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Procédé de fabrication.de combustibles solides sans fumée.
La présente invention a pour objet un procédé de fabri- cation de combustibles solides sans fumées à partir de charbon ou de matières carbonifères semblables préalablement formées en bri- quettes ou en boulets de dimensions désirées.
Il existe deux procédés principaux pour la pyrogéna- tion de briquettes dans le but d'obtenir un produit sans fumée par élimination de tout liant et de tout ou partie des matières vo- latiles contenues dans le charbon. L'un de ces procédés comporte l'utilisation d'un four vertical dans lequel les briquettes sont soumises à un traitement de carbonisation, avec introduction d'air, mais, en pratique, ce procédé ne conduit pas à des résultats sa- tisfaisants à cause de la combustion inégale de la charge, en particulier à l'endroit des accès d'air à la cornue, ce qui fait qu'il est impossible de contrôler les conditions de carbonisation / dans la masse de la charge.En outre de ce que le produit obtenu
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est inacceptable sur le marohé libre,
il se produit une grande quantité de gaz à faible pouvoir calorifique aux dépens du rende- ment en matière solide. De plus le procédé ne se prête pas au fonctionnement en continu.
Suivant l'autre procédé mentionné ci-dessus, les bri- quettes sont traitées dans un four horizontal, chauffé extérieu- rement ou par admission de gaz chauds ; toutefois, si un tel four écarte les objections résultant de la détérioration du produit par le poids de la charge qui le surmonte, le rendement en bri- quettes n'a pu jusqu'à présent s'élever à un chiffre satisfai- sant.
Le procédé conforme à la présente invention pour la production de combustibles solides conformés à partir de char- bon ou de matériaux carbonifères analogues, consiste à traiter par la chaleur une couche de matériau préconformé, immobile par rapport à une sole fixe ou mobile dans un four sous les condi- tions suivantes : (a) La température de traitement doit être supérieure au point d'inflammation des matières volatiles les plus légères et doit tre choisie, eu égard à la durée du traitement, suivant la nature du matériau et la teneur désirée en matières volatiles dans le produit fini.
(b) L'air doit être admis en quantité contrôlée, suffi- sante pour assurer une combustion partielle des matières vola- tiles dégagées de la charge, mais insuffisante pour entrainer une combustion de la charge solide elle mme, le volume principal d'air requis pour assurer la combustion des matières volatiles étant introduit dans le four au dessus du niveau de la couche de combustible et, dans le cas d'une sole mobile, à l'entrée.
(c) La couche doit être suffisamment mince pour que
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l'air puisse avoir accès à toutes les briquettes et que chaque briquette soit entourée par les flammes de combustion des ma- tières volatiles qui s'en dégagent, ce qui entraine une éléva- tion rapide de sa température de peau et empêche ainsi toute condensation de goudrons ou agglomération des briquettes les unes avec les autres.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, l'importance de la charge soumise au traitement à un instant donné ne doit pas dépasser une certaine proportion de la capacité volumétrique totale du four de façon que l'épaisseur de la couche de briquettes, qui sont chargées suivant une épaisseur uniforme ou sensiblement telle., soit faible par rapport à la profondeur du four. Si l'in- vention se prête particulièrement bien à l'utilisation en procé- dé continu à l'aide d'un four à sole mobile ou inclinée, elle peut aussi bien être appliquée en discontinu dans un four fixe.
Au commencement du traitement de carbonisation, il est nécessaire d'introduire une quantité de chaleur suffisante pour amorcer la carbonisation de la charge, jusqu'à ce que les gaz dégagés par le traitement soient en quantité suffisante pour engendrer, par leur combustion, la chaleur nécessaire à la cuis.. son de la charge entrante ou non traitée. On s'aperçoit que, en traitant les briquettes en couche relativement mince dans un four maintenu à une température supérieure à la température d'inflam- mation d'au moins les constituants les plus volatils dégagés de la charge par la chaleur, celle-ci étant de préférence produite par la combustion des dits constituants, il est possible de sur- monter les difficultés rencontrées dans les fours verticaux.
