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pour un PROCEDE DE COMBUSTION FRACTIONNEE, MAINTENANT LA TEMPERATURE DE GAZEIFICATION INFERIEURE A CELLE DE
RAMOLLISSEMENT DES CENDRES.
L'objet de la présente invention est un procédé de combustion caractérisé par la température de transformation du carbone en son monoxyde, qui est maintenue artificiellement au-dessous de celle de ramollissement des cendres en faisant intervenir des réactions endo- thermiques et en éludant les réactions exothermiques de la phase de suroxydation.
- Ce procédé permet d'éliminer facilement les cendres entre les deux phases d'oxydation (CO-C02) avant que leur scorifica- tion n'ait pu causer des dégâts et contrarier le fonctionnement des appareils de chauffage.-
Les cendres sont, même en faibles quantités, des parasites nui- sibles, parce qu'elles ramollissent à des températures inférieures à celles produites par l'oxydation du carbone en CO et à fortiori en C02
L'état pâteux des cendres est généralement atteint entre 11(0 et 1270 C.-
L'oxydation primaire du carbone en CO dégage, en employant la quantité correspondante d'air à zéro degré,
suffisamment de chaleur pour élever la température au-dessus de 1300 Ce
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La température de-la combustion théorique du carbone en Co2 dépasse 23000C.
Quand on préchauffe l'air comburant, p.ex. par des appareils de récupération de chaleurs perdues, les températures de régime aug- mentent en conséquence et dépassent à plus forte -raison le point cri- tique des cendres.
Les système de combustion sur grille ou par charbon pulvérisé sont obligés de freiner les températures de régime des chambres de combustion en insufflant un excédent considérable d'air (60 à 100%).
Cet expédient abaisse le rendement du cycle thermîquo et diminue le transfert de chaleur aux surfaces de chauffe.
La proportion d'air que l'on doit insuffler dans les systèmes de combustion indirecte par gazogènes étant strictement limitée, on ne peut sous aucun prétexte l'augmenter.
Le bilan thermique de ces appareils donne, dans la zone d'accu- mulation des cendres, un excédent de calories. Pour décongestionner cette zone, on a recours à deux expédients, savoir :
Le refroidissement de la périphérie de la cuve dans la zone cri- tique par des chemises à circulation d'eau et l'injection de vapeur d'eau en quantités considérables sous la grille.
Ces remèdes appliqués au détriment du rendement, ne sont que des palliatifs qui ne peuvent supprimer radicalement les difficultés parce qu'ils ne permettent pas de régler exactement les températures.
La pyrogénation des cendres est un mal inévitable dans tout procédé, dont les phénomènes diversprécédant la combustion se pro- duisent dans un laboratoire commun, où les phases s'enchevêtrent par suite du déplacement continu des diverses zones de réactions.
Le défaut fondamental des gazogènes est que le courant d'air comburant est insufflé dans une zone où la masse incandescente de cendres ne contient plus suffisamment de carbone; l'air la traverse donc en excédent considérable.
La chaleur dégagée par la suroxydation de ces couches augmente considérablement leur température; sans l'injection de quantités con-
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sidérables de vapeur, les cendres seraient liquéfiées.
La perméabilité des couches est, par suite de l'irrégularité du criblage du combustible, for ibrégulière; comme les gaz cherchent à se frayer un chemin par les interstices présentant; la moindre résis tance, il s'en suit que la composition et la température des gaz va- riera dans une même section verticale d'une couche.
Etant donné que les grains les plus lourds s'éboulent vers la périphérie de la cuve, les échantillons de gaz pris à leur sortie de ces lits très perméables contiennent un fort pourcentage d'acide car- bonique et de vapeur d'eau, qui n'ont pu se dissocier.- Ces phénomè- nes sont aggravés dans la zone d'accumulation des cendrées par la for- mation de mâchefers, qui augmentent les résistances et dévient les courants d'air.
La zone de suroxydation est suivie d'une zone de dissociation à température décroissante, mais qui resterait supérieure à 1300 C, si l'on n'avait pas recours aux expédients de refroidissement indiqués plus haut.
Combustion directe par ci, combustion indirecte par là, le pro- blème des cendres reste entier et demande une solution radicale n'ayart pas recours à des agents gaspillant les calories.-
Le seul remède efficace est la localisation méthodique des pha- ses, permettant l'élimination des cendres à une température facilement règlable, n'atteignant pas leur point de ramollissement.
Cette séparation ne peut s'opérer d'une façon efficace qu'entre les deux phases d'oxydation (CO et Co2) c.à.d. vers 1000 C.
Pour réaliser cette élimination, il faut'et il suffit : primo: Que les deux phases d'oxydation soient localisées en deux zones bien distinctes, éludant des suroxydations de la première phase.
Secundo: Que la température de la première phase soit maintenue artificiellement au-dessous du point de ramollissement des cendres.
Tertio : Que l'agent endothermique introduit absorbe l'excédent de calories dégagées par la réaction 2C + 02 = 200, en les restituant intégralement au cycle sans diminuer son rendement global.
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Nous avons vu que la chaleur de réaction surchauffera la mas- se à une température "X" supérieure à 1"00 C, mais comme nous devons la maintenir à une température "Y" un peu-inférieure au point criti- que des cendres, l'excédent de calories à absorber sera représenté par la formule : (X - Y) multiplié par la chaleur spécifique et par le poids des matières en présence.-
Nous connaissons diverses réactions endothermiques qui trans- forment le carbone en Co p.ex. l'action de l'acide carbonique ou de la vapeur d'eau surchauffée sur le carbone incandescent.
