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Perfectionnements aux fours continus pour la carbonisation des combustibles solides., en vue de la production de gaz riche en hydrogène.
L'opération technique résolue par l'invention, objet du présent brevet, constitue un perfectionnement aux résultats qui peuvent être obtenus par Inapplication des dispositions des brevets français n 814,963 déposé le 21 juillet 1936, m . 815.894 déposé le 6 juin 1936 et n. 834.716 déposé le 3 mars 1938 qui consistent à obtenir, à partir de combustibles tels que houilles, lignites, et généralement tous combustibles solides, un gaz contenant le maximum d'hydrogène et (ou) d'oxyde de carbone; le rapport Co H2 en volume) ayant une certaine valeur fixée d' avance.
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On sait que la pyrogénation des combustibles solides donne naissance, en dehors des gaz H2 et C0, à un mélange d'autres gaz parmi lesquels on rencontre Co2,CH4, C2H4 et, généralement, CmHn, tous ces gaz peuvent être àécomposés par la chaleur avec l'action concomitante de carbone et de vapeur d'eau, en sorte que tout le carbone gazéifié peut donner finalement du CO et que tout l'hydrogène libéré peut se trouver à l'état pur. Il ne reste alors dans le gaz produit que des quantités très faibles et faciles à éliminer de tous les constituants gazeux considérés comme indési- rables.
Pour obtenir industriellement un pareil résultat il est usuel, notamment dans l'application des brevets précités, d'opérer la pyrogénation des combustibles solides (appelée couramment dis- tillation) dans des fours verticaux continus analogues aux fours d'usines à gaz, mais dans lesquels le gaz de distillation suit un mouvement descendant dans le même sens que le combustible qui lui donne naissance; en outre, à la partie inférieure des chambres ou cornues verticales dans lesquelles se fait l'opération, on profite de la présence de coke incandescent - provenant de la distillation du combustible traité - pour fabriquer sur place une importante quantité de gaz à l'eau; en définitive la cornue ou chambre se trouve parcourue:
sur toute sa longueur par du combustible solide en cours de gazeification allant de haut en bas, dans sa partie supérieure par du gaz de distillation allant lui-même de haut en bas et, enfin, dans sa partie inférieure par du gaz à l'eau allant de bas en haut. Il est donc necessaire de prévoir sur la chambre ou cornue une sortie de gaz se trouvant à une hauteur telle que d'une part le gaz de distillation soit décomposé par la chaleur et par son contact avec le carbone (coke) et que, d'autre part, la durée de contact entre le coke incandescent et la vapeur d'eau soit suffisante pour la formation d'un gaz à l'eau de bonne qualité.
Ces conditions définissent, en fonction du tonnage horaire utilisé-
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et de la section droite de la chambre ou cornue, à la fois la hau- teur. totale de l'appareil et le rapport entre les deux parties dé- limitées par la position de la sortie de gaz.
Jusqu'à présent la sortie des gaz, placée à un niveau plus ou moins élevé de la chambre ou cornue,, était constitué par une tubulure latérale insérée dans la maçonnerie et, de préférence, sur une paroi non chauffée.
L'invention, objet du présent brevet consiste essentiel- lement dans diverses dispositions nouvelles relatives au canal d'évacuation des gaz et à ses annexes, dispositions dont les ca- ractéristiques et les avantages techniques résultent de la descrip- tion et des explications qui vont suivre:
La fig. 1 représente une coupe par les plans verticaux XX' YY'passant par le canal d'évacuation.
La fig. 2 représente une coupe par le plan vertical ZZ' et montre l'une des petites faces de la chambre de distillation.
La fige 3 représente une coupe verticale longitudinale de la chambre.
La fig. 4 représente une coupe horizontale par les plans OU' à gauche et VV' à droite.
Les figs. 5, 6 et 6' représentent,, en coupe horizontale des modes, particuliers de construction du canal d'évacuation.
La chambre de distillation (1) présente une section ho- rizontale rectangulaire; cette section est habituellement crois- sante du haut en bas afin de faciliter-la descente du combustible introduit en (2) (2') à l'état cru et extrait en (3) (3') à l'état de coke, par des mécanismes, étanches connus en- exu-mêmes et non représentés sur la figure.
