LU84251A1 - Gasogene fluidise a compartiments multiples - Google Patents

Description

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GAZOGENE FLUIDISE A COMPARTIMENTS MULTIPLES

La présente invention concerne un gazogène fluidisé ; f à compartiments multiples. - ' ί

Les prix sans cesse croissants des combustibles li- ;· -.-¾ · - quides ou gazeux dérivés du pétrole d'une part et le problème i, ; 5 d'élimination des déchets d'autre part ont provoqué un inté- λ ' rêt pour la gazéification de différents solides en vue de produire un gaz ayant un pouvoir calorifique suffisant.

Ces solides peuvent être des schistes de laverie, des charbons très cendreux ou sulfureux, des déchets urbains, des 10 déchets d'exploitation forestière ou agricole. Les gaz obtenus peuvent, par exemple, alimenter des moteurs à gaz, des moteurs diesel, des turbines à gaz ou être employés comme subsitut de gaz naturel ou comme gaz de synthèse.

On connaît plusieurs procédés de gazéification se distinguant principalement par le mode de contact du gaz et 15 du solide. Des procédés déjà anciens utilisent le principe du lit mobile où le solide s'écoule par gravité. Cet appareil manque de flexibilité vis-à-vis de l'alimentation et nécessite souvent un calibrage du solide à une dimension supérieure à 5 cm pour qu'il puisse s'écouler avantageusement 20 et assurer une distribution uniforme des gaz.

'Le procédé par lits entraînés où le solide finement divisé est mis en transport pneumatique est également connu.

Ces installations sont généralement de très grande taille et nécessitent des systèmes de dépoussiérage complexes. .

25 Un troisième procédé, plus avantageux consiste à utiliser des lits fluidisés assurant un bon mélange de la . charge solide. A encombrement relativement faible, ils permettent de réaliser des temps de contact gaz-solide importants.

Ils permettent un chargement et une vidange faciles; en effet, 30 le solide s'écoule pratiquement comme un liquide par un trou ^ réalisé dans la paroi ou dans le fond de l'appareil.

Les appareils les plus simples utilisent de l'air pour produire un gaz contenant une part importante d'azote.

Pour éliminer ce ballast d'azote, on emploie également de 35 , l'air enrichi en oxygène, voire même de l'oxygène pur, mais J/ alors on monte à des températures élevées exigeant des ma- tériaux coûteux. On obtient des gaz composés essentielle-ment de CO, C02, H2 et CH^. A l'air ou à l'oxygène, on peut ajouter ou substituer de la vapeur d'eau qui favorise la gazéification et permet d'augmenter la teneur en hydrogê-5 ne du gaz. Enfin de l'hydrogène peut être utilisé comme agent gazéifiant, seul ou en combinaison avec de la vapeur d'eau pour fabriquer un gaz riche en méthane.

Il existe également différents modes d'apport de chaleur aux réactions endothermiques de gazéification.

10 Dans les appareils les plus anciens, on réalise simultanément la gazéification et une combustion partielle de la charge, à l'air ou à l'oxygène, pour fournir les calories nécessaires, avec les inconvénients liés à l'emploi de ce type d'agents gazéifiants.

15 Une alternative consiste à utiliser des résis tances électriques immergées dans le lit. La chaleur peut aussi être cédée par des échangeurs de chaleur immergés dans le lit; souvent, cependant, les surfaces disponibles dans le gazogène sont insuffisantes pour équilibrer le bilan 20 thermique de l'opération.