Dans ces conditions, il s'établit autour de chaque brie quettes une formation de calories, due à la combustion partielle des matières volatiles dégagées sous l'action de la haute tempé- @
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rature de flamme établie dans le four. En outre, le procédé est cumulatif, étant donné que, au fur et à mesure de la combustion des gaz combustibles, la température s'élève, contrairement au refroidissement qui se produit dans les autres procédés. Il se produit rapidement une pénétration de la chaleur vers l'intérieur de chaque briquette : ceci entraine la formation uniforme d'une peau ou croûte dure qui empèche la désagrégation du produit.
La température de flamme autour de chaque briquette et l'élévation ra] pide de la température de peau de celles ci empêche la condensa- tion du goudron et l'agglomération des briquettes les unes avec les autres. Il en résulte un rendement maximum en produits uni- fermement dimensionnés avec un minimum de fines.
La température du traitement de carbonisation auquel la charge est soumise est contrôlée par la quantité d'air admise.
La température normale optimum de la charge est de 600 0, mais on peut réaliser des températures plus élevées si l'on désire éliminer du produit, toutes les matières volatiles.
Il est bien entendu que la température à laquelle la cuisson est effectuée varie avec la catégorie de charbon utili- sée pour la préparation des briquettes et que, pour des charbons à haute teneur en matières volatiles (par exemple plus de 33 ), la température doit tre abaissée aux environs de 380 C. Une augmentation de la teneur en carbone fixe nécessite une tempé- rature de cuisson plus élevée, qui variera de 420 à 430 0 pour des charbons à 25-30 % de volatiles, tandis que dans le cas de l'anthracite, la température atteint 600 0.
L'invention est illustrée schématiquement dans le dessin annexé, dans son application à un four à grille mobile.
Dans oe dessin : fig 1 est une coupe verticale d'un four qui convient
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pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention ; fig 2 est une coupe horizontale correspondante ; fig 3 et 4 sont respectivement une vue de dessous et une coupe d'un élément de la grille.
Tel qu'il est représenté au dessin, l'appareillage comporte un four horizontal en briques dont le garnissage en bri- ques est désigné de façon générale par 1 et qui est considéra- blement plus long que large. Le four peut être construit sur une armature en acier (non représentée) comportant des plaques de base en fonte 2 sur lesquelles est montée la maçonnerie de bri- queso La charge est enfournée à partir d'une trémie d'alimentation ou d'une presse de conformation (non représentée) par un transpor- teur à mailles métalliques 3 d'où les briquettes sont déchargées sur la grille mobile.
Cette dernière peut avantageusement être composée de quatre convoyeurs 5 disposés cote à cote et supportés à l'extrémi- té de sortie par un barbotin hexagonal 6 qui constitue l'élément d'entraînement et à l'extrémité d'entrée par un rouleau 7. Entre leurs extrémités, les éléments du transporteur sont supportés par des glissières 8 disposées dans toute la longueur du four et supportées par des traverses 9.
A la fig 3, on peut constater que les éléments de la grille sont des pièces moulées 10 comportant le long de leur bord antérieur une lèvre relevée 11 de façon à assurer un recouvrement de l'élément adjacent de la grille. Leur face inférieure comporte des nervures 12 se terminant par des fourches 13 qui s'articulent avec le nez de la nervure adjacente par une broche.
14 indique des dents d'entrainement qui s'engagent dans des fentes ménagées dans les barbotins hexagonaux.
A l'extrémité de chargement, un ou plusieurs bruleurs,
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indiqués sohématiquement en 15, sont montés perpendiculairement à l'axe longitudinal du four, chaque bruleur étant muni de fentes étroites qui attendent sur toute leur longueur et sont dirigées obliquement vers la grille.
Quand ils sont déchargés de la grille, les briquettes ou boulets carbonisés glissent le long d'une pente 17 usqu'à un plateau de décharge alternatif (non représenté) monté dans un carter 18 par lequel les produits sont évacués dans un joint hy- draulique qui sert également à éteindre le produit. De même la grille 5 est en communication avec la presse (ou la trémie prin- oipale de stockage) par un joint hydraulique, quoique l'eau puisse le cas échéant tre supprimée pour admettre une partie de l'air requis pour assurer la combustion.
La plus grande partie du volume d'air nécessaire pour entretenir la combustion des matières volatiles est admise dans le four par l'extrémité d'entrée, par des lumières indiquées en 19 dans le carter du transporteur d'alimentation, et le reste par des lumières auxiliaires 20 ménagées dans la maçonnerie de briques. A l'extrémité de sortie se trouve une cheminée 21 avec un registre 22 qui permet de régler la quantité d'air qui passe dans le four.
