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La présente invention a trait à un procédé et à un appareillage pour la gazéification des combustibles solides et plus particulièrement à un procédé de production de gaz à haut pouvoir calorifique,à partir d'un combustible solide en fines particules
Le procédé conforme à l'invention est applicable au traitement de substances carbonacées de divers types et qua-
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lités, par exemple: anthracite, charbon bitumineux. lignite et schiste bitumineux. Il est particulièrement apurprié à la gazéification des schlamms et des poussiers cendreux de charbons à hauteteneur en matières volatiles.
On connaît différents appareile qui ont été mis au point en vue de la gazéification intégrale de limites et de charbons pulvérisés entraînés en phase dispersée dans un courant gazeux dont les agents gazéifiants sont la vapeur d'eau et l'oxygène.
Ces appareils présentent certains inconvénients ot notamment:
1 le rendement de gazéification relativement faible (en général moins de 70%), qui résulte entre autres de la température très élevée des gaz quittant le gazogène;
2 la composition du gaz obtenu (en majeure partie 00 + H2) et son pouvoir calorifique assez limitée qui le rendent impropre à servir de gaz de réseau de distribution;
3 le fait qu'aucun lit de combustible ne se trouve intercalé entre le générateur et le réseau de gaz, ce qui peut entraîner des conséquences particulièrement graves en cas d'arrêt accidentel de l'alimentation en charbon, par suite du risque de formation d'un mélange tonnant.
D'autre part, il a déjà étéproposé de surmonter le gazogène d'un réacteur fluidisé dans lequel se ferait une pré#carbonisation du combustible à une température de l'or- dre de 650 à 800 , en utilisant la chaleur sensible du gaz de gazéification intégrale provenant du gazogène.Ce dispo- sitif obvie partiellement aux inconvénients signalés plus haut, mais il présente lui-même certains défauts et notamment:
1) les différences de granulonétrie et de densité existant entre les grains de combustible rendent impossille le réglage de la durée de précarbonisation, les particules les plus grosses et les plus denses traversant le lit flui.-
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dise en un temps très court, alors que les particules fines et légères surnagent très longtemps pour être finalement entraînées par le courant gazeux.
2) l'absence d'un réglage direct de la quantité de combustible qui entre dans le gazogène s'oppose à l'établis- sement d'un régime stable et entraîne deux sortes d'inconvé- nients : une forte proportion d'imbrûlés,lorsque le rythme d'- alimentation est trop rapide et une augmentation excessive de la température dans la cuve de carbonisation fluidisée, lorsque le rythme d'alimentation est trop lent;
3) le fait que la capacité de gazéification de l'ap- pareil ne peut être.modifiée qu'en changeant le diamètre in- térieur du manchon garni de réfractaire, qui relie la cuve de précarbonisation au.gazogène proprement dit, ce qui a pour conséquence un manque d'adaptabilité de l'appareil aux be- soins de gaz et une modification progressive de sa capacité par suite de l'érosion subie par les réfractaires.
Tous ces inconvénients et défauts sont supprimés grâce au procédé et à l'appareillage faisant l'objet de la présente invention.
Suivant cette invention, le passage des gaz chauds provenant du gazogène proprement dit vers la cuve de précar- bonisation, qui le surmonte, s'effectue au travers d'une gorge intermédiaire étroite, dont le diamètre est choisi de' manière à empêcher le passage direct du combustible de ladite cuve vers le gazogène.
De plus, le combustible ayant subi l'opération de . précarbonisa-tion traverse, conformément à l'invention, un injecteur alimenté par un gaz sous pression plus élevée, ce qui permet d'assurer la projection du combustible à l'inté- rieur du gazogène, en dépit de l'écart de pression existant entre ce dernier et la cuve de précarbonisation.
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Enfin, en vue de bénéficier des avantages supplémentai- res que procure la pression, l'ensemble de l'appareillage @ utilisé sous pression élevée, à savoir de l'ordre de 20 à 50 kg/cm2.
