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PROCEDE ET APPAREIL POUR LA PRODUCTION DE GAZ COMBUSTIBLES
A GRAND POUVOIR CALORIFIQUE
La présente invention concerne la production de gaz combustibles ayant un grand pouvoir calorifique par uni= té de volume, à partir de combustibles carbonés solides tel que du charbon pulvérisé, du lignite ou toute autre matière carbonée, par la réaction de ces combustibles solides avec de l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène et un autre a- gent gazeux réagissant endotherniquement avec le carbone, par exemple de la vapeur d'eau ou du gaz carbonique.
L'in- vention vise, plus particulièrement, la production de mé- langes d'oxyde de carbone et d'hydrogène du genre de ceux qui sont produits par le fonctionnement bien connu des ga- zogènes produisant du gaz à l'eau, mais à partir des com- bustibles solides en question traités sous une forme fine-
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ment divisée pendant qu'ils sont en suspension dans l'agent gazeux; les gaz qui sont le produit final des opérations ef- fectuées suivant la présente invention conviennent bien pour l'éclairage, le chauffage, les réactions chimiques et d'au- tres applications.
L'un des objets de la présente invention est d'ap- porter des perfectionnements grâce auxquels des combustibles solides finement divisés peuvent être transformés en mélange, concentrés d'oxyde de carbone et d'hydrogène ayant un grand pouvoir calorifique sans la perte notable, constatée autre- fois, d'une partie du carbone contenu dans le combustible so- lide et transformée en sous-produit incombustible.
Un autre objet de l'invention est d'offrir un pro- cédé et un appareil perfectionnés grâce auxquels les réac- tions connues d'oxydation et de réduction employées par in- termittences dans la production de gaz à l'eau, c'est-à-dire ltoxydation d'un lit fixe de coke, par exemple, pour le por- ter à une haute température, opération suivie de la réaction endothermique du coke chauffé avec du gaz carbonique ou de la vapeur d'eau pour donner, respectivement, ou bien de l'o- xyde de carbone seulement ou bien un mélange d'oxyde de car- bone et d'hydrogène, peuvent être effectuées avec succès en même temps et dans la même espace de réaction.
Un autre objet de l'invention est d'offrir un pro- cédé et un appareil perfectionnés grâce auxquels le carbone contenu dans les combustibles solides réduits en poudre peut être transformé techniquement dtune façon plus complète qu'a trefois en oxyde de carbone qui peut être en mélange gazeux avec de l'hydrogène, les conditions étant telles que l'on puisse faire varier les proportions de ces gaz entre eux da des limites relativement grandes et dans une simple phase d'opération.
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Un autre objet de l'invention est de permettre d'at teindre les objets précédents sans fusion notable des compo- santes incombustibles, de la nature des cendres, des combus- tibles solides employés.
L'invention a aussi pour objet d'autres perfection- nements, ainsi que d'autres avantages de fonctionnement ou résultats pouvant être obtenus avec les procédés et appareil perfectionnés qui vont être décrits ci-après.
Dans la technique antérieure on a mis au point un grand nombre de procédés, et de types d'appareils pour leur mise en oeuvre, en vue de la gazéification de combustibles carbonés solides en suspension dans des gaz et des vapeurs réagissant sur ces combustibles pour obtenir, à titre de prc duit final, des gaz combustibles ayant un grand pouvoir cale rifique.
Ceci est particulièrement vrai dans les cas où le produit final est un mélange gazeux semblable au gaz à l'eau La plupart de ces procédés et appareils n'ont eu que peu ou même aucun succès industriel parce que les procédés employés donnaient naissance, en cours de fonctionnement, à des temp ratures tellement hautes que les matériaux de construction disponibles n'auraient pas résisté soit aux hautes températu res produites, soit à l'attaque des scories formées par le combustible, ou bien parce que le combustible employé n'é- tait pas gazéifié d'une façon adéquate et laissait d'impor- tants résidus carbonés dans les scories formées, ou bien par ce que l'appareil était mis hors d'action en peu de temps par des accumulations excessives de scories fondues ou soli- difiées dans cet appareil.
La présente invention permet d'éviter facilement tous ces inconvénients et tous ces défauts et il est mainte- nant possible de gazéifier techniquement complètement des combustibles solides ayant des caractéristiques et des pro-
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venances très diverses, dans un appareil construit avec des matériaux réfractaires disponibles dans le commerce, les con ditions étant telles que, pendant la gazéification, les ré- sidus de la nature des cendre contenus dans les combustibles solides soient maintenus, sans être transformés en scories, dans un état tel qu'ils puissent être extraits facilement et continuellement, sous une forme solide et finement divisée, de l'appareil construit suivant la présente invention.
En résumé, la présente invention comprend la prépa= ration d'une suspension, de préférence relativement homogène; du combustible solide finement divisé dans une quantité in- suffisante d'oxygène ou d'air enrichi en'oxygène, de façon à effectuer théoriquement une transformation complète, du carbc= ne qu'il contient en oxyde de carbone, la suspension ainsi formée étant ensuite injectée, de préférence après avoir été refroidie, dans une zone de combustion dans laquelle la tem- pérature est suffisamment haute pour enflammer promptement cette suspension, cette zone étant, en outre, entourée com- plètement par une enveloppe continue de vapeur d'eau ou de gaz carbonique préchauffé, ou de mélanges des deux,
enveloppe qui avance dans la chambre de gazéification conjointement a- vec la suspension injectée et agit ainsi de telle façon que les parois réfractaires de cette chambre soient isolées des températures extrêmement hautes produites par la réaction de l'oxygène avec le combustible solide dans la partie centrale de la zone de combustion, partie qui est ainsi enveloppée dans une chemise ou enveloppe mobile de vapeur d'eau ou de gaz carbonique ou de mélanges des deux.
En conséquence, sui- vant la présente invention, les particules de combustible so- lide finement divisé sont partiellement oxydées pendant qu'el les sont en suspension dans une atmosphère d'oxygène qui est elle-même également en contact direct en tous points avec une
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atmosphère environnante de vapeur d'eau ou de gaz carbonique préchauffé, ces deux atmosphères se déplaçant sensiblement ensemble; de cette façon, l'espace de réaction de la chambre de gazéification est effectivement divisé opérativement en deux zones, à savoir une zone primaire ou zone de combus- tion et une zone secondaire dans laquelle se meut de la va- peur d'eau ou du gaz carbonique pouvant réagir endothermique ment sur du carbone fortement chauffé.
Dans la région de co tact entre ces deux zones, les particules de combustible se lide et les gaz produits, qui sont à très haute température par suite de la concentration sur eux de la chaleur de com- bustion d'une partie de leur contenu en carbone, se diffuse avec leur carbone résiduel et leur contenu en cendre origin le en contact avec de la vapeur d'eau ou du gaz carbonique dans la zone secondaire, et à cause de la haute température, notamment de celle des gaz produits, le carbone résiduel des particules réagit soit avec la vapeur d'eau, soit avec le gaz carbonique, pour oxyder une plus grande quantité de leur teneur restante en carbone, afin de produire une quantité supplémentaire d'oxyde de carbone et quelque peu d'hydrogène si de la vapeur d'eau est présente.
