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"Alimentation en ohaleur de lits de solides fluidifiés ".
La présente Invention concerne la fourniture de cha- leur à des lits denses turbulents de matières solides finement divisées fluidifiées, par un gaz circulant de bas en haut.
L'invention concerne plus particulièrement la fourniture de chaleur pour la conversion en combustibles volatils et en gaz précieux, de matières carbonacées, telles que tous les types de charbon, ooke, lignite, tourbe, matières cellulosiques, com- prenant : la lignine,, les schistes à huile, le sable goudronneux', le pétrole, les résidus lourds, le brai, l'asphalte et des substances analogues, aussi bien que les hydrocarbures liquides et gazeux, conversion rendue possible par l'emploi de la tech- nique des solides fluidifiés.
L'application de la technique appelée " à solides fluidifiés ", à la conversion de matières solides oarbonaoées en combustibles volatils, par exemple à la carbonisation de matières oarbonisables ou à la gazéification de combustibles...
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...solides, est bien oonnue dans le métier. Dans ces procédés, les matières carbonacées finement divisées, telles que du char- bon, ayant une dimension de particules fluidifiables d'environ 50-400 mailles, sont fournies à une zone de conversion dans la- quelle elles sont maintenues à la température de conversion sous forme d'un lit dense turbulent de matières solides finement di- visées, fluidifiées par un courant de gaz circulant de bas en haut, de manière à former un niveau supérieur bien défini.
La plupart de ces conversions, en particulier la carbonisation de combustibles carbonisables et la fabrication de gaz à l'eau par réaction de combustibles solides avec la vapeur, sont des procédés endothermiques. On a proposé diffé- rentes méthodes de fourniture de la chaleur requise dans ces procédés.
Une méthode utilise la chaleur sensible de gaz transportant la chaleur, tels que: là vapeur, les gaz de oarneau, le gaz de houille, etc....souffles à travers le lit fluidifié de matières solides carbonacées. Il résulte de la capacité de chaleur extrêmement basse des gaz, comparée à celle des solides à chauffer, qu'il faut utiliser de grandes quantités de gaz chauffant, ayant une température considérablement plus élevée que celle de la conversion désirée.
Tandis que cette méthode peut être industriellement réalisable pour des carbonisations à basse température, réalisées à des températures d'environ 8000 à 12000F, les hautes températures de préchauffage de gaz, re- quises pour la carbonisation à haute température et la fabrica- tion de gaz à l'eau, sont généralement prohibitives à cause de la résistance à la chaleur limitée des matières appropriées du foyer. De plus, le gaz de chauffage complique la récupération des produits de conversion volatils désirés ou abaisse la puis- sance calorifique du gaz produit, ou encore, amène ces deux effets.
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Certains des désavantages de cette méthode peuvent être évités, lorsque la ohaleur nécessaire est fournie au moyen d'une combustion limitée dans le lit fluidifié de solides car- bonaoés. Toutefois, cette méthode entraîne la perte de propor- tions considérables de produits de conversion combustibles précieux, qui sont brûlés au cours de la combustion limitée.
De plus, la dilution de gaz produits par les produits de oom- bustion gazeux constitue un désavantage sérieux de cette façon de procéder.
Une autre méthode de fourniture de chaleur comprend l'emploi d'une zone de combustion fluide séparée, à partir de laquelle le résidu de combustion solide finement divisé, for- tement chauffé, est mis en circulation vers la zone de oonver- sion oonsommant la chaleur. A coté du fait qu'un récipient ad- diti onnel de réaction de combustion, de dimensions considéra- bles, est requis, l'efficacité de la génération de chaleur de ce type de combustion est faible, à cause de la formation im- portante d'oxyde de carbone dans un récipient à fluide chauffé par la combustion à l'air.
De plus, des vitesses de circulation de solides énormes sont requises, en particulier aux hautes températures de conversion, ce qui nécessite de petites diffé- renoes de température entre la zone de combustion et la zone de conversion, à cause des limitations imposées par la résis- tanoe à la chaleur des matériaux de construction et le point de fusion ou de ramollissement des cendres. En cas d'appli- cation à la carbonisation, le ooke produit doit être séparé du véhicule solide de ohaleur relativement sans valeur pour obtenir un produit oommerçable.
