FR2578263A1 - Procede et dispositif pour la gazeification de combustibles fossiles et le reformage d'un combustible gazeux. - Google Patents

Procede et dispositif pour la gazeification de combustibles fossiles et le reformage d'un combustible gazeux. Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE POUR LA GAZEIFICATION DE COMBUSTIBLES FOSSILES ET LE REFORMAGE D'UN COMBUSTIBLE GAZEUX AFIN DE MANUFACTURER UN GAZ CONTENANT PRINCIPALEMENT H CO DONT LA TENEUR EN HO CO EST INFERIEURE A 10 ET LA TENEUR EN HYDROGENE PEUT ETRE PORTEE AU-DESSUS DE CELLE QUI CORRESPOND A LA COMPOSITION DU COMBUSTIBLE. UN OXYDANT ET UN COMBUSTIBLE SONT INJECTES DANS UNE CHAMBRE DE REACTION2 PENDANT QUE DE L'ENERGIE EXTERIEURE EST FOURNIE PAR AU MOINS UN GENERATEUR DE PLASMA5. UN PORTEUR DE CARBONE REACTIF EST INJECTE DANS LE MELANGE GAZEUX PAR DES INJECTEURS15, 16, 17 AFIN DE CARBURER HO ET CO ET LE MELANGE SEJOURNE ENSUITE SUFFISAMMENT LONGTEMPS POUR QUE LA CARBURATION S'EFFECTUE JUSQU'A LA TENEUR RESIDUELLE DESIREE EN HO ET CO. APPLICATION A LA PRODUCTION DE GAZ DE REDUCTION OU DE COMBUSTION.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la gazéification de combustibles fossiles et le reformage d'un combustible gazeux afin de manufacturer un gaz contenant principalement CO + H2, dont la teneur en
H20 + C02 est inférieure à 10 %, et qui permettent également de porter la teneur en hydrogène gazeux du gaz produit au-dessus de la valeur qui correspond à la composition du combustible carboné.
La production de gaz de réduction ou de combustion à base de monoxyde de carbone et d'hydrogène gazeux est couramment effectuée par plusieurs procédés différents dont les principes d'action sont totalement différents. Cependant, ils présentent tous certains inconvénients. L'énergie néces- saire est habituellement produite par la combustion d'une matière de départ carbonée qui est injectée avec un oxydant dans une chambre vide. Pour subvenir aux besoins calorifiques du processus, il faut brûler une certaine proportion de CO et H2 en produisant donc C02 et H 20, ce qui fait que les teneurs du gaz en anhydride carbonique et en eau sont plus élevées qu'on ne le souhaite.
Dans les procédés connus de carburation, il faut par conséquent éliminer dans une étape ultérieure séparée une certaine proportion de l'eau et de l'anhydride carbonique contenus dans le gaz engendré, et il faut donc tout d'abord refroidir le gaz, puis le chauffer de nouveau. Dans d'autres procédés, les températures appliquées sont si basses qu'il se forme du goudron et des phénols, ce qui veut dire qu'il faut laver le gaz, puis le chauffer de nouveau avant de pouvoir l'utiliser dans les étapes opératoires suivantes.
Par conséquent, un but de la présente invention est de fournir un procédé pour la gazéification de combustibles fossiles et le reformage d'un combustible gazeux afin de pouvoir manufacturer un gaz dont la teneur en H20 et C02 peut être abaissée jusqu'à 0 %.
Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, ce dispositif permettant également la gazéification sous haute pression.
Ces objectifs sont atteints par le procédé de la présente invention, qui consiste à injecter un oxydant et un combustible carboné dans une chambre de réaction tout en fournissant de l'énergie extérieure au moyén d'un gaz chauffé dans un générateur de plasma, à injecter un porteur de carbone réactif finement divisé dans le mélange gazeux issu de ladite chambre de réaction afin de carburer H20 et C 2 qui sont présents dans le mélange, puis à laisser le gaz séjourner suffisamment longtemps pour permettre à la carburation de s'effectuer jusqu'à la teneur résiduelle désirée du gaz en H2O et CO2. Le procédé conforme à l'invention présente plusieurs avantages par rapport aux procédés antérieurement connus.L'utilisation d'une énergie extérieure fournie au moyen de générateurs de plasma fait que l'on produit un gaz dont la teneur en CO2 + H2O est déjà basse, c'est-à-dire aux alentours de 15 %, ainsi qu'un excès de chaleur physique. Cet excès de chaleur physique est utilisé dans l'étape de carburation suivante afin de réduire davantage la teneur en C02 + H2O en injectant un porteur de carbone réactif. En principe, on peut parvenir à une teneur de 0 -%, mais des teneurs de 2 à 8 % sont normalement celles que l'on recherche.L'injection du porteur de carbone réactif finement divisé permet de mettre en oeuvre le procédé sous pression élevée, contrairement aux procédés selon lesquels du coke en gros morceaux est introduit dans la cuve par l'intermédiairede passages étanches aux gaz, où la pression est limitée à environ 300 kPa.
