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PROCEDE ET INSTALLATION POUR LA PRODUCTION DE GAZ COMBUSTIBLE:
CONTENANT DU METHANE EN PARTANT DE COMBUSTIBLES SOLIDES FINEMENT DIVISES
La présente invention est relative à la production de gaz combustibles contenant du méthane, destinés au chauf- fage, à l'éclairage et à d'autres usages, et, en particulier à la production de gaz combustibles contenant du méthane en partant de combustibles solides.
On sait déjà traiter des combustibles solides en morceaux, par exemple du coke, dans une installation de gazé fication fonctionnant avec un lit' de combustible fixe comme un générateur de gaz usuel et dans laquelle est maintenue ut pression supérieure à la pression atmosphérique (par exemple 8 atmosphères), pour transformer ces combustibles en un gaz contenant de l'oxyde de carbone, de l'hydrogène et jusqu'à
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8 % de méthane.
La présente invention a tout d'abord en vue, le développement de procédés et installations perfectionnés pour la production de gaz combustibles en partant de com- bustibles solides finement divisés et permettant la produc- tion de gaz combustibles contenant du méthane.
D'autres buts de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré de l'invention.
Dans une autre demande de brevet, la Demanderes- se a déjà proposé un procédé et des appareillages perfec- tionnés pour la gazéification de combustibles solides fine- ment divisés. Le procédé perfectionné proposé dans la de- mande de brevet précitée consiste à introduire, de façon continue, un combustible finement divisé dans un courant à haute pression d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène, et ce dans des conditions telles qu'il se produise une sus- pension, de préférence homogène, du combustible dans les milieux gazeux.
La suspension ainsi formée est alors intro- duite,de façon continue sous la forme d'un ou de plusieurs jets, dans un espace de gazéification, dans lequel règne une pression élevée et dans lequel la température est supé- rieure à la température d'allumage de la suspension du com- bustible solide dans le courant d'oxygène ou de gaz conte- nant de l'oxygène, de manière que la suspension s'allume rapidement. La zone, dans laquelle se produisent l'alluma- ge de la suspension et la réaction exothermique, est entou- rée d'une enveloppe de vapeur d'eau s'écoulant sensiblement dans la même direction, susceptible de réagir endothermique- ment avec le carbone en donnant lieu à la formation d'un mé- lange d'oxyde de carbone et d'hydrogène.
Dans l'espace de gazéification sont donc maintenues simultanément une zone
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centrale à haute température dans laquelle s'effectuent les réactions exothermiques entre l'oxygène et les particules solides de combustible, et une zone extérieure à températu- re moins élevée dans laquelle se produisent les réactions endothermiques. L'espace de réaction de la chambre de gazéi- fication est, du point de vue fonctionnel, divisé en ces deux zones, à savoir : la zone primaire ou zone d'oxydation partielle, et la zone entourant ladite zone primaire et dans laquelle de la vapeur ou de l'anhydride carbonique, ou des mélanges des deux, réagissent endothermiquement avec un com- bustible solide finement divisé.
Dans la gazéification de combustibles solides fi- nement divisés en suspension dans de l'oxygène ou des gaz contenant de l'oxygène et de la vapeur d'eau, il se produit d'abord uniquement des gaz pratiquement exempts d'hydrocar- bures. En effet, les hydrocarbures libérés lors du chauffa- ge de charbons bitumineux, sont complètement décomposés par suite de la température élevée qui règne dans la zone pri- maire précitée de la chambre de gazéification, de sorte que le gaz produit est pratiquement exempt d'hydrocarbures. Pour de nombreux usages, la présence d'hydrocarbures et, en par- ticulier, de méthane, dans le gaz combustible produit, est avantageuse, et notamment, lorsque le gaz doit être utilisé pour le chauffage de fours de fusion ou autres fours indus- triels.
