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Four à coke avec disposition pour évacuer les gaz de distil-
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lât ion
Cette invention se rapporte a des perfectionnements à la distillation d'un combustible solide dans des chambres ou cornues qui fonctionnent par Intermittence et sont chauf- fées par leurs parois latérales, et particulièrement m des dispositifs pour évacuer les produits de distillation ga- zeux de ces chambres ou cornues.
Le but principal de l'invention est d'augmenter fortement le rendement en sous-produits de la distillation, à la fois en quantité et en qualité.
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Dans la distillation d'un combustible solide dans des chambres ou cornues fermées qui sont chauffées par leurs parois latérales et fonctionnent par intermittence, il est connu d'évacuer les produits de distillation gazeux en les aspirant de l'intérieur de la masse de combustible, afin d'améliorer,tant au point de vue de la quantité, que de la qualité, le rendement en sous-prdduits et particulièrement en hydrocarbures.
Dans les constructions existantes de ce genre, les produits de distillation gazeux étaient généra- lement évacués en les aspirant de l'intérieur de la masse de combustible sur toute la hauteur de la charge, ou parfois au point le plus bas de celle-ci, c'est à dire près de la sole de la chambre ou à travers celle-ci;
La construction suivant l'invention diffère des constructions connues en ce que, dans la distillation d'un combustible solide dans des chambres ou cornues chauffées latéralement et fonctionnant par intermittence, tous les produits de distillation volatils sont aspirés de la partie supérieure de l'intérieur du combustible, par exemple au moyen de tubes, conduits, espaces creux ou leur équivalent, qui sont disposés de manière que les orifices d'entrée du gaz soient situés en dessous de la surface supérieure libre du combustible,,
La manière de réaliser le procédé ci-dessus et son fonctionnement sont expliqués dans la description sui- vante du processus de distillation et de cokéfaction dans les fours à chambre chauffée latéralement et fonctionnant par intermittence, destinés à produire du coke et du gaz,
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Les figs.
1, 2 et 3 des dessins annexés qui sont des couper transversales verticales d'une chaire de four à coke horizontal chauffée latéralement, montrant différentes phases de la cokéfaction, aident à expliquer ces différentes phases et les améliorations dues à la présente invention.
On admet généralement maintenant (voir Ullman "Encyclopädie der technischen Chemie", Vol.7,page 94) l'o- pinion vérifiée par l'expérience, qu'il existe, dans une charge de charbon pendant la cokéfaction, deux couches a dénommées zones de la phase plastique" ou Couches de sou- dureparallèles aux deux parois chauffantes w (voir Fig.1), de faible épaisseur (environ 30 à 40 mm), formées de charbon imprégné d'épais constituants de goudron et formant une masse écumante qui, au cours de la distillation et de la cokéfaction se rapprochent l'une de l'autre et finalement se rencontrent au milieu de la chambre.
Entre ces deux couches de soudure a se trouve une chargea crue, inaltérée et modérément molle de charbon à basse température qui, même au voisinage immédiat de la couche en voie de cokéfaction, atteint à peine 100 C;à ,l'extérieur des couches de soudure a se trouve du coke fait c à haute température pouvant atteindre 1000 0 et davantage et très dense et solide, qui est traversé par un réseau de fissures horizontales et verticales s'étendant à une profon- deur plus ou moins grande* Entre le coke c et la surface des parois w de la chambre, il se forme par suite du retrait du coke un étroit espace libre i tout le long de la paroi de la chambre.
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La très brusque chute de température dans le sens de l'écoulement de la chaleur transmise perpendiculai- rement des parois au charbon, qui se rencontre à l'endroit de la soudure, provient de la très grande et soudaine absorption de chaleur qui est nécessaire à cet endroit pour faire passer d'un état à l'autre !les matières volatiles, en particulier l'eau de l'humidité et les particules bitumineuses du charbon.
La chaleur rayonnant des parois chaudes évapore l'eau at les constituants goudronneux du charbon. Ces constituants s'échap- pent sous forme de vapeur dans la direction de réellement de la chaleur à l'intérieur de la charge de charbonm sont en ma- jeure partie condensés immédiatement en traversant les parties voisines plus froides de la charge et produisent ainsi la zone de la phase plastique ou soudure composée principalement de par- ticules bitumineuses.
Du côté intérieur des couches de soudure a sont - engendrés les nombreux produits de distillation volatils, en particulier de la vapeur et des hydrocarbures de goudron . De toute façon, tous ces gaz et vapeurs refoulés dans l'espace intérieure sont relativement froids. Par exemple, on peut en- core trouver de l'eau sous sa forme liquide à l'intérieur de cette charge froide A, même quand la cokéfaction est déjà très avancée. Dans les parties cokéfiées c de chaque côté des couches de soudure a se développent principalement des gaz permanents comprenant de l'hydrogène et plus spécialement le précieux gaz ammoniac.
