FR2493861A1 - Procede de production de gaz de synthese pratiquement exempt de particules - Google Patents

Abstract

PROCEDE DE PRODUCTION DE GAZ DE SYNTHESE PRATIQUEMENT EXEMPT DE PARTICULES DANS LEQUEL ON SOUMET UN COMBUSTIBLE CONTENANT DE LA CENDRE A UNE OXYDATION PARTIELLE A UNE PRESSION SUPERIEURE A LA PRESSION ATMOSPHERIQUE EN VUE D'OBTENIR UN COURANT DE GAZ DE SYNTHESE CONTENANT DE L'OXYDE DE CARBONE ET DE L'HYDROGENE ET CONTENANT DES PARTICULES CHAUDES DE CENDRES ET DE COMBUSTIBLE NON TRANSFORME, ON ETEINT LES PARTICULES CHAUDES PAR MISE EN CONTACT D'EAU DANS UNE ZONE D'EXTINCTION ET ON PERMET AUX PARTICULES ETEINTES DE DECANTER DANS UNE ZONE D'EXTINCTION VERS UNE ZONE DE STOCKAGE REMPLIE D'EAU. CE PROCEDE EST CARACTERISE EN CE QUE L'ON MAINTIENT UN COURANT D'EAU CONTENANT DES PARTICULES ETEINTES DEPUIS LADITE ZONE D'EXTINCTION VERS LADITE ZONE DE STOCKAGE.

Description

249386 1

La présente invention se rapporte à un procédé de production d'oxyde de carbone et d'hydrogène par exemple de gaz de synthèse à partir des combustibles charboneux solides par oxydation partielle au moyen d'un gaz contenant de l'oxygène et à l'élimination de la cen- dre ainsi produite. Suivant l'un de ces aspects les plus spécifiques l'invention se rapporte à la gazéification

des combustibles charboneux solides à des pressions su-

périeures à la pression atmosphérique dans un réacteur du type à écoulement non catalytique dans lequel une boue de fluide solide dans l'eau en phase liquide est envoyée dans une zone réactionnelle maintenue à une température autogène de l'ordre d'environ 980 à 1760'C o la réaction

a lieu avec de l'oxygène.

La production de l'oxyde de carbone et de l'hy-

drogène du gaz de synthèse par réaction non catalytique de combustibles charboneux solides avec de l'air, de l'air enrichi d'oxygène ou d'oxygne relativement pur est décrite dans le brevet des E.U.A. 3 544 291 dépose

au nom de W.G. Schlinger et al, que l'on cite ici à sim-

ple titre de référence. L'oxydation partielle des combus-

tibles solides tels que le charbon ou le coke de pétrole est un procédé très économique de production de gaz de synthèse à grande échelle. Dans le gazéifieur du type à écoulement ou dans le réacteur à oxydation partielle, le combustible solide rentre en réaction avec un gaz contenant de l'oxygène dans une région compacte.et fermée en absence de garnitures à une température autogène de l'ordre d'environ 980 à 1760'C et de préférence à une

température comprise entre 1090 et 1540'C.

Habituellement dans la gazéification des com-

bustibles tel que le charbon ou le coke, le combustible se présente sous une forme finement divisée et il est soumis à une oxydation partielle avec production d'un gaz contenant de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène ainsi que de petites quantités de gaz carbonique et de

méthane et si l'alimentation contient du soufre,de l'hydro-

gène sulfuré et du sulfure de carbonyle. Toutefois, comme on introduit des quantités d'oxygène suffisantes dans la zone de gazéification pour la combustion complète du car- bone du combustible c'est-à-dire pour la transformation de tout le carbone du combustible en gaz carbonique, une

partie du combustible solide atteint la zone de gazéifi-

cation sans être transformée en un oxyde de carbone.

En outre, si l'alimentation de la zone de gazéification

contient de la cendre, des particules de cendre apparais-

sent également dans le produit gazeux.

