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Perfectionnements à la distillation de matières carboniques
La présente invention concerne la distillation de matiè- res carboniques et, plus particulièrement, la distillation de solides carboniques distillables tels que le charbon bitumineux, la lignite et les schistes pétrolifères.
Le but principal de la présente invention consiste à créer un procédé et un appareil pour assurer la distillation con- tinue de solides carboniques.
Un autre but de la présente invention consiste à créer un procédé et un appareil pour la distillation de solides carboni- ques afin d'obtenir, de façon continue., un produit solide et le rendement maximum de produits volatils avec un grand débit de solides carboniques.
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Un autre but de la présente invention consiste à créer un procédé et un appareil pour la production continue à partir de lignites ou de charbons bitumineux distillables, d'un produit carbonique granulaire dont la grosseur varie approximativement entre les limites de la grosseur de la charge de charbon ou de lignite, ce produit ne contenant sensiblement pas de morceaux de coke.
Conformément à la présente invention on obtient les résul- tats ci-dessus en utilisant un système à deux récipients. L'un des deux récipients sert de zone de chauffage préalable pour augmenter la température de la matière carbonique finement divi- sée et préalablement distillée et la porter à une température suffisamment haute pour distiller la matière en traitement. Le deuxième récipient constitue la zone de distillation et il est constitué par une cornue horizontale sensiblement cylindrique mon- tée à rotation autour de son axe longitudinal central.
Le fonctionnement est le suivant. Le résidu chaud de la distillation provenant de la zone de chauffage et les solides carboniques finement divisés et non distillés sont chargés séparé- ment à une extrémité de la cornue rotative en proportions telles que la température moyenne des solides contenus dans la cornue soit comprise dans la gamme des températures de distillation des solides carboniques. La rotation de la cornue produit un mélange intime du résidu chaud de la distillation et des solides distilla- bles, ce qui fait que la distillation de ces derniers a lieu. Le résidu solide de la distillation est extrait continuellement à l'extrémité opposée ou extrémité de sortie de la cornue, ce qui provoque un mouvement progressif et continu des solides dans la cornue.
Les produits volatils sont aussi extraits de façon conti- nuelle par la même extrémité de sortie de la cornue. Pour com- pléter le cycle, une partie du résidu de la distillation est ren-
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voyée dans la zone de chauffage.
On a trouvé que la grosseur du résidu de distillation extrait de la zone de distillation de la cornue ne diffère pas de façon appréciable de la grosseur du produit chaud introduit dans la cornue. Cela signifie que le résidu chaud de la distil- lation provenant de la cornue peut être renvoyé directement en circulation dans le réchauffeur sans perte de chaleur notable car il n'exige que peu de choses ou rien pour être amené à un état propre à l'utilisation continue dans le système.
Dans lemode préféré de réalisation de la présente inven- tion, la zone de chauffage préalable, qui se distingue de la zone de distillation comprend un lit fluidifié de résidu granulaire de distillation, la fluidité étant maihtenue par de l'oxygène ou un gaz donnant naissance à de l'oxygène. Le lit de solides carbo- niques granulaires est ainsi porté uniformément, en totalité, à la température désirée, par combustion d'une partie de ce lit. On a constaté que le résidu granulaire de distillation produit dans la cornue rotative est particulièrement apte à être fluidifié.
L'emploi du lit fluidifié pour effectuer le chauffage du résidu de distillation en combinaison avec la distillation des solides carboniques distillables par contact direct avec le résidu chaud de la distillation a pour résultat que l'utilisation de la cha- leur dans le système est maxima.
Le fonctionnement du système ci-dessus, à deux récipients traitant des solides bitumineux tels que du charbon très volatil de la veine de Pittsburgh, qui est un charbon cokéfiant, produit continuellement un rendement élevé en goudron liquide riche en acides de goudron, une quantité notable d'un gaz ayant un grand pouvoir calorifique et un produit carbonisé granulaire et lâche convenant bien pour un certain nombre d'applications et pouvant servir par exemple de combustible solide pour les chaudières. En
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outre, on a constaté que la capacité de production du système dépasse considérablement les espérances et qu'elle est large- ment supérieure à tout ce qui a été proposé jusqu'ici, autant que l'on en puisse savoir.
