FR2580660A1 - Multitubular reactor for the gasification of solid carbonaceous fuels - Google Patents

Multitubular reactor for the gasification of solid carbonaceous fuels Download PDF

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Abstract

A reactor making it possible to produce continuously gases rich in H2 and CO from particulate carbonaceous or hydrocarbon matter. It consists of three fluidisation chambers: a fluidisation chamber 3 for feeding the tubes 6 of the multitubular bundle, a sedimentation chamber 12 and a combustion chamber 10. Gasification with steam takes place inside the tubes 6 which are heated by virtue of the combustion in air of the residues in the combustion chamber 10. The reactor according to the invention is particularly intended for the production of a gas containing no nitrogen, without the use of pure oxygen.

Description

La présente invention concerne un procéde continu pour produire un courant gazeux riche-en hydrogène et en monoxyde de carbone par oxydation partielle d'un combustible solide. De façon plus spécifique, la présente invention concerne la production d'un gaz de synthèse par oxydation partielle non catalytique à partir soit de charbon broye, soit de cokè obtenu par craquage du pétrole,soit d'asphaltes, soit de résidus végétaux broyés. La réfaction de vapogazéification, c'est à dire de gazéification à la vapeur d'eau, étant endothermique, on brOle une partie du combustible solide, en présence d'air, pour obtenir la chaleur nécessaire à la réaction.La présente invention concerne plus specifiquement le réacteur, c'est à dire le gazogène, permettant de réaliser ce procédé. The present invention relates to a continuous process for producing a gas stream rich in hydrogen and carbon monoxide by partial oxidation of a solid fuel. More specifically, the present invention relates to the production of a synthesis gas by non-catalytic partial oxidation from either ground coal, or coke obtained by cracking petroleum, or from asphalts, or from ground plant residues. The vaporization reduction, that is to say gasification with water vapor, being endothermic, part of the solid fuel is burnt, in the presence of air, to obtain the heat necessary for the reaction. The present invention relates more specifically the reactor, ie the gasifier, making it possible to carry out this process.

Rien dans l'Art anterieur n'a déjà été fait ou suggéré selon le principe de la présente invention dans laquelle un melange de vapeur d'eau et de Combustible carboné solide circule verticalement à l'intérieur des tubes d'un. faisceau multitubulaire, tandis que la partie de ce combustible qui n'a pas réagi est brûlée en régime fluidisé et en presence d'air, dans l'espace intertubulaire, pour fournir àtravers les parois des tubes, la chaleur necessaire à la vapogazéification. Nothing in the prior art has already been done or suggested according to the principle of the present invention in which a mixture of water vapor and solid carbonaceous fuel flows vertically inside the tubes of one. multitubular bundle, while the part of this unreacted fuel is burned in a fluidized regime and in the presence of air, in the intertubular space, to supply through the walls of the tubes, the heat necessary for vapor gasification.

La présente invention concerne un procedé continu pour produire un courant gazeux comprenant principalement, H2, CO, C02, H20, CH4, H2S, COS et de faibles quantités de Ne et Ar, par introduction des particules solides dans une chambre de fluidisation ou ces particules sont fluidisées par de la vapeur d'eau à une température se situant entre 2000 et 500 C et. sous une pression variant entre 0 et 100 bars ; la suspension gaz-solide circule ensuite dans les tubes verticaux dans lesquels la température est progressivement portée à une valeur pouvant atteindre 11500 C par chauffage des tubes. The present invention relates to a continuous process for producing a gas stream comprising mainly, H2, CO, C02, H20, CH4, H2S, COS and small amounts of Ne and Ar, by introducing solid particles into a fluidization chamber or these particles are fluidized by steam at a temperature between 2000 and 500 C and. under a pressure varying between 0 and 100 bars; the gas-solid suspension then circulates in the vertical tubes in which the temperature is gradually brought to a value of up to 11,500 C by heating the tubes.

A la sortie de ces tubes une chambre de sédimentation permet de récupérer le courant gazeux, tandis que les particules solides qui ont partiellement réagi sont orientées vers une chambre de combustion en lit fluidisé dans lesquelles le faisceau multitubulaire est immerge. Le courant gazeux constitué par les gaz de combustion de ces résidus solides, riches en N2 et C02, n'est pas mélangé au courant gazeux de la vapogazéification, ce qui améliore considérablement la qualité de ce dernier.At the outlet of these tubes, a sedimentation chamber makes it possible to recover the gas stream, while the solid particles which have partially reacted are directed towards a combustion chamber in a fluidized bed in which the multitubular bundle is immersed. The gas stream constituted by the combustion gases of these solid residues, rich in N2 and C02, is not mixed with the gaseous stream of steam gasification, which considerably improves the quality of the latter.