Le chauffage interne du lit fluide par différents moyens électriques, a été proposé, mais est peu pratique à oau- se de son inefficacité teohnique et économique, telle que la nécessité d'énergie peu coûteuse comme l'énergie hydroélectrique hors de pointes, la réaction de H2O et CO2 avec les types or-
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...dinaires d'électrodes, telles que le charbon, la formation de soories de cendres, sur les électrodes métalliques, etc..
Des difficultés semblables se produisent dans la conversion endothermique d'hydrocarbures avec de la vapeur, en gaz à l'eau, à l'aide de catalyseurs fluides de régénération, et dans différents autres procédés endothermiques employant la technique des solides fluidifiés.
La présente invention surmonte les difficultés men- tionnées plus haut et apporte différents avantages supplémen- taires, qui seront complètement compris d'après la description détaillée donnée ci-après, avec référence aux dessins ci- annexés.
Le but principal de la présente invention consiste donc à fournir des moyens perfectionnés pour alimenter en chaleur, des lits denses turbulents de matières solides fine- ment divisées, fluidifiées.
Un autre but de la présente invention est de fournir des moyens perfeotionnés pour fournir la chaleur nécessaire pour la conversion de matières oarbonacées en combustibles volatils, en employant la technique des solides fluidifiés, sans les désavantages mentionnés plus haut.
Un autre but plus spécial de l'invention est de fournir des moyens perfectionnés pour la fourniture de la cha- leur requise dans la carbonisation de combustibles carbonisa/blés, moyennant l'emploi de la technique des solides fluidifiés, afin de produire des combustibles volatils et du coke sans les désavantages mentionnés plus haut.
Un autre but spécial de l'invention est de fournir des moyens perfectionnés pour fournir la ohaleur requise dans la production de gaz combustibles, à partir de matières soli- des carbonacées, moyennant l'emploi de la technique des solides fluidifiés, sans les désavantages mentionnés plus haut.
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D'autres buts encore apparaîtront dans la description donnée ci-après et les revendications.
Les buts et avantages mentionnés plus haut peuvent être réalisés suivant la présente invention, d'une manière tout-&- fait générale, par fourniture au lit de solides fluidifiés, de la chaleur au moyen de chauffage par fluide, par l'intermé- diaire de surfaces appropriées de transfert de chaleur.
On a trouvé que la distanoe de transfert de chaleur, de la surface jusqu'au centre des particules solides de dimensions fluidifia- bles, est suffisamment petite, et que la vitesse de transfert de chaleur et de distribution à partir de la surface de trans- fert de chaleur, dans une masse fluidifiée de matières solides, est suffisamment élevée pour permettre une fourniture de cha- leur satisfaisante, en général, pour des différences de tempé- ratures entre le moyen de chauffage et la masse de solides flui- difiés, d'environ 75 à 300 F, bien que des différences de tem- pératures plus élevées puissent être utilisées.
La différence exacte de température dépend principalement de la dimension re- lative et de la situation de la surface d'échange de chaleur, de la capacité calorifique du fluide de chauffage et de l'iso- lement du dispositif.
Les surfaces d'échange de chaleur sont, de préfé- renae, noyées dans le lit de solides fluidifiés sous la forme de serpentins de chauffage classiques, de faisceaux verticaux et horizontaux de tubes chauffants, de récipients chauffants et d'organes analogues. Toutefois, la masse de solides fluidi- fiés peut également être maintenue dans les surfaces d'échange de chaleur de sections transversales appropriées, entourées par le moyen de chauffage fluide.
Des moyens de chauffage appro- priés pour des températures comprises dans las limites de tem- pérature de 7000 à 1300 F, comprennent des huiles réfractaires telles que des huiles à gaz ayant subi le oracking et des huiles Il Dowtherm ", des mélanges de sels inorganiques tels..
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qu'un mélange de nitrate de sodium, de nitrite de sodium et de nitrate de potassium, des métaux fondus comme le plomb, des va- peurs de mercure, des gaz de combustion ou des substances ana- logues.
Pour des températures plus élevées, on préfère con- duire, une combustion retardée dans les surfaces d'échange de chaleur de telle manière que la production de chaleur et la température des surfaces d'échange de chaleur sont sensiblement uniformes sur toute l'étendue des surfaces de transfert de cha- leur. Ceci peut être facilement réalisé, par exemple, par un ré- glage approprié des vitesses d'écoulement ou une répartition appropriée du combustible de combustion et/ou de l'air de com- bustion, sur la longueur des tubes de chauffage. Lorsqu'on uti- lise des surfaces d'alliage d'acier à forte résistance à la cha- leur, telles que des surfaces d'acier nickelchrome, des tempé- ratures allant jusqu'à 1500 F et même jusque environ 20000F peuvent être atteintes de cette manière.
