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L'invention est relative à la production d'un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène par la réaction d'un combustible carbonifère solide, par exemple du charbon ou de la houille, avec de l'oxygène libre .
Un mélange gazeux, constitué essentiellement par du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, est important industriellement corne gaz combustible, comme source d'hydro- gène pour diverses réactions et conuue source de gaz d'alimen- tation pour une synthèse, par exemple pour la synthèse d'hy- drocarbures, de composés organiques oxygénés et d'ammoniac.
Actuellement on s'intéresse fortement au développement' indus- triel d'un procédé de gazéification du charbon suivant lequel on fait réagir le charbon avec de l'oxygène relativement pur et avec de la vapeur d'eau pour former un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène, ce monoxyde de carbone pouvant, si on le désire, être aisément converti en hydrogène, par la réaction de conversion en gaz à l'eau , à l'aide de vapeur à une température de l'ordre de 370 à 425 en présence d'un catalyseur approprié, tel que l'oxyde die fer.
L'invention a pour .but de perfectionner cette gazé- ification de combustible carbonifères solides, comprenant le charbon , la houille, le lignite, l'anthracite, le charbon bitumineux et le coke et elle concerne, plus particulièrement la réaction d'un combustible carbonifère solide pulvérulent avec de l'oxygène libre dans une installation de réaction de gazéification du type à écoulement .
Dans une installation de ce genre, du type à écoule, ment, les particules du combustible carbonifère solide sont gazéifiées en étant dispersées dans lesréactifs gazeux et les
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produits de réaction, gazeux. Cette gazéification d'un combus- tible carbonifère solide avec un gaz contenant de l'oxygène libre a généralement lieu à une température de l'ordre de 1100 à 1925 , de préférence de 1200 à 1540 . On préfère uti- liser une zone de réaction compacte sans matière de remplissa ge. La réaction peut se faire à la pression atmosphérique ou à une pression élevée, par exemple de 7 à 42 kg.cm2 en sur- pression ou plus .
Dans certains cas, on peut utiliser de l'air comme gaz contenant de l'oxygène libre. De préférence, le gaz à oxy- gène libre contient plus que 40% en oxygène libre en volume et est, par exemple, de l'air enrichi en oxygène. De l'oxygène sensiblement pur est souvent préféré, plus particulièrement dans le cas où il est avantageux d'obtenir un courant gazeux ' exempt d'azote, par exemple un gaz d'alimentation-pour la. synthèse d'hydrocarbures, un gaz combustible ou de l'hydro- gène .
La réaction entre l'oxygène libre et le combustible carbonifère est exothermique. En plus de l'oxygène libre, de lu vapeur d'eau est généralement fournie à la zone de réaction.
Les borportions de l'oxygène libre et de la vapeur sont telles que la température de réaction désirée soit maintenue d'une manière autogène. A la place de la vapeur d'eau ou en plus de celle-ci, d'autres composés réductibles, contenant de l'oxy- gène, peuvent être fournis à la zone de réaction, par exemple du bioxyde de carbone ou un quelconque de divers oxydes métal..
lioues réductibles, plus particulièrement, des oxydes fer, de cuivre et de zinc* En général, si l'on désire obtenir un pro- duit exempt d'azote, il est avantageux d'effectuer la réaction de gazéification avec un mélange do vapeur d'eau et avec de l'oxygène sensiblement pur comme réactifs gazeux
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Il est désirable d'effectuer la réaction de gazéi- fication dans un réacteur bien calorifugé et de préchauffer les réactifs de préférence à une température supérieure à environ 315 . Certains réactifs, par exemple la vapeur d'eau et du bioxyde de carbone, peuvent être chauffés à une tempé- rature de l'ordre de 650 ou plus, sans difficulté.
D'autres, par exemple de l'oxygène très pur, ne peuvent pas être chauf- fés aussi fortement sans dépense excessive ou sans danger. Il est avantageux que l'oxygène libre soit chauffé à une tempé- rature aussi élevée que'pratiquement possible. Toutefois, il n'est généralement pas possible, industriellement, de préchauf fer de l'oxygène sensiblement pur à une température supérieure à environ 315 à 425 .
Le coinbustible carbonifère solide pulvérulent peut être préchauffé efficacement, avant son introduction dans la zone de génération de gaz ou de réaction en formant' une dis- persion d'un combustible solide pulvérulent dans un véhicule 'ou support gazéiforme approprié, de préférence de la vapeur d'eau, et en préchauffant simultanément à la fois le véhicule gazéiforme et le combustible solide pulvéruelnt en faisant passer la dispersion dans une zone de chauffage, de préférence un serpention hélicoïdal chauffé extérieurement. De cette ma- niére il est pratique de chauffer aisément la vapeur d'eau et le charbon pulvérulent, par exemple à une température de l'or- dre de'315 à 650 .
