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FABRICATION DE GAZ 'PAR GAZEIFICATION DE FINES DE COMBUSTIBLES
SOLIDES.
La gazéification de fines de combustibles solides coke, anthra- cite, houilles, lignite, etco9 présente de grosses difficultés car il faut a- voir des couches suffisamment perméables et un contact assez bon entre les
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moyens de gazéification et les fîneso On a donc pensé depuis fort longtemps à traiter ces fines,soit telles quelles, soit après broyage préalable,
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les maintenant en suspension dans un courant à?air pour la fabrication de gaz pauvre ou dans un courant de vapeur à?eau et d9cxygène pour la fabrication de gaz à lgeaua Des réalisations très importantes ont été faites par ce pro- cédé mais nont pas donné les résultats escomptés car le rendement en gaz utile était insuffisant et le gaz entraînait des quantités par trop considé- rables de poussières incomplètement brûlées et dont on ne savait que faireo Pour la fabrication de gaz à Peau on avait en outre 1?inconvénient de très
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fortes consommations d?oxygène qui ont rendu le procédé peu économiqueo On a également essayé de fabriquer du gaz à Peau à partir de combustibles soli- des pulvérisés en les agitant violemment dans un courant de gaz à grande vi-
tesse. Les réalisations ont montré que ce principe permet une bonne gazéifi-
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cation, mais q'iUJ.90n a de forts.entraînements de poussières, une consommation d oxygène assez élevée, qu9il faut préchauffer fortement les moyens de gazéi- fiction, vapeur et oxygène, et queïl est nécessaire doutîliser' des appareils relativement compliqués et, par conséquent, dan prix d9achat deun entretien et d9une exploitation onéreuxo Il est possible selon la présente invention de gazéifier des fines maintenues en suspension toast en remédiant aux inconvénients ci-dessus9 et ce- la au moyen d'un appareil de construction'relativement simple et robuste et consommant pour une production donnée des quantités réduites de combustible,
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d90xygène et de vapeuro Cet appareil permet, en outre,
une élimination pres- que complète des poussières entraînées par le gazo
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La formation des poussières lorsqu!!on ga7,Mfîe en suspension des fines
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de combustibles solides est due à deux phénomènes g a) les grains de com- bustible introduits dans le gazogène ont toutes les dimensions depuis les plus fines poussières jusque aux grains qui peuvent avoirdans certains cas, plusieurs millimètres. Dans ces conditions, si les grains les plus gros tombent au fond de 1?appareil, les poussières sont entraînées sans avoir
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le temps d9être complètement gazéifiées; b) 'même en utilisant des grains de charbons uniformes;, ceux-ci au cours de la gazéification, sallègent de plus en plus et finissent par être entraînés hors de 19appareil avant d'être complètement brûlés.
En outre certains charbons très humides, s'ils sont chauffés brusquement, peuvent être brisés par 1?évacuation trop rapi-
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de de la vapeur d?eau qu9ils contiennent.
Pour remédier à cet inconvénient, il était normal de prévoir, au- dessus de la zone de gazéification proprement dite, une zone élargie où res- teraient les plus fines poussières- Inexpérience a montré que ceci n9était pas encore suffisant mais que, par contre, on arrivait à des résultats extrêmement intéressants en utilisant un gazogène en forme de cône ou de pyramide, posé sur la pointe et en donnant à ce cône ou à cette pyramide des dimensions telles que le courant de gaz arrivant à sa partie inférieu- re soit suffisamment rapide pour mettre en suspension les grains de combus-
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tible. les plus gros, mais qu?à la partie supérieure la vitesse du gaz soit suffisamment réduite pour ne pas entraîner des particules, même très fines, avant quelles soient complètement gazéifiées.
Le cône ou la pyramide peut être surmonté d9une zone à parois verticales servant de zone de dégagement des poussières entraînées, puis terminé par un couvercle empêchant la cha-
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leur du foyer de rayonner vers 19extérieuro Dans ces conditions, on peut facilement atteindre dans toute la zone de gazéification une température telle (1100 à 1500 )'que les cendres du combustible traité subissent un dé-
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but de fusion. Comme dans l'appareil l9agitation des particules est très in- tense, il y a des chocs nombreux entre particules.
Si celles-ci ont déjà at- teint un stade de gazéification assez avancé pour comporter à leur extérieur une quantité suffisante de cendres ayant subi un début de fusion, elles se colleront lune à 19autre., puis d9autres particules s9agglomérant encore à elles, elles finiront par former des grains de cendres de dimensions suffi- santes pour tomber au fond de l'appareil, d'où il sera facile de les extrai- re par tout moyen approprié. L'expérience montre que la chute des particules,
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grossissant lentement, sera lente et laissera tout le temps au carbone, queel- les pourraient encore contenir, y d'être gazéifiéo Cette agglomération progres- sive des grains de cendres les plus fins permet 1-'emploi de vitesses de gaz relativement élevées (de 0,5 à 5 m/sec) sans qu'il y ait d-entrafnement.
Il est à remarquer que les parois de 19 appareil étant plus froides que le centre de celui-ci, du fait du rayonnement vers 19extérieur, rayonnement qui existe même si l'appareil est, comme il se doit, soigneusement calorifugé, les cen- dres n'auront pas tendance à coller sur le revêtement, car, quand les particu-
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les arriveront contre celui-ci, les cendres seront déjà solidmees; d'autre part, l'action abrasive des particules non encore fortement gazéifiées, aura
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tendance à enlever ce qui aurait pu se coller sur ce revêtement.