La capacité de chaleur de ce type de moyen de chauffage peut être considérablement augmentée par l'emploi de combustible solide pulvérulent ou de matières solides inertes finement divisées en suspension dans les gaz de combustion, les matières solides en suspension ser- vant d'accumulateurs de chaleur.
La fourniture de chaleur par des surfaces de trans- fert de chaleur appropriées, suivant la présente invention, é- limine la contamination des produits de conversion volatils par le gaz de chauffage, évite les pertes de produits désirés par combustion et ne requiert ni la circulation de quantités excessives de véhicules de chaleur solides, ni la séparation d'un tel véhicule de chaleur d'avec les produits solides de con- version. D'autres avantages apparaîtront ci-après.
Après avoir énoncé la nature générale et les buts de l'invention, celle-ci sera mieux comprise d'après la descrip- tion plus détaillée qui suit, dans laquelle on se reportera
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aux dessins ci-annexés.
La fig. 1 est une vue semi-schématique d'un système approprié pour la réalisation d'une variante de la présente invention, dans laquelle la chaleur est fournie à un lit de solides fluidifiés par des surfaces de transfert de chaleur noyées dans celui-ci.
La fig. 2 est une vue semblable illustrant le même principe d'alimentation en chaleur spécialement, destiné à la réalisation de plusieurs traitements à chaud, à des températu- res différentes, et, la fig. 3 représente une variante de l'invention comprenant l'alimentation en chaleur par des surfaces de trans- fert de chaleur contenant la masse des solides fluidifiés, le fluide de chauffage entourant les surfaces de transfert de chaleur.
Si l'on se reporte, à présent, à la description dé- taillée de la fig.l, lehiffre 10 désigne un récipient de trai- tement vertical, sensiblement cylindrique et destiné au fonc- tionnement avec des matières solides fluidifiées. La partie principale cylindrique du récipient 10 est séparée de la partie inférieure conique 12 par une plaque de distribution perforée ou grille 14. Un faisceau de tubes de chauffage horizontaux 20 est disposé à travers la partie cylindrique du récipient 10.
Le faisceau de tubes 20 s'étend, de préférence, à partir d'une partie inférieure, au-delà de la partie médiane de la section cylindrique du récipient 20.
Pendant le fonctionnement, des matières solides fine- ment divisées ayant une dimension de particules comprise entre environ 10 et 400 mailles, de préférence entre 50 et 200 mail- les, sont fournies au récipient 10 par la conduite 1 par des moyens quelconques appropriés connus en soie tels qu'un tuyau montant aéré, une trémie d'alimentation à pression, un trans- porteur mécanique, etc.( non représenté).
Les matières solides
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peuvent être des matières transportant des substances volatiles telles que de l'argile hydraté, des absorbants saturés tels que le charbon de bois, un gel de silice, etc., des matières car- bonisables ou d'autres matières solides à partir desquelles des produits volatils doivent être expulsés à hautes températures, ou bien encore des matières solides qui doivent être soumises à une température de réaction uniforme, telles que des cataly- seurs pour des réactions diverses à phase gazeuse, en particu- lier la réformation d'hydrocarbures tels que le méthane par la vapeur pour former des mélanges de CO et H2 convenant pour la synthèse d'hydrocarbures, etc..
Un gaz approprié, de préférence préchauffé, est in- troduit par la conduite 3 dans la partie inférieure conique 12 et pénètre dans le récipient 10 par la grille 14 à une vitesse superficielle d'environ 0,3-5 pieds/seconde, de préférence 0,5- 1,5 pied/seconde, ce gaz étant destiné à transformer la masse de matière solide du récipient 10 en un lit dense de solides fluidifiés turbulents, ayant un niveau supérieur L10 bien défi- ni. Bien que n'importe quel gaz qui n'est pas nuisible au trai- tement désiré, puisse être employé, on préfère employer un gaz qui aidera au traitement désiré, par exemple par réduction de la pression partielle des produits à volatiliser.
