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"Procédé de carbonisation de matières carbonacées".
La présente inventio concerne le procédé consistant à carboniser des matières solides subdivisées en les introduisant en un courant, régu- lièrement ou par intermittences, dans une masse fluidifiée de matières so- lides chauffées de petites dimensions, avec possibilité de récupération de sous-produits de la carbonisation.
En bref, le procédé consiste à flui- difier une masse de matières solides.finement divisées, qui peut renfermer ou comprendre du coke, du carbon ou d'autres combustibles solides, dans une chambre fermée, en provoquant le passage d'un fluide aériforme à tra- vers la masse, à chauffer la masse par l'application appropriée de cha- leur comme c'est ici décrit complètement, et alors que la masse est enco- re chaude et à l'état fluidifié, à introduire la matière à carboniser dans un état de subdivision approprié, tout en continuant entretemps le passage du fluide aériforme dans l'ensemble.
Quelques-uns des buts de l'invention sont les suivants: 1) Le contrôle absolu de la température de carbonisation, sans sacrifier la capacité (quantité passant par unité de temps).
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2) Contrôle efficace de la vitesse de chauffage de la matière en traite- ment, sans grand investissement de capitaux et sans sacrifier la capa- cité.
3) La récupération d'un rendement élevé de sous-produits, y compris des matières condensables, hors des matières en traitement.
4) Diminution des pertes de chaleur et de la quantité nécessaire pour le traitement.
5) Diminution du temps requis pour la carbonisation.
6) Frais de traitement moindres pour le charbon, les schistes et les substances analogues.
7) Augmentation de la quantité de matières passant par unité d'investisse- ment.
8) Diminution du degré de cracking des matières condensables développées pendant la carbonisation.
9) Rendre possible la carbonisation de combustibles solides de petites dimensions habituellement perdues dans les mines, parce qu'un équipe- ment d'un prix réduit, ayant une capacité de passage élevée, n'est pas disponible.
10) Fournir un procédé unique par lequel un combustible peut être écono- miquement carbonisé à température élevée ou à basse température, par de la chaleur appliquée directement.
11) Expulsion rapide des matières volatiles de solides ou de liquides à une température déterminée et réglée.
D'autres buts apparaîtront au cours de l'exposé fait ci-après.
Ce brevet est un développement d'un autre brevet pour "un procédé de traitement de matières" déposé en Amérique sous le N 414.710 (réédité comme brevet américain ? 21526), qui décrit d'une manière générale les caractéristiques du procédé et montre un appareillage pour sa réalisation.
Dans la carbonisation du charbon, du lignite, du schiste ou d'au- tres matières carbonacées, la question du transfert de chaleur dans les matières à traiter présente de nombreux obstacles, particulièrement lors- qu'on désire un rendement thermique élevé ou lorsqu'il est essentiel de
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récupérer un rendement maximum de sous-produits condensables. Dans la oar- bonisation de nombreuses matières, il est souvent essentiel d'empêcher le surchauffage de parties de la matière en traitement. On a l'habitude en pratique d'effectuer la carbonisation dans un appareil réfraotaire, en transférant la chaleur à la matière à traiter à travers un corps non con- ducteur ou assez mauvais conducteur.
Parce que la vitesse de transfert de la chaleur et, par conséquent, la capacité de carbonisation dépendent de la différence de température entre la paroi interne et la paroi externe du carboniseur, on a trouvé qu'il est économique et, dans beaucoup de cas, nécessaire de maintenir une température élevée à l'extérieur de,la.paroi réfractaire du carboniseur en vue de maintenir une quantité passant par unité de temps compatible avec les frais de construction et les frais de fonctionnement du carboniseur.
Il est ainsi fréquent de trouver qu'un quipement initialement établi pour la carbonisation à basse température d'un combustible solide peut être mis en fonctionnement plus économique- ment à des températures élevées, parce qu'on obtient ainsi un plus grand passage; mais le rendement en sous-produits condensables est habituelle- ment réduit notablement par cette façon de procéder. Il semble qu'il n'est pas économique de carboniser des combustibles solides à des températures définies en les chauffant, alors qu'ils sont contenus dans une chambre réfractaire, par l'application extérieure de chaleur.
Ceci est vrai plus particulièrement dans la carbonisation à basse température de combusti- bles, c'est-à-dire à des températures de 500,600, 700 ou 800 ,centigrades Le rendement maximum en sous-produits condensables est obtenu seulement lorsqu'on empêche un chauffage excessif du combustible, à la connaissance des présents inventeurs. Dans l'équipement employé habituellement pour carboniser les combustibles, il est difficile de chauffer le centre des pièces individuelles de combustible en traitement, sans chauffer à l'ex- cès les surfaces extérieures.
Lorsque le combustible est broyé à des di- ,mens ions fines dans le but d'éliminer cette difficulté, toute la masse fonctionne comme isolateur de chaleur; les parties extérieures, c'est-à- dire celles en contact avec les parois chaudes, sont habituellement
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chauffées à une température élevée avant que la partie intérieure de la masse ait été chauffée au-dessus de 100 C. Des essais faits pour surmonter cette difficulté en abaissant la vitesse de chauffage, (la vitesse d'ap- plication d'énergie thermique) ont eu pour résultat, à la connaissance des présents inventeurs, une augmentation prohibitive des frais dans les car- boniseurs par tonne-jour de la matière les traversant.
D'autres essais pour surmonter ces difficultés comprennent:
1) la diminution d'épaisseur de la masse de combustible en traitement;
2) le passage du combustible convenablement broyé à travers la zone chaude, alors qu'il est retenu sur des supports métalliques. A la. connais- sance des présents inventeurs, ces efforts et d'autres semblables n'ont pas été,entièrement satisfaisants au point de vue économique ni au point de vue technique. On pense qu'à cause de difficultés du transfert de la chaleur, le développement industriel du procédé de carbonisation à basse température avait jusqu'à présent été retardé. En appliquant le présent procédé, on peut atteindre les résultats recherchés à peu de frais, et avec un rendement plus élevé que celui obtenu dans certains des procédés actuellement en usage industriel.
