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Coke de bois dur, résistant, à pores fins et à sa stru.oture spongieuse et procède pour/préparation
La présente invention a pour objet du coke de bois dur, résistant, à pores fins et à structure spongieuse ainsi qu'un procède pour sa préparation à partie de charbon de bois, de débris de charbon de bois, et d'éléments ligneux, coke de bois destiné à la métallurgie ou autres usages.
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Etat de la technique
Dans la carbonisation du bois, on obtient princi- palement du charbon de bois, dont presque la moitié tombe en poussière au moment ou on ajoute du bois en quartier-,
De plus la partie obtenue sous forme de morceaux dégage de la poussière et se brise lors de la suite du traitement (trans- port) par suite de la faible résistance et de la grande friabilité du charbon de bois, On ne pouvait pas jusqu'à présent utiliser avec profit cette poussière et dans le cas le plus favorable, on la brulait avec beaucoup de perte dans des chaudières, sur des grilles spéciales ou en mélange ovec du goudron de bois, C'est pour cette prison qu'on n'em- ployait pas le menu.bois,
les déchets de l'industrie fores,-, trère et des scieries (dans leur majeure partie) à la fabri- cation de charbon de bois parce qu'ils donnent un produit dont la chute en poussière est encore plus importante, et que seuls les morceaux de charbon atteignent de bons prix sur le marché.
L-ais, d'autre part, l'emploi de charbon de bois en morceaux est devenu tout à fait secondaire dans tous les domaines ainsi qu'on va l'exposer par exemple au sujet d'un ancien gros consommateur.
Depuis le début du développement des usines métal- lurgisques, on codait l'intérêt de l'emploi de charbon de bois pour la fusion de minerais de fer. On obtient ainsi un fer brut de pureté- extrêmement grande, qui constitue une matière première très appréciée pour la fabrication des aciers les plus fins, et cela grâce à ce fait favorable que le charbon de bois ne contient sensiblement pas de constituant nuisibles, soufre et phosphore, et qu'il se signale en outre par une porosité particulièrement grande et un pouvoir calo- élevé.
Le charbon de bois'possède ainsi au plus haut
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degré auxpoints de vue métallurgique et calorifique toutes les qualités essentielles que l'on exige d'un bon réducteur pour la fusion du minerai de fer. Cependant, son emploi a actuellement disparu, à part quelques petites exeptions.
Seules quelques petites entreprises métallurgiques utilisent encore le charbon de bois. Le développement des hauts four- neaux a en effet exigé du produit réducteur des qualités mécaniques,
La résistance du produit de réduction doit être suffisamment élevée pour qu'il puisse résister à la forte pression des masses que l'on ajoute successivement en cou- ches dans le haut fourneau, sans qu'il soit réduit en miettes ou broyé et rende ainsi l'opération métallurgique impossi- ble. Cette résistance n'est offerte ni par les charbons de bois obtenus dans les fours modernes de distillation du bois par nilles charbons de bois ordinaires qui sont obtenus par le vieux procède, peu pratique, des meules.
C'est pour cette raison que le coke de houille a sensiblement complètement chassé le charbon de bois des usines métallurgiques, qoique les autres qualités du charbon de bois ne soient pas in- férieures, abstraction faite de ce que le coke de houille un peut être obtenu en grande quantité et à/prix sensiblement moindre sur les emplacements miniers actuels. Le charbon de bois commun a en outre certains défauts qui sont parti-ou- lièrement apparents dans son emploi en grande quantité, Il possède, par suite de sa grande porosité et de sa teneur élevée en constituants volatils une trop grande sensibilité de réaction. Par suite la quantité de charbon de bois consommée par quantité unitaire de fer traité est plus élevée que celle du coke de houille.
En outre, la température inégalement répartie dans les meules et ensuite dans les hauts fourneaux également, donne au charbon de bois des propriétés inàgales que l'on peut déjà discerner dans la plupart des cas par
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l'odeur de la Plus grosse partie des nef0eaux de charbon,
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odeur qui provient des sous produits, On ne peut donc pas parler des qualités régulières du charbon de bois ordinaire pour l'emploi en grande quantité, n en est de même pour les autres applications que dans l'exemple cité,
Le procédé selon l'invention remédie à tous les inconvénients cités et permet d'obtenir un produit indus- triel complètement nouveau, sous forme de briquettes, à partir d'une matière qui aujourd'hui n'a plus aucune valeur à part sa valeur calorifique.
Ce produit réunit en lui toutes les qualités du coke métallurgique et du charbon de bois et accroit ainsi l'intérêt économique des installations de distillation du bois en leur donnant la possibilité d'uti- liser pour la carbonisation, non plus seulement des buches choisies provenant de troncs d'arbres mais aussi tous débris de bois qui atteignent annuellement dans certains pays nom- bre de allions de tonnes. D'autre part, on utilise intégra- lement le produit principal, à savoir le charbon de bois mêmequel que soit l'état sous lequel il peut se présenter.
En outre ce procédé assure à l'industrie métallurgique le meilleur réducteur possible pour hauts fourneaux, et rend plus économique la fabrication au charbon de bois du fer brut de grande pureté en vue de la fabrication de l'acier. Enfin ce produit constitue un combustible nouveau, de premier choix pour tous usages industriels et domestiques, ainsi que pour la production de gaz à l'eau.
L'invention repose sur cette constatation que la texture du charbon de bois possède en soi, même après coké- faction, une résistance mécanique suffisante, et que la faible possibilité d'emploi que présente cependant le charbon de bois connu jusqu'à présent provient de ce qu'il est obtenu en tenant compte uniquement des nécessités du traitement calori- figque, La recherche de qualités mécaniques définies exige la préparation de ces qualités avant la cokéfaction.
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L'enseignement de l'invention.
