CH629886A5 - Procede de combustion d'un combustible carbone. - Google Patents
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Description
La présente invention concerne un procédé de combustion d'un combustible carboné.
Dans les fours classiques formateurs de scories pour produire de la vapeur d'eau et similaires, on introduit dans une zone réactionnelle des combustibles carbonés solides tels que des charbons bitumeux ou semi-bitumeux pulvérisés. On maintient la température de combustion à une valeur égale ou supérieure à la température de fusion des cendres pour transformer la majeure partie des cendres non combustibles présentes dans le combustible en scories fondues. Ces fours sont conçus pour fonctionner à la pression atmosphérique ou à son voisignage et, de ce fait, ils sont relativement très gros et nécessitent l'emploi de structures en céramique pour éviter l'érosion de la chambre de combustion par les produits de combustion à température élevée, ils libèrent des quantités importantes de polluants dans l'atmosphère et leurs applications sont très limitées. La taille relativement importante de ces fours provoque des pertes thermiques relativement élevées, c'est-à-dire une puissance thermique débitée par unité de volume du four trop faible.
Le but de l'invention est de fournir un procédé qui ait un rendement accru, une récupération optimale de l'énergie du combustible et un accroissement de la densité énergétique.
A cet effet, le procédé selon l'invention est caractérisé en qu'on injecte un gaz oxydant et des particules de combustible carboné solide dans une zone de combustion d'une chambre de réaction de façon à produire un débit rotatif dans la chambre assurant la conversion du carbone contenu dans les particules en oxyde de carbone avant que les particules ne quittent la chambre de réaction.
Grâce à ce procédé, on obtient une amélioration des rendements thermiques et volumétriques grâce à un mélange de combustible et de gaz oxydant qui se déplace en hélice à travers un champ à écoulement rotatif conçu pour séparer une majeure partie des cendres et des scories des produits de combustion gazeux par effet centrifuge, sans perte de fractions excessives de combustible non brûlé dans les scories.
Un appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une chambre dont les parois délimitent une zone de réaction, une admission de carburant, une admission de gaz oxydant, un orifice de sortie de la chambre des produits gazeux résultant de la combustion et un dispositif pour introduire le combustible et le gaz oxydant par leurs admissions respectives dans la chambre et pour débiter le mélange carburant-
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oxydant de façon rotative pour engendrer des forces centrifuges projetant le combustible vers les parois de la chambre, l'introduction et le débit rotatif du mélange carburant-oxydant étant réglés de façon à faire réagir tout le combustible avant qu'il ne quitte la zone de réaction par l'orifice de sortie.
L'espace occupé par l'appareil de combustion est faible par rapport à celui des appareils de combustion classiques ayant un débit de puissance thermique équivalent. On peut régler la température dans la zone de réaction de façon que la majeure partie des produits non combustibles présents dans le combustible soit fondue, déposée à l'état liquide sur les parois de la chambre de réaction et éliminée séparément de la zone réactionnelle, et l'on peut ajouter des agents chimiques dans la zone de réaction pour réduire les polluants des gaz d'échappement. Cet appareil est particulièrement conçu pour l'emploi avec des générateurs électriques magnéto-hydrodynamiques. L'appareil peut également équiper des installations productrices d'énergie thermique déjà conçues et construites pour consommer du gaz naturel ou du pétrole et on peut l'utiliser pour la mise en pratique de procédés métallurgiques ou d'autres procédés chimiques tels que le craquage, la pyrolyse de la houille ou la production de gaz à l'air ou de gaz de synthèse.
De préférence, la chambre comporte une entrée de combustible par laquelle on introduit des particules de combustibles liquides ou solides. Dans la plupart des applications, le diamètre des particules de combustible est inférieur à environ 750(/.m. Des combustibles appropriés sont la houille pulvérisée, du schiste pétrolifère finement broyé, des résidus de pétrole et similaires. La chambre comporte une entrée d'oxydant conçue pour introduire dans la zone de combustion un gaz oxydant en courant tourbillonnaire tel que de l'air ou de l'oxygène pur. Une sortie en aval de l'entrée permet d'évacuer de la chambre les produits réactionnels gazeux et les particules fines de scories qui n'ont pas été recueillies sur les parois internes de la chambre.
Les particules de combustible ont pratiquement totalement réagi avant de frapper la paroi intérieure de la chambre. Pour cela, on règle le régime aérobalistique dans la zone de réaction de façon que le temps de combustion des particules soit de manière générale inférieur au temps de déplacement des particules jusqu'à la paroi de la chambre. La combustion en régime aérobalistique permet d'optimaliser le mélange et de modifier le processus de combustion pour s'adapter à des conditions de combustion variables telles que la capture du carbone par les scories, le taux de débit moyen, la nature ou la composition du combustible, le pourcentage d'élimination des scories, le rendement de combustion du carbone et les additifs de la zone de combustion.
Ainsi, l'appareil a une taille nettement plus faible que les brûleurs ayant un débit de puissance thermique équivalent. Egalement,
comme on peut régler le déplacement des particules en cours de combustion, l'appareil convient particulièrement à la production de gaz à l'air ou de gaz de synthèse et à la réalisation des procédés métallurgiques indiqués ci-après.
On introduit de préférence le gaz oxydant dans une chambre cylindrique sous forme de plusieurs courants séparés. On injecte un courant de gaz dans la zone de réaction dans une direction pratiquement parallèle à l'axe longitudinal de la chambre de réaction et un second courant pénètre tangentiellement par rapport à la paroi de la chambre. La régulation des débits massiques et des vitesses des deux courants de gaz et du combustible introduits dans la chambre permet d'établir et de maintenir une combustion des particules de combustible pendant leur déplacement. En particulier, on obtient un écoulement rotatif du mélange d'oxydant et de combustible dans la zone réactionnelle. On entend par écoulement rotatif un écoulement pratiquement purement rotatif ou un écoulement combiné rotatif et en vortex. Ces deux types d'écoulements sont décrits en détail ci-après, mais ils créent tous deux un régime aérobalistique dans lequel une particule en combustion a une durée de séjour dans la zone de réaction nettement supérieure à celle qu'elle aurait dans le cas de l'écoulement en vortex utilisé dans certains brûleurs classiques.
L'appareil et son mode de fonctionnement sont tels que l'on peut éliminer la majeure partie des scories produites par le combustible des produits réactionnels gazeux avant que ces produits quittent la chambre de réaction. En particulier, selon un mode de réalisation préféré, la chambre de réaction comporte un écran arrêtant les scories à l'extrémité de sortie de la zone de combustion. L'écoulement rotatif provoque le transport radial des particules de scories vers les parois de la chambre de réaction au voisinage de l'extrémité aval de la chambre de réaction et l'on maintient les températures de réaction dans la zone de réaction à une valeur telle que la volatilisation des scories soit réduite au minium. Jusqu'à environ 95% des scories se déposent sur les parois et son éliminés de la zone de réaction sous la forme d'un liquide. On règle la séparation à l'état liquide des scories des produits réactionnels gazeux au moins en partie en réglant les débits relatifs de combustible et d'air d'alimentation et par conséquant les températures dans la zone de réaction. De ce fait, les gouttelettes liquides de scories déposées sur les surfaces internes tendent à demeurer à l'état liquide et elles peuvent s'écouler vers la portion inférieure de la chambre de réaction pour en être éliminées par un collecteur de scories ou un autre dispositif approprié pour éliminer et rejeter les scories. De plus, l'emploi d'une chambre réactionnelle métallique refroidie par l'eau favorise la formation d'une couche de scories solidifiée sur la surface interne de la chambre de réaction. Comme la couche de scories solidifiées sur les parois internes a une conductivité thermique relativement faible, elle sert de revêtement protégeant la paroi interne de la chambre et réduisant les pertes de chaleur. Les mécanismes de régulation des débits d'alimentation en combustible et en oxydant ainsi que l'écran antiscories et la chambre réactionnelle refroidie par l'eau réduisent au minimum la concentration des scories volatilisées dans le courant gazeux de sortie et éliminent la majeure partie des scories sous une forme liquide.
Dans les modes de réalisation préférés, on introduit le combustible dans la première zone de réaction sous la forme d'une matière carbonée finement divisée mélangée à un gaz porteur. Le sous-système d'injection du combustible comporte de préférence un dispositif à vanne à aiguille permettant de régler le débit d'entrée du combustible et, comme décrit plus en détail ci-après, de disperser le combustible dans la zone de réaction. Pour des modes opératoires différents, il est souhaitable d'utiliser des configurations différentes de dispersion du combustible dans la zone de réaction. Pour cela, on place la vanne à aiguille en divers emplacements ou on modifie l'angle de pulvérisation selon lequel on injecte le combustible par rapport à l'axe longitudinal de la chambre de réaction. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif à vanne à aiguille comporte une aiguille coaxiale à réglage longitudinal ayant une portion terminale élargie. Une surface pratiquement conique de la portion terminale élargie se comporte comme un déflecteur écartant le combustible d'entrée radialement par rapport au dispositif à vanne à aiguille selon une configuration de dispersion ayant la forme générale d'un cône. Pour régler le débit de combustible, on utilise la combinaison de deux mécanismes. Selon le premier mécanisme, on fait varier le rapport du combustible au gaz porteur par accroissement ou diminution du débit de gaz porteur. Des rapports du solide au gaz compris entre 100:1 et pratiquement la présence de gaz porteur seulement permettent de régler l'admission dans une gamme étendue, sans que la vanne à aiguille comporte des parties mobiles. Selon le second mécanisme, on règle l'entrée d'alimentation en combustible par réglage longitudinal de la vanne à aiguille.
Un mode de réalisation de l'invention est particulièrement conçu et adapté à la production d'énergie électrique magnéto-hydrodynamique. Cet appareil comporte une seconde chambre de réaction située immédiatement en aval de l'écran antiscories de la première chambre de réaction. Ce mode de réalisation comporte un dispositif pour introduire un gaz oxydant additionnel et le mélanger aux produits réactionnels gazeux sortant de la première zone de réaction. Grâce à cette disposition, on peut faire fonctionner la première zone de réaction avec un mélange combustible riche, si bien que les gaz d'échappement contiennent des quantités importantes de
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produits incomplètement brûlés tels que du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Dans la seconde chambre, ces produits subissent une réaction complémentaire produisant de l'énergie thermique additionnelle. Comme environ 90% ou plus des scories ont été éliminés dans la première zone de réaction, on peut permettre à la température, dans la seconde chambre de réaction, d'atteindre des valeurs nettement supérieures à la température de volatilisation des scories, ce qui améliore le rendement thermodynamique et par conséquent la transformation de l'énergie thermique en énergie électrique.
