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PROCEDE POUR LA PRODUCTION DE GAZ COMBUSTIBLES A PARTIR DE
COMBUSTIBLES SOLIDES FINEMENT DIVISES
L'invention concerne la production, à partir de com- bustibles solides finement divisés, tels que du charbon, du lignite ou d'autres combustibles carbonés solides pulvérisés, de gaz combustibles convenant bien pour l'éclairage, le chauf- fage, les réactions chimiques et d'autres applications. L'in- vention vise, plus particulièrement, la production de gaz com- bustibles à partir d'un combustible solide finement pulvérisé, par la suspension et l'oxydation partielle de ce combustible dans de l'oxygène ou dans de l'air enrichi en oxygène, puis par sa réaction endothermique avec un oxyde fluide, tel que du gaz carbonique ou de la vapeur d'eau, capable de réagir sur du carbone chaud pour donner un gaz combustible.
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Les réactions chimiques simples qui entrent en jeu dans le présent procédé perfectionné, soit la combustion d'u- ne partie du carbone du combustible solide utilisé, pour chauffer le combustible résiduel jusqu'à une température à laquelle il réagisse endothermiquement avec de la vapeur d'eau ou du gaz carbonique, ou autre, pour donner, respecti- vement, un mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène ou sen- siblement seulement de l'oxyde de carbone, sont connues de- puis longtemps dans l'industrie.
Ces réactions sont utilisées depuis longtemps dans l'industrie pour la production, par exemple, de gaz bleu ou de gaz à l'eau et elles ont été mises en jeu, dans la pratique, dans des appareils appropriés sur un lit de combustible fixe, mais à des intervalles de temps espacés, chaque réaction distincte étant effectuée sensible- ment en l'absence de l'autre.-
Plus récemment on a cherché à maintenir la combus- tion (réaction exothermique) et la réaction endothermique dans le même espace de réaction, de façon que les zones de réaction soient séparées quant au fonctionnement, mais en contact direct l'une avec l'autre, en injectant un jet d'hui- le d'hydrocarbure, ou un mélange d'huile et de combustible solide, sur un jet ou courant d'oxygène se mouvant à contre- courant, tout en introduisant simultanément un jet ou courant de vapeur d'eau,
dans l'appareil de réaction, près de l'en- droit où.la rencontre a lieu. Dans l'application de ce procé- dé on ne tient pas compte du fait que la réaction exothermi- que et la réaction endothermique ont lieu à des vitesses en- tièrement différentes, et le résultat final ne peut être qu'une utilisation incomplète de l'oxygène, du combustible et de la vapeur d'eau dans le but envisagé, parce que l'oxy- gène employé ne peut être mis qu'incomplètement en contact avec le combustible utilisé, ce qui produit des quantités
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excessives de gaz carbonique, une partie du carbone n'étant pas oxydée, et la progression réelle de l'oxydation elle-mê- me est arrêtée par l'intrusion de la vapeur d'eau.
En outre, le carbone résiduel est à une température insuffisamment é- levée pour pouvoir réagir avec la vapeur d'eau et on ne peut ainsi obtenir, avec les combustibles employés, que des rende- ments d'oxyde de carbone et d'hydrogène qui ne sont pas éco- nomiques.
Dans une demande de brevet déposée ce jour et ayant pour titre "Procédé et appareil pour la production de gaz com- bustibles à grand pouvoir calorifique", la Demanderesse a dé- crit un procédé et un appareil perfectionnés pour la gazéifi- cation d'un combustible solide finement pulvérisé..