Les quanti- tés de gaz requides dans ce but peuvent varier, en général, en- tre environ 10 à 5000 pieds cubes par pied cube d'espace traité par minute. La valeur inférieure est utilisée lorsque l'aéra- tion seule est désirée, les valeurs intermédiaires lorsque seu- lement la réduction de la pression partielle est désirée, et les valeurs plus élevées lorsque la réaction du gaz avec les matières solides a lieu.
Le chauffage du lit de matières solides fluidifiées est effectué par des tubes 20 disposés dans le récipient 10 de manière à établir l'échange de chaleur optimum vers le lit de matières solides. N'importe quel type d'agent classique d'échan-
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ge de chaleur, qui convient pour la gamme de températures dé- sirées, peut être utilisé dans les tubes 20. Le fluide d'échange de chaleur est, de préférence, admis par une tubulure 22 et pas- se par les tuyaux parallèles 20 pour maintenir une alimentation uniforme en chaleur aux différentes parties du lit de matières solides. Le fluide de chauffage utilisé est déchargé par la tu- bulure 24.
A cause de l'agitation constante et du mélange uni- forme dans le lit de solides fluidifiés, qui ressemble à un li- quide en ébullition, un échange de chaleur excellent est établi dans le récipient 10. Les exigences d'échange de chaleur sont considérablement réduites par le mouvement des particules soli- des, comparé au chauffage des masses pulvérulentes désaérées, relativement statiques. La surchauffe est évitée par la haute turbulence des matières solides autour des tubes. De cette ma- nière, le lit de solides peut être maintenu à n'importe quelle température de traitement désirée, en rapport avec la résistan- ce à la chaleur des matériaux disponibles pour les tubes.
Des produits à l'état de vapeur et un gaz de flui- dification contenant de fines particules de matières solides entratnées sont retirés par au-dessus du niveau L10 et passent à travers un système de séparation de solides et de gaz qui peut comprendre un séparateur cyclone intérieur 26 et/ou un pré- cipitateur électrique extérieur 28 à partir duquel les matières solides séparées peuvent être renvoyées au récipient 10 par les conduites 27 et 29 respectivement. Des vapeurs de produits et des gaz de la partie supérieure, sensiblement exempts de matière solide, sont récupérés par la conduite 30 ou renvoyés entière- ment ou en partie par la conduite 32 à la conduite 3 pour la fluidification et/ou d'autres buts de conversion.
Des sépara- teurs 26 et/ou 28 peuvent également être placés en aval des moyens de refroidissement appropriés pour éviter des défauts d'équipement résultant de températures excessives.
Les produits solides sont entraînés vers le bas du
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lit fluidifié par un moyen de décharge vers le bas 35 approprié, qui est, de préférence, un tuyau classique, aéré par des robi- nets 37 d'une manière connue en soi. D'autres moyens de déchar- ge tels que des transporteurs en étoiles ou à vis, etc.,peuvent être employés, si on le désire.
Lorsque le système représenté à la fig. 1 est utili- sé pour la distillation, et plus particulièrement la carbonisa- tion à basse température de matières carbonisables finement di- visées, il est désirable de remplir le récipient 10 d'une matière solide fluidifiable sèche, de préférence du coke ou d'autres produits solides de carbonisation tels que des schistes huileux ou du sable goudronneux épuisés, qui sont maintenus à la tempé- rature de carbonisation désirée d'environ 850 -1100 F à l'aide des tubes 20. La matière de carbonisation est fournie par la conduite 1 dans le lit de matières solides fluidifiées, sec et chaud, à une vitesse qui empêchera sensiblement la formation de gâteaux dans le récipient 10.
Cela peut être réalisé par le maintien de pas davantage qu'environ 10-25% en poids de matiè- res solides bitumeneuses fraîches, dans le lit de matières so- lides du récipient 10. Dans le cas où les particules tendent à s'agglomérer au cours de l'opération, des matières solides peuvent être éliminées par la conduite 35, broyées et renvoyées par la conduite 1 au récipient 10.
On peut utiliser dans les tubes 20 n'importe lequel des fluides de chauffage mentionnés plus haut, préchauffés à une température d'environ 75 -300 F plus élevée que la tempé- rature de carbonisation désirée. De la vapeur, des gaz inertes ou des produits gazeux peuvent servir de gaz de fluidification, de préférence à une vitesse superficielle d'environ o,5-1,5 pied par seconde. Les pressions de carbonisation peuvent être comprises entre la pression atmosphérique et 200 livres par pouce carré, suivant les considérations de réalisation et de produits. Des pressions comprises entre ? et 50 livres par pou-
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ce oarré sont préférées.