La majeure partie de la chaleur nécessaire pour cette réaction endothermique est fou. nie par les produits gazeux de la réaction entre le carbone et l'oxygène dans la zone primaire, car ces produits gazeux sont à une température plus haute que les particules de char bon qui sont en suspension dans ces produits, ce qui évite la fusion de leur contenu en cendre. Cette situation est bie connue des spécialistes de l'oxydation du carbone en suspen- sion dans un gaz contenant de l'oxygène; autrement dit, la région dans laquelle les plus hautes températures sont pro- duites se- trouve à une certaine distance des particules car- bonées en suspension elles-mêmes.
Cet état de choses est pro
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bablement dû au fait que les particules de combustible solide en suspension sont en contact direct avec une quantité d'oxy- gène qui n'est que suffisante pour oxyder une partie de leur teneur en carbone et la transformer en oxyde de carbone, une partie de celui-ci formant une enveloppe gazeuse fermée au- tour de chacune des particules; un nouveau dégagement de cha leur résulte de ce qu'une partie de l'oxyde de carbone pro- duit se diffuse dans l'atmosphère entourant les particules et s'y oxyde pour former du gaz carbonique, mais cette réaction a lieu au-delà de l'enveloppe protectrice d'oxyde de carbone qui retient ainsi le reste des particules de combustible, ainsi que les cendres qu'elles contiennent, à une températur relativement basse.
S'il arrive.que du gaz carbonique ainsi formé à une haute température ou une partie de la vapeur d'eau préchauffée se diffuse et vienne en contact direct ave- les particules de combustible, leur température ne peut pas monter davantage, parce qu'aussitôt après le contact la tem- pérature des gaz chauds ou de la vapeur d'eau est immédia- tement réduite, principalement par l'une ou l'autre des réac tions endothermiques bien-connues :
EMI6.1
Une preuve positive du fait qu'il n'y a aucune fusion des composantes cendreuses des particules de combustible solide, malgré la température extrêmement haute développée dans la zone primaire mentionnée plus haut, est donnée par l'aspect physique, même sous le microscope, de la cendre de gazéifi- cation qui a été récupérée et extraite;
l'aspect de cette cendre n'est jamais vitreux, ce qui montre que, lorsque des combustibles solides sont gazéifiés suivant l'invention, leur teneur en cendres est maintenue automatiquement, en ma- jeure partie, au-dessous du point de fusion de ces cendres.
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Il est évident, d'après ce qui précède, que le ré- sidu cendreux des particules de combustible perd sa protec- tion contre la fusion aussitôt que la totalité du carbone contenu dans les particules de combustible a été gazéifié, et que ce résidu doit alors être immédiatement refroidi ; en con- séquence, suivant l'invention, aussitôt que cet état est at- teint, les résidus cendreux sont extraits de l'espace de ré- action avant d'atteindre par convection ou par rayonnement la température de la chambre de réaction ou celle des gaz produits.
Le laps de temps prévu pour la gazéification com- plète doit être inférieur à celui qui est nécessaire pour permettre au résidu cendreux des particules de charbon elles- mêmes ou aux particules cendreuses qui sont mélangées fortui- tement avec le charbon, d'atteindre un état dans lequel ces matières sont adhésives. Ce résultat s'obtient facilement au- tomatiquement par la disposition, dans la chambre de réactio" d'un orifice de sortie se trouvant à une distance appropriée de l'orifice par lequel les agents de réaction entrent dans cette chambre, tout en tenant compte également de la quantité d'agents de réaction introduits dans la chambre de gazéifica- tion, ainsi que de la vitesse d'entrée de ces agents.
La préparation du mélange mentionné plus haut du combustible solide pulvérisé avec une quantité d'oxygène ou d'air enrichi en oxygène,:inférieure à celle qui est théori- quement nécessaire pour assurer la transformation complète en oxyde de carbone, dans la zone primaire, du carbone contenu dans ce combustible, ce mélange étant, de préférence, aussi homogène que possible, est une des conditions importantes re- quises pour assurer le succès du présent procédé perfection- né. Lorsqu'un tel mélange est introduit dans la zone de ga- zéification primaire, sensiblement toutes les particules de combustible peuvent participer à la réaction d'oxydation sen-
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siblement simultanément.
Il faut empêcher aussi complètement que possible toute séparation locale de l'un ou l'autre des agents de réaction, afin d'éviter toute oxydation excessive formant du gaz carbonique ou pour ne pas laisser des parti- cules solides n'ayant pas réagi au n'ayant pas été préchauf- fées. Il importe donc que le combustible soit finement broyé de façon que la réaction dans la zone primaire puisse avoir lieu sensiblement suivant l'équatir :
EMI8.1
La zone primaire de réaction exothermique a doux buts particuliers :
elle sert, premièrement, à oxyder une partie du carbone des particules de combustible solide pour la transformer principalement en oxyde de carbone dont on a besoin et, en second lieu, à préchauffer suffisamment par ce'¯ te oxydation les résidus de carbone non gazéifiés des partie- les de combustible, ainsi que le gaz produit sortant de la zone primaire pour entrer dans la zone secondaire (endother- nique), de façon qu'une gazéification endothermique sensible= ment complète du carbone restant dans les particules de char- bon ait lieu en présence de vapeur d'eau, ou analogue.
Alors qu'il est facile de mélanger le combustible solide et l'oxygène mécaniquement à froid pour leur introduc- tion dans la zone primaire, le mélange nécessaire des parti- cules solides chaudes sortant de la zone primaire avec les gaz ou vapeurs dans la zone endothermique secondaire a lieu par diffusion, cette opération étant simplifiée par un broya= ge fin, ainsi que par la réduction du poids des particules par suite de leur combustion antérieure partielle dans la zone primaire ; lorsqu'elles sont dans cet état, elles ne pré- sentent pas de grande résistance à leur diffusion dans tous les agents gazeux de l'espace de gazéification. La réaction endothermique peut donc s'effectuer simultanément et au même
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degré sur chaque particule solide individuelle.
Sur le dessin annexé on a représenté un appareil simple présentant les caractéristiques de construction essen tielles nécessaires pour la mise en oeuvre des principes du procédé qui fait l'objet de l'invention, et il est bien enta. du que tout appareil comprenant de telles caractéristiques convient bien pour l'application du présent procédé perfec- tionné de gazéification de combustibles solides.
En se référant au dessin qui illustre une coupe transversale verticale de l'appareil dans lequel le présent procédé peut être mis en oeuvre, on voit une chambre de réac tion 2 dont les parois peuvent être faites en une matière ré fractaire appropriée capable de résister à de hautes tempé- ratures. On peut utiliser des briques en silice ou des bri- ques siliceuses pour faire ces parois. La chambre de réactio. peut avoir une section transversale de forme circulaire, ces: me cela est indiqué dans le dessin, mais sa forme n'est nulle ment essentielle et ses contours peuvent avoir toute forme préférée. La partie supérieure 2l de la chambre de réaction o- de Gazéification a, de préférence, une forme conique.
Les pa rois extérieures de la chambre de gazéification peuvent être recouvertes de matière calorifuge afin de réduire au minimum les pertes de chaleur à partir de la chambre de gazéificatio
Au sommet de la chambre 2, il y a une ouverture 4 dans laque' le s'engage un ajutage 5, formant ainsi un orifice annulaire
10 entre la paroi intérieure de la chambre et la paroi exté- rieure de l'ajutage. L'ajutage 5 peut être exécuté en toute matière appropriée quelconque, do préférence non ferreuse, mais il doit être pourvu d'un dispositif de refroidissement, par exemple d'une chemise de refroidissement 5a pourvue d'un orifice d'admissino et d'un orifice de sortie pour l'eau de refroidissement, comme cela est indiqué par les flèches, cet
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te chemise 5a entourant l'ajutage 5.