Il est d'ail- leurs préférable de faire un revêtement très réfractaire, compact et d9une composition chimique telle que les cendres n9aient pas tendance à y adhérero On peut employer des briques à base de chromite, de carborundum, de Nullité, ou tout autre produit convenant aux cendres du charbon à utiliser.
Il faudra d'ailleurs régler la température dans 19appareil en modifiant plus ou moins
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les quantités relatives de vapeur et d?oxygène introduites, en fonction du point de fusion commençante des cendres, pour éviter tout risque d'aggloméra- tion sur les parois.
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Si l'invention permet ainsi d9élianiner le gros inconvénient de la gazéification de fines de combustibles qu9est la formation de poussières abon- dantes entraînées par les gaz avant gazéification complète, elle élimine égale- ment le deuxième inconvénient des consommations trop élevées et cela de la manière suivante dans un gazogène, comme dans tout autre appareil traitant des poudres en suspension dans un courant de gaz, la température est égale, à quelques degrés près, dans toute 1?enceinte,
ceci à cause du brassage extrême-
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ment violent des particules. Dans ces conditions, le gaz sortant à une tem- pérature'élevée entraîne une grande quantité de chaleur qui est perdue pour
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l9opérationo Dans les gazogènes qui traitent du charbon en gros morceaux, en lit fixe, cette chaleur est, par contre;, utilisée en grande partie à réchauf-
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fer le charbon entrant jusqaa9. la température voulue.
Selon 19invention, on utilise cette chaleur non pas au réchauffage du charbon, mais à celui des moyens de gazéification, air, oxygène et vapeur, oxygène et gaz carbonique, etco Pour cela, le plus simple est de prévoir un échangeur placé directement
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à la sortie du gazogène, mais tout autre type d9échangeur ou de régénérateur peut être employé sans sortir du cadre de la présente invention.
Le fait que la température est égale et élevée dans toute l'encein- te de gazéification a dailleurs des avantages qui peuvent être importants' dans certains cas g ainsi les grains de combustibles étant portés brutale- ment à haute température, ne peuvent sagglomérer, même sils sont très coké- fiants9 car ils ne passent pas par le stade de fusion pâteuse;
comme., d9autre part,9 tous les gaz qui pourraient distiller au cours du chauffage du combus- tible sont soumis à ,une température très élevée, les goudrons et autres corps organiques complexes sont immédiatement décomposés en corps plus simples, hy-
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drogêne9 oxyde de carbone, gaz carbonique et éventuellement un peu de méthaneo On pourra donc, sans inccnvénients, utiliser des combustibles très jeunes,
à condition naturellement de les introduire dans l'appareil avec une teneur en eau telle qu9il ne soit pas impossible datteindre la température nécessaire ou que les grains ne se brisent pas en très fines poussières par suite du dé- part trop brutal de cette eauo Cette teneur en eau maximum dépend du combus- tible utilisé et peut être fixée par de simples essais de laboratoire ou par calculs.
La figure 1 représente schématiquement une réalisation possible de
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leinventîon. Le combustible à 1?état de fines 0-5 ou même 0-10, nOa pas besoin d'être pulvérisé, il suffit, le cas échéant, de le sécher partiellement. Ce combustible entre dans le gazogène par l, au moyen d'un appareil convenable.
Le combustible est maintenu en suspension dans le gazogène 2 au moyen d'un courant de gaz, air pour la fabrication de gaz pauvre, oxygène et vapeur pour celle de gaz à l'eau, oxygène et gaz carbonique pour celle d9oxyde de carbo- ne,arrivant par la tuyauterie 13. Les cendres qui tombent au fond du gazogè- ne sont extraites par un appareil 3 qui peut être de tout type convenable mais doit être étanche pour empêcher les sorties du gaz avec tous les incon- vénients qu'elles comporteraient. A la sortie du gazogène, les gaz sont dé- viés par un écran 4 destiné principalement à empêcher le rayonnement extérieur et à maintenir le plus de chaleur possible à 1?intérieur du gazogène propre- ment dit 2.
A la sortie du gazogène, les gaz passent dans un échangeur de cha- leur en matériaux réfractaires 5 dans lequel passent un ou plusieurs tuyaux 6 où circulent les moyens de gazéification à réchauffer. Ces tuyaux, en métal réfractairespar exemple acier à très haute teneur en chrome, suivent à con- tre-courant les méandres de 19'échangeur formés par des chicanes 7.
La vitesse du gaz étant beaucoup plus élevée dans cet échangeur 5 qu'à la partie supé- rieure du gazogène 2, il ne devrait pas y avoir de dépôts de poussières dans 19'échangeur 5, mais il faudra cependant y prévoir des portes de visite pour
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linspection,9 le montage et le démontage des tuyauteries d'échange de chaleur 60 Le gaz refroidi sortant de l'échangeur par le tuyau 8, passe encore dans une chaudière de récupération 9 puis va à 1?utilisation par la tuyauterie 10.
La vapeur nécessaire à la gazéification lorsque on fabrique du gaz à l'eau est
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en partie produite par la chaudière zig et arrive par la tuyauterie 11, 19oxy- gène par la tuyauterie 12. Il est préférable de faire le mélange des moyens de gazéification avant l'entrée dans l'échangeur, de manière que ce mélange soit ainsi aussi intime que possible à 1?entrée dans le gazogène 2. Il est
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d9ailleurs bien évident que, sans sortir du cadre de l'invention, on pourrait remplacer la vapeur par du gaz carbonique pour obtenir un gaz à très haute te-
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neur en oxyde de carbone au lieu d9obtenir du gaz à l'eau. De même, au lieu d9oxygène fin peut utiliser de 1?air si on veut fabriquer du gaz pauvre.