Les personnes du métier comprendront que les tubes 20 peuvent être disposés verticalement plutôt qu'horizontale- ment, sans qu'on s'écarte da l'esprit de la présente inven- tion.
Le système de la fig.l peut également être utilisé pour la reformation de méthane ou de substances analogues par la vapeur, pour produire un gaz de synthèse. Dans ce cas, le récipient 10 contient un catalyseur de régénération finement divisé, tel que de l'oxyde de, nickel avec des promoteurs comme la magnésie, l'alumine, eto., à dimensions de particules fluidifiables, et un mélange de vapeur et de gaz naturel est introduit par la conduite 3. Les tubes 20 sont maintenus à une température d'environ 1550 -1700 F, pour établir une tem- pérature de régénération appropriée, d'environ I500 F dans le lit fluidifié du récipient 10.
L'agent de chauffage le plus approprié pour cette application de l'invention est un mélange en combustion de combustible et d'air, de préférence tenant en suspension des matières solides finement divisées pour amé- liorer le coefficient d'échange de chaleur à, l'intérieur des tubes 20. Ces matières solides peuvent être séparées du gaz de carneau quittant les tubes 20. et remises en suspension dans un mélange frais de combustion, si on le désire.
Si on se reporte à présent à la fig.2, on verra qu'il y est illustré une forme de réalisation de l'invention, destinée à réaliser deux traitements thermiques à différentes températures, qomme le préchauffage et la carbonisation, ou la gazéification en deux phases des matières solides oarbona- cées, Le dernier type de traitement sera utilisé ci-après pour expliquer le fonctionnement du système, à titre d'exemple, bien que d'autres traitements puissent être réalisés d'une manière analogue.
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Le système de la fig.2 comprend essentiellement un récipient à basse température 200 et un récipient 220 à haute température, qui sont pourvus de faisceaux de tubes de chauf- fage verticaux 210 et 230 respectivement. La forme et la. ré- alisation générales des récipients 200 et 220 sont semblables à celles du récipient 10 de la fig.l.
Pendant le fonctionnement, la matière carbonaoée de départ, telle que du coke finement divisé ou du charbon, ayant une dimension de particules, de préférence, moindre qu'environ 100 mailles, est fournie par la conduite 201 au récipient 200 et maintenue là sous la forme d'un lit turbu- lent dense, ayant un niveau supérieur 1200' à l'aide d'un gaz tel que de la vapeur, du CO2' etc., requis pour la réaction de gazéification désirée et fourni à partir de la conduite 203 par la grille 205 à une vitesse superficielle d'environ 1-6 pieds par seconde. Des densités de lit d'environ 10 à 40 livres par pied cube sont désirables dans le récipient 200.
Les quantités de gaz requises à cette fin peuvent aller jusqu'à 40 à 100 pieds cubes par livre de charbon à gazéifier.
Les tubes de chauffage 210 sont maintenus à une température d'environ 1000-1200 F, à l'aide d'un couratt chaud de gaz remis en circuit, provenant des tubes à haute tempéra- ture 230, par la conduite de répartition 208. Si on le désire, la température de ces gaz de carneau peut être augmentée par l'addition d'un mélange de combustion d'air et de combustible fourni par la conduite 209. Le gaz de carneau épuisé est éliminé des tubes 210 par la conduite collectrice 211.
Dans les conditions indiquées, l'alimentation en matières carbonacées du récipient 200 est chauffée unifor- mément'à une température d'environ 850 -1100 F, qui se trouve en dessous de la température de gazéification, mais est suffi- sante pour une carbonisation à basse température, dans le cas où l'alimentation carbonisable est employée.
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Une suspension relativement diluée (densité d'envi- ron 0.5 à 5 livres par pied cube) de coke finement divisé dans le gaz de fluidification et/ou les vapeurs et les gaz produits, est portée au-dessus du niveau L200 par le tuyau 215 dans la partie conique inférieure du récipient 220, pour former dans celle-ci, au-dessus de la grille 218, par suite de la vitesse réduite des gaz, un lit dense de matières'solides fluidifiées, ayant un niveau L220' semblable à celui maintenu dans le ré- oipient 200. Si on le désire, un gaz de réaction supplmen- taire peut être fourni par la conduite 216.