L'ouverture annulaire 10 communique par le tuyau 6 avec une source de vapeur d'eau ou de gaz carbonique sous pression et, de préférence, forte- ment préchauffé. L'ajutage 1 est également relié directement à un appareil mélangeur 7. De l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène arrive à l'appareil mélangeur 2 par le tuyau 8.
Un transporteur 9, du type à vis d'Archimède, sert à auener un combustible solide finement divisé tel que du charbon pul- vérisé, du lignite ou tout autre matière carbonée solide dans l'appareil mélangeur 7, à partir d'une trémie d'alimentation 9a; un mélange intime d'oxygène et de combustible solide a lieu dans l'appareil 7.
En réglant convenablement la température et la vi- tesse du mélange de combustible solide pulvérisé et d'oxygène dans l'ajutage 5. on évite toute réaction indésirable entre ces matières, à l'intérieur de cet ajutage, et la réaction initiale fortement exothermique entre la matière carbonée et l'oxygène n'a lieu qu'après que le mélange a été déchargé dudit ajutage dans la chambre de gazéification 2. De cette façon, les températures les plus hautes atteintes au cours de la réaction exothermique n'agissent pas sur l'ajutage ± et on n'a rencontré aucune difficulté pour maintenir l'ajutage ou l'ouverture annulaire 10 dans un état de fonctionnement satisfaisant.
L'ouverture annulaire 10 qui débouche dans la cham- bre de gazéification 2 a une forme telle qu'un courant conti- nu de vapeur préchauffée, ou d'autres substances gazeuses ou à l'état de vapeur, ou d'un mélange de ces substances réagis- sant endothermiquement avec le carbone chauffé, soit dirigé, après avoir 'été introduit par cette ouverture, de façon à ne s'écouler que le long des parois supérieures de la chambre 2 et à ne pas pénétrer dans la zone voisine à haute températu-
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re, zone dans laquelle le combustible solide pulvérisé et l'oxygène réagissent l'un sur l'autre, c'est-à-dire dans l'es pace à réaction qui se trouve auprès, mais au-dessous, de l'extrémité inférieure de l'ajutage 5.
Pour obtenir ce résul- tat indispensable qui consiste à balayer ou à baigner la sur- face entière des parois de la chambre de gazéification avec un agent préchauffé pouvant réagir endothermiquement sur du carbone chauffé, il est avantageux de ménager un ou même plu- sieurs canaux annulaires 11 dans la partie inférieure des pa- rois de l'appareil de gazéification, ces canaux communiquent avec l'espace de gazéification au moyen d'une saignée annulai re continue 11a disposée, comme le montre le dessin, de mani- ère à ne diriger ledit agent que le long des parois de l'es- pace en question.
Naturellement, l'agent ainsi introduit che- minera par diffusion, notamment dans la partie inférieure de l'espace de réaction, pour entrer dans les parties centrales, mais un balayage ininterrompu des parois elles-mêmes par une pellicule de vapeur d'eau, ou analogue, est l'un des buts. principaux qu'il s'agit d'atteindre.
Le fonctionnement de l'appareil représenté, cofon à la présente invention, est le suivant : Du combustible soli de finement pulvérisé contenu dans le réservoir 9a est entrer né par le transporteur et tombe dans l'appareil mélangeur où il est pris dans un courant d'oxygène également délivré à l'appareil mélangeur par le tuyau 8, le mélange d'oxygène et de combustible étant ensuite délivré dans la chambre de réac= tion 2 de l'appareil de gazéification par l'ajutage 1 qui est pourvu d'une checiise à eau 5a, ce qui fait que la suspension homogène préparée de combustible solide pulvérisé est sûre- ment maintenue au-dessous de sa température d'inflammation avant son introduction dans la chambre de réaction 2.
Ainsi qu'on l'a dit plus haut, on utilise, pour la préparation de
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ce mélange homogène, une quantité d'oxygène inférieure à cel- le qui est théoriquement nécessaire pour que tout le carbone contenu dans le combustible solide mélangé soit transformé en oxyde de carbone suivant l'équation 2 C + o2 # 2 CO; la quantité d'oxygène effectivement employée varie suivant la nature du combustible solide utilisé et, lorsqu'il s'agit de charbon, elle varie suivant le degré de minéralisation de celui-ci, c'est-à-dire avec la proportion de carbone qu'il contient;
lorsqu'il s'agit, par exemple, de lignite, la quan= tité d'oxygène mélangée avec ce combustible avant son intro- duction dans la zone primaire de gazéification n'est que d'environ 50 % en poids de la quantité théoriquement nécessal re pour transformer en oxyde de carbone le carbone contenu dans le combustible, tandis que lorsqu'il s'agit de charbons bitumineux, qui contiennent davantage de carbone, il faut jusqu'à 80 % de la quantité indiquée d'oxygène élémentaire pour effectuer la transformation préférée dans la zone primai re de gazéification.
Lorsqu'il s'agit d'anthracite ou de poussier de co- ke à haute température, le pourcentage d'oxygène est augmen- té de façon correspondante.
Pour la production de gaz combustible ayant la plus forte concentration de combustibles (oxyde de carbone et hy- drogène), il est évident que plus la concentration de l'oxy- gène employé est élevée, moins le gaz produit sera dilué par de l'azote. L'oxygène pur est de beaucoup plus coûteux que celui qui contient 5 % d'azote, et l'oxygène dilué avec 25 % d'azote est encore moins coûteux; toutefois, toutes ces sor- tes d'oxygène ayant les différents degrés de raffinage indi- qués peuvent être employées pour atteindre le but envisagé.
Toutefois, on n'obtient pas la plupart des avantages, effets et résultats réels de la mise en pratique de la présente in-
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vention lorsque l'oxygène employé contient plus de 50% d'a- zote.
Concurremment avec l'introduction du mélange d'oxy gène et de combustible solide dans 1* espace de réaction 2, on introduit également dans cet espace, par le tuyau 6 et par l'ouverture annulaire 10, suivant le type de gaz combus- tible préféré, soit un courant de vapeur d'eau préchauffée, soit un courant de gaz carbonique préchauffé, ou des mélan- ges, ce courant étant dirigé le long des parois supérieures coniques de l'espace de réaction 2, de manière à éviter la pénétration ou la déformation de la zone de réaction primai- re, c'est-à-dire exothermique, qui est ainsi entourée de tou- tes parts d'une atmosphère de vapeur préchauffée, ou autre, s'écoulant entre cette zone et les parois de la chambre de réaction de façon à les isoler entre elles.
Le mélange d'oxygène et de combustible solide est introduit par l'ajutage 5. dans l'espace de réaction de pré- férence à la plus petite-vitesse possible, vitesse à laquelle tout retour de flamme de la chambre de réaction dans ltajuta- ge 5 est empêché, la vapeur d'eau préchauffée ou le gaz car- bonique préchauffé, dont le chauffage préalable est, de pré- férence, effectué à environ 1.200 C, étant introduit par le tuyau 6 et l'ouverture annulaire 10 à une vitesse inféri- eure à celle à laquelle le mélange homogène d'oxygène et de combustible solide est introduit,
cette vitesse étant telle que la quantité de vapeur d'eau préchauffée ou de gaz carboni que préchauffé introduite par aspiration dans le courant de mélange en question soit seulement suffisante pour enflam- mer ce mélange aussitôt qu'il sort à 1 'extrémité de l'ajutage 5. Il faut éviter autant que possible tout autre mélange de vapeur d'eau ou de gaz carbonique avec les agents de réaction dans la zone primaire, de manière à empêcher la diluticn des
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agents de réaction, dilution par laquelle la température dé- veloppée serait abaissée au-dessous de celle qui, autrement, serait produite dans la zone primaire et qui provoquerait d'autres réactions secondaires indésirables telles que les réactions du gaz à l'eau, dans la zong primaire elle-même.
