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Procédé et appareillage en vue de la production éco- ,nomique de gaz de chauffage ou combustibles.
La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareillage en vue de réduire la consommation de charbon dans les installations de production de gaz de chauf- fage ou combustibles.
Ce procédé consiste en ce que l'on produit tout d'abord de toute manière appropriée du C02 ou un mélange gazeux contenant ce gaz en majeure partie et en ce que l'on'fait passer le CO2 ou ce mélange gazeux au travers d'une masse de charbon portée à une température permettant au charbon d'agir, non comme combustible mais comme agent réducteur.
Suivant une première forme de réalisation de l'in- vention, le charbon agit uniquement comme réducteur en vue de la réalisation du C02 en 2 CO.
Cette réaction peut avoir lieu à la température de 600 à 700 C en présence de C et avec utilisation comme catalyseur de nickel ou d'autres catalyseursde réduction suivant la formule : @
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c()2 4= c.6- > 2 CO (réaction réversible)
La réaction indiquée par la flèche inférieure est endothermique et consomme 33.600 calories.
La présence des catalyseurs ne peut abaisser la li-
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mite thermique au-delà de 450'C puisque D. 400 commence la dé- composition de CO et C et CO2 suivant la réaction :
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2 CO = C + C02 + 38.600 calories qui anéantit la première.
Le CO ainsi produit peut être utilisé tel quel.
En agissant de cette manière, on obtient une diminu- tion appréciable de la quantité de combustible utilisée étant donné que le charbon intervient uniquement comme réducteur.
L'économie peut atteindre théoriquement 25%.
Le CO produit mis en contact d'oxygène brûle en don- nant lieu à un dégagement de 136.400 calories suivant la réaction :
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CO - Q = C0 - 2 (68.800 cal.)=2 C02+ I361400 cal
En décomptant les 38600 calories de la réaction endo- thermique, le bilan thermique total se traduit par un rende- ment positif de + 97.800 calories, ce qui n'est pas négli- geable.
Pour obtenir la chaleur nécessaire à la réduction du CO2,on peut utiliser avantageusement les gaz d'échappement d'une usine habituellement rejetés en pure perte dans l'at- mosphère, par exemple les gaz de hauts-fourneaux qui ont encore une température de I50 à I80 et avoir recours par exemple à l'installation représentée à la figure 1.
On pourrait utiliser également les gaz provenant des carneaux d'une installation de chaudières à vapeur.
L'installation représentée à la figure 1 comprend une cuve 1 à l'intérieur de laquelle se trouve une chambre 2 contenant du charbon (qui peut être de qualité inférieure) ayant été déversé par une trémie 3. La masse de charbon re-
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pose sur une grille 4 et la chambre 2 est traversée de haut en bas par une gaine centrale 5 dans laquelle circulent des est gaz résiduels dont chaleur est habituellement perc. ues prouvez gaz résiduels dont la chaleur/habituellement perdue) provo- venant par exemple de hauts-fourneaux et ayant encore une température élevée ou relativement élevée:
A la partie inférieure de la chambre 2 et un peu au-dessus de la grille 4 est introduit du CO2 qui provient d'une conduite 6 débouchant dans une tuyère 7 aboutissant à un tuyau 8'disposé horizontalement sur la périphérie de la chambre 2 et débouchant dans cette chambre par des ori- fices 9.
On prévoit d'autre part) à peu près au même niveau que celui correspondant à l'arrivée de CO2 une introduction d'une faible quantité d'air chargé d'une faible teneur en vapeur d'eau. Cet air humide agit comme catalyseur de la réaction et permet d'abaisser la consommation de charbon.
Le pourcentage de l'humidité contenue dans l'air peut être par exemple de 0,5% et l'on pourra faire en sorte que la teneur en humidité totale soit égale à 1% de la masse de charbon.
Cet air arrive par une conduite IO raccordée µ la cuve 1 et pénètre dans la chambre 2 par des orifices 11:
Dans l'espace compris entre la chambre 2 et la cuve 1, on prévoit, vers le haut et sur environ les 2/3 de la hauteur de la cuve, des brûleurs 12 dirigés vers la paroi extérieure de la chambre 2 et raccordés dans l'exemple re- présenté par des tuyaux verticaux 13 à une conduite 14 d'a- menée de gaz de chauffage qui peut éventuellement être bran- chée sur la tuyauterie 15 de sortie du CO produit de manière à utiliser aisni une partie des gaz produits dans l'appareil réducteur représenté.
