Réacteur de gazéification de charbon du type à bain de métal liquide

Abstract

 @ Ce réacteur de gazéification de combustibles solides sous forme pulvérisée, du type à bain de métal liquide (5) comprend: une cuve (1) sensiblement cylindrique à section sensiblement oblongue dont les parois latérales (2) et le fond (3) sont revêtus d'un garnissage réfractaire (4), cette cuve comportant en outre un orifice (37) d'évacuation du bain de métal liquide, et un orifice (36) d'évacuation du laitier surnageant sur le bain (5) de métal liquide; un dôme (11) positionné de façon étanche sur la cuve (1) et comportant à sa partie supérieure, au voisinage d'une des extrémités de la cuve, un caisson étanche (16) d'introduction de la lance (17) et, également à sa partie supérieure, mais à l'extrémité opposée de la cuve un orifice (21) de grande section pour l'évacuation des gaz produits, ainsi qu'un orifice (29) à peu près central pour l'introduction d'éléments d'additions; et des moyens de refroidissement (8, 9, 10a à 10e, 6, 13, 14, 15) des parois latérales et du fond de la cuve ainsi que du dôme.

Description

[0001] La présente invention est relative à un réacteur de gazéification de charbon du type à bain de métal liquide.

[0002] On connaît déjà des réacteurs de gazéification de charbon dans lesquels on injecte du charbon pulvérisé à travers un bain de métal liquide à l'aide de tuyères placées dans le fond d'un réacteur dont les parois intérieures sont revêtues d'un garnissage réfractaire destiné à supporter les contraintes engendrées par le métal liquide.

[0003] Ces réacteurs sont d'une construction analogue à celle des convertisseurs d'aciérie et ils sont munis de tourillons permettant un basculement autour d'un axe horizontal notamment pour des raisons d'accès régulier indispensable pour l'entretien des tuyères et la réfection du revêtement réfractaire.

[0004] Un premier inconvénient de ce type de réacteur réside précisément dans la conception à basculement qui est nécessaire et qui ne permet pas de construire des cuves de grand diamètre garnies d'un revêtement réfractaire épais et convenablement refroidi, en raison du poids inhérent à ces caractéristiques.

[0005] Le manque de refroidissement combiné à l'épaisseur relativement faible du revêtement réfractaire des réacteurs basculants, conduit à une usure rapide de ce dernier qui nécessite des réfections fréquentes préjudiciables à la disponibilité de fonctionnement de l'appareil et à son coût d'exploitation.

[0006] Il est, en outre, difficile d'assurer une bonne étanchéité des réacteurs basculants de sorte qu'il peut se produire des entrées d'air ou des pertes de gaz et que l'accroisseirent de la pression de fonctionnement, qui serait favorable au fonctionnement de l'appareil et à son économie, est limité.

[0007] Par ailleurs, la capacité de gazéification d'une tuyère étant limitée, l'installation de nombreuses tuyères pour une unité industrielle complique la réalisation technologique de la distribution du charbon et des gaz entre les tuyères.

[0008] Les tuyères de fond provoquent un excellent brassage des divers réactifs, mais entraînent en contre partie une usure rapide du garnissage réfractaire qui, en particulier sur le fond, dans la zone des tuyères, ne peut être très épais en raison de la conception à basculement de l'ensemble et qui ne comporte pas de refroidissement efficace comme indiqué précédemment.

[0009] Enfin les tuyères elles-mêmes doivent être efficacement refroidies, en général par un hydrocarbure liquide ou gazeux ou encore par un gaz liquifié (C0₂), le coût de cet agent de refroidissement augmentant très sensiblement le prix de revient du gaz produit à partir de charbon.