Il est évident, d'après ce qui précède, que la chaleur con- sommée par le carbone des particules de combustible solide qui n'est pas oxydé et transformé en oxyde de carbone dans la zone primaire, dans sa gazéification au moyen de la réac- tion endothermique avec de la vapeur d'eau après la diffusion de ces particules dans la zone de réaction secondaire, est fournie principalement par la chaleur développée dans la zone de réaction primaire, et pour que cette chaleur ne soit ren- due disponible sensiblement que pour cette réaction endother= inique, la vapeur d'eau ou le gaz carbonique employé est pré- chauffé jusqu'à une température de 1.200 C, par exemple, à laquelle la réaction endothermique entre ces gaz et lo carbe ne ne progresse que lentement.
Il est, en outre, évident, lorsqu'on opère suivent la présente invention, qu'aucune particule fortement chauffé- ou qu'aucun gaz associé se diffusant à partir de la zone pri- maire dans la zone secondaire ne sera capable d'atteindre le parois de l'espace de réaction ± sans venir auparavant en contact avec une pellicule de gaz ou de vapeur réagissant en dothermiquement sur du carbone fortement chauffé, cette pel- licule étant à une température inférieure à celle des gaz de la zone de réaction primaire ; ces gaz sont ainsi refroidis et lea particules de combustible sont même également mainte- nues plus froides par suite de la réaction andothermique le tout carbone résiduel qu'elles contiennent sur le gaz car** tonique ou la vapeur d'eau qui est employé.
De cette façon, malgré les très hautes température-
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atteintes dans la zone primaire, le procédé qui fait l'objet de la présente invention assure, d'une façon entièrement ga- rantie, que toutes les particules de combustible solide, air..- si que les cendres qu'elles contiennent, resteront solides e: relativement froides, tant qu'elles contiendront du carbone, pendant leur passage à travers la zone secondaire.
Toutefois, dès que la totalité du carbone qu'elles contiennent a été - liminée par l'une ou l'autre des réactions de gazéification, le résidu de la nature des cendres de ces particules de com- bustible solide doit être extrait de l'espace de réaction a- vec le gaz produit; en conséquence, pendant l'opération de g.- zéification les particules de le nature des cendres ne peu-*. ni coller ni adhérer aux parois de la chambre de réaction, ni entre elles, .et on n'a constaté aucuns phénomènes de ce genre dans l'application du procédé qui fait ltobjet de la présente invention.
En même temps, la température des parois de la chambre de réaction reste bien inférieure au point de remoll servent des matières réfractaires de ces parois, sans que cel- les-ci soient refroidies extérieurement; en conséquence, les pertes de chaleur sont considérablement réduites et sensible- ment toute la chaleur développée dans l'opération est réelle- ment utilisée pour compléter la réaction des trois ou plus de trois composantes participant à la réaction, c'est-à-dire le combustible solide, l'oxygène et la vapeur d'eau ou le gaz carbonique.-
Le gaz utile produit par la réaction est extrait de la chambre de réaction 2 par l'orifice de sortie 12 ménagé dans la partie inférieure de l'appareil de gazéification,
à une vitesse telle que les éléments constitutifs de la nature des cendres ne puissent pas prendre la température de la chambre de réaction ou du gaz produit ; ceci est, notamment, important lorsqu'il s'agit de combustibles solides contenant
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des cendres dont le point de fusion est inférieur à la tempé= rature des agents qui forment les gaz..
Après avoir été extra par l'orifice de sortie 12, le gaz produit, ainsi que ses pa ticules cendreuses en suspension, peuvent être envoyés dans de.-/dispositifs servant à éliminer les poussières, à le refroi dir, à le laver, à le purifier ou à le soumettre à tout autre traitement et disposés dans tout ordre préféré; il ne faut pas oublier, cependant, que ces opérations doivent être effec tuées de telle façon et dans un ordre tel que l'on évite les dépôts et les accumulations, en des points indésirables, des particules cendreuses qui ont été éliminées.
Si le combustible solide pulvérisé qui est utilisé est constitué par une gamme relativement grande de grains de grosseurs différentes, et aussi suivant la vitesse à laquelle leur mélange avec de l'oxygène est introduit dans la chambre de réaction, une certaine quantité de constituants cendreux résiduels, quantité qui est plus ou moins grande suivant la grosseur relative de ces constituants, peut s'accumuler au fond de l'appareil de gazéification, comme cela est représen- té dans le dessin, sous forme de particules non cohérentes qui, dès que le carbone qu'elles contiennent est gazéifié, peuvent être -extraites par l'ouverture de vidange 13.
Les exemples spécifiques suivants, non limitatifs, sont donnés pour montrer les avantages et les résultats de fonctionnement pouvant être obtenus au moyen du nouveau pro- cédé qui fait l'objet de la présente invention.
EXEMPLE I
Un charbon bitumineux contenant 1,95 % d'humidité et 8,75 % de cendres et dont l'analyse complète a donné, en éléments indiqués, les pourcentages suivants ;
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POUR-CENT en POIDS
EMI17.1
<tb> Carbone <SEP> 80,50
<tb>
<tb> Hydrogène <SEP> 4,27
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 1,88
<tb>
<tb> Oxygène <SEP> 1,46
<tb>
<tb> Azote <SEP> 1,19
<tb>
a été broyé jusqu'à ce que 10 % en poids restent sur un terni: de 4.900 mailles par centimètre carré. On a remélangé les par ticules de charbon qui ont passé à travers ce tamis avec cel les qui ont été retenues, puis introduit le tout dans un cou rant d'oxygène et produit ainsi une suspension du charbon dans l'oxygène.
Pour préparer cette suspension on a employé 0,62 mètre cube normal d'oxygène à 95 % pour chaque kilogram me de charbon pulvérisé employé. On a pris, ensuite, la sus- pension ainsi préparée et on l'a injectée dans une chambre d: réaction préchauffée construite de la façon représentée dans le dessin annexé, à une vitesse d'environ 15 m par seconde, tout en introduisant simultanément, de façon à former une en veloppe continue entre le jet de suspension et les parois de la chambre de réaction 1,4 m3 de vapeur d'eau préchauffée (mesurée dans des conditions normales) par kilogramme de charbon pulvérisé employé.
