CA1253342A - Produit fluide a vocation energetique et son application a l'alimentation d'une chambre de reaction en matiere combustible - Google Patents

Abstract

Un produit fluide à vocation énergétique contenant une matière combustible solide finement divisée mise en suspension dans au moins une phase liquide, et susceptible d'être mis en circulation dans une conduite d'alimentation d'une chambre de traitement et couvre également un dispositif de préparation et une application particulière de ce produit. Les particules solides sont dispersées de façon homogène à l'intérieur d'une mousse stable réalisée par mélange d'une phase gazeuse avec la phase liquide additionnée de produits stabilisants et émulsifiants, et que la phase liquide est constituée uniquement par de fines pellicules reliant entre elles les particules solides et limitant des bulles gazeuses qui occupent les espaces entre les particules solides. L'invention s'applique spécialement a l'alimentation en matière combustible d'une chambre de combustion ou d'un réacteur de gazéification du charbon.

Description

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L'invention a pour objet un produit 1uide à vocation énergétique contenant une matière conbustible finement divisée, un dispositif de prépa-ration d'un tel produit et une appiication particulière du produit ~ l'ali-mentation en matière combustible d'une chambre de réaction.
On connait divers procédés de combustion ou de gaz~ification uti-lisant une chambre de réaction alimentée en matière conbustible ~olide tel-le que du charbon finement divisé.
Le combustible doit normalement être introduit de façon continue dans la chambre de réaction et il est utile, à cet effet, de le préparer sous forme d'un produit fluide susceptible d'être véhiculé dans des condui-tes d'alimentation par des moyens simples. On peut utiliser par exemple un transport pneumatique, les particules étant mises en suspension dans un cou-rant d'air, mais il en résulte un risque d'auto-inflammation et d'explo-sion. Si l'on ne dispose pas de gaz inerte à bon marché, on préf~re généra-lement disperser les particules dans une phase liquide pour former un m~lan-ge ayant la consistance d'une boue et pouvant être véhicul~ par exemple au moyen d'une pompe volumétrique. Généralement, le charbon est mis en suspen-sion dans de l'eau mais, dans ce cas, on retarde les réactions de combus-tion, ce qui oblige à accroitre les chambres de combustion et on diminue fortement le rendement thermique de la réaction puisqu'une partie impor-tante de l'énergie fournie ne sert qu'à vaporiser l'eau. On cherche donc à
diminuer autant que possible la proportion d'eau par rapport à la propor-tion de matière solide. Cependant, à mesure que la concentration en solide augmente la viscosité du produit augmente ~galement et l'on doit utiliser plu8 d'énergie pour le pompage du produit. La viscosité du mélange pour une proportion minimale d'eau peut etre diminuée au moyen d'additifs chimiques mais ceux-ci sont onéreux et en outre peuvent être corrosifs.

On a aussi envisagé de jouer sur la granulométrie des particules solides car on sait que l'on obtient un mélange plus dense en utilisant des particules appartenant à au moins deux intervalles dimensionnels. On est alors amené à ajouter aux particules normalement employ~es d'autres particu-les, plus fines, en des proportions déterminées, mais la constitution de tels mélanges à granulométrie multimodale est onéreuse et de toutes façons, la quantit~ de matière solide contenue ne peut dépasser 70 à 75 X selon la l;~S33~;~