Ceci est réalisé avec un contrôle sensi- blement absolu de la température par le passage d'un fluide chauffé de bas en haut à travers une masse de matières solides finement divisées et de préférence de dimensions uniformes, contenues dans une chambre appropriée, à une vitesse destinée à la faire rester dans un état de mouvement en sus- pension dans le fluide à l'intérieur de la chambre, la masse ayant, dans un état fluidifié, l'aspect d'un liquide en ébullition, et par l'introduo- tion dans cette masse, à une vitesse réglée, de combustible solide de di- mensions appropriées.
Les matières solides peuvent être constituées par le combustible à traiter, un produit de carbonisation de celui-ci ou d'au- tres matières; elles peuvent être combustibles ou non combustibles, oata- lytiques ou non-catalytiques, pour les réactions impliquées. Le fluide utilisé pour maintenir la masse de solide dans un état fluidifié, qui est de préférence un fluide aériforme, peut comprendre des gaz de combustion, des gaz inertes ou des gaz contenant de l'oxygène, un mélange de gaz
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combustible avec un gaz contenant de l'oxygène ou un autre fluide.
Le com- bustible ajouté à la masse fluidifiée peut être déversé dans celle-ci
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" ... .t d'une manière continue ou par intermittences, et l'état de fluidité peut être maintenu jusqu'à ce que l'état désiré de carbonisation ait été at- teint, ou bien il peut être interrompu avant que le degré de carbonisation ait été obtenu. Il est nécessaire, ou tout au moins préférable dans le fonctionnement du présent procédé, de maintenir la vitesse vers le haut de la matière fluidifiante (le fluide) plus grande qu'une vitesse minima définie, aussi longtemps que la masse est maintenue à l'état fluidifié.
Cette vitesse minima varie suivant les dimensions moyennes des particules de matière solide, la densité de la matière constituant une particule, la densité du fluide aériforme employé et d'autres facteurs, mais peut être définie comme étant ]sa "vitesse de soulèvement", c'est-à-dire la vitesse nécessaire pour soulever les particules contre la force de la pesanteur.
Si on considère les particules des matières solides comme des sphères, la vitesse minima peut avoir approximativement la formule mathématique suivante:
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V BRDG à dans laquelle V = la vitesse du fluide aériforme exprimée en centimètres par seconde; R = le rayon moyen des particules du solide fluidifié, en centimètres, D = la densité de la matière solide composant les particules, d = la densité du fluide aériforme et G = l'accélération due à la pesan- teur, exprimée en unités C.G.S. Une vitesse d'écoulement 'beaucoup plus grande que celle indiquée par la formule ci-dessus peut être employée dans le présent procédé, la valeur dépendant des dimensions moyennes et de l'uniformité des dimensions des particules de combustible, ainsi que de la densité apparente des particules.
Dans le cas d'une grande variété de dimensions, c'est-à-dire d'un manque d'uniformité des dimensions, on atteint un point où, lors de l'augmentation de la vitesse d'écoulement, les dimensions les plus fines sont soufflées hors de la masse fluidifiée et entraînées dans le fluide.
La fig. 1 du dessin montre schématiquement en élévation une forme
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d'appareil dans laquelle la présente invention peut être mise en pratique; une partie de la chambre de réaction est découpée pour montrer l'intérieur en coupe.
Sur cette figure, 1 est une chambre de réaction comportant un ori- fice d'entrée 2 pour introduire des matières solides subdivisées, avec une vanne de commande 3, un diaphragme poreux 4 qui est perméable pour le passage d'un courant gazeux à travers le diaphragme, une charnière de sup- port 5, un départ des gaz,6 avec vanne de commande 1, un départ secondai- re des gaz 8 destiné à l'enlèvement des gaz d'échappement et pourvu d'une vanne 9.
une admission d'air 10 pour introduire d.e l'air dans la chambre et munie d'une vanne de commande 11, une admission de vapeur 12 munie d'u- ne vanne de commande 13, une admission de gaz 14 pourvue d'une vanne de commande 15, un orifice de sortie 16 pour l'enlèvement des matières soli- des qui,alors qu'elles sont enfermées dans 1, sont à l'état fluidifié, avec une vanne de commande 17, un orifice de sortie à la base 18 avec vanne de commande 19, et une porte de nettoyage ou d'évacuation secondai- re 20. La masse de matières solides fluidifiée est représentée en 21.
Bien qu'on dépende, dans la mise en pratique du présent procédé, d'un chauffage interne, il est reconnu que la capacité calorifique de la plupart des fluides aériformes est basse. Ceci signifie naturellement que .de grands volumes de gaz (fluide) doivent être mis en circulation à tra- vers la masse de matière en traitement, en vue de lui apporter une quan- tité de chaleur équivalente à celle développée pendant la, combustion d.'un volume relativement très petit de combustible. Un moyen de fournir la chaleur nécessaire comprend la mise en circulation d'un gaz contenant de l'oxygène dans la masse fluidifiée, ce qui maintient une combustion ré- glée dans celle-ci. Dans ce cas, la chaleur rqquise peut être dérivée de la combustion d'une partie du combustible solide eyistant à l'état flui- difié.
Le fluide peut comprendre un gaz combustible et un gaz contenant de l'oxygène, mélangés en proportions définies dans le but de fournir une quantité définie de chaleur aux matières solides fluidifiées; dans ce cas, le gaz combustible est brûlé en fournissant de la chaleur néces-
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saire. La chaleur peut être fournie électriquement et intérieurement par l'emploi d'un noyau magnétique ou.d'autres moyens connus dans la techni- que électrique. L'attention est attirée sur le fait que les objections citées contre le chauffage extérieur à travers les parois réfraotaires ne s'appliquent pas à cette dernière méthode de chauffage, parce que les matières en traitement sont dans un état constant da mouvement et que la masse étant fluidifiée, ne fonctionne pas comme un isolateur de chaleur.
