombent de la couche tourbillonnaire inférieure 1 par le passage 5 dans le lit fixe 4, les particules fines sont

transportées à travers la chambre de contact 11, la sec-

tion de liaison 3 et le passage 12 dans la couche tour-

billonnaire supérieure 2 pour y être gazéifiées, le cas échéant à l'aide d'un moyen de gazéification additionnel injecté par les arrivées 9. En conséquence, la couche tourbillonnaire supérieure 2 présente un diamètre plus

important que celui de la couche tourbillonnaire infé-

rieure 1. La matière solide sortant de la couche tourbil-

lonnaire supérieure 2 est entrainée par le gaz à travers la zone calme 13 jusqu'aux cyclones 14 o elle pénètre par les ouvertures 15. Le gaz de gazéification quitte le cyclone 14 par les canalisations 16 jusqu'à, par exemple, une canalisation de récupération 17 qui conduit à un échangeur de chaleur pour le refroidissement des gaz. La

poussière de coke séparée, tombe par les tuyaux de des-

cente 18 jusqu'aux brûleurs de gazéification 19 alimentés en moyen de gazéification tel que l'oxygène ou la vapeur d'eau, par les arrivées 20, de manière usuelle. Entre

la sortie du tuyau de descente 18 de la zone tourbil-

lonnaire 2/12 et l'entrée dans le brûleur 19, se trouve la section calibrée 20 qui permet de mesurer la quantité

de poussière de coke tombant vers le bas, au moyen d'ap-

pareillages étanches de mesure par rayonnement. Cette valeur mesurée sert de référence pour la quantité et les proportions des moyens de gazéification injectés dans les brûleurs 19 et 20, ce qui garantit un réglage juste en poussière de coke. Il est également possible d'amener un autre combustible additionnel, solide, liquide ou gazeux, par le brûleur 19-. Sous le brûleur 19 est placée la chambre de gazéification des poussières 21 qui est réalisée en fonction de la température de gazéification, par exemple pourvue d'un système de refroidissement et revêtue de matériaux incombustibles, en particulier pour le cas d'un courant de scories liquides. Dans ce cas, la sortie 22 de la chambre de gazéification des poussières

est réalisée de telle sorte que les scories liquides puis-

sent s'écouler par un déversoir dans la couche tourbil-

lonnaire 1, en un ou plusieurs courants de scories d'épais-

seur telle qu'il se forme alors un granulat qui, du fait de sa dimension, tombe dans le lit fixe. A partir de là peut s'effectuer l'évacuation des cendres et des scories

par le sas 6.

La chambre de gazéification des poussières 21 ne

doit pas obligatoirement s'enfoncer dans la couche tour-

billonnaire inférieure 1 pour amener une partie limitée des gaz de gazéification avec l'ensemble des gaz de la couche. Elle doit cependant le faire dans la mesure o

plus cette partie est importante, plus s'élève la tempé-

rature du mélange de gaz entra nant des matières solides, parcourant la couche tourbillonnaire supérieure 2, et,

éventuellement, il ne peut apparaître aucune solidifica-

tion de particules de cendres fluides jusqu'alors,qui

pourraient s'accrocher aux parois.

Bien entendu, au lieu de plusieurs cyclones 14, au nombre de 2 ou 4, on peut ne prévoir qu'un seul cyclone central, d'o les sorties de matières solides se divisent en plusieurs, leur nombre correspondant au nombre de bruleurs de gazéification des poussières et au nombre de tuyaux

de descente.

La figure 2 représente un exemple de réalisation comprenant un séparateur central 23 pour la poussière fine, dans le réacteur, et une évacuation des particules solides séparées, par une canalisation 24 jusqu'à un conteneur 25 extérieur au réacteur o la poussière peut être refroidie le cas échéant. La poussière est broyée dans un. broyeur 26 avant d'être recyclée dans le brûleur 19 après être passée dansle silo intermédiaire 27, dans le distributeur 28 et dans les canalisations 30 o elle circule au moyen d'un

gaz 29, par exemple un gaz ou de la vapeur.

De même, on peut prévoir un système pour le cas o le séparateur central 23 n'est pas disposé dans le réacteur, mais immédiatement à la sortie du mélange gaz-poussière sortant du réacteur. On prévoit alors, comme sur la figure 2, après la canalisation 17 d'évacuation des gaz, par exemple un refroidisseur pour refroidir les gaz et les

poussières restantes.

Suivant l'exemple représenté sur la figure 3, la couche tourbillonnaire supérieure 2 est supprimée et le dispositif de gazéification est directement raccordé à une chaudière de récupération de la chaleur 31, qui reçoit le

mélange gaz-poussières de la gazéification par une canali-

sation ou un conduit 32. Les particules grossières de la poussière entrainée qui est séparée dans une dérivation de la chaudière 31, sont séparées dans un collecteur 33 et dirigées vers un broyeur 26 puis, finalement, sous forme de poussière fine, du silo 27 et du distributeur 28, à nouveau vers la chambre de gazéification de la poussière, par le conduit 34 au moyen du gaz propulseur 29, o par ailleurs d'autres combustibles peuvent être injectés. A la sortie de la chaudière 31 peut être prévu par exemple un électrofiltre 35. La poussière fine qui s'y trouve séparée est dirigée par la canalisation 36 jusqu'aux brûleurs

de gazéification de la poussière, ou évacuée hors de l'ins-

tallation de mise en oeuvre du procédé, par la canalisa-

tion 37. Le gaz entraînant une très fine poussière est amené par la canalisation 38 jusqu'à un dispositif de

purification. Les particules de poussière les plus gros-

sières tombant dans la chaudière 31 peuvent être directe-

ment dirigées à nouveau par la canalisation 39 dans le

lit tourbillonnaire.