Pour que l'invention soit mieux comprise et pour qu'il soit plus facile de la mettre en pratique, on la décrira mainte- nant en détail en se référant aux dessins ci-joints, dans les- quels :
La fig. 1 est un'schéma représentant l'appareil dans lequel l'invention peut être mise en pratique.
La fig. 2 est une coupe transversale longitudinale centra- le d'une partie de l'appareil représenté dans la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe transversale verticale par la ligne 3-3 de la fig. 2.
On considérera d'abord la fig. 1 des dessins, figure qui représente un développement d'un mode préféré de l'invention.
10 désigne une cornue horizontale sensiblement cylindrique mon- tée à rotation autour de son axe longitudinal central. Cette cornue est pourvue d'une couche de matière isolante 12. Une trémie 14 sert à contenir des solides carboniques distillables qui sont introduits à l'intérieur de la cornue 10 par un conduit 15 au moyen d'un dispositif d'alimentation à vis d'archimède variable 16.
Un autre dispositif d'alimentation à vis d'Archimède varia- ble 18 monté près du dispositif 16 sert à introduire un résidu carbonique chaud de distillation en forme de produit granulaire, par un conduit 19 dans la cornue 10, où un lit 20 de solides à niveau sensiblement constant est maintenu au moyen de disposi- tifs élévateurs 22 et 24. Lorsque la cornue 10 tourne, ces dis- positifs élévateurs prennent des solides dans le lit 20 et les laissent tomber dans une trémie 26, d'où les solides sont transportés à l'extérieur de la cornue par un conduit 27 au moyen d'un transporteur à vis d'Archimède 28. Une description
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plus détaillée de la cornue 10 sera donnée plus loin lorsqu'il sera question des figs. 2 et 3.
Les produits volatils qui prennent naissance dans la cornue 10 sortent de celle-ci par le conduit 27 et sont envoyés dans une chambre à poussière 30 contenant de l'eau 32 destinée à retenir la poussière. Le gaz sortant de cette chambre est transport: par un conduit 34 dans un épurateur à arrosage 36 où toutes les va- peurs condensables se condensent. Le produit condensé liquide est extrait par le fond 38 de l'épurateur, pendant que le produit gazeux non condensable sort de l'épurateur au sommet par le con- duit 40.
Une pièce de garde 42 empêche les produits solides ve- nant de la cornue rotative d'entrer dans la chambre à poussière 30 et ces produits sont obligés de passer dans le conduit de sortie 44,Ce conduit de sortie est divisé en deux conduits 46 et 48 Ce dernier aboutit au magasin à produits, tandis que le pre- mier sert à renvoyer une partie du résidu de la distillation en circulation dans le système. Pour assurer que la grosseur du résidu solide de la distillation reste au-dessous d'une certaine valeur, on fait passer ce résidu à travers un tamis 50,les parties trop grosses étant envoyées au magasin à produit par le conduit 52.
La partie restante du résidu de la circulation, celle qui passe à travers le tamis 50, est transportée par le conduit 54 dans une trémie 56, d'où elle est envoyée au moyen d'un transporteur à vis variable 58 dans un récipient de chauffage préalable 60.
Le récipient 60 comprend deux sections 62 et 64. La pre- mière section ou section inférieure sert à maintenir un lit de solides granulaires 66 sur un élément à grille 68, tandis que la deuxième section sert de chambre de dégagement. Pour mainte- nir le lit 66 à l'état fluidifié, on introduit un gaz contenant de l'oxygène, tel que de l'air, par le tube 70 au fond du réci-
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pient à gaz 60. Un séparateur cyclone 72 sert à renvoyer les fines solides sur le lit, tandis que le produit gazeux s'échappe du récipient par le conduit 74 pour entrer dans un autre sépara- teur cyclone 76, où la séparation entre le gaz et les solides est sensiblement terminée. Le gaz est ensuite envoyé à l'appareil de purification par le conduit 78.
