FR2565993A1 - Gazeification de matiere carbonee - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE POUR LA PRODUCTION D'UN GAZ CHAUD CONSTITUE PRINCIPALEMENT DE CO ET H A PARTIR D'UN MATERIAU DE DEPART CARBONE POUR LEQUEL LE CONTENU CALORIFIQUE PHYSIQUE DU MELANGE SORTANT DE LA CHAMBRE DE GAZEIFICATION 1 EST UTILISE DANS LE LIT DE MATIERE EN MORCEAUX POUR REDUIRE LA TENEUR EN DIOXYDE DE CARBONE ET EAU DU GAZ, LE GAZ SORTANT DE LA CUVE 2 PRESENTANT UNE TEMPERATURE ET UNE COMPOSITION APPROPRIEE.
Description
L'invention concerne un procédé pour la production d'un gaz chaud
constitué principalement de CO et H2, à partir d'un matériau de départ carboné qui, sous forme pulvéru- lente, à l'aide d'un gaz vecteur, en commun avec un agent oxydant et éventuellement aussi un formateur de scories,
est introduit dans une chambre de gazéification, le maté-
riau de départ subissant dans la chambre une combustion
partielle.
Du gaz de réduction ou de combustion à base de monoxyde de carbone et d'hydrogène est produit couramment en utilisant divers types de procédé opérant selon une variété de principes complètement différents les uns des autres, tous présentant certains inconvénients. L'énergie nécessaire est généralement produite par combustiond'un matériau de départ carboné injecté dans une chambre vide avec un agent oxydant. Afin de couvrir les besoins d'énergie du procédé, une certaine proportion du CO et H2 formés doit être transformée par combustion en CO2 et H20, et il en résulte une teneur en dioxyde de carbone
et eau dans le gaz, plus élevée que ce ne serait souhai-
table.
256599f En conséquence, le gaz produit dans des procédés connus de gazéification de carbone doit être débarrasé d'une
partie de sa teneur en dioxyde de carbone et cela signi-
fie que le gaz doit être d'abord refroidi avant d'être réchauffé à nouveau. Dans d'autres procédés, une tempé- rature tellement basse est utilisée qu'il se forme du goudron et des phénols. En conséquence, le gaz doit être lavé puis réchauffé s'il doit être utilisé dans des
étapes subséquentes du procédé.
Compte tenu de l'arrière-plan technique décrit ci-dessus, le principal objet de l'invention est de réaliser un procédé pour la production d'un gaz chaud de réduction ou de combustion constitué principalement de monoxyde de
carbone et d'hydrogène, ce procédé permettant de contrô-
ler la température et la composition du gaz produit et
offrant une exploitation optimale de l'énergie.
A cet effet, l'invention propose un procédé o la matière de départ est soumise à une combustion partielle et à une gazéification au moins partielle dans une chambre de
gazéification, après quoi le mélange résultant est intro-
duit dans une cuve contenant un lit de matière carbonée
solide en morceaux; la teneur thermique du mélange sor-
tant de la chambre de gazéification est utilisée dans
le lit de matière carbonée solide en morceaux pour rédui-
re la teneur en dioxyde de carbone et eau du gaz, et le procédé de production de gaz est contrôlé de sorte que le gaz évacué ait une température et une composition
appropriées pour l'étape suivante du procédé.
La matière carbonée solide en morceaux est de préférence
du coke.
L'agent oxydant peut être constitué de 02' CO2, H20, air
256599!
ou des mélanges quelconques de ces composés.
Selon un mode dé réalisation de l'invention, l'énergie nécessaire est produite dans la chambre de gazéification par fourniture d'un excès d'air et/ou d'oxygène avec un
maximum d'environ 20% de H20, qui réagit de façon exo-
thermique ou autothermique avec une partie de la matière
carbonée de départ.