Les avantages procurés par le procédé conforme à la présente invention sont essentiellement les suivants: Un réglage optimal du moyen de gazéification en fonction de la poussière de coke à-gazéifier suivant le procédé de gazéification de la poussière. Un échange thermique optimal entre les produits de gazéification et

les réactifs de la couche tourbillonnaire. Une gazéifi-

cation et une fusion des cendres optimales par une aug-

mentation de la surface réactive des matières recyclées.

Une bonne accessibilité aux br leurs de gazéification de la poussière disposés à l'extérieur du réacteur. Une disposition optimale des brûleurs par le contr8le de tous les appareillages accessoires. Une possibilité optimale d'aménagement des brûleurs, notamment pour l'apport de combustibles auxiliaires: une grande marge de variation

en ce qui concerne la pénétration de la chambre de gazéi-

fication de la poussière dans la couche tourbillonnaire en raison de l'indépendance de la différence de pression

à supporter.

24 70152

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de gazéification de matériaux carbonés

se présentant sous une forme solide pulvérulente ou gra-

nulaire au moyen d'oxygène et/ou d'air, et le cas échéant de vapeur d'eau sous une pression-de 1 à 80 bars, suivant lequel une gazéification en lit tourbillonnaire, une gazéi- fication des poussières volantes, et le cas échéant une gazéification en lit fixe s'effectuent simultanément dans

un réacteur à un ou plusieurs étages et un retour des ma-

tières solides séparées des gaz produits est réalisé dans le réacteur, caractérisé en ce que deux étages d'une couche tourbillonnaire connectés l'un à l'autre sont placés l'un au-dessus de l'autre à la suite d'une gazéification en lit fixe présente le cas échéant, dans le sens du courant gazeux, l'injection de la matière solide brute se fait

dans la couche tourbillonnaire inférieure, et une ou plu-

sieurs chambres de gazéification de la poussière volante

comprenant des brûleurs de gazéification fixés à l'exté-

rieur de la chambre de réaction, débouchent juste au-dessus de la couche tourbillonnaire, ou pénètrent dans la couche tourbillonnaire, dans laquelle est amenée la matière solide recyclée, soit directement par un ou plusieurs cyclones

disposés dans le réacteur au-dessus de la couche tourbil-

lonnaire, soit après séparation des gaz produits, dans un

séparateur placé à l'extérieur du réacteur, un refroidis-

sement des matières solides à séparer pouvant être prévu

en amont ou en aval du ou des séparateurs à la suite des-

quels le cas échéant les matières solides refroidies peu-

vent être pulvérisées.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en

ce que chaque chambre de gazéification, débouchant au-

dessus de la couche tourbillonnaire ou y pénétrant, possède un volume et une longueur tels qu'il se forme au-dessus de la couche tourbillonnaire une zone calme dont la hauteur

correspond à au moins trois fois celle de la couche tour-

billonnaire, tandis que chaque chambre de gazéification présente un volume qui, par rapport à la quantité de gaz

qui s'y trouve, implique un temps de passage dans la cham-

bre de gazéification qui suffit à assurer la gazéification d'au moins la moitié des substances pures injectées et la fusion d'au moins la moitié des cendres, c'est-à-dire 0,2 s. pour une température supérieure à environ 1600C,

une dimension de particules inférieure à 0,lmm et une tem-

pérature de fusion des cendres d'environ 1300'C.

- 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 et 2 caractérisé en ce que chaque chambre de gazéifica-

tion débouche immédiatement au-dessus de la couche tour-

billonnaire, ou-pénètrê dans la couche tourbillonnaire, de telle sorte que entre le courant de gaz chauds sortant de la chambre de gazéification, les scories liquides et la couche tourbillonnaire, s'établisse un échange thermique suffisamment important pour que les scories liquides sortant de la chambre de gazéification soient solidifiées au moins en surface de telle sorte que les scories les plus grosses séparées tombant de la couche tourbillonnaire, et les petites scories entrain ées vers le haut par le courant

gazeux, ne provoquent plus aucune scorification.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 3 caractérisé en ce que la couche tourbillonnaire su-

périeure est supprimée dans le cas o les particules sépa-

rées sont broyées et recyclées dans la chambre de gazéifi-

cation de la poussière.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 4 caractérisé en ce que dans le cas de la séparation des particules sortant de la chambre de réaction, hors

de celle-ci, un dépoussiérage grossier, puis un dépous-

siérage fin sont effectués, et les particules sortant du dépoussiérage fin, lorsqu'elles présentent encore une

teneur trop élevée en substance pure, sont dirigées direc-

tement aux brûleurs, et les particules provenant du dépous-

siérage grossier sont dirigées soit dans la couche tourbil-

lonnaire inférieure, soit, après broyage en particules

de dimension inférieure à 0,lmm, aux braleurs.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications

i à 5, caractérisé en ce que avant le broyage des parti-

cules, ou d'une partie des particules, la chaleur sensible du mélange gazparticules solides est transférée au moyen nécessaire pour la gazéification, ou à un moyen extérieur, jusqu'à une température admissible pour le processus de fragmentation.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 6 caractérisé en ce que le ou les échangeurs de chaleur

servant au refroidissement du mélange gaz-particules soli-

des, est aussi utilisé pour un dépoussiérage grossier.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications

1 à 7, caractérisé en ce que d'autres combustibles sont injectés aux brûleurs de gazéification à c8té ou à la

place des particules solides recyclées.