Sachant cela on est conduit par l'invention à façonner au préalable d'une manière déterminée l'armature du coke de bois, à ohtenir, puis à faire suivre ce façonnage d' une cokéfaction appropriée de façon que le squelette résis- tant soit obtenu par le façonnage préliminaire et son agglo- mération de même que sa porosité par la cokéfaction. Par suite,,un enseignement essentiel de l'invention consiste en ce que pour satisfaire à la condition mécnaique d'un coke de bois, solide et réagissant uniformément il faut des mayens mécaniques auxiliaires. Ces moyens consistant en un broyage uniforme du coke de bois, en vue de détruire tout structure fantaisiste des fibres et pores.
Corrélativement, et cela constitue également une caractéristique importante de l'invention, on peut, par le choix des moulins ou broyeurs agir dans de larges limites sur la grosseur des pores ainsi que sur la forme des grains du charbon de bois.. Des broyeurs à boulets donnent un grain tandis plus rond/que des broyeurs à marteauxdonnent au grain une structure beaucoup plus fibreuse. Il en est de même pour la grosseur du grain. Si on ajoute en outre un liant de qualités de cokéfaction connues, en un état de division très poussé et uniforme , la formation des bulles de gaz auxquelles sont dus les pores s'effectue également d'une manière uniforme à l'intérieur de toute l'armature et les bulles ont des dimen- sions similaires.
Il se forme par suite un coke, qui, dans les sections les plus variées présente sensiblement la même quantité de produit dur également réparti sensiblement de façon uniforme dans l'ensemble, c'est là une des conditions essentielles pour une bonne solidité.
Le nouveau coke de bois doit, au point de vue physique, être défini comme une mousse solidifiée et uni- fermement à pores fins.,
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Condoit entendre par "pores" les cavités à l'in- térieur d'une particule seule, donc en premier lieu les cavités cellulaires de la structure ligneuse, les canaux médullaires transformes en corps creux par cokéfaction et les autres cavités naturelles à l'intérieur d'une particule iso- lée ainsi que celles qui y sont produites par la cokéfaction.
Par "cavité intermédiaire"on entendra l'espace entre les points de contact des diverses particules, L'espace libre total l'intérieur du nouveau coke de bois se compose donc dans son ensemble des pores et des cavités intermédiaires.
Les deux types différents des cavités forment ensemble lies- pace libre final que l'on peut mesurer sur le produit fini.
On entendra par "attaches" les points de contact, c'es à dire le point de liaison entre particules de coke voisines. Ce sont les parties, de préférence en liant cokéfié, auxquelles les diverses particules élémentaires adhèrent en vue de former l'ensemble de la briquette ou aggloméré de coke...
Pour arriver à la notion fondamentale décrite ci- dessus, à savoir qu'il était au moins aussi nécessaire de préparer la cokéfaction que d'opérer cette cokéfaction même, il a fallu des études importantes sur la nature de la coké- faction, mais les résultats de ces études ressortent du. domaine des découvertes et on s'abstiendra de les exposer ico,
La sorte de bois utilisée pour être transformé en ' charbon et ensuite en coke est indifférente.
Evidemment la teneur en cendres varie d'une sorte de bois'à l'autre, et en raison de la constitution morphologique différente du tis- su cellulaire, la porosité, la résistance, le pouvoir de réaction, etc, ainsi que la microporosité suivant la texture fibreuse et la densité du tissu cellulaire de la sorte de bois utilisée; de mème les sous produits résiultant de la carboi- snation et de la cokéfaction, Plus le tissu cellulaire du bois
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utilisé est à fibres courtes et serré ou. dense, plus le coke de bois obtenu.est lui aussi solide et à pores finso Le goudron de bois des conifères a plus de valeur que celui des arbres à feuilles et il présente en outre un meilleur pou- . voir agglomérant.
Comme de. simples essais permettent de déterminer les constantes physiques desnouvelles sortes de coke de bois obtenues à partir des différentes matières premières mention- nées ci-dessus, on peut choisir en connaissance de cause les matières de départ pour les différents cas d'utilisation.
Comme matière première pour la fabrication de coke de bois on peut en outre se servir également, suivant l'em- ploi auquel le coke est destiné, d'autres végétaux, plantes, contenant de la cellulose ou du lignose, de même également que des divers éléments constitutifs en provenance éventuelle d'autres fabrications dans les fabriques de cellulose par hydrolise du bois.
L'emploi de lignine se fait de préférence en soumettant tout d'abord la lignine à une carbonisation et on recueille les sous produits de valeur comme l'alocol méthyli- que, l'acide acétique, l'acétone, etc. On procède ensuite avec le charbon de lignine comme décrit ci-dessus au sujet du charbon de bois.
Plus le grain est moulu fin et uniforme, plus la pression d'agglomération èst élevée lors du moulage ainsi que la température de cokéfaction, et plus grandes sont la dureté et la résistance du coke de bois obtenu
L'inventeur a fabrique du coke de bois ayant une résistance à l'écrasement supérieure à deux cents kgs par cm2, c'est à dire une résistance qui dépasse de beaucoup celle des cokes métallurgiques les plus durs, à savoir ceux de Westphalie.
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En. outre, le nouveau coke a une forte ténacité, conditionnée par sa grande résistance à la traction et à la flexion qualité particulièrement précieuse pour l'emploi dans les hauts fourneaux. Les qualités citées entrainent en outre comme conséquence une friabilité très réduite, ce qui a pour résultat que le nouveau coke de bois se fendille mais ne se broyé pas sous l'effet d'une sollicitation mécanique excessive.
Aux essais par chute et par secouage le nouveau coke donne par suite des valeurs excessivement intéressantes.
Basé sur les connaissances acquises, le procédé selon 1'.invention est mis en oeuvre de la manière suivante.
On ajoute dans un mélangeur à de la poussière de charbon de bois, triée lors de la préparation et éventuel- lement moulue, un liant finement divisé comme' du goudron de cornue provenant de la distillation du bois, de la houille, du lignite, de schistes,ou de pétroles, ou formé par le procède même, ou encore un mélange quelconque de ces produit uniformément répartis.