Voici les avantages que l'on gagne à utiliser le réacteur multitubulaire a la place des reacteurs autogènes fonctionnant avec de l'oxygène substantiellement pur comme dans les procédés d'oxyvapogazéification décrits dans l'Art antérieur : (1)obtention d'un gaz de synthèse pratiquement exempt d'azote, sans consommation d'oxygene pur ; (2)taux de conversion élevé ic matière carbonée puisque les residus peu réactifs sont brûlés dans le réacteur et par conséquent sans qu'il soit nécessaire de fondre ou d'agglomérer les cendres pour améliorer ce taux de conversion ; (3) taux de conversion élevé de la matière carbonée puisqu'il n'y a pas, comme dans les réacteurs fluidisés classiques, court-circuitage du solide entre l'entrée et la sortie, par suite de l'intense melangeage du au phénomène de fluidisation ; (4) élimination d'une partie importante du C02 par les gaz de combustion ét par conséquent sans qu'il soit necessaire de procéder à une coûteuse opération d'absorption ; (5) possi bilié de récupérer une partie importante de la chaleur sensible du courant des gaz de synthèse et du courant des gaz de combustion dans le réacteur luimême ce qui améliore le rendement en gaz de synthèse ; (6) études de développement facilitées par le caractere modulaire du réacteur, chaque tube, dont le diamètre est toujours inférieure ou égal à 15 cm, pouvant être considéré comme un module pour l'étude de la reaction de vapogazéification. Here are the advantages that one gains from using the multitubular reactor in place of autogenous reactors operating with substantially pure oxygen as in the oxy-gas-gasification processes described in the prior art: (1) obtaining a synthesis practically free of nitrogen, without consumption of pure oxygen; (2) high conversion rate ic carbonaceous material since the low reactive residues are burned in the reactor and therefore without the need to melt or agglomerate the ash to improve this conversion rate; (3) high conversion rate of carbonaceous material since there is not, as in conventional fluidized reactors, short-circuiting of the solid between the inlet and the outlet, due to the intense mixing due to the phenomenon fluidization; (4) elimination of a significant part of the CO 2 by the combustion gases and therefore without the need for a costly absorption operation; (5) possibility of recovering a significant part of the sensible heat from the synthesis gas stream and from the combustion gas stream in the reactor itself, which improves the synthesis gas yield; (6) development studies facilitated by the modular nature of the reactor, each tube, the diameter of which is always less than or equal to 15 cm, which can be considered as a module for the study of the vapor gasification reaction.

Les combustibles carbonés solides sont de préférence broyés de sorte que 100 % des matériaux passent dans un tamis de 3-mm . Un diametre moyen de particules voisin de 0,4 mm est satisfaisant puisqu'il permet dans les conditions optimales du procédé d'obtenir une bonne fluidisation dans la chambre de fluidisation sans utiliser des débits trop importants de vapeur d'eau. Le combustible broyé est introduit dans une trémie de stockage qui alimente, par l'intermédiaire d'un sas, la chambre de fluidisation. The solid carbonaceous fuels are preferably ground so that 100% of the materials pass through a 3-mm sieve. An average particle diameter close to 0.4 mm is satisfactory since it allows, under the optimal conditions of the process, to obtain good fluidization in the fluidization chamber without using excessively high flow rates of water vapor. The ground fuel is introduced into a storage hopper which feeds, through an airlock, the fluidization chamber.

Le terme combustible carboné solide est destiné à inclure différentes matieres et mélanges de celles-ci choisies dans le groupe comprenant les charbons, cokes de petroles, cokes de pétroles déposés sur des particules minérales solides, bois, végétaux, caoutchouc. La teneur en humidité des combustibles carbonés solides particulaires se situe entre 0 et 20 % en poids environ. Il est nécessaire dans certains cas de faire un pré-séchage pour atteindre le niveau désiré. The term solid carbonaceous fuel is intended to include different materials and mixtures thereof chosen from the group comprising coals, petroleum cokes, petroleum cokes deposited on solid mineral particles, wood, vegetables, rubber. The moisture content of particulate solid carbonaceous fuels is between about 0 and 20% by weight. In some cases it is necessary to pre-dry to reach the desired level.

Le terme combustible carboné solide peut également inclure des solides particulaires obtenus par pulvérisation ou imprégnation de particules minérales poreuses ou non poreuses avec des asphaltes ou autres résidus pétroliers. La pulvérisation peut être réalisée dans la chambre de fluidisation du reacteur multitubulaire, le solide résiduaire obtenu après combustion étant récirculé vers cette chambre. The term solid carbonaceous fuel can also include particulate solids obtained by spraying or impregnating porous or non-porous mineral particles with asphalts or other petroleum residues. Spraying can be carried out in the fluidization chamber of the multitubular reactor, the residual solid obtained after combustion being recirculated to this chamber.

Le rapport en poids de la vapeur d'eau sur le combustible carboné solide est de préférence exprimé par le rapport du poids de la vapeur d'eau au poids de carbone (C) transforme dans le réacteur et présent dans le courant d'alimentation. Ce rapport est compris entre 0,2 et 3,Q. Il est important non seulement pour contrôler la cinétique des réactions gaz-solide mais également pour contrôler l'écoulement de la suspension gaz-solide dans les tubes du faisceau, c'est à dire le temps de séjour du gaz et le temps de séjour du solide dans la zone réactionnelle. The weight ratio of water vapor to solid carbonaceous fuel is preferably expressed as the ratio of the weight of water vapor to the weight of carbon (C) transformed in the reactor and present in the feed stream. This ratio is between 0.2 and 3, Q. It is important not only to control the kinetics of the gas-solid reactions but also to control the flow of the gas-solid suspension in the tubes of the beam, i.e. the gas residence time and the residence time of the gas. solid in the reaction zone.