Dans ce mode de réalisation de l'appareil, près de l'extrémité d'entrée de la seconde chambre de réaction, se trouve un dispositif d'entrée de substances réactives permettant d'ajouter des substances réactives additionnelles au courant gazeux à température élevée qui pénètre dans la seconde chambre de réaction. De plus, la seconde chambre de réaction peut comporter des dispositifs pour diminuer ou supprimer la vitesse angulaire élevée des produits réactionnels gazeux. Dans un mode de réalisation préféré, on modifie la vitesse angulaire par injection d'air supplémentaire dans une direction et à une vitesse telles que le moment angulaire de ce gaz oxydant additionnel compense pratiquement et annule le moment angulaire des produits réactionnels sortant de la première zone de réaction. Cette introduction d'un gaz oxydant additionnel dans la seconde chambre de réaction pennet de supprimer le mouvement tourbillon-naire des produits réactionnels gazeux par échange des moments.
On peut utiliser de façon avantageuse le procédé et l'appareil de l'invention pour fondre certains minerais métalliques tels que des oxydes et des sulfures de cuivre, de zinc, de fer, de plomb, de nickel et d'argent. Dans le traitement métallurgique, on règle au départ ou un on prédétermine le débit d'alimentation en combustible à une valeur suffisante pour maintenir le régime de température désiré dans la zone de combustion. Lorsque le débit d'alimentation en combustible est établi, on ajuste l'alimentation en air à la demande pour que le mélange dans la zone réactionnelle soit riche ou pauvre en combustible. Dans de nombreux procédés métallurgiques, on maintient la zone réactionnelle dans la zone stœchiométrique riche en combustible et on obtient ainsi une atmosphère réductrice dans laquelle on peut injecter des concentrés de minerais. On introduit de préférence les minerais métalliques dans la zone de réaction sous la forme d'une poudre finement divisée, soit en mélange avec le combustible solide pulvérisé, soit en mélange avec un gaz porteur, avec injection dans la zone de réaction au moyen d'une vanne à aiguille séparée ou d'un autre dispositif approprié d'injection des substances réactives. Les concentrés de minerais ainsi injectés dans le courant riche en combustible des produits réactionnels gazeux sont réduits par les gaz riches en combustible qui leur sont mélangés et il se forme des gouttelettes de métal fondu dans la portion aval de la masse tournante de produits réactionnels gazeux. Lorsque le système est convenablement réglé, ces gouttelettes métalliques fondues sont soumises à des forces centrifuges lorsqu'elles avancent vers la sortie de la zone de réaction, ce qui les accélère vers les extrémités radiales de la chambre de réaction. Par conséquent, l'écoulement rotatif dans la zone de combustion sépare le métal fondu des produits de combustion gazeux et dépose le métal fondu sur les parois de la chambre de réaction dont on peut les évacuer avec les scories.
Bien que, dans la plupart des procédés métallurgiques, on opère avec un mélange riche en combustible et qu'on maintienne une atmosphère réductrice dans la zone de combustion, l'invention n'est pas limitée à de telles conditions. En particulier, on peut produire du cuivre métallique à partir de sulfures de cuivre tels que la chalcopy-rite et la chalcocite en maintenant l'équilibre stœchiométrique dans la zone de combustion ou en utilisant un gaz qui a une richesse modérée en oxydant.
On peut introduire d'autres substances réactives dans la zone de réaction avec le concentré de minerai, ou séparément, pour effectuer des réactions chimiques particulières désirées dans la zone de réaction. Par exemple, on peut utiliser des additifs pour que les scories soient plus faciles à séparer du produit métallique ou pour favoriser la fixation de produits créés par la combustion qui sont
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susceptibles de polluer l'atmosphère. L'addition de substances réactives choisies associée à la régulation de la température permet d'éliminer les oxydes de soufre (SOx) des produits de combustion gazeux sans utiliser un appareil classique d'épuration des gaz de carneau. Pour régler l'émission de SOx, on peut ajouter au combustible d'alimentation des agents chimiques de traitement tels que des carbonates ou les introduire séparément dans la zone de réaction. On évite la formation d'oxydes d'azote (NOx) polluants pour maintien d'un mélange riche en combustible, si bien que la température n'est pas suffisamment élevée pour qu'il y ait une formation rapide de NOx.
On peut utiliser l'appareil pour brûler des combustibles carbonés et former un gaz à l'air dont on alimente des chaudières classiques à l'huile ou à gaz. Il est souhaitable qu'un tel gaz à l'air ait la teneur la plus élevée possible en monoxyde de carbone. Cela accroît le pouvoir calorifique et rend ainsi maximale la valeur économique. Bien qu'une certaine quantité d'eau puisse être entraînée dans la zone de réaction par la houille et l'air, il peut être indésirable d'ajouter de l'eau ou de la vapeur d'eau dans la zone de réaction, car cela diminuerait la quantité de monoxyde de carbone produite. Il est cependant souhaitable d'injecter des substances chimiques appropriées dans la zone de réaction pour éliminer les SOx. Pendant les périodes de manque de pétrole et de gaz, on peut ainsi utiliser l'appareil pour former un combustible propre pouvant remplacer le pétrole et le gaz naturel.
On peut, pour produire un gaz de synthèse, utiliser de l'oxygène pur au lieu de l'air pendant le processus de combustion et injecter une quantité de vapeur d'eau conduisant aux taux désirés de monoxyde de carbone et d'hydrogène dans le gaz de synthèse. On utilise de l'oxygène au lieu de l'air pour éliminer l'azote qui est un diluant et,
dans de nombreux cas, un composant indésirable du gaz de synthèse. Comme l'appareil permet la combustion propre de la houille avec élimination des SOx et des scories des gaz d'échappement, on peut obtenir un gaz de synthèse avec un coût réduit par rapport aux techniques classiques.
On peut utiliser l'appareil pour produire des gaz d'échappement à température élevée que l'on utilise pour le traitement de matières carbonées telles que la houille, le schiste ou le pétrole. Un traitement de ces matières carbonées comporte un ou premier stade constitué par l'appareil et un ou plusieurs stades qui lui sont couplés. On introduit les matières carbonées dans un ou plusieurs de ces stades d'aval et on introduit les gaz d'échappement du premier ou du second stade dans le ou les stades suivants pour qu'ils apportent de la chaleur permettant le traitement des matières carbonées. On sépare les solides des composants gazeux quittant les stades finals du système et on recueille les hydrocarbures volatils. Dans le traitement de la houille, les gaz chauds volatilisent l'eau et les hydrocarbures de la houille. On recueille les hydrocarbures utiles et le transport du produit de carbonisation restant, qui est plus léger, est plus économique que le transport de la houille non traitée. Par exemple, la houille contient jusqu'à 20% en poids d'eau. Le coût du traitement de la houille avec l'appareil de l'invention est avantageux par rapport au coût du transport d'une houille contenant des quantités aussi élevées d'eau. Lorsqu'on soumet un schiste à un traitement thermique à la cornue, le kérosène du schiste se décompose en pétrole et on volatilise le pétrole pour le séparer des matières minérales solides du schiste. On soumet le pétrole à un craquage éclair selon lequel on injecte un courant d'alimentation de pétrole dans les stades d'aval du système pour le chauffer rapidement. Le pétrole se décompose en hydrocarbures plus légers que l'on sépare des produits de combustion gazeux inertes.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit à titre d'exemple et à l'examen des dessins annexés dans lequels:
— la fig 1 est un diagramme schématique d'un appareil selon l'invention,
— les fig 2a à 2d sont des vues en perspective de l'écoulement rotatif en hélice réalisé dans l'appareil de la fig 1,
— les fig 3 à 6 sont des graphiques montrant les caractéristiques
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de différents types d'écoulements de fluide à grande vitesse et du mouvement des particules dans un environnement rotatif de fluide,
— la fig 7 est une perspective partiellement en coupe d'un appareil selon l'invention,
— la fig 8 est une vue latérale partiellement en coupe de l'appareil de la fig 7,
— les fig 9 à 12 sont des coupes effectuées respectivement selon les plans 9-9,10-10,11-11, et 12-12 de la fig 8,
— la fig 13 est un diagramme schématique d'un appareil de transport de substances réactives en phase dense,
— la fig 14 est une vue latérale partiellement en coupe d'une portion de l'appareil de la fig 13,
— les fig 15 et 16 sont des vues latérales partiellement en coupe d'un autre mode de réalisation d'une portion de l'appareil illustré par les fig 7 et 8,
— la fig 17 est une coupe longitudinale d'une chambre de réaction convenant aux applications à haute pression,
— la fig 18 est une coupe selon le plan 18-18 de la fig 17,
— la fig 19 est une vue en coupe partielle montrant les détails de la structure illustrée par la fig 17,
— la fig 20 est un diagramme de fonctionnement illustrant l'emploi de l'appareil pour produire du gaz à l'air ou du gaz de synthèse,
— la fig 21 est un diagramme de fonctionnement illustrant l'emploi de l'appareil pour pyrolyser la houille, traiter le schiste à la cornue ou effectuer le craquage thermique de l'huile.
Il est utile d'examiner tout d'abord le schéma simplifié de l'appareil 10 illustré par la fig 1. L'appareil 10 comporte une chambre de réaction 21 qui est un cyclindre métallique symétrique par rapport à l'axe longitudinal Z et qui délimite une zone de réaction cylindrique 22. Une extrémité d'entrée 23 permet l'entrée d'air primaire ou longitudinal dans la zone de réaction 22 selon des lignes parallèles à l'axe. En aval de l'extrémité 23, une canalisation d'injection 24 permet d'introduire de l'air secondaire tangentiellement dans la zone de réaction 22. Une vanne à aiguille 25 pour l'injection du combustible est alignée en position coaxiale dans la chambre 21 à l'extrémité d'entrée 23 et comporte une aiguille 27 conçue pour être réglée longitudinalement dans le tube 29 d'entrée de carburant par lequel le combustible s'écoule dans la chambre de réaction. L'aiguille 27 a une extrémité terminale évasée 31 qui dévie le combustible radialement pour l'éloigner de l'axe longitudinal selon une enveloppe de dispersion en forme de cloche 41. Lorsque l'aiguille est déplacée vers la gauche, comme le montre la fig 1, la surface évasée de l'extrémité terminale 31 se déplace vers un siège 33 à l'extrémité du tube 29, ce qui réduit progressivement le débit d'écoulement du combustible dans la zone de réaction 22. De la sorte, la vanne à aiguille 25 permet la régulation du débit massique d'alimentation en combustible. A son extrémité droite, la chambre de réaction 21 comporte un écran 35 ayant une ouverture centrale 37 à travers laquelle les produits réactionnels gazeux formés dans la zone de réaction 22 sortent de la chambre. L'écran 35 sépare les matières en particules et les gouttelettes de scories des produits réactionnels gazeux, si bien que le courant traversant l'ouverture 37 est relativement dépourvu de scories liquides et de particules solides.