On a ainsi produit par kilogramme de charbon 2,50 mètres cubes normaux de gaz combustible ayan une valeur calorifique nette de 2.360 calories-kilogramme pa mètre cube normal et la composition suivante :
POUR-CENT en VOLUME
EMI17.2
<tb> Car <SEP> carbonique <SEP> 14,0
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> carbone <SEP> 42,0
<tb>
<tb> Hydrogène <SEP> 42,0
<tb>
<tb> Azote <SEP> 1,5
<tb>
<tb> Hydrogène <SEP> sulfuré <SEP> 0,5
<tb>
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95 % environ du carbone contenu dans le charbon gazéifié se sont retrouvés dans le gaz récupéré et pour la production d'un mètre cube normal de composants combustibles dans le g produit on a employé 383 gr de carbone,
contrairement aux 55' à 600 gr de carbone nécessaires pour produire un mètre cube normal de composants combustibles dans les anciens gazogènes bien connus produisant du gaz bleu ou du gaz à l'eau, et ces 383 gr de carbone utilisé représentent aussi la production de chaleur sensible nécessaire pour produire l'oxygène indi pensable. Aucune concrétion appréciable des résidus cendreux de la gazéification ne s'est produite et ces résidus ont pu être extraits facilement de l'espace de réaction sous la for me d'une poudre fine.
EXEMPLE II
Lorsque le charbon pulvérisé employé dans l'exemple précédent a été gazéifié d'une façon analogue,, sauf que la majeure partie de la vapeur d'eau a été remplacée en grande partie par du gaz carbonique servant de substance réagissant endothermiquement avec les produits de la zono primaire, on a produit environ 2,14 mètres cubes normaux de gaz par kilo- gramme de charbon employé, le gaz produit ayant la composi- tion suivante :
POUR-CENT en VOLUME
EMI18.1
<tb> Gaz <SEP> carbonique <SEP> 7,5
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> carbone <SEP> 66,8
<tb>
<tb> Hyùrocène <SEP> 23,2
<tb>
<tb> Azoto <SEP> 1,9
<tb>
<tb> Hydrogène <SEP> sulfuré <SEP> 0,6
<tb>
Comme le montrent les exemples ci-dessus, le pré- sent procédé perfectionne servant à faire du gaz combustible partir d'un combustible solide peut être employé pour pro- duire des gaz contenant des quantités très différentes d'oxy
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de de carbone et d'hydrogène, tout en maintenait les résidu- cendreux de gazéification à l'état de produit finement divi. et non cohérent,
en faisant simplement varier le rapport cn- tre la vapeur d'eau et le Gaz carbonique qui sont employés dans le gaz ou la vapeur à réaction Endothermique de la zone secondaire; autrement dit, pour augmenter la teneur en oxyde de carbone du ses produit, la vapeur d'eau employée dans la zone secondaire est remplacée de façon croissante par du gaz carbonique et, inversement, si l'on désire augmenter la pro- portion d'hydrogène par rapport au gaz carbonique, afin de favoriser la réaction suivante bien connue, qui est celle du gaz à l'eau :
EMI19.1
Le gaz carbonique produit dans la réaction ci-dessus réduit naturellement la concentration du gaz résultant en constitu- ants combustibles, mais on sait que l'on peut éliminer le gaz carbonique par un lavege avec Je l'eau sous pression. En pa- reil cas, si l'on préféra éditer cette phase de lavage par do l'eau ot obtenir directement un gaz final contenant une forte proportion d'hydrogène par rapport à l'oxyde de carbo- ne,
on n'entreprend pas une gazéification complète de tout le carbone' contenu dans le charbon employé, de sorte que l'hydrogène disponible dans le charbon lui-même est mélangé, dans le gaz produit, avec moins d'oxcyde de carbone que cela ne tarait le cas autrement. Quant au carbone qui n'est pas Gazéifié, on peut l'extraira do l'appareil de gazéification, mélangé avec le résidu cendreux non cohérent.
Ainsi que cela résulte des exemples précédents, un gaz produit par le procédé et l'appareil qui font l'objet de l'invention peut être obtenu à peu près avec le même volume que celui qui contient environ des volumes égaux d'hydrogène et d'oxyde de carbone et qui est produit ordinairement par
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le fonctionnement des gazogènes bien connus produisant le gaz bleu ou gaz à l'eau, en utilisant environ 65 à 70 % du combus tible solide nécessaire pour la production de ce gaz à l'eau.
Les résultats amélioras rendus possibles par le procédé qui fait l'objet de la présente invention résident dans le fait que sensiblement toute la chaleur exigée par le procédé est fournie par la combustion exothermique, avec de l'oxygène, de la majeure partie du carbone utilisé pour donner de l'oxy- de de carbone, au lieu des grandes quantités de Gaz carboni- que qui sont produites dans les gazogènes ordinaires utilisés pour faire du gas à l'eau, et dans le fait que les réactions, endothermique et exothermique, qui sont nécessaires, sont combinées d'une façon rationnelle en une seule opération con- tinue.
Dans les revendications le mot "oxygène" s'applique à l'oxygène pur, à 1*air enrichi en oxygène et aux Gaz ou va- peurs contenant de l'oxygène en concentration supérieure à la quantité d'oxygène contenue dans l'air.
L'invention décrite ci-dessus est appliquée sous une forme particulière et d'une façon particulière, mais el- le peut être aise en pratique de différentes manières sans qu'on sorte pour cela de son domaine.
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METHOD AND APPARATUS FOR THE PRODUCTION OF COMBUSTIBLE GASES
WITH GREAT CALORIFIC POWER
The present invention relates to the production of fuel gases having a high calorific value per unit of volume, from solid carbonaceous fuels such as pulverized coal, lignite or any other carbonaceous material, by the reaction of these solid fuels with oxygen or air enriched with oxygen and another gaseous agent which reacts endothermically with carbon, for example water vapor or carbon dioxide.
The invention is aimed more particularly at the production of mixtures of carbon monoxide and hydrogen of the kind produced by the well-known operation of gas-to-water gizogens, but from the solid fuels in question treated in a fine form
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ment divided while they are suspended in the gaseous agent; the gases which are the end product of operations carried out in accordance with the present invention are well suited for lighting, heating, chemical reactions and other applications.
One of the objects of the present invention is to provide improvements whereby finely divided solid fuels can be transformed into a mixture, concentrates of carbon monoxide and hydrogen having a high calorific value without the appreciable loss, previously noted, part of the carbon contained in the solid fuel and transformed into an incombustible by-product.
Another object of the invention is to provide an improved method and apparatus whereby the known oxidation and reduction reactions employed intermittently in the production of gas to water are i.e. the oxidation of a fixed coke bed, for example, to bring it to a high temperature, followed by the endothermic reaction of the heated coke with carbon dioxide or water vapor to give, respectively , or carbon monoxide only or a mixture of carbon monoxide and hydrogen, can be carried out successfully at the same time and in the same reaction space.
Another object of the invention is to provide an improved method and apparatus whereby the carbon contained in powdered solid fuels can be technically transformed more completely than in the past into carbon monoxide which can be converted into a carbon monoxide. in a gaseous mixture with hydrogen, the conditions being such that it is possible to vary the proportions of these gases between them da relatively large limits and in a simple operating phase.
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Another object of the invention is to make it possible to achieve the above objects without appreciable melting of the incombustible components, of the nature of the ash, of the solid fuels employed.
The invention also relates to other improvements, as well as other operational advantages or results obtainable with the improved methods and apparatus which will be described hereinafter.
In the prior art, a large number of methods have been developed, and of types of apparatus for their implementation, with a view to the gasification of solid carbonaceous fuels in suspension in gases and vapors reacting with these fuels to obtain , as a final product, fuel gases having a high shedding power.