Les gaz de combustion ayant cédé leur chaleur à un appareil de chauffage, nous fournissent un mélange gratuit tout préparé de ces ré- actifs, on n'a qu'à les réintroduire dans le cycle du présent procé- dé en les mélangeant d'une façon judicieuse à une certaine proportion d'air.
L'équilibre à établir est donné par les relations : a.x(C + CO2) = 2a CO - a. 38,8 Cal. b.x(C + H2O) = b. (CO + H2) -b.28,4 " c.x.(C + 0 ) = c. CO + c. 29,4 "
La somme des calories de ces trois équations doit être égale à la chaleur nécessaire pour porter les masses en présence à la tempéra- ture "Y".- Les calories absorbées par les deux premières réactions doivent, d'autre part, être égales à la valeur (X - Y) multipliée par la chaleur spécifique et par le poids des matières en présence.
La teneur des gaz de combustion en vapeur d'eau est pour un charbon donné très constante et généralement peu importante.
Leur teneur en COest légèrement variable et peut atteindre 17 à 18% dans les chambres de combustion de chauffage au gaz.-
La teneur en oxygène libre des gaz varie en fonction de leur te- neur en CO2, elle sera toujours insuffisante, de sorte qu'il faudra mélanger aux gaz de réaction une quantité bien déterminée d'air at- mosphérique. En faisant varier les proportions de ce mélange, on pour- ra régler parfaitement la température de régime de la zone de gazéifi- cation.
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Ce réglage peut même se faire automatiquement, en faisant réa- gir un thermostat sur le registre d'arrivée d'air dans le mélangeur; une légère augmentation de température suffira pour réduire l'apport d'air et vice-versa.
Connaissant les données d'un problème, c.à.d. la composition moyenne des gaz que l'on désire employer comme réactifs et la tempé-. rature de ramollissement des cendres, on peut calculer la proportion d'air nécessaire à ajouter au gaz. Cette proportion reste invariable pour toutes les allures de gazéification.
Le rendement sera d'autant plus élevé que le mélange réintrodui- ra dans le cycle plus de chaleurs perdues.
Cet apport de calories augmentera la valeur (X - Y), d'où il ré- sultera que la quantité d'oxygène libre du mélange devra diminuer par rapport à la quantité de son oxygène combiné; la puissance calo- rifique du gaz obtenu augmentera.
Le procédé présente donc le grand avantage de pouvoir réincorpo- rer une partie des calories à bas potentiel, qui se perdent dans tout cycle thermique.
Une source de pertes dans les procédés de gazéification provient de la distance des gazogènes aux chambres de combustion.- Quand la centralisation de l'appareillage de mutation du charbon ne permet pas de placer mes appareils directement à côté ou en-dessous des chambres de combustion, on peut préchauffer le mélange comburant en refroidissant les gaz combustibles au moyen d'échangeurs de tempéra- ture d'un type courant.
La valeur de (X - Y) augmentera considérablement, de sorte qu'on pourra augmenter dans la formule d'équilibre la proportion a + b.- c
On voit que le procédé est des plus flexibles et permet d'amé- liorer considérablement le rendement des cycles thermiques, tout en éliminant les graves nuisances des parasites cendreux.
Le procédé conserve tous les avantages incontestables du chauf- fage au gaz, qui permet de réduire l'excédent d'air du cycle de plus du tiers.
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Les réactions employées pour réaliser mon procédé sont connues, mais je les fais intervenir d'une façon absolument différente à leur intercurrence vagabonde dans les procédés 'connus.
Le laisser-aller, au hasard des contingences incontrôlables, est remplacé par un procédé parfaitement maîtrisé en toutes ses pha- ses.
L'acide carbonique ne provient plus d'une zone instable du gazo- gène, mais est soutiré en fin de course d'un appareil de chauffage quelconque, ou éventuellement de la conduite d'échappement d'un mo- teur à gaz.
Il est admis en quantité strictement règlable et sert à la fois d'agent endothermique et de comburant indépendant.
Ces réactions ne sont pas la conséquence fatale de l'insuffla- tion de la totalité de l'air dans des zones initiales trop pauvres en carbone.
La vapeur d'eau Lntervenant dans les réactions n'est pas un a- gent étranger, mais provient de l'eau de combustion et éventuellement du séchage du combustible. Au lieu de provoquer une perte considéra- ble, elle apporte au contraire des calories qui seraient perdues, tout en dégageant de l'hydrogène qui augmente la puissance calorifi- que du gaz.- Elle ne joue plus un rôle prépondérant, mais secondaire.
La séparation des cendres s'opère avant que la température n'ait pu dépasser le point critique de ramollissement par suroxydation du carbone.
Le procédé permet de préchauffer sans danger le mélange combu- rant et de réincorporer ainsi dans le cycle des calories à bas poten- tiel.
La description de l'appareillage employé expliquera comment la distribution du mélange comburant dans la masse du carbone incandes- cent est réalisée, afin de mettre en contact direct de très faibles quantités de gaz de réaction avec de grandes surfaces de carbone, é- vitant ainsi les défauts d'une pénétration irrationnelle de l'air dans la masse de charbon.
Il me reste à expliquer les-dessins annexés, qui représentent un modèle de l'appareillage employé.