Comme le montrent les fig 2a à 2c, l'air primaire pénétrant dans la zone de réaction 22, selon une disposition annulaire créée par la vanne à aiguille 25, est intercepté par l'air secondaire qui pénètre dans la zone de réaction par la canalisation 24. Le combustible carboné, qui est par exemple de la houille pulvérisée, est introduit dans la chambre de réaction 21 sous la forme d'un mélange en phase dense avec un gaz porteur tel que l'azote (N2), de l'air comprimé ou un combustible gazeux. Le courant d'air secondaire 47 injecté tangentiellement se mélange intimement au combustible et à l'air primaire et accélère les particules de combustible solides selon les principes d'écoulement des fluides étudiés plus en détail ci-après. Comme le montre la fig 2d, le mélange des particules de combustible en cours de combustion et des produits réactionnels gazeux à température élevée se déplace selon un trajet hélicoïdal 49 vers l'extrémité d'aval de la zone de réaction 22, où les produits réactionnels gazeux sont forcés vers l'intérieur par l'écran 35 et sortent de la chambre 21 par l'ouverture 37. Lorsque les produits réactionnels sont forcés vers l'intérieur par l'écran 35, la vitesse angulaire s'accroît fortement dans la région très voisine de l'écran, si bien que les gouttelettes de scories sont séparées par centrifugation du courant gazeux et se déposent pour la plupart sur les parois de la chambre et sur la surface intérieure de l'écran 35.
Les particules entraînées dans l'enveloppe de dispersion en forme de cloche 41 se déplacent longitudinalement dans la chambre à une vitesse moyenne déterminée par les débits massiques combinés de l'air et du combustible. Les petites particules tendent à être entraînées par le courant mélangé, tandis que les particules plus grosses tendent à suivre des trajectoires déterminées en partie par leurs vecteurs de vitesse d'origine. Bien que les grosses particules soient accélérées par les gaz en rotation rapide, elles sont moins accélérées que les petites. Donc, comme le montre la fig 1, la ligne 43 représente la limite extérieure des trajectoires hélicoïdales des particules de combustible relativement grosses, par exemple des particules ayant des diamètres d'environ 100(*m. En pratique, ces grosses particules ne suivent pas la ligne 43, mais se déplacent selon un trajet hélicoïdal autour de l'axe longitudinal dans l'enveloppe 41 dont la limite extérieure est indiquée par la ligne 43. De façon semblable, les particules relativement petites, par exemple les particules de houille ayant un diamètre d'environ 10[/., se déplacent selon des trajets hélicoïdaux dans l'enveloppe 41 dont la limite intérieure est indiquée par la ligne 45. Donc, pratiquement toutes les particules ayant une taille comprise dans la gamme d'environ 10 à environ lOOji suivent des trajets hélicoïdaux dans l'enveloppe 41 entre les lignes 43 et 45. Le mélange du combustible et des deux courants d'air s'accompagne d'un échange de moments et de la formation d'un courant mélangé qui se développe selon une hélice pratiquement cylindrique sur la longueur de la chambre. Pour des raisons qui seront mieux comprises ci-après, il est souhaitable de maintenir un champ d'écoulement rotatif ou un champ d'écoulement combiné rotatif et en vortex dans la majeure partie de la zone de réaction 22.
L'enveloppe de dispersion en forme de cloche 41 illustrée par la fig. 1 correspond à des vitesses d'écoulement de 49 m/s pour l'air secondaire, d'environ 15 m/s pour l'air primaire à direction longitudinale et d'environ 3 à 15 m/s pour le gaz porteur injecté et le mélange combustible.
En choisissant les relations optimales entre la vitesse de Pair secondaire, la vitesse de l'air primaire, la vitesse d'admission du combustible et la direction du combustible, on peut ajuster la forme de l'enveloppe 41 dans une gamme étendue. Ce choix dépend du combustible particulier utilisé et des autres caractéristiques désirées dans un procédé déterminé.
Dans certains cas, il est souhaitable d'opérer dans un environnement riche en combustible, c'est-à-dire dans une atmosphère réductrice. Par exemple, il est souhaitable d'opérer dans un environnement riche en combustible pour abaisser les températures de réaction et limiter la formation des scories comme indiqué ci-après.
Pour obtenir un réacteur relativement compact, il est nécessaire que les particules de combustible soient relativement petites. En général les particules de combustibles doivent avoir un diamètre inférieur à environ 750 (xm et de préférence inférieur à environ 75um. Ces petites particules brûlent en quelques millisecondes. Le présent réacteur est conçu de telle sorte que le tourbillon de gaz crée une force centrifuge suffisante pour que les particules se déplacent vers la paroi intérieure de la chambre, mais soient essentiellement toutes entièrement brûlées avant de frapper la paroi de la chambre. Par exemple, une particule ayant un diamètre de 75(jtm brûle en environ 60 ms. L'environnement aérobalistique dans lequel on injecte cette particule est de préférence réglé de façon que les forces agissant sur la particule ne la conduisent pas à la paroi avant la combustion complète.
On sait que, de façon générale, les petites particules sont plus influencées par les forces aérodynamiques de traînée que les particu5
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les plus grosses. Par exemple, lorsqu'une petite particule pénètre dans le tourbillon gazeux de la zone de réaction, le gaz oxydant entraînant la particule crée une force de traînée qui modifie presque instantanément la vitesse et la direction de la petite particule, si bien qu'elles coïncident avec la vitesse et la direction du tourbillon gazeux. Au contraire, l'inertie d'une particule très grosse tend à lui faire conserver la vitesse et la direction qu'elle possédait en pénétrant dans le tourbillon de gaz. Dans le cas des petites particules, presque toutes atteignent la vitesse du tourbillon de gaz quelques millisecondes après avoir pénétré dans la zone de réaction.
Lorsque ces particules tourbillonnent dans les gaz, il se crée une force centrifuge qui est directement proportionnelle à la masse de la particule et à la vitesse angulaire de la particule. Les grosses particules subissent des forces centrifuges supérieures à celles des petites particules et l'effet de la force de traînée est moindre. Par conséquent, les grosses particules tendent à se déplacer plus rapidement vers la paroi extérieure que les particules plus petites. On peut, en réglant la vitesse tangentielle des gaz en tourbillon, régler la force centrifuge et la force de traînée agissant sur les particules. On peut ainsi choisir la vitesse tangentielle appropriée des gaz en tourbillon pour que les grosses particules soient brûlées avant de frapper la paroi de la chambre de réaction. L'interaction des gaz d'alimentation permet de modifier les forces centrifuges et les forces de traînée qui s'exercent sur les particules. En réglant le rapport des débits massiques des courants gazeux tangentiel et longitudinal, on peut faire en sorte que pratiquement toutes les particules brûlent avant de frapper la paroi de la chambre. De plus, plus l'écoulement des gaz dans la zone de réaction est rotatif, plus le temps de déplacement des particules dans la chambre est élevé.
Lorsqu'on conçoit la chambre de réaction, il est souhaitable de retenir au maximum les scories dans cette chambre. Comme les petites particules ne se déplacent pas vers la paroi aussi rapidement que les grosses, de très petites particules sortent par l'ouverture de la chambre et il se produit également toujours une certaine perte de très petites gouttelettes de scories. Cependant on choisit la longueur et la taille de l'ouverture de façon qu'au moins environ 90 à 95% des scories soient retenus dans la chambre.
On prend soin de ne pas injecter les particules de combustible à une vitesse si élevée que le moment des particules les entraîne sur la paroi de la chambre avant la combustion. En d'autres termes, la vitesse des particules de combustible doit être suffisamment inférieure à la vitesse des gaz en tourbillon pour que les gaz agissent sur les particules entrantes et les entraînent dans le tourbillon pendant un temps suffisant pour assurer une combustion complète.
Pour bien comprendre les caractéristiques de l'écoulement rotatif utilisé, il est nécessaire d'envisager en détail l'écoulement de gaz et les forces créées par les gaz qui s'exercent sur les particules.
Il existe deux types d'écoulements de gaz dans le tourbillon de gaz de la zone de réaction: un écoulement en vortex et un écoulement rotatif. Dans un écoulement en vortex théorique pur, la vitesse tangentielle diminue en fonction de la position radiale. En d'autres termes, la vitesse tangentielle maximale est voisine du centre du champ d'écoulement rotatif. Du point de vue mathématique, l'écoulement en vortex est caractérisé par l'expression:
où Vt = vitesse tangentielle,
R0 = rayon de la chambre,
R = position de référence sur le rayon, et
V0 = vitesse tangentielle à l'extrémité extérieure du rayon.
Un écoulement en vortex théorique pur est illustré par la fig 3 où la courbe 51 représente la vitesse tangentielle en mètres/seconde sur l'axe des ordonnées en fonction de la distance radiale exprimée en centimètres sur l'axe des abscisses par rapport à l'axe de rotation dans un champ d'écoulement en vortex. Comme le montre la courte 51, la vitesse tangentielle s'accroît de façon exponentielle lorsque la position radiale diminue et, si l'on maintient un écoulement en vortex pur, elle est extrêmement élevée au voisinage de l'axe.
Dans l'écoulement rotatif, la totalité de la masse de fluide tourne comme un corps solide. Ce type d'écoulement constitue l'écoulement rotatif pur. Du point de vue mathématique, l'écoulement rotatif pur est caractérisé par l'expression:
Vt~Rco où V, = vitesse tangentielle
R = position de référence dans la direction radiale, et a) = vitesse angulaire à la position R.
Donc, dans l'écoulement rotatif, la vitesse tangentielle du gaz, pour une position radiale donnée quelconque R, est directement proportionnelle à la position radiale par rapport à l'axe de rotation. Cela correspond à la caractéristique d'un corps solide en rotation dont les composants sont en relation mutuelle fixe. La vitesse angulaire a est la même pour toutes les positions radiales. Donc, dans l'écoulement rotatif pur, co est constant pour tous les points (toutes les positions) de la même section, la vitesse tangentielle étant maximale pour l'extrémité externe du rayon, contrairement au cas d'un écoulement en vortex pur où la vitesse tangentielle maximale est voisine de l'axe. La fig. 4 représente la courbe 53 de la relation entre la vitesse tangentielle en mètres/seconde sur l'axe des ordonnées et la distance radiale (abscisses) exprimée en centimètres par rapport à l'axe de rotation Z.
Lorsqu'on mélange l'air axial à l'air tangentiel, on peut régler le courant de gaz dans la zone de réaction 22 de façon qu'il corresponde pratiquement au profil de vitesse illustré par la courbe 55 de la fig. 5, où la vitesse est représentée en mètres/seconde sur l'axe des ordonnées et la distance radiale exprimée en centimètres est représentée en abscisses. Cette courbe est caractéristique du régime d'écoulement dans la zone de réaction 22. La portion 56 de la courbe correspond à la région où la vitesse s'accroît de façon pratiquement linéaire par rapport à la distance radiale de l'axe de rotation et correspond à l'écoulement rotatif pur. La portion 57 de la courbe correspond à la portion du champ d'écoulement plus proche de l'écoulement en vortex pur. Dans cet écoulement combiné rotatif et en vortex, la vitesse tangentielle au voisinage de l'axe s'accroît de façon pratiquement linéaire avec la distance par rapport à l'axe, jusqu'à une vitesse maximale à une distance qui est pratiquement égale au rayon de l'ouverture 37 de l'écran. Au-delà de ce point, la vitesse varie approximativement inversement avec la distance à l'axe, cette variation tendant à correspondre à la variation observée dans l'écoulement en vortex précédemment étudié et illustré par la fig. 3. Donc, le champ d'écoulement est constitué d'un écoulement rotatif pratiquement pur dans une région centrale de la zone de combustion avec une portion de transition indiquée en a dans les fig. 3 et 4 et un écoulement correspondant pratiquement à un écoulement en vortex dans une portion extérieure du champ d'écoulement.