This is especially true in cases where the final product is a gas mixture similar to gas with water Most of these processes and apparatus have had little or even no industrial success because the processes employed gave rise, ongoing of operation, at temperatures so high that the available building materials would not have withstood either the high temperatures produced, or the attack of the slag formed by the fuel, or because the fuel used was not was not adequately gasified and left significant carbonaceous residues in the slag formed, or else the apparatus was put out of action in a short time by excessive accumulations of molten or solid slag. defined in this device.
The present invention makes it easy to avoid all these drawbacks and shortcomings and it is now possible to technically completely gasify solid fuels having characteristics and characteristics.
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a wide variety of venances, in an apparatus constructed from commercially available refractory materials, the conditions being such that, during gasification, the residues of the ash nature contained in the solid fuels are maintained, without being transformed into slag , in such a state that they can be easily and continuously extracted, in a solid and finely divided form, from the apparatus constructed according to the present invention.
In summary, the present invention comprises the preparation of a suspension, preferably relatively homogeneous; finely divided solid fuel in an insufficient quantity of oxygen or oxygen-enriched air, so as theoretically to effect a complete transformation, of the carbc = ne which it contains into carbon monoxide, the suspension thus formed being then injected, preferably after having been cooled, into a combustion zone in which the temperature is high enough to promptly ignite this suspension, this zone being, moreover, completely surrounded by a continuous envelope of water vapor or preheated carbon dioxide, or mixtures of the two,
envelope which advances in the gasification chamber together with the injected suspension and thus acts in such a way that the refractory walls of this chamber are insulated from the extremely high temperatures produced by the reaction of oxygen with the solid fuel in the central part of the combustion zone, part which is thus enveloped in a jacket or mobile envelope of water vapor or carbon dioxide or mixtures of the two.
Accordingly, according to the present invention, the finely divided solid fuel particles are partially oxidized while they are suspended in an oxygen atmosphere which is itself also in direct contact at all points with an oxygen.
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surrounding atmosphere of water vapor or preheated carbon dioxide, these two atmospheres moving substantially together; in this way, the reaction space of the gasification chamber is effectively operatively divided into two zones, namely a primary zone or combustion zone and a secondary zone in which water vapor moves or carbon dioxide which can react endothermically with strongly heated carbon.
In the region of contact between these two zones, the fuel particles formulate and the gases produced, which are at a very high temperature as a result of the concentration on them of the heat of combustion of part of their carbon content. carbon, diffuses with their residual carbon and their original ash content in contact with water vapor or carbon dioxide in the secondary zone, and because of the high temperature, in particular that of the gases produced, carbon residual particles react with either water vapor or carbon dioxide to oxidize more of their remaining carbon content, to produce additional carbon monoxide and some hydrogen if any water vapor is present.
Most of the heat required for this endothermic reaction is insane. negated by the gaseous products of the reaction between carbon and oxygen in the primary zone, because these gaseous products are at a higher temperature than the good char particles which are suspended in these products, which prevents the melting of their ash content. This situation is well known to those skilled in the oxidation of carbon in suspension in a gas containing oxygen; in other words, the region in which the highest temperatures are produced is some distance from the suspended carbon particles themselves.
This state of affairs is pro
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bably due to the fact that the solid fuel particles in suspension are in direct contact with an amount of oxygen which is only sufficient to oxidize part of their carbon content and transform it into carbon monoxide, part of the latter forming a closed gaseous envelope around each of the particles; a new release of heat results from part of the carbon monoxide produced diffusing into the atmosphere surrounding the particles and oxidizing there to form carbon dioxide, but this reaction takes place beyond the protective shell of carbon monoxide which thus retains the rest of the fuel particles, as well as the ash they contain, at a relatively low temperature.
If carbon dioxide thus formed at a high temperature or part of the preheated water vapor happens to diffuse and come into direct contact with the fuel particles, their temperature cannot rise further, because immediately after contact the temperature of the hot gases or water vapor is immediately reduced, mainly by one or other of the well-known endothermic reactions:
EMI6.1
A positive proof that there is no fusion of the ashy components of the solid fuel particles, despite the extremely high temperature developed in the primary zone mentioned above, is given by the physical aspect, even under the microscope, gasification ash which has been recovered and extracted;
the appearance of this ash is never glassy, which shows that, when solid fuels are gasified according to the invention, their ash content is maintained automatically, for the most part, below the melting point of these ashes.
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It is evident from the foregoing that the ashy residue of the fuel particles loses its protection against melting as soon as all of the carbon contained in the fuel particles has been gasified, and this residue must then be immediately cooled; consequently, according to the invention, as soon as this state is reached, the ashy residues are extracted from the reaction space before reaching by convection or by radiation the temperature of the reaction chamber or that gases produced.
The time allowed for complete gasification should be less than that required to allow the ashy residue from the coal particles themselves or the ashy particles which are incidentally mixed with the coal to reach a state. wherein these materials are adhesive. This result is easily obtained automatically by the provision in the reaction chamber of an outlet port located at an appropriate distance from the orifice through which the reaction agents enter this chamber, while taking into account also the quantity of reaction agents introduced into the gasification chamber, as well as the rate of entry of these agents.
The preparation of the above-mentioned mixture of solid fuel pulverized with a quantity of oxygen or oxygen-enriched air,: less than that which is theoretically necessary to ensure the complete transformation into carbon monoxide, in the primary zone, of the carbon contained in this fuel, this mixture preferably being as homogeneous as possible, is one of the important conditions required to ensure the success of the present improved process. When such a mixture is introduced into the primary gasification zone, substantially all of the fuel particles can participate in the sensory oxidation reaction.
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sibly simultaneously.
Local separation of either reaction agent should be prevented as completely as possible to avoid excessive oxidation forming carbon dioxide or leaving unreacted solid particles. that have not been preheated. It is therefore important that the fuel is finely ground so that the reaction in the primary zone can take place substantially according to the equation:
EMI8.1
The primary exothermic reaction zone has special purposes:
it serves, firstly, to oxidize a part of the carbon of the solid fuel particles to transform it mainly into the carbon monoxide which one needs and, secondly, to preheat sufficiently by this oxidation the non-gasified carbon residues of the parts of fuel, as well as the gas produced leaving the primary zone to enter the secondary zone (endothermic), so that a substantially complete endothermic gasification of the carbon remaining in the carbon particles has place in the presence of water vapor, or the like.
While it is easy to mix the solid fuel and oxygen mechanically cold for their introduction into the primary zone, the necessary mixing of the hot solid particles exiting the primary zone with the gases or vapors in the primary zone secondary endothermic takes place by diffusion, this operation being simplified by a fine grinding, as well as by the reduction in the weight of the particles as a result of their partial previous combustion in the primary zone; when they are in this state, they do not exhibit great resistance to their diffusion into all the gaseous agents of the gasification space. The endothermic reaction can therefore take place simultaneously and at the same
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degree on each individual solid particle.
The accompanying drawing shows a simple apparatus having the essential construction characteristics necessary for the implementation of the principles of the method which is the subject of the invention, and it is indeed. that any apparatus comprising such features is well suited for the application of the present improved process of gasification of solid fuels.
Referring to the drawing which illustrates a vertical cross section of the apparatus in which the present method may be carried out, there is seen a reaction chamber 2 the walls of which may be made of a suitable refractory material capable of withstanding. high temperatures. You can use silica bricks or siliceous bricks to make these walls. The reaction chamber. may have a circular cross section, these: as shown in the drawing, but its shape is by no means essential and its outlines may have any preferred shape. The upper part 21 of the gasification reaction chamber preferably has a conical shape.