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Etant donné les nombreux-cas d'espèce qui peuvent se présen- ter par suite de la grande variété des combustibles à traiter et des divers cycles thermiques pouvant intervenir, l'appareillage pourra être complété en conséquence.
Le procédé n'est donc pas limité à l'emploi de l'appareillage décrit.-
Les fig. 1 et 2 représentent deux coupes verticales d'un ap- pareil courant Le combustible est enfourné par l'ouverture "x",fer- mée par un dispositif quelconque. L'appareil est rempli de treillages horizontaux, dont les claies des étages pairs sont placés à angle droit avec celles des étages impairs. Ces claies sont caractérisées par le profil concave de leur face inférieure.
Le charbon descend en petites cascades, s'étale à chaque éta- ge en nappes de faibles épaisseurs, et serpente ainsi d'étage en éta- ge. Il se forme sous chaque claie un sillon dont la profondeur dé- pend du profil des treillages et de l'angle d'éboulement du combus- tible. On resserera les interstices entre les claies suivant la fines. se des grains du charbon enfourné. La partie concave des claies, cor- respondant à 1 emplacement des sillons, laisse de nombreux vides tra- versant la masse de part en part.
En plaçant les claies parallèles des divers étages en quincon- ce, leurs arrêtes supérieures coupent en deux la nappe de combusti- ble, glissant d'un étage à l'autre, en la renversant. Les particules qui formaient la partie inférieure de la nappe, viennent en surface à l'étage suivant et ainsi de suite d'étage en étage, de sorte qu'el- les sont retournées sur toutes leurs faces.
Les sillons des étages supérieurs servent d'une part à chauf- fer graduellement le combustible et, d'autre part, à évacuer les buées et les'matières volatiles distillées.- Les claies de chauffa- ge "e" à "e6"ont le même profil que les autres, mais sont fermées à leur partie inférieure, en épousant les flancs des sillons, de sor- te que leur surface est entièrement entourée de combustible.
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A l'intérieur des clai&s fermées, on fait circuler une partie des gaz chauds provenant de la zone inférieure d'oxydation pdmaire du carbone fixe en CO. La température de ces gaz soutirés par la condui- te "r" est de l'ordre de 1000 C, la quantité passant par les claies de chauffage est réglée par un clapet "s". Le combustible est chauffé progressivement par circulation à contre-courants croisés.
Les gaz se subdivisent dans la chambre "p" qui alimente les claies du profil "b" de l'étage "e6," ils sont conduits aux claies de l'étage "e5"par la chambre "w" et passent successivement par w1- e w2- e3- w3- e2- w4- e1- w5- e, pour être évacués vers 200 C par la conduite "h". Ces gaz refroidis sont ensuite réunis au courant prin- cipal des gaz de la conduite "r" pour aller à la chambre de combustion proprement dite, où ils brûlent en CO2 + HSO. Cette chambre de combus- tion ne figure pas dans les dessins annexés, car elle forme une partie intégrante d'une chaudière, d'un four, d'un moteur à gaz, etc.- Mon appareil peut être placé en-dessous de cette chambre de combustion, lui être adossé, ou communiquer par la conduite "r".
Les buées provenant du séchage sont aspirées par une soufflerie "i" qui crée une légère dépression dans la chambre communiquant aux claies "f" et "f1". Celles-ci sont placées à contre-sens entre les claies "e" à "e6" et communiquent avec les vides, laissés par les sil- lons.
Toute la masse étant traversée par des réseaux superposés de ces artères, les buées sont immédiatement évacuées, ce qui accélère la phase de séchage, considérablement. Comme le combustible est étalé en nappes très fines, constamment renversées d'étage en étage, toutes les particules viennent en contact avec les surfaces de chauffe et ab- sorbent rapidement les calories nécessaires.
Dans la phase suivante, dite de distillation, la température du combustible augmente progressivement, les matières volatiles dégagées par les dissociations sont évacuées à leur état naissant. Aucune des- truction des matières volatiles ne peut se produire par pyrogénation, ce qui est généralement le cas dans les appareils à colonnes, à cor-
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nues ou dans les chambres de carbonisation.- Suivant la nature du com- bustible traité et le traitement ultérieur des matières volatiles,on peut évacuer séparément les diverses fractions.-
Dans les dessins annexés, je n'ai prévu que l'évacuation indé- pendante des fractions distillant entre 120 et 450 C et entre 450 et 800 C.- On sépare ainsi suffisamment les produits volatiles de la sé- rie aliphatique de ceux de la série aromatique,
ceci facilite les opé- rations de lavage à chaud et de condensation.
Dans la zone suivante, on peut activer l'extraction des gaz a- moniacaux en injectant dans le coke incandescent un peu de vapeur d'eau surchauffée.
Ayant passé par les sones endothermiques, nous pénétrons dans la zone exothermique, représentant la première phase de combustion.
Les claies "y4) "y5) "Y6" et Il 94 il Il 95servent d'artères de réparti- tion du mélange comburant dont j'ai déjà expliqué le rôle, la compo- sition et les conditions thermiques des réactions.
Le nombre d'étages des claies de chaque zone indiqué auxdessins, ne correspond naturellement pas à la réalité. Etant donné les dimen- sions restreintes du format officiel des dessins, le profil des claies n'aurait pu ressortir en augmentant le nombre des étages.
Pour obtenir une bonne répartition des particules du mélange comburant, celui-ci est insufflé par les conduites "t1à "t2) etc. dans la chambre de distribution qui fait tout le tour de l'appareil.Celle- ci alimente les artères des divers étages de claies "y4" "y5" "y6" et Il 94 "g5"par leurs deux extrémités.