Les additions peuvent s'effectuer sous une forme quelconque. Dans la plupart des cas, il est à recomander de faire cette addition à un degré de dispersio élevé, car elle peut être effectuée avec des appareils par- ticulièrement simples et permet de réaliser un mélange très uniforme. Le élange ainsi préparé est amené à des presses . briquettes et comprime en briquettes de grandeur désirée vivant l'emploi auquel elles sont destinées. On soumet ensuite ces briquettes à une cokéfaction à température élevée de façon connue et dans les conditions ordinaires.
En opérant de oette manière il peut cependant arriver que lors d'un chauffage rapide jusqu'à une tempera ture élevée, les constituatns volatils distillent trop rapidement/et en s'échappant des driquettes amènent même ces der- nieras à éclater, Dans ce cas le liant en soufre également,
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La friabilité croit et la solidité diminue, de sorte qu'un tel coke de bois est exposé à se briser dans certaines cir- constanceso
Pour cette raison il est mieux de procéder couine suit :
Les briquettes de charbon de bois fabriquées comme décrit ci-dessus sont soumises à un chauffage progressif pour les porter à la température de cokéfaction et cela en une opération continue, ou bien elles sont soumises à une cokéfaction continue opérée par paliers dans des fours verticaux, la partie supérieure du four étant chauffée à la température basse nécessaire tandis que l'autre partie est portée à la température élevée, la zone médiane du four étant à une température intermédiaire progressive. Le four peut aussi fonctionner de façon continue, Le coke extrait à la partie inférieure est avantageusement éteint à sec avec des gaz inertes, froids, comme par exemple des gaz de cheminée.
Le nouveau -procède.
Dans le procédé suivant l'invention les opérations se déroulent en détail de la manière suivante.
La poussière fine de charbon de bois et le liant ajouté et réparti de façon uniforme sont malaxés pour en former une bouillie homogène, puis moulés en briquettes à température plus élevée, ce qui rend le dit liant plus fluide, et le fait pénétrer par absorption dans les pores fins des particules de la poussière de bois. Dans l'élévation progres- sive de la température de cokéfaction, la décomposition du liant ainsi que du charbon de bois sous l'action de la cha- leur se poursuit, avec élimination de constituants volatils, et il en résulte suivant la température, des mélanges de différentes combinaisons chimiques. Ces combinaisons sont d'autant plus riches en carbone que la température monte à un degré plus élevé.
Cependant, aucune température, si élevée soit elle, ne permet de séparer et d'obtenir du carbone chi-
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iniquement pur. On ne peut parler que d'un mélange de combi- naisons de carbone de poids moléculaire élavé avec une te- neur en carbone extrêmement élevée. En résumé, on obtient par la cokéfaction un degré de carbonisation plus élevé qui il n'était possible et utilisé jusqu'ici. La répartition absolument uniforme permet d'obtenir,pour les applications, un combustible- parfaitement homogène., consistant et résis- tant, et de pouvoir de réaction parfaitement régulier.
La poix et le goudron qui se trouvent entre les grains du charbon de bois distillent petit à petit quand la température moùta, en formant des pores$, et laissent derrière aux de petites attaches entre les grains du char- bon de bois. Ces petites attaches sont très fortement;, crées dans les pores extrèmement fins du charbon de bois, de sorte qus les grains et-ces squelettes sont lies entre'' eux en une briquette solide et poreuse. Il en résulte clai- rement que plus le grain est fin, c'est-à-dire plus la char- bon de bois est moulu fin, plus la briquette obtenue est solide-, dense, peu poreuse et peu friable.
Par suite, aussi bien pour la fabrication de briquettes pour la fonderie et les aciéries que pour celles destinées à la gazéification dans les moteurs à explosion de. véhicules, un grain fin est avantageux par contre, le grain est plux gros pour la'mé- tallurgie en hauts fourneaux et pour l'usage domestique, par exemple pour le repassage et les grillades.
Quand on donne aux briquettes une forme cylindrique et que les grains sont allongés, on dispose la matièra par couches de manière que les grains aient leur axe longitudi- nal perpendiculaire à la direction suivant laquelle s'effco- tue la pression sur la presse à briquettes.
La briquette de coke de bois acquiert alors, quand on lui donne une telle forme, une résistance différente dans les diverses directions les différences n'étant du reste pas particulièrement grands.r
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On obtient une isotopie, c'est-à-dire une résistance également répartie dans toutes les directions, en don- nant aux briquettes une forme en boule (ovoïde ou ellip- solde), formes que l'on doit même préférer pour des con- sidérations de transport et aussi lorsqu'il s'agit d'u- tilisation en hauts-fourneaux, en raison d'une friabilité encore plus faible.
Lors de l'agglomération et de la formation des attaches entre les grains, les composants volatils que contient encore en grande proportion le charbon de bois jouent le même rôle que le liant ajouté, en ce sens que le coke résiduel qui en provient par cracking au cours du chauffage, en four lie les grains entre eux comme le . coke de goudron et la poix du liant ajouté et renforce la formation du squelette rigide. Par conséquent, plus le charbon de bois renferme de constituants volatils, et' plus parmi ceux-ci la. proportion des constituants lourds est élevée-, moins on a besoin d'ajouter de liants.
C'est là 1-'explication du phénomène connu suivant : vis à vis du charbon de bois obtenu dans les cornues et fours, le charbon de bois courant obtenu par carbonisation à tem- pérature assez élevée, o'est-à-dire le charbon de meules, est plus résistant et à sa dureté est alliée, une ténacité plus élevée. Des' épreuves microphotographiques de coke de bois confirment absolument la théorie de la cokéfaction donnée par l' inventeur. Quand, lors de l' emploi du nouveau coke de bois, on désira une plus grande inflammabilité, la cokéfaction est arrêtée à une ¯température moins élevée et, par conséquent, le charbon de bois n'est pas aussi brûle.