[0010] On connaît par ailleurs des réacteurs de gazéification de charbon sur bain de métal liquide dans lesquels on injecte du charbon pulvérisé au moyen d'une lance dont le jet est projeté sur la surface du bain, mais ces réacteurs restent également du type à basculement et ont les mêmes inconvénients que ceux indiqués précédemment qui limitent la rentabilité et l'efficacité ; en particulier leur volume intérieur trop faible ne permet pas au gaz d'atteindre l'équilibre des réactions et par ailleurs nuit à la bonne tenue des réfractaires an niveau du ventre.

[0011] En outre, la surface trop faible de l'interface entre le bain de métal liquide et le laitier produit par la fusion des cendres, ne permet pas une bonne décantation des billes de métal dans le laitier et provoque une perte de métal liquide coûteuse et préjudiciable à la bonne valorisation de ce même laitier.

[0012] La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un réacteur dont la disponibilité de fonctionnement soit plus grande, l'exploitation plus simple et plus continue et qui produise un gaz de haute qualité ainsi qu'un laitier issu des cendres, valorisable.

[0013] Elle a ainsi pour objet un réacteur de gazéification de combustibles solides sous forme pulvérisée, du ty- ^pe comprenant une enceinte contenant un bain de métal liquide et une lance d'injection du combustible située à la partie supérieure de l'enceinte, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve sensiblement cylindrique dont la section par un plan perpendiculaire aux génératrices a une forme oblongue, comportant des parois latérales et un fond revêtus d'un garnissage réfractaire, et délimitant un orifice d'évacuation du laitier surnageant à la surface du métal et un orifice d'évacuation du métal ; un dôme reposant à joint étanche sur la cuve et délimitant au moins un orifice d'introduction d'au moins une lance verticale à travers un caisson étanche, un orifice de grande section pour l'évacuation des gaz produits dans le réacteur, ces deux orifices étant disposés respectivement au voisinage des extrémités opposées du réacteur,ainsi qu'un orifice pour l'introduction d'éléments d'addition ; des moyens étant prévus pour refroidir les parois latérales et le fond de la cuve ainsi que le dôme, la cuve comportant au moins une partie de fond en forme de plan incliné, de sorte que la profondeur du bain de métal soit maximale dans la zone située au-dessous de la lance et minimale dans la zone située au-dessous de l'orifice d'évacuation des gaz.

[0014] L'invention sera décrite ci-après à l'aide du dessin annexé qui en représente seulement un mode de réalisation.

[0015] La Fig. Unique est une vue en perspective avec coupe partielle du réacteur selon la présente invention.

[0016] Le réacteur de gazéification représenté à la Fig. Unique est constitué d'une cuve (1) en acier de forme sensiblement cylindrique à section oblongue dont la paroi latérale (2) et le fond (3) sont munis sur leur face intérieure d'un garnissage réfractaire (4).

[0017] Ce garnissage réfractaire est à double épaisseur au niveau inférieur de la cuve, c'est-à-dire au moins dans la zone en contact avec le bain de métal liquide (5), constituant le creuset.

[0018] Le fond (3) de la cuve est refroidi à l'aide d'un réseau de tubes (6) de circulation d'un fluide de refroidissement qui sont noyés dans une couche (7) de revêtement réfractaire, telle qu'un béton réfractaire, située entre le garnissage réfractaire (4) et la paroi du fond (3).

[0019] La paroi latérale (2) de la cuve est doublée le long de sa surface extérieure par une enveloppe (8) de forme ondulée délimitant avec le blindage de la cuve des canaux (9) de circulation d'un fluide de refroidissement, qui communiquent avec un circuit extérieur de refroidissement par les orifices 10a, lOb, 10c, 10d, 10e, etc... Ce circuit est mis en circulation forcée et pressurisée par des moyens non représentés.

[0020] La cuve (1) est surmontée d'un dôme (11) également muni sur sa face interne d'un garnissage réfractaire (12), la liaison entre le dôme (11) et le bord supérieur de la cuve (1) étant assurée de façon étanche. Un canal (13) formant une gouttière circule le long de la paroi externe du réacteur au niveau de la jonction dôme (11) - cuve (1) pour récupérer le fluide de refroidissement envoyé par ruissellement à partir de rampes d'aspersion (14, 15) placées à la partie supérieure du dôme.