Afin de faire mieux comprendre le procède visé par 1'- invention, celui-ci est décrit ci-après en détail, avec réfé- rence à un appareillage spécialement corct au -,rite de son exé- cution et représenté, à titre d'exemple uniquement, dans le dessin annexé à ce mémoire en élévation d'une part suivant une demi-coupe passant par le dispositif d'alimentation du combustible, et d'autre part suivant une demi-coupe par une tuyère d'alimentation du gazogène.
Dans ce dessin, 1 désigne la cuve de précarbonisation en phase fluidisée dense, laquelle surmonte un gazogène 2, dans lequel le combustible, préalapbiement carbonisé, est gazéifié en phase dispersée, au moyen d'un courant comportant de la vapeur et de l'oxygène, comme il est exposé ci-après, amené par une conduite 3.
Le gazogène 2 est en relation avec la cuve de précar- bonisation 1 par un orifice relativemetn étroit formant la gorge 4. Conformément à l'invention, le diamètre de cette gorge est choisi de tellefaçon que le courant gazeux pro- venant du gazogène 2 et qui monte vers la cuve de précarbo- nisation 1 traverse ladite gorge à une vitesse suffisante pour que les produits solides contenus dans la cuve supé- rieure ne puissent tomber par gravité au travers de la gor- ge 4.
D'une manière générale, le combustible contenu dans une trémie appropriée est introduit vers la partie infé- rieure de la cuve 1 par 1 intermédiaire d'un ou plasieurs alimenteurs à vis 5, ou par tout autre dispositif équivalent, la vitesse d'alimentation étant réglée de main @@e à.
mainte- nir la hauteur du lit de combustible fluidisé sensiblement constante,
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Après avoir séjourné dans la cuve 1 pendant un temps suffisant pour atteindre le degré de carbonisation souhaité, temps dépendant notamment de la haute/ur de ladite cuve,le combustible carbonisé est repris par deux bu plusieurs ori- fices 6, situés dans la paroi latérale' de !La cuve 1 un peu au-dessous de la surface supérieure du lit fluidisé, pour arriver par des conduites soigneusement balorifugées à des tuyères 7 alimentant le gazogène 2.
Avant son introduction dans le gazogène 2, le courant de combustible est mélangé à un courant .de gaz porteur préa- lablement comprimé à une pression supérieure à celle qui rè- gne dans le gazogène. Le mélange est réalisé par un disposi- tif d'injecteur, qui permet d'assurer la projection du com- bustible à l'intérieur du gazogène 2 tout en maintenant entre les points 6 et 7 un écart de pression suffisant pour assurer l'écoulement du combustible. La conduite de gaz porteur est désignée au dessin par 8.
Le réglage du débit de combustible est obtenu par une introduction secondaire de gaz porteur amené par une condui- te 9 en un point intermédiaire tel que 10. En modifiant la quantité de gaz secondaire introduit, on peut agir à volonté sur l'écart de pression qui existe entre les points 6 et 10, ce qui permet de régler le débit de combustible entre zéro et la valeur maximum prévue pour l'installation.
Le gaz porteur et le gaz secondaire ne constituent qu'une faible partie de la quantité totale de gaz et de va- peur introduite dans le gazogène; dès lors la nature du gaz porteur peut être choisie à volonté. Suivant les cas, il pourra être constitué par du gaz épuré recyclé, par de la vapeur surchauffée ou encore par un gaz inerte,
Les tuyères d'injection du combustible et des agents gazéifiants à l'intérieur de gazogène peuvent être réalisées
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de diverses manières. On peut notamment recourir à des tuyères concentriques avec induction de combustible au centre et in- jection périphérique du mélange oxygène-vapeur.
Il existe dif- férents modèles de tuyères -.le ce genre, notamment ceux qui expérimentales ont été mis au point dans des installatinos/de l'U.S.Bureau of Mines, à Morgantown.