Bien qu'il soit possible de carboniser les matières en appliquant de la chaleur intérieurement, extérieurement ou à la fois intérieurement et ex- térieurement avec ou sans combustion se produisant dans la masse fluidi- fiée, les présents inventeurs préfèrent ne pas se limiter à une méthode particulière de chauffage. Ils estiment que le procédé est brevetable et nouveau, quelle que soit la méthode de chauffage. En d'autres termes, ils estiment qu'il est nouveau de mélanger du combustible dans un état fine- ment divisé à une masse fluidifiée de matières solides chauffées, fine- ment divisées et de préférence calibrées, a travers laquelle on fait cir- culer un fluide,et de le carboniser dans cette masse de matières solides chauffées ou sensiblement en contact avec elle.
On préfère employer habituellement dans le présent procédé des matières solides calibrées ayant un diamètre moyen de 1/8 de pouce à 1/2 pouce, bien que des dimensions plus grandes ou plus petites puissent être employées de façon satisfaisante. Il est fréquemment préférable que les matières solides comprennent un combustible solide tel que du coke de pétrole, du charbon de bois, du coke, de l'anthracite ou d'autres ma- tières carbonacées. Lorsqu'une ou plusieurs de ces matières sont employé comme masse fluidifiée dans le présent procédé, l'opération de chauffage et la température se règlent facilement par le réglage de la quantité de gaz contenant de l'oxygène mise en circulation a travers la masse, ou par le réglage de la quantité de gaz combustible et de l'oxygène mis en circulation dans la masse.
Lorsqu'on désire carboniser des combusti- bles se cokéfiant, il est préférable de les introduire dans la masse fluidifiée avec un état de finesse sensiblement égal à celui des matières
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solides fluidifiées ou moindre que celui-ci. Lorsqu'une grande quantité de combustible se cokéfiant est introduite rapidement dans une masse de matières solides fluidifiées chauffées et que l'écoulement de fluide (l'agent fluidifiant) est interrompu un peu après, le combustible se cokéfiant, forme tors' de la carbonisation, une masse solide contenant les matières solides en dispersion.
Le degré de cokéfaction dépendra évi- demment de la quantité de chaleur fournie au combustible se cokéfiant, et celle-ci à son tour dépendra de la durée de l'écoulement de l'agent fluidifiant après l'addition du combustible se cokéfiant, et des masses relatives de ce combustible et des matières solides fluidifiées.
Lorsqu'- on désire faire un produit de cette nature, une masse homogène s'obtient lorsque les matières solides fluidifiées sont composées de petits mor- ceaux de coke résultant de la carbonisation du combustible traité. lors- qu'on désire au contraire employer du combustible ne se cokéfiant pas pour la production d'un coke, on peut obtenir le résultat en fluidifiant ces combustibles ne se cokéfiant pas dans une chambre appropriée avec un moyen approprié d'appliquer de la chaleur, et en y introduisant assez rapidement la quantité déterminée de combustible se cokéfiant broyé de façon appropriée, en continuant l'application de chaleur et l'écoulement de l'agent fluidifiant pendant une période de temps trouvée par expérien- ce comme désirable,
et en interrompant alors l'écoulement de l'agent fluidifiant avec ou sans interruption de l'application de chaleur et en formant par l'action de cimentation du combustible se cokéfiant, une mas- se solide constituant sensiblement un coke. Lorsque ce résultat est dé- siré, le coke a une meilleure qualité pour ce qui concerne la friabilité lorsque la dimension moyenne des particules de combustible se cokéfiant employé est plus petite que celle des matières solides fluidifiées.
Lorsqu'on, désire empêcher la cimentation du combustible et des matières solides fluidifiées en une masse solide, le combustible calibré sera introduit dans la masse fluidifiée à une vitesse modérément basse, de préférence continûment, avec application simultanée de chaleur.
On a trouvé qu'une masse fluidifiée de matières solides se com-
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porte comme un liquide par rapport à l'action de sustentation sur des solides introduits dans celle-ci; en d'autres termes, lorsque des matiè- res solides calibrées de poids spécifique plus grand que celui des ma- tières solides fluidifiées sont introduites dans la masse fluidifiée, elles tendent à descendre dans celle-ci, tandis que des matières ayant un poids spécifique moindre que celui des matières solides fluidifiées flottent sur celles-ci et restent dans un état fluidifié près de la sur- face, Lorsque du charbon est donc introduit dans une masse de coke chaud fluidifié, il tend d'abord à descendre dans celle-ci ;
mais dans la suite en s'échauffant et lorsqu'il développe du gaz, il tend de nouveau à s'é- lever dans la masse fluidifiée, Cette circulation est avantageuse, car elle maintient une température uniforme dans toute la masse. Il est im- portant de noter que lorsque les matières solides fluidifiées ont une densité beaucoup plus grande que le combustible à traiter, le combusti- ble ne reste pas seulement au sommet des matières solides fluidifiées, mais ces matières solides abandonnent l'état fluidifié en se déposant en @ une masse rigide au fond de la chambre de traitement lorsque la vitesse d'écoulement du fluide les traversant est réduite, le charbon restant à l'état fluidifié au-dessus de celles-ci.
On tire parti de ceci lorsqu'on emploie des matières autres que des combustibles comme matières solides fluidifiées et lorsque le combustible à traiter contient des quantités appréciables de pierres et de matières étrangères analogues. La chaleur peut être transférée de ces matières solides chauffées et déposées, par le simple passage de fluide dans celles-ci. En outre, un état de combus- tion peut être maintenu dans les matières solides déposées, et la cha- leur produite peut être utilisée dans le combustible fluidifié au-dessus de celles-ci moyennant l'emploi d'agents fluidifiants convenables.