[0021] Le dôme (11) comporte à sa partie supérieure, verticalement au-dessus du grand diamètre de section de la cuve, un orifice 16a surmonté d'un caisson étanche (16) d'introduction d'une lance (17), en une position en ^projec- tion, proche de la paroi latérale, c'est-à-dire d'une extrémité du grand diamètre.

[0022] Ce caisson (16) est reçu sur un siège (18), l'étanchéité entre le siège (18) et le caisson (16) étant assurée par un joint mécanique. Le siège (18) est refroidi intérieurement par un réseau circulaire de tubes (19) de circulation d'un fluide de refroidissement noyés dans un garnissage réfractaire (20) placé le long de la paroi interne du siège.

[0023] Par ailleurs, pour assurer l'étanchéité au niveau de l'orifice d'introduction de la lance (17), mobile en translation verticale par des moyens non représentés, le caisson (16) est pressurisé par insufflation d'un gaz inerte tel que de la vapeur d'eau ou du gaz carbonique.

[0024] Le dôme (11) comporte également à sa partie supérieure, un orifice (21) d'évacuation des gaz produits, de grand diamètre, cet orifice étant centré, en projection sur le grand diamètre de la cuve, en une position relative proche de l'extrémité opposée à celle où se trouve la lance (17). L'orifice (21) est coiffé de façon étanche par un conduit d'évacuation (22), qui dans le mode de réalisation représenté, est une chaudière à haute pression à rayonnement direct de forme tronconique. Cette chaudière (22) est reçue sur un siège (23) prévu à la partie supérieure du dôme qui est refroidi, comme le siège (18), par un réseau de tubes circulaires (24) noyés dans un garnissage réfractaire (25).

[0025] Cette chaudière (22) est constituée de tubes (26) accolés et soudés reliés à leur entrée inférieure à une circulaire (27) d'alimentation en eau surchauffée sous pression à 40-60 bars.

[0026] Le dôme (11) comporte encore à sa partie supérieure une goulotte (28) d'introduction d'éléments d'addition qui débouche par un orifice (29) ménagé à travers le garnissage réfractaire dans le volume intérieur de la cuve. La goulotte (28) est située entre le caisson (16) et la chaudière (22) et est inclinée de telle sorte que les éléments d'addition atteignent le bain de métal liquide (5) dans la zone d'impact du jet issu de la lance (17).

[0027] La lance (17) est constituée d'un tube à quadruple enveloppe délimitant quatre espaces annulaires concentriques.

[0028] Un jet (30) de charbon pulvérisé contenant éventuellement des additifs et transporté à la vapeur, est envoyé sur la surface du bain de métal liquide (5) par le conduit cylindrique central de la lance. On envoie par l'espace annulaire immédiatement adjacent au conduit central, de l'oxygène et de la vapeur d'eau, ces gaz étant projetés dans la zone de dépression du bain créée par l'impact du jet (30), à travers des orifices (31), les espaces annulaires les plus extérieurs de la lance (17) étant destinés à une circulation du fluide de refroidissement de la lance.

[0029] Selon une caractéristique essentielle de la présente invention, le fond de la cuve comporte une zone (32) en forme de plan incliné dans la partie non exposée à la dépression créée sur la surface du bain de métal liquide (5) par le jet (30) de charbon pulvérisé issu de la lance.

[0030] Ce fond incliné délimite deux zones distinctes du bain de métal liquide (5), une première zone à profondeur plus importante pour les réactions chimiques de gazéification du charbon avec brassage intense, et une seconde zone (32) à profondeur se réduisant graduellement ayant une fonction d'équilibrage des réactions et de décantation entre le métal et laitier.

[0031] On peut en outre loger sous la partie (32) du fond en forme de plan incliné un dispositif (33) de brassage électromagnétique favorisant la décantation du bain (5) par circulation selon le trajet de la flèche (34).