Dans la partie médiane de la chambre se trouve situé un canal vertical 4-4' dont les parois sont constituées par des bri- ques réfractaires, de forme appropriée, liées aux briques formant les parois de la chambre. Ce canal vertical est en principe, mais non obligatoirement, double; il s'étend, comme le montre la fig.4, @
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sur toute la largeur de la chambre. En vue d'augmenter le rapport de la surface chauffante à la section de passage on peut, comme représenté-sur les figs. 6 et 6', augmenter le nombre des orifices de passage.
Les parois de la chambre sont chauffées, comme d'usage, par des carneaux verticaux (5) dans lesquels débouchent des brû- leurs étagés (6) en nombre convenable et disposés de façon telle que le régime de température le long de la paroi corresponde - eu égard à la hauteur de la chambre et à la vitesse de passage - à la loi d'échauffement que l'on désire imposer au combustible à traiter. Les brûleurs (6) reçoivent l'air et le gaz de chauffage par des carneaux d'adduction, disposés de façon connue, comme il est visible sur les fig .. 1, fig. et fig. 4 (partie droite).
Sur toute la hauteur de la chambre correspondant au canal d'évacuation sont également disposés, en nombre convenable, des brûleurs (7) (7') analogues aux brûleurs de chauffage des parois, mais caracté- risés par ce fait qu'ils sont indépendants et qu'ils peuvent être allumés ou éteints ou réglés individuellement suivant le régime de chauffage que l'on désire imposer au canal d'évacuation des gaz.
La chambre est divisée à la partie inférieure par une murette (8) qui divise la masse de coke en deux fractions respec- tivement évacuées par les sorties (3) et (3').
Les hauteurs hl, h, b3 (fig.3) sont déterminées d'après l'expérience suivant la nature du combustible utilisé, suivant la composition du gaz que l'on désire produire et suivant le tonnage distillé par heure; les valeurs relatives de ces hauteurs ainsi déterminées constituent l'une des caractéristiques importantes du sy stème.
Ainsi qu'il a été dit, l'opération de gazéification com- porte une injection de vapeur d'eau en vue de la production de gaz à l'eau suivant la réaction: n C + m H2O #x CO + y CO2 + z H + t H2O + n'C équation dans laquelle x, y, z, t, et (n - n') son-t fonction de la @
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température, de la durée de contact et de la réactivité du coke.
Suivant la composition du gaz que l'on recherche et en. particulier si l'on désire modifier les rapports et x il est, nécessaire d'8in- y z , j ecter la vapeur en tel ou tel point de température bien déterminée et correspondant d'ailleurs à une durée d'action de la vapeur plus ou moins grande. A cet effet, les parois des chambres comportent des arrivées de vapeur (9), (9') (9").. etc..... disposées à différentes hauteurs et recevant la vapeur (surchauffée) d'une canalisation générale munie de valves de réglage et de contrôleurs de débit (une valve et un contrôleur pour chaque arrivée de vapeur).
Lorsqu'on distille des combustibles riches en soufre., en particulier des lignites, on remarque que l'hydrogène sulfuré, qui tend à se produire au cours de la 'pyrogénation, réagit sur le coke à haute température et cela d'autant plus que le coke est plus réactif, pour donner naissance à du sulfure de carbone et autres composés, notamment des composés organiques, dont on se débarrasse difficilement au cours de l'épuration, inversement le sulfure de carbone et divers composés organiques sulfureux, en présence d'hy- drogène et surtout de vapeur d'eau, peuvent donner naissance à de l'hydrogène sulfuré dans certaines conditions de température et de concentration.
Comme il est désirable d'obtenir le soufre à l'état d'hydrogène sulfuré pour l'extraire plus facilement du gaz par les procédés courants d'épuration, on cherche à produire la conversion de CS2 en HS en utilisant, conformément à l'invention, le passage du gaz dans le canal d'évacuation.
Ainsi qu'il a été dit, ce canal peut être chauffé indé- pendamment du chauffage de la chambre; en outre, en vue de modifier la proportion de vapeur dans le gaz qui le traverse, une arrivée de vapeur est prévue en (10) dans la murette de séparation (8). Cette arrivée de vapeur est alimentée par la canalisation générale de vapeur surchauffée et le débit en est réglé par une valve et un contrôleur de débit; la vapeur débouche dans la chambre par le moyen d'ouvertures (il) (il') disposées de façon à éviter les ob-
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structions par le coke.