En bref, ledit procédé perfectionné consiste à introduire continuelle- ment le combustible solide pulvérisé dans un courant d'oxygè- ne ou d'air enrichi en oxygène, dans des conditions telles qu'il se forme une suspension du combustible dans l'oxygène, cette suspension étant ensuite introduite continuellement sous la forme d'un jet dans une chambre de gazéification pré- chauffée jusqu'à une température supérieure à la température d'inflammation de la suspension, et dans laquelle cette sus- pension est enflammée rapidement, tout en étant entourée par une enveloppe s'écoulant avec elle, et contenant de la vapeur d'eau ou un autre oxyde fluide capable de réagir endothermi- quement avec du carbone chaud pour donner, par exemple, un mélange combustible d'oxyde de carbone et d'hydrogènes Il y a donc simultanément, dans la chambre de gazéification,
une zone centrale fortement chauffée, dans laquelle une réaction exothermique se produit entre l'oxygène et les particules de combustible solide, et une zone extérieure entourant la pré- cédente, où la température est inférieure et dans laquelle une réaction endothermique a lieu.
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Le succès de ce procédé perfectionné réside en gran- de partie dans la possibilité de régler positivement les gran- deurs réelles des particules et leur répartition en pour-cent dans les fractions tamisées du combustible solide finement pulvérisé qui est employé. Or, on a trouvé que l'efficacité, le rendement et la composition du gaz combustible produit dé- pendent, à un haut degré, de la proportion des particules de dimensions plus petites présentes dans le charbon pulvérisé et de l'établissement, dans la chambre de gazéification, d'u- ne vitesse relative à peine mesurable entre les particules de combustible solide et leur atmosphère de transport constituée par des agents de réaction.
Ceci est directement contraire au phénomène quelque peu connexe qui consiste simplement à brû- ler du combustible pulvérisé pour développer de la chaleur, l'opération, les considérations et les théories en question montrant que plus la vitesse relative entre les particules de combustible et l'atmosphère oxydante est grande, plus les résultats de la combustion représenteront un succès. Il en ré- sulte naturellement que plus les grosseurs de grains pouvant être transportées dans le courant d'air insufflé sont grandes, plus la combustion sera complète ; le domaine du chauffa- ge par dessous au moyen de combustible pulvérisé on admet cou- ramment cette théorie que le combustible solide finement pul- vérisé est difficile à enflammer.
Naturellement, plus les par- ticules de combustible pulvérisé sont grosses, plus le trajet d'écoulement nécessaire pour assurer leur combustion complète sera grand.
L'un des objets de la présente invention est donc de créer un procédé et des moyens nouveaux et perfectionnés à l'aide desquels des combustibles carbonés solides finement pulvérisés peuvent être transformés économiquement et avec un grand rendement en gaz combustibles ayant un grand pouvoir
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calorifique par unité de volume par une réaction de durée re- lativement courte et dans un espace de réaction relativement limité.
Un autre objet de l'invention est d'offrir un procé- dé perfectionné grâce auquel le contenu en carbone des combus- tibles solides peut être gazéifié en suspension dans des a- gents gazeux et transformé en gaz combustible dans une mesure au moins aussi grande qu'avec les gazogènes bien connus dans lesquels on maintient un lit fixe.
L'invention a aussi pour objet d'assurer d'autres avantages ou résultats de fonctionnement pouvant être obtenus par le procédé qui est décrit ci-après.
Ainsi qu'on l'a dit plus haut, le rendement de la transformation de combustible pulvérisé en gaz combustible est en relation étroite avec la grosseur réelle des particu- les les plus grosses, ainsi qu'avec la vitesse réelle et la vitesse relative entre les agents de réaction constitués par des gaz ou des vapeurs et les particules de combustible soli- de(pendant leur passage dans la chambre de gazéification. En général, plus les particules de combustible solide sont fines, meilleur sera le rendement de la transformation en gaz combus- tible.
On obtiendrait le résultat idéal si les particules de combustible solide étaient toutes infiniment petites, parce que, dans ce cas, les réactions de gazéification, qui sont toutes des réactions de surface donneraient des résultats se rapprochant avantageusement de ceux que l'on obtient en faisant réagir des mélanges de gaz, étant donné que toutes les molécules peuvent réagir simultanément et sans perturba- tion due à des molécules voisines.