On peut accroître considérablement le temps de déplacement des grosses particules par réduction au minimum de la vitesse tangentielle des gaz précédemment rencontrés dans leur déplacement à travers la chambre. Il est donc souhaitable que la région centrale comprise entre R = 0 et R = a ait un diamètre aussi grand qu'il est possible en pratique. Le diamètre de la région centrale d'écoulement rotatif varie avec la longueur de la chambre et, vers l'extrémité d'aval, il tend à être environ égal au rayon de l'ouverture 37 de l'écran. Dans les portions d'amont de la zone de combustion, on peut rendre maximal le rayon a de la région centrale d'écoulement rotatif par modification et régulation des vitesses, des débits massiques et du mode d'injection de combustible pour que cette région centrale soit aussi importante que le permet la fixation des scories.
La régulation des vitesses et des débits massiques du combustible et des deux courants d'air d'alimentation permet de régler le transfert de moments entre les courants d'air axial et tangentiel et le combustible, si bien que le champ d'écoulement dans la zone réactionnelle 22 correspond à l'écoulement mixte rotatif et en vortex illustré par la fig. 5 et qu'on obtient des temps de déplacement importants des particules.
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Sur la fig. 5 est représentée en ordonnées la vitesse (en mètres/ seconde) en fonction de la distance radiale portée en abscisses, et exprimée en centimètres.
De ce fait, dans une chambre ayant un diamètre aussi faible que 45 cm, on obtient des temps de déplacement des grosses particules de l'odre de 30 à 70 ms. On exploite cette régulation aérobalistique de la réaction chimique pendant le déplacement libre pour réduire au minimum les pertes de combustible non brûlé dans les scories et limiter la quantité de scories quittant la chambre de réaction par l'ouverture 37. On peut également accroître ces résultats par injection du combustible avec une vitesse inférieure à celle du courant tangentiel de gaz oxydant d'entrée en faisant en sorte que le combustible intercepte les portions du courant de gaz oxydant qui tendent vers les vitesses angulaires élevées.
La différence significative entre les deux types d'écoulements est la durée de séjour des particules dans la zone de réaction 22. Pour des particules semblables injectées à la même distance radiale dans les deux types d'écoulements, la durée de séjour est bien supérieure dans le cas de l'écoulement rotatif que dans l'écoulement en vortex. Donc pour accroître le temps de déplacement, on préfère opérer dans des conditions favorisant l'établissement d'un écoulement rotatif dans la zone de réaction 22. Cela constitue une caractéristique très importante du présent procédé qui permet d'obtenir un accroissement des densités énergétiques. Par exemple un appareil de gazéification classique Lurgi fonctionne sous une pression de 20 bar à une densité énergétique de0,16kgde houille/h/dm3 de chambre de réaction. L'appareil de l'invention, lorsqu'il fonctionne sous la même pression, a une densité énergétique de 12,2 kg de houille/h/dm3 de chambre de réaction.
Les avantages du maintien d'un écoulement essentiellement rotatif dans l'appareil de l'invention seront mieux appréciés après l'examen des caractéristiques aérodynamiques des particules entraînées dans les gaz en tourbillon. L'objectif primaire est de mettre en suspension les grosses particules pendant un temps de déplacemt suffisamment long pour qu'elles aient pratiquement complètement réagi et soient réduites en gouttelettes de scories avant de frapper les parois de la chambre de réaction. L'appareil et son fonctionnement sont conçus de façon à réduire au minimum l'accélération radiale des particules non brûlées et partiellement brûlées, tout en assurant que la plupart des gouttelettes de scories atteignent les parois. L'étude des particules dans la zone de réaction permet de comprendre comment on atteint ce résultat.
Considérons une particule entrant dans la zone de réaction. Au départ, seules les forces de traînée agissent sur cette particule. Si l'on considère que la particule est sphérique, la force de traînée (F,j) correspond à la formule:
CdPgDp2 (Vg — Vp)2
où Cd = coefficient de traînée,
Pg = densité du gaz,
Dp = diamètre de la particule,
Vg = vitesse du gaz,
Vp = vitesse de la particule,
g = accélération de la pesanteur.
Cependant les petites particules, comme elles sont légères, c'est-à-dire ont une faible masse, sont plus affectées par la force de tramée qu'exercent sur elles les gaz en tourbillon que les particules plus grosses, et par conséquent plus lourdes. Comme toutes les particules utilisées sont relativement petites, la plupart d'entre elles, en raison des forces de traînée qui s'exercent sur elles, atteignent presque instantanément la même vitesse dans le tourbillon de gaz.
Lorsque les particules tournent, la force centrifuge (Fc) s'exerce sur elles. On peut déterminer la force centrifugue à partir de la formule élémentaire de physique:
Fc = MR«2
où M = masse de la particule,
R = position radiale de la particule, et co = vitesse angulaire de la particule.
A partir de cette équation, on voit que plus la masse de la particule est élevée, plus la force centrifuge qui la chasse vers la paroi intérieure de la chambre est élevée. On règle la vitesse angulaire de telle sorte que la force centrifuge ne soit pas suffisamment élevée pour que la vitesse conférée aux particules les entraîne sur la paroi de la chambre avant la combustion complète. Dans un écoulement en vortex, où des vitesses élevées existent au voisinage du centre de la chambre, toute particule de combustible injectée dans le courant en rotation est soumise au départ à une force centrifuge importante et donc accélérée rapidement dans la direction radiale. D'autre part, dans l'écoulement rotatif, dans des conditions d'injection identiques, la même particule subit une force centrifuge relativement faible, et par conséquent une accélération initiale faible dans la direcction radiale. Comme la force de traînée commande essentiellement le mouvement des très petites particules, ces particules tendent à demeurer dans la même position dans les gaz lorsqu'elles sont mises en rotation et ne se déplacent que lentement vers la paroi de la chambre. dv0
L'accélération tangentielle d'une particule
dt est fournie par l'expression:
dVp _ 18, d/Vg —Vp\
dt ppDp2 V dt /
On notera que l'accélération des particules est inversement proportionnelle au carré de leur diamètre. Donc, les petites particules atteignent la même vitesse que le gaz en tourbillon plus rapidement que les grosses particules, et ne tendent pas à se déplacer par rapport au gaz environnant au même degré que les grosses particules qui tendent à se déplacer dans des environnements gazeux différents au cours de leur parcours et sont ainsi, de façon continue, nettoyées par des gaz oxydants frais. Cela empêche la formation d'une enveloppe de produits réactionnels autour des grosses particules et accroît fortement la combustion des grosses particules. L'importance pratique de l'obtention de ces avantages dépend en partie du degré selon lequel le champ d'écoulement ressemble à un écoulement rotatif pur.
La fig. 6 illustre le comportement d'une particule de taille donnée dans trois champs d'écoulement différents. On étudie la position radiale (en ordonnées; la valeur 9 correspondant à la paroi de la chambre) d'une particule de 75 |im de diamètre, dans une chambre ayant un diamètre nominal de 46 cm, dans trois conditions différentes, le temps exprimé en millisecondes étant représenté en abscisses. La courbe A montre que, dans l'écoulement en vortex pur, les particules atteignent la paroi de la chambre en environ 10 ms. La courbe B montre que, dans un écoulement mixte rotatif et en vortex, la particule atteint la paroi en environ 30 ms. La courbe C montre que, dans un écoulement rotatif pur, la particule atteint la paroi en plus de 70 ms. Comme le temps de combustion de cette particule est supérieur à 10 ms, l'écoulement en vortex pur ne permet pas d'obtenir le résultat désiré. Lorsque le champ d'écoulement se rapproche de l'écoulement rotatif pur, on peut brûler des particules plus grosses dans une chambre de cette taille. On pourrait accroître la taille de la chambre pour obtenir la combustion en cours de déplacement des particules dans un écoulement en vortex, mais cet accroissement constituerait un inconvénient économique réduisant la densité énergétique et le rendement.
La combustion en cours de déplacement que l'on obtient comme précédemment décrit permet d'obtenir un rendement thermique relativement élevé, car elle évite la combustion sur la paroi, la perte correspondante de carbone dans les scories et une perte excessive de chaleur par les parois. De plus, la combustion sur la paroi nécessiterait que l'oxydant atteigne la paroi et que, par conséquent, on utilise un excès d'air, ce qui empêcherait pratiquement le maintien d'une
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atmosphère réductrice dans les régions extérieures à la zone de réaction 22. De plus, l'accroissement de la durée de séjour pour un diamètre donné de la chambre et l'accroissement du nettoyage en cours de déplacement des grosses particules permettent d'obtenir des densités énergétiques relativement élevées. Comme l'appareil de l'invention permet de rendre maximale la vitesse relative entre les gaz tournants et les grosses particules, la combustion des grosses particules est accrue, si bien que l'on peut utiliser dans la zone de réaction un mélange riche en combustible sans dépôt excessif de particules non brûlées sur les parois.
La possibilité d'opérer dans un environnement riche en combustible permet de maintenir les températures opératoires de la zone de réaction à des valeurs évitant une volatilisation excessive des scories. Donc, dans l'appareil de l'invention, on peut éliminer sous la forme d'un liquide 90% ou plus des scories apportées par le combustible d'alimentation avant que les produits gazeux de réaction quittent la chambre.
Les fig. 7 et 8 illustrent un mode de réalisation de l'appareil convenant à la combustion de houille pulvérisée pour produire un courant de plasma à température élevée, pour l'entraînement des générateurs électriques magnéto-hydrodynamiques. En plus des composants précédemment décrits relativement à la fig. 1, l'appareil comporte un distributeur d'oxydant 61 à travers lequel l'air d'une source 65 passe d'une canalisation d'air secondaire 24 à un orifice d'injection 59, pour pénétrer tangentiellement dans la zone de réaction 22.
Comme le montre mieux la fig. 8, une vanne à aiguille 25 est alimentée en combustible à partir d'une source de combustible 63 et le combustible traverse le tube d'entrée 29 pour être dévié radiale-ment vers l'extérieur à l'extrémité terminale 31 de l'aiguille. L'aiguille porte une bague filetée 28 qui peut tourner dans un alésage à filetage intérieur pour permettre le réglage longitudinal.