nature du solide.
Or la valorisation du combustible est d'autant plus efficace que sa granulometrie est fine puisque le temps ne-cessaire à la reaction est fonction de la dimension des grains.
Il est donc intéressant de chercher a utiliser des combustibles de granulometrie aussi fine que possible, ce qui interdit l'utilisation de filtres et conduit a reduire au maximum la teneur en liquide sans at-teindre cependant une compacite qui interdirait le pompage en vue de l'introduction du melange dans le reacteur.
Le problème de l'introduction de la matiere com-bustible dans un réacteur est encore compliqué par le fait que le rendement de la réaction est meilleur lorsque le réacteur fonctionne sous pression, ce qui impose de mettre également le produit sous pression si l'on désire l'intro-duire dans le reacteur en continu. Les difficultes d'intro-duction d'un melange peu humide sont alors augmentées.
Il resulte de ces difficultes que, jusqu'à present, les produits fluides realisés pour l'alimentation de réacteur en matière combustible contiennent généralement une propor-tion de liquide d'au moins 30~. Bien entendu, on peut dimi-nuer les inconvénients énergétiques de l'utilisation d'une telle proportion de phase liquide si celle-ci est constituée par un combustible liquide mais, dans ce cas, on diminue également l'intérêt économique du procédé.
L'invention a pour objet un nouveau produit fluide à vocation énergétique dans lequel la proportion en poids de phase liquide par rapport à celle des particules solides est sensiblement diminuée par rapport au produit connu et qui permet en outre d'utiliser des particules très fines.
Selon la présente invention, il est prevu un produit fluide a vocation énergétique contenant une matière combustible solide finement divisée mise en suspension dans au moins une phase liquide, .. ~.,~

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caractérisé par le fait que la matière combustible solide est constituée par un charbon pulvérisé
et la proportion en poids de la phase solide dépasse 75~, les particules solides de la matière combustlble sont dis-persées de façon homogène à l'intérieur d'une mousse stableréalisée par mélange d'une phase gazeuse avec la phase liquide additionnée de produits stabilisants et émulsifiants, et que la phase liquide est constituée uniquement par de fines pellicules reliant entre elles les particules solides et limitant des bulles gazeuses qui occupent les espaces entre les particules solides.
De préférence, le produit stabilisant est une carboxyméthylcellulose et le produit émulsifiant un tensio-actif du genre alkylarylsulfonate.
La phase gazeuse peut être un gaz neutre, un gaz comburant ou bien un gaz combustible.
Selon la présente invention, il est également prévu un dispositif de préparation d'un produit fluide contenant une forte proportion de matière combustible solide finement divisée, caractérisé par le fait qu'il comprend n moyen de préparation d'une mousse stable par incorpora-tion d'une phase gazeuse dans une phase liquide additionnée de produits émulsifiants et stabilisants et un moyen de dispersion homogène des particules de matière combustible à l'intérieur de la mousse ainsi préparée.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux le moyen de dispersion homogène des particules solides dans la mousse comprend un mélangeur à double vis comportant, à l'intérieur d'un fourreau cylindrique allongé, un agitateur en forme de ruban hélicoidal entrainé en rota-tion autour de l'axe dans un sens déterminant l'avancement de l'amont vers l'aval et sur la périphérie du fourreau de la mousse introduite par un orifice placé à l'extrémité

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amont, le ruban hélico;dal entourant un espace libre axial dans la partie amont duquel pénètre un doseur à vis pour l'introduction d'un débit déterminé de particules solides.
Selon la présente invention, il est également prévu un procédé d'alimentation d'une chambre de réaction par une matière combustible solide finement divisée mise en suspension dans au moins une phase liquide pour former un produit fluide susceptible d'être mis en circulation dans une conduite d'alimentation débouchant dans la chambre de réaction, caractérisé par le fait que l'on disperse de façon homogène les particules de matière solide dans une mousse stable réalisée par melange d'une phase gazeuse avec la phase liquide additionnée d~un produit stabilisant et d'un produit émulsifiant et ne contenant que la quantité
de phase liquide nécessaire à la formation des pellicules reliant entre elles les particules solides et limitant des bulles gazeuses occupant les espaces entre les parti-cules, ladite mousse étant ensuite mise en circuIation dans la conduite d'alimentation de la chambre de réaction.
De préférence, on réalise tout d'abord une mousse par brassage énergétique de la phase liquide avec la phase gazeuse et que l'on disperse ensuite les particules solides dans la mousse ainsi préparée, celle-ci pouvant être stockée à l'avance pour une utilisation ultérieure.
De préférence, avant son introduction dans la chambre, le produit fluide est soumis à une augmentation de pression susceptible d'augmenter la proportion de matière solide par unité de volume jusqu'à une pression inférieure à la pression limite à partir de laquelle le volume du produit comprimé reste constant.
De préférence, on prépare le produit fluide en un endroit éloigné du lieu d'utilisation, la chambre de réaction étant reliée au dispositif de préparation par un circuit d'alimentation de grande longueur.