Le type d?échangeur de chaleur prévu selon la figure 1 exige natu- rellement pour les tuyauteries 1?emploi de métaux réfractaires spéciaux. Ces
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métaux ont été mis au point par la technique moderne et il faut rappeler d9ailleurs qu'ils doivent travailler, dans le cas particulier;, dans des conditions relativement faciles, car ils ne sont soumis qu'à des tensions mécaniques extrêmement faibles. D'autre part, les moyens de gazéification étant à une pression légèrement supérieure à celle du gaz à 19 eau, il n'y a pas à craindre de diffusion de l'hydrogène même à haute température.
Si l'appareil de gazéification 2 doit être maintenu entre 1100 et 15000' dans la généralité des cas les moyens de gazéification sortant de l'échangeur pourront avoir une température de 1?ordre de 900 à 1200 . Dans ces condi- tions, la consommation d'oxygène sera extrêmement réduite. Ainsi, en utili- sant des fines de coke et un gazogène de dimensions convenables on devrait consommer g carbone pur moins de 0,4 kg, oxygène moins de 0,2 Nm3, vapeur moins de 0,4 kg, pour un Nm3 de gaz à Peau produit et comprenant : 3% de gaz carbonique, 64% d'oxyde de carbone, 32% 'hydrogène et 1% d'azote.
Il est évident que, sans sortir du cadre de 1-'invention., on pour- rait introduire avec les moyens de gazéification, du gaz formé surtout d'hy- drocarbures qui seraient crackés aux températures envisagées et serviraient à augmenter la production de gaz à l'eau. Un tel procédé serait particuliè- rement intéressant pour utiliser les gaz de queue de fabrications qui, com- me la synthèse des hydrocarbures à partir d'oxyde de carbone et d'hydrogène, donnent comme sous-produits des quantités importantes de gaz riches en hydro- carbures légers.
L'introduction de ces hydrocarbures;, préalablement chauffés dans un échangeur particulier au moyen d'une partie de la chaleur sensible du gaz fabriqué, pourra se faire soit séparément des moyens de gazéification, soit en même temps que ceux-ci, le mélange préalable étant fait dans un bru- leur convenable.
L'angle au sommet du cône ou de la pyramide ne doit pas être trop grande 20 à 40 est une valeur convenable. Il faudra naturellement que cet an- gle soit d9autant plus faible que le traitement auquel on veut ou doit soumet- tre les grains les plus gros est plus lent. Par débarrasser complètement de leur charbon les cendres agglomérées on peut prévoir d'introduire tout au fond du gazogène une petite quantité d'air, d'oxygène, d'oxygène et vapeur ou d'oxygène et gaz carbonique.
Le type d9échangeur de chaleur prévu sur la figure 1 pourrait ê- tre remplacé par n'importe quel autre type d'échangeur, sans que pour cela on sorte du cadre de la présente invention. Un échangeur tubulaire convien- drait bien et sur la figure 2 on a prévu de transmettre la chaleur du gaz sortant aux moyens de gazéification entrant par une circulation de billes ré- fractaires. Sur cette figure les chiffres 1,2 et 3 ont la même signification que sur la figure précédente. Les gaz sortent du gazogène par la tuyauterie 20 et entrent dans la colonne 21 remplie de boules réfractaires (alumine, sili- co-alumineux, métaux réfractaires, etc.).Ces boules réfractaires d'environ 1 cm de diamètre proviennent froides de 19 entonnoir de chargement 22 par la tuy- auterie 23.
Le gaz refroidi au moins partiellement sort par la tuyauterie 24, la chaudière 34 et le ventilateur 26. Un manomètre 25 placé entre les tuyaute- ries 23 et 24 permet le réglage manuel ou automatique de la pression du gaz avant entrée dans la chaudière, de manière quil n'y ait ni sortie de gaz, ni rentrée d'air par 22 et 23. Les billes chaudes tombent, par la tuyauterie 27 qui peut comporter un réchauffage auxiliaire non figure ici, dans la colonne 28 où elles sont refroidies par les moyens de gazéification entrant et pas- sant dans le gazogène par la tuyauterie 29. La longueur de la tuyauterie 27 est suffisante pour qu'il n'y ait pas de passage par la dite tuyauterie, des moyens de gazéification dans le gaz produit.
Les billes, extraites de 28 par 1?appareil 31, sont remontées en 22 par un dispositif convenable 32. Pour la mise en route, le gazogène est muni dune cheminée 33.
La température de la zone de gazéification devant être assez éle- vée, de 1?ordre de 1100 à 1500 suivant le combustible traitée 1?échangeur 6 devrait être construit en métaux spéciaux qui, dans létat actuel de la tech- nique coûtent cher et qui ne permettraient pas d9atteindre sans complications les températures voulues. L'utilisation de 1-9'échangeur à bille résoudrait cet-
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te difficulté, mais on peut aussi y remédier en transmettant la chaleur sen- sible du gaz non seulement aux moyens de gazéification, mais aussi aux fines de combustible avant leur entrée dans la zone de gazéification.
On transmet- tra ainsi une quantité de chaleur plus grande qu'en réchauffant les moyens de gazéification seuls (ou le charbon seul comme dans le cas des gazogènes ordinaires) tout en atteignant une température d'entrée dans le gazogène des moyens de gazéification et du charbon nettement plus basse que sans cela, d'où simplification de la question des matériaux à employer.