Bien qu'il soit impossible de réaliser techniquement cette condition idéale, l'utilisa- tion pratique de ces faits de base permet d'obtenir des ré- sultats très satisfaisants dans leur utilisation industrielle*
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En conséquence, suivant la présente invention, on prépare le combustible solide pour la gazéification en lui donnant une finesse telle que les particules les plus grosses aient une vitesse de suspension inférieure à 0,1 m par secon- de, c'est-à-dire qu'aucune de ces particules ne tombe dans un courant d'air vertical ayant une vitesse de 0,1 m par seconde à la pression atmosphérique. Dans la zone de réaction primai- re, suivant l'invention, les particules de combustible solide réagissent avec l'oxygène ou l'air enrichi en oxygène, dans lequel elles sont en suspension.
Par suite de l'oxydation qui en résulte la grosseur des particules diminue jusqu'à ce que le mouvement de celles-ci soit minime par rapport à celui des gaz dans lesquels ces particules sont en suspension et trans- portées, de sorte que les particules commencent à se compor- ter comme un ingrédient gazeux du mélange de gazéification.
Il est évident que la vitesse d'injection du mélange préala- blement formé de combustible solide et d'oxygène dans la zone de gazéification primaire doit être au moins égale à celle qui retient le combustible solide en suspension. L'un des résul- tats avantageux résultant de l'utilisation de la grosseur pré- citée, techniquement obtenable par pulvérisation du combusti- ble, c'est que le combustible ainsi préparé présente une sur- face extrêmement grande à l'oxygène dans lequel il est en sus- pension dans la zone de gazéification primaire suivant l'in- vention.
La quantité d'oxygène employée, de préférence, dans cette zone primaire dépend de la nature du combustible solide employé, mais ordinairement on mélange avec le combustible so- lide la quantité d'oxygène qui est théoriquement suffisante pour transformer entre 50 et 80% du carbone contenu dans le combustible en oxyde de carbone.
La grande surface présentée par la grosseur préférée indiquée plus haut pour le combusti- ble solide finement pulvérisé est avantageusement telle qu'u-
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ne partie suffisante de cette surface soit mise en contact direct avec l'oxygène pour limiter à une partie relativement petite de sa teneur totale en carbone toute transformation incidente de ce combustible en gaz carbonique, et la réaction peut avantageusement ne progresser, dans la zone de gazéifica- tion primaire, que sensiblement suivant l'équation :
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ce qui a l'avantage d'éviter sensiblement la nécessité de pro- longer la durée de la réaction dans l'espoir que la réaction très lente
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pourrait produire notablement son effet.
De cette façon non seulement la durée de la réaction, mais aussi la grandeur né- cessaire pour la chambre de gazéification correspondante sont réduites par le réglage de la grosseur des particules.
Au sortir de la zone de gazéification primaire le carbone résiduel des particules de combustible solide qui sont maintenant même encore plus petites, se diffuse dans l'enve- loppe environnante de vapeur d'eau ou de gaz carbonique pré- chauffé, ou de mélanges des deux, par laquelle la zone primai- re est isolée des parois de la chambre de gazéification, et par suite de la haute température des gaz produits dans cette zone primaire, dans laquelle les particules de combustible sont suspendues, le carbone résiduel de ces particules peut réagir rapidement endothermiquement sur la vapeur d'eau de l'enveloppe environnante pendant la diffusion dans cette envc loppe, pour compléter la gazéification du carbone des parties les de combustible.
L'invention prévoit de gazéifier le combustible so- lide sous la forme de grains d'une grosseur telle que plus de 50% du poids du combustible soient formés de grains d'une grosseur inférieure à 0,05 mm. Un combustible solide pulvéri-
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qu'on broie normalement jusqu'à un degré de finesse tel qu'il passe en totalité à travers le tamis connu dit à 4900 mailles, dont les ouvertures ont une dimension de 0,086 mm, correspond à ces conditions. Lorsqu'un combustible solide a été broyé jus- qu'à ce degré de finesse, la répartition granulométrique des particules de dimensions moindres possède automatiquement les propriétés préférées convenant à la gazéification selon l'inve tion.