La source de combustible 63 est de préférence un appareil séparé de mélange du combustible et de transport en phase dense illustré par les fig. 13 et 14 et décrit plus en détail ci-après. Le rôle essentiel de la source 63 est de fournir de la houille pulvérisée entraînée dans un courant de fluide-support, le rapport de la masse de la houille au fluide pouvant être ajusté dans une gamme de 0:1 à 100:1. Le courant entraîné de houille pulvérisée mélangé au fluide porteur a des caractéristiques d'écoulement semblables à celles d'un fluide visqueux et, lorsque le courant entraîné est dispersé par la vanne à aiguille 25, la houille finement divisée est pulvérisée selon l'enveloppe de dispersion en forme de cloche 41 de la fig. 1.
Dans les fig. 7 et 8, de l'air comprimé à température élevée, provenant d'une source d'oxydant 65, est introduit par le distributeur 61 pour former un premier, un deuxième et un troisième courant d'air alimentant l'appareil. Le distributeur 61 comporte une canalisation principale 66 réunie à la source 65 et qui est pratiquement parallèle à l'axe longitudinal de la chambre de combustion 21 et une première branche 67 perpendiculaire dirigée vers la chambre 21 et alimentant en air primaire à pression élevée une chambre 69 à partir de laquelle il traverse un dispositif de redressement de l'écoulement à ouvertures multiples 70. Cet air primaire pénètre dans la zone de réaction 22 selon une direction pratiquement parallèle à l'axe longitudinal de la chasse 21 à travers l'espace annulaire entourant la vanne à aiguille 25. Dans la chambre 69, l'expansion volumétrique ralentit la vitesse de l'air qui est dirigé par les parois de la chambre pour s'écouler à travers le dispositif 70 de redressement de l'écoulement. Comme le montrent mieux les fig. 8 et 9, le dispositif 70 est un ensemble fixe d'ailettes en carbure de silicium formant de nombreuses ouvertures à travers lesquelles le courant d'air primaire passe. Sinon les ailettes peuvent être constitués d'Inconel 800 ou d'un autre alliage résistant à la corrosion et aux températures élevées convenant à l'obtention d'une structure entièrement métallique. Dans ce cas, on peut refroidir les ailettes par l'eau selon des techniques classiques.
L'alimentation en air secondaire est réalisée à partir de la source 65 par la canalisation principale d'air 66 et la branche 24 qui conduit à l'orifice d'injection d'air à disposition tangentielle, avec une vitesse suffisante pour créer dans la zone de réaction 22 un mélange tournant constitué de particules de combustible, d'air primaire et d'air secondaire. Pour maintenir l'écoulement rotatif dans la zone de réaction et obtenir la régulation des températures de réaction, il est souhaitable d'ajuster les débits relatifs de l'air primaire et de l'air secondaire et le débit massique d'air par rapport à l'alimention en combustible. Pour obtenir cette régulation des paramètres, on peut utiliser des vannes classiques pour fluides (non représentées) dans les canalisations d'air 67 et 24 pour obtenir des débits massiques choisis ou réglés en continu. Selon un mode de réalisation, on utilise des dispositifs à venturi en céramique (Zerconia) disposés dans les canalisations 24 et 67 pour limiter les débits massiques, si bien que la somme et le rapport des deux débits massiques sont prédéterminés.
Il est également très important que pratiquement la totalité des scories du combustible se dépose sur les parois de la chambre de combustion. Pour obtenir la séparation optimale des scories et des produits réactionnels gazeux, on établit et on maintient un champ d'écoulement rotatif dans la zone de réaction 22 et, également, on règle la température de réaction de façon à réduire au minimum la volatilisation des scories. Pour obtenir la régulation de la température, on règle la température des courants d'air d'alimentation et on modifie sélectivement le rapport de l'air au combustible de façon à maintenir dans la zone de réaction un mélange riche en combustible. Comme on effectue la combustion d'un mélange riche en combustible, une portion importante du carbone contenu dans la houille quitte la zone de réaction 22 sous forme de monoxyde de carbone, ce qui limite la production d'énergie thermique dans la zone de réaction et par conséquent la température opératoire dans la chambre de réaction 21. La régulation de la température associée à la propulsion centrifuge des particules de scories vers les parois de la chambre 21 permet d'éliminer plus de 90% des scories du courant des produits réactionnels gazeux avant que ces produits quittent la zone de réaction par l'ouverture centrale 37 de l'écran 35.
Si la surface intérieure 71 de la chambre de combustion 21 était recouverte d'une matière céramique réfractaire, les effets de l'érosion des scories, de l'écoulement à vitesse élevée et de la combustion des particules de combustible dans la zone de réaction tendraient à arracher le réfractaire des parois de la chambre, ce qui provoquerait une attaque de la surface métallique interne 71 de la chambre. Pour éviter cette difficulté, on forme une couche protectrice de scories solidifiées sur la surface 71, ce qui limite l'attaque ultérieure. Pour cela, on dispose, sur la surface 71 intérieure de la chambre 21, des canalisations métalliques réfrigérantes 73. Les canalisations 73 forment un revêtement refroidi par l'eau dans la chambre de réaction 21 qui retient et solidifie suffisamment les scories pour former une couche protectrice de scories ayant une conductivité thermique relativement faible. On utilise des dispositifs classiques pour alimenter les canalisations 73 en liquide réfrigérant, par exemple les tubulures 74 et 75.
Comme le montrent mieux les fig. 7, 8 et 10, l'écran 35 est une plaque annulaire comportant un enroulement double d'une canalisation 77 de réfrigérant disposé à sa surface et qui est placée pratiquement perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'extrémité d'aval de la chambre 21. Un des rôles de l'écran 35 est d'arrêter les gouttelettes de scories qui n'ont pas atteint les parois de la chambre 21 et de réduire ainsi à un minimum la teneur en scories et en cendres des produits réactionnels gazeux quittant la chambre. De plus, le courant tournant de produits réactionnels gazeux arrivant à l'extrémité d'aval de la chambre est forcé par l'écran 35 à se déplacer radialement vers l'axe en direction de l'ouverture 37. Lorsque le courant de gaz tournant à grande vitesse est forcé vers l'axe, la vitesse angulaire s'accroît d'un facteur de 3 à 4 ou plus. Cet accroissement important des forces centrifuges provoque une élimination pratiquement totale des scories du combustible, les scories étant séparées par la force centrifuge des produits réactionnels gazeux et déposées sous la forme d'une couche de scories liquides sur la surface interne 71 de la chambre de combustion et sur l'écran 35.
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Les scories liquides s'écoulent sous l'effet de la pesanteur vers le bas de la chambre de réaction à travers l'orifice de scories 78 pour être conduites dans un collecteur de scories 79 situé en dessous de la chambre. Comme le montrent mieux les fig. 8 et 10, la section courte de la canalisation cylindrique délimitant l'orifice d'évacuation des scories 78 est refroidie par de l'eau de refroidissement s'écoulant à travers une chemise d'eau classique comportant une entrée 80 et une sortie 81. Dans la région de l'orifice d'évacuation des scories 78, les canalisations 73 de réfrigérant forment une portion 82 ayant une surface interne façonnée délimitant une ouverture importante entre les canalisations adjacentes 73 à l'emplacement de l'orifice 78 d'évacuation des scories. Le sous-système d'évacuation des scories comporte de préférence un réservoir de scories sous pression (nòn représenté) pour éviter que les produits de réaction gazeux s'échappent par l'orifice d'évacuation des scories.
Dans son application à la production d'énergie par voie magnéto-hydrodynamique, l'appareil comporte, de plus, une chambre de réaction secondaire 85 couplée à l'extrémité d'aval de la chambre 21 et délimitant une seconde zone réactionnelle 88. La chambre secondaire 85 reçoit les produits réactionnels gazeux de la chambre 21 et modifie les produits réactionnels gazeux à température élevée pour former à sa sortie 87 un plasma à grande vitesse convenant à l'injection dans le canal à plasma d'un dispositif magnéto-hydrodynamique de production d'énergie électrique.
Les produits réactionnels gazeux quittant la zone de réaction 22 par l'ouverture 37 pénètrent dans une seconde zone de réaction 88. Immédiatement en aval de l'écran 35 se trouve un ensemble d'injection de substances réactives 90 pour injecter dans le courant de gaz à température élevée des substances chimiques réactives choisies, telles que par exemple du carbonate de potassium. L'ensemble d'injection 90 comporte un tube 91 d'admission de substances réactives qui coupe l'axe de la chambre 85 et qui est monté de façon coaxiale avec une canalisation 92 de réfrigérant. Un injecteur de substances réactives, constitué d'un manchon 94 portant une aiguille coaxiale 95, est monté sur le tube de substances réactives 91 pratiquement selon l'axe de la chambre 85. Cet injecteur coaxial à aiguille de substances réactives est, de préférence, une version miniature de la vanne à aiguille 25 coaxiale précédemment décrite et illustrée par les fig. 1 et 8. Pour obtenir de bonnes performances des générateurs magnéto-hydrodynamiques, il est souhaitable que les gaz traversant le canal magnéto-hydrodynamique aient des caractéristiques électriques correspondant à celles d'un fluide très conducteur. Donc, dans l'application magnéto-hydrodynamique, on préfère que le courant gazeux 87 quittant la chambre de réaction 88 soit ionisé pratiquement totalement et de façon uniforme. L'injection de carbonate de potassium assure une ionisation complète et uniforme des produits réactionnels lorsqu'ils traversent la zone de réaction 88. Dans d'autres applications de l'appareil, on peut utiliser l'ensemble 90 d'injection de substances réactives pour injecter pratiquement tout additif ou substance réactive chimique dans le courant de gaz tourbillonnant, immédiatement après qu'il a traversé l'ouverture 37 pour pénétrer dans la zone de réaction 88.
Immédiatement en aval de l'injecteur 93 de substances réactives, la seconde chambre 85 est munie d'un dispositif pour injecter un volume d'air préchauffé nécessaire pour achever la réaction stœchiométrique. On injecte cet air tertiaire avec une composante de vitesse tangentielle suffisante pour annuler, par échange de moments, la vitesse angulaire des produits réactionnels gazeux passant par l'ouverture 37. Plus particulièrement, ce sous-système de suppression du tourbillon est constitué d'une canalisation d'air tangentielle 96 recevant de l'air à température élevée à partir du distributeur 61 et le transportant dans le distributeur d'air torique 97 qui, comme le montrent mieux les fig. 8 et 12, entoure la seconde chambre 85 et comporte, à son pourtour interne, douze orifices d'injection d'air 98 pour introduire des courants d'air tangentiels à la vitesse élevée provenant du distributeur 97 dans la zone de réaction 88. Lorsqu'on utilise cet appareil comme source de plasma d'un producteur d'énergie magnéto-hydrodynamique, il est souhaitable que le courant de plasma sortant n'ait pratiquement pas de vitesse angulaire. Pour cela, on peut utiliser la régulation du débit d'air à travers la canalisation 96 et le distributeur 97 pour annuler la vitesse angulaire du courant de gaz dans la chambre 85. Dans d'autres applications, où la vitesse angulaire est sans importance, on peut utiliser la régulation volumétrique de l'air apporté par la canalisation 96 pour effectuer la présélection ou la modification en continu de la stœchio-métrie dans la zone de réaction 88. Si c'est nécessaire, le distributeur d'air 61 et les diverses canalisations qui lui sont raccordées sont munis de chemises extérieures refroidies par l'eau. On utilise des distributeurs classiques pour alimenter les chemises d'eau.