Pour cela on utilise, puisqu'il s'agit de fines qui peuvent préa- lablement être réduites à la finesse voulue (inférieure à 2 à 3 mm, par exem- ple, cette finesse pouvant varier quelque peu d'un combustible à l'autre), une colonne de fluidisation de l'un des types décrits dans la demande de bre- vet déposée simultanément sous le titre 8'Appareils pour la mise en contact intime de poudres et de gazai.. Dans une telle colonne, le charbon est main-- tenu en suspension, sous forme de couches fluidisées en phase dense, au moy- en d'un courant ascendant du gaz produit,
le charbon passant par gravité d9une couche à la couche inférieure et le gaz passant à la couche supérieu- reo
On peut envisager de faire passer une partie du gaz dans une tel- le colonne, l'autre servant à réchauffer les moyens de gazéification dans un échangeur spécialement prévu pour cet usage, échangeur tubulaire de type ordinaire, par exemple. Il parait toutefois préférable, comme la transmis- sion de chaleur d'un lit fluidisé en phase dense à une surface d9échange plon- gée dans ce lit est excellente, de prévoir que les moyens de gazéification sont réchauffés dans une série d'échangeurs de chaleur, de surface relative- ment faibleplacés dans les couches fluidisées.
Le calcul montre qu'ainsi les moyens de gazéification peuvent être chauffés à une température légère- ment inférieure à celle du charbonque cette dernière température n'étant pas très élevée n'exige pas une construction en matériaux spéciaux et oné- reux,et que la quantité totale de chaleur ainsi récupérée est nettement supérieure à celle qu'il serait possible de récupérer en préchauffant les moyens de gazéification seuls.
Ce préchauffage du combustible dans une série détages à l'état de fluidisation dense a en outre divers autres avantages quand on doit trai- ter des combustibles jeunes ou non préalablement carboniséso En effet on peut faire le réchauffage par groupes d'étages et séparer les diverses pha- ses de ce réchauffages séchages carbonisation à basse températures, réchauf- fage final, ce qui permet de séparer les gaz produits dans ces diverses pha- ses et de ne pas souiller le gaz de gazéification de produits indésirables tels que gaz carbonique, hydrogène sulfuré, etc. en trop grande quantité.
La figure 3 représente l'invention appliquée à la gazéification d'un combustible tel que coke, semi-coke ou anthracite, qui n'a qu'une faible teneur en matières volatiles et ne contient pratiquement pas de goudron. La figure 4 par contre est relative à la gazéification d'un combustible.tel que houille, lignite ou autre combustible jeune, non préalablement carbo- nisé.
Dans la figo 3 le charbon, à 1?état de finesse voulu, entre par 41 dans l'étage supérieur 42 de la colonne de fluidisation 43.Dans cet étage le charbon est maintenu à l'état de fluidisation dense par le gaz qui vient de l'étage inférieur 44 à travers la grille 45 et sort de la colonne par 460 47 représente un dispositif de séparation des poussières que le gaz pourrait entraîner à sa sortieo Il est évident que l'on peut employer pour ce dépous- siérage du gaz tout type de séparateur, même placé à l'extérieur de la colon- ne,
sans pour cela sortir du cadre de la présente inventiono Le charbon pas- se à l'étage 44 par le moyen du tube de descente de poudre 480 Les diverses grilles qui séparent les étages ainsi que les tubes de descente de poudre peuvent avantageusement être réalisés selon les indications de la demande de brevet précitée.
De 1?étage 44 le charbon passe en se réchauffant au fur et à mesure, aux étages 49, puis 50, puis 51, et enfin dans la zone de gazé- ification 52 d'où les cendres sont extraites par 530 Le gaz produit fait ce @
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même circuit en sens inverse et en se refroidissant au fur et à mesure de son ascensiono Les moyens de gazéification entrent par 54 dans un chan- geur de chaleur 55 placé dans l'étage supérieur 42, passent de là par la con- duite 56 dans l'échangeur 57 de 1'étage 44, et ainsi successivement dans les échangeurs des autres étages pour entrer enfin par 58 à la base de la zone de gazéificationo Le nombre d'étages nécessaires est, sur le présent schéma, fixé à cinq,
mais ce nombre variera tant soit peu suivant les conditions de marche désirées et la qualité du combustible traité. Dans certains cas on aura intérêt à placer le premier échangeur de chaleur dans le second é- tage44, ou même dans un autre étage, plutôt que dans l'étage supérieur 42.
De même si on doit craquer un hydrocarbure dans la zone inférieure 52 en mê- me temps que l'on gazéifie du charbon, on pourra réchauffer cet hydrocarbu- re dans une série d'échangeurs de chaleur placés dans les divers étages com- me les échangeurs destinés à réchauffer les moyens de gazéification, le mé- lange de ceux-ci l'hydrocarbure ne devant naturellement se faire qu'à l'en- trée dans la zone de gazéification.
Comme variante, si pour quelque raison que ce soit, par exemple pour simplifier la construction ou pour réduire les dimensions de la colon- ne de fluidisation, on préfère réchauffer à part le charbon et les moyens de gazéification, on peut remplacer les échangeurs 55, 57, etco, par un é- changeur 59 placé à l'extérieur de la colonne de fluidisation, une partie du gaz sortant de la zone de gazéification passant dans la colonne à contre- courant du charbon comme indiqué ci-dessus, 1-'autre partie étant dérivée par une conduite 60 vers l'échangeur 59 d'où elle sort par une conduite 62, munie d'un robinet de réglage 61, pour aller rejoindre le gaz sortant par 46 du sommet de la colonneo Les moyens de gazéification entrent dans cet échangeur par 63 et en sortent par 64 pour entrer dans la zone de gazéifica- tion par 58.