Le réacteur multitubulaire permet de réaliser et de contrôler efficacement la circulation des solides particulaires entre les différentes zones réactionnelles tout en évitant le mélangeage des solides et celui des gaz de réaction, ce qui permet d'éviter à la fois le court-circuitage du combustible carboné vers la sortie destinée aux residus solides et celui des fumées vers la sortie destinee au gaz de synthèse. Ces objectifs sont atteints gracie à la mise en oeuvre simultanee des techniques suivantes
a) la chambre de fluidisation située à la base du reacteur permet d'alimenter très régulièrement un grand nombre de tubes verticaux avec la suspension gaz-solide, la régularité de cette alimentation peut être encore améliorée par injection de courants de vapeur d'eau égaux dans chaque tube.
The multitubular reactor makes it possible to efficiently produce and control the circulation of particulate solids between the different reaction zones while avoiding mixing of the solids and that of the reaction gases, which makes it possible to avoid both the short-circuiting of the carbonaceous fuel towards the outlet intended for solid residues and that of the fumes towards the outlet intended for synthesis gas. These objectives are achieved thanks to the simultaneous implementation of the following techniques
a) the fluidization chamber located at the base of the reactor makes it possible to supply a large number of vertical tubes very regularly with the gas-solid suspension, the regularity of this supply can be further improved by injecting equal streams of steam in each tube.

Le faisceau tubulaire peut ainsi être constitué d'au moins 300 tubes, pour une chambre de fluidisation de diamètre égal à 4 mètres, tout en maintenant le même débit massique de solide dans chaque tube, ce débit étant egal à celui de l'alimentation totale du combustible carboné à la chambre de fluidisation divisé par le nombre de tubes.The tube bundle can thus consist of at least 300 tubes, for a fluidization chamber with a diameter equal to 4 meters, while maintaining the same mass flow rate of solid in each tube, this flow rate being equal to that of the total supply. carbonaceous fuel to the fluidization chamber divided by the number of tubes.

b) chaque tube est alimenté ainsi avec le même débit de solide et le même débit de gaz ; des quantités égales de gaz seront formées dans chaque tube par la réaction

Figure img00030001

car chaque tube, immergé dans un bain fluidisé ne présentant pas de gradient horizontal de température, aura un profil de température vertical identique à celui de tous les autres tubes. Les taux de transformation du combustible carboné sont donc sensiblement égaux pour tous les tubes puisque les. temps de séjour du solide et les -profils de température sont similaires. Un tube représente donc un module de la réaction de vapogazéification, ce qui facilite beaucoup l'étude en réacteur pilote.b) each tube is thus supplied with the same flow rate of solid and the same flow rate of gas; equal amounts of gas will be formed in each tube by the reaction
Figure img00030001

because each tube, immersed in a fluidized bath having no horizontal temperature gradient, will have a vertical temperature profile identical to that of all the other tubes. The conversion rates of carbonaceous fuel are therefore substantially equal for all the tubes since the. solid residence times and temperature profiles are similar. A tube therefore represents a module of the vapor gasification reaction, which greatly facilitates the study in a pilot reactor.

c) La chambre supérieure, désignée sous le nom de chambre de sédmen- tation, a un double rôle : la zone supérieure sert à la sedimentation partielle des fines, tandis que la zone inférieure où les particules solides ayant partiellement réagi sont presentes à l'état fluidisé,sert à alimenter, par l'intermédiaire de tubes verticaux, la chambre de combustion située en-dessous. c) The upper chamber, designated as the sedimentation chamber, has a double role: the upper zone is used for the partial sedimentation of fines, while the lower zone where the partially reacted solid particles are present at the fluidized state, is used to feed, via vertical tubes, the combustion chamber located below.

d) On observe que les particules solides présentes dans ces tubes verticaux se maintiennent à l'état fluidité par un phénomène connu sous le nom d'autofluidisation. En effet, la reaction de vapogazéificàtion se poursuit pendant le séjour des particules dans ces tubes et cette réaction entraine l'augmentation du volume gazeux. En assimilant la matiere fluidisée à un liquide on désigne généralement ces tubes, dans lesquels la phase fluidisée descend vers le bas tout en empêchant le passage du gaz présent dans la chambre inférieure, sous le nom de joints hydrauliques (downcomer dans la terminologie en langue anglaise). d) It is observed that the solid particles present in these vertical tubes are maintained in the fluidity state by a phenomenon known as self-fluidization. In fact, the vapor gasification reaction continues during the stay of the particles in these tubes and this reaction leads to an increase in the gas volume. By assimilating the fluidized matter to a liquid, these tubes are generally designated, in which the fluidized phase descends downwards while preventing the passage of the gas present in the lower chamber, under the name of hydraulic seals (downcomer in terminology in English language ).

e) La chambre de combustion est comprise entre la chambre de sedimentation et la chambre de fluidisation. Dans cette chambre le mouvement des particules est globalement descendant et les particules appauvries en carbone par les reactions de vapogazéification et de combustion à l'air, sont soutirées à la base de cette.chambre ou bien elles sont en partie réali mentées à la chambre de fluidisation. Le solide présent dans la chambre de combustion.est fluidisé par une quantite appropriez d'air ; cette quantité - doit être suffisante pour fluidiser le solide et suffisante pour provoquer la combustion totale de la matière carbonée.Il est connu que le phénomène de la fluidisation, par suite du mélangeage rapide des particules, tend à supprimer les gradients de température verticaux ou horizontaux. Il est également connu, dans l'Art intérieur, que des chicanes horizontales permettent d'éviter le mélangeage vertical et on peut donc ainsi établir un profil vertical de temperature dans la chambre de combustion. On obtient donc le résultat recherché : la chambre de fluidisation et le bas des tubes du faisceau sont portés à une température relativement basse (inférieure à 5000 C, par exemple) tandis que le haut des tubes et la chambre de sédimentation sont portés à unetempérature relativement élevée (supérieure à 900" C, par exemple). e) The combustion chamber is between the sedimentation chamber and the fluidization chamber. In this chamber the movement of the particles is generally descending and the particles depleted in carbon by the reactions of vapor gasification and combustion in air, are drawn off at the base of this chamber or else they are partly made up in the fluidization. The solid present in the combustion chamber is fluidized by an appropriate quantity of air; this quantity - must be sufficient to fluidize the solid and sufficient to cause the total combustion of the carbonaceous material. It is known that the phenomenon of fluidization, as a result of rapid mixing of the particles, tends to suppress the vertical or horizontal temperature gradients . It is also known, in interior art, that horizontal baffles make it possible to avoid vertical mixing and it is therefore possible to establish a vertical temperature profile in the combustion chamber. The desired result is therefore obtained: the fluidization chamber and the bottom of the bundle tubes are brought to a relatively low temperature (below 5000 ° C., for example) while the top of the tubes and the sedimentation chamber are brought to a relatively low temperature. high (greater than 900 "C, for example).