Pendant le fonctionnement, les briquettes ou autres produits conformés sont prises dans la trémie d'alimentation, qui contient la provision pour une journée de marche, par le transpor- teur d'alimentation et chargées sur la grille de carbonisation suivant une épaisseur uniforme qui est faible par rapport à la profondeur du four. Par exemple, dans un four de 75 cm de hauteur de moufle, les briquettes sont chargées sur une épaisseur de 10 à 15 cm.
Les briquettes sont portées à une température à laquelle
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les goudrons sont décomposés et volatilisés au point d'inflamma- tion de ces produits. Il s'amorce une combustion active de ces produits dans les vides de la charge et cette combustion continue pendant l'avancement de la charge dans le four en raison du déga- gement continuel de gaz et de la présence d'air.
A la différence des autres procédés, la combustion des briquettes est empéchée par le fait de la combustion en surface des matières volatiles, ce qui provoque un chauffage immédiat des briquettes jusqu'à une température de durcissement par suite du réglage de la température et de l'air de la manière décrite, la plus grande partie du volume d'air étant amenée au dessus de la charge et non pas à travers la charge.
A ce sujet, on peut se référer au brevet anglais N 533.988 qui décrit un procédé de carbonisation d'un matériau oarbonisable, consistant à chauffer initialement une enceinte close à une température qui fait dégager et bruler au moins une partie des constituants volatils d'un ma- tériau oarbonisable, puis à faire passer une couche homogène de matériau earbonisable progressivement dans la chambre dans une di- rection sensiblement horizontale tout en faisant passer vertica- lement vers le haut une quantité réglée d'air à travers le maté.- riau, et à régler l'admission d'air et la vitesse du matériau ppur maintenir la température de carbonisation dans la chambre et dans le matériau par combustion d'au moins une partie des consti- tuants volatils,
au moins partiellement dana la couche de matériau carbonisable et pour réduire au minimum la combustion de carbone fixe, la dite température étant obtenue par combustion des cons- tituants volatils et entrainant la formation d'une couche homo- gène de coke.
Suivant les nécessités, on laisse entrer de l'air auxi- liaire en des points intermédiaires de telle façon que smr la ma-
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jeure partie de la longueur de la grille la combustion soit ré- glée pour bruler une partie des produits gazeux. Gr$ce à cette admission d'air auxiliaire, la température est maintenue à un niveau plus ou moins élevé suivant la teneur désirée en matières volatiles du produit fini.
L'expérience montre qu'il n'est pas nécessaire d'introduire de l'air dans les parties extrêmes du four étant donné qu'en ce point les briquettes ont été suffisam- ment ohauffées pour que, pendant le reste de leur trajet, leur chaleur interne suffise à éliminer ce que l'on désire encore éli- miner de matières volatiles, après quoi elles sont évacuées au joint hydraulique dans l'état désiré, c'est à dire exemptes de goudrons ou de fumées. L'allure générale d'avance sur la grille est d'environ 18 cm par minute ce qui, avec des températures internes aux environs de 600 C, donne une production d'environ 20 tonnes par jour de briquettes à 7 % de matières volatiles.
Le procédé est souple, en ce sens que plusieurs qualités de produits peuvent être produites par réglage de la vitesse de la grille et des températures internes. Ces dernières dépendent de la quantité d'air admise par rapport à la quantité de produits volatils dégagés par unité de temps. On peut établir des températures plus ou moins élevées et des vitesses de chaines plus ou moins rapides pour obtenir la teneur désirée en matières volatiles. Dans tous les cas on évite un excès d'air et la teneur moyenne des gaz de sortie en gaz carbonique se tient aux environs de 18 à 20 %. Il ne se produit pas une combustion totale des matières volatiles car environ 30 % du poids de goudron utilisé de dégagent sous forme de sous-produits lourds. Après un certain temps, la chaleur formée dans le four s'accumule dans la voute en briques et dans la chai- ne de la grille.
Cette chaleur radiée sur la charge de combusti- ble conformé provoque l'élimination des matières volatiles ; celle
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accumulée dans la chaine chauffe la charge entrante jusqu'à la température d'inflammation ; par conséquent le brûleur dispose à l'entrée peut être réduit ou éteint*
La position du bruleur par rapport au point d'entrée des briquettes est déterminée par la nature des mélanges de char- bons utilisés pour la confection des briquettes soumises au trai- tement.