Il est souhaitable habituellement d'enlever ces particules solides du produit gazeux. Si par exemple on

désire extraire la chaleur du gaz par un échange de cha-

leur indirect, il peut être judicieux d'éliminer les particules solides du gaz avant son introduction dans un échangeur de chaleur pour éviter qu'il ne soit recueilli sur les parois o les surfaces de transfert de chaleur 23 de l'échangeur de chaleur entraînant des interférences

avec l'écoulement des fluides de pénétration et le trans-

fert de chaleur. Une méthode permettant de procéder com-

me suit consiste à provoquer l'impact des particules chau-

des sur la surface de l'eau dans une zone d'extinction pour les éteindre et les humidifier en les enlevant de cette façon du courant de gaz et en les dirigeant vers l'eau. Suivant une autre méthode si le gaz produit doit

être utilisé à la production d'hydrogène, on éteind ha-

bituellement le gaz en l'envoyant sous l'eau dans une zone d'extinction les particules solides étant retenues dans l'eau et le gaz pratiquement exempt de particules

saturé d'eau est alors envoyé à la transformation cataly-

tique par déplacement. Une combinaison de ces deux tech-

niques est décrite dans le brevet des E.U.A. 3 998 609 de W.B. Crouch et al, que l'on indique ici à simple

titre de référence. Pour éviter la formation de matiè-

res solides et/ou d'impuretés dans l'eau d'extinction, on enlève périodiquement ou en continu une partie de l'eau d'extinction et pour maintenir un niveau liquide constant dans la zone d'extinction on la remplace par de l'eau et en préférence par de l'eau épurée recyclée à partir d'une zone de décantation vers laquelle est

envoyée la partie évacuée.

Lorsque l'on fait fonctionner le gazéificateur à une pression élevée,les particules solides doivent être évacuées du système sans rupture de pression et ceci doit être fait en introduisant les particules dans une trémie fermée et en les écartant du système. Comme le fonctionnement de la trémie fermée est commandé par

des vannes, l'entrée de la trémie fermée est générale-

ment d'un diamètre relativement petit comparé à l'ap-

pareil gazéificateur, ce qui signifie qu'il y a une section d'une zone en coupe décroissante vers le bas

au-dessus de la trémie-fermée.

Malheureusement, dans certains cas, les

bilans-matières montrent que pour la quantité du pro-

duit d'alimentation du gazéificateur et la quantité de gaz produit, il existe une perte en ce qui concerne

la quantité des particules solides évacuées par la tré-

mie fermée. Si cet état persiste de façon prolongé, il devient nécessaire d'arrêter le déroulement du procédé et de remédier au blocage qui se produit habituellement

dans la zone de rétrécissement de l'appareil située au-

dessus de la vanne supérieure de la trémie fermée.

La présente invention présente plusieurs

avantages, et en particulier, elle permet la produc-

tion de gaz pratiquement exempt de particules contenant de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène, elle permet également la production de gaz de synthèse à une pression supérieure à la pression atmosphérique, et en outre, permet d'augmenter l'évacuation des cendres

et des particules de combustible solide non transfor-

mé à partir d'un système de gazéification des combus-

tibles contenant des cendres. Le procédé de production de gaz de synthèse

pratiquement exempt de particules conforme à l'inven-

tion consiste à soumettre un combustible contenant des

cendres à une oxydation partielle, à une pression supé-

rieure à la pression atmosphérique, pour produire un courant de gaz de synthèse contenant du gaz de carbone et de l'hydrogène et contenant des particules chaudes de cendres et de combustible non tranformés, à éteindre les particules chaudes en les mettant au contact de

l'eau dans une zone d'extinction, à permettre aux par-

ticules de décanter dans une zone d'extinction, en pro-

gressant vers une zone de stockage remplie d'eau, et a maintenir un courant d'eau contenant les particules éteintes à partir de ladite zone d'extinction vers la

zone de stockage.