Il doit être bien entendu que lors du passage d'un fluide de bas en haut à travers la masse fluidifiée de matières solides de matière carbonacée, sa composition peut être modifiée à volonté pendant le cours de la carbonisation. Par exemple, pendant les premières phases de la carbonisation ou dans une période précédant tout juste celles-ci et
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dans laquelle des matières solides sont chauffées, le fluide peut être composé de gaz combustible et d'un peu d'oxygène, tandis que dans une période subséquente la teneur en oxygène peut être réduite à zéro ou à peu près à zéro, et de la vapeur ou un autre fluide peut être substitué au gaz, ou bien on peut employer du gaz combustible seul.
Inversement, la vapeur peut être employée dans les premières phases du traitement de matières carbonacées et le gaz contenant de l'oxygène dans une phase ul- térieure, ou bien la vapeur peut être employée pendant toute l'opération.
De même, la température de la vapeur ou d'autres fluides employés peut être modifiée à volonté pendant le procédé, soit par chauffage, soit moyennant l'emploi d'un gaz contenant de l'oxygène tel que de l'air en mélange avec la vapeur ou le fluide en quantités variant avec réglage pendant le traitement. Après que le combustible a atteint une certaine température, une auto-oxydation se produit rapidement, accompagnée d'une élévation de température,et de cette manière la vitesse de carbonisation et la température atteinte dans la masse peuvent être aisément réglées par le réglage de la quantité d'oxygène contenue dans le fluide, La ré- action exothermique peut être une combustion naissante de la matière car- bonacée, une combustion réelle de celle-ci, une combustion de gaz au con- tact de celle-ci, ou une combinaison de ces processus.
Ce réglage de la température permet l'obtention d'un produit carbonisé à une température tellement basse qu'il peut être enlevé de la chambre de réaction dans un état convenant pour le moulage ou le briquetage sans liant, ce qui donne un combustible dense. L'application de pression à. la matière chauf- fée à une température modérée produit un combustible dense. La forme d'appareil employée dans ce but est sans importance pour cette applica- tion, bien qu'on ait reconnu que la masse peut être facilement compri- mée dans la chambre de réaction, particulièrement après interruption du courant de fluide.
D'autres fluides que ceux mentionnés peuvent être employés pour des effets spéciaux. On n'essaiera pas d'en donner une liste, parce que les revendications sont limitées aux caractéristiques larges considérées
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comme nouvelles. On peut employer toutefois des vapeurs d'acides, des gaz d'acides, de l'ammoniaque,, un mélange de plusieurs de ces corps avec de la vapeur ou de la vapeur'surchauffée, ou un fluide contenant des hy- drocarbures.
Lorsqu'on désire refroidir le produit carbonisé et fluidi- fié, on peut employer du Co2' des gaz de cheminée, de la vapeur ou un autre fluide, mais il est fréquemment préférable de faire passer de la vapeur à travers une chambre comme agent de refroidissement et d'employer la vapeur ainsi chauffée pour réchauffer la matière dans une chambre dif- férente séparée.
Lorsqu'une matière goudronneuse est introduite dans une masse flui- difiée de matière carbonacée comme constituant du fluide ou d'une autre manière, elle n'est pas seulement carbonisée, mais les produits de dis- tillation sont récupérables dans le gaz sortant. Du brai pulvérisé peut de même être carbonisé par le présent procédé; dans ce cas il ne fait de préférence pas partie de l'agent fluidifiant.
Si l'on utilise du schiste seul comme matière carbonacée,on peut le traiter comme suit: on commence l'opération en fluidifiant un coke calibré ou un autre combustible ayant des dimensions moyennes de parti- cules de 1/8 ou 1/4 de pouce de diamètre, en employant de l'air comme fluide aériforme et comme agent de fluidification.Un feu est allumé dans la masse et le soufflage de l'air est continué. Après que la masse fluidifiée de combustible a été chauffée à une température désirée, le schiste broyé et de préférence calibré, est introduit lentement dans la masse qui est un pseudo-liquide, et le soufflage est interrompu. De la vapeur ou d'autres gaz sont alors employés comme constituants principaux de l'agent fluidifiant.
Après que la matière volatile a été expulsée du schiste dans une forte mesure, le soufflage d'air est continué et chauf- fe la masse par combustion du carbone dans le résidu du schiste. Le cy- cle est répété, mais une partie du résidu est enlevée périodiquement.
Si l'on désire sacrifier le rendement en huile pour avoir une capacité élevée, l'air peut être employé continûment avec de la vapeur simplement moyennant variation des proportions suivant les désirs dans différentes
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phases,du procédé; on utilisera plus d'air pour des températures plus é- levées et plus de vapeur pour une température plus basse, et une plus forte distillation par de la vapeur. L'opération devient continue lorsque le schiste est ajouté lentement mais de manière sensiblement continue au pseudo-liquide et que le résidu est enlevé de manière sensiblement conti- nue. Le combustible solide peut être employé seulement lors du commence- ment de l'opération. Il n'est pas nécessaire d'employer de la vapeur, mais il est préférable de l'employer.
Certains charbons'peuvent être trai- tés d'une telle manière, particulièrement des charbons ne se cokéfiant pas ou dits non agglutinants.
Lorsqu'on emploie du charbon se cokéfiant et lorsque la dimension des morceaux introduits dans la masse fluidifiée est assez grande, plus grande que 3/8 à 1/2 pouce, il y a une tendance à la formation de grands morceaux de coke, même si la masse est en apparence à l'état fluidifié.
Les blocs se forment probablement par combinaison pendant les collisions dans le pseudo-liquide lorsque les particules sont à l'état plastique.
Ces morceaux tendent à se rassembler au fond, et si la vitesse du fluide n'est pas excessive, ils quittent le pseudo-liquide, c'est-à-dire qu'ils se déposent et ne sont plus à l'état fluidifié. Ces morceaux de coke sont plus denses que le coke ordinaire produit par chauffage du même charbon dans une cornue.