En I51, on a représenté l'échappement des gaz brû- lés provenant des brûleurs 12.
A ce réducteur C 1 peut faire suite un ou plusieurs
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appareils semblables CII et CIII où la réfaction peut se poursuivre et le.schéma d'ensemble de l'installation est alors celui représente par la figure 2.
Lors de la mise en marche;,on fera tout d'abord circuler pendant un certain temps dans la cheminée 5 les gaz d'échappèrent des hauts-fourneaux ou d'autres gaz à chaleur habituellement perdue afin d'augmenter autant que possible la température à 3-1 intérieur de la chambre 2 et le complément des calories indispensables pour atteindre la température de 4500 sera fourni par les brûleurs 12. Une fois la température requise atteinte, on arrête le fonctionnement des brûleurs 12 et le maintien de cette température est obtenue par le seul passage des gaz dans la. cheminée 5.
Un thermostat réglé sur 450 peut être prévu afin de couper l'amenée du gaz par la conduite 14 aux brûleurs I2 dès que cette température est atteinte dans la chambre 2 et pour la rétablir lorsque la température descend en-dessous de cet- te quantité. Les gaz sortant du ou des appareils réducteurs (en I51) peuvent être dirigés vers un économiseur où leur chaleur pourra servir à réchauffer l'eau avant son arrivée dans les chaudières.
On peut également les faire passer sur des blocs de métal en vue de la formation de vapeur surchauffée directe- ment au contact de la masse portée au rouge blanc (chaudière Lavai).
Dans une seconde forme de réalisation de l'inven- tion, on procède à une réduction du C02 en CO et également à une hydrogénation du CO suivant la réaction :
2 CO + 6 H2 = 2 H20 + 2 CH4; afin de provoquer la production de méthane à 245 avec emploi comme catalys@eur du nickel, du cobaltetc..
Comme source d'hydrogène, on peut utiliser :
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I ) le gaz à l'eau que l'on. fait passer par un réducteur à charbon, au coke, au poussier de charbon et où il perd son C02 qui se transforme en 2 CO; 2 ) ,le passage de vapeur d'eau par un réducteur spécial du type représenté par la figure et'rempli d'une masse de déchets de fer et.de charbon portés au rouge et contenant des traces de nickel (par'exemple 1 kgr. de charbon par tonne de mitraille), de cobalt etc;:
Ce réducteur se compose d'un cylindre 17 en fer coulé revêtu sur sa face intérieure par de la terre ré- fractaire de manière qu'aucune partie métallique n'entre en contact avec l'atmosphère régnant à l'intérieur:
Cette ma- tière réfractaire'doit en même temps posséder une très haute résistivité.
Le chauffage s'effectue d'une part par des gaz chauds d'échappement circulant dans une cheminée intérieure 18 et d'autre part, comme dans le cas de la figure 1, par des brûleurs 19 disposés suivant des rangées verticales et reliés à une conduite 20,d'arrivée de gaz de chauffage.
La masse de fer et de charbon avec des traces de nickel, de cobalt ou d'autres catalyseurs se trouve à l'inté- .rieur de la cuve 17 et repose sur une grille 2I.
L'arrivée de vapeur, de préférence surchauffée, se fait par une conduite 22 un peu au-dessus de la grille 2I, de telle sorte que cette vapeur doit traverser toute la masse de mitraille. Cette conduite 22 est isolée électriquement de la paroi de la cuve 17.
Autour de la cuve 17 est prévue une enveloppe 23 en'un isolant thermique, par exemple en ouate de verre, et les brûleurs 19 sont disposés dans un espace laissé entre les éléments 17 et 23.
La masse de fer et de charbon est disposée entre deux électrodes 24 et 25-constituant les deux pôles d'un disposi- tif électrique à effluves.
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Ces électrodes ont s1' e;;e.n,=1-e les forces 1'8)1'630n- tées aux figures 4 et .5 et reposent ;";111' des pièces Isolantes tÁ en 0'" -1"1 .-,c: (f"N' 3) montre es en 2S, 26", 25'" (fis. 3).
Les Electrodes 24 et 25 sont montrées séparément respectivement par les figures 4 et 5.
Sous l'influence de cette effluve (30.000 volts environ),se produit la décomposition de la vapeur d'eau et
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la formation. d" 'îiyzone" c' est-,?-di1'e d'hydrogcne ayant la forr-iule r8 Les gaz contenant cetYzorxe sortent par la conduite 27 (fig.3).