Le produit de départ du procédé conforme à l'invention est constitué de n'importe quel combustible charbonneux contenant des cendres, tel que le charbon, le charbon sub-bitumineux, les lignites, certains types

de coke, la biomasse et des produits analogues. Habi-

tuellement, un tel combustible est solide, bien que certains combustibles qui sont liquides à température élevée, tels que les résidus de la liquéfaction du

charbon, puissent également être utilisés. Pour pou-

voir être considéré comme contenant de la cendre, le combustible doit avoir une teneur en cendres d'au moins environ 1% en poids. Si le produit de départ est fondu à température élevée, il peut être chauffé au préalable et introduit dans la zone de gazéification sous forme liquide. Si toutefois le combustible est solide, même à température élevée, il doit être broyé pour avoir une taille de particules inférieure à 6,25 mm et,de préférence, broyé pour qu'au moins 95 % passent au

travers d'un tamis d'ouverture de mailles de 1,41 mm.

Le combustible est alors introduit dans la zone de

production de gaz pour être soumis à une oxydation par-

tielle avec un gaz tel que dg l'air,-de l'air enrichi

d'oxygène, ou de l'oxygène pratiquement pur, c'est-à-

dire de l'oxygène ayant une pureté d'au moins environ 95 %. On peut introduire le combustible soluble dans la zone d'oxydation partielle sous la forme d'une boue dans un liquide tel que de l'eau ou de l'huile, ou sous forme de suspension dans un milieu à l'état de vapeur, tel que de la vapeur d'eau, du gaz carbonique ou un mélange de ces produits. On peut introduire l'eau ou la vapeur dans la zone de gazéification ou d'oxydation partielle en tant que modérateur de température lorsque le combustible de départ est un liquide ou une boue de matières solides dans l'huile zu dans un autre liquide

combustible.

Dans la zone de production de gaz, le combus-

tible est soumis à une oxydatz4n partielle à une tempé-

rature autogène maintenue entre environ 980 et 1 7600C et de préférence entre environ 1 090 et 1 540'C. La pression dans la zone de production de gaz peut être

comprise entre environ 270 et 20 700 KPa,-et de pré-

férence entre 410 et 17 250 KPa. On peut introduire

l'oxygène dans la zone de gazéification dans un rap-

port atomique oxygène-carbone compris entre environ 0,7 et 1,6 et de préférence entre 0,8 et 1,2. Si le combustible est solide, et s'il est introduit dans la zone de gazéification sous forme d'une boue dans l'eau, la boue doit contenir un pourcentage d'eau

supérieur à environ 50, car une teneur en eau supé-

rieure à cette valeur aurait un effet néfaste sur

sur le rendement thermique de la réaction.

Suivant une méthode de récupération de la cha--

leur du gaz de synthèse produit par oxydation partielle d'un combustible contenant des cendres, on peut faire descendre le gaz du générateur de gaz dans une zone de refroidissement par rayonnement avec les particules de

cendres entraînées et toutes les particules de gaz com-

bustible non transformées existantes. On dévie alors le gaz de son trajet initial vers la zone de refroidissement

par rayonnement et suivant un mode de réalisation préfé-

ré dans une direction plus ou moins montante vers une zone de refroidissement par convection ou il passe en s'élevant en échange de chaleur indirect avec un milieu de refroidissement tel que de l'eau. Les particules solides continuent leur trajet et sont mises en contact d'eau dans une zone d'extinction à la partie inférieure de la zone de refroidissement par rayonnement ou elles sont humidifiées at tendant a décanter dans l'eau. Les particules solides descendent et traversent la vanne supérieure de la trémie fermée qui peut également ê re considérée comme une zone de décantation ou elles sont

stockées. Comme la vanne supérieure de la trémie fer-

mée est maintenue surtout en pcsition ouverte, la trémie fermée est remplie d'eau. Périodiquement pour évacuer les particules solides la vanne supérieure de la trémie fermée est obturée et une vanne ménagée dans le bas de la trémie fermée est ouverte en permettant à l'eau et

aux particules solides de quitter le système. Cette opé-

ration étant terminée la vanne inférieure de la trémie fermée est obturée, la vanne fermée est remplie d'eau,

mise sous pression, et alors la vanne supérieure est ou-

verte pour permettre la décantation et le stockage dans

la trémie fermée de cendre ou de scories complémentaires.

En variance et de préférence en tant que mesure évitant la corrosion, la trémie fermée est maintenue pleine d'eau

pendant l'évacuation des particules solides recueillies.