On trouve que lorsqu'une quantité de,charbon se cokéfiant est in- troduite assez rapidement dans une masse fluidifiée de coke chauffé, les particules de charbon étant plus petites que celles du coke et l'ensemble étant maintenu à l'état fluidifié pendant une courte période en même temps que le chauffage est continué, et étant ensuite autorisé à se dé- poser avant que la cokéfaction se soit produite, il se forme une masse de coke qui lors du concassage, ne forme pas de doigts.
L'expression "sensiblement carbonisée" employée dans les revendi- cations se rapporte à une matière carbonacée dont la matière volatile a été expulsée par application de chaleur et non nécessairement à un pro- duit complètement carbonisé. Lorsqu'il est désirable de traiter du
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charbon à 300 ou 400 C et d'enlever le produit, celui-ci est considéré comme "carbonisé',', mot qui est employé dans les revendications. Lorsqu'on traite des combustibles en vue du briquetage, il est désirable de les chauffer à une température maxima déterminée en vue d'empêcher la forma- tion'd'un produit de carbonisation abrasif ; en pareils cas le produit obtenu n'est pas un produit complètement carbonisé, mais il est considé- ré comme carbonisé.
L'expression "masse fluidifiée" employée ici et dans les revendi- cations, ne se rapporte pas à un gaz contenant des particules entraînées de matières solides tel qu'il se forme lorsqu'un combustible pulvérise est insufflé par de l'air dansun foyer pour la combustion; c'est un "pseudo-fluide" tel qu'on l'obtient en faisant passer un fluide aérifor- me de bas en haut à travers une masse sensiblement stationnaire de par- ticules de matière solide enfermées, calibrées, sensiblement uniformes, à une vitesse telle que les particules prennent une liberté limitée de mouvement, l'ensemble ayant des propriétés physiques semblables à celles d'un liquide en ébullition.
Les particules ne sont pas entraînées dans le fluide aériforme, mais sont en mouvement de vibration; le pseudo-li- quide (masse fluidifiée) ayant une densité beaucoup plus grande que celle du même fluide aériforme avec des particules entraînées du même genre de matière solide. Ainsi, dans une masse fluidifiée, le mouvement linéaire des particules est beaucoup moindre que .celui des particules entraîné dans un fluide gazeux, et de même la concentration des parti- cules (masse par unité de volume) est plus grande dans le premier cas que dans le second.
La "masse fluidifiée" peut être produite par l'ef- fet de vitesse du soufflage d'un lit stationnaire de matières solides (de préférence de matières solides calibrées uniformément) au moyen d'un fluide aériforme à une vitesse telle que les particules de ces.matières solides prennent un mouvement limité sans être entraînées dans le flui- de, ce.dernier passant de façon continue de bas en haut à travers la masse de matières solides. Ceci établit la différence entre la masse fluidifiée du présent brevet et d'autres formes de suspension. L'avanta-
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ge presque évident résultant de l'emploi de la masse dense fluidifiée est sa plus grande capacité de transport de chaleur par unité de volu- me du récipient que celle d'une suspension des m8mes matières solides entraînées dans le fluide.
REVENDICATIONS.
1. Un procédé pour la carbonisation à basse température d'une matière solide carbonisable, comprenant les caractéristiques consis- tant à insuffler de l'air à travers une couche de cette matière sensi- blement sous forme granulaire et de profondeur considérable, à une vi- tesse telle que cette couche est maintenue dans un état de mouvement tel que la couche présente l'aspect d'un liquide en ébullition, la tem- pérature étant une température de carbonisation, et à retirer le rési- du carbonisé.
2. Un procédé pour la carbonisation à basse température d'une matière solide carbonisable qui comprend les caractéristiques consis- tant à insuffler de l'air en mélange avec de la vapeur à travers une couche de cette matière sensiblement sous forme granulaire et d'épais- seur considérable, à une vitesse telle que la couche est maintenue dans un état de mouvement tel que la couche présente l'aspect d'un li- quide en ébullition, la température de fonctionnement étant une tem- pérature de carbonisation, et à retirer le résidu carbonisé.
3. Un procédé pour la carbonisation à basse température d'une matière solide carbonisable, qui comprend les caractéristiques con- sistant à insuffler un courant composé initialement essentiellement d'air et de gaz combustible prémélangés à travers une couche de la dite matière sensiblement sous forme granulaire et d'épaisseur consi- dérable, à une vitesse telle que la couche est maintenue dans un état de mouvement tel que la couche présente l'aspect d'un liquide en ébul- lition, la température de fonctionnement étant une température de carbonisation, et à enlever le résidu carbonisé.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"Process for the carbonization of carbonaceous materials".
The present invention relates to the process consisting in carbonizing subdivided solids by introducing them in a current, regularly or intermittently, into a fluidized mass of heated solids of small dimensions, with the possibility of recovering by-products of carbonization.
Briefly, the process involves fluidifying a mass of finely divided solids, which may contain or include coke, carbon or other solid fuels, in a closed chamber, by causing an aeroform fluid to pass. through the mass, heating the mass by the appropriate application of heat as here fully described, and while the mass is still hot and in a fluidized state, introducing the material to the mass. carbonize in a suitable state of subdivision, while in the meantime continuing the passage of the aeriform fluid throughout.
Some of the aims of the invention are as follows: 1) Absolute control of the carbonization temperature, without sacrificing capacity (quantity passing per unit of time).
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2) Efficient control of the heating rate of the material being processed, without large capital investment and without sacrificing capacity.
3) High yield recovery of by-products, including condensables, from the materials being processed.
4) Decrease in heat loss and the amount needed for treatment.
5) Decrease in the time required for carbonization.
6) Lower processing costs for coal, shale and the like.
7) Increase in the quantity of materials passing per unit of investment.
8) Decrease in the degree of cracking of condensable materials developed during carbonization.
9) Make possible the carbonization of small solid fuels usually lost in mines, because low cost equipment with high passage capacity is not available.
10) To provide a unique process by which a fuel can be economically charred at high or low temperature, by directly applied heat.
11) Rapid expulsion of volatile matter from solids or liquids at a determined and regulated temperature.
Other objects will become apparent from the description given below.
