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Procédé de gazéification de combustibles solides sous de très fortes pressions et utilisation des gaz ainsi produits dans des moteurs à combustion interne L'objet de la présente invention est un procédé et un dispositif pour la production d'énergie à bon marché à l'aide de combustibles solides. Le procédé est caractérisé en ce qu'un gaz à l'ajret à l'eau, pauvre et bon marché, est produit direc- tement à une pression très élevée et les gaz ainsi produits utilisés pour alimenter un moteur Diesel.
On sait que l'emploi de combustibles gazéifiés à la pression ordinaire pour l'alimentation de moteurs Diesel n'est pas économique à cause du contenu élevé du combustible gazeux
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en gaz neutres (azote) et par suite de l'énergie excessive néces- saire à la compression du combustible gazeux avant son introduc- tion dans le cylindre.
Or, l'inventeur a trouvé qu'il est possible d'obtenir à partir d'un combustible solide directement un combustible gazeux à une très forte pression dont le prix de revient ne s' élève que de peu au dessus du prix du combustible solide, mais qui présente de grands avantages dans son emploi comme combus- tible servant à alimenter un moteur.
Ce but est atteint en utilisant un générateur à haute pression qui peut supporter une pression intérieure normale jus- qu'à 300 atm. Par un réglage précis de l'air et de la vapeur insoufflés, en tenant compte de la composition du gaz et de la balance thermique, on peut produire directement sous forte pres- sion un gaz contenant une faible proportion (30-40%) de cons- tituants combustibles, ayant par conséquent une puissance calo- rifique réduite, et qui en même temps contient jusqu'à 85 % de la quantité d'énergie contenue dans le combustible solide d'ori- gine.
La consommation d'énergie nécessaire à maintenir le générateur en service (inaction d'air etc..) par unité d'énergie produite est à peu près équivalente à l'énergie nécessaire à l'injection d'air à l'aide d'un compresseur, dans un moteur Diesel ordinaire à huile.
C'est seulement à la suite de l'application du procé- dé suivant la présente invention qu'il devient économique d'em- ployer des gaz pauvres, c'est-à-dire peu coûteux, pour alimenter des moteurs à combustion interne, et que ce sont justement les gaz pauvres dont l'application présente des avantages particu- liers par rapport au rendement et à la puissance du cycle ,
L'inventeur a trouvé qu'on peut obtenir en premier lieu un rendement du cycle beaucoup plus élevé par l'adoption d'un tel gaz au lieu de l'huile et cela est dû au fait que le
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gaz n'est pas seulement un combustible mais aussi un agent d' expansion et que le poids des gaz fournissant le travail est beaucoup plus grand que celui du cycle classique.
Par conséquent une quantité adaitionelle de chaleur est transformée en énergie qui s'élève à 25-30%.
En second lieu on peut obtenir une puissance beaucoup plus élevée que celle du cycle classique avec le même moteur parce que la haute proportion de gaz neutres permet de dévelop- per une quantité beaucoup plus grande de chaleur dans le cylin- dre, sans que la température de combustion et la pression attei- gnent des valeurs anormales. Le cylindre devient surchargé avec le combustible même et par conséquent une puissance de la ma- chine 2 1/2 fois plus grande que celle des machines travaillant d'après le procédé classique a pu être réalisée.
Dans le cas des moteurs à huile, l'augmentation des pressions n'est pas accompagné!? par une augmentation importante du rendement du cycle.La question se présente autrement dans le cas d'un procédé utilisant un gaz à forte pression, en rai- son de l'action des gaz neutres fortement comprimés, dont l'in- fluence s'accroît avec l'augmentation de la pression dans le cylindre.