Une autre alternative intéressante comporte un système double comprenant un dispositif de combustion et un dispositif de gazéification. Dans le premier, on brûle à l'air des produits solides, liquides voire gazeux résultant 25 de la pyrolyse et de la gazéification de la matière de départ. Le dispositif fonctionne vers 900°C. Les calories dégagées par la combustion sont emmagasinées sous forme de chaleur sensible par le solide. Celui-ci est ensuite renvoyé vers le dispositif de gazéification, opérant vers 3Q 700°C où une partie de la chaleur sensible du solide est cédée. Le fluide de gazéification est de la vapeur d'eau ou des gaz recyclés. Dans le solide, on peut introduire des particules inertes jouant le rôle de volant thermique ou des particules catalytiquement actives favorisant sëlecti-35 vement la conversion en l'un ou l'autre produit. Elles peuvent aussi réagir de façon exothermique dans l'atmosphère du gazogène.

I Lors du calcul de rentabilité d'une opération de jjg* gazéification, le problème des pertes thermiques, lors du 3 . r transport d'un dispositif à l'autre etc.., devient critique pour les unités de petites tailles. Or, les frais de collecte et de transport de déchets augmentant fortement avec le rayon de collecte, la préférence doit être donnée dans ce s* " · 5 cas à des petites unités décentralisées. En outre, dans ces conditions, l'hydrogène ou l'oxygène doivent être proscrits à titre de gazéifiant vu leur prix élevé et l'emploi de ma-tërieux coûteux.

La présente invention vise à fournir un nouveau 10 gazogène simple, utilisant le principe du lit fluidisé ainsi que le système double décrit ci-dessus et éliminant par sa grande compacité une majeure partie des pertes thermiques tout en assurant un transfert de chaleur intense entre la combustion et la gazéification.

15 On sait, en effet, que l'expansion d'une couche fluidisée augmente avec la vitesse de fluidisation et que ( d'autre part la perte de charges dans une couche fluidisée équilibre le poids de solide par unité de section. Par conséquent, si on réalise un vase communicant fluidisé, avec 20 des vitesses de gaz différentes dans les deux branches, les hauteurs d’équilibre seront différentes. Dès lors, en prévoyant un débordement à la partie supérieure du système, les deux'niveaux s'équilibrent ën provoquant une circulation du solide.

25 Cela étant, le but visé par l'invention est atteint au moyen d'un gazogène utilisant le principe du lit fluidisé et le système double comportant un dispositif de combustion et un dispositif de gazéification , prévoyant la séparation des fumées de combustion et des produits de 30 gazéification, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une partie de gazéification et une partie de combustion, chacune d'elles consistant en au moins un compartiment, ces parties adjacentes communiquant par le fond, de manière à assurer un effet de circulation par débordement 35, dû à une différence d'expansion de la couche fluidisée.

Suivant un mode d'exécution de l'invention, '[ le dispositif peut comporter deux parties où l'une d'entre .^gn· * > "** ·« eBçwve • ’*:- 4 -.;T^3 '-1 ,>^ Λ! - * ,--V ;*. : i • i-! '1 ♦-'<- 'g elles consiste en deux compartiments et l'autre en un "Λ\&} compartiment, les trois compartiments étant adjacents, chaque compartiment de la partie comportant les deux 0Γ v compartiments communiquant par le fond avec l'autre ·· -· 5 partie, un effet de circulation par débordement dû à une différence de débordement de la couche fluidisée étant assuré entre les deux compartiments de la même partie.

Suivant un mode d'exécution particulièrement 10 préféré de l'invention, le gazogène comporte quatre compartiments, dont deux sont affectés à la partie combustion et les deux autres à la partie gazéification, les parties étant adjacentes et communiquant par le fond et l'effet de circulation par débordement dû à une diffé-15 rence d1 expansion de la couche fluidisée étant mis en oeuvre dans chacune des deux parties du dispositif.

On peut fluidiser le fond de la partie combustion à l'air, celui-ci servant en même temps à apporter l'oxygène nécessaire à la combustion.

20 Suivant une variante, on peut avantageusement ~~ fluidiser le fond de la partie gazéification à la vapeur d'eau. L'utilisation de la vapeur d'eau présente l'avantage de favoriser la gazéification et permet d'augmenter > la teneur en hydrogène du gaz par la réaction : 25 CO + h2o ^=± co2 + h2.

