FR2522333A1 - Procede et dispositif pour la gazeification d'un materiau carbone - Google Patents

Procede et dispositif pour la gazeification d'un materiau carbone Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UNE INSTALLATION POUR GAZEIFIER UN MATERIAU CARBONE. ON OBTIENT UN MELANGE GAZEUX COMPOSE ESSENTIELLEMENT DE CO ET H ET AYANT UNE TENEUR TOTALE DE CO ET H INFERIEURE A 12, LE MATERIAU CARBONE ETANT INTRODUIT DANS UN REACTEUR A CUVE 1 PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN DISPOSITIF DE VANNE 6, AU-DESSUS D'UN NIVEAU DE REMPLISSAGE PREDETERMINE. LE GAZ PRODUIT EST SOUTIRE DU REACTEUR 1 A UN NIVEAU SITUE SOUS LA SURFACE SUPERIEURE 10 DU MATERIAU CARBONE. ON INTRODUIT UN OXYDANT ETOU ON FOURNIT DE L'ENERGIE THERMIQUE TOUS DEUX AU-DESSUS DE LA SURFACE 10 DU MATERIAU CARBONE SOUS FORME SOLIDE ET AUSSI A UN NIVEAU INFERIEUR DANS LE REACTEUR 1, SITUE SOUS LE NIVEAU DE LA SORTIE DU GAZ FORME. APPLICATION A LA GAZEIFICATION DU BOIS, CHARBON DE BOIS, LIGNITE NOTAMMENT.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR
LA GAZEIFICATION D'UN MATERIAU CARBONE
La présente invention concerne un procédé et des moyens pour gazéifier un matériau carboné en un mélange gazeux comprenant principalement du CO et du H 2 et ayant de préférence une teneur totale en CO 2 et H inférieure
à 12 %.
On sait depuis longtemps gazéifier du carbone dans des réacteurs à cuve ou des cornues et aussi effectuer
la gazéification partielle en liaison avec la cokéfaction.
L'inconvénient des méthodes connues est en partie qu'il a été impossible de régler le rapport entre CO et H 2 dans le gaz produit, mais ce qui est le plus important, le gaz contient aussi un certain nombre de substances non désirées telles que les hydrocarbures, alcools, phénols et du goudron Ce dernier est obtenu principalement du fait que la gazéification a lieu à faible température, c'est à dire à des températures inférieures à 1 OO OC et
sous des conditions réductrices.
Afin de remédier à ces inconvénients, on a développé d'autres procédés dans lesquels la gazéification a lieu à température élevée et sous conditions oxydantes, tels que le procédé " Koppers-Totzek" Cependant ce procédé a l'inconvénient que, du fait de l'équilibre thermodynamique
la teneur en H 20 devient relativement élevée ce qui signi-
fie que, pour l'utiliser pour réduire du minerai de fer, par exemple, le gaz produit de cette manière doit d'abord être refroidi, lavé et ensuite rechauffé De plus, les chances de modifier le rapport entre CO et H 2 qui quittent le dispositif de gazéification, sont extrêmement faibles
pour ce procédé.
On a maintenant pu, de manière surprenante,êviter les inconvénients et les difficultés des procédés connus par le procédé selon l'invention qui se caractérise principalaemnt par le fait que l'on introduit un matériau carboné en morceaux dans un réacteur, par l'intermédiaire d'un dispositifà vanne, de préférence dans un réacteur à cuve, au-dessus d'un niveau de remplissage prédéterminé, le gaz formé étant enlevé de la cuve à un niveau inférieur à la surface supérieure du matériau carboné et l'oxydant et/ou l'énergie thermique étant fournis tous deux au-dessus de la surface du matériau carboné et à un niveau inférieur
dans la cuve, sous le niveau de la sortie de gaz.
Selon l'invention, la gazéification a lieu à haute température et sous conditions oxydantes et en même temps le gaz produit initialement traverse un lit chaud de coke ou d'un matériau semblable au coke, o sa teneur en H 2 O réagit avec le carbone pour former H 2 et CO De plus, le procédé selon l'invention permet de contrôler le rapport CO/H 2 car on peut fournir de l'énergie thermique par des générateurs de plasma de façon que le rapport entre H 20, C 2 et O dans le gaz oxydant puisse varier dans de
larges limites.