Selon un mode de réalisation de l'invention, de l'éner-
gie thermique extérieure est fournie à la chambre de gazéification. Cette énergie thermique externe peut être fournie par un gaz chauffé dans un générateur de plasma, le gaz étant sélectionné parmi les 02, H20, air et gaz recyclé contenant CO + H2 + CO2 + H20, ou un mélange de
deux ou plusieurs de ces produits.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le
gaz vecteur est constitué par l'agent oxydant.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, de la vapeur d'eau destinée à introduire la matière et/ou à l'emploi comme-gaz vecteur, est produite partiellement ou complètement-à l'aide d'une matière réfrigérante chauffée dans un système de refroidissement pressurisé dans des parties de l'installation qui sont refroidies à l'eau et/ou en exploitant la chaleur physique du gaz produit. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la teneur calorique physique du mélange gazeux sortant de la chambre de gazéification est exploitée pour convertir le gaz injecté dans le lit de coke, et contenant du dioxyde de carbone et/ou de l'eau, en monoxyde de carbone
et hydrogène.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le processus complet de production de gaz est contrôlé par analyse du potentiel d'oxygène dans le mélange gazeux
avant et/ou après la cuve remplie de coke.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les
scories sont extraites séparément de la chambre de gazéi-
fication et de la cuve chargée de coke. En variante,
toutes les scories peuvent être extraites de la cuve.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, des
accepteurs de sulfure sont injectés sous forme pulvéru-
lente dans la chambre de gazéification et/ou en morceaux
dans la cuve à coke.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, la matière injectée dans la chambre de gazéification reçoit un mouvement rotatif afin de produire une couche
de scories protégeant les parois intérieures de la cham-
bre de gazéification.
D'autres caractéristiques, avantages et-modes de réali-
sation de l'invention vont apparaître dans la descrip-
tion détaillée ci-après.
Le procédé n'est bien entendu pas limité à une seule chambre de gazéification par cuve. Au contraire, plusieurs chambres de gazéification sont disposées en relation avec
une cuve chargée de coke.
Il y a des avantages considérables à réaliser la majorité
des réactions de gazéification dans une chambre de gazéi-
fication puis achever ces réactions dans un lit de coke.
Un avantage est que la gazéification peut être effectuée
à une température élevée qui devra toujours être supé-
rieure au point de fusion de la scorie, et généralement supérieure à environ 1.400 C, après quoi la teneur calorique physique du gaz peut être utilisée dans la cuve suivante pour effectuer les réactions de carbura-
tion qui sont interrompues à environ 1.000 C.
Comme indiqué plus haut, la chaleur en excès du gaz peut être utilisée de différentes façons. Par exemple, une teneur relativement élevée en dioxyde de carbone est autorisée dans le gaz produit dans la chambre de gazéification, et elle est alors convertie en monoxyde de carbone dans le lit de coke, en utilisant la chaleur
physique du gaz.
L'avantage de travailler avec une teneur accrue en CO2 dans l'étape de gazéification est que le potentiel résultant plus élevé en oxygène permet une vitesse de réaction plus élevée entre le combustible et l'agent
oxydant et que simultanément, le procédé peut se pour-
suivre au-dela de la limite o se produit un dépôt de
noir de carbone.
Une autre méthode additionnelle pour exploiter la cha-
leur excédentaire est d'injecter le dioxyde de carbone et/ou l'eau dans le lit de coke. Ceci peut être réalisé par exemple en utilisant un gaz recyclé partiellement exploité avec une teneur élevée en dioxyde de carbone
et eau.
Le lit de coke remplit un nombre important de fonctions, comme indiqué plus haut, et comme ce sera décrit plus en
détail ci-dessous.
Le lit de coke récupère toutes les particules de coke et gouttes de scorie accompagnant le mélange gazeux depuis la chambre de gazéification. Ces particules et gouttes sont alors reconduites dans le procédé lorsque le coke du lit est utilisé. Le combustible est donc utilisé de façon extrêmement efficace. Le lit de coke fonctionne donc comme un réservoir de chaleur, équilibrant toute variation survenant dans la fourniture de chaleur à la chambre de gazéification. Il joue également le rôle de réserve de carbone, équilibrant
toute variation de la quantité de matière carbonée four-
nie en relation avec la quantité d'agent oxydant fourni.
Il en résulte une réduction des risques d'explosion, pratiquement une élimination de ces risques, même si de
l'oxygène pur est introduit sans qu'une quantité équiva-
lente de matière carbonée soit introduite dans la chambre de gazéification. Le risque d'explosion pose sans cela
des problèmes extrêmement graves.