Indépendamment des effets déjà décrits, la chaleur, agis- sant en même temps que la vapeur, intervient pour la conversion du méthane et autres hydrocarbures suivant diverses réactions du genre de celle-ci: CH4 + 2 H2O# CO2 + 4 H2. Ces réactions nécessitent des conditions de température et des concentrations qui sont faci- litées par les dispositions objet de la présente invention.
Le fonctionnement d'une chambre de gazéification est, en principe, le suivant:
Le combustible (bouille, lignite... etc..:} est introduit par les orifices (2) et(2') et se déplace progressivement des zones (A A') vers les zônes (E E') sous l'influence des appareils extrac- teurs (non représentés )placés au-delà des ouvertures (3) (3) En (A A') commence la pyrogénation qui donne naissance à un mélange complexe de gaz riche en CO2. CH4 et autres hydrocarbures et de va- peurs goudronneuses riches en composés oxygénés du genre phénols.
En (BB') la pyrogénation se poursuit par un dégagement gazeux riche en CO et H2 et de goudrons contenant une plus forte proportion d'hy- drocarbures; en même temps le coke produit, essentiellement consti- tué par du carbone libre et des cendres, devient incandescent. Dans la zone (C C') les produits volatils formes sont soumis à une haute temperature en présence du coke incandescent formant catalyseur, les composés oxygénés de toute nature tendent à se dissocier et à réagir sur le carbone libre pour donner de 1''oxyde de carbone, les hydrocarbures tendent également à se dissocier pour donner de l'hy- drogène et du carbone qui, suivant les conditions, se dépose sous forme de carbone amorphe ou de graphite ;
laformation de carbone amorphe a lieu principalement sous l'influence catalytique des cendres ferrugineuses, dans des conditions déterminées de tempé- rature et de concentration, elle doit être recherchée car elle correspond à une augmentation de la réactivité de la masse. Dans la zône D le coke incandescent, mais déjà partiellement refroidi, donne du gaz à l'eau sous l'influence de l'injection de vapeur issue @
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des canaux (10) (la') et aussi sous l'influence de la vapeur pro- venant de l'eau pulvérisée ou de la vapeur injectée, pour les re- froidir,dans les appareils d'extraction placés en (3) (3').
Il résulte de ceci que dans la zone (E E') le coke est refroidi à une température telle que l'extraction puisse avoir lieu sans difficultés. Dans la zone (C C') se rencontrent deux flux gazeux, celui venant de la partie supérieure constitué par le gaz de dis- tillation en grande partie converti, et celui de la partie inférieu- re constitué par du gaz à 3.'eau; ces deux flux gazeux mélangés sont évacués par le canal central (4) (4') où ils subissent les actions thermochimiques précédemment définies. Achèvement de la conversion des hydrocarbures, du sulfure, de carbone et autres constituants.
Il est précisé que le mode de construction de la chambre de gazéification, sa forme et ses dimensions n'ont rien d'obliga- toire : les dispositions générales des organes et notamment celles du canal d'évacuation (4) (4') et des amenées de vapeur (9) (10) (il) constituent l'essentiel de l'invention caractérisée par le' schéma de fonctionnement précédemment décrit.
A titre d'exemple de réalisation non obligatoire, la fig.5 montre les assemblages des briques de forme spéciale constituant une assise dans la région centrale de la chambre de gazéification.
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Improvements to continuous furnaces for the carbonization of solid fuels., For the production of gas rich in hydrogen.
The technical operation resolved by the invention, which is the subject of this patent, constitutes an improvement in the results which can be obtained by the application of the provisions of French patents no. 814,963 filed on July 21, 1936, m. 815.894 filed June 6, 1936 and n. 834,716 filed on March 3, 1938 which consist in obtaining, from fuels such as coal, lignite, and generally all solid fuels, a gas containing the maximum amount of hydrogen and (or) carbon monoxide; the Co H2 ratio by volume) having a certain value fixed in advance.