Dans l'emploi d'un combustible gazeux pauvre, on constate donc une augmentation considérable du rendement quand on augmente la pression de combustion, Un autre avantage parti- culier du présent procède réside dans le fait que le démarrage du moteur peut être effectué avec du gaz à haute pression au lieu de l'air comprimé. Lans ce cas, la quantité nécessaire de gaz peut être produite avec moins de frais que la quantité correspondante d'air comprimé, étant donné que l'énergie néces- saire pour la production du gaz n'est qu'environ 45% de celle demandée pour la compression de l'air;
de plus, le gaz d'échap- pement peut être recueilli dans un réservoir à basse pression et employé pour le chauffage
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Le procédé suivant l'invention est applicable aussi bien aux installations productrices d'énergie stationnaires qu'aux naviresou locomotices. ans ce dernier cas, il n'est pas nécessaire de transporter le générateur de gaz, celui-ci pouvant être produit dans desinstallations stationnaires et chargé dans des récipients appropriés de gaz sous pression, placés sur le tender. La grande capacité du moteur, de travail- ler en surcharge, est particulièrement avantageuse dans ce cas.
Le gaz à forte pression, obtenu suivant le présent procédé, peut également être utilisé dans une turbine à gaz, si celle-ci est construite de façon à supporter des températures élevées.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples et calculs ci-(après.
Premier exemple : GENERATEUR DE GAZ .-
Le générateur de gaz à haute pression, représenté au dessin, comprend un récipient 1 avec un prolongement supérieur 3 et un collecteur de cendres 5. Ces parties sont fabriquées en acier et capables de résister à une pression intérieure de travail de 225 atm. Le récipient 1 est garni intérieurement de matière réfractaire 2 et se compose de deux parties principales.
La partie inférieure 6 constitue la chambre de combustion et se trouve à une température supérieure à 1000 C.
La partie supérieure 7 constitue un échangeur de chaleur, où lesproduits chauds de gazéification abandonnent leur chaleur au combustible et à l'eau qui se dirigent en contre-courant vers la chambre de combustion. Une pompe 10 amène de l'eau à la pression de 225 atm. Cette eau est ensuite chauffée à une température voisine de son point critique dans le serpen- tin 4. De cette manière, on peut transformer l'eau en vapeur dans un serpentin en évitant ainsi l'emploi d'une chaudière spé- ciale. Quand l'eau atteint une température voisine de la tempé-
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rature critique, elle est conduite par le tube 11 à un serpen- tin 9, logé entre la couche refractaire et la paroi en acier du récipient, et retourne ensuite à l'échangeur de chaleur 8 par le tube 12.
On récupère ainsi une partie de la chaleur per- due et un échauffement excessif de la chemise en acier est évité.
La vapeur surchauffée arrive dans la chambre de combustion 6 par lestubes 13.
Le chargement de l'appareil avec le combustible (coke d'une grosseur de grain de 1 à 5mm suivant les dimensions de l'appareil) est automatique et réglablea Le combustible est d'abord chargé dans un réservoir 3, disposé au-dessus du géné- rateur et communiquant avec la chambre de combustion par le tube 14 fermé par le piston 15 qui s'adapte d'une manière étan- che dans la partie supérieure du tube. Après avoir fermé le réservoir hermétiquement en 16 , on le met sous pression en le connectant avec la conduite de gaz à haute pression en ouvrant le robinet 18. Le chargement du générateur est ensuite effectué continuellement par le mouvement du piston, actionné par le dispositif 19, qui doit seulement faire descendre 'le combusti- ble et n'a aucuhe pression à vaincre, puisque les deux chambres sont à la même pression.
Pour plus de sécurité, on a prévu un manomètre différentiel 20 qui indique toute élévation éventuelle de pression soazs le piston. La vitesse de chargement peut être réglée par variation de la course ou de la vitesse du piston.
Quand le réservoir de combustible est vide, le piston est fixé dans le tube de chargement, coupant ainsi la communicat ion avec la chambre de combustion. Le gaz contenu dans le réservoir de combustible est ensuite refoulé dans la conduite à gaz 17 à l'aide de l'eau sous forte pression fournie par la pompe 21.
Quand le réservoir est plein d'eau, les robinets 18 et 22 sont fermés et le réservoir peut être ouvert et rechargé. 27 est un compresseur d'air qui envoie de l'air comprimé dans la chambre de combustion à travers le serpentin 28.