Il est évident que l'on pourrait avoir un second échangeur pour le réchauffage d'un hydrocarbure à craquer ou faire toute combinaison d'échangeurs intérieurs et d'échangeurs extérieurs sans pour cela sortir du cadre de la présente inventiono
Dans la figo 4 qui représente schématiquement le traitement avec gazéification finale d'un combustible jeune, le charbon, en poudre à la fi- nesse voulue, entre par 71 dans 1?étage supérieur 72 de la zone de séchage et de précarbonisation 730Dans cette zone, composée de deux ou plusieurs éta- ges, 72, 74, le charbon, maintenu à l'état de fluidisation dense par un gaz ascendant, est réchauffé et séché,
et subit un commencement de distilla- tiono Dans la plupart des cas on a en effet intérêt à extraire du charbon, avant la distillation à basse température proprement dite, le gaz qui se dégage par chauffage à des températures de l'ordre de 200 à 300 . Ce gaz contient presqu uniquement du gaz carbonique et de 1-'hydrogène sulfuré que l'on élimine ainsi à peu de frais alors qu'il est toujours onéreux de les extraire du gaz de carbonisationo Le procédé selon l'invention permet de réaliser facilement cette séparation et, si ave ces gaz nuisibles se déga- gent de légères quantités de gaz combustibles, de les brûler comme on le ver- ra ci-dessus et d'utiliser ainsi leur chaleur latente.
Les étages sont sépa- rés par les grilles 75 et le charbon passe de 1?un à 19 autre par les tubes de descente 76. Pour le maintien du charbon à 19'état de fluidisation dense on utilise un circuit de gaz qui entrent par 77 dans la partie inférieure 78 de la zone 73.
Ces gaz sont réchauffés par la combustion:! dans un brûleur 79 d'un combustible,qui peut être les constituants combustibles du gaz en circuit, un gaz produit dans 1.'une des zones suivantes de l'appareil, ou tout autre combustible solide (pulvérisé), liquide ou gazeux, introduit par 80 et brûlant avec de l'air introduit par 81; les robinets 82 et 83 servent au ré- glage de la combustion et de la chaleur utilisée.
Après avoir traversé les éta- ges 74., 72, contenant le charbon fluidisé, le gaz sort de la colonne par 84, après avoir été dépoussiéré par le séparateur 85, représenté ici comme un cy- clone,mais qui pourrait être de n'importe quel autre type, ou placé en de- hors de la colonne, sans pour cela sortir du cadre de la présente invention.
Le gaz sortant de la colonne est refroidi en 86 où. est condensé l'eau qu'il con- tient qui est extraite par 87. De la condensation le gaz passe à l'aspiration
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du ventilateur 88 d'où il est refoulé dans le circuit. Une partie du gaz est envoyée à la chemisée par 89, les robinets 90 permettant le réglage facile de la quantité en circuit. Le gaz est enfin réchauffé dans l'échangeur 91 où il récupère une partie de'la chaleur du gaz sortant de la zone suivan- te, puis il retourne à l'entrée 77 de la zone 53.
Le charbon précarbonisé sort de la zone 73 par le tube de descen- te de poudre 92 pour entrer dans l'étage supérieur 93 de la zone de oarboni- sation 94 où il passe successivement par un ou plusieurs étages sur lesquels il est maintenu à l'état de fluidisation dense par un courant ascendant de gaz.
Le charbon passe d'un étage à l'autre par les tubes de descente de poudre 96, les étages étant séparés par des grilles 95. Dans cette zone le charbon est amené à une température de l'ordre de 600 à 700 et il en sort donc parfaite- ment dégoudronné et ne pouvant plus dégager par chauffage supplémentaire que de l'hydrogène, de l'oxyde de carbone et un peu de méthanes avec quelques traces d'hydrocarbures supérieurs. Ces traces seront d'ailleurs très réduites si le charbon séjourne un temps suffisant dans le dernier étage de la zone- de carbonisation.
Il sera facile de déterminer par des essais de laboratoire dans chaque cas partioulier, en fonction du charbon et de l'usage auquel on destine le gaz à l'eau fabriqué dans la zone de gazéification, la températu- re et le temps de séjour nécessaires dans cet étage et de dimensionner l'ap- pareil en conséquence. La température du premier étage de cette zone de carbo- nisation doit, avec des charbons qui ont tendance à s'agglomérer au cours du chauffage, être nettement supérieure à la température à laquelle le charbon subit le phénomène de fusion commençante:, c'est-à-dire de l'ordre de 500 .
Une température de cet ordre a l'avantage supplémentaire d'éviter tout ris- que de condensation de goudron dans l'appareil avec tous les inconvénients variés que pourraient présenter de telles condensations. Le gaz entre par '97 dans la partie inférieure 98 de la zone de carbonisation où il est réchauffé au moyen des gaz de combustion provenant d'un brûleur 99 alimenté en gaz par 100 et en air par 101 le réglage se faisant par les robinets 102 et 103. Sur la fig. 4 on a prévu comme combustible le gaz même qui est en circuit mais il serait possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'utiliser tout autre type de combustion solide (pulvérisé), liquide ou gazeux ou de faire ce chauf- fage par voie indirecte.