Quand on utilise des charbons présentant un certain degré de gonflement ou des briquettes qui contiennent une quantité rela- tivement élevée d'humidité, il est préférable de les soumettre à une élévation progressive de température avant de commencer leur distillation, car autrement une élévation brusque de tempé- rature entraine dans les briquettes des tensions internes par suite du dégagement rapide de vapeur ou de matières volatiles.
Dans ce but, on place le bruleur à une plus grande distance de l'entrée des briquettes dans le four, de façon que, pendant leur trajet plus prolongé avant de passer sous le bruleur, les briquet- tes peuvent perdre la plus grande partie de leur humidité et avoir subi un certain préchauffage dû à la chaleur sensible de la gril- le et à la radiation de la voûte. Dans un tel cas, on peut réduire la charge par unité de surface de la grille, pour assurer un pré- chauffage régulier et uniforme des briquettes.
D'après ce qui a été dit, on voit que les conditions qui régissent le fonctionnement du four dépendent de trois fac- teurs : (1) les dimensions de chaque briquette ou boulet ; (2) la nature du charbon ou autre matériau carbonifère utilisé ; (3) la quantité de matières volatiles que l'on désire oonserver dans le produit fini ; @ La vitesse de combustion dans le four est assurée
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par réglage de : (a) la température dans le four ; (b) la vitesse d'avancement dans un procédé continu ou la durée du traitement dans un procédé discontinu.
La température du four dépend du taux d'admission d'air et du volume de la charge par rapport à la capacité cubique de l'intérieur du four, ce rapport devant 'être tel qu'il assure un certain rapport entre l'espace libre dans le four et l'espace oc- cupé par la charge, pour permettre l'évacuation des produits de combustion et des matières volatiles non brulées.
Par exemple, dans un four mesurant 10,5 x 1,8 m, la hauteur de voute peut être par exemple 70 cm, l'espace libre étant ainsi tel que la vitesse des gaz résultant de la combustion des goudrons et des matières volatiles d'un charbon à 13 % de vola- tiles (+ 7 % de goudrons) soit de l'ordre de 60 cm par seconde.
Dans un tel cas, le combustible était conformé en boulets de 30 gr, grand axe 5 cm et petit axe 3 cm.
La teneur en matières volatiles du produit final était de 7 % en travaillant à une température de fonctionnement de 600
C. La durée du traitement dans le four (grille continue) était de 45 minutes. Avec un four fixe, la durée est de 55-60 minutes (à cause des pertes de chaleur pendant le chargement et le dé- chargement. La quantité d'air nécessaire pour une avance de 1 ton- ne de produit par heure ou pour environ 1 tonne de charge dans un four fixe est de l'ordre de 9,5 mc/min à basse pression (5cm d'eau).
L'épaisseur de la charge sur la grille étaitd'environ
20 cm. Les variantes indiquées ci-dessus répondent aux considé- rations suivantes : Dimensions. La vitesse de carbonisation des briquettes à une tem-
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pérature donnée est conditionnée par leur plus petite dimension, qui permet le passage de la chaleur. La vitesse de carbonisation varie avec le carré de cette dimension : ainsi une dimension dou- ble exige une durée de traitement quadruple.
Nature du ou des charbons. La température de carbonisation d'un charbon varie avec sa catégorie, c'est à dire avec sa teneur en carbone. Les charbons à faible teneur demandent une température moins élevée, mais en général, étant donné la teneur plus élevée en matières volatiles (supérieure à 30 %), la durée du traitement pour des charbons à teneur élevée en oarbone est plus grande, comme dans l'exemple. Le coke et les produits similaires se con- duisent comme des charbons à teneur élevée en carbone. Dans les mélanges de charbons, le facteur déterminant est la proportion de charbon à faible teneur en carbone.