Dans les figures 2 et 3 des dessins., qui sont des vues de détail de la cornue rotative 10, les numéros de référence 80 et 82 désignent des sections coniques d'extrémité pourvues respec- tivement de rebords cylindriques 84 et 86. La cornue est supportée à rotation à chaque extrémité par des galets 88 et 90 montés res- pectivement sur des socles 92 et 93. Des flasques robustes 94 et 93 sont reliés aux parties d'extrémité de la cornue et roulent respectivement sur les galets 88 et 90. Une couronne dentée 96 est fixée à la cornue et elle peut être entraînée par un pignon moteur approprié (non représenté) pour faire tourner la cornue.
La cornue est renfermée dans une enveloppe fixe 98, qui porte l'isolant 12 par l'intermédiaire de la garniture 100. L'ensemble de l'enveloppe est supporté par des socles 102.
Le rebord cyclindrique 84 entoure une ouverture 104 traversée par les vis à vitesse variable 16 et 18. Un obturateur 106 sert à fermer l'extrémité de la cornue. A l'extrémité opposée de la cornue rotative un rebord cylindrique 86 entoure une ouver- ture 108 à travers laquelle passe le transporteur à vi. s 28 qui est disposé dans le conduit 27. Un obturateur 110 sert à fermer cette extrémité de la cornue vis-à-vis de l'atmosphère.
Deux dispositifs élévateurs 112 et 114 sont montés à l'intérieur de la cornue sur la même ligne que la trémie 26 et directement opposés l'un à l'autre (fig. 3). Chacun d'eux comprend un organe de support rigide 116, qui est fixé à une extrémité sur la paroi intérieure de la partie cylindrique de la cornue. Cet organe de support s'étend vers l'axe longitudinal central de la
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cornue et à son extrémité intérieure il est attaché à l'un des bords d'un organe en forme de pelle 118, dont l'autre bord est attaché à la partie conique 82. Les dispositifs élévateurs sont disposés de façon que leurs parties en forme de pelle soient dans le prolongement de la trémie 26 et ils ont une forme telle qu'ils déversent leur contenu dans la trémie lorsqu'ils passent au-dessus de celle-ci.
Le fonctionnement préféré de ce système à deux réci- pients, appliqué par exemple à du charbon très volatil de la veine de Pittsburgh, charbon qui, comme on l'a déjà dit, est un charbon cokéifiant, est le suivant. Les matières premières sont du charbon finement divisé et de l'air, avec un peu de vapeur d'eau le cas échéant. On charge d'abprd la cornue 10 avec du charbon finement divisé et préalablement distilé -(de préférence mailles-0 à + 4),porté uniformément, par des moyens appropriés et pour commencer seulement à une température de distillation.
La température est de préférence comprise entre 800 et 1000 F soit 426 à 538 C. Du charbon finement divisé et préalablement distillé est également introduit dans le récipient de chauffage préalable 60 et porté à une température sensiblement supérieure à celle qui doit être maintenue dans la cornue et généralement comprise entre 1000 et 1400 F, 538 soit à 760 C,mais pouvant dépendre moins de la température à maintenir dans la cornue. La chaleur nécessaire dans le récipient 60 est produite de préférence par un courant d'air ou d'oxygène que l'on fait monter à travers le lit de solides carboniques granulaires 66, ce qui produit une combustion partielle et un dégagement de chaleur. Cette chaleur est immédiatement distribuée uniformément dans toute limasse du lit.
Le fonctionnement du récipient de fluidification ser- vant à produire un état de fluidification est bien connu des spé- cialistes. La vitesse de l'air, la profondeur du lit, etc... sont
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des facteurs qui peuvent être facilement déterminés. A cause de la fluidification du lit, les solides granulaires que celui-ci contient sont maintenus à une température uniforme. Les produits gazeux de la combustion sont séparés des fines, dans la chambre de dégagement 64, au moyen d'un séparateur cyclone 72. Une nouvelle séparation est obtenue au moyen d'un séparateur cyclone 76.Le gaz ainsi produit est un gaz n'ayant qu'un faible pouvoir calorifique et pouvant servir pour certaines applications limitées.
Si,on le désire, on peut utiliser de la vapeur d'eau en combinaison avec l'air pour produire la fluidification dans le récipient 60.
La composition du gaz résultant est modifiée en conséquence. Bien que l'utilisation d'une zone de chauffage fluidifiée soit préfé- rable pour la mise en pratique de la présente invention, on peut employer aussi d'autres dispositifs de chauffage propres à chauffer des solides granulaires uniformément dans toute leur masse, par exemple des soles à ringards ou des fours rotatifs.