On transporte le combustible pulvérisé, qui est par exemple de la houille, à partir d'un broyeur à boulets ou d'un dispositif de stockage dans la chambre de réaction 21 sous la forme d'un mélange en phase dense, avec un gaz porteur à travers une canalisation tubulaire. Comme la chambre de réaction 21 fonctionne sous une pression comprise dans la gamme de 2 à 8 bar ou plus, le sous-système de transport du combustible est de préférence mis sous une pression pratiquement équivalente. Les fig. 13 et 14 illustrent l'appareil permettant d'effectuer le transport du combustible en phase dense sous pression. Comme le montre la fig. 13, la trémie de houille 145 est garnie de houille en poudre normalement pulvérisée à une finesse telle qu'elle passe au tamis de 75|j.m d'ouverture de maille, provenant d'un dispositif de stockage de la houille (non représenté) par l'intermédiaire d'un panneau de remplissage 146 placé à la partie supérieure de la portion bombée 147. On peut remplir la trémie contenant la houille sous pression avec un récipient de transfert intermédiaire pouvant être mis sous pression (non représenté) ou, par exemple, avec une pompe à vis classique permettant le transport de la houille pulvérisée. En plus de la portion bombée 147, la trémie à houille comporte une portion cylindrique intermédiaire et une portion inférieure conique 148 ayant un angle de 30°. A la base de la portion conique 148 se trouve un injecteur de fluidisation de la houille 149 permettant de conduire la houille pulvérisée à travers une vanne de réglage 150 dans un ensemble d'éjection 156 qui accélère les particules de houille à une vitesse d'environ 6 m/s pour que la houille soit transportée sous la forme d'un mélange en phase dense avec de l'air ou un autre gaz porteur approprié à travers une canalisation d'alimentation en houille 158 pour l'injecter en continu dans la chambre de réaction 21 (fig. 7 et 8). Il convient également de noter que la canalisation 158 est réunie à l'ensemble d'éjection 156 et au tube d'entrée 29 de la vanne à aiguille 25. Le gaz porteur, qui sert à mettre sous pression la trémie de houille 145, est fourni par la source de gaz 152 et est conduit par la canalisation 153 et la vanne de régulation 154 à un raccord d'entrée situé à la partie supérieure de la trémie. Le gaz porteur est également fourni par la source 152, par l'intermédiaire d'une canalisation 155 et d'une vanne de régulation 157 à l'injecteur de fluidisation 149. Le gaz comprimé alimentant l'ensemble d'éjection 156 est apporté à l'entrée de l'éjecteur par une source d'air 159 par l'intermédiaire d'une vanne de réglage 160. L'injecteur de fluidisation 149 et l'ensemble d'éjection 156 sont illustrés en détail par la fig. 14 qui est une coupe réalisée selon l'axe cylindrique de l'injecteur de fluidisation.
Comme le montre la fig. 14, l'injecteur de fluidisation 149 est constitué d'un élément métallique pratiquement cylindrique 166 qui comporte à son extrémité supérieure une portion conique 167 et une bride plane 170. La bride 170 est raccordée de façon étanche à l'extrémité inférieure de la portion conique 148 de la trémie de houille. L'élément 166 comporte un alésage central 172 de 12,7 mm de diamètre disposé verticalement et qui s'ouvre dans une partie conique 174, dont les parois opposées 175 forment un angle de 45° et dont le diamètre de l'extrémité supérieure est d'environ 15 cm. Entre les extrémités de la partie conique 174 se trouve, sur le pourtour de l'élément 166, un distributeur circonférentiel de gaz 176. Le distributeur de gaz 176 est uni à la surface de l'élément 166 et recouvre une rainure circonférentielle 178 qui répartit le gaz du distributeur. La rainure 178 comporte plusieurs trous 179 espacés selon des angles égaux, qui se dirigent radialement à travers la paroi de l'élément 166
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en direction de l'ouverture conique 174. Le distributeur 176 est alimenté en gaz porteur sous pression provenant de la source 152 par l'intermédiaire de la vanne de réglage 157 pour être distribué dans l'ouverture conique 174 par les seize trous radiaux 179. Cette injection de gaz porteur fluidise la houille pulvérisée contenue dans l'ouverture 174 et chasse un mélange de gaz porteur et de combustible en poudre vers le bas à travers l'alésage central 172. Lorsqu'il quitte la base de l'élément 166, le mélange traverse la vanne de réglage 150 et traverse un alésage 181 s'étendant verticalement de l'ensemble d'éjection. La vanne de réglage 150 du combustible peut être un robinet sphérique classique dont l'arbre de commande est raccordé de façon à être entraîné par un moteur à réduction 183. On utilise un circuit classique pour la surveillance et la commande de la position de l'arbre du moteur à réduction afin de régler l'écoulement de combustible à travers la vanne de réglage 150 selon le rapport volumétrique ou massique désiré du combustible au gaz porteur.
L'ensemble d'éjection 156 est constitué d'un manchon 185 comportant un alésage cylindrique 186 qui le traverse horizontalement et un alésage vertical 181 qui est raccordé à l'alésage horizontal 186 et à travers lequel la houille sous pression est amenée à partir de la vanne de réglage 150. Un ajutage convergent 187 est fixé dans l'alésage horizontal 186 par des filets 188 et injecte le gaz porteur haute pression dans le manchon 185 où le jet de gaz frappe le courant descendant de houille pulvérisée et l'accélère en le chassant à travers un raccord 189 et la canalisation d'alimentation en houille 158. L'extrémité intérieure du raccord 189 comporte un alésage conique 190 qui canalise le mélange de combustible pulvérisé et de gaz porteur dans la canalisation d'alimentation 158. L'ajutage convergent 187 est raccordé à la source d'air porteur comprimé 159 (fig. 13) par l'intermédiaire de la vanne de réglage 160.
Lors du fonctionnement, l'injecteur de fluidisation 149 comporte, dans l'ouverture conique 174, une région de forte turbulence dans laquelle la houille pulvérisée est agitée mécaniquement et lubrifiée, si bien qu'un courant régulier et homogène de houille et de gaz porteur descend à travers l'ajutage central 172. L'alimentation en gaz porteur équilibre la pression de la trémie de houille sous pression 145, si bien que la pression dans la trémie est conservée, bien que le volume de houille contenu dans la trémie 145 diminue progressivement. Dans le mode opératoire préféré, l'injecteur de fluidisation a un débitvolumé-trique de fluidisation égal au débit volumétrique de houille et de gaz porteur perdu dans les conditions de fonctionnement en régime permanent.
Lorsqu'on a établi un courant descendant de houille en régime permanent à travers la vanne de réglage 150, on dilue et accélère le courant de houille au moyen du gaz porteur comprimé injecté par l'ajutage convergent 187 dans l'ensemble d'éjection. L'alésage interne convergent de l'ajutage 187 localise le gaz de telle sorte que, lorsque la vitesse du gaz et le débit massique de la houille sont convenablement ajustés, les particules de houille sont accélérées à une vitesse d'environ 6 m/s et s'écoulent en continu à cette vitesse à travers la canalisation d'alimentation 158 en direction de la chambre de réaction 21.
On pulvérise normalement le combustible solide à une finesse telle qu'il passe au tamis de 75[/.m d'ouverture de maille; cependant, on peut utiliser une autre gamme des tailles des particules. On peut obtenir des rapports des solides au gaz atteignant environ 100:1.
Avec des pressions de fluidisation par l'azote comprises entre 0,7 et 5,5 bar, on a obtenu des rapports de l'ordre de 50:1 tout en maintenant des débits relativement uniformes. Lorsque la poussière de houille a été fluidisée dans l'injecteur de fluidisation 149 pendant plusieurs minutes, on peut arrêter l'alimentation en gaz porteur de l'injecteur de fluidisation et poursuivre le transport de la phase dense de houille par simple maintien de la mise sous pression de la trémie de houille 145 et de l'alimentation en gaz comprimé de l'ensemble d'éjection 156. On peut régler en continu ou fixer à une valeur préchoisie quelconque, comprise dans les gammes précitées, le rapport des solides au gaz et la vitesse de transport dans la canalisation d'alimentation 158 par action sur la vanne 150 de régulation du charbon et la vanne de l'alimentation en gaz 160. On utilise un circuit classique comportant des capteurs de débit pour la surveillance de ces paramètres opératoires et pour obtenir des signaux de rétro-action pour actionner le moteur de régulation 183 et commander ainsi la vanne 150, ainsi que pour régler la vitesse et la pression de l'air d'alimentation.
Bien que l'on ait décrit l'emploi d'un gaz porteur de fluidisation constitué d'azote ou d'air secs, il est évident que l'on peut pratiquement utiliser tout gaz ou tout liquide, y compris des liquides dérivant du pétrole et des gaz hydrocarbonés.
Dans le fonctionnement de l'appareil de l'invention comme source d'énergie pour actionner des générateurs magnéto-hydrodynamiques, on entraîne de la houille finement divisée pour qu'elle passe aux tamis de 150 à 75f*m d'ouverture de maille, dans un courant d'air au voisinage de la température ordinaire. Dans les applications nécessitant une perte minimale d'enthalpie telles que la production d'un plasma, le rapport massique des particules de combustible solides à l'air ambiant utilisé comme support est compris dans la gamme de 30 à 100:1. Le transport d'un tel combustible en phase dense limite la quantité d'air relativement froid introduit dans la zone de combustion 22 et contribue ainsi à rendre maximales les températures de sortie du plasma. Le courant entraîné de particules de houille est introduit par la vanne à aiguille 25 et dirigé radialement vers l'extérieur dans la zone de combustion 22, selon la configuration de dispersion en cloche 41 (fig.l).
L'oxydant que l'on utilise pour la production du plasma est généralement de l'air préchauffé à une température d'environ 1600°C. On peut ajouter à cet air préchauffé de l'oxygène d'appoint, avant l'introduction dans la zone de combustion, si la nature particulière de la houille utilisée comme combustible le nécessite. Il s'établit un écoulement rotatif hélicoïdal d'air préchauffé dans la zone de combustion 22 et le courant de houille entraîné par le gaz porteur est dirigé dans l'écoulement rotatif. Pour maintenir les températures de combustion en dessous de la température de volatilisation des scories, on fait fonctionner de préférence la zone de combustion 22 avec un environnement riche en combustible correspondant à environ 0,4 à 0,9 fois la quantité stœchiométrique d'oxydant. On obtient ainsi, dans la zone 22, des températures comprises entre 1650 et 2094°C selon la composition des scories. Les produits de combustion gazeux à température élevée quittent la zone de combustion 22 par l'ouverture centrale 37 de l'écran 35 à une température d'environ 1870°C. Ces gaz de l'atmosphère riche en combustible dans la zone de combustion 22 contiennent des gouttelettes de scories ayant un diamètre inférieur à environ 10[xm ainsi qu'une faible quantité de scories volatilisées.