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-4a-La description suivante d'un mode de réali-sation particulier donné à titre d'exemple non limitatif et représenté sur les dessins annexés, permettra de mieux comprendre l'invention.
La figure 1 est un schéma représentant à
grande échelle un échantillon du produit.
La figure 2 est un schéma du produit après compression ~, /

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jusqu'à la pression limite.
La figure 3 represente schématiquement u~e instal-lation de preparation et d'utilisation du produit.
~ La figure 4 représente schematiquement un autre exemple d'installation de preparation et d'utilisation du produit.
Sur la figure 1 on a represente schematiquement un echantillon du produit 1 qui est constitue d'une mousse formee de bulles 11 limitees par des particules de liquide 12 en forme de menisque et à l'interieur de laquelle sont dispersees de façon homogene des particules solides 13 reliee entre elles par les pellicules liquides 12. Sur le dessin les particules solides 13 ont eté symbolisées par des spheres mais peuvent évidemment avoir des formes quelconques. La largeur moyenne des grains est de l'ordre de 50 microns mais peut même descendre au-dessous de 20 microns. Les bulles gazeuses 11 peuvent avoir des dimensions de l'ordre d'un millimetre mais peuvent également être plus petites. L'utili-sation des bulles fines permettant d'augmenter la proportion de particules solides incorporees dans la mousse.
On voit que, dans un tel prodult, la phase liquide est constituee uniquement par les pellicules 12 de liaison entre les particules 13 et que, par conséquent, la proportion en poids du liquide dans le produit peut être très reduite.
Cependant, etant donne que les particules sont eloignees les unes des autres par les bulles, le melange est pompable et peut être vehicule a l'interieur de conduites par tout moyen connu et il se comporte comme un fluide compressible.
Sur la figure 3, on a donne à titre d'exemple un schema de preparation d'un tel produit. La phase liquide, par exemple de l'eau, est introduite dans un bac 2 dans lequel elle est brassee energiquement avec un produit epaississant 21, introduit par un dispositif de dosage et qui permet de realiser une sorte de gel 20. Celul-cl est alor~ condult dans :: .

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un deuxieme bac 3 dans lequel on introduit egalement de l'eau par une entrée 2~ et un produit émulsifiant du genre tensio actif par une conduite 25. L'ensemble est brassé
énergiquement jusqu'à ce que toute la phase liquide soit émulsionnée avec le gaz présent dans l'enceinte.
La mousse 10 ainsi réalisée est dirigée vers un troisieme bac 4 dans lequel sont déversees les particules solides 13 au moyen d'une tremie doseuse 44. L'ensemble est brassé énergiquement pour disperser les particules solides de façon homogene a l'interieur du produit 1 qui se presente alors schematiquement sous la forme representee sur la figure 1.
Le produit epaississant 21 introduit dans le bac

2 permet de stabiliser l'emulsion en supprimant les ruptures spontanees des pellicules de liquide assurant le cloisonne-ment de la mousse et assure ainsi le maintien en suspension des particules solides. On peut utiliser des produits solu~
bles hygroscopiques non volatils comme la carboxymethylcel-lulose ou bien le glycerol, le dodécane, le polyvinylalcool par exemple.
Le produit émulsifiant 25 est un tensio-actif qui permet d'émulsionner le gaz dans l'eau. On peut utiliser un alkylarylsulfonate ou bien un autre agent moussant connu, par exemple un acide gras saponifié, une amine, de l'ammonium quaternaire un alkylpolyéthoxyétherphosphate etc... .
A titre d'exemple, on a réalisé un produit dans lequel la phase liquide préparée avant l'incorporation du gaz contenait 1% de tensio-actif et 0,2% de stabilisant.
Etant donné que l'écartement des particules solides assurant la fluidité du produit est obtenu par la presence de bulles gazeuses de poids négligeable,- on peut en effet incor-porer dans le produit une proportion très importante en poids de phase solide sans être obligé d'associer des particules de granulométries différentes.