La présente invention sera mieux comprise en se référant au schéma de la Figure 1 et qui montre en détail le procéde décrit ci--dessus.  The present invention will be better understood by referring to the diagram in Figure 1 and which shows in detail the process described above.

Ce schéma est seulement illustratif et non limitatif du procédé de l'invention.This diagram is only illustrative and not limiting of the process of the invention.

En se référant au schéma, le combustible carboné ayant une taille particulaire de sorte que 100 % de matière passent dans un tamis de 1 mm, est introduit parun sas 1 et ensuite suivant une ligne 2 dans la chambre de fluidisation 3. La vapeur d'eau de fluidisation est introduite sous la grille de fluidisation 4 par la ligne 5. Les tubes 6, en acier réfractaire, sont supportes par la plaque 7 du faisceau tubulaire, délimitant la partie superieure de la chambre de fluidisation 3. Dans cette chambre sont immerges le manifold 8 de distribution de vapeur d'eau des tubes 6 et le manifold 9 de distribution d'air de la chambre de combustion 10.Les tubes sont engagés ou soudés, à leur partie supérieure, dans une plaque de faisceau tubulaire 11 servant de separation entre la chambre de sédimentation 12 et la chambre de combustion 10, un joint de dilatation 13 étant situé à la périphérie de cette plaque. La plaque 11- supporte les tubes en acier réfractaire 14 dont le rôle de joint hydraulique permet à la fois d'assurer, par surverse, l'alimentation en solide particulaire de la chambre. de combustion et de réduire le passage des fumees vers la chambre 12. Une légère fuite de gaz de la chambre de combustion vers la chambre de sédimentation, .ou vice versa, peut être moles ree ; elle est contrôlée et-réduite en agissant par l'intermédiaire de vannes sur la différence de pression entre les deux chambres.Ces vannes sont installées sur le circuit du gaz de synthèse 15 ou celui des fumées16,.  Referring to the diagram, the carbonaceous fuel having a particle size so that 100% of material passes through a sieve of 1 mm, is introduced through an airlock 1 and then along a line 2 into the fluidization chamber 3. The vapor of fluidization water is introduced under the fluidization grid 4 through line 5. The tubes 6, made of refractory steel, are supported by the plate 7 of the tube bundle, delimiting the upper part of the fluidization chamber 3. In this chamber are immersed the manifold 8 for distributing water vapor from the tubes 6 and the manifold 9 for distributing air from the combustion chamber 10. The tubes are engaged or welded, at their upper part, in a tube bundle plate 11 serving to separation between the sedimentation chamber 12 and the combustion chamber 10, an expansion joint 13 being located at the periphery of this plate. The plate 11- supports the refractory steel tubes 14 whose role as a hydraulic seal makes it possible both to ensure, by overflow, the supply of particulate solid to the chamber. combustion and reduce the passage of smoke to the chamber 12. A slight gas leak from the combustion chamber to the sedimentation chamber, or vice versa, can be moles ree; it is controlled and reduced by acting via valves on the pressure difference between the two chambers. These valves are installed on the synthesis gas circuit 15 or that of the fumes16,.

après séparation des fines à l'aide de cyclones et refroidissement. Le nombre des tubes de surverse est choisi suffisamment grand pour que. la chambre de combustion soit alimentée en solide uniformement sur toute. sa section ; en général un tube de surverse est suffisant pour chaque groupe de huit tubes. du faisceau et son diamètre peut être choisi plus petit que celui de ces tubes. La base de ces tubes est par ailleurs partiellement obturée pour reduire encore plus le débit gazeux dans ces tubes. Leur partie superieure est situee à une certaine hauteur au-dessus de la plaque de telle sorte qu'une zone fluidisée 17 permette une alimentation régulière de ces tubes de surverse.Une ou plusieurs chicanes 18 permettent d'obtenir un profil de température favorable dans la chambre de combustion et par conséquent dans les tubes de vapogazéification. C'est ainsi que la partie inferieure de la chambre de combustion peut être maintenue à une température relativement basse ce qui permet de protéger les parties métalliques du réacteur qui supportent les contraintes mécaniques les plus importantes. Un ou plusieurs sas 19 permettent enfin de soutirer la matière particulaire résiduaire qui peut dans certains cas être réintroduite dans la chambre de fluidisation.after separation of the fines using cyclones and cooling. The number of overflow tubes is chosen large enough for. the combustion chamber is supplied with solid uniformly over all. its section; in general one overflow tube is sufficient for each group of eight tubes. of the beam and its diameter can be chosen smaller than that of these tubes. The base of these tubes is also partially closed to further reduce the gas flow in these tubes. Their upper part is located at a certain height above the plate so that a fluidized zone 17 allows a regular supply of these overflow tubes. One or more baffles 18 make it possible to obtain a favorable temperature profile in the combustion chamber and therefore in the vapor gasification tubes. Thus, the lower part of the combustion chamber can be kept at a relatively low temperature, which makes it possible to protect the metal parts of the reactor which withstand the most significant mechanical stresses. One or more airlocks 19 finally make it possible to withdraw the residual particulate matter which can in certain cases be reintroduced into the fluidization chamber.