Pour obtenir du coke de bois à pores encore plus fins, c'est-à-dire un combustible. ayant une surface su-
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Perfi0ialle eucora plus grande, on utilise un procédé
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spécial : on arrête la arebonisation du bois à une tempé- rature assez basse pour que les sous produits de valeur, acide acétique, alcool méthylique, soient juste dégagés, et on recueille comme produit de départ pour la cokéfac- tion du "charbon rouge". Ce charbon rouge est extrmement mou. Il constitue véritablement. una masse tenace facile- ment déformable qui deviendra dura par la cokéfaction mais en conservant sa ténacité.
Propriétés du nouveau, produit.
Les épreuves microphotographiques du nouveau coke de bois, comparées aux épreuves microphotographiques de coke de houille ordinaire, montrent nettement le nombre extrêmement important de pores naturels bien conserves à l'intérieur des diverses particules, ainsi que le grand nombre de cavités intermédiaires entre les points de con- tact des diverses particules et enfin, également, le nom- bre important d'attaches aux-points de contact des parti- cules voisines.
Tandis que la quantité de pores et espaces intermédciaires permet de lire immédiatement sur la micro- photographie l'aptitude élevée à réagir résultant d'autres essais, le nombre d'attaches et de cloisons intercellulai- res, ainsi que leur répartition extrêmement régulière sur toute la surface polie examinée, prouve une dureté non en- core obtenue et dont on peut aussi faire la preuve par des essais mécaniques.
Cette dureté et cette résistance élevée résultent, suivant l'invention, de ce que, tout en conser- vant la porosité, la grosseur des particules de coke de bois très friable en soi est diminuée jusqu'à un point tel que cette friabilité n'est plus nuisible tandis qu'il se forme, autour des particules elles-mêmes, par le processus particulier selon l'invention, une armature ou squelette
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serre$ uniformément distribué, et constitué par des attaches relativement dures qui confèrent au produit une. solidité ex- traordinaire dont on peut faire également la preuve par des essais mécaniques.
Naturellement, la pression produite pendant le mou- lage en briquettes du charbon rouge comprima les cellules et on obtient ainsi un grand nombre de pores par unité de volume. De cette façon, dans la suite de l'opération, le coke de bois devient plus compact mais présente une surface de contact encore plus grande. Cette sorte de coke de bois ultra poreux convient au mieux aux applications chimiques en tant que catalyseur ou absorbant de grande efficacité.
Si l'on veut au contraire aller jus qu'à la limite carbonise de la compression et obtenir un corps/absolument compact et non poreux, on procède. comme suit: on part également de char- bon rouge très finement broyé de façon que la structure du tissu cellulaire soit détruite. Cette poussière fine est moulée en briquettes avec un liant et cokéfiée aux tempéra- tures les plus élevées qui correspondent à la fabrication du,graphita artificiel. On obtient ainsi, pour les raisons exposées ci-dessus, d'uniformité intérieure de tout l'ensem- ble, un charbon parfaitement homogène, qui est de loin su- périeur aux charbons d'électrodes courants par sa composi- tion uniforme et son homgénéité.
L'etrême porosité, et par suite le haut pouvoir de réaction de ce coke de bois à grande teneur en carbone, per- . mettent., dans le domaine de la métallurgie, son utilisation à toutes les opérations dans lesquelles la réaction du mi- nerai de far est opérée à de basses températures et, d'autre part, dans les hauts-fourneaux à soufflage d'air froid. Com- me'on peut. ainsi supprimer les réchauffeurs d'air, on voit, clairement que l'emploi du nouveau coke de bois conduit à
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des économies considérables tant dans les installations que dans les frais d'exploitation.
Il vaut la peine d'insister particulièrement sur =- le fait que le tissu cellulaire carbonisé du bois est cen serve d'une manière extrêmement bonne dans presque toutes les particules, c'est-à-dire que la pression de moulages n'a pas comprimé les particules jusqu'à destruction de leur texture interne. Ce fait est important pour l'examen des pores microscopiques. Comme les cavités cellulaires ne sont pas conservées seulement dans la direction visibla sur la surface polie examinée, mais, comme le montre l'é- tude de la surface polie, dans toutes les directions, co'est à-dire dans l'espace, le tissu cellulaire initial du bois des diverses particules subsiste encore dans le coke. La plante engendre du bois autour de son corps pour le soute- nir et le protéger.
Les diverses particules possèdent par suite une grande résistance à l'écrasement en raison de la constitution des cellules du bois établies pour résister aux efforts de compression..
Il faut voir une raison principale de la grande résistance du coke de bois dans la conservation de la tex- ture cellulaire de bois lors de la compression et de la cokéfaction, à quoi s'ajoute encore l'action du liant.
Applications du nouveau procédé et du produit.
Le nouveau procédé convient particulièrement, de par son essence même, aux cycles se déroulant d'une manière. continue et comportant des parties se développant en cir- cuits fermés ou sensiblement tels, ainsi que des réintro- ductions et des ramifications avec interconnections.
Le gaz obtenu pendant la cokéfaction peut servir au chauffage des fours de cokéfaction tandis que, par exem- ple, le goudron éliminé par distillation peut être à non- veau introduit dans le circuit pour servir à nouveau' à
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à l'agglomération. De même, on peut traiter les consti- tuants du bois, comme la lignine que l'on obtient par hy- drolyse. du bois.. soit telle quelle, soit en mélange avec de la poix, du goudron, ou des mélanges de poussières de charbon de-bois avec du goudron ou de la poix, ce qui four- nit également des briquettes particulièrement solides.
Le nouveau charbon de bois se signale encore par une. propriété importante, à savoir que sa.teneur en cons- tituants volatils est réduite au minimum par la haute tem- pérature de cokéfaction, ce qui augmente la température d'inflammation et élimine complètement le danger si gênant -d'inflammation spontanée.
Les liants peuvent être ajoutés vers la fin du broyage., ou bien pendant le transporta par vis hélicoïdale par exemple, de sorte qu'on peut se passer d'un brassage spécial.