Le combustible ou la matière carbonée de départ est introduite sous une forme finement divisée. S'il est constitué de matière solide pulvérulente celle-ci peut être injectée à l'aide de vapeur d'eau, par exemple,
selon le mode de réalisation préféré de l'invention.-
La matière carbonée de départ peut être choisie parmi les membres d'un groupe formé par les mazout, charbon, coke, charbon de bois, gaz, tourbe, sciure et divers mélanges de ces-matériaux. Ceci offre des avantages
économiques considérables sur les procédés de gazéifi-
cation connus, tous étant limités dans le choix du maté-
riau de départ. Dans une large mesure, la consommation de coke est maintenue à un faible niveau, du fait que
l'agent oxydant est forcé à réagir avec la matière carbo-
née dans la chambre de gazéification avant d'atteindre
le coke chaud et donc réactif.
Si seule la combustion est utilisée pour fournir la chaleur nécessaire aux réactions, une limitation existe en raison de l'équilibre thermique des réactions, ce qui produit une teneur relativement élevée en dioxyde de carbone. Jusqu'à présent, cela signifiait que le dioxyde de carbone doit être ensuite éliminé du gaz dans une autre
étape du procédé. Cependant, dans le procédé selon l'in-
vention, cela n'implique aucun problème. Lorsque de l'oxygène est utilisé comme agent oxydant avec addition de H20, des conditions autothermiques vont s'établir si environ 20% d'eau sont additionnés, c'est-à-dire que les réactions se poursuivent mais il n'est pas produit de l'énergie en excès. Si de l'énergie thermique est fournie de l'extérieur, il est produit de l'énergie en excès, laquelle, selon ce qui a été dit ci-dessus, peut être utilisée dans le lit de coke suivant. Ainsi de l'énergie électrique peut être utilisée, de préférence au moyen de générateurs de plasma, o le gaz vecteur est chauffé à
une température considérable lors de son passage à tra-
vers un arc électrique produit entre des électrodes dans le plasma produit. Dans le mode de réalisation préféré, le gaz vecteur utilisé est de l'oxygène et de la vapeur d'eau. On peut cependant utiliser également comme gaz
vecteur de la vapeur d'eau, un mélange de H20 et d'oxy-
gène, de l'oxygène pur ou même de l'air.-
La fourniture d'énergie extérieure permet l'utilisation d'un gaz réducteur épuisé ayant des teneurs élevées en
dioxyde de carbone et eau comme agent oxydant.
Selon un mode de réalisation préféré, le procédé peut être contrôlé par enregistrement de la pression partielle de CO2 ou 02 dans le gaz produit, immédiatement après la chambre de gazéification, avant la pénétration dans le lit de coke et/ou dans l'évacuation de gaz après le lit de coke. L'analyse immédiatement après la chambre de gazéification est utilisée de préférence pour contrôler le rapport entre la matière carbonée alimentée et l'agent oxydant, et si possible également la température du gaz sortant, tandis que l'analyse du gaz après le lit de coke est utilisé pour contrôler la quantité de CO2 et/ou de H20 introduite dans le lit de coke. Il est possible ainsi
de produire un gaz final ayant la composition et la tem-
pérature souhaitées pour le procédé subséquent qui peut être par exemple un procédé d'éponge de fer, tandis que simultanément il est réalisé une consommation d'énergie
pratiquement optimale.
Compte tenu des températures élevées utilisées dans le procédé, au moins une partie de la cuve et toute la chambre de gazéification avec ses brûleurs doivent être
refroidies à l'eau. En installant un système de refroi-
dissement fonctionnant sous pression, de préférence aux environs d'une surpression de 5 à 6 bars, le milieu refroidissant réchauffé peut être exploité pour la fourniture de vapeur qui peut servir comme gaz vecteur et/ou de transport. Ainsi les pertes caloriques de
refroidissement peuvent être exploitées. -
La chambre de gazéification aura de préférence des-
parois internes circulaires. Selon l'invention, on peut conférer aux courants de gaz et de matière introduits
dans la chambre de gazéification, un mouvement rotatoire.
Les particules de scories vont alors se séparer et former
une couche protectrice sur les parois internes de la cham-
bre de gazéification. L'épaisseur de ce-dépôt de scories est déterminée par l'équilibrethermique entre l'énergie calorique enlevée par le circuit de refroidissement et l'énergie calorique fournie à la surface de scories par convection et radiation. Les scories en excès s'écoulent par un tropplein qui peut être installé séparément pour
la chambre de gazéification, ou combiné avec le trop-
plein de scories de la cuve.