Le chauffage de fours de fusion et autres fours in- dustriels est, en effet, particulièrement intéressant quand la combustion du gaz de chauffage se produit avec une flam- me fortement éclairante. Or des gaz exempts d'hydrocarbures ne produisent pas de flammes éclairantes et c'est pourquoi il est nécessaire de combiner ces gaz, avant leur combus- tion, à des hydrocarbures, par exemple par le procédé connu de carburation des gaz. Mais cette carburation est une opé-
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ration peu pratique, par exemple dans le cas de gaz à l'eau, et élève en outre, notablement, le prix de revient du gaz.
La présente invention apporte une solution au pro- blème de la production de gaz contenant du méthane en par- tant de combustibles solides finement divisés, de nature quelconque. Elle consiste à oxyder partiellement le combus- tible finement divisé, en présence d'oxygène ou d'un gaz con tenant de l'oxygène, à température élevée, dans un espace de gazéification sous pression élevée, puis à faire réagir la partie non transformée du combustible sur de la vapeur d'eau pour produire de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène, à met tre ensuite au contact, à haute pression, le gaz combustible renfermant de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène avec du semi-coke, de manière que l'oxyde de carbone et l'hydrogène renfermés dans le gaz se transforment en agissant l'un sur l'autre et, le cas échéant sur le semi-coke,
totalement ou partiellement en donnant lieu à la formation de méthane. La formation de méthane à partir d'oxyde de carbone et d'hydro- gène ou à partir de carbone et de vapeur d'eau est connue en soi. Cette réaction s'opère particulièrement bien dans la zc ne de température comprise entre 500 et 800 C et nécessite une pression élevée. S'est ainsi, par exemple, qu'on réalise une production de méthane particulièrement élevée en mainte- nant, pendant la réaction, la pression à environ 40 atmosphc res et la température à 7000 environ.
Pour la production de gaz contenant du méthane en partant de combustibles solides finement divisés, l'instal- lation selon l'invention comporte, en principe, une chambre de gazéification et une chambre de réaction lui faisant sui- te, dans laquelle les gaz produits dans la chambre de gazéi- fication sont mis au contact du semi-coke. Entre la chambre de gazéification et la chambre de réaction, il peut, confor-
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mement a 'invention, être prévu des moyens pour abaisser la température des gaz produits dans la chambre de gazéifi- cation et contenant de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène, à la température la plus favorable pour leur réaction avec le semi-coke. Ces moyens peuvent consister, par exemple, en un refroidisseur.
Mais il est possible également, d'ajouter aux gaz sortant de la chambre de gazéification, des gaz froids de composition déterminée, ou de la vapeur d'eau, ou un mélange de ces derniers, de telle sorte que le mélange résultant possède la température et la composition désirées.
L'espace de gazéification et la chambre de réac- tion reliée audit espace fonctionnent sensiblement à la même pression élevée. Cette pression, ainsi que les dimensions de la chambre (espace de réaction), dépendent de la teneur en méthane que doit posséder le gaz en fin d'opération. C'est ainsi, par exemple, qu'une pression de 8 à 10 atmosphères est avantageuse pour la production d'un gaz contenant de 8 à 12 % de méthane. Si l'on augmente la pression, la teneur du . gaz en méthane pur augmente ; ainsi qu'à 40 atmosphères, on peut atteindre une teneur en méthane d'environ 40 %-dans le gaz produit.
Par l'expression "semi-coke", il faut entendre, dans la présente description et les revendications, le rési- du de la distillation Bêche usuelle ou de la dégazéification de combustibles bitumineux, tels que la houille, le lignite, et même le bois par exemple, résidu qui constitue un combus- tible solide fortement réactif, ne renfermant que des quanti tés relativement faibles de gaz combustibles.
Un tel semi-coke est obtenu, de préférence, par chauffage de combustibles bitumineux à des températures de 450 à 600 C.
Le combustible solide finement divisé, qui doit
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être traité, est, de préférence, moulu assez finement pour que 10 à 25 % seulement ne traversent pas un tamis de 4900 mailles au cm2. Quand on utilise selon l'invention un tel combustible, environ 95 % du carbone qu'il renferme sont transformés en constituants gazeux.