Il est souvent avantageux d'utiliser une quantité plus grande de vapeur, pour la formation de la. disper- sion, que celle qui est ordinairement nécessaire ou avantageu- se pour la réaction, la vapeur en excès étant séparée du char- bon pulvérulent avant l'introduction du charbon et de la va- peur restante dans la zone de génération.
L'invention a pour but de réaliser un mélange rapide et intime des réactifs d'une manière nouvelle .
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Conformément à l'invention, les particules de com- bustible carbonifère solide finement divisées sont mises en suspension dans un véhicule gazéiforme et la dispersion obte- nue est introduite tangentiellement dans une chambre cylindri- que propre à former un tourbillon et est déchargée axialement hors de cette chambre, sous la forme d'un courant tourbillon- naire, directement dans la zone de réaction. Le gaz contenant l'oxygène libre, de préférence de l'oxygène sensiblement pur, est fourni à la zone de réaction sous la forme d'un courant séparé rejoignant ce courant tourbillonnant à l'endroit où il est introduit dans la zone de réaction.
Le gaz contenant . l'oxygène libre est introduit séparément dans la zone de ré- action sous la forme d'un courant, circulant dans un sens et non obstrué, p&rallèlement à la direction axiale de l'écoule-' ment du courant tourbillonnaire de la dispersion. Quand ce de! nier courant est déchargé dans la zone de réaction, le courant tourbillonnaire de dispersion se disperse en éventail dans la zone de réaction, les particules de combustible solide, qui se déplacent suivant une hélice, sont mélangées très rapidement et entièrement avec les réactifs gazéiformes et, en même temps; tous lesréactifs sont entraînés d'une manière tellement rapide à partir de l'extrémité libre du brûleur que celle-ci est protégée contre la surchauffe .
Un brûleur approprié, qui convient pour la mise en oeuvre de l'invention, comporte une chambre cylindrique pro- pre à forme1un tourbillon et hors de laquelle le courant tour- billonnaire obtenu, formé par des particules de combustible so- lide est déchargé axialement, suivant un courant en ligne droi- te par un conduit dont le diamètre est de préférence plus pe- tit aue celui de la chambre dans laquelle se forme le tourbil- lon, directement dans la zone de réaction.
Le conduit , par %quel ce courant tourbillonnaire de particules est transpor-
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té depuis la chambre dans laquelle le tourbillon est formé dans la zone de réaction, a de préférence un diamètre unifor- me et sa L ngueur correspond, de préférence, à celle d'au moins dix diamètres. Ce conduit peut être évasé à son extré- mité de décharge. Un deuxième conduit, coaxial à celui cité ci-dessus, fournit un courant de gaz contenant de l'oxygène libre à la zone de réaction. Les deux conduits aboutissent dans la zone de réaction de préférence dans un même plan.
Suivant une variante, le conduit intérieur aboutit juste dans le conduit extérieur, de préférence en un point tel que l'an- gle formé entre l'axe des conduits et une droite imaginaire partant de cet axe et touchant les périphéries internes des extrémités libres des deux conduits soit au moins égal à 45 et ne soit pas supérieur à 90 .
Le brûleur décharge, de préférence, les réactifs dans une extrémité d'un réacteur cylindrique ne contenant pas de matières de remplissage ni de catalyseur, la sortie, pour la décharge des produits de réaction, se trouvant à l'extré- mité opposée. De préférence, le réacteur a une surface interne dont l'étendue n'est pas plus grande que 1,5 fois la surface d'une sphère ayant un volume égal. Un réacteur cylindrique, dont la longueur est au moins égale mais n'est pas supérieure à trois fois le diamètre, est préfère, généralement .
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemples, deux modes de réalisation de l'invention .
La figure 1 montre, en élévation (parties en coupe et parties arrachées),un dispositif convenant à la mise en oeuvre de l'invention d'une manière préférée.
La figure 2, semblablement, montre un dispositif établi selon un autremode de réalisation de l'invention.