[0032] Une couche de laitier (35) surnage au-dessus du bain de métal (5), et est périodiquement, et de façon réglable, évacuée par un trou de coulée (36) situé à l'extrémité de la zone du bain à faible profondeur au niveau de la couche du laitier.

[0033] Un trou de coulée (37) du métal du bain est ménagé à l'extrémité opposée du trou de coulée (36) du laitier dans la zone de grande profondeur et a la partie inférieure du creuset.

[0034] Le bain est constitué d'un métal dans lequel le carbone peut exister à l'état dissous et est, par exemple, de la fonte dont on règle les caractéristiques ^physico- chimiques par des éléments d'addition en fonction de la température de fonctionnement.

[0035] La cuve (1) non-basculante du réacteur est montée sur un chassis métallique (38). L'ensemble peut être déplacé en translation horizontale par des moyens non représentés.

[0036] Le fonctionnement du réacteur est le suivant :

On introduit de la fonte solide et/ou des ferrailles, ainsi que du ferro-silicium et du coke, puis on souffle par la lance de l'oxygène et du charbon pulvérisé qui est enflammé.

[0037] Au stade du démarrage, les gaz produits sont des gaz oxydés sans valeur qui sont éliminés. Le bain de fonte liquide se forme et on ajoute par la goulotte, en plus de la chaux en poudre admise dans le jet de charbon pulvérisé, des éléments d'addition en roches tels que des flux et des fondants, éventuellement de la chaux, de la dolomie, des ferrailles et ferro-alliages.

[0038] Lorsque le bain est établi à une composition et une température déterminées, on augmente l'injection de charbon pulvérisé et on règle la hauteur de la lance à sa position optimale, ni trop haute pour ne pas obtenir un gaz oxydé par l'oxygène qui s'échappe, ni trop basse pour ne pas être dégradée par le métal en fusion. La gazéification de charbon est alors conduite en régime continu compte tenu des équilibres thermodynamiques et chimiques.

[0039] Une caractéristique importante du réacteur de la présente invention réside dans le volume libre important situé au-dessus du bain de métal liquide, favorable à l'établissement des équilibres gazeux réactionnels pour l'obtention d'un gaz de bonne qualité.

[0040] Ainsi le réacteur selon la présente invention, grâce à sa position fixe, c'est-à-dire non basculante, peut être doté d'un refroidissement de meilleure qualité et d'une plus grande épaisseur de revêtement réfractaire qui conditionnent la longévité et donc la disponibilité de l'installation qui peut produire du gaz de façon quasi interrompue.

[0041] Compte tenu des dimensions importantes du réacteur, la quantité de métal liquide contenue dans le réacteur est plus importante et permet donc d'obtenir une capacité de gazéification unitaire supérieure sans provoquer une usure excessive des réfractaires.

[0042] Par ailleurs, la grande surface libre du bain de métal liquide permet un temps de séjour de laitier plus important et donc une meilleure obtention des équilibres réactionnels chimiques, et une meilleure décantation des billes de métal entraînées par le laitier.

[0043] La variation de profondeur du bain permet en outre d'installer une zone à fort brassage mécanique du à l'impact du jet de lance, où les réactions sont plus rapides, et une zone relativement calme de décantation au-dessus du plan incliné (32).

[0044] On peut noter que la diminution de la profondeur du bain, outre l'effet favorable exercé sur la décantation, permet de diminuer le poids du métal liquide présent dans le réacteur pour une profondeur donnée nécessaire à l'endroit de l'impact du jet et donc d'alléger les structures porteuses.

[0045] La zone de décantation ainsi créée permet d'obtenir, par simple coulée, un laitier bien décanté dont le débit d'évacuation peut être réglé et autorise un traitement par granulation en vue de la préparation de clinkers valorisables en cimenterie.

[0046] Le réacteur selon l'invention peut fonctionner, grâce à son étanchéité, en allure pressurisée et donc accroître son rendement unitaire et sa rentabilité.