Les tuyères 7, au nombre de deux ou .le plusieurs, sont disposées face à un lit de cendres fondues, qui se forme pen- dant l'opération; elles présentent une certaine obliquité, de manière à entraîner le lit de cendres fondues dans un mou- vement giratoire.
Les cendres fondues sont évacuées.par la gorge 11, si- tuée au centre de la paroi inférieure du gazogène et sont gra- nulées dans un bain d'eau 12 avant d'être évacuées en dehors du gazogène 2, par entraînement dans un courant d'eau continu ou intermittent.La maijeure partie du gaz de gazéification intégrale abandonne ainsi le gazogène par la gorge 4 et sert à la carbonisation fluidisée dans le cuve 1.Toutefois est prévue en 13 une seconde sortje de gaz, qui permet d'évacuer par le bas une quantité de gaz suffisante pour maintenir la scorie en fusion et éviter son collage et sa solidification au niveau de la gorge 11. Accessoirement elle assure une cer- taine latitude de réglage du débit gazeux, qui traverse la gorge 4 et, par conséquence, de la température du lit fluidisé.
En 14 est indiqué l'orifice d sortie du gaz obtenu vers la station d'épuration.
L'installation ainsi constituée est essentiellement destinée au traitement de combustibles solides,, Il est ce- pendant judicieux de la compléter par un dispositif permettant l'introduction d'une certaine quantité d'huile ou de goudron en vue d'accroître le pouvoir calorifique du gaz par carbura- tion. Cette introduction d'huile pourre se faire à volonté par le conduit 15 situé dans la partie spérie à 3 du lit
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fluidisé, ou par le conduit 16 situé à la base. du lit, sui- vant le cracking plus ou moins poussé qu'on se propose de réaliser.
L'appareillage ainsi conçu permet de traiter tous les combustibles solides non agglutinants ; peut également con- venir pour le traitement de tout charbon agglutinant à condi- tion que ce charbon ait subi un traitement préalable destiné à réduire le pouvoir agglutinant,ce traitement pouvant consis- ter en un simple préchauffage à 250 en présence d'air, suivant des techniques bien connues.
L'appareillage qui vient d'être décrit est susceptible d'être utilisé pour une gazéification à la pression atmosphé- rique. Il y a cependant un intérêt majeur à le faire fonction- ner à pression élevée, ce qui peut être réalisé sans modifi- cations essentielles moyennant l'installation de dispositifs d'éclusage appropriés sur l'alimentation du charbon et sur l'évacuation des cendres. Il est en effet bien connu que la mise sous pression du gazogène permet d'augmenter considéra- blement sa capacité de traitement et d'améliorer son rendement.
Dans le cas présent, la gazéification suus forte pression présente deux avantages supplémentaires: a) d'une part, elle augmente considérablement le poids spécifique du gaz produit dans le gazogène, ce qui permet d'- assurer un transfert de chaleur particulièrement élevé entre le gazogène 2 et la cuve 1 sans recourir à des vitesses de fluidisation anormalement grandes; b) d'autre part, elle permet la production de méthane par réaction directe entre les gaz de gazéification intégrale, à forte teneur en hydrogène, et la charge de charbon en cours de carbonisation dans la cuve supérieure 1.
Cette réaction de méthanisation entraine deux conséquen- ces favorables, à savoir l'augmentation du pouvoir calorifique du gaz produit et la réduction de la quantité d'oxygène consom- mé.
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The present invention relates to a process and to an apparatus for the gasification of solid fuels and more particularly to a process for the production of gas with high calorific value, from a solid fuel in fine particles.
The process according to the invention is applicable to the treatment of carbonaceous substances of various types and qualities.
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lities, for example: anthracite, bituminous coal. lignite and oil shale. It is particularly suitable for the gasification of schlamms and ashy dust from coals with a high volatile content.