Des formateurs de scories et/ou des accepteurs de sulfures, sous forme finement divisée, peuvent être injectés dans la.chambre de gazéification en commun avec la matière carbonée ou séparément d'elle, et/ou ils peuvent être introduits en commun avec la matière carbonée solide en morceaux dans la cuve, formant ainsi
une partie du lit de coke.
Afin de réaliser un mélange rapide et efficace du gaz
chaud produit dans le générateur de plasma avec le com-
bustible pulvérulent, porteur de carbone, le gaz chaud est introduit à travers l'orifice du générateur de plasma dans la chambre de gazéification. Ceci est réalisé en ce que un mouvement rotatif est conféré au gaz vecteur durant son passage à travers le générateur de plasma, ce
mouvement rotatif ayant été conféré au combustible pul-
vérulent avant sa pénétration dans la chambre de gazéifi-
cation, et/ou par le générateur de plasma et/ou le moyen d'alimentation du combustible carboné étant disposé de façon à s'ouvrir tangentiellement vers la chambre de gazéification. Ceci va provoquer l'expansion du gaz chaud lors de sa pénétration dans la chambre de gazéification, et cette turbulence va produire un espace de mélange
extrêmement réduit.
L'invention sera mieux comprise en regard du dessin
annexé qui représente un mode de réalisation d'une ins-
tallation destinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure représente une unité de gazéifiaction composée d'une chambre de gazéification 1 et d'une cuve 2 garnie
de coke 3.
La chambre de gazéification 1 comporte une enveloppe 4
extérieure, refroidie à l'eau et un revêtement réfrac-
taire 5, et elle a de préférence une forme cylindrique.
Plusieurs chambres de gazéification sont montées de
préférence en communication avec une cuve.
La cuve 2 comporte une évacuation inférieure 6 des scories et une évacuation supérieure 7 des gaz. Du coke en morceaux est alimenté dans la cuve à travers un moyen 8 étanche aux gaz, au sommet de la cuve. La chambre de gazéification i débouche dans la partie inférieure de la cuve, suite à quoi le gaz traverse le lit de coke de bas en haut et passe par la sortie des gaz. Dans le mode de réalisation représenté, la sortie des scories 6 est
commune à la chambre de gazéification et au puits.
Au moins un brûleur est associé à la chambre de gazéifi-
cation et il est constitué, dans le mode de réalisation représenté, par un générateur de plasma 9. Le générateur
de plasma est relié à la chambre de gazéification à tra-
vers la vanne 10. L'agent oxydant est introduit dans le
générateur de plasma à travers le tube d'alimentation 11.
L'agent oxydant peut comporter un gaz vecteur qui est conduit à travers le générateur de plasma ou qui est utilisé séparément. Le gaz chaud, turbulent produit dans le générateur de plasma est introduit dans la chambre de gazéification à travers l'orifice 12 du générateur de plasma. Le combustible carboné, de préférence sous forme
pulvérulente, est introduit à l'aide d'un gaz de trans-
port à travers un tube d'alimentation 13 dans un orifice annulaire 14 concentrique par rapport au générateur de
plasma, et/ou la lance 15 qui peut être aussi avantageu-
sement utilisée pour la fourniture de tout additif, par
exemple un formateur de scories.
Des lances 16, 17 sont également disposées dans la cuve il pour l'introduction, si nécessaire, d'agents oxydants additionnels comme H20 ou C02, pour exploiter la chaleur excédentaire du gaz. Cela permet également le contrôle
de la température et de la composition du gaz.
A l'extrémité de la chambre de gazéification proche du lit de coke, il est disposé un premier détecteur 18, et un second détecteur 19 est monté dans la sortie de gaz 7 de la cuve, pour mesurer la température et/ou analyser le gaz. Ces deux détecteurs permettent le contrôle du procédé par régulation de l'énergie extérieure fournie
et/ou par variation du débit de matière alimentée.