Etant donné que la teneur en carbone diminue d'étage en étage c.à.d. que la masse devient de plus en plus cendreuse, il faut que les artères distribuent graduellement moins de gaz comburant. Ceci est facile à régler, par. ex. en réduisant par un moyen quelconque les sections de passage des gaz dans les divers étages des claies. Le cou- rant du mélange domburant est ainsi fractionné en de nombreux filets répartis sur un grand nombre d'étages et pénètre en quantité détermi- née dans chaque nappe de carbone, qui est étalée entre les divers éta-
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ges de claies.
Le mélange comburant contenant de l'azote, de l'acide carbonique, un peu de vapeur d'eau et de l'oxygène, en proportions dé- terminées par mon procédé, vient donc instantanément en contact avec un excédent de carbone et de l'hydrogène, accompagné de l'azote qui reste inaltéré.
Ce gaz traverse la couche de carbone sans augmenter la tem- pérature de l'ambiance. Le bilan thermique de ces réactions étant main- tenu en équilibre par le dosage du mélange en fonction de sa tempéra- ture, on peut régler à volonté la température de cette zone.
Les cendres s'accumulent à l'état pulvérulent dans la partie inférieure de l'appareil et sont évacuées par un moyen quelconque,d'ap- plication courante, p.ex. par une sole tournante "v" à joint hydrauli- que.
Les buées aspirées à la partie supérieure de l'appareil par la soufflerie "i" sont injectées par une tuyauterie "j" et de tuyères renversées "k" dans la masse des cendres incandescentes et se dissocient L'injection de cette vapeur, provenant du séchage du combustible,n'in- fluence en rien le rendement du cycle thermique.
Dans le cas où le combustible traité ne justifierait pas la récupération des sous-produits de la zone de distillation, on peut ré- insuffler les gaz de cette phase dans la zone des cendrées; ceci a l'a- vanage de dissocier les hydrocarbures et de fournir un gaz parfait de combustion n'encrassant pas les appareils par des dépôts de cambuis.
Le mélange comburant est insufflé dans les conduites "t1" "t2" p.ex. par un compulseur, qui aspire la proportion de gaz voulue d'un carnau d'évacuation de gaz épuisés de provenance quelconque. - Le régla- ge se fait par des organes de constructions courantes.
Suivant les conditions de l'équilibre thermique à réaliser dans la chambre de première phase de combustion, on peut soutirer les gaz de réaction dans une passe d'un appreil de chauffage et augmenter la température du mélange à volonté.
Quand l'appareil transformant le combustible brut en combusti- ble parfait doit être installé à une certaine distance des appareils
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de chauffage, on peut intercaler un échangeur de chaleurs, qui refroi- dit les gaz évacués par la conduite "r" et préchauffe les gaz de ré- actions insufflés par les conduites "t1""t2".
Les massifs de l'appareil de mutation du combustible étant soigneusement isolés, les pertes de calories sont presque nulles.
Si l'on désire traiter des combustibles finement pulvérisés en renonçant à la récupération des sous-produits, l'appareillage peut être simplifié. Ses dimensions diminueront considérablement par suite des surfaces de contact infiniment grandes qui précipitent les réac- tions. - Les phases du procédé restent toutefois les mêmes; les fari-- nes de charbon préchauffées jusque vers 900 se dissocient et distil- lent leurs matières volatiles en formant un nuage de particules im- palpables de coke qui reste en suspension dans les matières volatiles dégagées.
On introduit ensuite dans ce nuage par faibles doses succes- sives, le mélange comburant endo-thermique, en observant les principes caractérisant le présent procédé. La matière combustible, après avoir parfait ses phases de mutations, précédant la combustion proprement dite, est transformée dans le carburateur en CO + H2.- La températu- re de régime du carburateur est maintenue au-dessous du point critique des cendres en règlant le mélange suivant les formules d'équilibre formant un des critérium de mon procédé.
La chaleur latente des gaz, quittant le carburateur, sert à préchauffer le nuage des farines de charbon vers 900 C par contact in- direct.
L'appareillage se réduit dans ces conditions à trois tubes concentriques, p.ex. en alliages inoxydables très réfractaires.
Dans le tube central, on insuffle le mélange comburant,(p.ex. des gaz d'échappement d'un moteur à gaz ayant 300 à 450 C mélangé à une quantité appropriée d'air), et dans l'espace annulaire entre le premier et le second tube, on introduit le nuage de farines de char- bon.
Ces deux tubes aboutissent dans la chambre du carburateur, qui peut avoir la forme d'une cuvette cylindrique.- Le tube central est
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prolongé jusqu'au fond de la cuvette et percé à son extrémité de nom- breux petits trous, introduisant progressivement le mélange comburant dans le nuage.- Le cylindre de la cuvette est prolongé par le troisiè- me tube qui forme l'enveloppe extérieure de l'appareil.
L'espace annulaire entre le second et le troisième tube sert à l'évacuation des gaz combustibles du carburateur.
Le second tube prend la température des gaz/circulant à contre- courant avec le nuage, qui devient incandescent.
On peut intensifier le transfert de calories des tubes en mu- @ nissant leurs surfaces d'ailettes hélicoïdales ou longitudinales.