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We know that the pyrogenation of solid fuels gives rise, apart from the gases H2 and C0, to a mixture of other gases among which we find Co2, CH4, C2H4 and, generally, CmHn, all these gases can be decomposed by heat. with the concomitant action of carbon and water vapor, so that all the carbonated carbon can ultimately give CO and all the released hydrogen can be in the pure state. Only very small and easily removable amounts of all the gaseous constituents considered as undesirable are then left in the gas produced.
To obtain such a result industrially, it is customary, in particular in the application of the aforementioned patents, to operate the pyrogenation of solid fuels (commonly called distillation) in continuous vertical furnaces similar to gas factory furnaces, but in in which the distillation gas follows a downward movement in the same direction as the fuel which gives it birth; in addition, at the lower part of the vertical chambers or retorts in which the operation is carried out, advantage is taken of the presence of incandescent coke - from the distillation of the treated fuel - to manufacture a large quantity of water gas on site. ; ultimately the retort or chamber is traversed:
over its entire length by solid fuel in the process of gasification going from top to bottom, in its upper part by the distillation gas itself going from top to bottom and, finally, in its lower part by gas with water going from bottom to top. It is therefore necessary to provide on the chamber or retort a gas outlet located at a height such that on the one hand the distillation gas is decomposed by heat and by its contact with carbon (coke) and that, on the other hand, the contact time between the incandescent coke and the water vapor is sufficient for the formation of a good quality water gas.
These conditions define, depending on the hourly tonnage used-
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and from the straight section of the chamber or retort, both the height. total of the device and the ratio between the two parts defined by the position of the gas outlet.
Until now, the gas outlet, placed at a more or less elevated level of the chamber or retort, was constituted by a lateral pipe inserted into the masonry and, preferably, on an unheated wall.
The invention, which is the subject of the present patent, consists essentially in various new provisions relating to the gas discharge channel and to its appendices, provisions of which the characteristics and technical advantages result from the description and explanations which will follow. to follow:
Fig. 1 shows a section through the vertical planes XX 'YY' passing through the discharge channel.
Fig. 2 represents a section through the vertical plane ZZ 'and shows one of the small faces of the distillation chamber.
Fig 3 represents a longitudinal vertical section of the chamber.
Fig. 4 represents a horizontal section by the planes OR 'on the left and VV' on the right.
Figs. 5, 6 and 6 'represent ,, in horizontal section of the particular modes of construction of the discharge channel.
The distillation chamber (1) has a rectangular horizontal section; this section is usually increasing from top to bottom in order to facilitate the descent of the fuel introduced in (2) (2 ') in the raw state and extracted in (3) (3') in the coke state, by waterproof mechanisms known per se and not shown in the figure.
In the middle part of the chamber is located a vertical channel 4-4 ', the walls of which are formed by refractory bricks, of suitable shape, connected to the bricks forming the walls of the chamber. This vertical channel is in principle, but not necessarily, double; it extends, as shown in fig. 4, @
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across the width of the room. In order to increase the ratio of the heating surface to the passage section, it is possible, as shown in FIGS. 6 and 6 ', increase the number of through holes.
The walls of the chamber are heated, as usual, by vertical flues (5) into which open staged burners (6) in a suitable number and arranged such that the temperature regime along the wall corresponds. - having regard to the height of the chamber and the speed of passage - to the heating law that one wishes to impose on the fuel to be treated. The burners (6) receive the air and the heating gas by adduction flues, arranged in a known manner, as can be seen in fig. 1, fig. and fig. 4 (right part).
Over the entire height of the chamber corresponding to the discharge channel are also arranged, in a suitable number, burners (7) (7 ') similar to the wall heating burners, but characterized in that they are independent. and that they can be switched on or off or individually adjusted according to the heating regime which is desired to be imposed on the gas discharge channel.
The chamber is divided at the bottom by a low wall (8) which divides the mass of coke into two fractions, respectively discharged through the outlets (3) and (3 ').
The heights hl, h, b3 (fig.3) are determined from experience according to the nature of the fuel used, according to the composition of the gas to be produced and according to the tonnage distilled per hour; the relative values of these heights thus determined constitute one of the important characteristics of the system.
As has been said, the gasification operation comprises an injection of water vapor for the production of gas to the water according to the reaction: n C + m H2O #x CO + y CO2 + z H + t H2O + n'C equation in which x, y, z, t, and (n - n ') are a function of the @
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temperature, contact time and reactivity of the coke.