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L'évacuation des cendres se fait en ouvrant une sou- pape à bille 23, située au fond de la chambre de combustion, après que la pression hydraulique de l'autre cote de la soupape dans le récipient 5, ait été rendue égale à la pression inté- rieure, par l'ouverture du robinet 24. Les cendres sont ensuite poussées dans le récipient inférieur de cendres 5 à l'aide de l'eau sous pression qui est prise dans le réservoir de cendres, passe à travers un. filtre 25 sous l'action d'une pompe de cir- culation 26 et est introduite dans la partie inférieure de la chambre de combustion. Quand le réservoir 5 est plein de cendres la soupape à bille. 23 est fermée et le réservoir 5 peut être vidé et rempli de nouveau d'eau sous pression pour âtre prêt pour l'évacuation suivante.
Le gaz produit est emmagasiné dans les bouteilles 29 en acier.
La composition approximative du gaz à forte pression
EMI6.1
est la suivante : E2 36,2; G0 + 1,9 9; 00 a 26,&. % j N2 = 35, 3 %. (Les faibles quantités de méthane et de sulfures ont été négligées, quoiqu'elles augmentent la puissance thermi- que) .
-La puissance thermique minima est de 22.900 cal/Mol. ou environ 1000 cal./M3.
En reportant ces quantités à la quantité normale d'air aspirée par le cylindre du moteur pour chaque kilogramme de combustible liquide (ou 24,48 kg- 0,848 Mois) et en supposant qu'un excès d'air d'environ 28 % est admis dans le cylindre,
EMI6.2
les équations thermD-chimique peuvent être résumées de la ma- nière suivante :
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(coke) (eau) (air) 0,21 C + 0,266 H2 0 + 0,07 02 + 0,26 N2 = (gaz de combustion)
EMI7.1
I 0,266 R2 -!- 0,014:
GO vq- 0,196 C02 -!- 0,26 N2 + 4045 cal. ou en poids :
2,5 kg de carbone (2,7 kg de coke de 7.500 cal.)
4,8 kg d'eau 8 m3 = 9,5kg d'air produisent 16,8 kg de gaz à haute pression ayant une puissance calorifique de 16,380 cal., à introduire dans le cylindre, contre 1 kg d'huile et 10.000 cal pour le procédé Diesel clas- s ique .
BALANCE THERMIQUE- Le gaz produit dans le générateur passe par un regénérateur où il chauffe le coke et l'eau, produisant de la vapeut à haute pression.
En supposant que les gaz quittent le générateur à 50 C et que la température ae réaction est de 1000 C, on obtient la balance thermique ci-après.
ACTIF Régénéra par les gaz .
EMI7.2
<tb>
H2 <SEP> = <SEP> 0,266 <SEP> x <SEP> 7 <SEP> ,2 <SEP> x <SEP> 950 <SEP> = <SEP> 1820 <SEP> Cal.
<tb>
<tb>
00,N2= <SEP> = <SEP> 0,274 <SEP> @ <SEP> 7,3 <SEP> x <SEP> 950 <SEP> = <SEP> = <SEP> 1900 <SEP> "
<tb>
<tb> C02 <SEP> = <SEP> 0,196 <SEP> x <SEP> 11,35 <SEP> x <SEP> 950 <SEP> = <SEP> 2110 <SEP> "
<tb>
<tb> la <SEP> réaction <SEP> donne <SEP> 4045 <SEP> "
<tb>
<tb> 9875 <SEP> Cal.
<tb>
PAS S I F Chauffage des produits
EMI7.3
<tb> Eau <SEP> - <SEP> 0,266 <SEP> x <SEP> 18,02 <SEP> x <SEP> 1040 <SEP> cal. <SEP> = <SEP> 5000 <SEP> Cal.
<tb>
<tb> coke <SEP> - <SEP> 0,21 <SEP> x <SEP> 12 <SEP> x <SEP> 0,3 <SEP> x <SEP> 1,2 <SEP> x <SEP> 985 = <SEP> = <SEP> 895 <SEP> "
<tb>
<tb> air <SEP> - <SEP> 0,33 <SEP> x <SEP> 7,3 <SEP> x <SEP> 9850 <SEP> = <SEP> 2370 <SEP> "
<tb>
<tb> Rayonnement, <SEP> pertes <SEP> = <SEP> 1610 <SEP> "
<tb>
<tb> 9875 <SEP> Cal.
<tb>
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Rendement chimique du générateur de gaz.
0,266 x 57000 + 0,014 x 68000 16580 ------------------------------- ----- = 81,2 %
0,21 x 96 000 20160
Ce rendement peut être plus élevé, quand les pertes par rayonnement sont réduites.