En augmentant le nombre de tubes concentriques, les espaces annulaires supplémentaires peuvent servir d'échangeur de températures entre le mélange comburant et les gaz combustibles, ceci a l'avantage de raccourcir la longueur nécessairedes tubes en ne donnant à l'ensem- ble de l'appareil qu'un diamètre légèrement supérieur.-
L'intensité des réactions devient telle que les farines sont presque instantanément dissociées et deviennent incandescentes.- Les gaz refroidis quittant; l'appareil, passent par un épurateur qui élimi- ne les poussières cendreuses. Ce combustible parfait peut servir à a- limenter un moteur à gaz ou être insufflé dans une chambre de combus- tion.
En juxtaposant une série de ces appareils, on obtient des u- nités à très grands débits, peu pesantes et encombrantes, qui peuvent facilement se loger sur des camions, des locomotives ou à bord de na- vires.
Pour le transport des farines, on peut employer comme agents véhiculaires des gaz inertes pouvant avoir jusque 500 C, p. ex. de l'azote mélangé à de l'acide carbonique et, ou de la vapeur d'eau sur- chauffée.
On devra tenir compte de la quantité de CO2 et, ou de H2O employée comme agent véhiculaire.
En faisant le mélange comburant, il est évident que la somme de ces deux apports d'oxygène combinés (CO2 + H2O) interviendra dans
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le dosage du mélange comburant.- Cette introduction en deux étapes n'influence en rien la marche du procédé.
L'ensemble des cycles thermiques présente le bilan suivant : Les pertes par imbrûlés dans les cendres sont inférieures à celles ré- alisables par combustion directe ou par gazogène. Ceci résulte du trai- tement des cendres à une température inférieure à leur point critique.
Les pertes, dites de cheminée, seront inférieures, par suite de la teneur plus élevée en acide carbonique des gaz quittant la cham- bre de combustion. - On peut arriver en employant des brûleurs multi- cellulaires à maintenir le CO2 à env. 17 - 18%, ce qui représente un coefficient d'excédent d'air de 1,1 à 1,15 au lieu de 1,6 à 2.- On peut d'autre part préchauffer l'air de la combustion proprement dite @ à des températures bien supérieures à celles actuellement réalisables, ce qui permet de pousser impunément la température des chambres de combustion tout en abaissant la température des gaz évacués par la cheminée.
Les pertes par poussières folles et par gaz imbrûlés dis- paraissent entièrement par suite de l'emploi d'un combustible gazeux dépoussiéré ayant parfait ses mutations avant son admission dans la chambre de combustion.
En fin de compte, il reste la perte des chaleurs latentes des gaz de distillation, qui est compensée par la récupération des sous- produits d'une valeur marchande bien supérieure à celle représentée par les calories soutirées de ce fait au cycle.
Abstraction faite de cette opération rémunératrice, le rende- ment du cycle complet atteint 88 à 90%.
Ayant expliqué les caractéristiques qui distinguent mon procé- dé de ceux utilisés à ce jour, l'appareillage servant à le réaliser et les avantages en résultant, je conclus par les revendications sui- vantes :
REVENDICATIONS.
EMI13.1
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**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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for a FRACTIONED COMBUSTION PROCESS, NOWING THE CARBONING TEMPERATURE LOWER THAN THAT OF
SOFTENING OF ASHES.
The object of the present invention is a combustion process characterized by the temperature of transformation of carbon into its monoxide, which is maintained artificially below that of softening of the ash by involving endothermic reactions and by evading the reactions. exothermic effects of the superoxidation phase.
- This process makes it possible to easily remove the ashes between the two oxidation phases (CO-C02) before their slagging could cause damage and interfere with the operation of the heating devices.
Ashes are, even in small quantities, harmful parasites, because they soften at temperatures lower than those produced by the oxidation of carbon to CO and a fortiori to CO 2
The pasty state of the ash is generally reached between 11 (0 and 1270 C.-
The primary oxidation of carbon to CO releases, by using the corresponding quantity of air at zero degrees,
enough heat to raise the temperature above 1300 Ce
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The temperature of the theoretical combustion of carbon in Co2 exceeds 23000C.
When the combustion air is preheated, eg by waste heat recovery devices, the operating temperatures rise correspondingly and exceed the critical ash point even further.
The combustion systems on grate or by pulverized coal are obliged to slow down the operating temperatures of the combustion chambers by blowing a considerable excess of air (60 to 100%).
This expedient lowers the efficiency of the thermal cycle and decreases the transfer of heat to the heating surfaces.
The proportion of air that must be blown into indirect combustion systems by gasifiers being strictly limited, it cannot be increased under any circumstances.
The heat balance of these devices gives excess calories in the ash accumulation zone. To decongest this area, two expedients are used, namely:
The cooling of the periphery of the tank in the critical zone by water circulation jackets and the injection of water vapor in considerable quantities under the grid.
These remedies, applied to the detriment of performance, are only palliatives which cannot radically eliminate the difficulties because they do not allow the temperatures to be regulated exactly.
The pyrogenation of ashes is an inevitable evil in any process, the various phenomena of which precede combustion take place in a common laboratory, where the phases become entangled as a result of the continuous displacement of the various reaction zones.
The fundamental defect of gasifiers is that the current of combustion air is blown into a zone where the incandescent mass of ash no longer contains sufficient carbon; air therefore passes through it in considerable excess.
The heat given off by the overoxidation of these layers considerably increases their temperature; without the injection of con-
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astounding steam, the ashes would be liquefied.