On peut également fluidiser la partie gazéification par des gaz recyclés. Ce dispositif présente l'avantage d'être très économique.

Afin d'éviter totalement le mélange des gaz 30 à produire et des fumées de combustion, on peut suivant un mode particulièrement préféré de l'invention, fluidiser le fond de la partie combustion à la vapeur d'eau et injecter l'air nécessaire à la combustion à un niveau situé au-dessus des orifices de communication. Dans ce 3^ cas, la section de l'appareil doit augmenter avec la st hauteur du dispositif.

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Il est également possible d'injecter de la vapeur et/ou des gaz recyclés dans la partie gazéification par un deuxième conduit situé au même niveau que le conduit d'amenée d'air dans la partie combustion, 5 c'est-à-dire au-dessus des orifices de communication»

Cette façon de procéder permet d'obtenir de manière économiques, des gaz de bonne qualité.

Le dispositif de l'invention comporte avantageusement une alimentation des déchets dans le comparti-10 ment gazéification par une trémie et une vis sans fin. L'injection se fait directement dans la couche, pour limiter la distillation des goudrons. 11 est bien entendu que l'alimentation peut se faire par tout autre moyen connu par les hommes du métier, par exemple, par une vanne 15 papillon, par un lit fluidisé annexe ou par une ligne pneumatique, sans sortir du cadre de la présente invention. L'alimentation peut cependant également se faire dans l'autre partie du dispositif.

Un soutirage des cendres et du sable est prévu 20 dans le fond du compartiment de combustion.

Le dispositif de la présente invention peut également comporter un système de cyclones pour purifier le gaz et recycler les fines susceptibles de contenir encore du carbone.

25 Suivant une variante de l'invention’, deux des compartiments sont munis d'éléments de garnissage, trop lourds pour être fluidisés, en réglant ainsi l'expansion de la couche fluidisée. Dans ce cas, une circulation entre les quatre compartiments devient possible, sans 30 devoir régler finement les débits.

Suivant une autre variante, deux des compartiments peuvent être garnis d'un réseau dense de tubes échangeurs, en réglant ainsi l'expansion de la couche fluidisée. L'effet sur l'expansion de la couche fluidisée 35 est semblable à celui obtenu par le garnissage : y/ l'expansion augmente dans les interstices.

On peut également charger des particules solides 1 catalytiquement actives dans la gazéification, comme par < exemple du MgCO^.

L'invention sera mieux comprise à l'aide des 5 dessins sans toutefois présenter un caractère limitatif de l'invention. Des repères identiques sont utilisés pour représenter des éléments identiques.

- La figure 1 montre le principe des vases communicants auxquels on a appliqué des vitesses de 10 fluidisation différentes, - la figure 2 montre le vase de la figure 1 pour lequel on a permis un débordement, - la figure 3 montre un mode d'exécution à trois compar timents, 15 - la figure 4 montre un mode d'exécution préférés de l'invention en coupe verticale et - la figure 5 montre le même gazogène que celui de la figure 4 dans une vue en plan.

Le principe de base de l'invention est illustré 20 aux figures 1 et 2. Si la vitesse de fluidisation de la branche 2 du vase 1 est plus élevée que celle appliquée à la branche 3, le niveau d'équilibre du lit sera plus élevé que celui de la branche 2. Lorsqu'on abaisse la paroi 4 séparant les deux branches de façon à permettre 25 un débordement (figure 2), les deux niveaux s'équilibrent et provoquent une circulation du solide suivant les flèches.

La figure 3 montre une disposition où les trois compartiments 51, 52 et 53 sont adjacents entre eux.

30 Une bonne circulation et un bon mélange dans le compartiment 51 peut être assuré par la position adéquate de l'injection de gaz ou de l'alimentation. On peut également prévoir des compartiments de forme différente, par exemple hexagonale, ayant tous les mêmes dimensions 35/ etrremplissant les conditions déjà citées ci-dessus.