Les tubes de chauffage 30 sont maintenus à une température d'environ 1700 -1900 F, à l'aide d'un mélange de combustion de combustible et d'air, fourni par la conduite générale 219 et brûlant à une vitesse approximativement uni- forme d'un bout à l'autre de la longueur des tubes de chauf- fage. Les tubes sont chauffés en parallèle pour donner de multiples points d'introduction de chaleur dans les tubes de chauffage. Par suite de l'emploi de 10 à 50% d'excès d'air, la vitesse dans les tubes est maintenue au-dessus. de 25 pieds/ seconde, de préférence entre 40-75 pieds/seconde, pour procu- rer la combustion retardée et des températures uniformes dans la longueur du tube.
De cette manière, les matières solides oarbonaoées du récipient 220 sont maintenues à une température de gazéification d'environ 1600 -1800 F et elles.réagissent avec le gaz fluidifiant de façon à former un produit gazeux oontenant du H2 ou du CO, ou les deux, qui est éliminé au- dessus, par le tuyau 235, si on le désire, après la séparation des matières solides entraînées (non représenté). Les cendres peuvent être éliminées par la conduite 237. Toutefois, dans de nombreux cas, il peut être désirable de maintenir une haute teneur en cendres d'environ 15-50% dans le récipient 220 , pour utiliser l'activité catalytique des cendres. Dans ce cas, une proportion appropriée de cendre, par exemple 0.5 à 5 fois la..
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...quantité de charbon fournie, est renvoyée dans le cycle par la conduite 239 et est ainsi gardée dans le système. Le char- bon éventuellement enlevé avec les cendres par la conduite
237 peut être brûlé dans la chaudière utilisée pour la pro- duction de vapeur.
Lorsque le système de la fig.2 est utilisé pour la fabrication du gaz de ville à partir de charbon, la valeur en B.T.U. du produit gazeux est grandement enrichie par les produits de carbonisation obtenus dans le récipient 200. La teneur en B.T.U. du gaz peut être encore augmentée, si on opère à des pressions de, par exemple, environ 200-300 livres par pouce carré, ce qui favorisera la formation de méthane dans le générateur de gaz à l'eau. Si du gaz à l'eau convenant comme gaz d'alimentation pour la synthèse catalytique d'hydro- carbures est produit, le rapport de H2:CO peut être réglé par le cracking ou la réaction des produits volatils de car- bonisation provenant du récipient 200 avec la vapeur et/ou le CO2, dans le récipient 220.
A cause du passage des produits de distillation du charbon du récipient 200 au récipient 220, qui est à une température plus élevée, les goudrons sont sou- mis au cracking, de façon que les gaz du récipient 220 oontien- nent peu ou pas de matières condensables. Dans tous les cas, le rendement du produit et la qualité restent entièrement inaffectés par la méthode de production de chaleur. On appré- ciera également que ce système est particulièrement bien a- dapté pour la préparation d'un coke de gazéification hautement réactionnel, par la production d'une carbonisation à basse température dans le récipient 200.
De cette manière , les tem- pératures réelles de gazéification dans le récipient 220 peu- vent être abaissées d'environ 100 -300 F, sans diminuer la conversion de vapeur jusqu'à des niveaux inefficacement bas.
Des tubes de chauffage 210 et 230 sont représen- tés dans une position verticale et conformés en épingles à...
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...cheveux. Bien que des tubes horizontaux puissent être uti- lisés, des tuyaux verticaux sont habituellement préférés, parce que la hauteur du lit fluidifié est normalement beau- coup plus grande que sa largeur. La forme en épingle à che- veux permet la dilatation par la ohaleur et la contraction; sans efforts excessifs.
On notera également que, dans les deux systèmes de récipients, la plus grande partie de la chaleur endother- mique pour la décomposition du CO2 et/ou de H2O est fournie dans le récipient à réaction à basse température 200.Cette partie peut valoir 60% de la chaleur de réaction, le second récipient de réaction 220 étant employé pour compléter la réaction du CO2 et/ou de H2O et pour régler les produits jus- qu'à l'équilibre de gaz à l'eau aux températures plus élevées.
Il en résulte que la température du gaz de carneau sortant est plus basse que si un seul récipient est utilisé. La plus grande partie de la surface de chauffage peut également être en alliage contenant du nickel et du chrome, qui sont moins coûteux.