Cette introduction peut également être réalisée à l'aide de trous percés dans la plaque 7 support du faisceau tubulaire.This introduction can also be carried out using holes drilled in the plate 7 supporting the tube bundle.

On notera que tant à I'interieur qu'à l'extérieur des tubes du faisceau tubulaire on a des suspension gaz-solide relativement denses ce qui permet d'obtenir de très bonnes performances pour le transfert de chaleur. It will be noted that both inside and outside the tubes of the tube bundle there are relatively dense gas-solid suspensions, which makes it possible to obtain very good performance for heat transfer.

Dans le schema de la Figure 1 les gaz des lignes 15 et 16 sont à des températures élevées, de l'ordre de 10000 C dans le cas général. In the diagram of Figure 1 the gases of lines 15 and 16 are at high temperatures, of the order of 10000 C in the general case.

Après élimination des fines à l'aide de cyclones on peut récupérer une partie de la chaleur sensible de ces gaz dans des chaudieres produisant de la vapeur d'eau.After elimination of the fines using cyclones, part of the sensible heat of these gases can be recovered in boilers producing water vapor.

Dans un mode de realisation préféré du procédé, on récupère cette chaleur dans le réacteur lui-même à l'aide de tubes verticaux en acier réfractaire qui permettent d'établir des circuits gazeux orientes versle bas du réacteur. La récupération d'une partie importante de la chaleur sensible permet de réduire la quantité de matière carbonée qu'on doit brûler dans la-chambre de combustion et par conséquent d'accroitre la quantite vapogazéifiée, c'est a dire le rendement en gazde synthèse. In a preferred embodiment of the process, this heat is recovered in the reactor itself using vertical tubes of refractory steel which make it possible to establish gas circuits oriented towards the bottom of the reactor. The recovery of a significant part of the sensible heat makes it possible to reduce the quantity of carbonaceous material which has to be burned in the combustion chamber and consequently to increase the quantity of gasified gas, that is to say the yield of synthesis gas. .

-Dans un autre mode de realisatio- préféré du procédé on cloisonne verticalement le réacteur à l'aide de chicanes. On constitue:ainsi dans la chambre de combustion de véritables modules indépendants les uns des autres. Un modûle peut comporter l'équivalent de 4 ou 8 tubes de vapoga zéification ; il est principalement caractérisé par la propriété que sa hauteur est très grande par rapport aux dimensions definissant sa section qui peut être carre ou hexagonale.  -In another preferred embodiment of the process, the reactor is partitioned vertically using baffles. This constitutes: thus in the combustion chamber real modules independent of each other. A module can include the equivalent of 4 or 8 tubes of zeification vapoga; it is mainly characterized by the property that its height is very large compared to the dimensions defining its section which can be square or hexagonal.

Ces deux modes de réalisation preferés sont illustrés conjointement dans le schéma de la Figure 2. Ce schéma est simplement illustratif mais il n'est pas limitatif. Il décrit la disposition interne du réacteur telle quelle serait au niveau M ' repéré sur la Figure 1 lorsqu'on utilise à la fois des tubes pour la récupération de la chaleur sensible et des chicanes verticales pour définir un module.Il illustre également un autre mode de realisation de procédé par lequel une partie du solide ayant subi le traitement de vapogazéification est recirculé vers le bas, c'est à dire vers la chambre de fluidisation en utilisant certains des tubes du faisceau ; ce mode de realisation présente l'avantage d'accrostre le temps de séjour du solide dans le réacteur et de diluer le combustible carboné solide, qui dans certains cas peut être agglutinant ou collant, avec des particules non collantes. These two preferred embodiments are illustrated jointly in the diagram of Figure 2. This diagram is merely illustrative but it is not limiting. It describes the internal arrangement of the reactor as it would be at level M 'identified in Figure 1 when using both tubes for the recovery of sensible heat and vertical baffles to define a module. It also illustrates another mode carrying out a process by which a part of the solid having undergone the steam gasification treatment is recirculated downwards, that is to say towards the fluidization chamber using some of the tubes of the bundle; this embodiment has the advantage of increasing the residence time of the solid in the reactor and of diluting the solid carbonaceous fuel, which in certain cases can be agglutinating or sticky, with non-sticky particles.