A la figure 3, on a, représenté en 23, la trémie de chargement du fer et du charbon et en 29 1' évacuation des sous-produits.
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Le fer se transforme en effet en 2e;0;] ou en un autre oxyde et peut Etre utilisé en sidérurgie en constituant donc un sous-produit de l'opération d'hydrogénation,
Les gaz provenant de l'appareil représenté à la figure
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..j Lt contenant=- 1:!:Z:)]10 sont amenés à un réducteur du type représenté à. la figure6 et comprenant un corps intérieur 30 par exemple en fer coulé,de préférence revêtu d'une couche de cuivre vers l'extérieur et en général recouvert vers l'in- térieur de terre réfractaire. Autour de la cuve 30 se trouve une enveloppe 31 en un isolant thermique (ouate de verre par exemple).
Le chauffage se fait comme dans le cas des figures 1 et 3 (cheminée intérieure I81 pour passage de gaz d'échappe- ment et brûleurs extérieurs I91 avec conduite d'arrivée 20' pour gaz de chauffage).
La cuve 30 contient une masse de charbon qui repose sur une grille 31 et qui est chargée par une trémie 32.
Le CO2 est introduit dans le bas de cette cuve par des orifices 33 et l'amenée de ce gaz se fait par une conduite 34.
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Le gaz contenant l'hyzone et provenant par la tondu!- te 271 de l'appareil représenté à la figure 3 pénètre) égale- ment peu au-dessus de la grille, par des orifices 35 dans la cuve 30.
Dans cet appareil (fig.G), se font donc les réactions de réduction du C02 et d'hydrogénation du CO et le charbon agit alors partiellement comme réducteur et partiellement comme catalyseur d'hydrogénation.
Au réducteur représenté à la figure 6 peuvent faire suite un ou plusieurs réducteurs semblables et l'ensemble de l'installation peut être schématisé comme montré par la figure 7.
Sur cette figure :
R1 désigne un appareil producteur d'hyzone du type de celui de la figure 3.
R2,R3,R4 trois réducteurs du type de celui de la figure 6.
Les gaz d'échappement circulent par lés différents réducteurs et à l'intérieur de ceux-ci suivant le parcours en traits de chainette portant la référence 36.
37 désigne l'entrée de vapeur dansR1.
38, 381, 382, 383 désignent les arrivées de gaz de chauffage pour les brûleurs 19 respectivement aux appareils
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Rjp R,2 Ra, R.
39, 391, 392 les arrivées de C02 aux-appareils R2, R3, R4, . ' -40 le passage de l'hydrogène "hyzone" de R1 à R;
41 et 411 le passage des gaz produits: de R2 à R3 et de R3 à R4; ' '
42 la sortie des gaz produits par l'installation et dirigés vers leur endroit d'utilisation:
Le CO ainsi hydrogéné en méthane possède de hautes qualités au point de vue calorifique (6000 calories par m3) et peut être utilisé comme gaz d'éclairage Sans danger pour les êtres vivants.
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Suivant une troisième forme d'exécution basée sur l'utilisation du même appareillage que celui représenté par les figures 3 à 7, le CO2 peut être hydrogène directement avec intervention comme catalyseur de nickel ou de cobalt ou de tout autrecorps équivalent en faisant passer l'hyzone (ou de l'hydrogène provenant d'une autre source) dans le réducteur R2 (fig.6 et 7) où se produit la réaction:
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C0" + 4 H = CH 4 + 2 H 2 O.
Selon le réglage de la quantité d'hydrogène intro- duite en R. 2 on réalisera donc un fonctionnement soit suivant la deuxième forme de réalisation;, soit suivant la troisième.
Le CI-14 + 2 H2o pa.sse ensuite par le second réducteur à charbon (R3) où il s'enrichit d'une seconde molécule de CH4 aux dépens de 5 H2o, deux oxygènes de celle-ci se fi- xant partiellement au carbone du deuxième réducteur à charbon ainsi que dans le troisième réducteur.
3i l'on considère l'ensemble des transformations, on a:
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C C, - h + 2 C = 2 C- q4 + 2 CO.
Dans cette troisième forme d'exécution;) le charbon agit dans le réducteur R2 uniquement comme catalyseur et n'in- tervient dans la réaction que dans les réducteurs R3 et R4.