Le nouveau coke de bois a la même résistance que le coke métallurgique de houille mais présente le grand a- vantage de ne contenir pratiquement pas de soufre et de phosphore. 'et de n'avoir qu'une teneur en cendres très fai- bla, fonction de la sorte de bois employé. La briquette de coke diffère du charbon de bois ordinaire en ce qu'elle ne se casse pas par suite de sa grande solidité, qu'elle ne produit pas de poussières, qu'elle n'est pas friable, qu' elle est assez dense et ne renferme presque pas de consti- tuants volatils, ce qui est fonction de la température. fi- nale de cokéfaction, et qu'elle est aussi moins poreuse.
Par suite de sa constitution absolument uniforme et que l'on peut choisir à volonté, elle est économique d'emploi.
Elle salit à peine les mains, ce qui est important pour les usages domestiques, Elle a le grand avantage sur le char- bon ordinaire d'avoir un pouvoir calorifique élevé sous un encombrement plus faible. La plus grande densité et la-
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moindre friabilité constituent encore d'autres avantages qui entrent fortement en ligne de compte dans le cas de transport à distance. Ces avantages immédiats sont complé- tés par des influences favorables qui se manifestent dans les applications à d'autres images. La plus grande densité et la constitution plus uniforme des briquettes offrent, pour certaines applications, la possibilité d'un. dosage et d'une alimentation exacts et continus. Cela vaut aussi bien pour le transport que pour l'emploi, dans des haus-fourneaux par exemple.
L'emploi des nouvelles briquettes dans les hanta fourneaux amène une diminution sensible des frais d'exploi- tation car, par suite de la teneur en cendres plus faible et de l'absence totale de soufre et phosphore, les additions peuvent être sensiblement moindres. On a beaucoup plus de latitude dans le choix de la grosseur des morceaux et on a la possibilité de la choisir suivant la grosseur du minerai et la façon dont on désira que les gaz passent dans les ca- hauux qui se forment entre les charges de coke.
Si,on consi- dère en outre qua, par l'emploi de ce coke de bois dans de hauts-fourneaux de plus grandes dimensions et de côût d'ins- tallation correspondant, la construction d'usines métallur- giques dans les régions forestières serait sensiblement stimulée, on voit clairement que la fabrication du nouveau coke de bois sur une assez grande échelle et à un prix assez bas pourrait sensiblement étendre l'emploi de diverses- ser- tes d'aciers fins. Il en est de même pour l'obtention da fer doux et pour d'autres opérations métallurgiques.
Le gaz de cokéfaction du charbon de bois se signale par une teneur en hydrogène tout particulièrement élevée:, dépassant cinquante pour cent, lequel peut être facilement séparé par lavage suivant un procédé connu. Comma ce gaz: de
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cokéfaction de bois est même obtenu dans un état particu- lièrement pur, il n'est plus besoin d'installations spécia- le d'épuration, et il pourrait même bien constituer par suites la source d'hydrogène, la plus économique, pour hydru- ration et autres synthèses.
Quoique, dans l'énumération des avantages, il a été question principalement de coke de bois sous forme de bri- quettes, on peut naturellement dire la môme chose de mor- aeaux de formes irrégulières. Comme cependant on peut,, en exploitant le nouveau procédé, donner à une briquette'des dimens.ions tout à fait quelconques sans aucune peine et a- vec une faible dépense d'énergie, on estime toutefois pré- féràble de le faire.
Par suite de ses qualités complètement nouvelles et qui peuvent être. exprimées en chiffres, le nouveau coke de bois est ainsi morphologiquement, physiquement, chimi- quement.- et petrographiquement un produit complètement et intégralement nouveau, c'esr-à-dire un coke de bois homo- gène, à pores fins et réguliers, semblable à une mousse so- lidifiée, tout en étant tenace.
- REVENDICATIONS -
1. A titre de produit industriel nouveau, un co'ke de bois dur, tenace, semblable à de la mousse solidifiée, homogène et à pores fins.
2. Un coke de bois comportant une armature homo- gène., caractérise:en ce que la grosseur de tous les pores est. comprise entre deux et trente microns, que la résistan- ce à l'écrasement n'est pas inférieure à 60 Kgs/cm2 et que la friabilité est inférieure à 5 %.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Hardwood coke, resistant, fine-pored and with its spongy structure and proceeds for / preparation
The present invention relates to hardwood coke, resistant, fine-pored and spongy structure as well as a process for its preparation from charcoal, charcoal debris, and woody elements, coke wood intended for metallurgy or other uses.
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State of the art
In the carbonization of wood, we obtain mainly charcoal, almost half of which turns to dust when the wood is added in quarters.
In addition, the part obtained in the form of pieces gives off dust and breaks during further processing (transport) owing to the low resistance and great friability of the charcoal. now to use this dust with profit and in the most favorable case, it was burned with much waste in boilers, on special grates or in a mixture of wood tar, It is for this prison that we do not - did not bend the menu.wood,
waste from the forest industry, -, trere and sawmills (for the most part) to the manufacture of charcoal because they give a product whose dust fall is even more important, and only pieces of coal fetch good prices in the market.
On the other hand, the use of lump charcoal has become quite secondary in all fields as will be explained, for example, with regard to a former heavy consumer.
Since the beginning of the development of metallurgical factories, the interest in the use of charcoal for the smelting of iron ores has been coded. In this way a crude iron of extremely high purity is obtained, which constitutes a very appreciated raw material for the manufacture of the finest steels, and this thanks to the favorable fact that the charcoal does not contain substantially any harmful constituents, sulfur and phosphorus, and that it is also distinguished by a particularly high porosity and a high calorific value.
The charcoal thus possesses at the highest
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degree in metallurgical and calorific points of view all the essential qualities which are required of a good reducing agent for the smelting of iron ore. However, his job is currently gone, apart from a few small exeptions.