On effectue cette opération en introduisant de l'eau de préférence au sommet de la trémie fermée alors que la vanne supérieure entre la trémie fermée et la chambre d'extinction est fermée, par une entrée séparée et à la même vitesse que le contenu de la trémie fermée est évacuée par la vanne inférieure ouverte. De cette façon la trémie fermée est constament pleine d'eau et de l'air

ne peut pas rentrer à l'intérieur de cette trémie.

Pour éviter la formation d'un blocage au-dessus de la vanne supérieure de la trémie fermée suivant un mode de réalisation de l'invention, on fait circuler de l'eau

à l'extérieur de la trémie fermée vers la zone d'extinc-

tion pour produire un courant ascendant d'eau contenant

les particules entraînées au travers de la vanne supé-

rieure de la trémie fermée. On peut obtenir ce résultat en enlevant de l'eau au sommet ou près du sommet de la

trémie fermée et en la renvoyant directement ou indirec-

tement vers la zone d'extinctic'. Grâce à une modifica-

tion des vannes et de la tuyau-te--ie, l'ouverture utili-

sée pour le retrait de l'eau à renvoyer vers la zone

d'extinction peut être la même ouverture que celle uti-

lisée pour l'introduction de l'eau pendant le cycle d'évacuation de la trémie fermée. Il est avantageux que la sortir d'évacuation de l'eau soit séparée du courant descendant de l'eau contenant des particules éteintes

par une chicane pour le renvoi d'un minimum de particu-

les vers la zone d'extinction. En opérant de cette façon

un courant d'eau continu descend depuis la zone d'extinc-

tion vers la zone de stockage ce qui favorise le trans-

fert des matières solides de la zone d'extinction vers la zone de stockage ou la trémie fermée et on évite ainsi la formation d'un blocage. Mais toutefois ce courant est

arrêté lorsque commence le cycle de la trémie pour l'éli-

mination des particules solides recueillies.

Le débit du courant d'eau en provenance de la zone d'extinction vers la zone de stockage ou vers la

trémie fermée n'est pas déterminant mais doit être supé-

rieure au débit montant c'est-à-dire à la vitesse du débit montant de l'eau chassée par les particules de cendre descendantes an l'absence de circulation. De fa- çon pratique le débit de descente doit être au moins de 1 cm par seconde et de préférence d'au moins 1,65 cm

par seconde.

Comme d'admission et l'évacuation de la trémie fermée sont commandées par des vannes, le raccord entre la sortie de la zone d'extinction et l'admission vers la

trémie fermée àunezone de section décroissant progressi-

vement. Pour éviter que de grosses particules de cendre ou de scories n'obstruent cette zone ou la vanne, il est recommandé de prévoir un broyeur au dessus de la section réduite.

Après le départ du gaz de synthèse de la sec-

tion réduite celui-ci peut être utilisé de façon conve-

nable quelconque tel que pour la synthèse des composés organiques, la production d'hy-drogène ou pour servir de combustible. Bien que le refroidisseur à rayonnement ait été décrit comme étant descendant et le refroidisseur à

convection comme étant montant il est possible en modi-

fiant l'appareil d'avoir un débit de gaz dans chaque

direction, dans chaque partie de l'installation.

Suivant une autre méthode de récupération de chaleur, le gaz contenant de l'oxygène et le combustible sont introduits dans le générateur ou dans la zone d'oxydation partielle à son sommet et envoyés vers le bas dans le générateur. Une zone d'extinction contenant de l'eau est prévue au fond du générateur mais avant d'atteindre la zone d'extinction le produit gazeux chaud est dévié dans une direction plus ou moins montante dans une zone de refroidissement à rayonnement pendant que les particules solides cntinuent leur trajet vers la zone d'extinction o elles sont humidifiées et pénètrent

dans l'eau dans la zone d'extinction dans la trémie fer-

mée ou la zone de stockage. Le gaz dévié peut alors dans un cas pénétrer dans la zone de refroidissement par rayonnement et descendre dans la zone de convection dans un autre cas, descendre dans la zone de refroidissement à rayonnement et monter dans une zone de refroidissement à convection ou en variante soit monter soit descendre

au travers des deux zones de refroidissement.