Selon un mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, l'oxydant est injecté en totalité ou en partie par le générateur de plasma.
Selon un autre mode avantageux deréalisation- du- procédé de l'invention, le gaz est chauffé à 2000-3000"C dans le générateur de plasma.
Selon encore un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, du gaz de recirculation est injecté par le générateur de plasma et l'oxydant est injecté par des injecteurs proches de l'orifice du générateur de plasma.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, on utilise de l'oxygène gazeux pur comme oxydant.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, on utilise comme oxydant un mélange de 2 H20 et/ou C02 et éventuellement d'une petite quantité de N2.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, le combustible fossile est constitué de charbon, de tourbe et/ou de pétrole, éventuellement en mélange avec de l'eau, auquel cas H2O forme une partie de l'oxydant.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, le combustible gazeux est -principa-lement CH4.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, ie combustible carboné est injecté juste au niveau de l'orifice du générateur de plasma.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, le combustible carboné, sous forme de pétrole ou d'une suspension de charbon, est injecté par des injecteurs situés au voisinage immédiat de l'orifice du générateur de plasma.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, le combustible carboné, sous forme de matière sèche et de gaz, est injecté par un ou plusieurs injecteurs et/ou par un espace annulaire disposés autour de l'orifice du générateur de plasma. I1 est évident que les deux types de combustible peuvent être utilisés simultanément, auquel cas les deux types d'injection sont également utilisés.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, le porteur de carbone réactif est injecté par un ou plusieurs injecteurs. Le porteur de carbone réactif est de préférence du coke.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, les scories sont éliminées en majeure partie sous forme liquide.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, le gaz engendré est soumis à un échange de chaleur ou refroidi.
Selon un autre mode avantageux de réalisation du procédé de l'invention, un accepteur de soufre est injecté par un ou plusieurs injecteurs, de préférence sous forme de chaux ou de dolomite finement divisées.
Le dispositif pour la mise en oéuvre du procédé conforme à l'invention comprend au moins une chambre de réaction, au moins un générateur de plasma destiné à fournir de l'énergie extérieure, des moyens d'alimentation pour introduire le gaz devant être chauffé par le générateur de plasma et pour injecter l'oxydant et le combustible en association avec le générateur de plasma, des moyens d'alimentation en porteur de carbone réactif et en accepteur de soufre, une sortie de gaz et des sorties pour les scories et les cendres.
Selon une forme avantageuse de réalisation du dispositif de l'invention, le générateur de plasma comprend des électrodes cylindriques entre lesquelles est engendré un arc électrique.
Selon une autre forme avantageuse de réalisation du dispositif de l'invention, le générateur de plasma est du type à arc transféré.
Selon une autre forme avantageuse de réalisation, le dispositif de l'invention comprend une cuve cylindrique verticale séparée en des zones de gazéification et de carburation, un étranglement étant éventuellement présent entre les zones, et pourvue d'une sortie pour les scories liquides ménagée au fond de la cuve, et d'une sortie de gaz disposée dans la partie inférieure de la cuve et communiquant avec un séparateur subséquent qui est pourvu dans sa partie inférieure d'une sortie pour les scories solides et les matières non vaporisées, et d'une sortie de gaz disposée dans sa partie supérieure. Les moyens d'alimentation en porteur de carbone réactif et en accepteur de soufre sont disposés en un ou plusieurs points de la cuve et en association avec la sortie pour le gaz quittant la cuve.
Selon une autre forme avantageuse de réalisation du dispositif de l'invention, le séparateur est conçu comme un séparateur cyclone pour faciliter l'élimination des particules solides du gaz obtenu.
Selon une autre forme avantageuse de réalisation, le dispositif de l'invention comprend un échangeur de chaleur placé dans la sortie de gaz de la cuve verticale et/ou dans la sortie de gaz du séparateur.
Selon une autre forme de réalisation du dispositif de l'invention, les moyens d'alimentation en combustible carboné et en oxydant se composent d'au moins un injecteur et/ou d'un espace annulaire dont l'orifice est proche, dans la cuve, de celui du générateur de plasma.