This patent is a development of another patent for "a process for treating materials" filed in America under No. 414,710 (reissued as US Patent No. 21526), which generally describes the characteristics of the process and shows an apparatus. for its achievement.
In the carbonization of coal, lignite, shale or other carbonaceous materials, the question of heat transfer in the materials to be treated presents many obstacles, particularly when a high thermal efficiency is desired or when a high thermal efficiency is required. it is essential to
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recover a maximum yield of condensable by-products. In the carbonization of many materials, it is often essential to prevent overheating of parts of the material being processed. It is customary in practice to carry out the carbonization in a refractory apparatus, by transferring the heat to the material to be treated through a non-conductive or rather poor conductor body.
Because the heat transfer rate and hence the charring capacity depend on the temperature difference between the inner wall and the outer wall of the carboniser, it has been found to be economical and, in many cases, necessary to maintain a high temperature outside the refractory wall of the carbonizer in order to maintain an amount passing per unit time compatible with the construction costs and the operating costs of the carbonizer.
It is thus common to find that equipment initially established for the low temperature carbonization of solid fuel can be operated more economically at high temperatures, because a greater passage is thus obtained; but the yield of condensable by-products is usually significantly reduced by this procedure. It appears that it is uneconomical to carbonize solid fuels at defined temperatures by heating them, while they are contained in a refractory chamber, by the external application of heat.
This is particularly true in the low temperature carbonization of fuels, that is, at temperatures of 500,600, 700 or 800, centigrade The maximum yield of condensable by-products is obtained only when a excessive heating of fuel, to the knowledge of the present inventors. In equipment usually employed for charring fuels, it is difficult to heat the center of individual fuel parts being processed without excessively heating the exterior surfaces.
When the fuel is ground to fine dimensions in order to eliminate this difficulty, the whole mass functions as a heat insulator; the external parts, that is to say those in contact with the hot walls, are usually
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heated to a high temperature before the inner part of the mass has been heated above 100 C. Tests made to overcome this difficulty by lowering the rate of heating, (the rate of application of thermal energy) have resulted, to the knowledge of the present inventors, in a prohibitive increase in the cost of carbonizers per ton-day of material passing through them.
Other attempts to overcome these difficulties include:
1) the reduction in thickness of the mass of fuel being processed;
2) the passage of the properly ground fuel through the hot zone, while it is retained on metal supports. To the. To the knowledge of the present inventors, these efforts and others like them have not been entirely satisfactory from an economic and technical point of view. It is believed that due to difficulties in heat transfer, the industrial development of the low temperature carbonization process has heretofore been delayed. By applying the present process, the desired results can be achieved inexpensively, and with a higher yield than that obtained in some of the processes currently in industrial use.
This is achieved with substantially absolute temperature control by passing a heated fluid from the bottom upward through a mass of finely divided and preferably uniformly sized solids contained in a suitable chamber at a rate. intended to keep it in a state of motion suspended in the fluid inside the chamber, the mass having, in a fluidized state, the appearance of a boiling liquid, and by introducing tion in this mass, at a controlled rate, of solid fuel of suitable dimensions.
The solids may consist of the fuel to be treated, a carbonization product thereof or other materials; they can be combustible or non-combustible, catalytic or non-catalytic, for the reactions involved. The fluid used to maintain the mass of solid in a fluidized state, which is preferably an aeriform fluid, may comprise combustion gases, inert gases or gases containing oxygen, a mixture of gases
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combustible with an oxygen-containing gas or other fluid.
The fuel added to the fluidized mass can be poured into it.
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"... .t continuously or intermittently, and the state of fluidity can be maintained until the desired state of carbonization has been reached, or it can be discontinued before the degree of carbonization has been achieved It is necessary, or at least preferable in the operation of the present process, to maintain the upward velocity of the fluidizing material (the fluid) greater than a defined minimum velocity, as long as the mass is maintained in the fluidized state.
This minimum speed varies according to the average size of the particles of solid matter, the density of the material constituting a particle, the density of the aeriform fluid employed and other factors, but can be defined as] its "lifting speed", ie that is, the speed necessary to lift the particles against the force of gravity.
If we consider the particles of solids as spheres, the minimum speed can have approximately the following mathematical formula:
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V BRDG at where V = the speed of the aeriform fluid expressed in centimeters per second; R = the mean radius of the particles of the fluidized solid, in centimeters, D = the density of the solid matter composing the particles, d = the density of the aeriform fluid and G = the acceleration due to gravity, expressed in C.G.S. A much greater flow rate than that indicated by the above formula can be employed in the present process, the value depending on the average dimensions and the uniformity of the dimensions of the fuel particles, as well as the bulk density. particles.
In the case of a wide variety of dimensions, that is to say a lack of uniformity of dimensions, a point is reached where, as the flow speed increases, the larger dimensions fines are blown out of the fluidized mass and entrained in the fluid.
Fig. 1 of the drawing shows schematically in elevation a form
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of apparatus in which the present invention can be practiced; part of the reaction chamber is cut away to show the interior in section.
In this figure, 1 is a reaction chamber having an inlet 2 for introducing subdivided solids, with a control valve 3, a porous diaphragm 4 which is permeable for the passage of a gas stream through. the diaphragm, a support hinge 5, a gas outlet, 6 with control valve 1, a secondary gas outlet 8 intended for the removal of the exhaust gases and provided with a valve 9.
an air inlet 10 for introducing air into the chamber and provided with a control valve 11, a steam inlet 12 provided with a control valve 13, a gas inlet 14 provided with a control valve 15, an outlet port 16 for the removal of solids which, while enclosed in 1, are in a fluidized state, with a control valve 17, an outlet port at the bottom. base 18 with control valve 19, and a cleaning or secondary discharge door 20. The fluidized mass of solids is shown at 21.