Ces derniers gaz sont très chauds et par conséquent de faible dehsité, et, par suite, sont entraînés en raison de leur légèreté de bas en haut le long des parois de la chambre vers la surface, supérieure d de la charge de celle-ci.
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La constatation que les couches de soudure a of- frent une grande résistance au passage des gaz, constitue pour l'invention une nouvelle et importante découverte.Ces couches peuvent être considérées quasiment comme imperméables aux gaz, de sorte qu'elles peuvent, jusqu'à un certain point, supprimer toute communication entre l'espace Intérieur b et l'espace extérieur c. Ce fait produit d'importants résultats u point de vue de l'équilibre statique entre les deux colonnes de gaz qui ont des poids spécifiques différents et se trouvent d'une part dans l'espace intérieur b. et d'autre part dans les espaces extérieurs c.
On peut voir sur la Fig. 1 que les espaces b et ± communiquent directement à la surface supérieure d de la char- ge de la chambre, de sorte qu'à ce niveau la pression de la colonne de gaz située en b. doit être pratiquement la même que celle de la colonne de gaz située en c. Si l'on considère aussi que les gaz de b. ont un poids spécifique plus élevé que les gaz de ± et que, en conséquence, l'accroissement de haut en bas de la pression statique des gaz en 1 doit être plus considérable que l'accroissement correspondant de la pression statique des gaz en ce on voit qu'à n'importe quel niveau sous la surface supérieure d de la charge, la pression statique de la colonne de gaz située en b dépasse celle de la colonne de gaz extérieure située en c.
Par conséquent,pendant les phases de début correspondant à la Fig. 1, il y a, dans tout l'espace intérieure, un excédent de pression des gaz et des vapeurs dirigés de 'l'intérieur vers l'extérieur.
La grandeur absolue de cet excédent de pression est considérable. Si, par exemple, le poids spécifique moyen
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du mélange de gaz et de vapeur situé en 'b, pris à 0 et à une pression de 760 mm, est supposé être de 1,1 Kg. par mè- tre cube ( ce qui correspond à un mélange composé principale- ment de vapeurs d'eau et de goudron), ce poids spécifique , à la même pression, mais à une température de 100 , devient s, = , 1.1. 273 = 0,81 Kg. par mètre cube, et si on suppose
273 + 100 que le poids spécifique moyen du mélange gazeux situé en c, pris à 0 et à la pression de 760 mm. est de 0,6 Kg. par mètre-cube, ce poids spécifique, à la même pression mais à une température de 1000 C devient Sa=0,6./273 + 273/1000 = 0,13 Kg. par mètre cube.
Dans ces conditions, la différence de pres- sion à un niveau H sous la surface supérieure d est égale, suivant les lois hydrostatiques connues, à H (Si - Sa ).
Ainsi, par exemple, si la hauteur de la charge est de 3 mè- tres comme il est fréquent dans les fours à chambres moder- nes, il existe à l'endroit de la sole de la chambre un excé- dent de pression de l'intérieur vers l'extérieur qui se monte à 3 (0,81 - 0,13)= 3 X 0,68 = 2 Kg. par mètre carré =
2 mm. au manomètre. Une telle différence de pression produit théoriquement, dans ce cas, un courant de gaz s'écoulant à la vitesse de 7 mètres par seconde et est donc suffisante pour entraîner des quantités considérables de gaz ou de va- peurs à travers les fissures et les crevasses des couches séparatrices a.
Par conséquent, dans une chambre de four à coke suivant la Fig.1, dans laquelle le gaz est évacué par aspiration de'la. manière habituelle à travers la votive du four, il existe un courant de gaz à l'intérieur de la charge de charbon, dans la direction indiquée par les flèches.
Les gaz et vapeurs froids et lourds situés dans l'espace b, des- cendent et, par suite de leur excédent de pression, s'échap-
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pent, particulièrement à la partie inférieure de la chambre, à travers les crevasses et les trous des couches de soudure a, sont chauffés à une température élevée dans l'espace exté- rieur c et s'élèvent en raison de leur légèreté entre les parois chaudes w et 3à- couche de soudure ,, en partie à tra- vers les espaces 1 directement le long des murs chauds et en partie à travers le coke incandescent et sont finalement évacués à travers la voûte du four.