Le gaz, après avoir traversé la zone de carbonisation? et s'y être chargé du goudron primaire et du gaz dégagés au cours du chauffage du charbon, sort par 104 après avoir été débarrassé des poussières qu'il con- tient dans le séparateur 1050Le gaz passe ensuite dans l'échangeur 91 où il cède sa chaleur sensible au gaz entrant dans la zone de séchage. Dans cet échan- geur, si la température de sortie est bien réglée (entre 100 et 200 ) on con- densera presque tout le goudron, qui sortira sans eau par 106, ce qui évitera tous les ennuis et difficultés que présente souvent la séparation de l'eau et du goudron primaire.
Le gaz sera ensuite refroidi dans une installation de con- densation 107 d'où l'eau de constitution du charbon et le goudron léger, qui s'en sépare facilement, seront extraits par 108. De la condensation le gaz est repris par un surpresseur 109 qui l'envoie à une installation de desessencia- tion 110 puis a l'entrée 97 de la zone de carbonisation. L'excès de gaz peut être soit utilisé tel quel si on le fait sortir par 111, soit craqué dans la zone de gazéification, si on le fait sortir par 112, le réglage de la distri- bution du gaz était fait au moyen des robinets 113.
Le charbon carbonisé et chaude passe de la zone de carbonisation à une zone de réchauffage 114, formée de un ou plusieurs étages, par le tube de descente de poudre 115. Cette zone de réchauffage précède directement la zone de gazéification 116 et ce qui a été dit précédemment au sujet de la figo 3 s'applique à cette zone. Le nombre d'étages en sera toutefois réduit puis- que le charbon y entre déjà chaud.
En conséquence le gaz en sort chaud lui aussi et il faut récupérer sa chaleur sensible au moyen de l'échangeur exté- rieur 117 dans lequel les moyens de gazéification entrent par 118 alors que le gaz à l'eau en sort par 1.190 Dans cet échangeur on peut aussi réchauffer le gaz provenant par 112 de la zone de carbonisation et devant être craqué, et l'échangeur interne 120 de la zone de réchauffage pourrait être remplacé par un échangeur extérieur comme sur la variante de la fig. 3.
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Il faut noter également que, dans le cas où il serait néces- saire d'avoir un gaz à l'eau absolument pur, il n'y aurait aucune difficul- té à mettre la zone de réchauffage dans le circuit de la zone de carboni- sation et à modifier en conséquence la récupération de la chaleur. Si on désire fabriquer du gaz pauvre par gazéification et utiliser un gaz de car- bonisation aussi riche que possible., on pourrait envisager d'utiliser une partie du gaz pauvre pour le réchauffage indirect du gaz du circuit de ga- zéifioation, à l'extérieur de cette zone, dans un four spécialement prévu; on éviterait par cette méthode d'introduire de l'azote dans le gaz riche.
Enfin, avec des charbons particulièrement cendreux, on peut a- voir intérêt à récupérer la chaleur sensible des cendres en refroidissant cel- les-ci, qui sont sous forme de boulettes agglomérées, dans un appareil de ty- pe connu placé au-dessous de la zone de gazéification et parcouru par un cou- rant ascendant formé d'une partie des moyens de gazéification.
Avec les dispositions d'appareillage prévues ci-dessus on peut fabriquer du gaz pauvre en utilisant comme moyens de gazéification de l'air plus ou moins chargé en vapeur, du gaz à l'eau avec de la vapeur et de l'oxy- gène, de l'oxyde de carbone avec du gaz carbonique et de l'oxygène. Par con- tre il n'est pas possible de fabriquer de l'hydrogène directement par ce moy- en. On peut arriver cependant à fabriquer ce gaz à partir de fines de combus- tibles solides en se basant sur les considérations suivantes :
Il est connu depuis longtemps qu'on peut fabriquer de l'hydrogè- ne en faisant agir de la vapeur d'eau sur du fer ou sur de l'oxyde ferreux selon la réaction :
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puis en réduisant l'oxyde supérieur ainsi obtenu au moyen d'un gaz réduc- teur quelconque, par exemple de gaz pauvre.
Cet ensemble de réactions peut s'effectuer soit au moyen de lits fixes d'oxyde de fer avec périodes alternées de réduction et de fabrication d'hydrogène, soit avec des lits fluides d'oxyde de fer en poudre passant en circuit fermé d'un appareil de réduction à un appareil de fabrication d'hydrogène et de celui-ci de nouveau à l'appareil de réduction. Malheureusement,dans l'un comme dans l'autre cas., on consomme une grande quantité de chaleur pour le chauffage du gaz et de la vapeur aux températures de la réaction qui sont de l'ordre de 500 à 800 , si bien que l'on a un rendement industriel peu satisfaisant. En outre, on pro- duit de l'hydrogène impur,souillé par les gaz réducteurs restant attachés aux granules de fer ou d'oxyde et cela malgré les purges généralement prévues en- tre les phases de l'opération.
Une épuration soignée de l'hydrogène est abso- lument nécessaire si on veut utiliser ce gaz, soit pour des synthèses chimi- ques, soit pour des hydrogénations. Ce moyen de production d'hydrogène est donc à peu près abandonné à l'heure actuelle, sauf pour la fabrication d'hy- drogène dans des contrées ou l'on ne dispose ni d'énergie électrique à bon mar- ché, ni d'un combustible convenant à la fabrication de gaz à l'eau.
Or, si l'on fabrique le gaz pauvre selon la présente invention, ce gaz sort du gazo- gène à haute température et, comme dans la fabrication de ce gaz il n'est pas nécessaire, comme le montre un calcul facile., de préchauffer très fortement l'air de gazéification, on peut utiliser une bonne partie de la chaleur sen- sible du gaz pauvre sortant du gazogène pour fournir la chaleur nécessaire au procédé fer-vapeur qui devient ainsi économique.