Various apparatuses are known which have been developed with a view to the integral gasification of limits and pulverized coals entrained in a dispersed phase in a gaseous stream of which the gasifying agents are water vapor and oxygen.
These devices have certain drawbacks ot in particular:
1 the relatively low gasification efficiency (generally less than 70%), which results among other things from the very high temperature of the gases leaving the gasifier;
2 the composition of the gas obtained (for the most part 00 + H2) and its fairly limited calorific value, which makes it unsuitable for serving as distribution network gas;
3 the fact that no fuel bed is interposed between the generator and the gas network, which can have particularly serious consequences in the event of an accidental shutdown of the coal supply, due to the risk of 'an amazing mix.
On the other hand, it has already been proposed to overcome the gasifier of a fluidized reactor in which a pre-carbonization of the fuel would take place at a temperature of the order of 650 to 800, by using the sensible heat of the gas. Full gasification from the gasifier. This device partially obviates the drawbacks mentioned above, but it itself has certain faults and in particular:
1) the differences in particle size and density between the fuel grains make it impossible to adjust the duration of precarbonization, the larger and denser particles passing through the fluid bed.
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say in a very short time, while the fine and light particles float for a very long time to be finally carried away by the gas stream.
2) the absence of a direct control of the quantity of fuel entering the gasifier opposes the establishment of a stable regime and causes two kinds of inconvenience: a high proportion of unburnt , when the feed rate is too fast and an excessive increase in temperature in the fluidized carbonization tank, when the feed rate is too slow;
3) the fact that the gasification capacity of the appliance can only be changed by changing the internal diameter of the refractory-lined sleeve, which connects the precarbonisation tank to the gasifier itself, which has as a consequence a lack of adaptability of the apparatus to gas requirements and a progressive modification of its capacity as a result of the erosion undergone by the refractories.
All these drawbacks and defects are eliminated by virtue of the method and the apparatus forming the subject of the present invention.
According to this invention, the passage of the hot gases coming from the gasifier itself to the precarbonization tank, which surmounts it, is effected through a narrow intermediate groove, the diameter of which is chosen so as to prevent the passage. direct fuel from said tank to the gasifier.
In addition, the fuel having undergone the operation of. precarbonization passes, in accordance with the invention, through an injector supplied with a gas under higher pressure, which makes it possible to ensure the projection of the fuel inside the gasifier, despite the existing pressure difference between the latter and the precarbonization tank.
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Finally, in order to benefit from the additional advantages provided by the pressure, all of the equipment @ used under high pressure, namely of the order of 20 to 50 kg / cm 2.
In order to provide a better understanding of the process targeted by the invention, it is described below in detail, with reference to an apparatus specially correct for its execution and shown, by way of illustration. example only, in the drawing appended to this report in elevation on the one hand along a half-section passing through the fuel supply device, and on the other hand along a half-section through a gasifier supply nozzle.
In this drawing, 1 designates the precarbonization tank in dense fluidized phase, which overcomes a gasifier 2, in which the fuel, pre-carbonized, is gasified in the dispersed phase, by means of a stream comprising steam and oxygen. , as explained below, brought by a pipe 3.
The gasifier 2 is connected with the precarbonization tank 1 via a relatively narrow orifice forming the groove 4. According to the invention, the diameter of this groove is chosen in such a way that the gas stream coming from the gasifier 2 and which rises towards the precarbonization tank 1 passes through said groove at a sufficient speed so that the solid products contained in the upper tank cannot fall by gravity through the groove 4.
In general, the fuel contained in a suitable hopper is introduced towards the lower part of the tank 1 by means of one or more screw feeders 5, or by any other equivalent device, the feed speed being set from main @@ e to.
keep the height of the fluidized fuel bed substantially constant,
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After having remained in the tank 1 for a time sufficient to reach the desired degree of carbonization, time depending in particular on the height of said tank, the carbonized fuel is taken up by two or more orifices 6, located in the side wall. 'of! The tank 1 a little below the upper surface of the fluidized bed, to arrive by carefully balo-insulated pipes to nozzles 7 supplying the gasifier 2.