Encore une foispour favoriser le déplacement des particules solides à partir de la zone d'extinction vers la zone de stockage on fait circuler de l'eau de la zone de stockage vers la zone d'extinction pour obtenir un courant descendant constant de la zone d'extinction en traversant la vanne supérieure de la trémie fermée

en direction de la zone de stockage.

L'eau qui circule à l'extérieur de la zone de stockage peut être introduite dans la zone d'exti'ctin au-dessus de la surface de l'eau qui s'y trouve cntenue

et être pulvérisée sur la surface ce qui sert à humidi-

fier toute particule flottante ce qui entraîne leur chute ou d'un autre côté elle peut être introduite sous la surface de l'eau d'extinction et être dirigée en s'élevant vers la surface pour accroître la turbulance de la zone d'extinction ou être envoyés en descendant ce qui accroît la force du débit de l'eau vers la trémie fermée et réduit la tendance des particules de scories ou de cendres à former un pont dans la section étroite de l'entrée dans la trémie fermée en produisant le blocage du débit de solide dans la trémie fermée ou la combinaison des trois effets. Lorsque l'eau de circulation est introduite sous la surface de l'eau d'extinction en direction montante il se produit un effet de flottation qui tend à séparer les particules riches en carbone des particules plus denses riches en cendre, ensuite alors de façon avantageuse la partie descendante éteinte est enlevée au voisinage de la surface de l'eau d'extinction pour évacuer l'eau ayant

une forte proportion de particules riches en carbone.

Le courant descendant éteint est un courant évacué de la zone d'extinction pour aider à diminuer la quantité de produit de contamination tel que des chlorures et des formiats dans l'eau d'extinction. On introduit l'eau dans la zone d'extinction pour remplacer l'eau qui a été retirée dans la descente d'extinction afin de maintenir dans la zone d'extinction un niveau

d'eau pratiquement constant.

Suivant un autre mode de réalisation de l'inven-

tion, plutôt que de faire circuler de l'eau de la trémie 1 5 fermée vers la chambre d'extinction, on peut enlever de l'eau de la trémie fermée et la combiner au courant descendant d'extinction et la diriger vers un décanteur o les oarticules solides se décantent à partir de l'eau qui peu. ac!rs être renvoyée dans la zone d'extinctior en tant que complément d'eau d'extinction ou être utilisé

à la préparation d'un produit d'alimentation complémen-

taire sous forme de boue. Pour compenser le débit accru d'eau vers le décanteur, ledébit d'eau d'extinction

d'appoint dans la zone d'extinction est accru en quanti-

té égale 3 la quantité extraite de la trémie fermée. On maintient ainsi un débit d'eau de la chambre d'extinction

dans la vanne supérieure de la trémie fermée vers la tré-

mie fermée. L'efficacité de l'invention ressort de plu-

sieurs essais de gazéification de charbon à hautes pres-

sions dans lesquelles le gazéificateur était alimenté en charbon Kentucky numéro 9. Tous les essais ont été effectués dans des conditions opératoires pratiquement

identiques. Le premier, essais a durée 26 heures 36 minu-

tes, il a du être interromou à cause de la formation d'un pont de scories qui s'est établi au-dessus de la vanne supérieure de la trémie fermée. Après évacuation du pont on a repris la gazéification et la formation d'un pont avec des scories a conduit à arrêter l'essai au bout de

18 heures. Le troisième essai a durée 20 heures 30 minu-

tes et le quatrième presque 20 heures, chacun ayant du être arrêté pour les mêmes raisons. Avant d'effectuer le cinquième essai on a installé un système de purge pour éliminer l'eau du sommet de la trémie fermée vers la

purge d'extinction en régime permanent. Le débit descen-

dant de l'eau à partir de la chambre d'extinction au travers de la vanne supérieure de la trémie fermée vers la trémie fermée à une vitesse de 2, 31 cm par seconde a été un succès en ce sens que le cinquième essai s'est poursuivi pendant 42 heures et demi et s'est terminé non pas par une obstruction par des scories mais pour des

raisons d'ordre mécanique-. Après réparation, l'installa-

tion a été mise en marche et a fonctionné de façon sa-

tisfaisante pendant 66 heures 41 minutes son arrêt étant

commandé volontairement. Par la suite on a fait fonction-

n5r l'installation pendant 112 reures consécutives.