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C'est ainsi que l'on a pu preparer un produit fluide contenant 75% en poids de charbon pulverisé,dont les particules etaient a 80% d'un diamètre inferieur a 80 microns.
Il faut remarquer d'au~re part que, sous forme de bulles gazeuses, la presence d'air dans le melangeur, même en proportion importante, n'est pas dangereuse, puisque les particules de charbon sont enrobees dans les pellicules li-quides limitant les bulles et que celles-ci diminuent les risques d'oxydation des particules pouvant provoquer une elevation de temperature.
Pour utiliser la mousse, on peut la mettre en cir-culation au moyen d'une pompe 27 dans un circuit ferme 28 sur lequel la mousse necessaire est prelevee par des pompes doseuses 29. On peut aussi mettre le circuit 28 sous pres-sion et remplacer les pompes doseuses par de simples van-nes d'admission permettant par exemple d'alimenter les brûleurs d'une chambre de réaction 6.
En effet, selon une caractéristique avantageuse, le produit fluide constitué par la mousse stabilisée peut subir une augmentation de pression qui détermine une dimi-nution de la dimension des bulles et le rapprochement des particules et par conséquent une augmentation de la densite du produit.
Lorsque le produit est a la pression atmospherique, les particules de charbon, dispersées au hasard dans la mousse sont pratiquement sans contact entre elles. Le mélange est alors aisement pompable.
Si l'on augmente la pression P appliquée sur le produit, les particules se rapprochent les unes des autres, les bulles diminuant de diametre. Cependant, le produit reste pompable tant que les particules restent suffisamment écartees les unes des autres.
Il existe donc une pression limite a partir de laquelle, comme on l'a represente sur la figure 2, les 125334;~
- 8rl-particules de charbon s'arrangent suivant un empilement -compact. Dans ce cas, le mélange n'est plus pompable, les frottements entre les particules s'opposant à leurs mou-vements.
Il en resulte que l'accroissement de preæsion applique au produit fluide doit rester inferieur a ~a limite a partir de laquelle le volume specifique du produit ne diminue plus lorsqu'on augmente la pression.
Cette limite d~pend de la concentration en particules solides et peut être determinée soit empiriquement, par une série d'essais, soit par le calcul.
On sait par exemple qu'un empilement compact de répartition granulométrique unimodale comportant 80% de particules de dimension inférieure a 80 microns correspond a une porosité de 0,4 environ. Cela signifie que, dans un empilement compact, le volume occupé par les particules solides est de 60~ de l'ensemble.
Par ailleurs, on a pu déterminer expérimentalement que, pour une proportion de particules solides de 75~ en poids, un kilogramme de produit occupe un volume d'environ deux litres. En assimilant le gaz a un gaz parfait et en appliquant la loi de Mariotte, on peut donc, a partir de ces donnees, déterminer, en partant de la pression atmosphérique, l'aug-mentation de pression limite a partir de laquelle le volume occupé par une masse déterminée de produit ne varie plus.
Par exemple, dans le cas d'un produit a base de charbon, d'air et d'eau et contenant 75% de charbon en poids la pres-sion limite est de l'ordre de 9 bars. On veillera donc, dans le circuit d'utilisation 27, 28 et ~9, a ne pas atteindre cette pression pour laquelle on determinerait l'obstruction définitive des conduites.
Cette pression peut se révéler trop faible pour l'alimentation d'un réacteur de gazéification. Cependant, elle a éte calculee pour un produit préparé a la pression lZS334;~