En se référant à ce schéma représentant une coupe AA' on note la position des chicanes verticales C fixées auxquatre tubes Tu par des colliers de serrage en acier réfractaire. Ces chicanes ont une hauteur inférieure à celle de la zone fluidisée car on maintient au-dessus de la plaque 7 une zone fluidisée normale pour favoriser le melangeage des particules avant leur soutirage par les-sas 19. Les tubes Tri et T2 jouent-le même rôle que les tu
bes 6 de la Figure 1 mais la suspension gaz-solide circule vers le haut dans l'espace annulaire situe entre ces tubes et des tubes T3.Les tubes T3 proviennent de la partie haute de la chambre de sédimentation et se terminent dans la chambre de fluidisation ou une série de manifolds évacue le gaz de synthèse vers l'extérieur 'du réacteur. La zone de vapogazéification reçoit donc à la fois de la chaleur provenant de la chambre de combustion (espace intertubulaire) à travers les parois des tubes T1 et T2 et une partie de la chaleur sensible du gaz de synthèse à travers- les parois des tubes T3. De même les tubes T4 sont utilisés pour transférer une partie de la chaleur sen- sible des fumées vers la phase fluidisée de l'espace intertubulaire qui la transmet à son tour aux tubes de vapogazéification.Ces tubes proviennent de la-partie haute de la chambre de combustion et se terminent dans la chambre de f-luidisation où une série de manifolds évacue les fumees vers l'extérieur du réacteur ; ils traversent donc la plaque 7. T5 represente un joint hydraulique destiné à alimenter la chambre de combustion du module en solide parti- cula ire provenant de la chambre de sédimentation. T6 représente un tube de descente de ce même solide vers la chambre de fluidisation. On injecte des quantités faibles de vapeur d'eau au bas de ce tube ce qui permet à la réaction de vapogazéification de se poursuivre tout en évitant le bouchage du tube par défluidisation.
Referring to this diagram representing a section AA ′, the position of the vertical baffles C fixed to the four tubes Tu is noted by clamps made of refractory steel. These baffles have a height less than that of the fluidized zone because a normal fluidized zone is maintained above the plate 7 to promote the mixing of the particles before they are drawn off through the airlocks 19. The tubes Tri and T2 play the same role that you
bes 6 of Figure 1 but the gas-solid suspension circulates upwards in the annular space located between these tubes and T3 tubes. The T3 tubes come from the upper part of the sedimentation chamber and end in the fluidization or a series of manifolds evacuates the synthesis gas to the outside of the reactor. The steam gasification zone therefore receives both heat from the combustion chamber (intertubular space) through the walls of the tubes T1 and T2 and part of the sensible heat of the synthesis gas through the walls of the tubes T3 . Likewise, the T4 tubes are used to transfer part of the sensible heat of the fumes to the fluidized phase of the intertubular space which in turn transmits it to the vapor gasification tubes. These tubes come from the upper part of the chamber combustion and end in the f-luidisation chamber where a series of manifolds evacuates the smoke towards the outside of the reactor; they therefore pass through the plate 7. T5 represents a hydraulic seal intended to supply the combustion chamber of the module with particulate solid coming from the sedimentation chamber. T6 represents a downpipe of this same solid towards the fluidization chamber. Small amounts of water vapor are injected at the bottom of this tube, which allows the vapor gasification reaction to continue while avoiding blockage of the tube by defluidization.

Cette construction modulaire simplifie notablement la construction des chicanes horizontales qui sont de petite section et supportées, par exemple, par le tube T6. On peut donc accroitre le nombre n de ces chicanes et realiser ainsi une'série de n réacteurs de combustion parfaitement mélangés ce qui signifie que dans chacun de ces réacteurs la temperature est homogène, mais différente d'un réacteur à l'autre. On obtient donc un profil de temperature qui présente des paliers mais est presque continu si n est assez grand, tandis que l'écoulement des particules vers le bas présente un caractère assez voisin du caractère piston (au sens de la théorie des réacteurs chimiques).Le demandeur a ainsi pu montrer qu'il est possible d'obtenir un écoulement essentiellement piston des particules solides tant dans les tubes de vapogazéification que dans la zone intertubulaire de combustion. Le demandeur a également montré que par récupération de la chaleur sensible des gaz le rendement (exprime par le pouvoir combustible inferieur du méthane ou du méthanol qu'il serait possible de synthetiser avec le gaz de synthèse et rapporté au P.C.I. de la matière carbone alimentée au réacteur) peut etre accru d'environ 20 %.~
En fonction du type de la matière carbonée à traiter, et après avoir effectué des essais prealables dans une unité pilote de simulation, on peut choisir la taille des tubes (hauteur, diamètre) et construire un module dont le fonctionnement représente fidèlement le fonctionnement d'une unité industrielle de grande capacité. L'ensemble de tubes représenté sur la Figure 2 peut être disposé dans une virole cylindrique et on obtient ainsi l'unité pilote de demonstration industrielle dont des resul- tats peuvent être directement extrapolés à des-réacteurj traitant plus de 1000 tonnes-jour de matière carbonée.
This modular construction significantly simplifies the construction of horizontal baffles which are of small section and supported, for example, by the tube T6. We can therefore increase the number n of these baffles and thus achieve a series of n perfectly mixed combustion reactors which means that in each of these reactors the temperature is homogeneous, but different from one reactor to another. A temperature profile is therefore obtained which has stages but is almost continuous if n is large enough, while the downward flow of the particles has a character fairly close to the piston character (in the sense of the theory of chemical reactors). The applicant has thus been able to show that it is possible to obtain essentially piston flow of the solid particles both in the steam gasification tubes and in the intertubular combustion zone. The applicant has also shown that by recovery of the sensible heat of the gases the yield (expressed by the lower combustible power of methane or methanol which it would be possible to synthesize with the synthesis gas and related to the PCI of the carbon material fed to reactor) can be increased by about 20%. ~
Depending on the type of carbonaceous material to be treated, and after having carried out preliminary tests in a pilot simulation unit, one can choose the size of the tubes (height, diameter) and build a module whose operation faithfully represents the operation of a large capacity industrial unit. The set of tubes shown in Figure 2 can be placed in a cylindrical shell and we thus obtain the pilot industrial demonstration unit, the results of which can be directly extrapolated to reactors treating more than 1000 tonnes-day of material. carbonaceous.