Comme précédemment décrit on introduit un oxydant additionnel nécessaire pour amener les produits de combustion gazeux à la stœchiométrie et pour achever la combustion, dans la seconde chambre 85, par la canalisation d'entrée 96 et le distributeur 97. L'achèvement de la combustion du monoxyde de carbone et de l'hydrogène dans la zone de réaction 88 porte la température du courant gazeux d'environ 1870°C à environ 2815°C à la sortie 87. La sortie 87 peut être raccordée directement à un générateur magnéto-hydrodynamique ou à un autre système utilisant l'énergie thermique et/ou l'énergie cinétique des gaz. Les quantités de gouttelettes de scories, de cendres et de particules de combustible qui ne sont pas brûlées ou retenues sur les parois de la chambre 21 sont relativement très faibles. Pour la plupart, elles sont gazéifiées lorsqu'elles sont exposées à la température plus élevée de la zone de réaction 88.
Dans le mode de réalisation précédemment décrit de l'appareil, la vanne à aiguille 25 est alignée avec l'axe longitudinal de la chambre de combustion 21 et coïncide pratiquement avec celui-ci. Bien que la symétrie coaxiale présente certains avantages, il est évident que l'appareil n'est pas limité à une telle disposition. Dans d'autres modes de réalisations, la vanne à aiguille 25 peut être écartée de l'axe longitudinal et/ou placée avec le tube d'entrée 29 selon un angle pratiquement quelconque par rapport à l'axe longitudinal de la chambre 21.
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Dans diverses applications, en particulier celles où l'on désire que le courant tournant dans la zone de réaction 22 soit voisin d'un écoulement rotatif pur, il peut être souhaitable de modifier l'enveloppe de distribution du combustible en forme de cloche 41 (fig. 1) par injection du combustible pulvérisé, uniquement selon un segment angulaire limité de la configuration. Les fig. 15 et 16 illustrent une vanne à aiguille modifiée utilisée pour créer une configuration de dispersion du combustible correspondant à un segment angulaire de l'enveloppe en forme de cloche 41. Cette vanne à aiguille modifiée 225 comporte un tube d'entrée de combustible 229 pratiquement identique au tube d'entrée 29 de la vanne illustrée par la fig.8. A l'extrémité d'entrée 230, un courant de combustible carboné mélangé à un gaz porteur pénètre dans la vanne à aiguille 225 par l'espace ménagé entre le tube 229 et l'aiguille en alignement central 227. A l'extrémité droite, comme le montre la fig. 15, l'aiguille comporte une portion terminale circulaire élargie 231 ayant une surface évasée 232 qui porte contre le siège 233 lorsqu'on déplace l'aiguille 227 vers la gauche. Dans ce mode de réalisation, la vanne à aiguille 225 est différente en ce que la portion circulaire terminale 231 comporte une jupe cylindrique à paroi mince 234 faisant partie intégrante de la portion terminale 231 et s'étendant vers l'extrémité d'entrée du tube 229 en restant très voisine de la paroi intérieure du tube d'entrée. Comme indiqué en 235, la jupe 234 comporte une portion découpée très voisine de la portion terminale 231 qui constitue une ouverture circonférentielle 236 de la jupe 234 selon un angle correspondant à la valeur angulaire de la distribution en éventail désirée du combustible. Par exemple, l'ouverture 236 peut correspondre à un angle d'environ 60\ Dans ce mode de réalisation, la tige de l'aiguille 227 peut coulisser longitudinalement dans le tube d'entrée 229 sans tourner. Lorsqu'on déplace la tige d'aiguille 227 vers sa position fermée (comme le montre la fig. 15), la portion évasée 232 vient s'appuyer par son pourtour contre le siège 233, ce qui réduit pratiquement à zéro le débit du combustible et du gaz porteur. Lorsqu'on déplace la tige dans sa position entièrement ouverte, comme illustré par la fig. 16, la jupe 234 maintient un joint coulissant contre la paroi intérieure du tube d'entrée 229, ce qui empêche que le combustible et le gaz porteur sortent ailleurs que dans la région de l'ouverture 236. Donc, comme le montre la fig. 16, le courant sous pression de combustible et de gaz porteur introduit par le tube d'entrée 229 traverse l'ouverture 236 et est pulvérisé dans la zone de combustion selon une configuration limitée à un segment angulaire correspondant à une portion angulaire de l'enveloppe en forme de cloche 41 de la fig. 1. Lorsqu'on déplace l'aiguille 227 de la position ouverte illustrée par la fig. 16 vers la position fermée illustrée par la fig. 15, l'ouverture 236 est progressivement fermée par le siège 233, ce qui réduit progressivement le débit massique du combustible et du gaz porteur injectés dans la chambre de réaction. Bien que la vanne à aiguille segmentée ait été représentée avec une ouverture périphérique 236, il est évident que l'on peut utiliser d'autres structures équivalentes comportant par exemple plusieurs trous cylindriques espacés selon une disposition angulaire.
Une autre construction de la chambre de réaction illustrée par les fig. 17,18 et 19 est avantageuse dans les applications à pression plus élevée. Comme le montre la fig. 17, la chambre 240 a une structure à double paroi constituée d'une paroi extérieure 242 et d'une paroi intérieure 243. La paroi intérieure 243 comporte des passages de réfrigérant 244 formés par usinage chimique sur sa surface extérieure, comme le montre la fig. 19. Les passages de réfrigérant sont fermés par soudage continu de la paroi extérieure 242 aux portions en saillie 246 entre les passages 244. Le sous-système d'échange de chaleur reçoit un réfrigérant par l'entrée 248 du distributeur d'eau 249, distribue le réfrigérant à travers les passages 244 et l'évacué par un distributeur de sortie. Le dépôt d'une couche de scories sur la surface métallique intérieure 243 de la chambre réduit le transfert de chaleur vers le réfrigérant et, par conséquent, réduit au minimum les pertes d'enthalpie du courant de produits de combustion gazeux.
Pour une température de combustion donnée, déterminée par la régulation des débits relatifs d'alimentation en combustible et en oxydant, les scories produites lors de la combustion se réunissent sous la forme d'un revêtement de scories solidifées sur la surface métallique intérieure 243 de la chambre 240, jusqu'à ce que l'épaisseur de la couche isolante de scories solidifiées soit telle que les scories déposées ultérieurement soient pratiquement isolées de l'effet réfrigérant de l'eau des passages d'échange de chaleur 244. On atteint alors l'équilibre entre la phase solide et la phase liquide des scories, et une couche mobile de scories liquides recouvre la couche isolante de scories solidifées. Cette couche de scories liquides s'écoule, sous l'effet de la pesanteur, vers la portion inférieure de la chambre de combustion où elle est éliminée par le collecteur de scories 252. Dans la fig. 17, l'ouverture 254 est un orifice tangentiel d'injection d'oxydant correspondant à l'orifice 59 des fig. 7 et 8.
L'appareil 10 peut être adapté pour former un gaz à l'air dans des conditions favorisant la formation de monoxyde de carbone. Le gaz à l'air de l'appareil 10 est conduit dans un brûleur classique à gaz ou à huile dont il constitue le combustible. Donc, l'appareil permet de brûler de la houille pour produire un combustible gazeux que l'on peut utiliser pour remplacer le gaz naturel ou le pétrole.
Le système illustré par la fig. 21 représente schématiquement le mode d'utilisation de l'appareil pour former du gaz à l'air. L'appareil de combustion de la houille 10 correspond au type précédemment décrit dans lequel on brûle des particules de combustible avant qu'elles frappent la paroi interne de l'appareil. On introduit de l'air comprimé, de préférence préchauffé, par la canalisation munie d'une vanne 300 dans la chambre de réaction de l'appareil 10, selon le mode tourbillonnaire précédemment décrit. On injecte de la houille pulvérisée avec l'aiguille (non représentée). Pour éliminer les SOx des produits réactionnels, on ajoute des carbonates dans la zone de réaction. On peut rendre maximale la quantité de monoxyde de carbone produite par régulation des débits massiques de la houille et de l'air. Les produits combustibles sont entraînés dans les gaz d'échappement éventuellement à travers un filtre pour gaz chaud vers la chaudière alimentée en gaz ou en pétrole. Les particules de scories sortant avec le gaz d'échappement sont retenues par le filtre et éliminées sous forme de déchets. On prélève les scories de l'appareil 10 et on les rejette en un emplacement approprié.
Lorsqu'on désire obtenir un gaz de synthèse, on emploie de l'oxygène au lieu de l'air et on injecte de la vapeur d'eau dans la zone de réaction de l'appareil 10. Par conséquent, les gaz quittant l'appareil 10 contiennent peu d'azote. Dans ce cas, on doit fermer la vanne 310 de la canalisation 300 et ouvrir la vanne 320 qui commande le débit d'oxygène d'une source d'oxygène 322. On règle les débits massiques de la houille, de l'oxygène et de la vapeur d'eau de façon à produire dans l'appareil 10 la quantité désirée de monoxyde de carbone et d'hydrogène. On conduit le gaz de synthèse à travers le filtre de gaz chaud vers une installation chimique où on l'utilise pour produire des matières chimiques désirées. Dans la production du gaz de synthèse, il est également souhaitable d'ajouter des carbonates pour éliminer les SOx des gaz d'échappement.
On peut également utiliser l'appareil 10 pour traiter de la houille, des schistes ou de l'huile. Comme le montre la fig. 20, le système préféré comporte au moins trois stades. Le premier stade du système correspond à l'appareil 10. Le second stade correspond à un appareil de combustion complémentaire qui achève la combustion des produits réactionnels sortant de l'appareil 10. On peut injecter de l'air ou de l'oxygène préchauffés dans le second stade pour élever à la valeur maximale la température des gaz d'échappement quittant le second stade. Le troisième stade correspond à une chambre de réaction dans laquelle on injecte le schiste, la houille ou le pétrole. Les gaz chauds de l'appareil 10 viennent au contact du schiste, de la houille ou du pétrole injectés dans le troisième stade. Dans le cas de la houille, l'eau est éliminée, ce qui déshydrate la houille, les hydrocarbures sont volatilisés et le produit carbonisé restant convient mieux au transport. Dans le cas d'un schiste, la matière carbonée du schiste est décomposée pour former une huile que l'on
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volatilise et qu'on élimine du troisième stade. Si on injecte du pétrole dans le troisième stade, elle est soumise à un craquage éclair en hydrocarbures plus légers.
Comme précédemment décrit, on peut mélanger la houille pulvérisée injectée dans l'appareil de combustion 10 pour réduire la 5
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formation de SOx. On élimine les scories que l'on rejette. On soumet les gaz d'échappement du troisième stade à un refroidissement rapide et on récupère les matières volatiles quittant le troisième stade avec les gaz d'échappement pour les utiliser comme matières premières chimiques.