Revendications

1. Réacteur de gazéification de combustibles solides sous forme pulvérisée, du type comprenant une enceinte contenant un bain de métal liquide et une lance d'injection du combustible située à la partie supérieure de l'enceinte, caractérisé en ce qu'il comprend : une cuve (1) sensiblement cylindrique dont la section par un plan perpendiculaire aux génératrices a une forme oblongue, comportant des parois latérales (2) et un fond (3) revêtus d'un garnissage réfractaire (4), et délimitant un orifice (36) d'évacuation du laitier surnageant à la surface du métal et un orifice (37) d'évacuation du métal ; un dôme (11) reposant à joint étanche sur la cuve et délimitant au moins un orifice (16a) d'introduction d'au moins une lance verticale (17) à travers un caisson étanche (16), un orifice (21) de grande section pour l'évacuation des gaz produits dans le réacteur, ces deux orifices étant disposés respectivement au voisinage des extrémités opposées du réacteur ainsi qu'un orifice (29) pour l'introduction d'éléments d'addition ; des moyens (8, 9, lOa-10e, 6, 13, 14, 15) étant prévus pour refroidir les parois latérales (2) et le fond (3) de la cuve ainsi que le dôme (11), la cuve (1) comportant au moins une partie de fond (3) en forme de plan incliné, de sorte que la profondeur du bain de métal liquide soit maximale dans la zone située au-dessous de la lance (17) et minimale dans la zone située au-dessous de l'orifice (21) d'évacuation des gaz.

2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un dispositif de brassage électromagnétique (33) est placé sous la partie (32) en forme de plan incliné du fond (3) de la cuve (1).

3. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fond de la cuve (1) est refroidi à l'aide d'un réseau de tubes (6) de circulation d'un fluide de refroidissement qui sont noyés dans une couche (7) de revêtement réfractaire située entre le garnissage réfractaire (4) et le fond (3).

4 . Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi latérale (2) de la cuve comporte le long de sa face externe une double enveloppe (8) de forme ondulée délimitant des canaux (9) de circulation d'un fluide de refroidissement sous une forme forcée et pressurisée.

5 . Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le refroidissement du dôme est assuré par le ruissellement d'un fluide distribué à partir de rampes d'aspersion (14, 15), le fluide étant collecté par une gouttière (13) circulant le long de la paroi externe du réacteur au niveau de la jonction dôme-cuve.

6 . Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le caisson étanche (16) est reçu à joint étanche sur un siège (18) re- frodi intérieurement par un réseau de tubes (19) de circulation d'un fluide de refroidissement noyés dans un garnissage réfractaire (20) placé le long de la paroi interne du siège (18).

7 . Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'orifice (21) d'évacuation des gaz produits est coiffé de façon étanche d'une chaudière (22) à haute pression à rayonnement direct.

8 . Réacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chaudière (22) est constituée úe tubes (26) accolés définissant un volume de rayonnement intérieur tronconique, ces tubes (26) étant reliés à leur entrée inférieure à une circulaire d'alimentation (27) en eau surchauffée, la chaudière (22) étant reçue à joint étanche sur un siège (23) refroidi intérieurement par un réseau de tubes (24) de circulation d'un fluide de refroidissement noyés dans un garnissage réfractaire (25) placé le long de la paroi interne du siège (23).

9 . Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une goulotte (28) inclinée débouche dans un orifice (29) d'introduction des éléments d'addition de façon que ces derniers atteignent le bain (5) de métal liquide dans la zone d'impact du jet (30) issu de la lance (17).

10. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lance (17) d'injection est constituée d'un tube à quadruple enveloppe délimitant quatre espaces concentriques séparés, l'espace central servant à l'injection de charbon pulvérisé transporté par un gaz neutre, l'espace immédiatement adjacent servant à l'injection d'oxygène et de vapeur et les espaces extérieurs à la circulation d'un fluide de refroidissement.

Dessins