- 9 r atmospherique et à la temperature ambiante. Or on peut montrer que si le produit est prepare à une pression absolue superieure à la pression atmospherique, par exemple de 5 bars, la pression limite peut atteindre 45 bars. D'autre part, la pression limite est fonction egalement du rapport entre la température d'utilisation et la temperature de pre-paration. Ainsi, dans le cas où le produit est prepare à
20C, on peut augmenter de 10~ la pression limite si, au moment de l'utilisation la temperature est portee à 50C
dans la mesure évidemment, où la mousse reste stable à une telle temperature.
Sur la figure 4, on a represente à titre d'exemple une installation de preparation sous pression d'un produit fluide a base de charbon, d'air et d'eau.
La solution aqueuse preparee, comme dans le cas de la figure 3, par melange de l'eau avec un epaississant puis un emulsifiant, est amenee par une pompe 31 dans un dispositif 3 de preparation de la mousse constitue d'un tube au milieu duquel est place un venturi 30. L'air est insuffle par un compresseur 32 dans le venturi et s'incorpore ainsi à la solution aqueuse pour former une mousse qui est dirige vers le melangeur 4. Celui-ci, qui peut comprendre plusieurs parties en ligne, est constitue essentiellement par un agita-teur en forme de ruban helicoidal 41 entraine en rotation au-tour de son axe par un moteur 42 à l'interieur d'un fourreaucylindrique 4 muni d'un orifice 43 d'introduction de la mousse, place à l'extremite amont dans le sens de circulation du pro-duit resultant de la rotation du ruban helicoidal 41. Ce dernier limite d'autre part un espace axial libre dans le-quel penètre un doseur à vis de type connu, comprenant unetremie munie à sa base d'une vis entrainee en rotation autour de son axe et qui se prolonge dans un tube 45 debouchant dans l'espace libre delimite par le ruban helicoidal 41 dans l'axe du fourreau 4.

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De la sorte, la mousse préparée dans le dispositif

3 et-introduite par l'orifice 43 dans le fourreau'4 est en-trainée vers l'aval le long de la peripherie interne du four-reau par la rotation du ruban 41 et prend en charge le char-bon finement divisé, deverse dans la tremie 44 et qui s'in-corpore donc à l'interieur de la mousse avec un debit réglé
par la rotation de la vis. On peut ainsi obtenir une dis-persion parfaitement homogène des particules solides ~ l'in-térieur de la mousse.
Un tel melangeur peut fonctionner a une pression faible inferieure a la pression limite, par exemple de trois a six bars et alimenter ainsi une cuve principale S maintenue a la pression voulue.
Le produit ainsi preparé peut donc être stocke à
l'avance dans une cuve maintenue sous une pression faible.
Si le produit doit être injecte dans le reacteur sous une pression plus forte, il est interessant de passer par l'intermediaire d'une cuve tampon 51 se trouvant sous une pression superieure a la pression d'utilisation, par exemple dix bars. La cuve tampon 51 est alimentee a partir de la cuve principale 5 par une pompe volumetrique munie d'un dispositif de gavage. En effet, la proportion importante de gaz contenu dans le produit stocké dans la cuve 5 pourrait entrainer un refoulement discontinu et aléatoire. Le dispo-sitif de gavage pourrait être constitué, de façon très sim-ple par une vis d'archimede placée dans le fond de la cuve de stockage 5 et alimentant une pompe volumétrique 52.
A partir de la cuve tampon 51, il est possible d'in-troduire le produit fluide directement dans le réacteur 6 au moyen d'une conduite d'alimentation 61 munie d'une vanne de laminage 62 assurant la détente du produit jusqu'a la pres-sion voulue.
Si la cuve tampon 51 se trouve ~ une pression supé-rieure a la pression d'utilisation, la détente du gaz comprimé

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contenu dans les bulles au moment de llinjection dans le réacteur favorise la pulvérisation du produit fluidq et disperse tres efficacement les particules de charbon dans l'enceinte du réacteur. Compte tenu de la finesse des par-ticules qui peut etre atteinte grace au procédé selan l'in-vention, on obtient une véritable atomisation de la matière combustible dans le réacteur.
D'ailleurs, d'une facon générale, la possibilite d'utiliser, grace à l'invention, du charbon de granulométrie particulièrement fine représente un avantage important, la valorisation du combustible étant d'autant plus efficace que sa granulométrie est fine puisque le temps nécessaire à la réaction est fonction de la dimension des grains.
- On notera aussi que la constitution triphasique du produit, à forte proportion de gaz, diminue les probabilités de chocs des particules contre les parois, puisque les par-ticules sont maintenues a l'intérieur des bulles constituant la mousse et par conséquent diminuent l'érosion des organes d'injection.
Par ailleurs, la possibilité de fabriquer à l'a-vance le produit sous une forme stable, stockable et directe-ment utilisable est un avantage important car elle permet de séparer l'installation de fabrication du produit des utilisa-teurs, ceux-ci n'ayant a prévoir que les dispositifs de mise sous pression et d'injection dans le réacteur d'un produit fluide déja préparé.
En outre, pour une meme teneur en poids de charge solide. L'utilisation d'un produit sous forme de mousse, diminue la perte de charge dans les conduites de transport.
Il pourrait donc être intéressant de préparer le produit com-bustible en un endroit éventuellement très éloigne du lieu d'utilisat-ion, par exemple d'un lieu de production ou d'importation de charbon et de véhiculer le produit mousseux dans une conduite jusqu'a l'ins~allation de combustion qui . .