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Un mode particulièrement préféré de l'invention est représenté aux figures 4 et 5. Le gazogène comporte quatre compartiments, dont deux sont affectés à la combustion et les deux autres à la gazéification. Au sein de chaque 5 partie, les deux compartiments sont .portés à des vitesses de fluidisation différentes ce qui provoque la circulation suivante ï les particules solides passent du compartiment 1 (combustion) vers le compartiment 2 (combustion) par débordement parce que la vitesse de fluidisation de 1 est supérieu-10 re à celle de 2? les particules solides passent du compartiment 2 vers 3 par le fond 5, de 3 vers 4 par débordement puisque la vitesse de fluidisation de 3 est supérieure à celle de 4, et de 4 vers 1 par le fond 6.

Les gaz de combustion sont évacués par le conduit 15 7 et les gaz de fluidisation par le conduit 8 ce qui permet de les séparer.

Pour éviter totalement le mélange des gaz à produire et des fumées de combustion, on peut suivant ce mode particulièrement préféré de l'invention, fluidiser le fond 9 20 de la partie combustion 1, 2 à la vapeur d'eau et injecter l'air nécessaire à la combustion à un niveau 11 situé au-dessus des orifices de communication 5,6. Dans ce cas, la section de l'appareil doit augmenter avec la hauteur du dispositif. Sur les figures 4 et 5 on voit également que l'on 25 peut injecter de la vapeur et/ou des gaz recyclés dans la partie gazéification par le fond et par un deuxième conduit 12 situé au même niveau que le conduit d'amenée d'air 11 dans la partie combustion, c'est-à-dire au-dessus des orifices de communication 5,6. Cette façon de procéder permet d'obte-30nir, de manière économique, des gaz de bonne qualité.

Comme il est" de pratique courante, le dispositif de l'invention comporte avantageusement une alimentation 13 des ! déchets dans le compartiment gazéification par une trémie et une vis sans fin. L'injection se fait directement dans la 35 couche pour limiter la distillation des goudrons. Il est bien / entendu que 1.' alimentation peut se faire par tout autre moyen » - '^ίΗΙ

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connu en soi, par exemple par une vanne papillon ou un 1 lit fluidisé annexe. 1

On doit également prévoir un soutirage des cendres ! et du sable par le fond du compartiment de combustion. Les 5 cendres peuvent être tamisées et le sable peut être réinjecté dans le compartiment combustion afin de jouer le rôle de volant thermique comme déjà noté précédemment.

Le dispositif de la présente invention peut également comporter un système de cyclones (non représenté sur les 10 figures) pour purifier le gaz et recycler les fines susceptibles de contenir encore du carbone.

Les distributeurs de gaz sont ceux utilisés couramment dans les lits fluidisés simples comme par exemple des plaques perforées, des plaques à cloche, des tubes perforés..etc.

15 Les tubes perforés permettent toutefois une évacuation plus facile des cendres, surtout lorsque des mâchefers se forment.

Ceux-ci peuvent encore passer entre les tubes de distribution.

Afin d'encore améliorer le transfert thermique de la combustion vers la gazéification, on peut charger des 20 particules solides catalytiquement actives dans la gazéification, comme par exemple du MgCO^. Vers 900°C, dans la partie combustion, la dolomie se décompose en MgO et (X^·

Vers 700°C, lors de la gazéification, ces deux composés réagissent pour former du carbonate en libérant de l'énergie.

25 L'emploi du MgCO^ permet donc d'une part d'augmenter la quantité de chaleur transférée à la partie gazéification et d'autre part d'éliminer une partie du COj des gaz produits par la gazéification, en augmentant ainsi le pouvoir calorifique de ce gaz.