Only a few small metallurgical companies still use charcoal. The development of blast furnaces has in fact required mechanical qualities from the reducing product,
The strength of the reduction product must be high enough so that it can withstand the high pressure of the masses which are added successively in layers in the blast furnace, without it being reduced to crumbs or crushed and thus rendering the metallurgical operation impossible. This resistance is not offered either by the charcoals obtained in modern furnaces for the distillation of wood by ordinary charcoal nils which are obtained by the old, impractical process of the millstones.
It is for this reason that hard coal coke has substantially driven the charcoal out of metallurgical factories, although the other grades of charcoal are not inferior, apart from the fact that hard coal coke may be. obtained in large quantities and at a significantly lower price on current mining sites. Common charcoal furthermore has certain shortcomings which are partly apparent in its use in large quantities. It has, owing to its great porosity and its high content of volatile constituents, too great a reaction sensitivity. As a result, the quantity of charcoal consumed per unit quantity of iron treated is higher than that of coal coke.
In addition, the temperature unevenly distributed in the millstones and then in the blast furnaces also, gives the charcoal unequal properties which can already be discerned in most cases by
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the smell of most of the charcoal naves,
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odor which comes from by-products, We cannot therefore speak of the regular qualities of ordinary charcoal for use in large quantities, the same is true for the other applications as in the example cited,
The process according to the invention overcomes all the aforementioned drawbacks and makes it possible to obtain a completely new industrial product, in the form of briquettes, from a material which today no longer has any value apart from its value. calorific.
This product combines in itself all the qualities of metallurgical coke and charcoal and thus increases the economic interest of wood distillation installations by giving them the possibility of using for carbonization not only selected logs from tree trunks but also all wood debris which annually in some countries reaches the number of tons. On the other hand, the main product, namely the charcoal itself, is used in full, regardless of the state in which it may be present.
In addition, this process provides the metallurgical industry with the best possible reducing agent for blast furnaces, and makes the production of high purity crude iron with charcoal more economical with a view to making steel. Finally, this product constitutes a new fuel of first choice for all industrial and domestic uses, as well as for the production of water gas.
The invention is based on this finding that the texture of the charcoal has in itself, even after coking, a sufficient mechanical resistance, and that the low possibility of use which however presents the charcoal known hitherto comes from that it is obtained taking into account only the requirements of the heat treatment. The search for defined mechanical qualities requires the preparation of these qualities before coking.
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The teaching of invention.
Knowing this, the invention leads to the prior shaping of the framework of the wood coke in a predetermined manner, to obtaining, then following this shaping with an appropriate coking so that the strong backbone is obtained. by preliminary shaping and its agglomeration as well as its porosity by coking. Consequently, an essential teaching of the invention consists in that in order to satisfy the mechanical condition of a solid and uniformly reacting wood coke, auxiliary mechanical agents are required. These means consist of uniform grinding of the wood coke, with a view to destroying any fanciful structure of the fibers and pores.
Correlatively, and this also constitutes an important characteristic of the invention, it is possible, by the choice of the mills or grinders, to act within wide limits on the size of the pores as well as on the shape of the grains of the charcoal. balls give a grain while more round / hammer mills give the grain a much more fibrous structure. It is the same for the size of the grain. If a binder of known coking qualities is added in addition, in a very thorough and uniform state of division, the formation of the gas bubbles to which the pores are due also takes place uniformly throughout the whole. The frame and the bubbles have similar dimensions.
As a result, a coke is formed which, in the most varied sections, has substantially the same quantity of hard product also distributed substantially uniformly throughout the whole, this is one of the essential conditions for good strength.
The new wood coke is, from a physical point of view, to be defined as a solidified and uniformly fine-pored foam.
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Must understand by "pores" the cavities inside a single particle, therefore in the first place the cell cavities of the woody structure, the medullary canals transformed into hollow bodies by coking and the other natural cavities inside of an isolated particle as well as those produced there by coking.
By "intermediate cavity" is meant the space between the points of contact of the various particles. The total free space inside the new wood coke therefore consists as a whole of the pores and the intermediate cavities.
The two different types of cavities together form the final free space which can be measured on the finished product.
The term “attachments” will be understood to mean the points of contact, that is to say the point of connection between neighboring coke particles. These are the parts, preferably in coked binder, to which the various elementary particles adhere in order to form the whole of the briquette or agglomerate of coke ...
In order to arrive at the basic notion described above, namely that it was at least as necessary to prepare the coking as to carry out this coking itself, it required important studies on the nature of the coking, but the results of these studies emerge from. domain of discoveries and we will refrain from exposing them here,
It does not matter what kind of wood is used to be transformed into charcoal and then into coke.
Obviously the ash content varies from one kind of wood to another, and due to the different morphological constitution of the cellular tissue, the porosity, resistance, reactive power, etc., as well as the following microporosity. the fibrous texture and density of the cellular tissue of the kind of wood used; likewise the by-products resulting from carboxylation and coking, Plus the cellular tissue of wood
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used is short-staple and tight or. The denser the wood coke obtained. It is also solid and finely pored. The wood tar of conifers is more valuable than that of leafy trees, and it also has better tar. see clumping.
As. simple tests make it possible to determine the physical constants of the new kinds of wood coke obtained from the various raw materials mentioned above, it is possible to choose knowingly the starting materials for the different use cases.
As raw material for the manufacture of wood coke it is also possible to use, depending on the use for which the coke is intended, other plants, plants, containing cellulose or lignose, as well as various constituent elements possibly coming from other manufactures in cellulose factories by hydrolysis of wood.
The use of lignin is preferably accomplished by first charring the lignin and collecting valuable by-products such as methyl alocol, acetic acid, acetone, etc. Then proceed with the lignin charcoal as described above with regard to the charcoal.
The finer and more uniform the grain is, the greater the agglomeration pressure during molding and the coking temperature, and the greater the hardness and strength of the wood coke obtained.
The inventor has manufactured wood coke having a crushing strength greater than two hundred kgs per cm 2, that is to say a resistance which far exceeds that of the hardest metallurgical cokes, namely those from Westphalia.