Ainsi que cela a été dit ci-dessus, on préfère selon l'invention une grosseur telle pour les particules du combusti= blesolide qu'aucune particule ne descende dans un courant d'ail vertical ayant sous une pression sensiblement égale à la pres- sion atmosphérique une vitesse de 0,1 m à la seconde. Les par- ticules les plus grandes qui peuvent être maintenues en suspen= sion à une telle vitesse sont celles qui, suivant leur dimen- sion la plus grande, ont un diamètre d'environ 0,08 mm.
Le succès de l'application de la présente invention exige que les particules de combustible solide employées soient introduites dans la chambre de gazéification, après leur sus- pension dans de l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène, sous la forme d'un jet ayant une vitesse qui ne soit pas inférieure à 0,1 m par seconde, sensiblement à la pression atmosphérique, de façon à les maintenir en suspension dans la zone primaire.
Par suite de la très grande réduction de leur grosseur dans la zone d'oxydation primaire (50 à 80% du carbone qu'elles con- tiennent étant gazéifiée et réduits en oxyde de carbone dans cette zone) on ne rencontre pas de difficultés pour maintenir les particules résiduelles en suspension dans la zone endother mique secondaire, bien que la vitesse des gaz ou vapeurs de suspension soit elle-même sensiblement réduite dans cette zone Il convient de remarquer que cette grosseur préférée de parti- cules de combustible solide est celle qui convient bien lors-
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que la gazéification est effectuée sensiblement à la pression atmosphérique.
Il est évident que cette grosseur de particules convient encore mieux pour le but envisagé lorsque la pression qui règne dans la chambre de gazéification dépasse la pression atmosphérique, ce qui permet de se rapprocher davantage des conditions idéales de gazéification d'une suspension comme cel le qui est décrite plus haut. Autrement dit, lorsque la pres- sion augmente, des particules de charbon dont la grosseur de grain est inférieure à 0,08 mm environ quant à leur dimension maximum, tendent encore davantage à rester en suspension dans les agents de réaction gazeux et se comportent encore davanta- ge comme un élément gazeux des agents de réaction.
Il en ré- sulte naturellement aussi que lorsque la pression est augmen- tée, pendant la gazéification, au-dessus de la pression atmos- phérique, des particules dont la grosseur va en augmentant peu vent être maintenues en suspension avec succès pendant la ga- zéification, ainsi que dans le gaz produit extrait de la'cham- bre de gazéification.
En général, on peut dire que, du point de vue de l' vent ion, il est avantageux d'augmenter la proportion des parti cules fines de moins de 0,05 mm de grosseur dans le combusti- ble d'autant plus que le carbone contenu dans le combustible offre plus d'inertie à entrer en réaction. Les combustibles entrant en réaction facilement, comme la tourbe ou le lignite, demandent une proportion de particules fines dans le combusti ble qui' est d'environ 50 à 70 pour cent, en poids, de grains plus petits que 0,05 mm.
Si on gazéifie du charbon, la propor tion des particules fines peut éventuellement être augmentée avec avantage et portée à 80 à 90% en poids* @ Dans les revendications le mot "oxygène s'applique à l'oxygène pur, à l' air enrichi en oxygène, ainsi qu'aux gaz et vapeurs contenant de l'oxygène en concentration supérieure
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à celle de l'oxygène contenu dans l'air..
L'invention décrite ci-dessus est appliquée sous une forme particulière et d'une façon particulière, mais elle peut l'être aussi de différentes autres manières sans qu'on sorte pour cela de son domaine.
REVENDICATIONS
1 - Procédé de préparation de gaz combustibles par réaction de combustibles solides finement divisés, en suspen- sion, dans de l'oxygène et des agents de gazéification, à réac- tion endothermique, caractérisé par le fait qu'on utilise plus de 50% en poids du combustible sous la forme de grains d'une grosseur inférieure à 0, 05 mm.