Nous avons à l'inverse calculé, d'après des resultats de
transfert de chaleur, la taille et les conditions de fonctionnement (temps de
séjour du solide et du gaz, débits de solide, d'air et de vapeur d'eau) d'une
unité pilote de simulation constituee de deux tubes concentriques, permettant
de gazéifier des lignites de Gardanne (Houillères de Provence-France). Cette
unité -de -simulation est représentée sur la Figure 3. Le tube central U1 est
un tube d'acier NS 30 de la Société UGINOX, sans soudure, de diamètre extérieur 21,3 mm et d'epaisseur 2,6 mm ; le tube extérieur U2, également en acier
NS 30, a un diamètre extérieur de 42,4 mm et une epaisseur de 3,2 mm. La hauteur du tube central est de 6 m.Le tube exterieur est à la fois chauffé par des résistances électriques R et calorifugé avec de la laine d'alumine A ce qui permet de faciliter le démarrage et de compenser les pertes thermiques lorsque le régime permanent est atteint. Les sas S1 et S2 sont destinés à alimenter-le lignite broyé et à soutirer les cendres. Le bac de fluidisation est chauffé à- 250 C et alimenté par un débit D1- de vapeur d'eau.
Conversely, we have calculated, from results of
heat transfer, size and operating conditions (time of
stay of solid and gas, flow rates of solid, air and water vapor) of a
pilot simulation unit made up of two concentric tubes, allowing
to gasify lignites from Gardanne (Houillères de Provence-France). This
-simulation unit is shown in Figure 3. The central tube U1 is
a NS 30 steel tube from UGINOX, seamless, with an external diameter of 21.3 mm and a thickness of 2.6 mm; the outer tube U2, also made of steel
NS 30, has an outside diameter of 42.4 mm and a thickness of 3.2 mm. The height of the central tube is 6 m. The external tube is both heated by electric resistors R and insulated with alumina wool A which makes it easier to start and compensate for heat losses when the steady state is reached. The airlocks S1 and S2 are intended to feed the crushed lignite and to extract the ash. The fluidization tank is heated to 250 ° C and supplied with a flow D1- of steam.

D2, D3 et D4 représentent respectivement les débits d'air, de gaz de1synthèse et de fumées, des pressostats permettant de contrôler les pressions dans la chambre de sedimentation et dans la chambre de combustion. Des chicanes concentriques sont montées dans la chambre de combustion.D2, D3 and D4 respectively represent the flow rates of air, synthesis gas and fumes, pressure switches for controlling the pressures in the sedimentation chamber and in the combustion chamber. Concentric baffles are mounted in the combustion chamber.

Le réacteur de simulation représenté sur le schéma de la
Figure 3 permet de prévoir les performances d'un module constitué par plusieurs tubes de plus grand diamètre et de plus grande hauteur pour lesquels les temps de séjour des gaz et des solides seraient identiques à ceux du réacteur de simulation. Tel qu'il est représenté sur ce schéma il ne permet pas de tenir compte de la récupération de la chaleur sensible du gaz et de l'effet du recyclage des particules de la chambre de sédimentation vers la chambre de fluidisation.
The simulation reactor shown in the diagram of the
FIG. 3 makes it possible to predict the performance of a module constituted by several tubes of larger diameter and greater height for which the residence times of the gases and of the solids would be identical to those of the simulation reactor. As shown in this diagram, it does not take into account the recovery of the sensible heat of the gas and the effect of recycling the particles from the sedimentation chamber to the fluidization chamber.

EXEMPLE
L'exemple suivant illustre un mode de realisation du procédé selon l'invention. Il est simplement illustratif mais n'est pas limitatif. Le procéde est continu étoles vitesses d'écoulement sont spécifiéessur une base horaire pour tous les courants.
EXAMPLE
The following example illustrates an embodiment of the method according to the invention. It is merely illustrative but is not limiting. The process is continuous with flow rates specified on an hourly basis for all currents.

1230 g de lignite de Gardanne broye sous forme de particules de sorte que 100 % de matière passent dans un tamis de 0,250 mm Qt'au-moins 80 % passent dans un tamis de 0,200 rtin sont introduits dans la chambre de fluidisation chauffée à 250 C. Ce lignite contient 315 g de cendres et 169 g d'eau. Son P.C.I. est égal à 5050 kcal. La constitution de la matière organique de ce charbon peut être représentée par la formule C HO,8 0O,12
N0,01 S0,028 . La chambre de fluidisation est fluidisée par 710 9 de vapeur d'eau. La chambre de combustion est fluidisée par 159 g.moles d'air.
1230 g of Gardanne lignite crushed into particle form so that 100% of material passes through a 0.250 mm sieve. At least 80% passes through a 0.200 rtin sieve are introduced into the fluidization chamber heated to 250 ° C. This lignite contains 315 g of ash and 169 g of water. Its PCI is equal to 5050 kcal. The constitution of the organic matter of this coal can be represented by the formula C HO, 8 0O, 12
N0.01 S0.028. The fluidization chamber is fluidized by 710 9 of water vapor. The combustion chamber is fluidized by 159 g.moles of air.

La température en haut de zone vapogazéification est égale à 9700 C tandis que la pression est maintenue à 30 Bars. La température en haut de la zone de combustion est égale à 1040" C, la pression étant maintenue également à 30 Bars.The temperature at the top of the vapor gasification zone is equal to 9700 C while the pressure is maintained at 30 Bars. The temperature at the top of the combustion zone is equal to 1040 "C, the pressure also being maintained at 30 Bars.

Le gaz de synthèse du courant D3 a la composition (en g.moles) suivante
H2 40,2 ; CO 13,3 ; COi 3,70 ; H2S 1,33 ; CH4 1,26 ; N2 0,44 ; H20 31,7.
The synthesis gas of the current D3 has the following composition (in g.moles)
H2 40.2; CO 13.3; COi 3.70; H2S 1.33; CH4 1.26; N2 0.44; H20 31.7.