La quantité d'oxygène ou de gaz contenant de l'o- xygène qui est introduite dans la chambre de gazéification avec le combustible solide finement divisé est déterminée de manière que le combustible solide soit partiellement oxy- dé. Il se forme alors principalement de l'oxyde de carbone et la partie non gazéifiée du combustible solide est portée par la réaction fortement exothermique à une température é- levée. Le combustible résiduel est, par suite, en mesure, en sortant de la zone primaire dans laquelle se fait l'oxydatie partielle, de réagir avec un agent de gazéification réagis- sant endothermiquement, tel que de la vapeur d'eau par exem- ple, en donnant lieu à une nouvelle formation d'oxyde de car bone et d'hydrogène.
En raison de la pression élevée régnant suivant le procédé conforme à l'invention, dans la chambre de gazéification , les températures dans la zone primaire sont si élevées que la vapeur d'eau à introduire dans l'espa ce de gazéification, ne nécessite pas de chauffage préalable ou seulement un préchauffage modéré, par exemple à des tem- pératures comprises entre 400 et 600 C.
Le dessin annexé représente schématiquement, en coupe verticale, une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
L'installation représentée est destinée à la gazéi fication de combustibles solides finement divisés, tels que du charbon pulvérisé, du lignite ou analogue. Le combustible est, avantageusement, pulvérisé à la finesse correspondant seulement à un refus de 10 à 25 % après passage au tamis de 4900 mailles au cm2
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Le combustible solide finement divisé à traiter est déversé dans les trémies de réserve 1, 2, qui sont fer- mées après remplissage. Des vis d'Archimède, disposées dans des carters 3, 4., amènent le combustible solide finement di- visé à une installation de mélange 5, dans laquelle est in- troduit, par la conduite 6, de l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène.
Dans cette installation de mélange 5. est réali sée une suspension la plus homogène possible du combustible solide finement divisé dans le milieu gazeux qui y est intrc duit. Le mélange de gaz et de combustible solide est conduit par une tuyauterie 1 refroidie par de l'eau, dans l'espace = gazéification 8. Celui-ci est constitué par des parois ré- fractaires , disposées dans une enveloppe 10 résistant à la pression. La chambre de gazéification 8 va en s'élargissant légèrement depuis le débouché de la tuyauterie 1 refroidie par de l'eau.
Autour de l'embouchure de cette tuyauterie ? est prévue une ouverture annulaire 11, par laquelle de la va- peur d'eau peut être introduite dans la chambre de gazéific tion 8, et ce de telle manière, qu'au point de vue fonction- nel, il se forme dans la chambre de gazéification une zone primaire 12, dans laquelle se produit l'oxydation partielle du combustible finement divisé par l'oxygène, ladite zone primaire 12 étant entourée d'une enveloppe en mouvement de vapeur d'eau qui, comme représenté en 13 sur le dessin, iso- le les parois de la chambre de gazéification de la zone primaire 12 dans laquelle règnent des températures très éle- vées. On évite ainsi des détériorations des parois par sui te de la température élevée de la zone primaire 12.
Le com- bustible non transformé dans la zone primaire 12 doit, avant d'atteindre les parois , traverser la couche de vapeur d'es 13, dans laquelle le carbone réagit endothermiquement avec la vapeur d'eau et la température des particules de combusti
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ble s'abaisse au-dessous du point de fusion et de ramollis- sement des cendres du combustible. Il en résulte que les ré- sidus de combustible ne peuvent venir adhérer à la surface des parois 9.
La vapeur d'eau est amenée par les tubulures 14.
Il est possible, sous certaines conditions, de préchauffer quelque peu la vapeur, par exemple, à une température com- prise entre 600 et 800 C, avant son entrée dans l'espace de gazéification. Ce résultat peut être obtenu simplement en mélangeant à la vapeur des gaz de combustion chauds pro- duits par des brûleurs auxiliaires 15, prévus à la partie supérieure du générateur.
La température que possèdent, à la sortie de la chambre 8, les gaz constitués essentiellement d'oxyde de car bone et d'hydrogène, qui se sont formés dans la chambre de gazéification 8, est relativement élevée ; ellepeut attein- dre 1000 à 1200 C.