EMI8.1
goliSOE'ihLàTi0iî D'1RG1E .- pour la compression de l'air :
1 ------- x 0,33 x 24,8 x 2,3 x 10g10 225 63,2 m3 at .
0,7 pour l'alimentation en eau et coke : 0,266 x 18,02 x 225 x 1= = 1,08 m3 at .
1000
1 0,21 x 12 x 1,2 x 225 x ----- 0,6 8 m3 at.
1000 -----------
Total =64,95 m3 at. ou en calories :
64,96 x 24,188 - 1570 calories.
L'énergie mécanique ainsi consommée reste emmagasinée dans les gaz et est récupérée par la machine.
Second exemple :L'utilisation du gaz dans un moteur Diesel.-
Pour employer maintenant ce gaz à haute pression dans un moteur Diesel, le gaz est conduit des bouteilles 29 par une conduite à un serpentin, où il est préchauffé; il est ensuite fourni au cylindre de travail à l'aide d'un régulateur de pression .
On peut utiliser un moteur Diesel ordinaire à 4 temps, ayant une soupape de combustible du genre du* on utilise pour l'injection d'air, mais d'une section plus large.
Le procédé permet une importante simplification de la construction, grâce à l'omission des organes d'alimentation d'huile.
Supposons maintenant, que le gaz combustible arrive dans le cylindre à une température de presque 2500 0 ou 500 C
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abs. On supposera ensuite, conformément au procédé classique Diesel à 4 temps, que le degré de compression est de 13 et donc que la pression de compression est de 33 at. et que, la tempé- rature absolue à la fin de la compression est de 850 0 abs.
En supposant le facteur d'excès d'air égal à 1,28, on obtient les valeurs suivantes :
L'équation chimique de la combustion dans le cylindre peut être écrite de la façon suivante .
(gaz de combustion) (air aspiré)
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.0,366 H2 + 0,014 CO + 0,196 C02 + 0,23 N2 -! 0,18 02 -!- 0,668 N2= (gaz travaillants)
0,21 CO2 + 0,928 N2 + 0,0402 + 0,266 H2O
La température affective maxima de combustion (suppo- sant la perte dans l'eau de refroidissement suivant Seiliger égale à 18 % de la charge de chaleur) est de 1730 abs.
Supposons que la pression maxima de combustion soit de 55 at abs, on obtient .
Pression des gaz d'échappement : 5 at abs.
Température des gaz d'échappement : 1050 abs.
Rendement thermique , 50,4 %
Pression moyenne indiquée , 14,85 atm.abs.
Rendement effectif : 47,7 %
Pression moyenne effective , 13,5 at abs.
Rendement relatif au combustible solide d'origine:
38,7 %
Puissance spécifique en CV eff. par litre de cylindrée (à 120 t.p.m.) = 2,25
Le rendement élevé de l'utilisation du charbon et la puissance spécifique (pression moyenne) élevés, comparés avec le procédé Diesel classique, s'expliquent principalement par l'augmentation de poids du gaz moteur, comme le rapport de ce gaz à l'air aspiré est de 1,444 : 0,848 = 1,7.
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Dans cet exemple la pression des gaz de décharge est admise comme perdue. En utilisant un moteur compound avec un cylindre à basse pression les données sus-mentionnées peuvent être encore améliorées. Le rendement du combustible solide (a- près déduction de l'énergie consommée par le procédé même) s'élève auèdessus de 40 %, valeur qui ne peut pas être atteinte par une autre méthode quelconque de génération d'énergie.
La puissance du moteur peut être encore augmentée en @ adoptant des pressions de couibust ion maximum plus élevées et en utilisant le procédé ordinaire de suralimentation. Il résulte que la puissance peut être élevée de cette manière jusqu'à devenir plus de quatre fois celle du procédé classique.
- REVENDICATIONS - -o-
1 -Procédé et dispositif pour. la production de gaz à haute pression à partir d'un combustible solide et pour la production d'énergie, caractérisé en ce qu'un gaz est produit directement à une très forte pression et que ce gaz est ensuite utilisé comme combustible dans un moteur à combustion interne.