30 On remarque donc que ce nouveau dispositif bénéficie des avantages obtenus par les procédés travaillant en lit fluidisé tout en maintenant une plus grande compacité et un meilleur transfert calorifique; le transfert de chaleur s'effectue par la circulation des particules solides, par la ' 35 paroi de séparation entre les parties combustion et gazéifi cation. En outre,des autres moyens connus en soi pour augmen-I ter le transfert calorifique, comme l'utilisation de MgCO^

Yy ou de tubes échangeurs peuvent également être utilisés.

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111 est bien entendu que tous circuits et dispositifs annexes, couramment utilisés dans ce domaine d'application, peuvent être connectés à ce nouveau dispositif. Par exemple, un circuit annexe permettant l'injection d'un combustible gazeux, 5 liquide ou solide pour démarrer l'installation ou des dispositifs permettant de récupérer la chaleur sensible des fumées de combustion pour fabriquer de la vapeur, pour préchauffer r'air de combustion et/ou pour prétraiter l'alimentation.

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Claims (14)

1. Dispositif gazogène utilisant le principe S»' du lit fluidisé et le système double comportant un 5 dispositif de combustion et un dispositif de gazéification, prévoyant la séparation des fumées de combustion et des produits de gazéification, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une partie gazéification et une partie de combustion, chacune d'elles consistant en au 10 moins un compartiment, ces parties étant adjacentes et communiquant par le fond de manière à assurer un effet de circulation par débordement dû à une différence d'expansion de la couche fluidisée.

2. Dispositif suivant la revendication 1 15 caractérisé en ce qu'il comporte deux parties où l'une d'entre elles consiste en deux compartiments et l'autre en un compartiment, les trois compartiments étant adjacents entre eux, chaque compartiment de la partie comportant les deux compartiments communiquant par le fond 20 avec l'autre partie, un effet de circulation par débordement dû a une différence d'expansion de la couche fluidisée étant assuré entre les deux compartiments de la même partie.

3. Dispositif suivant la revendication 1 25 caractérisé en ce qu'il comporte quatre compartiments, dont deux sont affectés à la partie combustion et les deux autres à la partie gazéification, les parties étant adjacentes et communiquant par le fond et l'effet de circulation par débordement dû à une différence d'expan-30 sion de la couche fluidisée étant mis en oeuvre dans chacune des deux parties du dispositif.

4. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on fluidisé le fond (9) de la partie combustion (1, 2) à l'air servant ien même temps à apporter l'oxygène nécessaire à la combustion. 11

5. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on fluidisé le fond c (10) de la partie gazéification (3f 4) à la vapeur d'eau.

6. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'on fluidisé la partie gazéification par des gaz recyclés.

7. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'on fluidisé le fond (9) 10 de la partie combustion (1,2) à la vapeur d'eau et en ce qu'on injecte l'air nécessaire à la combustion à un niveau (11) situé au-dessus des orifices de communication (5,6).

8. Dispositif suivant l'une des revendications 15 précédentes caractérisé en ce qu'on injecte de la vapeur et/ou des gaz recyclés dans la partie gazéification par . un deuxième conduit (12) situé au-dessus des orifices de communication (5, 6).

9. Dispositif suivant l'une des revendications 20 précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une alimentation (13) des déchets dans la partie gazéification par une trémie et une vis sans fin.

10. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un soutirage des cendres ' 25 et du sable est prévu dans le fond de la partie de combustion.

10. Revendications 1

11. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un système de cyclones pour purifier le gaz et recycler les fines 30 susceptibles de contenir encore du carbone.

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12. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les compartiments sont munis d'éléments de garnissage trop lourds pour être fluidisés, réglant ainsi l'expansion de la couche 35. fluidisée. r • *

13. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que les compartiments sont garnis d'un réseau dense de tubes échangeurs, réglant ainsi l'expansion de la couche fluidisée.

14. Dispositif suivant l'une des revendicationsq précédentes caractérisé en ce que l'on charge des particules solides et catalytiquement actives dans la gazéification. ---' t.