D'autres caractéristiques, avantages et modesde mise en oeuvre de l'invention ressortiront de la description détaillée suivante.
I1 y a des avantages considérables à effectuer la majeure partie des réactions de gazéification dans une zone de gazéification, puis à achever les réactions dans une zone de carburation.
I1- est possible dans ce cas d'effectuer la gazéification à une température élevée, toujours supérieure au point de fusion des scories et en général supérieure à 1400"C, après quoi la chaleur physique du gaz peut être utilisée dans la zone subséquente de carburation pour effectuer les réactions de carburation qui cessent à environ 1000 C
L'excès de chaleur du gaz est utilisé de plusieurs manières. On peut réduire encore les teneurs relativement basses en eau et anhydride carbonique du gaz engendré dans la chambre de gazéification en mettant à profit la chaleur physique du gaz après injection du porteur de carbone réactif, en sorte que l'eau et l'anhydride carbonique sont respectivement convertis en hydrogène et monoxyde de carbone.
En pratique, on ne peut parvenir directement dans la zone de gazéification aux basses teneurs souhaitées en CO2 et H2 O étant donné qu'un faible potentiel d'oxygène se traduit par une plus faible vitesse de réaction entre le combustible et l'oxydant, et donc par une gazéification moins complète.
Le combustible carboné peut être choisi parmi le pétrole, le charbon, le coke, le charbon de bois, la tourbe, la sciure de bois et divers mélangesde ceux-ci, ainsi que des hydrocarbures gazeux tels que CH4. Il en résulte des avantages économiques considérables compar-ativement aux procédés connus de gazéification qui tous sont limités quant au choix de la matière de départ.
La présente invention va maintenant être décrite plus en détail en regard du dessin annexé sur lequel :
la figure unique montre une forme préférée de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
Le dispositif représenté comprend une cuve cylindrique verticale 1 composée d'une zone de reformage 2 et d'une zone de carburation 3. Ces deux zones sont partiellement séparées par un étranglement 4 mais sont en communication directe l'une avec l'autre.
Au moins un générateur de plasma 5 est disposé au sommet de la cuve et il présente une entrée 6 destinée à un gaz devant être chauffé dans le générateur de plasma.
Au voisinage immédiat de l'orifice du générateur de plasma, il est également prévu un espace annulaire 7 présentant une entrée 1', et des injecteurs 8et 8', pour l'alimentation en oxydant et en combustible carboné.
La zone de carburation 3, située au-dessous de la zone de gazéification 2, est en communication avec un séparateur 11 par l'intermédiaire d'une conduite 10 de gaz, ce qui assure au gaz un temps de séjour suffisamment long pour permettre à la carburation de s'effectuer jusqu'à la teneur résiduelle désirée en H20 et CO2. Le séparateur est représenté sous forme d'une cuve cylindrique verticale 12, mais il peut avantageusement avoir la forme d'un séparateur cyclone afin de faciliter l'élimination des polluants particulaires du gaz, par exemple des gouttes de scories et des matières non gazéifiées.
Les scories provenant de la zone de gazéification 2 sont éliminées en majeure partie par une sortie 13 de scories qui est ménagée dans la zone cylindrique de gazéification de la cuve 1, tandis que les particules accompagnant le gaz sont éliminées par une sortie 14 de scories qui est ménagée au fond du séparateur.
La conduite de gaz 10 constitue fonctionnellement une partie de la zone de -carburation 3. Des injecteurs 15, 16 et 17 destinés à l'alimentation en porteur de carbone réactif et/ou en accepteur de soufre sont disposés dans la zone de gazéification, la zone de carburation et la conduite de gaz 10. On peut également envisager d'injecter un scorifiant par ces injecteurs.
Un échangeur de chaleur 18 est disposé dans une sortie 14 pour le gaz engendré qui vient du séparateur 11, afin d'effectuer un échange de chaleur ou de refroidir le gaz, et il peut éventuellement être utilisé pour préchauffer l'oxydant. Le gaz engendré peut également ou en variante être soumis à un échange de chaleur au moyen d'un échangeur de chaleur placé dans la conduite de gaz 10.
I1 est possible de faire recirculer une partie du gaz froid engendré pour le chauffer dans le générateur de plasma, auquel cas l'oxydant est principalement introduit par les injecteurs 8 et 8'.