Matières volatiles dans le produit fini. Si l'on désire une te- neur en matières volatiles supérieure à 6 ou 7 % dans le produit fini, il faut réduire la température du four en diminuant le taux d'admission d'air pour réduire la température à par exemple 500 0 pour obtenir 10 % de volatiles. Il est toutefois préféra- ble d'augmenter la vitesse de grille dans un four continu et ain- si pour des températures normales de fonctionnement, de soumet- tre les briquettes à un traitement de moindre durée, ce qui main- tient la production. Pour obtenir une teneur plus faible en ma- tières volatiles, il faut réaliser les conditions inverses, et, pour maintenir la production pour une Vitesse donnée de grille, il faut élever la température.
Facteur limitant la profondeur de charge. La durée du traitement est conditionnée par la profondeur de la. charge sur la sole ou sur la grille. Pour un fonctionnement économique, cette épaisseur est, dans un four continu, d'environ 15 à 20 cm ; on réalise des
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épaisseurs plus élevées, par exemple 35 cm dans un four fixe.
Il faut prendre garde qu'une épaisseur plus grande de la charge entraine non seulement une plus grande difficulté d'accès de l'air à toutes les briquettes, mais aussi une augmentation du poids sur les couches inférieures, ce qui peut entrainer une déformation des briquettes de celle-ci.
Radiation. L'échauffement de la charge est réalisé en grande par- tie par radiation de la voute du four ou de la chambre, cette vou- te étant chauffée par la combustion des matières volatiles. En tenant compte des conditions de volume de l'espace libre pour les combustions dans le four, de l'effet de l'épaisseur de la charge, et de la vitesse de dégagement des matières volatiles en fonction de la température, et en tenant également compte de ce que l'irra- diation des briquettes est proportionnelle au carré de leur dis- tance à la voute, il s'ensuit qu'il faut préférer un four avec une voute plutôt surbaissée et beaucoup plus large que haut.
La chaleur perdue dans les produits évacués du four peut être récupérée. On peut placer des récupérateurs ou régénérateurs dans la partie antérieure de la sole du four ; ils sont de préfé- rence de forme aplatie de façon qu'une partie des gaz chauds qui y circulent fournissent de la chaleur à travers les parois du régé- nérateur au four et réchauffent le côté retour de la grille. L'air nécessaire pour le procédé passe à travers le récupérateur ou ré- générateur suivant le cas, et remplit le but visé, en passant au dessus de la charge entrante.
Un réglage effectif des étapes de combustion pendant la distillation des briquettes entraine une teneur très faible en oxygène dans les gaz sortants. Ces gaz inertes chauds peuvent être utilisés dans une opération auxiliaire en rapport avec la oonfor- mation des briquettes et le traitement des charbons, en particu-
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lier dans le cas où l'on utilise des charbons bitumineux à haute teneur en matières volatiles.
La formation de la chaleur nécessaire de la manière qui a été décrite évite d'importantes immobilisations de capital dans une installation auxiliaire pour la production de gaz combusti- bles ou de gaz chauds pour le chauffage interne. Le fait que l'air est admis dans une chambre de capacité suffisante assure le mélan- ge intime avec les gaz combustibles, ce qui entraine la combus- tion désirée. Le rendement calorifique du procédé est élevé, et la combustion des goudrons et des matières volatiles, ou d'une par- tie de ceux-ci, au cours du traitement est largement compensée par les économies sur le combustible, la main d'oeuvre et les frais nécessaires pour le fonctionnement d'une source externe de gaz.
Une des nouveautés du procédé est de rendre un combus- tible sans fumée par élimination du liant des briquettes et des matières volatiles au moyen d'un chauffage uniforme dans la masse, ce chauffage résultant de la combustion partielle des matières volatiles autour de chaque briquette sous l'action d'un volume contrôlé d'air qui circule pendant que les briquettes sont en cou- ohes à une température supérieure à la température d'inflammation des matières volatiles les plus légères.
Un aspect secondaire de l'invention est l'établissement d'une installation bon marché et de bon rendement calorifique, fonctionnant en continu, avec le minimum de main d'oeuvre. Il en résulte un meilleur rendement en produits briquetés et une quan- tité pratiquement nulle de fines. La formation de la chaleur "in situ" entraine la vitesse maximum de transfert de la chaleur à la charge et une production nettement supérieure à celle que l'on peut obtenir par d'autres méthodes de chauffage. Les moyens
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de combustion réglables permettent d'effectuer économiquement et sûrement des opérations auxiliaires telles qu'un séchage et un préchauffage des charbons bitumineux, en intégrant ces opé- rations dans le cycle de fabrication.