L'invention prévoit, en conséquence, l'addition aux gaz quittant la chambre de gazéification 8, d'un gaz froid et/ou de vapeur d'eau, grâce, par exemple, à des ou- vertures 16. En outre, la partie inférieure de la chambre de gazéification est avantageusement reliée à une chemise de refroidissement 17, qui dépouille également le gaz chaud produit d'une partie de sa chaleur et abaisse sa températu- re. Le résidu se produisant lors de la gazéification dans la chambre 8 se dépose en partie sur le fond 18 et peut, de là, être amené dans un réservoir 19 dans lequel règne sensible- ment la même pression que dans la chambre de gazéification 8.
Le gaz produit, dont la température peut atteindre environ 800 C, pénètre par le conduit 20 dans une cuve 21 voisine du générateur 8 et constituée par une maçonnerie ré-
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fractaire, disposée également dans une enveloppe 22 résis- tant à la pression.
Cette cuve 21 est remplie de semi-coke qui est a- mené de la trémie 23 par un réservoir intermédiaire 24.
A sa partie inférieure, la cuve 21 porte un pro- longement tubulaire 25 débordant dans un élargissement 26.
Le contenu de la cuve 21 forme, par suite, à l'intérieur¯de la partie élargie 26, des talus libres, comme représenté en 27. Le conduit de gaz 20 débouche dans l'espace libre au- dessus des talus 27, de sorte que le gaz arrivant par le conduit 20 peut pénétrer dans le contenu de l'élargissement 26 et de la cuve 21. Les gaz viennent ainsi en contact in- time avec le semi-coke, de sorte que l'oxyde de carbone et l'oxygène qu'ils renferment peuvent se transformer. La pres- sion de fonctionnement dans la cuve 21 est sensiblement la même que dans la chambre de gazéification 8, déduction fai- te, évidemment, de la perte de pression que subissent les gaz en traversant le contenu de la cuve 21.
Les gaz contenant du méthane sont extraits à la partie supérieure de la cuve 21 par les conduits 28. Ils ar- rivent alors dans un séparateur de poussières 29, et de là par la conduite 30, dans un laveur 31. Dans les appareils 29 et 31 il est également avantageux de maintenir une pres- sion élevée,; qui facilite le dépoussiérage et le lavage du gaz. Le gaz est extrait en fin d'opération en 32.
En raison du fait que le gaz amené, par le conduit 20, de la chambre de gazéification 8 à la cuve de réaction 21 renferme encore une certaine quantité de particules pul- vérulentes, il est inévitable que ces particules pulvérulen- tes se déposent sur le contenu de la cuve 21 et réduisent ainsi la surface active de ce contenu ou, détournent les veines gazeuses. C'est pourquoi, conformément à l'invention,
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il est prévu une extraction continue ou par fractions suc- cessives d'une partie du contenu de la cuve 21, par l'ouver- ture d'évacuation 33, dans un réservoir 34.
La consommation de carbone solide dans la cuve 21 est en général très faible, car, en pratique, seule la réac- tion 2CO + 2H2 = CH4+C02 entre en ligne de compte pour la formation de méthane. Cette réaction est simplement accélé- rée catalytiquement par le semi-coke, sans que celui-ci par- ticipe à la réaction. Il est néanmoins possible qu'une par- tie du semi-coke soit transformée en méthane suivant la réac- tion C + 2H2 = CH4, de sorte qu'une faible quantité du com- bustible est ainsi consommée.
Le combustible extrait de la cuve 21 dans le réser voir 34 est le cas échéant tamisé et libéré des particules pulvérulentes. Il peut ensuite être ramené à la trémie de réserve 23 et être réutilisé pour le remplissage de la cuve 21.
Le calibrage du semi-coke utilisé doit être tel que la résistance que rencontre le courant gazeux dans la colon- ne de coke 276 ne soit pas trop préjudiciable. De bons résul- tats ont été obtenus, par exemple, avec un semi-coke présen- tant une grosseur de grain de 3 à 10 mm. Mais ceci-ne limite en rien l'invention. Avec cette grosseur de grain, le combuc tible reste en général immobile, c'est-à-dire n'est pas sen- siblement déplacé par le courant gazeux.
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