The permeability of the layers is, owing to the irregularity of the fuel screening, for irregular; as the gases seek to make their way through the interstices presenting; the slightest resistance, it follows that the composition and the temperature of the gases will vary in the same vertical section of a layer.
Since the heavier grains flow towards the periphery of the tank, the gas samples taken as they leave these very permeable beds contain a high percentage of carbonic acid and water vapor, which does not 'have been able to dissociate. These phenomena are aggravated in the area of ash accumulation by the formation of bottom ash, which increases resistance and deflects air currents.
The superoxidation zone is followed by a dissociation zone at decreasing temperature, but which would remain above 1300 ° C., if one did not use the cooling expedients indicated above.
Direct combustion here, indirect combustion there, the problem of ashes remains unresolved and requires a radical solution without resorting to agents that waste calories.
The only effective remedy is the methodical localization of the phases, allowing the elimination of ashes at an easily adjustable temperature, not reaching their softening point.
This separation can only take place effectively between the two oxidation phases (CO and Co2) i.e. around 1000 C.
To achieve this elimination, it is necessary and sufficient: first: That the two oxidation phases are located in two very distinct zones, avoiding overoxidation of the first phase.
Second: That the temperature of the first phase be maintained artificially below the ash softening point.
Third: That the endothermic agent introduced absorbs the excess of calories released by the reaction 2C + 02 = 200, restoring them entirely to the cycle without reducing its overall efficiency.
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We have seen that the heat of reaction will superheat the mass to a temperature "X" greater than 1 "00 C, but since we must keep it at a temperature" Y "a little below the critical point of the ash, the excess calories to be absorbed will be represented by the formula: (X - Y) multiplied by the specific heat and by the weight of the materials present.
We know of various endothermic reactions which transform carbon into Co eg the action of carbonic acid or superheated water vapor on glowing carbon.
The combustion gases having given up their heat to a heating appliance provide us with a free ready-made mixture of these reagents, we only have to reintroduce them into the cycle of the present process by mixing them in a judiciously to a certain proportion of air.
The equilibrium to be established is given by the relations: a.x (C + CO2) = 2a CO - a. 38.8 Cal. b.x (C + H2O) = b. (CO + H2) -b.28.4 "c.x. (C + 0) = c. CO + c. 29.4"
The sum of the calories of these three equations must be equal to the heat necessary to bring the masses present to the temperature "Y". - The calories absorbed by the first two reactions must, on the other hand, be equal to the value (X - Y) multiplied by the specific heat and by the weight of the materials present.
The water vapor content of the combustion gases is very constant for a given coal and generally not very important.
Their CO content is slightly variable and can reach 17 to 18% in gas heating combustion chambers.
The free oxygen content of the gases varies according to their CO2 content; it will always be insufficient, so that a well determined quantity of atmospheric air will have to be mixed with the reaction gases. By varying the proportions of this mixture, the operating temperature of the gasification zone can be perfectly adjusted.
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This adjustment can even be done automatically, by reacting a thermostat on the air inlet register in the mixer; a slight increase in temperature will suffice to reduce the air supply and vice versa.
Knowing the data of a problem, i.e. the average composition of the gases which it is desired to use as reagents and the temperature. When the ash is softened, the proportion of air needed to add to the gas can be calculated. This proportion remains invariable for all the gasification stages.
The efficiency will be higher the more the mixture will reintroduce the heat lost into the cycle.
This calorie intake will increase the value (X - Y), whereby the quantity of free oxygen in the mixture will have to decrease relative to the quantity of its combined oxygen; the heat output of the gas obtained will increase.
The process therefore has the great advantage of being able to reincorporate part of the low potential calories, which are lost in any thermal cycle.
A source of losses in gasification processes comes from the distance from the gasifiers to the combustion chambers - When the centralization of the carbon mutation equipment does not allow my devices to be placed directly next to or below the combustion chambers the oxidizer mixture can be preheated by cooling the fuel gases by means of temperature exchangers of a standard type.
The value of (X - Y) will increase considerably, so that we can increase in the equilibrium formula the proportion a + b - c
It can be seen that the process is very flexible and makes it possible to considerably improve the efficiency of the thermal cycles, while eliminating the serious nuisances of ashy parasites.
The process retains all the indisputable advantages of gas heating, which reduces the excess air in the cycle by more than a third.
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The reactions employed to carry out my process are known, but I bring them into play in an absolutely different way from their vagabond intercurrence in known processes.
Letting go, at the risk of uncontrollable contingencies, is replaced by a process perfectly mastered in all its phases.
The carbonic acid no longer comes from an unstable zone of the gasoline, but is withdrawn at the end of the stroke of any heating device, or possibly from the exhaust pipe of a gas engine.
It is admitted in strictly adjustable quantity and serves both as an endothermic agent and as an independent oxidizer.
These reactions are not the fatal consequence of blowing all the air into initial zones that are too low in carbon.
The water vapor involved in the reactions is not a foreign agent, but comes from the combustion water and possibly from the drying of the fuel. Instead of causing a considerable loss, it brings on the contrary calories which would be lost, while releasing hydrogen which increases the calorific power of the gas. It no longer plays a preponderant role, but a secondary one.
The ash separation takes place before the temperature has been able to exceed the critical softening point by overoxidation of the carbon.
The process allows the combustion mixture to be preheated without danger and thus reincorporates low potential calories into the cycle.