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pourrait meme etre distante de plusieurs centaines de km.
Grace à la faible perte de charge, la consommation d'éner-gie pour le transport serait réduite.
A titre d'exemple, on a comparé, pour differents débits massiques, les pertes de charge résultant du trans-port dans une meme conduite d'un produit fluide selon l'in-vention et d'un mélange classique charbon-eau contenant la meme proportion de charbon Iconstitué a 80% de particules de diamètre inférieur a 80 microns).
Dans cet exemple, le produit selon l'invention avait la composition (en poids) suivante:
Charbon: 70 %
Eau: 28,5 ~
Tensio-Actif: 1,5 %
Stabilisant: 0,07%
La perte de charge augmente assez peu avec le débit massique puisque dan~s une conduite de diamètre 25,5 mm, elle varie a 0,20 bar/m lorsque le débit passe de 0,10 a 0,25 kg/s.
En revanche, pour un melange charbon-eau classique contenant 70% de particules de charbon, la perte de charge augmente tres rapidement avec le debit et passe de 0,20 a 1,10 bar/m pour les memes debits.
Cette reduction de perte de charge permet donc de transporter sur une longue distance un produit tres concentré
directement utilisable dans le reacteur.
Bien entendu, les dispositions qui viennent d'etre decrites, n'ont ete donnees qu'a titre d'exemple et l'on pourrait utiliser d'autres appareils permettant de realiser une mousse et d'y incorporer des particules solides.
Par ailleurs, si l'on a decrit le produit dans le cas d'un melange charbon eau air, il est bien evident que l'on pourrait utiliser un combustible solide different avec une phase liquide et une phase gazeuse d'autre nature. On notera que, generalement, la proportion de phase liquide doit i2S334~ .

r' être aussi faible que possible puisque l'utilisation d'eau diminue le rendement énergétique et qu'un liquide~combusti-ble est plus onéreux. En revanche, la phase gazeuse est generalement utile a la réaction et l'on pourrait par exemple utiliser comme phase gazeuse soit un gaz comburant soit un gaz combustible. .:

Claims (5)

Les réalisations de l'invention au sujet des-quelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Produit fluide à vocation énergétique contenant une matière combustible solide finement divisée mise en suspension dans au moins une phase liquide, caractérisé par le fait que:
la matière combustible solide est constituée par un charbon pulvérisé et la proportion en poids de la phase solide dépasse 75 Z, les particules solides de la matière combustible sont dispersées de façon homogène à l'intérieur d'une mousse stable réalisée par mélange d'une phase gazeuse avec la phase liquide additionnée de produits stabili-sants et émulsifiants, et la phase liquide est constituée uniquement par de fines pellicules reliant entre elles les particules solides et limitant des bulles gazeuses qui occupent les espaces entre les particules solides.

2.- Produit fluide énergétique selon la re-vendication 1, caractérisé par le fait que la phase gazeuse est un gaz comburant.

3.- Produit fluide énergétique selon la re-vendication 1, caractérisé par le fait que la phase gazeuse est un gaz combustible.

4.- Produit fluide énergétique selon la re-vendication 1, caractérisé en ce que la phase gazeuse est un gaz neutre.

5.- Produit fluide énergétique selon la re-vendication 1, caractérisé par le fait que le produit stabilisant est une carboxyméthylcellulose et le pro-duit émulsifant un tensio-actif du genre alkylarylsul-fonate.