Although internal heating is dependent in the practice of the present process, it is recognized that the heat capacity of most aeroform fluids is low. This naturally means that large volumes of gas (fluid) must be circulated through the mass of material being processed, in order to provide it with an amount of heat equivalent to that developed during combustion. 'a relatively very small volume of fuel. One means of providing the necessary heat comprises circulating an oxygen-containing gas through the fluidized mass, which maintains controlled combustion therein. In this case, the required heat can be derived from the combustion of a part of the solid fuel remaining in the fluidized state.
The fluid may comprise a combustible gas and an oxygen-containing gas, mixed in defined proportions for the purpose of providing a defined amount of heat to the fluidized solids; in this case, the combustible gas is burnt providing the necessary heat
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sary. The heat can be supplied electrically and internally by the use of a magnetic core or other means known in the electrical art. Attention is drawn to the fact that the cited objections against external heating through the refractory walls do not apply to the latter method of heating, because the materials being processed are in a constant state of motion and the mass being fluidized, does not function as a heat insulator.
Although it is possible to carbonize the materials by applying heat internally, externally, or both internally and externally with or without combustion occurring in the fluidized mass, the present inventors prefer not to be limited to one. special method of heating. They believe the process is patentable and new, regardless of the heating method. In other words, they believe it is new to mix fuel in a finely divided state with a fluidized mass of heated, finely divided and preferably sized solids through which to circulate. a fluid, and carbonize it in that mass of solids heated or substantially in contact with it.
It is usually preferred to employ in the present process sized solids having an average diameter of 1/8 inch to 1/2 inch, although larger or smaller sizes can be satisfactorily employed. It is frequently preferred that the solids include a solid fuel such as petroleum coke, charcoal, coke, anthracite, or other carbonaceous materials. When one or more of these materials are employed as the fluidized mass in the present process, the heating operation and temperature are easily controlled by controlling the amount of oxygen-containing gas circulated through the mass. or by adjusting the quantity of fuel gas and oxygen circulated in the mass.
When it is desired to carbonize coking fuels, it is preferable to introduce them into the fluidized mass with a state of fineness substantially equal to that of the materials.
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fluidized solids or less than this. When a large quantity of coking fuel is rapidly introduced into a mass of heated fluidized solids and the flow of fluid (the thinning agent) is interrupted shortly thereafter, the coking fuel forms part of the carbonization. , a solid mass containing the solids in dispersion.
The degree of coking will of course depend on the amount of heat supplied to the coking fuel, and this in turn will depend on the duration of the flow of the thinning agent after the addition of the coking fuel, and the amount of heat supplied to the coking fuel. relative masses of this fuel and fluidized solids.
When it is desired to make a product of this nature, a homogeneous mass is obtained when the thinned solids are composed of small pieces of coke resulting from the carbonization of the treated fuel. when, on the contrary, it is desired to use non-coking fuel for the production of coke, the result can be obtained by fluidizing these non-coking fuels in a suitable chamber with a suitable means of applying heat , and by introducing therein fairly rapidly the determined quantity of suitably ground coking fuel, continuing the application of heat and the flow of the thinning agent for a period of time found by experience to be desirable,
and then interrupting the flow of the thinning agent with or without interrupting the application of heat and forming by the cementing action of the coking fuel a solid mass substantially constituting a coke. When this result is desired, the coke has better quality with respect to friability when the average particle size of the coking fuel employed is smaller than that of the thinned solids.
Where it is desired to prevent cementation of the fuel and the thinned solids into a solid mass, the calibrated fuel will be introduced into the thinned mass at a moderately low rate, preferably continuously, with simultaneous application of heat.
It has been found that a fluidized mass of solids consists of
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bears like a liquid with respect to the action of lift on solids introduced into it; in other words, when calibrated solids of specific gravity greater than that of the fluidized solids are introduced into the fluidized mass, they tend to descend therein, while materials having a specific gravity less than that of the fluidized solids float on them and remain in a fluidized state near the surface. When coal is therefore introduced into a mass of fluidized hot coke, it first tends to descend into it ;
but subsequently, as it heats up and when it develops gas, it tends again to rise in the fluidized mass. This circulation is advantageous, because it maintains a uniform temperature throughout the mass. It is important to note that when the thinned solids have a much greater density than the fuel to be treated, the fuel not only remains on top of the thinned solids, but these solids give up the thinned state by. settling in a rigid mass at the bottom of the treatment chamber when the flow rate of the fluid passing through them is reduced, the carbon remaining in the fluidized state above them.
This is taken advantage of when materials other than fuels are employed as fluidized solids and when the fuel to be treated contains appreciable amounts of stones and the like foreign matter. Heat can be transferred from these heated and deposited solids by the simple passage of fluid through them. Further, a state of combustion can be maintained in the deposited solids, and the heat produced can be utilized in the fluidized fuel above them with the use of suitable thinning agents.
It should be understood that during the passage of a fluid from bottom to top through the fluidized mass of solids of carbonaceous material, its composition can be changed at will during the course of carbonization. For example, during the early stages of carbonization or in a period just before these and
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in which solids are heated, the fluid may consist of combustible gas and a little oxygen, while in a subsequent period the oxygen content may be reduced to zero or nearly zero, and the steam or other fluid may be substituted for gas, or fuel gas alone may be employed.
Conversely, steam may be employed in the early stages of processing carbonaceous materials and oxygen-containing gas in a later stage, or steam may be employed throughout the process.
Likewise, the temperature of the steam or other fluids employed can be changed at will during the process, either by heating or by using an oxygen-containing gas such as air mixed with it. steam or fluid in varying amounts with adjustment during processing. After the fuel has reached a certain temperature, auto-oxidation occurs rapidly, accompanied by a rise in temperature, and in this way the rate of carbonization and the temperature reached in the mass can be easily controlled by adjusting the temperature. quantity of oxygen contained in the fluid, The exothermic reaction can be an incipient combustion of the carbonaceous material, an actual combustion thereof, a combustion of gas in contact with it, or a combination of these processes.