The description of the apparatus employed will explain how the distribution of the oxidizing mixture in the mass of the incandescent carbon is achieved, in order to bring very small quantities of reaction gas into direct contact with large surfaces of carbon, thus avoiding the defects of irrational penetration of air into the mass of coal.
It remains for me to explain the accompanying drawings, which represent a model of the apparatus employed.
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Given the many specific cases which can arise as a result of the great variety of fuels to be treated and the various thermal cycles which can occur, the apparatus can be supplemented accordingly.
The method is therefore not limited to the use of the apparatus described.
Figs. 1 and 2 represent two vertical sections of a common device. The fuel is loaded through the opening "x", closed by any device. The apparatus is filled with horizontal trellises, of which the screens of the even floors are placed at right angles to those of the odd floors. These screens are characterized by the concave profile of their lower face.
The coal descends in small cascades, spreads out at each level in thin layers, and thus winds from floor to floor. A furrow is formed under each screen, the depth of which depends on the profile of the trellises and the angle of the fuel flow. We tighten the interstices between the trays according to the fine. grains of the charcoal in the oven. The concave part of the trays, corresponding to the location of the grooves, leaves many voids crossing the mass right through.
By placing the parallel racks of the various stages in a staggered manner, their upper edges cut the fuel layer in two, sliding from one stage to another, overturning it. The particles which formed the lower part of the sheet come to the surface on the next level and so on from level to level, so that they are turned over on all their faces.
The furrows of the upper stages serve on the one hand to gradually heat the fuel and, on the other hand, to evacuate the vapors and the volatile distilled matter. The heating racks "e" to "e6" have the same profile as the others, but are closed at their lower part, following the sides of the furrows, so that their surface is entirely surrounded by fuel.
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Inside the closed chambers, part of the hot gases coming from the lower zone of pdmaire oxidation of the fixed carbon to CO is circulated. The temperature of these gases withdrawn through line "r" is of the order of 1000 ° C., the quantity passing through the heating racks is regulated by a valve "s". The fuel is heated gradually by circulation in cross counter-currents.
The gases are subdivided in the chamber "p" which supplies the screens of the profile "b" of the stage "e6," they are led to the screens of the stage "e5" by the chamber "w" and pass successively through w1 - e w2- e3- w3- e2- w4- e1- w5- e, to be evacuated at around 200 C via line "h". These cooled gases are then combined with the main gas stream from line "r" to go to the combustion chamber proper, where they burn to CO2 + HSO. This combustion chamber is not shown in the accompanying drawings, because it forms an integral part of a boiler, furnace, gas engine, etc. My appliance can be placed below this combustion chamber, be attached to it, or communicate by pipe "r".
The vapors coming from the drying are sucked by a blower "i" which creates a slight depression in the chamber communicating with the screens "f" and "f1". These are placed in the opposite direction between the racks "e" to "e6" and communicate with the voids, left by the columns.
All the mass being crossed by superimposed networks of these arteries, the vapors are immediately evacuated, which accelerates the drying phase, considerably. As the fuel is spread out in very fine sheets, constantly inverted from floor to floor, all the particles come into contact with the heating surfaces and quickly absorb the necessary calories.
In the next phase, called distillation, the temperature of the fuel gradually increases, the volatile materials released by the dissociations are removed in their nascent state. No destruction of volatile matter can occur by pyrogenation, which is generally the case in column apparatus, with cor-
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bare or in the carbonization chambers - Depending on the nature of the fuel treated and the subsequent treatment of the volatile matter, the various fractions can be discharged separately -
In the appended drawings, I have only provided for the independent discharge of the fractions distilling between 120 and 450 C and between 450 and 800 C. The volatile products of the aliphatic series are thus sufficiently separated from those of the aromatic series,
this facilitates hot washing and condensation operations.
In the following zone, the extraction of ammoniacal gases can be activated by injecting a little superheated water vapor into the incandescent coke.
Having gone through the endothermic sones, we enter the exothermic zone, representing the first phase of combustion.
The screens "y4)" y5) "Y6" and II 94 II II serve as arteries for distributing the oxidizing mixture, the role, composition and thermal conditions of the reactions of which I have already explained.
The number of shelves of the racks in each zone indicated in the drawings does not naturally correspond to reality. Given the small dimensions of the official format of the drawings, the profile of the racks could not have emerged by increasing the number of floors.
To obtain a good distribution of the particles of the oxidizing mixture, the latter is blown through the pipes "t1 to" t2) etc. in the distribution chamber which goes all around the device. This supplies the arteries of the various stages of screens "y4" "y5" "y6" and Il 94 "g5" by their two ends.
Since the carbon content decreases from stage to stage i.e. as the mass becomes more and more ashy, the arteries must gradually distribute less oxidizing gas. This is easy to fix, par. ex. by reducing by any means the gas passage sections in the various stages of the screens. The current of the fuel mixture is thus divided into numerous streams distributed over a large number of stages and penetrates in a determined quantity into each layer of carbon, which is spread between the various stages.
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ges of hurdles.
The oxidizing mixture containing nitrogen, carbonic acid, a little water vapor and oxygen, in proportions determined by my process, therefore comes instantaneously in contact with an excess of carbon and 'hydrogen, accompanied by nitrogen which remains unaltered.
This gas passes through the carbon layer without increasing the ambient temperature. The heat balance of these reactions being kept in equilibrium by the dosage of the mixture as a function of its temperature, the temperature of this zone can be adjusted as desired.