.La figure 1, montre un réacteur comprenant un réac- teur autoclave cylindrique 1 revêtu d'un calorifugeage 2. A
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un @ @@té du réacteur est établie, suivant son axe, une tuyère d'admiss on 3 munie d'une bride 4 à travers laquelle le brûleur est introduit dans le réacteur. Une bride corres- pondante 7, faisant partie d'une boîte 8, coopère avec la bride 4 pour former un joint étanche eiiire le brûleur et le réacteur autoclave. Les produits de réaction sont déchargés hors du réacteur, à l'extrémité opoosée à celle où se trouve le brûleur, par une tuyère de décharge 6.
Le-réacteur ou le générateur ne contient , de préférence, pas de matières de remplissage, ni de catalyseur .
Du combustible carbonifère solide pulvérulent tel que du charbon ou de la houille, est dispersé ou entraîné dans un véhicule ou support gazéiforme, de préférence de la vapeur d'eau, et introduit par un conduit 20 dans une chambre cyl.in- drique 21 dans laquelle est formé un tourbillon et faisant partie du brûleur. Le courant de particules de charbon est introduit tangentiellement dans la chambre 21. L'introduction tangentielle de la dispersion dans ladite chambre cylindrique
21 provoque un mouvement tourbillonnaire de la dispersion. Les particules de charbon sont projetées vers l'extérieur contre la paroi latérale de la chambre 21 par la force cnetrifuge .
Comme montré sur les dessins, la chambre 21 a la forme d'un sépara- teur centrifuge dénommé souvent "séparateur à cyclone" .
De préférence, le conduit 20, à proximité de la chambre 21 productrice du tourbillon, comporte une transition depuis la section transversale circulaire jusqu'à avoir une forme rectangulaire en section transversale. Pour un exemple spécifique, la transition se fait depuis un conduit à section cicculaire ayant un diamètre de 12,5 mm pour former un conduit ayant une section rectangulaire de 37,5 x 12,5mm. Ce conduit débouche dans la chambre 21, nroductrice du tourbillon, avec son grand coté tangent à la paroi interne de la chambre .
De la vapeur d'eau, sensiblement exempte de particu-
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les de charbon, est prélevée par le conduit 22 qui pénètre dans la chambre 21, productrice du tourbillon, en un point qui se trouve au-delà de celui où le charbon et la vapeur sont introduits par le conduit 20. Un robinet 23 est, de préférence, établi dans le conduit 22 pour régler la quanti- té de vapeur prélevée par ce conduit 22.
Le charben pulvérulent avec au moins une partie de la vapeur sont décharges dans le générateur pendant qu'ils tourbillonnent encore à une vitesse relativement élevée. Le mouvement tourbillonnaire, suivant lequel les particules de charbon sont animées dans la chambre 21 productrice du tour- billon, persiste, sur tout le chemin d'écoulement du charbon pulvérulent dans le générateur .
Comme visible sur la figure1, le courant tourbil- lonnaire des particules de charbon sortant de la chambre 21 est déchargé dans le générateur par le conduit central 11 et le gaz contenant l'oxygène libre traverse le passage annulaire 13 existant entreles conduits 10 et 11.
Gomme montré sur la figure 2, le gaz contenant l'oxygène libre est introduit dans le réacteur par le passage central ou conduit/10' alors que le courant tourbillonnaire du char- bon pulvérulent s'écoule par le conduit 11', entourant le con- duit 10'et est déchargé depuis le passage annulaire 13' dans le générateur. Un serpentin refroidisseur 17 entoure le conduit extérieur pour protéger les conduits ou tuyères du brûleur contre un chauffage excessif. Un 'Liquide refroidis- seur, tel que l'eau, est introduit dans le serpention 17 par le conduit 18 et s'écoule hors de celui-ci par le conduit 19.
Comme montré, les conduits ou tuyères coaxiaux du brûleur aboutissent à un plan commun perpendiculaire à l'axe des tuyères. Comme dit plus haut, la tuyère interne peut aboutir à une courte distance de la tuyère extérieure- Dans
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ce cas, l'extraite de décharge de la tuyère interne doit être située, par rapport à l'extrémité de décharge de la tuyère externe de manière telle qu'une droite partant de l'axe des tuyères et touchant les faces internes des deux tuyères à leurs extrémités de décharge forme avec ledit axe un angle d'au moins 45 . A l'angle limitede 900,- les tuyères aboutissent à un plan commun .