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In. In addition, the new coke has high toughness, conditioned by its high tensile strength and bending, a quality particularly valuable for use in blast furnaces. The qualities mentioned further result in a very reduced friability, which results in the new wood coke cracking but not crushing under the effect of excessive mechanical stress.
In the drop and shake tests the new coke consequently gives excessively interesting values.
Based on the knowledge acquired, the method according to the invention is implemented as follows.
A finely divided binder, such as retort tar from the distillation of wood, coal, lignite, carbon dioxide, is added in a blender to the charcoal dust, sorted during preparation and possibly ground. shale, or oil, or formed by the same process, or even any mixture of these product uniformly distributed.
The additions can be made in any form. In most cases, it is recommended to make this addition at a high degree of dispersio, since it can be carried out with particularly simple apparatus and allows a very uniform mixture to be achieved. The mixture thus prepared is fed to presses. briquettes and compress into briquettes of desired size living the use for which they are intended. These briquettes are then subjected to coking at high temperature in known manner and under ordinary conditions.
By operating in this way, however, it may happen that during rapid heating up to a high temperature, the volatile constituents distill too quickly / and, by escaping from the driquettes, even cause the latter to burst. the sulfur binder also,
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The friability grows and the strength decreases, so that such a wood coke is liable to break down under certain circum- stanceso
For this reason it is better to proceed with the following:
The charcoal briquettes manufactured as described above are subjected to gradual heating to bring them to the coking temperature and this in a continuous operation, or they are subjected to continuous coking operated in stages in vertical ovens, the upper part of the oven being heated to the necessary low temperature while the other part is brought to the high temperature, the middle zone of the oven being at a progressive intermediate temperature. The furnace can also operate continuously. The coke extracted at the lower part is advantageously dry-quenched with inert, cold gases, such as for example flue gases.
The new -procedure.
In the process according to the invention, the operations are carried out in detail as follows.
The fine charcoal dust and the binder added and distributed evenly are kneaded to form a homogeneous slurry, then molded into briquettes at a higher temperature, which makes the said binder more fluid, and makes it penetrate by absorption in the fine pores of wood dust particles. In the progressive increase in the coking temperature, the decomposition of the binder as well as of the charcoal under the action of heat continues, with the elimination of volatile constituents, and this results, depending on the temperature, mixtures of different chemical combinations. These combinations are all the richer in carbon as the temperature rises to a higher degree.
However, no temperature, however high, allows to separate and obtain chi- carbon.
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iniquely pure. One can only speak of a mixture of combinations of washed molecular weight carbon with extremely high carbon content. In short, a higher degree of carbonization is obtained by coking which was not possible and used up to now. The absolutely uniform distribution makes it possible to obtain, for the applications, a fuel which is perfectly homogeneous, consistent and resistant, and of perfectly regular reaction power.
The pitch and the tar which are found between the grains of the charcoal distill little by little when the temperature increases, forming pores $, and leave behind small attachments between the grains of the charcoal. These little ties are very tightly created in the extremely fine pores of the charcoal, so that the grains and these skeletons are bonded together into a solid, porous briquette. It follows clearly that the finer the grain, that is to say the finer the charcoal is ground, the more the briquette obtained is solid, dense, not very porous and not very friable.
Consequently, both for the manufacture of briquettes for foundries and steelworks as for those intended for gasification in internal combustion engines. vehicles, a fine grain is advantageous on the other hand, the grain is more coarse for the metallurgy in blast furnaces and for domestic use, for example for ironing and grilling.
When the briquettes are given a cylindrical shape and the grains are elongated, the material is arranged in layers so that the grains have their longitudinal axis perpendicular to the direction in which the pressure on the briquette press is exerted. .
The wood coke briquette then acquires, when it is given such a shape, a different resistance in the various directions, the differences being, moreover, not particularly great.
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We obtain an isotopy, that is to say a resistance equally distributed in all directions, by giving the briquettes a ball shape (ovoid or ellip- balance), shapes which we must even prefer for con - astonishing transport and also when it comes to use in blast furnaces, due to an even lower friability.
During the agglomeration and the formation of the bonds between the grains, the volatile components which still contains in great proportion the charcoal play the same role as the added binder, in the sense that the residual coke which comes from it by cracking with the during heating, in an oven binds the grains together like the. Tar coke and pitch of the binder added and strengthens the formation of the rigid skeleton. Therefore, the more volatile constituents the charcoal contains, the more of these there are. The proportion of heavy components is high, the less need to add binders.
This is the explanation of the following known phenomenon: with respect to the charcoal obtained in retorts and furnaces, the current charcoal obtained by carbonization at a fairly high temperature, that is to say the grinding wheel charcoal, is more resistant and its hardness is alloyed, a higher toughness. Microphotographic wood coke prints absolutely confirm the inventor's theory of coking. When, in using the new wood coke, greater flammability is desired, the coking is stopped at a lower temperature and, therefore, the charcoal is not so burnt.
To obtain wood coke with even finer pores, that is to say a fuel. having a surface
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Perfi0ialle eucora larger, we use a process
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special: we stop the arebonisation of the wood at a temperature low enough so that the by-products of value, acetic acid, methyl alcohol, are just released, and we collect as a starting product for the coking of "red charcoal" . This red charcoal is extremely soft. It truly constitutes. a tenacious, easily deformable mass which will become durable by coking but retaining its tenacity.
Properties of the new product.
The photomicrographs of the new wood coke, compared with the photomicrographs of ordinary hard coal coke, clearly show the extremely large number of well-preserved natural pores within the various particles, as well as the great number of intermediate cavities between the points of. contact of the various particles and finally, also, the large number of attachments at the contact points of neighboring particles.
While the quantity of pores and intermediate spaces makes it possible to immediately read on the microphotograph the high reactivity resulting from further tests, the number of fasteners and intercellular partitions, as well as their extremely even distribution over the whole area. the polished surface examined, shows a hardness not yet obtained and which can also be demonstrated by mechanical tests.