The outer walls of the gasification chamber can be covered with heat insulating material to minimize heat loss from the gasification chamber.
At the top of chamber 2, there is an opening 4 in which a nozzle 5 engages, thus forming an annular orifice.
10 between the inner wall of the chamber and the outer wall of the nozzle. The nozzle 5 can be made of any suitable material, preferably non-ferrous, but it should be provided with a cooling device, for example a cooling jacket 5a provided with an inlet and outlet. an outlet for cooling water, as indicated by the arrows, this
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the shirt 5a surrounding the nozzle 5.
The annular opening 10 communicates through the pipe 6 with a source of pressurized and preferably strongly preheated water vapor or carbon dioxide. The nozzle 1 is also connected directly to a mixing device 7. Oxygen or oxygen-enriched air arrives at the mixing device 2 through the pipe 8.
A conveyor 9, of the Archimedean screw type, serves to feed a finely divided solid fuel such as pulverized coal, lignite or any other solid carbonaceous material into the mixing apparatus 7, from a hopper of 'feed 9a; an intimate mixture of oxygen and solid fuel takes place in the device 7.
By properly controlling the temperature and speed of the mixture of pulverized solid fuel and oxygen in nozzle 5, any undesirable reaction between these materials, within this nozzle, and the initial highly exothermic reaction between carbonaceous material and oxygen only take place after the mixture has been discharged from said nozzle into gasification chamber 2. In this way, the highest temperatures reached during the exothermic reaction do not act on the nozzle ± and no difficulty has been encountered in maintaining the nozzle or annular opening 10 in satisfactory working condition.
The annular opening 10 which opens into the gasification chamber 2 has a form such as a continuous stream of preheated vapor, or other gaseous or vapor substances, or of a mixture of. these substances reacting endothermically with the heated carbon, is directed, after having been introduced through this opening, so as to flow only along the upper walls of the chamber 2 and not to penetrate into the zone adjacent to it. high temperature
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re, zone in which the pulverized solid fuel and oxygen react with each other, that is to say in the reaction space which is near, but below, the end lower nozzle 5.
To obtain this essential result, which consists in sweeping or bathing the entire surface of the walls of the gasification chamber with a preheated agent which can react endothermically on heated carbon, it is advantageous to provide one or even several channels. annular 11 in the lower part of the walls of the gasification apparatus, these channels communicate with the gasification space by means of a continuous annular groove 11a arranged, as shown in the drawing, so as not to direct said agent only along the walls of the space in question.
Naturally, the agent thus introduced will travel by diffusion, in particular in the lower part of the reaction space, to enter the central parts, but an uninterrupted sweeping of the walls themselves by a film of water vapor, or the like, is one of the purposes. main goals that need to be achieved.
The operation of the apparatus shown, in conjunction with the present invention, is as follows: Finely pulverized solid fuel contained in the tank 9a is entered by the conveyor and falls into the mixing apparatus where it is taken in a stream of oxygen also delivered to the mixing apparatus through pipe 8, the mixture of oxygen and fuel then being supplied into the reaction chamber 2 of the gasification apparatus through the nozzle 1 which is provided with a checiise with water 5a, whereby the prepared homogeneous slurry of pulverized solid fuel is safely maintained below its ignition temperature prior to its introduction into reaction chamber 2.
As we said above, for the preparation of
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this homogeneous mixture, a quantity of oxygen less than that which is theoretically necessary so that all the carbon contained in the mixed solid fuel is transformed into carbon monoxide according to the equation 2 C + o2 # 2 CO; the quantity of oxygen actually used varies according to the nature of the solid fuel used and, in the case of coal, it varies according to the degree of mineralization of the latter, that is to say with the proportion of carbon that it contains;
when it is, for example, lignite, the quantity of oxygen mixed with this fuel before its introduction into the primary gasification zone is only about 50% by weight of the quantity theoretically necessary to convert the carbon contained in the fuel into carbon monoxide, while in the case of bituminous coals, which contain more carbon, up to 80% of the indicated amount of elemental oxygen is required to achieve the preferred transformation in the primary gasification zone.
In the case of anthracite or high temperature cocoa dust, the percentage of oxygen is correspondingly increased.
For the production of combustible gas having the highest concentration of fuels (carbon monoxide and hydrogen), it is obvious that the higher the concentration of the oxygen employed, the less the gas produced will be diluted by nitrogen. Pure oxygen is much more expensive than that which contains 5% nitrogen, and oxygen diluted with 25% nitrogen is even less expensive; however, all of these kinds of oxygen having the different degrees of refinement indicated can be employed to achieve the intended purpose.
However, most of the actual benefits, effects and results are not obtained from the practice of the present invention.
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Use when the oxygen used contains more than 50% nitrogen.
Concurrently with the introduction of the mixture of oxygen and solid fuel into the reaction space 2, it is also introduced into this space, through pipe 6 and through the annular opening 10, depending on the type of fuel gas. preferred, either a stream of preheated steam or a stream of preheated carbon dioxide, or mixtures, this stream being directed along the conical upper walls of the reaction space 2, so as to avoid penetration or the deformation of the primary reaction zone, that is to say exothermic, which is thus surrounded on all parts of an atmosphere of preheated vapor, or the like, flowing between this zone and the walls of the reaction chamber so as to isolate them from each other.
The mixture of oxygen and solid fuel is introduced through the nozzle 5. into the reaction space preferably at the lowest possible rate, at which rate any flashback of the reaction chamber into the airflow. ge 5 is prevented, the preheated water vapor or preheated carbonic gas, the preheating of which is preferably carried out at about 1,200 C, being introduced through pipe 6 and the annular opening 10 at a rate lower than that at which the homogeneous mixture of oxygen and solid fuel is introduced,
this speed being such that the quantity of preheated steam or preheated carbon dioxide introduced by suction into the mixture stream in question is only sufficient to ignite that mixture as soon as it leaves the end of the tank. Nozzle 5. Any other mixture of water vapor or carbon dioxide with the reaction agents in the primary zone should be avoided as far as possible, so as to prevent dilution of the
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reaction agents, dilution whereby the temperature developed would be lowered below that which would otherwise be produced in the primary zone and which would cause other undesirable side reactions such as gas-water reactions, in the primary zong itself.
It is evident from the above that the heat consumed by the carbon of the solid fuel particles which is not oxidized and converted into carbon monoxide in the primary zone, in its gasification by means of the reac - endothermic reaction with water vapor after the diffusion of these particles in the secondary reaction zone, is provided mainly by the heat developed in the primary reaction zone, and so that this heat is made available substantially only for this endothermic reaction, the water vapor or carbon dioxide used is preheated to a temperature of 1200 C, for example, at which the endothermic reaction between these gases and the carb progresses only slowly.
It is further evident, when operating according to the present invention, that no strongly heated particles - or associated gases diffusing from the primary zone into the secondary zone will be able to reach. the walls of the reaction space ± without previously coming into contact with a film of gas or vapor reacting dothermically on strongly heated carbon, this film being at a temperature lower than that of the gases of the primary reaction zone ; these gases are thus cooled and the fuel particles are also kept cooler as a result of the andothermic reaction, the residual carbon which they contain on the carbon dioxide or water vapor which is employed.
In this way, despite the very high temperatures-
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reached in the primary zone, the process which is the object of the present invention ensures, in a fully guaranteed manner, that all the particles of solid fuel, air, etc., as well as the ash which they contain, will remain solids e: relatively cold, as long as they contain carbon, during their passage through the secondary zone.