D'autre part on peut obtenir directement, par la présente inven- tion,de l'hydrogène suffisamment pur pour ses principales applications, hydrogé- nations ou synthèses chimiques. Le principe de l'invention est expliqué par le schéma de la figure 5. Il est naturellement possible d'envisager d'autres dis- positions générales sans sortir du cadre de l'invention, si, pour une raison ou pour une autre, les conditions de l'installation à réaliser s'éloignent tant soit peu de celles prévues sur le schéma.
Sur ce schéma les appareils No. 1,2,3,4, 12,13 sont les mêmes que ceux figurant avec ces numéros sur les figures 1 et 2; les fines de charbon
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arrivent par 1 dans le gazogène 2 dont les cendres sont extraites par 3; l'écran 4 empêche les pertes de chaleur par rayonnement du gazogène; l'air qui contient la quantité de vapeur nécessaire au maintien de la température convenable (voir plus haut) dans le gazogène entre dans l'installation par 12, est réchauffe dans l'échangeur 133 au moyen de la chaleur des gaz sor- tant de la réduction dont il sera question ci-dessous, et pénètre dans le gazogène 2 par la tuyauterie 13. Le gaz pauvre sortant par 127 entre à tra- vers la grille 128 dans la zone 129 où se fait la réduction de l'oxyde de fer.
Les gaz apportent dans cette zone leur chaleur sensible ce qui permet de ne pas avoir à fournir d'autre chaleur de l'extérieur à cette zone pour la maintenir à la température voulue. Dans cette zone, le gaz maintient en suspension à l'état de fluidisation en phase dense une poudre d'oxyde de fer, la température étant de l'ordre de 500 à 800 et la vitesse des gaz,au-dessus de la zone de fluidisation dense, étant de l'ordre de 0,1 à 2 m/sec. selon la grosseur et les propriétés des grains d'oxyde.. Les gaz, partiellement oxy- dés par la réduction de l'oxyde, sortent par un séparateur 130, figuré sur le schéma comme un séparateur centrifuge mais qui pourrait être remplacée sans sortir du cadre de l'invention, par tout autre type de séparateur per- mettant de réintroduire, par exemple par 131, la poussière séparée des gaz.
Ce séparateur pourrait évidemment aussi être à l'extérieur de la zone de réduction. De ce séparateurles gaz à la température de la zone de réduc- tion et contenant encore une certaine quantité de gaz combustibles corres- pondant à l'équilibre des réactions de réduction à la température de celle- ci, se rendent par 132 à l'échangeur 1339 dont ils sortent par 134 pour être utilisés par exemple à la production de la vapeur nécessaire pour la fabrica- tion de l'hydrogène dont il sera question ci-dessous ou à tout autre chauf- fage.
L'oxyde de fer en poudre de la grosseur voulue, en général plus petite que 0,5 mm, mais ne comportant qu'une faible proportion de grains plus fins que 0,01 mmg arrive dans la zone de réduction 129, venant par simple gravi- té de la zone de fabrication d'hydrogène par l'intermédiaire de la tuyauterie 158 munie du robinet de réglage 1590 Il faut noter que pour pousser la ré- duction de l'oxyde et réduire ainsi la quantité de poudre en circulation et pour améliorer l'utilisation du gaz comme réducteur, on pourrait avoir inté- rêt à .faire la réduction en deux ou plusieurs étages,, au lieu d'un seul com- me prévu sur la figure 5. Pour cela, on pourrait utiliser par exemple une colonne à plateaux de fluidisation, comme celle faisant l'objet de la deman- de de brevet précitée.
Comme cette zone de réduction consomme des quantités importantes de chaleur pour réchauffer la poudre d'oxyde de fer qui y entre et pour fournir la chaleur nécessaire à la réaction, on peut prévoir d'y in- troduire éventuellement un peu d'air pour brûler tout ou partie du gaz pauvre.
Pour cela il est préférable d'avoir plusieurs étages de fluidisation comme indiqué ci-dessus, et de renvoyer Pair de combustion que dans les étages su- périeurs pour ne pas gêner la réduction dans les étages inférieurs qui d'ail- leurs profitent de la châles sensible du gaz pauvre sortant du gazogène. La poudre sort de la zone de réduction 129 par la tuyauterie 136 munie d'un ro- binet de réglage 137 et tombe dans un appareil de dégazage 1380 Dans cet ap- pareil, la poudre tombe en pluie, par le moyen d'une série de chicanes 139, à contre-courant du gaz de purge .dont il sera question ci-desscus.
Dans cet ap- pareil de dégazage la vitesse du gaz est suffisante pour entraîner les fines particules de cendre ou de combustible qui auraient pu passer du gazogène dans la zone de réduction et qui n'auraient pas réagi dans celle-ci. En effet il paraît préférable de ne pas mettre de séparateur de poussières à la sortie du gazogène pour éviter que cet appareil ne soit soumis à une température trop élevée ou ne soit la cause de pertes trop importantes de chaleur. La vitesse du gaz dans l'appareil de dégazage est;
, par contre, réglée de manière à ne pas entraîner les particules d'oxyde de fer qui ont une densité nettement plus éle- vée que le combustible ou les cendres et qui d'autre part, sent choisies d9une grosseur telle que la vitesse de gaz nécessaire pour les entraîner soit très élevéeo Des particules comprises entre 0,05 et 0,5 mm conviennent particulière- ment bieno Le courant de gaz neutre a, en cutre9 comme effet d'enlever l'oxyde de carbone l'hydrogène sulfuré et les autres composés nuisibles à la pureté de 1-'hydrogène,, aui auraient pu être retenus par les grains d'oxyde.