La figure ne représente qu'un mode de réalisation d'une unité destinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et de nombreuses autres solutions sont possibles. Par exemple, les générateurs de plasma ou brûleurs peuvent être montés tangentiellement sur la périphérie de la chambre de gazéification de façon à produire un courant de circulation dans la chambre de gazéification. De plus, afin de faciliter la séparation des scories, la chambre de gazéification peut être verticale, ou bien, la chambre de gazéification et la
cuve peuvent avoir des sorties différentes.
Claims (15)
1. Procédé pour la production d'un gaz chaud cons-
titué principalement de CO2 et H2, à partir d'une ma-
tière carbonée de départ, dans lequel la matière de départ est introduite sous forme pulvérulente en commun
avec l'agent oxydant et aussi éventuellement un forma-
teur de scorie, dans la chambre de gazéification, à l'aide d'un gaz de transport, la matière de départ étant
soumise à une combustion partielle et à une gazéifica-
tion au moins partielle dans la chambre de gazéification,
le mélange résultant est introduit dans une cuve conte-
nant un lit de matière carbonée solide en morceaux, procédé caractérisé en ce que le contenu calorique
physique du mélange sortant de la chambre de gazéifica-
tion-est utilisé dans le lit de matière en morceaux pour réduire la teneur en dioxyde de carbone et eau du gaz, et que le procédé de production du gaz est contr8ôlé de façon que le gaz sortant de la cuve présente une
température et une composition appropriées pour l'uti-
lisation dans une étape subséquente du procédé. -
2. Procédé selon la revendication 17 caractérisé en ce que l'agent oxydant est 02, H20, CO2 ou de l'air
ou des mélanges de ces composés.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que l'énergie nécessaire est produite dans la chambre par fourniture d'un excès d'air et/ou d'oxygène, avec un maximum d'environ 20% de H20, qui
réagit de façon exothermique ou autothermique avec -
une partie de la matière carbonée de départ.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que de l'énergie calorique externe
est fournie à la chambre de gazéification.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'énergie calorique externe est fournie au moyen
d'un gaz vecteur.chauffé dans un générateur de plasma.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que gaz vecteur est choisi parmi les 02, H20, air, gaz recyclé contenant CO + H2 + CO2 + H20, ou des
mélanges de deux ou plusieurs de ces produits.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 6, caractérisé en ce que le gaz vecteur est l'agent oxydant.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 6, caractérisé en ce que le gaz recyclé est utilisé
pour injecter la matière carbonée pulvérulente de départ.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications
l à 8, caractérisé en ce que de la vapeur d'eau éven-
tuellement utilisée pour l'introduction de matière
et/ou comme gaz vecteur, est produite en partie ou -
complètement à l'aide d'un milieu refroidissant chauffé dans un système de refroidissement pressurisé, dans les
parties de l'installation qui sont refroidies à l'eau.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications
à 9, caractérisé en ce que le gaz vecteur chaud sor-
tant du générateur de plasma, se voit conférer un mou-
vement rotatif avant d'être introduit dans la chambre
de gazéification et que le combustible carboné pulvé-
rulent est introduit de façon concentrique autour du courant gazeux chaud pénétrant dans la chambre de gazéification.
1l. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 10, caractérisé en ce que la teneur calorique phy-
sique du gaz émergeant de la chambre de gazéification
est exploitée pour convertir du gaz injecté extérieure-
ment dans le lit de coke, et contenant un dioxyde de carbone et/ou de l'eau, en monoxyde de carbone et hydrogène.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 11, caractérisé en ce que le procédé de production de gaz est contrôlé par analyse de la teneur en dioxyde de carbone ou du potentiel d'oxygène dans le mélange
gazeux avant et/ou après la cuve remplie de coke.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 12, caractérisé en ce que la scorie est extraite séparément de la chambre de gazéification et de la cuve
garnie de coke.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 12, caractérisé en ce que la-scorie de la chambre de gazéification est introduite dans la cuve, d'o toute
la scorie est alors enlevée.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 14, caractérisé en ce que des accepteurs de sulfures sont injectés sous forme pulvérulente dans la chambre de gazéification et/ou sous forme de morceaux dans la
cuve à coke.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 15, caractérisé en ce que l'on confère à la matière dans la chambre de gazéification un mouvement rotatif afin de produire une couche de scoriesprotégeant les
parois internes de la chambre de gazéification.
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