Les fumées du courant D4 ont la composition suivante : C02 28,9 ; 02 2,9
N2 127. Le gaz-de synthèse permettrait de synthétiser 14,5 moles de methane dont le PCI serait égal à 2726 kcal., c'est à dire que le rendement en méthane peut être estimé comme étant égal à 55 %. On peut montrer que la récupération, dans le réacteur lui-même, de la chaleur sensible du gaz de synthèse et des fumées permettrait d'obtenir un rendement en méthane de 75 %, par suite de la réduction de la quantite de carbone qu'il est nécessaire de brûler dans la chambre de combustion.
The fumes from stream D4 have the following composition: C02 28.9; 02 2.9
N2 127. Synthetic gas would make it possible to synthesize 14.5 moles of methane whose PCI would be equal to 2726 kcal., That is to say that the methane yield can be estimated as being equal to 55%. It can be shown that the recovery, in the reactor itself, of the sensible heat of the synthesis gas and of the fumes would make it possible to obtain a methane yield of 75%, as a result of the reduction in the quantity of carbon which it it is necessary to burn in the combustion chamber.

Le procédé de l'invention a été décrit de façon générale et à l'aide d'un exemple illustratif mais non limitatif. L'homme de l'Art pourra y apporter diverses modifications sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.  The process of the invention has been described generally and with the aid of an illustrative but nonlimiting example. Those skilled in the art may make various modifications to it without departing from the scope of the present invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1 - Procédé pour produire un gaz riche en H2 et CO caractérisé par 1) l'utilisation d'un faisceau multitubulaire pour transferer de la chaleur d'une zone de combustion de résidus- carbonés vers une zone de vapogazéification de la matiere à traiter.1 - Process for producing a gas rich in H2 and CO characterized by 1) the use of a multitubular bundle to transfer heat from a zone of combustion of carbonaceous residues towards a zone of steam gasification of the material to be treated. 2) l'introduction de la-matière carbonée dans une chambre fluidisée alimentant un grand nombre de tubes et la récupération des residus dans une chambre desédimentation 3) La combustion de ces résidus dans une chambre de combustion fluidisee, en presence d'air, les tubes du faisceau multitubulaire etant immergés dans cette chambre.2) the introduction of the carbonaceous material into a fluidized chamber supplying a large number of tubes and the recovery of the residues in a sedimentation chamber 3) The combustion of these residues in a fluidized combustion chamber, in the presence of air, the tubes of the multitubular bundle being immersed in this chamber. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des chicanes horizontales et verticales placées dans la chambre de combustion sont utilises pour ameliorer les performances du reacteur et pour le transformer en réacteur modulaire.2 - Process according to claim 1, characterized in that horizontal and vertical baffles placed in the combustion chamber are used to improve the performance of the reactor and to transform it into a modular reactor. 3 - Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on récupère une partie de la chaleur sensible des effluents gazeux par utilisation de certains tubes du faisceau multitubulaire.3 - Method according to claims 1 or 2, characterized in that one recovers part of the sensible heat of the gaseous effluents by using certain tubes of the multitubular bundle. 4 - Procède selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on recircule une partie des particules carbonées ayant subi la réaction de vapogazéification vers la chambre de fluidisation par utilisation de certains tubes du faisceau multitubulaire.4 - Process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a part of the carbonaceous particles having undergone the vapor gasification reaction is recirculated to the fluidization chamber by using certain tubes of the multitubular bundle. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la matière hydrocarbonée particulaire, peut être préparée par pulvérisation dans la chambre de fluidisation et que des particules inertes sont recirculées vers cette chambre. 5 - Process according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the particulate hydrocarbon material can be prepared by spraying in the fluidization chamber and that inert particles are recirculated to this chamber. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que lorsque la matière hydrocarbonée particulaire est d'origine végétale et ne contient pas suffisamment de matière minérale pour constituer le lit fluidisé de combustion on ajoute des particules minérales inertes pour constituer le lit fluidisé. 6 - Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that when the particulate hydrocarbon material is of plant origin and does not contain enough mineral matter to constitute the fluidized combustion bed is added inert mineral particles to form the fluidized bed. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérise par le fait que la pression est avantageusement comprise entre O et 100 bars et que la différence de température entre le haut et le bas du réacteur est au moins égale à 3000 C.7 - Process according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the pressure is advantageously between 0 and 100 bars and that the temperature difference between the top and the bottom of the reactor is at least equal to 3000 C . 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le matériau des tubes du faisceau multitubulaire est soit un acier réfractaire,soit une céramique ayant une conducti vi té thermique élevée.8 - Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the material of the tubes of the multitubular bundle is either a refractory steel, or a ceramic having a high thermal conductivity. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que des tubes du faisceau multitubulaire comportent des garnissages internes permettant d'augmenter le temps de séjour des particules solides. 9 - Method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the tubes of the multitubular bundle have internal linings for increasing the residence time of solid particles.
FR8506091A 1985-04-19 1985-04-19 Multitubular reactor for the gasification of solid carbonaceous fuels Withdrawn FR2580660A1 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999055803A1 (en) * 1998-04-28 1999-11-04 Bruno Berger Waste to energy method for producing electricity, water and/or hydrogen and/or methanol from biomass and/or organic waste

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WO1999055803A1 (en) * 1998-04-28 1999-11-04 Bruno Berger Waste to energy method for producing electricity, water and/or hydrogen and/or methanol from biomass and/or organic waste

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