Il résulte des résultats d'essai.indiqués ci-dessus qu'avant la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention il a éténécessaire d'arrêter le déroulement du procédé au bout d'environ 20 à 25 heures du fait du colmatage. Toutefois, après l'installation d'un système

permettant l'écoulement de l'eau depuis la chambre d'ex-

tinction en passant par la vanne supérieure de la trémie fermée et dans la trémie fermée il n'y avait ni colmatage ni formation de pont par les scories et l'installation pouvait fonctionner pendant plus de 200 heures sans

donner lieu à des problèmes.

Alors que l'invention a été décrite en ce qui concerne les systèmes de gazéification dans lesquels le gaz de synthèse est introduit dans l'eau d'extinction sous sa surface de façon à ce que non seulement les 1 2 particules de cendre et le combustible non transformé

soient éteints mais également le gaz de synthèse lui-

même est éteint, le procédé fonctionne de façon tout aussi satisfaisante dans une gazéification dans laquelle l'eau se trouve dans un état plus ou moins tranquille

dans la zone d'extinction.

Il est bien entendu que les modes de réalisa-

tion donnés ci-dessus n'ont été donnés qu'à titre illus-

tratif et il est bien évident que de nombreuses modifi-

cations et variations pourront y être apportées par les spécialistes sans de départir pour autant ni du cadre

ni de l'esprit de l'invention.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Procédé de production de gaz de synthèse pratiquement exempt de particules dans lequel on soumet un combustible contenant de la cendre à une oxydation

partielle à une pression supérieure à la pression atmos-

phérique en vue d'obtenir un courant de gaz de synthèse contenant de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène et

contenant des particules chaudes de centre et de combus-

tible non transformé, on éteint les particules chaudes par mise en contact d'eau dans une zone d'extinction et on permet aux particules éteintes de décanter dans une zone d'extinction vers une zone de stockage remplie d'eau, procédé caractérisé en ce que l'on maintient un courant d'eau contenant des particules éteintes depuis

ladite zone d'extinction vers ladite zone de stockage.

2. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que ledit écoulement est maintenu par une circulation d'eau depuis la zone de stockage vers la

zone d'extinction.

3. Procédé selon la revendication 2, caracté-

risé en ce que l'eau de circulation est introduite dans la zone d'extinction au-dessus de la surface de l'eau

qu'elle contient.

4. Procédé selon la revendication 2, caracté-

risé en ce que l'eau de circulation est introduite dans la zone d'extinction au-dessous de la surface de l'eau

qu'elle contient.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce que les gaz et les particules entraînés quittant la zone d'oxydation partielle pénètrent dans une zone de refroidissement par rayonnement avant que les particules n'atteignent

la zone d'extinction.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 4, caractérisé en ce que lés gaz sont érigés vers une zone de refroidissement par rayonnement alors que les particules poursuivent leur trajet dans l'eau

de la zone d'extinction.

7. Procédé selon l'une quelconque des reven-

dications 5 et 6, caractérisé en ce que le parcours du gaz dans la zone de refroidissement par rayonnement est descendant.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 5 et 6, caractérisé en ce que le trajet du gaz

dans la zone de refroidissement par rayonnement est mon-

tant.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce que la zone de stockage est remplie d'eau pendant l'élimination des

particules de cette zone.

10. Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que l'eau évacuée de la zone de stockage est combinées à un courant descendant en provenance de la

zone d'extinction, le mélange ainsi formé pouvant décan-

ter et l'eau recueillie dans la zone de décantation

étant remise en circulation.

11. Procédé selon la revendication 10, carac-

térisé en ce que l'eau de décantation est renvoyée dans

la zone d'extinction.

12. Procédé selon la revendication 10, caracté-

risé en ce que l'eau de décantation est introduite dans la zone d'oxydation partielle avec le produit initial

contenant la cendre.