Le résidu chaud de la distillation venant du récipient 60 est envoyé dans la cornue 10 par les conduits 79 et 19 au moyen du transporteur à vis variable 18. Concurremment avec l'introduction de ce résidu, un courant de charbon finement divisé provenant de la trémie 14 est introduit. Le charbon et le résidu de la distillation ont sensiblement tous deux la même grosseur, soit des mailles de-0 à + Les deux courants de solides sont mélangés intimement dans la cornue par la rotation de celle-ci. A l'extrémité d'entrée de la cornue les solides ont leur différence de température maxima, ce qui fait que la distillation du charbon est rapide et effective et que le passage du charbon de l'état plastique à l'état sec est rapide. Il ne se produit que peu ou pas d'agglomération du charbon.
Les vapeurs produites sont extraites immédiatement de la moitié supérieure de la cornue par la trémie 26 et elles sor- tent par le conduit 27. Concurremment, avec l'extraction des
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vapeurs produites, le lit de solides contenu dans la cornue rotative est maintenu à un niveau sensiblement constant au moyen de dispositifs élévateurs 22 et 24, qui cueillent des solides granulaires secs à l'extrémité opposée de la cornue et les lais- sent tomber dans la trémie 26. Cette extraction continuelle de solides granulaires entraine un mouvement continu et progressif des solides de l'extrémité d'entrée à 1-'extrémité de sortie. On règle la durée du séjour dans la cornue en faisant varier l'intro- duction totale de solides dans la cornue, ainsi qu'on le conçoit facilement.
On a constaté par exemple qu'avec le réchauffeur à 649 C soit 1200 F et pour une température de distillation de 482 C soit 900 F dans la cornue, le laps de temps nécessaire pour distiller du charbon de la veine de Pittsburgh, d'une grosseur de moins de 6 mm. et dans la cornue et par le procédé de la présente invention, varie entre 15 et 20 minutes.,
Quant à la température maintenue dans la cornue, on la règle en réglant les proportions relatives de charbon et de résidu granulaire de distillation introduites par les transporteurs à vis variables 16 et 18, ainsi qu'en réglant la température du résidu de distillation chauffé avant son introduction dans la cornue.
Si on le désire, la charge de charbon peut être préalable- ment chauffée avant d'être chargée dans la cornue, jusqu'à un point tout juste inférieur à celui auquel le charbon commence à dégager des vapeurs d'hydrocarbure. La différence de température entre le résidu de distillation introduit dans la cornue et la tem- pérature moyenne de distillation à l'intérieur de la cornue peut descendre jusqu'à 28 C soit 50 F. Relativement au réglage du rapport entre la proportion de charbon de la veine de Pittsburgh et celle de son résidu de distillation introduit dans la cornue, pour éviter l'agglomération, on a constaté qu'il est nécessaire de maintenir ce rapport inférieur à 1 à 3 en poids.
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Les vapeurs produites par l'appareil de carbonisation sont débarrassées de la poussière au moins partiellement dans la chambre à poussière 30, comme d'habitude, puis elles passent dans un épurateur ou dans une chambre de condensation 36, où le gou- dron contenu dans les produits se condense et se sépare. La partie non condensable, qui est un gaz ayant un grand pouvoir calorifi- que, est extraite au sommet par le conduit 40, pour être purifiée ensuite par les procédés usuels.
Les produits solides sortant de la cornue sont entrai- nés par la vis 28 dans le conduit de sortie 44, d'où une partie de ces produits est envoyée au magasin à. produits par le conduit 46. La grosseur du résidu de distillation sortant de la cornue est en général sensiblement la même que celle du charbon intro- duite ce qui est une découverte remarquable en soi en ce qui concerne le charbon fortement cokéfiant, car ce produit solide peut être renvoyé en circulation pour être utilisé sans autre traitement et par conséquent sans perte de chaleur. Toutefois, il peut arriver à l'occasion qu'une petite proportion du char- bon carbonisé ait une grosseur supérieure à la grosseur désirée.