This hardness and high strength result, according to the invention, in that, while retaining the porosity, the size of the particles of wood coke which is very friable per se is reduced to such an extent that this friability is not is more harmful as it forms, around the particles themselves, by the particular process according to the invention, a framework or skeleton
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greenhouse $ uniformly distributed, and formed by relatively hard fasteners which give the product a. extraordinary strength which can also be demonstrated by mechanical tests.
Of course, the pressure produced during briquetting of the red charcoal compressed the cells and thus a large number of pores per unit volume were obtained. In this way, in the remainder of the operation, the wood coke becomes more compact but has an even larger contact surface. This kind of ultra porous wood coke is best suited for chemical applications as a high efficiency catalyst or absorbent.
If, on the contrary, we want to go as far as the carbonized limit of compression and obtain an absolutely compact and non-porous body /, we proceed. as follows: one also starts from very finely ground red charcoal so that the structure of the cellular tissue is destroyed. This fine dust is molded into briquettes with a binder and coked at the highest temperatures which correspond to the manufacture of artificial graphita. There is thus obtained, for the reasons explained above, of internal uniformity of the whole assembly, a perfectly homogeneous carbon, which is far superior to common electrode carbons by its uniform composition and its homogeneity.
The extreme porosity, and therefore the high reacting power of this high carbon wood coke, per-. put., in the field of metallurgy, its use in all operations in which the reaction of the far ore is carried out at low temperatures and, on the other hand, in blast furnaces with cold air blowing . How can we. thus removing the air heaters, it can be seen clearly that the use of the new wood coke leads to
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considerable savings in both installations and operating costs.
It is worth emphasizing particularly the fact that the carbonized cellular tissue of the wood is served extremely well in almost all the particles, i.e. the pressure of castings has not not compressed the particles until destruction of their internal texture. This fact is important for the examination of microscopic pores. As the cell cavities are not kept only in the visibla direction on the polished surface examined, but, as shown by the study of the polished surface, in all directions, i.e. in space, the original cellular tissue of the wood of the various particles still remains in the coke. The plant generates wood around its body to support and protect it.
The various particles therefore have a high resistance to crushing due to the constitution of the wood cells established to resist compressive forces.
One must see a main reason for the great resistance of wood coke in the preservation of the cellular texture of wood during compression and coking, to which is added the action of the binder.
Applications of the new process and the product.
The new process is particularly suited, by its very essence, to one-way cycles. continuous and comprising parts developing in closed circuits or substantially such, as well as reintroductions and ramifications with interconnections.
The gas obtained during coking can be used for heating the coking ovens while, for example, the tar removed by distillation can be non-calf fed into the circuit for further use.
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to the agglomeration. Likewise, the constituents of wood, such as lignin, which are obtained by hydrolysis, can be treated. wood, either as is or mixed with pitch, tar, or mixtures of charcoal dust with tar or pitch, which also provides particularly strong briquettes.
The new charcoal is still marked with a. An important property, namely that its content in volatile constituents is minimized by the high coking temperature, which increases the ignition temperature and completely eliminates the so troublesome danger of spontaneous ignition.
The binders can be added towards the end of the grinding, or during the transporta by helical screw for example, so that a special stirring can be dispensed with.
The new wood coke has the same strength as metallurgical hard coal coke, but has the great advantage of containing virtually no sulfur and phosphorus. 'and have only a very low ash content, depending on the type of wood used. Coke briquette differs from ordinary charcoal in that it does not break due to its high strength, does not produce dust, is not friable, and is fairly dense. and hardly contains any volatile constituents, which is a function of temperature. end of coking, and is also less porous.
By virtue of its absolutely uniform constitution, which can be chosen at will, it is economical to use.
It hardly dirties the hands, which is important for domestic uses. It has the great advantage over ordinary charcoal of having a high calorific value in a smaller footprint. The greater density and the-
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lower friability constitute yet other advantages which come into account strongly in the case of remote transport. These immediate advantages are complemented by favorable influences which are manifested in applications to other images. The greater density and more uniform constitution of briquettes offer, for certain applications, the possibility of a. accurate and continuous dosing and feeding. This applies to transport as well as to employment, in blast furnaces for example.
The use of the new briquettes in the hanta furnaces leads to a significant reduction in operating costs because, due to the lower ash content and the total absence of sulfur and phosphorus, the additions can be appreciably less. We have much more latitude in the choice of the size of the pieces and we have the possibility of choosing it according to the size of the ore and the way in which we want the gases to pass through the heaters which form between the coke charges. .
If, furthermore, we consider that, by the use of this wood coke in blast furnaces of larger dimensions and of corresponding installation cost, the construction of metallurgical factories in the forest regions would be significantly stimulated, it is clearly seen that the manufacture of the new wood coke on a fairly large scale and at a fairly low price could significantly expand the use of various fine steel services. The same is true for obtaining soft iron and for other metallurgical operations.
The charcoal coking gas is characterized by a particularly high hydrogen content, exceeding fifty percent, which can be easily separated by washing according to a known process. How this gas:
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coking of wood is even obtained in a particularly pure state, there is no longer a need for special purification plants, and it could even therefore constitute the most economical source of hydrogen for hydropower. - ration and other syntheses.
Although in the enumeration of the advantages the main reference has been made to wood coke in the form of briquettes, the same can of course be said of pieces of irregular shape. As, however, it is possible, by exploiting the new process, to give a briquette quite any dimensions without any difficulty and with a low expenditure of energy, it is, however, considered preferable to do so.
As a result of its completely new qualities and which can be. expressed in figures, the new wood coke is thus morphologically, physically, chemically - and petrographically a completely and entirely new product, that is to say a homogeneous wood coke, with fine and regular pores, similar to solidified foam, yet tenacious.
- CLAIMS -
1. As a new industrial product, a hard, tenacious, solidified foam-like, homogeneous, fine-pored wood shell.
2. A wood coke having a homogeneous reinforcement., Characterized: in that the size of all the pores is. between two and thirty microns, that the resistance to crushing is not less than 60 Kgs / cm2 and that the friability is less than 5%.
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