Claims (23)

REVENDICATIONS
1. Procédé pour la gazéification de combustibles fossiles et le reformage d'un combustible gazeux afin de manufacturer un gaz contenant principalement CO et H2, dont la teneur en H20 + C02 est inférieure à 10 %, de préférence de 2 à 8 %, et qui permet également de porter la teneur en hydrogène gazeux du gaz produit au-dessus de la valeur correspondant à la composition du combustible carboné, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter un oxydant et un combustible carboné dans une chambre de réaction tout en fournissant de l'énergie extérieure au moyen d'un gaz chauffé dans un générateur de plasma, à injecter un porteur de carbone réactif finement divisé dans le mélange gazeux issu de ladite chambre de réaction afin de carburer H20 et CO2 qui sont présents dans le mélange, puis à laisser le gaz séjourner suffisamment longtemps pour permettre à la carburation de s'effectuer jusqu'à la teneur résiduelle désirée du gaz en H20 + CO2.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxydant est injecté en totalité ou en partie par le générateur de plasma.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est chauffé à 2000-3000"C dans le générateur de plasma. I
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que du gaz de recirculation est injecté par le générateur de plasma et l'oxydant est injecté par des injecteurs proches de l'orifice du générateur de plasma.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxydant est de l'oxygène gazeux pur.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxydant est un mélange de 02, H20 et/ou CO2 et éventuellement d'une petite quantité de N2,
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible fossile est constitué de charbon, de tourbe et/ou de pétrole, éventuellement en mélange avec de l'eau, auquel cas l'eau forme une partie de l'oxydant.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible gazeux est principalement CH4.
9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible carboné est injecté juste au niveau de l'orifice du générateur de plasma.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le combustible carboné, sous forme de pétrole ou d'une suspension de charbon, est injecté par des injecteurs situés au voisinage immédiat de l'orifice du générateur de plasma.
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le combustible carboné, sous forme de matière sèche et de gaz, est injecté par un ou plusieurs injecteurs et/ou par un espace annulaire disposés autour de l'orifice du générateur de plasma.
12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porteur de carbone réactif, de préférence du coke, est injecté parut ou plusieurs injecteurs.
13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la majeure partie des scories est éliminée sous forme liquide.
14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz engendré est soumis à un échange de chaleur ou refroidi avant et/ou après son passage dans un séparateur.
15. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un accepteur de soufre, de préférence sous forme de chaux finement divisée, est injecté par un ou plusieurs injecteurs.
16. Dispositif pour la gazéification de combustibles fossiles et le reformage d'un combustible gazeux afin de manufacturer un gaz contenant principalement CO et H2, dont la teneur en H20 + CO2 est inférieure à 10 %, de préférence de 2 à 8 %, et qui permet également de porter la teneur en hydrogène gazeux du gaz produit au-dessus de la valeur correspondant à la composition du combustible carboné, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre de réaction (2) comportant au moins un générateur de plasma (5) destiné à fournir de l'énergie extérieure, un moyen (6) d'alimentation pour introduire le gaz devant être chauffé par le générateur de plasma, des moyens (8, 8') d'alimentation pour injecter un oxydant et un combustible en association avec le générateur de plasma, des moyens (15, 16, 17) d'alimentation en porteur de carbone réactif et en accepteur de soufre, une sortie (19) de gaz et des sorties (13, 14) pour les scories et les cendres.
17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le générateur de plasma (5) est du type fonctionnant avec un arc interne-engendré entre deux électrodes.
18. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le générateur de plasma (5) est du type à arc transféré.
19. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve cylindrique verticale (1) séparée en des zones de gazéification (2) et de carburation-(3), un étranglement (4) étant éventuellement présent entre ces zones, et pourvue d'une sortie (13) pour les scories liquides ménagée au fond de la cuve, et d'une sortie (10) de gaz disposée dans la partie inférieure de la cuve et communiquant avec un séparateur subséquent (11) qui est pourvu dans sa partie inférieure d'une sortie (14) pour les scories solides et les matières non vaporisées, et d'une sortie (19) de gaz disposée dans sa partie supérieure.
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que les moyens (15, 16, 17) d'alimentation en porteur de carbone réactif et en accepteur de soufre sont disposés en un ou plusieurs points de la cuve et en association avec -la sortie (10) pour le gaz quittant la cuve.
21. Dispositif selon la revendication 19,caracté- risé en ce que le séparateur (11) est conçu comme un séparateur cyclone pour faciliter l'élimination des particules solides du gaz obtenu.
22. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur placé dans la sortie de gaz (10) de la cuve verticale et/ou un échangeur de chaleur (18) placé dans la sortie de gaz (19) du séparateur.
23. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en combustible carboné et en oxydant se composent d'au moins un injecteur (8, 8') et/ou d'un espace annulaire dont l'orifice est proche, dans la chambre de réaction (2), de celui du générateur de plasma (5).
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