Ces morceaux trop gros sont séparés sur un tamis 50 et envoyés au magasin à produits par le conduit 52. La partie qui passe à travers le tamis 50 est transportée par le conduit 54 ou par tout moyen approprié tel qu'un élévateur, un transporteur à vis, un dispositif pneumatique, etc.. dans la trémie 56, d'où elle est envoyée dans le récipient de fluidification 60 par le trans- porteur à vis variable 58. La vitesse d'arrivée des solides dépendra naturellement du niveau que l'on désire maintenir pour le lit dans la partie inférieure 62 du récipient. Le cycle ci- dessus se répète alors.
Les produits sortant de la cornue sontun résidu car- bonique de distillation, du gaz, du goudron et de la vapeur d'eau. Le produit sortant du réchauffeur fluidifié est un gaz .de ventilation.
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Le produit solide résultant de l'application du procédé et de l'appareil en question au charbon très volatil de la veine de Pittsburgh, de la façon décrite ci-dessus, est un solide gra- nulaire lâche doht la grosseur est sensiblement la même que celle du charbon introduit dans l'opération. Ce produit est friable, cellulaire et il n'est pas aggloméré, contrairement à celui qui est obtenu par d'autres procédés à partir de charbon cokéfiant.
Lorsqu'il est convenablement réglé, ainsi qu'on l'a dit plus haut, relativement au rapport entre la matière préalablement chauffée et le charbon cokéfiant chargé, le produit ne contient sensiblement pas de morceaux de coke. Comme une grande partie de ce produit solide a traversé la zone de chauffage préalable, cette partie contient moins de matières volatiles que celle qui n'a traversé que la cornue. La teneur de cette dernière par- tie en matières volatiles est déterminée par la température moyenne régnant à l'intérieur de la cornue. La différence de teneur en matières volatiles dépend de la différence de tempé- rature entre la zone de chauffage préalable et la zone de distil- lation et on peut en conséquence, la faire varier si on le désire.
Le produit solide convient bien pour servir de combustible solide pour les chaudières, ainsi que pour de nombreuses autres ap- plications.
Le produit de la nature du goudron est un fluide et par le procédé ci-dessus, dans le cas du charbon de la veine de Pittsburgh, on obtient un rendement de 118 à 122 litres soit 26 à 27 gallons par tonne de charbon. Sa teneur en cendres est inférieure à 1% et lorsqu'il est distillé jusqu'à 300 C, on constate que 30% passent sous forme de produit distillé.
40% environ de ce produit distillé sont des acides du goudron.
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Lorsqu'il a été séparé de la partie condensable, le gaz sortant de la cornue a un pouvoir calorifique d'environ 800 B.T.U. ou davantage par pied cube. Le rendement en gaz de cette nature est d'environ 2000 pieds cubes par tonne de char- bon.
Le produit gazeux sortant du réchauffeur fluidifié a un pouvoir calorifique de 75 à 80 B.T.U'. et sa température correspond à celle du récipient de fluidification. Environ 28.000 pieds cubes de ce gaz sont produits par tonne de charbon traitée.
L'exemple ci-dessus décrit l'application de l'invention au charbon très volatil de la veine de Pittsburgh, mais cette description n'a été donnée qu'à titre de renseignement. Le pro- cédé et l'appareil qui sont décrits ci-dessus peuvent être appliqués à n'importe quels solides carboniques distillables, y compris le charbon bitumineux cokéfiant ou non, les lignites, les schistes pétrolifères, etc..
Dans l'application aux char- bons cokéfiants autres que le charbon très volatil de la veine de Pittsburgh, et autres que les schistes pétrolifères cokéfiants, les proportions préférées de charbon ou.de schiste et de résidu de distillation introduites dans la cornue peuvent être autres que celles qui sont spécifiées dans l'exemple ci-dessus, suivant les propriétés de cokéfication particulières du charbon, mais il est facile de déterminer celles-ci. Dans l'application à des charbons non cokéfiants, à des lignites, à des schistes pé- trolifères non cokéfiants, une plus grande latitude est permise dans le réglage des proportions de charge fraîche et de résidu chaud de distillation et également dans le choix de la tempé- rature de fonctionnement, car ces matières ne s'agglomèrent pas.
En pareil cas, la température jusqu'à laquelle la charge est chauffée et la température de la zone de chauffage préalable peuvent être aussi hautes que cela est pratique pour effectuer la distillation désirée.