This temperature control allows a charred product to be obtained at such a low temperature that it can be removed from the reaction chamber in a condition suitable for molding or briquetting without binder, resulting in dense fuel. Applying pressure to. material heated to a moderate temperature produces dense fuel. The form of apparatus employed for this purpose is unimportant for this application, although it has been recognized that mass can be easily compressed in the reaction chamber, particularly after discontinuation of the fluid flow.
Fluids other than those mentioned can be used for special effects. We will not attempt to list them, because the claims are limited to the broad features considered.
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as news. However, acid vapors, acid gases, ammonia, a mixture of several of these substances with steam or superheated steam, or a fluid containing hydrocarbons can be employed.
When it is desired to cool the carbonized and fluidized product, Co2 ', flue gases, steam or other fluid can be employed, but it is frequently preferred to pass steam through a chamber as the cooling agent. cooling and employing the steam thus heated to reheat the material in a different separate chamber.
When a tarry material is introduced into a fluidized mass of carbonaceous material as a component of the fluid or otherwise, it is not only charred, but the distillation products are recoverable in the exiting gas. Pulverized pitch can likewise be carbonized by the present process; in this case it is preferably not part of the fluidifying agent.
If only shale is used as carbonaceous material, it can be treated as follows: the operation is started by fluidifying a calibrated coke or other fuel having average particle sizes of 1/8 or 1/4 of inch in diameter, using air as the aeriform fluid and as a thinning agent. A fire is kindled in the mass and the blowing of the air is continued. After the fluidized mass of fuel has been heated to a desired temperature, the crushed and preferably sized shale is slowly introduced into the mass which is a pseudo-liquid, and the blowing is discontinued. Steam or other gases are then used as the main constituents of the thinning agent.
After the volatile matter has been expelled from the shale to a great extent, the blowing of air is continued and the mass is heated by combustion of the carbon in the shale residue. The cycle is repeated, but part of the residue is periodically removed.
If it is desired to sacrifice the oil yield to have a high capacity, the air can be used continuously with steam simply by varying the proportions as desired in different
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phases of the process; more air will be used for higher temperatures and more steam for a lower temperature, and more steam distillation. The operation becomes continuous when the shale is added slowly but substantially continuously to the pseudo-liquid and the residue is removed substantially continuously. Solid fuel can only be used at the start of the operation. It is not necessary to use steam, but it is better to use it.
Certain coals can be treated in such a manner, particularly coals which do not coke or which are said to be non-caking coals.
When coking coal is used and when the size of the pieces introduced into the fluidized mass is large enough, greater than 3/8 to 1/2 inch, there is a tendency to form large pieces of coke, even if the mass is apparently in the fluidized state.
The blocks probably form by combination during collisions in the pseudo-liquid when the particles are in the plastic state.
These pieces tend to collect at the bottom, and if the fluid velocity is not excessive, they leave the pseudo-liquid, that is, they settle and are no longer in the fluidized state. These lumps of coke are denser than regular coke produced by heating the same coal in a retort.
It is found that when a quantity of coking coal is introduced fairly rapidly into a fluidized mass of heated coke, the coal particles being smaller than those of the coke and the whole being kept in the fluidized state for a period of time. while heating is continued, and then being allowed to settle before coking has taken place, a mass of coke is formed which upon crushing does not form fingers.
The term "substantially carbonized" as used in the claims refers to a carbonaceous material from which the volatile material has been expelled by the application of heat and not necessarily to a fully carbonized product. When it is desirable to treat
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charcoal at 300 or 400 C and removing the product, this is considered to be "charred", a word which is used in the claims. When treating fuels for briquetting, it is desirable to heat them. at a maximum temperature determined in order to prevent the formation of an abrasive char, in such cases the product obtained is not a fully charred product, but is considered to be charred.
The term "fluidized mass" as used herein and in the claims, does not refer to a gas containing entrained particles of solids as formed when a pulverized fuel is blown by air into a furnace. for combustion; it is a "pseudo-fluid" as obtained by passing an aerial fluid from the bottom upward through a substantially stationary mass of enclosed, sized, substantially uniform particles of solid matter at a speed such that the particles take a limited freedom of movement, the whole having physical properties similar to those of a boiling liquid.
The particles are not entrained in the aeriform fluid, but are in vibrational motion; the pseudo-liquid (fluidized mass) having a density much greater than that of the same aeriform fluid with entrained particles of the same kind of solid material. Thus, in a fluidized mass, the linear motion of the particles is much less than that of the particles entrained in a gaseous fluid, and likewise the concentration of the particles (mass per unit volume) is greater in the former case than. in the second.
The "liquefied mass" can be produced by the velocity effect of blowing a stationary bed of solids (preferably uniformly sized solids) using an aeriform fluid at a velocity such that the particles of solids. these solids take limited movement without being entrained in the fluid, the latter passing continuously upwardly through the mass of solids. This differentiates the thinned mass of this patent from other forms of suspension. The front-
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The almost obvious result of employing the fluidized dense mass is its greater heat transport capacity per unit volume of the vessel than that of a suspension of the same solids entrained in the fluid.
CLAIMS.
1. A process for the low temperature carbonization of a carbonizable solid material, comprising the features of blowing air through a layer of such material substantially in granular form and of considerable depth, to a depth. - tess such that this layer is maintained in a state of movement such that the layer has the appearance of a boiling liquid, the temperature being a carbonization temperature, and to remove the carbonized residue.
2. A process for the low temperature carbonization of a carbonizable solid material which comprises the features of blowing air mixed with steam through a layer of such material substantially in granular and thick form. - considerable sor, at a rate such that the layer is maintained in a state of movement such that the layer has the appearance of a boiling liquid, the operating temperature being a carbonization temperature, and to be removed the charred residue.
3. A process for the low temperature carbonization of a carbonizable solid material, which comprises the features of blowing a stream initially composed primarily of air and fuel gas premixed through a layer of said material substantially in the form of granular and of considerable thickness, at a rate such that the layer is maintained in a state of movement such that the layer has the appearance of a boiling liquid, the operating temperature being a carbonization temperature, and removing the charred residue.
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