Il est avantageux de donner une vitesse élevée aux particules de charbon pénétrant danx la chambre 21 pro- ductrice du tourbillon. La vitesse du courant de dispersion introduit par le conduit d'admission 20 dans la chambre 21 est au moins égale à 30 mètres/seconde et, de préférence, plus élevée. En général, il est avantageux d'utiliser une chambre productrice de tourbillon ayant le diamètre le plus petit possible en pratique afin au'on obtienne la formation d'un tourbillon maximum. Des vitesses élevées dans la cham- bre productrice de tourbillon provoquent également une pulvé- risation considérable des particules de charbon.
La transition depuis la chambre productrice de tourbillon jusqu'au conduit de décharge est, de préférence, graduelle,. On préfère une section tronconique ayant un angle au sommet ou un angle inclus de l'ordre de 12 à 30 .
Bien que de la vapeur, sensiblement exempte de charbon pulvérulent, puisse être prélevée hors de la chambre productrice du tourbillon par le conduit 22, au moins une partie de la vapeur reste mélangée au charbon pulvérulent dé- chargé par la chambre productrice du tourbillon dans le réac- teur .
Suivant un exemple spécifique, une dispersion con- stituée par des parties égales en poids de vapeurs et de
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charbon pulvérulent est fournie à. un brûleur constitué comme montré sur les dessins, la chambre productrice du tourbillon ayant un diamètre de 100 mm. Jusqu'environ 90% de la vapeur d'eau peuvent être prélèves de cette chambre, cette vapeur étant, en substance, complètement exempte de particules de charbon. La teneur en particules de charbon de la vapeur séparée peut varier entre environ 0,1% en poids quand 10% en poids de la vapeur sont ainsi prélevés et environ 1% en poids quand 90% de la vapeur sont ainsi séparés.
Quand aucun courant de gaz contenant de l'oxygène libre ne s'écoule par le passage adjacent, la dis- persion du charbon dans la. vapeur, sortant par les tuyères du brûleur, forme un cône ayant un angle au sommet de l'ordre de 60 à 100 . A. titre de comparaison, l'angle au sommet correspondant d'un courant analogue déchargé, sans la produc- tion d'un tourbillon, par unconduit rectiligne est inférieur à 10 , REVENDICATIONS .- -----------------
1.- Procédé nour former un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène par la réaction d'uncombustible carbo- nifère solide avec de l'oxygène dans une zone de réaction,
ce procéda consistant à introduire une dispersion dudit com- bustible solide pulvérulent dans un véhicule ou supnort gazé- iforme tangentiellement dans une zone cylindrique dans laquet le est formé un tourbillon et à décharger le courant tourbil- lonnaire formé par ledit combustible solide pulvérulent, en- traîné par ledit véhicule gazéiforme, axialement car rapport à ladite zone productrice du tourbillon et suivant un écou- lement en ligne droite, directement dans ladite zone de réac- tion en mélange avec un courant, s'écoulant axialement,
d'un
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gaz contenant de l'oxygène libre pour obtenir ainsi un mélan- ge intime et une réaction entre le combustible solide pul.vé- rulent et l'oxygène libre .
2.- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel le courant s'écoulant axialement' du gaz contenant de l'oxygè- ne libre entoure ledit courant tourbillonnaire de combustible solide pulvérulent quand lesdits courants sont introduits dans la zone de réaction.
3.- Procédé suivant l'une ou l'autre des revendica- tions 1 et 2, dans lequel la vitesse de tourbillonnement du courant tourbillonnaire quand il est introduit dans ladite zone de réaction est telle que ledit courant, sans écoulement du gaz contenant l'oxygène libre, ait la forme d'un cône dont l'angle au sommet est de l'ordre de 60 à 100 .
4.- Procédé suivant l'une ou lautre des revendica- tions 1 à 3,. dans leouel le courant tourbillonnaire, quand il est déchargé hors de la zone productrice du tourbillon, a un diamètre plus petit que celui de latite zone.
5. - Procédé suivant l'une ou l'autre des revendica- tions 1 à 4, dans lequel on prélève le véhicule gazéiforme, en substance exempt dudit combustible solide à ladite zone productrice de tourbillon .
6.- Procède suivant l'une- ou l'autre des revendica- tions 1 à 5, dans leouel le véhicule gazéiforme est de la vapeur d'eau.
7.- Procédé pour former un mélange monoxyde dr. car- bone et d'hyergène par la. réaction d'un combustible carboui- fère solide avec de l'oxygène dans une zone de réaction, en substance, tel que décrit plus haut.
8.- Mélanges de monoxyde de carbone et d'by@@@@@@@e, lorsqu'il!} sont obtenus par le proc@de suivant l'@@@ ou l'@u- tre des revendications 1 à 7.