The ash accumulates in a pulverulent state in the lower part of the apparatus and is discharged by any means of common application, eg by a rotary hearth "v" with a hydraulic seal.
The vapors sucked from the upper part of the apparatus by the blower "i" are injected by a pipe "j" and reversed nozzles "k" into the mass of the incandescent ashes and dissociate The injection of this vapor, coming from the the drying of the fuel has no effect on the efficiency of the thermal cycle.
If the treated fuel does not justify the recovery of the by-products from the distillation zone, the gases from this phase can be re-blown into the ash zone; this has the advantage of dissociating the hydrocarbons and of supplying an ideal combustion gas which does not clog the appliances with deposits of stovetop.
The oxidizing mixture is blown into the conduits "t1" "t2", for example by a compulsor, which sucks the desired proportion of gas from a discharge duct of exhausted gases from any source. - The adjustment is made by common construction components.
Depending on the conditions of the thermal equilibrium to be achieved in the chamber of the first combustion phase, the reaction gases can be withdrawn in one pass of a heating device and the temperature of the mixture increased as desired.
When the appliance transforming the raw fuel into perfect fuel must be installed at a certain distance from the appliances
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heating, it is possible to insert a heat exchanger, which cools the gases evacuated through line "r" and preheats the reaction gases blown in through lines "t1" "t2".
The mass of the fuel mutation apparatus being carefully isolated, the calorie losses are almost zero.
If it is desired to treat finely pulverized fuels by dispensing with the recovery of by-products, the apparatus can be simplified. Its dimensions will decrease considerably as a result of the infinitely large contact surfaces which precipitate the reactions. - However, the process phases remain the same; charcoal flour preheated up to around 900 dissociates and distils its volatiles, forming a cloud of impalpable particles of coke which remains in suspension in the volatile matter released.
The endothermic oxidizing mixture is then introduced into this cloud in small successive doses, while observing the principles characterizing the present process. The combustible material, after having completed its mutation phases, preceding the actual combustion, is transformed in the carburetor into CO + H2. - The operating temperature of the carburetor is maintained below the critical point of the ash by adjusting the mixture according to the equilibrium formulas forming one of the criteria of my process.
The latent heat of the gases, leaving the carburetor, is used to preheat the cloud of coal flour to 900 C by direct contact.
The apparatus is reduced under these conditions to three concentric tubes, eg made of very refractory stainless alloys.
In the central tube, the combustion mixture is blown, (e.g. from the exhaust gases of a gas engine at 300 to 450 C mixed with an appropriate amount of air), and into the annular space between the first and second tube, the cloud of coal meal is introduced.
These two tubes terminate in the chamber of the carburetor, which may have the shape of a cylindrical cup. - The central tube is
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extended to the bottom of the cuvette and pierced at its end with many small holes, gradually introducing the oxidizing mixture into the cloud. - The cylinder of the cuvette is extended by the third tube which forms the outer casing of the device.
The annular space between the second and the third tube serves to evacuate the combustible gases from the carburetor.
The second tube takes the temperature of the gases / flowing against the current with the cloud, which becomes incandescent.
The heat transfer from the tubes can be intensified by modifying their helical or longitudinal fin surfaces.
By increasing the number of concentric tubes, the additional annular spaces can serve as a temperature exchanger between the oxidant mixture and the combustible gases, this has the advantage of shortening the necessary length of the tubes by not giving the whole length. device than a slightly larger diameter.
The intensity of the reactions becomes such that the flours are almost instantaneously dissociated and become incandescent.- The cooled gases leaving; the appliance, go through a scrubber which removes ashy dust. This perfect fuel can be used to power a gas engine or be blown into a combustion chamber.
By juxtaposing a series of these devices, one obtains units with very high flow rates, not very heavy and cumbersome, which can easily be housed on trucks, locomotives or on board ships.
For the transport of flour, inert gases which can have up to 500 C, p. ex. nitrogen mixed with carbonic acid and, or superheated water vapor.
The quantity of CO2 and / or H2O used as a carrier must be taken into account.
By making the oxidizer mixture, it is obvious that the sum of these two combined oxygen inputs (CO2 + H2O) will intervene in
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the dosage of the oxidizer mixture. This introduction in two stages has no influence on the progress of the process.
All the thermal cycles show the following results: The losses by unburnt materials in the ashes are lower than those achievable by direct combustion or by gasifier. This results from treating the ashes at a temperature below their critical point.
The so-called stack losses will be lower as a result of the higher carbonic acid content of the gases leaving the combustion chamber. - By using multi-cell burners, it is possible to maintain the CO2 at approx. 17 - 18%, which represents an excess air coefficient of 1.1 to 1.15 instead of 1.6 to 2.- It is also possible to preheat the combustion air itself @ at temperatures much higher than those currently achievable, which makes it possible to increase the temperature of the combustion chambers with impunity while lowering the temperature of the gases discharged through the chimney.
The losses by loose dust and unburnt gas disappear entirely as a result of the use of a dust-free gaseous fuel which has perfected its mutations before its admission into the combustion chamber.
In the end, there remains the loss of the latent heat of the distillation gases, which is compensated by the recovery of by-products of a market value much higher than that represented by the calories thus withdrawn in the cycle.
Excluding this remunerative operation, the efficiency of the complete cycle reaches 88 to 90%.
Having explained the characteristics which distinguish my process from those used to date, the apparatus used to carry it out and the resulting advantages, I conclude with the following claims:
CLAIMS.
EMI13.1
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