Before its introduction into the gasifier 2, the stream of fuel is mixed with a stream of carrier gas previously compressed to a pressure higher than that prevailing in the gasifier. The mixture is carried out by an injector device, which ensures the projection of the fuel inside the gasifier 2 while maintaining between points 6 and 7 a pressure difference sufficient to ensure the flow. fuel. The carrier gas line is designated in the drawing by 8.
The fuel flow rate is adjusted by a secondary introduction of carrier gas supplied by a pipe 9 to an intermediate point such as 10. By modifying the quantity of secondary gas introduced, it is possible to act at will on the pressure difference. which exists between points 6 and 10, which allows the fuel flow to be adjusted between zero and the maximum value provided for the installation.
The carrier gas and the secondary gas constitute only a small part of the total quantity of gas and vapor introduced into the gasifier; therefore the nature of the carrier gas can be chosen at will. Depending on the case, it could be constituted by recycled purified gas, by superheated steam or even by an inert gas,
The nozzles for injecting fuel and gasifying agents inside the gasifier can be made
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in various ways. It is in particular possible to use concentric nozzles with fuel induction at the center and peripheral injection of the oxygen-vapor mixture.
There are various models of nozzles of this kind, notably those which have been experimentally developed at facilities / the U.S. Bureau of Mines in Morgantown.
The tuyeres 7, two or more in number, are placed facing a bed of molten ash, which forms during the operation; they present a certain obliquity, so as to entrain the bed of molten ash in a gyratory movement.
The molten ash is discharged through the groove 11, located in the center of the lower wall of the gasifier and is scaled in a water bath 12 before being evacuated outside the gasifier 2, by entrainment in a stream. continuous or intermittent water. The majority of the integral gasification gas thus leaves the gasifier through the groove 4 and is used for the fluidized carbonization in the tank 1. However, in 13 a second gas outlet is provided, which allows to evacuate from below, a quantity of gas sufficient to keep the slag in fusion and to prevent its sticking and its solidification at the level of the groove 11. Incidentally, it ensures a certain latitude of adjustment of the gas flow, which passes through the groove 4 and, by consequence of the temperature of the fluidized bed.
At 14 is indicated the outlet of the gas obtained to the purification station.
The installation thus constituted is essentially intended for the treatment of solid fuels. However, it is judicious to supplement it with a device allowing the introduction of a certain quantity of oil or tar in order to increase the calorific value. gas by fuel. This introduction of oil can be done at will through line 15 located in the spherical part 3 of the bed.
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fluidized, or through the conduit 16 located at the base. from the bed, following the more or less thorough cracking that we propose to carry out.
The apparatus thus designed makes it possible to treat all non-agglutinating solid fuels; may also be suitable for the treatment of any agglutinating charcoal on condition that this charcoal has undergone a preliminary treatment intended to reduce the clumping power, this treatment possibly consisting of a simple preheating to 250 in the presence of air, according to well known techniques.
The apparatus which has just been described can be used for gasification at atmospheric pressure. There is, however, a major advantage in making it work at high pressure, which can be achieved without essential modifications by installing appropriate lock devices on the coal feed and on the ash evacuation. . It is in fact well known that putting the gasifier under pressure makes it possible to considerably increase its treatment capacity and to improve its efficiency.
In the present case, high pressure gasification has two additional advantages: a) on the one hand, it considerably increases the specific weight of the gas produced in the gasifier, which makes it possible to ensure a particularly high heat transfer between the gasifier. gasifier 2 and tank 1 without resorting to abnormally high fluidization speeds; b) on the other hand, it allows the production of methane by direct reaction between the integral gasification gases, with a high hydrogen content, and the charge of coal being carbonized in the upper tank 1.
This methanization reaction has two favorable consequences, namely the increase in the calorific value of the gas produced and the reduction in the quantity of oxygen consumed.