However, as soon as all of the carbon they contain has been removed by either of the gasification reactions, the residue of the ash nature of these solid fuel particles must be removed from the fuel. reaction space with the gas produced; consequently, during the g.- zification operation particles of the nature of ash cannot be *. neither stick nor adhere to the walls of the reaction chamber, or to each other, and no such phenomena have been observed in the application of the process which is the subject of the present invention.
At the same time, the temperature of the walls of the reaction chamber remains well below the remoll point of the refractories of these walls, without these being cooled externally; as a result, the heat losses are considerably reduced and substantially all of the heat developed in the operation is actually used to complete the reaction of the three or more components participating in the reaction, i.e. solid fuel, oxygen and water vapor or carbon dioxide.
The useful gas produced by the reaction is extracted from the reaction chamber 2 through the outlet orifice 12 made in the lower part of the gasification apparatus,
at a rate such that the constituent elements of the ash nature cannot take the temperature of the reaction chamber or of the gas produced; this is particularly important when it comes to solid fuels containing
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ash whose melting point is lower than the temperature of the agents which form the gases.
After having been extracted through the outlet orifice 12, the gas produced, as well as its ashy particles in suspension, can be sent to devices serving to remove dust, to cool it, to wash it, to purify it or subject it to any other treatment and arranged in any preferred order; it should not be forgotten, however, that these operations must be carried out in such a way and in such an order as to avoid the deposits and the accumulations, in undesirable points, of the ashy particles which have been removed.
If the pulverized solid fuel which is used consists of a relatively large range of grains of different sizes, and also depending on the rate at which their mixture with oxygen is introduced into the reaction chamber, a certain amount of residual ash constituents , an amount which is greater or less depending on the relative size of these constituents, can accumulate at the bottom of the gasification apparatus, as shown in the drawing, in the form of non-coherent particles which, as soon as the carbon they contain is gasified, can be -extracted through the drain opening 13.
The following specific examples, which are not limiting, are given to show the advantages and the operating results obtainable by means of the new process which is the object of the present invention.
EXAMPLE I
Bituminous coal containing 1.95% moisture and 8.75% ash and whose complete analysis gave, in the elements indicated, the following percentages;
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PERCENT by WEIGHT
EMI17.1
<tb> Carbon <SEP> 80.50
<tb>
<tb> Hydrogen <SEP> 4.27
<tb>
<tb> Sulfur <SEP> 1.88
<tb>
<tb> Oxygen <SEP> 1.46
<tb>
<tb> Nitrogen <SEP> 1.19
<tb>
was ground until 10% by weight remained on a tarnished: of 4,900 meshes per square centimeter. The particles of charcoal which passed through this sieve were remixed with those which had been retained, then introduced into a stream of oxygen and thus produced a suspension of the charcoal in oxygen.
To prepare this suspension 0.62 normal cubic meters of 95% oxygen was used for each kilogram of pulverized carbon employed. The suspension thus prepared was then taken and injected into a preheated reaction chamber constructed as shown in the accompanying drawing, at a rate of about 15 m per second, while simultaneously introducing , so as to form a continuous layer between the suspension jet and the walls of the reaction chamber 1.4 m3 of preheated water vapor (measured under normal conditions) per kilogram of pulverized coal used.
This produced 2.50 normal cubic meters of fuel gas per kilogram of coal, with a net calorific value of 2,360 kilogram calories per normal cubic meter and the following composition:
PERCENT by VOLUME
EMI17.2
<tb> Carbonic <SEP> <SEP> 14.0
<tb>
<tb> Carbon <SEP> <SEP> <SEP> oxide 42.0
<tb>
<tb> Hydrogen <SEP> 42.0
<tb>
<tb> Nitrogen <SEP> 1.5
<tb>
<tb> Hydrogen <SEP> sulphide <SEP> 0.5
<tb>
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Approximately 95% of the carbon contained in the gasified coal was found in the recovered gas and for the production of a normal cubic meter of combustible components in the produced g 383 gr of carbon were used,
unlike the 55 'to 600 gr of carbon needed to produce a normal cubic meter of fuel components in the old well-known gasifiers producing blue gas or water gas, and these 383 gr of carbon used also represent heat production sensitive necessary to produce essential oxygen. No appreciable concretion of the ashy residues from the gasification occurred and these residues could be easily extracted from the reaction space as a fine powder.
EXAMPLE II
When the pulverized carbon employed in the preceding example has been gasified in a similar fashion, except that the major part of the water vapor has been replaced largely by carbon dioxide as a substance which reacts endothermically with the products of In the primary zone, about 2.14 normal cubic meters of gas were produced per kilogram of coal used, the gas produced having the following composition:
PERCENT by VOLUME
EMI18.1
<tb> Carbon dioxide <SEP> <SEP> 7.5
<tb>
<tb> Carbon <SEP> <SEP> <SEP> oxide 66.8
<tb>
<tb> Hyùrocene <SEP> 23.2
<tb>
<tb> Azoto <SEP> 1.9
<tb>
<tb> Hydrogen <SEP> sulphide <SEP> 0.6
<tb>
As the above examples show, the present improved process for making fuel gas from solid fuel can be employed to produce gases containing very different amounts of oxy.
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of carbon and hydrogen, while maintaining the gasification residue as a finely divided product. and not consistent,
by simply varying the ratio of the water vapor and the carbon dioxide which are employed in the gas or the endothermic reaction vapor of the secondary zone; in other words, to increase the carbon monoxide content of its products, the water vapor employed in the secondary zone is increasingly replaced by carbon dioxide and, conversely, if it is desired to increase the proportion of carbon dioxide. hydrogen relative to carbon dioxide, in order to promote the following well-known reaction, which is that of gas with water:
EMI19.1
The carbon dioxide produced in the above reaction naturally reduces the concentration of the resulting gas in combustible constituents, but it is known that carbon dioxide can be removed by washing with pressurized water. In the same case, if it is preferred to edit this washing phase with water ot directly obtain a final gas containing a high proportion of hydrogen relative to the carbon monoxide,
one does not undertake a complete gasification of all the carbon 'contained in the coal employed, so that the hydrogen available in the coal itself is mixed, in the gas produced, with less carbon monoxide than that dare the case otherwise. As for the carbon which is not gasified, it can be extracted from the gasification apparatus, mixed with the non-coherent ashy residue.
As follows from the previous examples, a gas produced by the process and apparatus which is the object of the invention can be obtained with approximately the same volume as that which contains approximately equal volumes of hydrogen and d 'carbon monoxide and which is usually produced by
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the operation of the well known gasifiers producing blue gas or water gas, using about 65 to 70% of the solid fuel necessary for the production of this water gas.
The improved results made possible by the process which is the object of the present invention reside in the fact that substantially all of the heat required by the process is supplied by the exothermic combustion, with oxygen, of the major part of the carbon used. to give carbon oxide, instead of the large quantities of carbon dioxide which are produced in ordinary gasifiers used to gas water, and in that the reactions, endothermic and exothermic, which are necessary, are combined in a rational way in a single continuous operation.
In the claims the word "oxygen" applies to pure oxygen, to oxygen enriched air and to gases or vapors containing oxygen in a concentration greater than the quantity of oxygen contained in the air. .
The invention described above is applied in a particular form and in a particular way, but it can be practiced in various ways without going beyond its scope.
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