Ainsi, selon l'invention, le gaz formé est retiré de la cuve à un niveau inférieur de 50 cm au niveau auquel
on a rempli en matériau carboné.
On fournit l'oxydant et/ou l'énergie thermique à la cuve à un niveau approximativement inférieur de 100 cm
au niveau auquel on retire le gaz.
On utilise comme oxydant H 20, CO 2 et/ou un gaz
contenant de l'oxygène.
L'énergie thermique peut être fournie par la
combustion partielle du matériau carboné.
L'oxydant est fourni à la surface supérieure du matériau carboné en une quantité qui correspond au moins à l'oxydation partielle des constituants volatils du
matériau carboné.
Selon l'invention, on injecte le matériau carboné
en poudre à ce niveau inférieur dans la cuve, avec l'oxy-
dant et l'énergie thermique Un matériau en morceaux qui contient Ca et/ou Mg est ajouté au matériau carboné en morceaux afin de lier le soufre Un matériau en poudre contenant Ca et/ou Mg est ajouté en même temps que le
matériau carboné en poudre, pour lier le soufre.
On controle l'apport d'énergie thermique pour que la teneur en cendres dans le matériau carboné forme un
laitier liquide qui est enlevé au fond de la cuve.
On ajoute un formateur de laitier au matériau carboné de façon à contrôler le point de fusion et la viscosité du laitier La composition du laitier est controlée pour obtenir un produit brut convenable pour la fabrication de ciment Le laitier liquide est mis en granulés et refroidi
rapidement pour l'enlever.
Selon l'invention, on contrôle l'apport d'énergie thermique de façon que la teneur en cendres dans le matériau carboné reste dans le phase solide et soit retiré sous forme
de sous-produit solide au fond de la cuve.
Le matériau carboné consiste entièrement ou partiel-
lement en charbon, coke, bois, bois partiellement carbonisé, charbon de bois, lignite ou tourbe Lagazéification a lieu
sous une pression supérieure à la pression atmosphérique.
Selon l'invention, le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé comprend un réacteur sous forme d'un
four à cuve, muni d'un dispositif de vanne pour l'intro-
duction du matériau carboné en morceaux sous étanchéité gazeuse, des moyens pour enlever le laitier disposés au fond de la cuve, et un tambour annulaire muni d'une sortie de gaz pour le gaz produit,le tambour annulaire étant disposé à un niveau situé sous le niveau de remplissage
prédéterminé du matériau solide.
La description suivante, en regard des dessins
annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de
comprendre comment l'invention peut être mise en pratique.
La figure 1 est un schéma de principe d'une intalla-
tion selon la présente invention, et La figure 2 est un mode de réalisation différent de l'installation représentée sur la fugure 1, en ce qui concerne la partie inférieure du réacteur. L'installation représentée sur la figure 1 et l'autre mode de réalisation de la figure 2, sont constitués d'un four 1 à cuve muni au fond de tuyères 2 et de générateurs de plasma 3, de préférence situés symétriquement autour de la cuve 1 Ces tuyères sont munies de moyens d'amenée d'un oxydant tel que l'oxygène, H 20 ou CO 2 et si possible du matériau carboné en poudre A un niveau supérieur,la cuve est munie d'un tambour annulaire 4 avec des sorties de gaz pour la séparation du gaz produit dans la cuve Au sommet de
la cuve 1 est disposé un dispositif de vanne 6 avec étanché-
ité gazeuse pour l'amenée du matériau carboné sous forme solide et aussi une tuyère pour la liaison d'un générateur
de plasma 7 et des lances d'introduction 8,9 de l'oxydant.
Des moyens 11,12 d'amenée d'un extra-oxydant sont si c'est nécessaire ouverts dans la cuve à un niveau situé entre la surface supérieure 10 du matériau solide dans la cuvel et le tambour annulaire 4 Pour que le procédé puisse être conduit avec du laitier liquide ou des cendres solides, le fond de la cuve 1 est muni soit d'un conduit d'extraction 13 (figure 1) du laitier, soit d'une table 14 tournante
d'extraction(figure 2).
L'installation représentée sur les figures fonctionne de la manière suivante: Pour obtenir la gazéification désirée, on introduit le matériau carboné sous forme de morceaux, éventuellement
avec un liant de soufre tel que de la dolomite, par l'inter-
médiaire de la vanne 6 dans la cuve 1 à un niveau prédéter-
miné L'énergie thermique est fournie au moyen d'un ou plusieurs générateurs de plasma 3 et 7, respectivement, en même temps avec un oxydant tel que 02, C 2 ou H 2 O, par
l'intermédiaire de moyens d'amenée 2 et 8,9, respectivement.