Ces derniers 2 CO peuvent également être trans- formés par addition de 4 H2 + C, ce qui donnera la réaction:
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2 CO + 2 C + 4 X = 2 cH4 + 2 CO.
L'intérêt du procédé décrit consiste en ordre prin- cipal en ce que le charbon est utilisé non comme combustible, frais comme réducteur.
D'autre part, l'installation se distingué 'coût par-
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ticulièrewent par l'appareil de transformation de l'hydrogène en hyzone (H3) extrêmement actif ou en hydrogène atomique par simple passage au travers d'un capuchon en Wolfram.
En outre, on peut obtenir un sous-produit consis- tant en des oxydes de fer vendables comme minerai de fer.
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Enfin, si l'on considère l'installation dans son ensemble, la production du CO2 peut donner naissance à d'aU- tres sous-produits tels que CaC12, CaSO4 et la chaux si le CO2 est;obtenu par le chauffage de pierres calcaires.
Tous ces produits sont vendables et peuvent couvrir une partie des frais d'amortissement et d'exploitation.
Si l'installation se trouve 'à proximité de hauts- fourneaux, on disposera pour le chauffage des réducteurs d'une source de chaleur pour ainsi dire gratuite. Les gaz d'échappement de ces hauts-fourneaux sont en effet encore très chauds et sont en général évacués dans 1'atmosphère en pure perte.
Une centrale électrique conçue d'après les données ci-dessus sera donc à la fois productrice de courant et usine de produits chimiques, étant donné que, à partir de la chaux, on pourra produire le carbure de calcium dont on pourra ti- rer l'acide acétique par des procédés connus: On pourra trans- former la pierre calcaire en acétate de calcium, extraire de celui-ci l'acétone et transformer à nouveau la Chaux par l'ac- tion des gaz- dépoussiérés d'échappement de l'installation en CaCO3 et recommencer le- cycle.'
On pourra ainsi entreprendre à'bon compte la syn- thèse des corps organiques comme par exemple le pétrole syn- thétique.
Les détails de réalisation de 1'installation et des appareils n'ont été donnés qu'à titre purement exemplatif et de nombreuses modifications peuvent être introduites Sans s'écarter'des principes qui sont à la base de l'invention:
On pourra notamment prévoir les améliorations ou les modifications suivantes : I ) le réducteur représenté par la figure 3 peut être rem- placé par la chaudière de Laval dont les caractéristiques sont que de l'eau est injectée sous pression dans une masse de fer portée au rouge blanc où elle se transforme immédia-
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tement en vapeur sous 200 atm. de pression. On peut pousser le chauffage jusque. la transformation de la vapeur en un
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mélange de H2 et de 0 (gaz détonnant).
T'o::,yz2e sera ab- sorbé par une masse de limaille de fer portée au rouge cn libérant ainsi l'hydrogène. Ce dernier peut êtretransformé en H atomique par le passage au travers d'un. capuchon en Wolfram.
2 ) toute la batterie des réducteurs peut être placée dans un bac à eau. afin d'éviter tout dégagement calorifique.
3 ) les réducteurs sont en général munis de thermostats afin d'automatiser le fonctionnement. Ces tehrmostats peuvent éven- tuellenent être remplacés par des tubes électroniques.
4 ) Outre les réducteurs à charbon;, on peut prévoir de pe- tits appareils catalyseurs-tampons à tournure de cuivre chauffés à. environ 600 C et ayant pour but d'éliminer des impuretés comme le phosphore l'arsenic, le soufre, etc..
Ces appareils tampons peuvent également être munis de thermostats.
5 ) Les catalyseurs (Ni, Co, etc...) se trouvent en général dans des tubes en forme de grilles pouvant être chargés de l'extérieur avec des ouvertures se fermant, hermétiquement.
6 ) Les catalyseurs (Ni, Co, etc..) pourront être contenus dans des tubes en forme de grilles contenues dans des pièces creuses en une matière résistante) le chargement pouvant Se faire de l'extérieur par des ouvertures à fermeture hermétique..
7 ) La distance entre le premier réducteur et le deuxième réducteur est calculée de telle manière que les gaz de chauf- fage circulant dans la conduite 36 aient leur température diminuée de 600 à 400 .
Dans le cas où le C02 doit êtrehydrogéné directe- ment, la température ne doit pas dépasser 245 C, on devra donc dans ce cas prévoir une détente des gaz en fonction de la température et donner à la conduite de passage des di-
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: .(;ns ions ap!IDoprié es.