En passant à travers le coke fortement chauffé c et à travers les espaces 1 le long des murs chauds w, les hydrocarbures des gaz et vapeurs sont décomposés davantage, de sorte qu'il se forme plus spéciale- ment de l'hydrogène et du carbone qui se dépose sur le coke,
Les constituants précieux du gaz sont ainsi partiel- lement convertis en gaz permanents de moindre valeur et par- tiellement en carbone élémentaire. Les opérations décrites ci-dessus se produisent pendant les phases initiales ; tou- tefois, elles ne subissent aucun changement matériel à l'intérieur du four pendant l'avancement ultérieur de la dis- tillation et de la cokéfaction.
Les couches de soiudure a se rapprochent simplement alors de plus en plus, les espaces à gaz b et c, séparés par elles, mais communiquant à la sur- face supérieure, demeurent dans le même état jusqu,% ce que les couches de soudure se rencontrent au milieu et l'opéra- tion touche à sa fin.
Dans la construction suivant la présente invention, un tube d'aspiration horizontal R, par exemple, est disposé à l'intérieur de la charge de charbon b à une faible distance en-dessous de sa surface supérieure d. Ce tube r s'étend sur toute la longueur horizontale de la charge de charbon et présente de préférence, en dessous une fente continue, comme c'est représenté, ou une rangée de fentes ou d'ouvertures
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autrement conformées destinées à laisser entrer le gaz et qui existent sur toute la longueur du tube ou de la charge, ces ouvertures étant de toute façon placées en dessous de la surface supérieure d de la charge.
Au début du fonctionnement d'un four fraîchement chargé il n'y a, avec cette disposition, aucune différence matérielle avec le fonctionnement de l'aspiration ordinaire montrée sur la Fig.l. Les couches de soudure a sont formées, par la chaleur dégagée par les deux parois chaudes w, direc- tement contre ces parois, exactement comme sur la Fig. 1 et les espaces b et ± séparées par les soudures sont en com- munication directe au niveau de la surface supérieure d.
Cela étant, il n'y a évidemment au début aucun changement essentiel dans la distribution, sur la hauteur de la chambre, de la pression des gaz en b et.±. par rapport à celle qui vient d'être décrite avec référence à la fig.l. En conséquen- ce, il s'établit durant les phases initiales, comme le montre la Fig.2, un courant de gaz à l'intérieur de la chambre tout- à-fait comme sur la Fig. 1.
Par suite, des vapeurs froides et lourdes descendent en b, s'échappent à travers les sou- dures a remontent en.±., y sont chauffées et s'échappent de c en montant dans l'espace libre situé au dessus de la surfa- ce supérieured, mais doivent alors passer - ce qui est la caractéristique nouvelle essentielle - à travers la partie médiane de la surface supérieure d dans l'espacer, c'est-à- dire de nouveau à l'intérieur de la charge de charbon,afin d'atteindre le tube r, comme l'indiquent les flèches.
La dernière partie du trajet des gaz à travers la surface supé- rieure et les couches supérieures de la charge de charbon
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pour atteindre le tube r offre une résistance légèrement plus grande que celle du trajet correspondant de la Fig. 1, pour atteindre les ouvertures de la voûte du four; l'aspiration doit donc être légèrement plus puissante dans le tube r que sur la Fig.l, c'est-à-dire que la pression absolue des gaz situés en b, au niveau du tube r, doit être quelque peu diminuée.
La pression absolue des gaz situés dans les espaces extérieurs au voisinage direct des parois chaudes w est maintenue dans tout système en fonctionnement, en réglant de façon correspondante l'aspiration du gaz, de manière à main- tenir celle-ci à une valeur constante et à assurer ainsi que la pression du gaz du côté de la chambre, soit pratiquement égale à celle exercée sur le côté chauffé des murs chauds.
Le courant de gaz fortement chauffés montant des espaces je et traversant la surface supérieure de la charge pour revenir dans l'espace b. résultant de la disposition du tube d'aspiration r en dessous de la surface supérieure d de la charge, donne l'important résultat que cette surface supérieure d, est cokéfiée par les gaz fortement chauffés qui la traversent et qu'ils se forme immédiatement en dessous d'elle une couche de soudure du même genre que la soudure a.
Il est à remarquer que la fusion et l'évaporation nécessaires des particules bitumineuses du charbon se produisent à des températures très modérées d'environ 3000 à 400 C. tout au plus, tandis que les gaz venant de ± qui produisent le chauf- fage sont à une température d'environ 1000 et plus. La formation d'une couche de soudure de ce genre le long de la surface supérieure d de la charge de charbon a naturellement pour résultat d'augmenter la résistance au courant de gaz allant de c en b et dans le tube r.
Par suite, au fur et
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mesure que l'opération avance, on doit augmenter progressi- vement l'aspiration dans le tube Finalement, les couches de soudure a, a sont complètement fermées, relativement tôt dans le cours de la phase initiale de la cokéfaction, par leurs parties a', a', au voisinage du tube r. Cette fermeture pratiquement complète des soudures est favorisée par ce que les gaz chauds qui chauffent les parties supé- rieures de la charge tendent de préférence a cheminer à travers celles des crevasses ou ouvertures des couches de soudure fraîchement formées qui offrent le moins de résistan- ce. La chaleur la plus élevée est communiquée à ces- endroits et les progrès de la formation de la soudure y sont très ra- pides.