Puis on soumet le matériau carboné sous forme de morceaux qui peut être composé de charbon, coke, lignite, charbon de bois ou bois partiellement carbonisé, etc, à une température élevée sous des conditions oxydantes, les constituants volatils étant libérés et réagissant avec l'oxydant en produisant principalement CO et H 2, tandis que la partie non volatile est cokéfiée et forme un produit semblable au coke sous forme de - morceaux Il est important d'ajouter l'oxydant en excès pour éviter la formation de suie L'oxydant qui n'a pas réagi avec les constituants volatils du matériau carboné réagit plus bas dans la cuve 1 avec le coke produit, en formant du CO supplémentaire et éventuellement H o Les produits formés dans la partie supérieure de la 2 cuve, au-dessus du niveau du tambour annulaire 4 sont ainsi des produits semblables au coke qui tombe en continu dans la cuve et un produit gazeux composé principalement de CO et H 2 qui quitte la cuve 1 à travers le;tambour annulaire 4 La température à la surface du matériau granulaire dans la cuve peut atteindre environ
20000 C, tandis que le gaz quittant la cuve par l'intermédiai-
re du tambour annulaire 4 a une température maximum de 15000 C Il est aussi possible de faire l'apport de l'énergie thermique nécessaire par combustion partielle du matériau carboné avec de l'oxygène au lieu d'utiliser un générateur de plasma On place autour de la partie inférieure de la cuve 1 une pluralité de tuyères 2,-lesdites tuyères étant munies soit de générateurs de plasma ou des moyens d'amenée
d'oxygène, soit de -moyens d'amenée d'oxydant et éventuelle-
ment de matériau carboné en poudre A ce niveau, à la fois le matériau semblable à du coke tombant dans la cuve et
le matériau carboné en poudre qui est injecté sont complè-
tement gazéifiés Le CO 2 et H o quittant la zone de réaction juste avant la tuyère réagit encore dans la cuve avec le
matériau en morceaux en descendant, en produisant essentiel-
lement CO et H 2 Le gaz produit qui est constitué essentielle-
-ment de CO et H 2 quitte la cuve par le tambour annulaire 4.
Il peut être avantageux d'introduire un additif au laitier par les dispositifs de lances 2, et de façon à régler la viscosité et le point de fusion du laitier et/ ou des absorbants de soufre contenant Ca et/ ou Mg, tels que la dolomite en poudre Il est aussi possible de remplacer l'apport de chaleur par des brûleurs à plasma, à ce niveau, par la combustion partielle du matériau carboné au
moyen d'oxygène.
Si on désire obtenir un laitier liquide, on doit maintenir la température dans la zone de réaction en face des tuyères 2, à la partie inférieure de la cuve, au-dessus de 1600 OC Quand on fait fonctionner l'installation avec des cendres solides, cette température doit être maintenue audessous de 14000 C. Le procédé décrit pour la gazéification d'un matériau carboné offre des possibilités considérables de régulation du rapport H 2/CO dans le gaz produit, en partie du fait que le rapport CO/H O dans l'oxydant peut être réglé et en partie du fait que l'on divise l'apport de chaleur entre
la combustion partielle et les générateurs de plasma.
Cependant, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés sur les dessins et décrits ci-dessus, mais peut être modifiée de diverses manières,
sans sortir du cadre des revendications.

Claims (32)

REVENDICATIONS
1 Procédé de gazéification d'un matériau carboné en un mélange gazeux constitué principalement de CO et H, caractérisé en ce que l'on introduit ce matériau carboné sous forme de morceaux par l'intermédiaire d'un dispositif de vanne, dans un réacteur, de préférence un
four à cuve, au-dessus d'un niveau de remplissage prédé-
terminé, le gaz formé étant soutiré de la cuve à un niveau sous la surface supérieure du matériau carboné et l'oxydant et/ou l'énergie thermique étant fournis tous deux au-dessus de la surface du matériau carboné et à un niveau inférieur
dans la cuve, sous le niveau de la sortie de gaz.