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Claims (28)
1. Procédé pour la combustion d'un combustible carboné, caractérisé en ce qu'on injecte un gaz oxydant et des particules de combustible carboné solide dans une zone de combustion d'une chambre de réaction de façon à produire un débit rotatif dans la chambre assurant la conversion du carbone contenu dans les particules en oxyde de carbone avant que les particules ne quittent la chambre de réaction.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on injecte les particules de combustible carboné, fluidifiées par un fluide porteur, dans la zone de combustion à travers la partie centrale d'une des extrémités de la chambre de réaction, qu'on dirige un premier courant de gaz oxydant en direction longitudinale dans cette zone par l'extrémité d'injection du combustible dans la chambre et qu'on dirige un second courant de gaz oxydant tangentiellement à cette zone de façon que le débit massique et la vitesse des courants de gaz soient réglés de manière à produire un débit rotatif dans la zone de combustion et à convertir le carbone contenu dans les particules de combustible en des composés gazeux avant que les particules ne quittent la chambre.
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REVENDICATIONS
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d'oxydant réglable indépendamment des dispositifs d'introduction de gaz oxydant dans la première chambre.
3. Précédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on présélectionne le débit massique relatif des premier et second courants de gaz oxydant pour régler les conditions aérobalistiques dans le champ de débit rotatif, de façon que les particules de combustibles soient gazéifiées avant d'atteindre la périphérie de la zone de combustion.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible carboné est injecté dans la zone de combustion de façon divergente sous forme de cloche coaxiale à la chambre de réaction, alors que la majeure partie du gaz oxydant est injectée tangentiellement à la zone de combustion, la vitesse d'introduction du gaz oxydant étant réglée de façon que les gouttelettes de scories de diamètre supérieur à 10 u soient disposées aérobalistiquement sous forme liquide à la périphérie de la zone de combustion et séparées des produits de combustion gazeux avant que ces produits ne quittent la zone de combustion.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de combustion se trouve dans une chambre de réaction cylindrique dont les dimensions radiale et longitudinale sont telles qu'elles permettent un centrifugation aérobalistique des gouttelettes de scories contre les parois de la chambre de réaction et leur dépôt sur ces dernières sous forme liquide.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajuste les quantités relatives d'introduction de combustible carboné et du gaz oxydant de manière à assurer le dépôt de scories sur la face interne de la chambre de réaction, pour former une couche protectrice et isolante de scories sur la surface interne de la chambre de réaction, que l'on permet à la scorie d'atteindre une phase d'équilibre entre les phases liquides et solides, que l'on chasse les produits de combustion gazeuze à haute température de la zone de combustion et que l'on extrait de façon continue des scories liquides de la zone de combustion.
7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le combustible carboné et le fluide porteur sont introduits dans la zone de combustion avec une vélocité angulaire inférieure à celle d'injection du gaz oxydant de sorte que le caburant est injecté de façon divergente sous forme de cloche dans cette zone.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le combustible carboné solide est pulvérisé en particules de diamètre inférieur à 5 mm.
9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les particules de combustible sont entraînées par le fluide porteur dans une proportion massique de combustible par rapport au fuide porteur comprise entre 1:1 et 100:1 afin de permettre de régler les proportions relatives du combustible par rapport au gaz oxydant sans avoir recours à des organes mobiles dans les parties de la chambre de combustion maintenue à une température élevée.
10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajuste les proportions relatives de combustible carboné et de gaz oxydant admis dans la zone de combustion, afin d'obtenir un mélange riche en combustible, de façon à limiter la température de réaction et la volatilisation des scories, que l'on dépose par centrifugation des scories provenant de la combustion sur une surface interne de la zone de combustion de façon à permettre aux scories de trouver leur équilibre entre les phases liquide et solide, qu'on enlève les scories liquides de cette zone et qu'on en chasse les produits de combustion gazéifiés à haute température.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on introduit des réactants chimiques dans cette zone.
12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on introduit dans cette zone un courant de réactants chimiques solides finement divisés, entraînés par un support fluide.
13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules de combustible ont un diamètre inférieur à 0,5 mm.
14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée du passage des particules de combustible est réglée par introduction d'un gaz oxydant en deux courants séparés injectés respectivement longitudinalement et tangentiellement dans la chambre de réaction.
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15. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise de l'oxygène pur comme gaz oxydant.
16. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un matériau carboné est injecté et mélangé au courant rotatif dans la chambre de réaction et que des composés sulfurés contenus dans le combustible réagissent avec le matériau carboné pour former un matériau du genre scorie qui est déposé sur la paroi de la chambre de réaction par centrifugation et séparé ainsi des produits de combustion gazeux sortant de la chambre de réaction.
17. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carbone contenu dans les particules de combustible est converti en oxydes de carbone lors du passage du combustible dans la chambre de réaction.
18. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre dont les parois délimitent une zone de réaction, une admission de carburant, une admission de gaz oxydant, un orifice de sortie de la chambre des produits gazeux résultant de la combustion et un dispositif pour introduire le combustible et le gaz oxydant par leurs admissions respectives dans la chambre et pour débiter le mélange carburant-oxydant de façon rotative pour engendrer des forces centrifuges projetant le combustible vers les parois de la chambre, l'introduction et le débit rotatif du mélange carburant-oxydant étant réglés de façon à faire réagir tout le combustible avant qu'il ne quitte la zone de réaction par l'orifice de sortie.
19. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que le dispositif d'introduction de gaz oxydant est agencé de façon à assurer une introduction tangentielle dans la chambre et l'entraîne rotative-ment dans la zone de combustion.
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20. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que le dispositif d'introduction de gaz oxydant est agencé de façon à injecter une première portion de gaz oxydant dans la zone de combustion en direction parallèle à l'axe longitudinal de la chambre et une seconde portion de gaz oxydant dans cette zone tangentiellement à la paroi de la chambre de réaction.
21. Appareil selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de réglage permettant de faire varier sélectivement les proportions de débit massique des première et seconde portions de gaz oxydant et un dispositif de réglage sélectif du débit massique de carburant.
22. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde chambre de réaction délimitant une seconde zone de combustion au-delà de la première chambre de réaction pour faire réagir encore les produits de combustion gazeux à haute température en provenance de la première chambre de réaction, la seconde chambre de réaction comprenant une admission secondaire s
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23. Appareil selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'introduction de réactifs chimiques dans le courant de produits de combustion gazeux, ce dispositif étant réglable indépendamment des dispositifs d'introduction de gaz oxydant.
24. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que le dispositif d'introduction de carburant permet de disperser des particules carbonées solides finement divisées dans un support fluide, la proportion massique de combustible carboné par rapport au support fluide étant comprise entre 1:1 et 100:1.
25. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif permettant d'introduire un courant de particules de charbon pulvérisées en suspension dans un milieu fluide, le rapport massique de charbon par rapport au milieu fluide étant compris entre 1:1 et 100:1.
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26. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend un déflecteur présentant un perçage central coaxial à la chambre de réaction vers l'extrémité de sortie de cette dernière, ce déflecteur étant perpendiculaire à l'axe longitudinal de la chambre et au contact de la face interne de cette dernière.
27. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que la chambre de réaction présente une surface interne métallique, que le dispositif d'introduction de combustible permet d'entraîner un combustible carboné dans un courant de fluide porteur et d'injecter ce courant de combustible carboné et de fluide porteur dans la chambre de réaction, que le dispositif d'introduction de gaz oxydant permet d'ajuster le degré de réaction et la température dans la zone de combustion en réglant l'admission du courant de gaz oxydant introduit dans la zone de combustion en fonction de celle du courant de combustible carboné qui y est introduit, ce dispositif d'introduction de gaz oxydant permettant d'injecter une première portion de gaz oxydant en direction longitudinale dans la zone de combustion et une seconde portion de gaz oxydant tangentiellement à la paroi de la chambre de réaction, qu'il comprend des moyens pour régler les courants massiques relatifs des première et seconde portions de gaz oxydant, qu'il comprend un dispositif de commande des scories permettant de détacher des quantités déterminées de scories des parois de la chambre, ce dispositif étant associé au dispositif d'introduction de gaz oxydant et de carburant pour régler le degré de combustion, réaction et volatilisation des scories en fonction de la proportion combustible-gaz oxydant injectée dans la chambre de réaction, qu'il comprend des moyens pour déposer sur la face métallique interne de la chambre une couche protectrice de scories pour isoler thermiquement cette surface interne métallique, et qu'il comprend un déflecteur associé à la chambre de réaction à son extrémité de sortie pour empêcher le passage de scories en fusion au-delà de la zone de combustion.
28. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que la chambre de réaction est cylindrique et d'axe longitudinal, que le dispositif d'admission de carburant comprend une vanne à aiguille coaxiale placée à une extrémité de la chambre et alignée parallèlement à l'axe pour injecter dans la zone de combustion un jet de houille pulvérisée en direction radialement dispersée, que le dispositif d'entraînement du combustible est couplé à la vanne à aiguille pour entraîner de la houille pulvérisée dans un courant de fluide porteur et alimenter la vanne à aiguille avec un mélange de houille et de fluide • porteur, le dispositif d'entraînement étant constitué d'une trémie sous pression contenant de la houille pulvérisée et ayant une extrémité de sortie, d'un dispositif de fluidisation couplé pour recevoir la houille de la trémie et délimitant une chambre intérieure ayant la forme d'un tronc de cône inversé, d'un dispositif d'injection de gaz porteur pour injecter du gaz dans la chambre, selon plusieurs directions à espacement angulaire afin de produire des turbulences et une fluidisation de la houille pulvérisée contenue dans la chambre, d'un passage de sortie de la houille fluidisée compris entre la chambre et la surface extérieure du dispositif de fluidisation, d'un éjecteur couplé au dispositif de fluidisation pour recevoir un courant de houille pulvérisée s'écoulant du dispositif de fluidisation, l'éjecteur comportant un ajutage de gaz porteur et un tube de sortie aligné de façon coaxiale avec l'ajutage et formant un angle par rapport à la direction de l'écoulement de la houille dans l'éjecteur, et d'un dispositif pour diriger un courant de gaz porteur dans l'éjecteur à travers l'ajutage pour accélérer les particules de houille pulvérisée et les mélanger au gaz porteur pour produire un courant constitué d'un mélange de combustible et de gaz porteur à travers le tube de sortie, que le dispositif d'alimentation est agencé de façon à injecter un premier et un second courant de gaz oxydant dans la zone de combustion, les premier et second courants de gaz oxydant étant injectés respectivement longitudinalement et tangentiellement à la chambre de réaction pour créer dans la zone de combustion un courant rotatif du mélange comprenant l'oxydant, les particules de houille, les gouttes de scories et les produits de combustion gazeux, et qu'il comprend des moyens pour régler la proportion massique relative des premier et second courants et ainsi les températures, ainsi que les taux de réaction dans la zone de combustion et qu'il comprend encore un déflecteur annulaire à ouverture centrale à l'extrémité de sortie de la chambre pour augmenter la vélocité des produits gazeux de combustion.
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