Depending on the composition of the gas you are looking for and. particularly if one wishes to modify the ratios and x it is, necessary to 8in- yz, to j ect the vapor in such or such point of well determined temperature and corresponding moreover to a duration of action of the vapor more or smaller. For this purpose, the walls of the chambers have steam inlets (9), (9 ') (9 ") ... etc ..... arranged at different heights and receiving the steam (overheated) from a general pipe fitted control valves and flow controllers (one valve and one controller for each steam inlet).
When we distill fuels rich in sulfur, in particular lignites, we notice that the hydrogen sulphide, which tends to be produced during the 'pyrogenation, reacts with the coke at high temperature and this all the more so as coke is more reactive, to give rise to carbon disulfide and other compounds, in particular organic compounds, which are difficult to get rid of during purification, conversely carbon disulfide and various organic sulfur compounds, in the presence of hydrogen and especially water vapor, can give rise to hydrogen sulphide under certain conditions of temperature and concentration.
Since it is desirable to obtain the sulfur in the form of hydrogen sulfide to more easily extract it from the gas by the current purification processes, it is sought to produce the conversion of CS2 to HS by using, in accordance with the invention, the passage of gas in the discharge channel.
As has been said, this channel can be heated independently of the heating of the chamber; furthermore, in order to modify the proportion of vapor in the gas which passes through it, a vapor inlet is provided at (10) in the separation wall (8). This steam inlet is supplied by the general superheated steam pipe and the flow is regulated by a valve and a flow controller; the vapor emerges into the chamber by means of openings (il) (il ') arranged in such a way as to avoid ob-
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structions by coke.
Independently of the effects already described, heat, acting at the same time as the steam, intervenes for the conversion of methane and other hydrocarbons following various reactions of the following type: CH4 + 2 H2O # CO2 + 4 H2. These reactions require temperature conditions and concentrations which are facilitated by the arrangements which are the subject of the present invention.
The operation of a gasification chamber is, in principle, as follows:
The fuel (boiling, lignite ... etc ..:} is introduced through orifices (2) and (2 ') and gradually moves from zones (A A') to zones (E E ') under the influence extractors (not shown) placed beyond the openings (3) (3) At (A A ') pyrogenation begins which gives rise to a complex mixture of gas rich in CO2. CH4 and other hydrocarbons and - tarry fears rich in oxygenated compounds of the phenol genus.
In (BB ') the pyrogenation continues with a release of gas rich in CO and H2 and in tars containing a higher proportion of hydrocarbons; at the same time the coke produced, essentially consisting of free carbon and ash, becomes incandescent. In zone (C C ') the volatile products formed are subjected to a high temperature in the presence of the incandescent coke forming a catalyst, the oxygenated compounds of all kinds tend to dissociate and react with the free carbon to give the oxide. of carbon, the hydrocarbons also tend to dissociate to give hydrogen and carbon which, depending on the conditions, is deposited in the form of amorphous carbon or graphite;
the formation of amorphous carbon takes place mainly under the catalytic influence of the ferruginous ash, under determined conditions of temperature and concentration, it must be sought because it corresponds to an increase in the reactivity of the mass. In zone D the incandescent coke, but already partially cooled, gives gas to the water under the influence of the injection of steam from @
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of the channels (10) (la ') and also under the influence of the steam coming from the sprayed water or from the injected steam, to cool them, in the extraction devices placed in (3) ( 3 ').
As a result, in zone (E E ') the coke is cooled to a temperature such that extraction can take place without difficulty. In zone (C C ') there are two gas streams, that coming from the upper part consisting of the distillation gas largely converted, and that from the lower part consisting of water gas. ; these two mixed gas streams are discharged through the central channel (4) (4 ') where they undergo the thermochemical actions defined above. Completion of the conversion of hydrocarbons, sulphide, carbon and other constituents.
It is specified that the method of construction of the gasification chamber, its shape and its dimensions are not binding: the general arrangements of the components and in particular those of the evacuation channel (4) (4 ') and steam feeds (9) (10) (11) constitute the essence of the invention characterized by the 'operating diagram described above.
By way of example of a non-compulsory embodiment, FIG. 5 shows the assemblies of the bricks of special shape constituting a seat in the central region of the gasification chamber.