2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soutire le gaz formé de la cuve à un niveau de plus de 50 cm inférieur au niveau auquel on remplitle
matériau carboné.
3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit l'oxydant et/ou l'énergie thermique dans la cuve à un niveau de sensiblement 100 cm plus bas
que le niveau auquel on soutire le gaz.
4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que H 20, CO 2 et/ou un gaz contenant de l'oxygène sont
utilisés comme oxydant.
Procédé selon lune quelconque des revendications
1 à 3, caractérisé en ce que l'on fournitilénergie thermi-
que à l'aide d'un gaz qui est obligé de passer dans un
générateur de plasma.
6 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 3, caractérisé en ce que l'on fournit l'énergie
thermique par combustion partielle du matériau carboné.
7 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 6, caractérisé en ce que l'on introduit l'oxydant à la surface supérieure du matériau carboné en quantité telle qu'elle corresponde au moins à l'oxydation partielle
des constituants volatils du matériau carboné.
8 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 7, caractérisé en ce que l'on contrôle les quantités de H 20, du gaz contenant de l'oxygène et/ou CO 2 dans le gaz oxydant de façon à obtenir le rapport désiré H /CO dans le gaz produit 2
9 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 8, caractérisé en ce que l'on injecte le matériau carbo -né en poudre à un niveau inférieur dans la cuve, avec
l'oxydant et l'énergie thermique.
10 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 9, caractérisé en ce qu'un matériau en morceaux contenant Ca et /ou Mg est ajouté au matériau carboné sous
forme de morceaux afin de lier le soufre.
11 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 9, caractérisé en ce que l'on ajoute un matériau en poudre contenant Ca et/ou Mg au matériau carboné en poudre
afin de lier le soufre.
12 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 11, caractérisé en ce que l'apport d'énergie thermique
est contrôlé de façon que la teneur en cendre dans le maté-
riau carboné forme un laitier liquide qui est extrait au
fond de la cuve.
13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on ajoute un additif de formation de laitier au matériau
carboné, afin de contrôler le point de fusion et la visco-
sité du laitier.
14 Procédé selon l'une quelconque des revendications
12 et 13, caractérisé en ce que l'on ajoute l'additif de formation de laitier au matériau carboné afin de contrôler la composition du laitier pour obtenir un produit brut
convenable pour la fabrication du ciment.
Procédé selon l'une quelconque des revendications
12 à 14, caractérisé en ce que l'on granule le laitier liquide et on le refroidit rapidement avec de l'eau lorqu'on
l'extrait.
16 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 11, caractérisé en ce que l'on contrôle l'énergie thermique de façon que la teneur en cendres dans le matériau carboné reste en phase solide et soit éliminge en tant que sous-produit solide par le fond de la cuve.
17 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 16, caractérisé en ce que la matériau carboné est constitué totalement ou partiellement de charbon, coke, coke compressé, bois, bois pariellement carbonisé, charbon
de bois, lignite et tourbe.
18 Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 17, caractérisé en ce que la gazéification à lieu
sous une pression supérieure à la pression atmosphérique.
19 Installation pour la gazéification d'un matériau carboné en un mélange de gaz constitué principalement de CO et H 2 pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractériséeen ce-qu'elle comprend un réacteur ( 1) sous forme d'un four à cuve, muni d'un
dispositif de vanne supérieure ( 6) pour permettre l'intro-
duction du matériau carboné sous forme de morceaux, de
manière étanche aux gaz, à un niveau de remplissage pré-
déterminé dans la cuve, des moyens d'extraction( 13, 14) disposés au fond de la cuve ( 1) et un tambour annulaire ( 4) muni d'une sortie de gaz ( 5) pour le gaz produit, ledit tambour annulaire étant disposé-& un niveau inférieur au
niveau prédéterminé auquel on remplit le matériau solide.
Installation selon la revendication 19, caractérisée
en ce qu'elle comprend des moyens d'apport d'énergie thermi-
que et/ou d'oxydant disposés sous l'arrivée ( 5) de gaz
et/ou au-dessus de la surface supérieuradu matériau solide.
21 Installation selon l'une quelconque des revendication 19 et 20, caractérisée en ce qu'elle comporte des générateur
de plasma ( 3,7) pour l'apport d'énergie thermique.
22 Installation selon l'une quelconque des revendicatior 19 à 21, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'extraction du laitier constitué par une table tournante
d'extraction ( 14).
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