Lorsque cet état, montré sur la Fig.3, est atteint, l'aspiration dans le tube [, peut et doit être encore aug- mentée, c'est à dire que la valeur absolue de la pression du gaz dans l'espace Inférieur 1 doit être considérablement diminuée. E n conséquence, à tous les niveaux verticaux au- tour et à l'extérieur des couches de soudure a, a', les pressions gazeuses dans les espaces extérieures c det aussi au dessus de la surface supérieure d sont plus élevées que celles qui règnent dans l'espace intérieure. Par suite, tous les gaz et vapeurs développés dans cet espace inté- rieur b et plus particulièrement les hydrocarbures de gou- dron, sont conduits directement dans 'le tube r et le passage de ces gaz et vapeurs de l'espace froidb dans les espaces chauds c est complètement empêché.
On évite ainsi toute décomposition et toute détérioration de ces gaz et vapeurs.
Les hydrocarbures et plus particulièrement les huiles de goudron, s'obtiennent dans l'état ou. elles sont produites originairement, on obtient un goudron qui présente une
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grande similitude avec le goudron appelé primaire obtenu par la distillation à bass'e température. La quantité d'hydrocarb re et de goudron est beaucoup plus considérable qu'avec le procédé habituel d'aspiration des gaz montré sur la Fig.l.
En particulier, le rendement en hydrocarbures de benzol et en benzines est considérablement augmenté. Le rendement en ammoniaque est aussi favorablement affectée Comme on le sait et ainsi qu'il a été dit ci-dessus, l'ammoniaque est prédo- minante,durant les dernières phases de la cokéfaction, dans les espaces ± remplis de coke incandescent. Dans le procédé habituel d'aspiration des gaz à travers la voûte du four comme sur la Fig.l, l'ammoniaque produit doit suivre un très long trajet, c'est-à-dire la longueur des espace$ 1 le long des parois fortement hauffées w, avant d'être évacué de la chambre du four. En passant près des surfaces supérieures fortement chauffées des parois et aussi du coke lui-même, une grande partie de l'ammoniaque est décomposée et perdue.
Grâce à la disposition du tuyau d'aspiration comme c'est montré sur la Fig.3, tous les gaz produits dans les parties extérieures du coke c sont aspirés par le chemin le plus rapide et le plus court, à travers les fissures existant dans les couches de soudure, dans l'espace intérieur froid b. Cela seul est possible, car par suite de la fermetu- re complète des couches de soudure produite en a', a', une pression considérablement plus réduite peut et doit être maintenue dans l'espace intérieur b,, par rapport aux espaces c, ce qui compense, et au-delà et dirige en sens inverse les différences de pression hydrostatique constatées sur les Figs. 1 et 2 à l'intérieur de la chambre du four et qui produisent les courants en circuit fermé désavantageux.
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Comme il ressort clairement de la description ci- dessus, toutes les améliorations du fonctionnement décrites proviennent essentiellement de l'installation du tube d'as- piration et plus particulièrement de la disposition de ses orifices d'entrée à l'intérieur de la charge de charbon, en- dessous de la surface supérieure d de celle-ci*
La réalisation du procédé décrit n'est évidemment pas limitée à la forme de ce tube. D'autres dispositifs pour l'évacuation des produits de distillation gazeux peuvent être installés à ces endroits et ces dispositifs peuvent par exem- ple descendre de la voûte du four et s'enfoncer à une cer- taine profondeur dans la charge de charbon et avoir leurs orifices d'entrée de gaz situés en dessous de la surface de la charge.
Dans certaines circonstances, dans des cas parti- culiers, il est suffisant de ménager par des moyens appro- priés et de maintenir libre un espace vide ou canal situé à l'intérieur de la charge de charbon et qui remplace le tube r, mais cela n'est possible qu'avec certaines espèces de charbons.
L'installation de tous ces dispositifs d'aspira- tion à l'intérieur de la charge de charbon, mais seulement à sa partie supérieure, par opposition à tous autres genres d'aspiration à l'intérieur de la charge, présente le très grand avantage pratique, lorsque ces dispositifs sont appli- qués à des chambres de fours horizontaux destinées à être déchargées horizontalement, de ne pas entraver l'emploi de la défourneuse habituelle pour le défournement du coke, Le procédé peut donc être facilement appliqué à des chambres de fours existants et à cet effet aucune transformation impor- tante des fours n'est nécessaire,