Comme gaz neu- tre, on peut utiliser en particulier de l'azote arrivant par la tuyauterie 141,
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mis à la pression voulue par le surpresseur 142 dans la conduite 147. Ce gaz, avant d'arriver à l'appareil de dégazage,est réchauffé dans l'échan- geur 149 et éventuellement lors de la mise en route en particulier, par le four 150 qui peut être mis en service ou isolé au moyen d'un jeu de robi- nets 151.
Le gaz neutre chaud entre dans l'appareil de dégazage par 1520 Il en sort par 153, cède sa chaleur sensible dans 19'échangeur 149 et est envoyé à la cheminée par la tuyauterie 1540 La. poudre dégazée sortie par la tuyau- terie 140 est reprise par du gaz neutre chaud dans la boite de distribution 1700 Ce gaz neutre provient du compresseur 142. Les robinets 148 servent à régler les débits de gaz neutre allant au dégazage et servant au transport de la poudre dégazée chaude. Le mélange de poudre et de gaz neutre est en- voyé par la tuyauterie 143 au séparateur 144. La poudre tombe de ce sépara- teur dans le réservoir de stockage 1450 Le gaz neutre séparé de la poudre est réaspiré par le surpresseur 142.
Avant d'entrer dans celui-ci, il cède
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sa chaleur dans 1.9échangeur 172, muni d'un by-pass 173, au gaz entrant dans la boîte de mise en suspension 170, 19 appoint de gaz neutre frais et la cir- culation de celui-ci sont réglés au moyen des robinets 1710 Comme la quan- tité de gaz nocif extraite de la poudre dans le dégazeur 138 est relative- ment faible, on doit pouvoir faire circuler en circuit fermé une partie du
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gaz neutre au lieu de tout renvoyer à 1-lextérïeur.
La possibilité de cette récirculation dépend de la pureté de 1?hydrogène qu.il est nécessaire d9obte- nir, de la qualité du combustible, de celle de l'oxyde de fer et de la distri- bution des températures dans la zone de réduction et dans 1?appareil de déga- zageo On peut également prévoir un réchauffage du gaz neutre sortant du com- presseur par combustion de tout ou partie du gaz pauvre sortant de la réduc- tion. On emploiera pour cela un appareil à chauffage indirect, 1.9 oxyde ne de- vant pas être en contact avec des gaz tels que vapeur d9eau ou gaz carboni- que qui lui céderaient leur oxygène. L'oxyde de fer réduit contenu dans le réservoir de stockage 145 entre par la tubulure 155 munie du robinet de régla- ge 156 dans la zone de fabrication d'hydrogène 157.
Dans cette zone, la pou- dre est maintenue en suspension à l'état de fluidisation en phase dense par un courant de vapeur surchauffée entrant par la grille de distribution 1610 La réaction entre la vapeur et l'oxyde est très vive et dégage des quantités importantes de chaleur. On pourra donc faire cette zone en 'Un seul étage de fluidisation mais on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en la réalisant en deux ou plusieurs étages en particulier selon les indications de la demande de brevet précitée. On pourra récupérer une partie de la cha- leur dégagée par la réaction, tout en évitant d'avoir des températures trop élevées dans la zone de fabrication., en entourant celle-ci d'un water-jacket
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174 qui produira tout ou partie de la vapeur nécessaire à 1-9opération.
La tem- pérature de réaction sera de l'ordre de 500 à 7000 et la vitesse moyenne des gaz à la sortie de la phase dense pourra varier de 0,1 à 2 m/sec. Le gaz produit,
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mélange d-9hydrogène et de vapeur, sort par le séparateur 162, figuré sur le schéma comme un séparateur centrifuge mais qui pourrait être remplacée sans sortir du cadre de 1?invention, par tout autre type de séparateur permettant de réintroduire par exemple par 163;, la poussière séparée du gaz. Ce sépara- teur, comme d'ailleurs le séparateur 130, pourrait évidemment aussi être dispo-
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sé à 1?extérieur des appareils.
Le gaz formé de vapeur et d'hydrogène sort par la tuyauterie z9 passe dans 1?éehange,ur 165 où il cède une partie de sa cha- leur sensible à la vapeur entrant par 16 la dans cet échangeur. Le gaz partiel- lement refroidi sort par la tuyauterie 166 pour aller vers la réfrigération finale et l'utilisation. La vapeur surchauffée dans 19 échangeur 165 se rend dans 1?appareil de fabrication d'hydrogène par la tuyauterie 160. En princi- pe, on cherchera à disposer tout 1'appareillage, de manière à réduire le plus possible des pertes de chaleur. Un calorifugeage se.igné sera nécessaire. On arrive ainsi à obtenir de 1?hydrogène très gar et dans des conditions économi- que.
Si 1'on utilise un combustible pouvant être gazéifié en gaz à Peau.9 on
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obtiendrait, en opérant selon 1?invention, une quantité dhydrogène un peu moindre pour la même quantité de combustible que si 1'on passe par le gaz à
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l'eau, mais on supprime toutes les installations d?épuration du gaz et de con- version de l'oxyde de carbone, installations dont le prix est élevé et qui consomment de l'énergie, de la main d?oeuvre, des frais dgentretien et d9amor- tissements.