Si on se reporte à présent à la fig.3, le système est ici adapté à un chauffage externe des matières solides fluidifiées suivant la présente invention, et sera décrit plus loin en utilisant une carbonisation en deux phases du charbon, par exemple. Toutefois, d'autres traitements de ma- tières solides fluidifiées peuvent être réalisés dans ce système.
Deux récipients de traitement verticaux 300 et 320, de forme semblable aux récipients 200 et 220, sont prévus, de préférence, en position superposée. Du charbon de carbo- nisation finement divisé, à dimensions de particules fluidi- fiables, est fourni par la conduite 301 au récipient 300, dans lequel il forme au-dessus de la grille 305, uhlit dense turbulent, ayant'un niveau supérieur L300. Le lit de matières...
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..solides dans le récipient 300 est fluidifié et maintenu à une température de préchauffage ou de carbonisation à basse température, d'environ 700 -900 F, par une suspension diluée chaude de coke dans le gaz de fluidification, et les vapeurs et les gaz de carbonisation passent vers le haut du réci- pient 320 par le tuyau 315, comme cela apparattra plus clai- rement ci-dessous.
Les produits de carbonisation volatils sont ex- traits au-dessus du niveau L300, débarrassés des matières solides entraînées dans le séparateur 307, et envoyés par la conduite 309 vers un système de récupération classique (non représenté). Une partie des gaz produits peut être remise en circulation par la conduite 310 vers la conduite d'ali- mentation en gaz 321 du récipient 320.
Du oharbon fluidifié préchauffé ou pré carbonisé est extrait vers le bas du récipient 300 par un tuyau 317 aéré par de la vapeur, du gaz produit ou une substance ana- logue, par les robinets 318, et introduit dans le récipient de carbonisation 320 pour former dans celui-ci une masse dense turbulente de charbon et de coke, fluidifiée par un gaz de fluidifioation inerte, tel que de la vapeur, du 002, etc., introduit par les conduites 321 et 323 , pour former un ni- veau supérieur L320.
Des vitesses de gaz d'environ 0. 5 à 2.0 pieds/seconde conviennent pour fluidifier convenablement la masse des matières solides dans le récipient 320 et pour em- porter les produits de oarbonisation volatils et solides à la partie supérieure, par le tuyau 315, à la vitesse et à la température requises pour le traitement désiré, dans le ré- cipient 300.
Suivant l'invention, la température dans le ré- cipient 320 est maintenue au niveau désiré de, par exemple, environ 1100-1300 F, au moyen d'une alimentation en chaleur externe dans le foyer réchauffeur 330, qui peut fonctionner..
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..comme suit. Le coke produit est retiré vers le bas du réai- pient 320, au travers d'une oheminée de descente 324, pour être récupéré par le tuyau de branchement 325. Une partie du coke produit,allant jusqu'à environ 3 à 10 livres par livre de charbon à carboniser, est envoyée dana une conduite 327,où elle est recueillie par un véhicule gazeux, tel que de la vapeur, de l'azote ou des gaz remis en circuit, qui est fourni par la conduite 329, pour former une suspension relativement diluée, qui s'écoule vers le haut par les tubes 335 du foyer réohauffeur 330. Un mélange de combustion de combustible et d'air, est fourni au réchauffeur 330 par la conduite 337, et les gaz de carneau sont extraits par la conduite 339.
La vites- se superficielle de la suspension dans les tubes 335 et la vitesse de combustion dans le foyer réchauffeur 330 peuvent être facilement réglées, de façon que la suspension quitte les tubes 335 à n'importe quelle température désirée qui, pour les buts du présent exemple, se trouvé entre environ 1300 F et environ 1500 F. Des vitesses d'écoulement d'environ 10 à 25 pieds par seconde et des températures de foyer d'environ 1600 F conviennent pour ce but dans le fonctionnement indus- triel. La suspension de ooke fortement ohauffée est renvoyée au récipient 320 par la conduite 340 et transporte sa chaleur au lit fluidifié subissant la oarbonisation.
On comprendra qu'au lieu de faire passer la sus- pension par les tubes 335, elle peut s'écouler autour des tubes 335, qui, dans ce cas, peuvent être alimentés par le mélange de combustion.
Le système de la fig.3 peut évidemment être utilisé pour la fabrication de gaz de gazogène, de gaz à l'eau ou de gaz de synthèse, par le choix de gaz appropriés fournis par la conduite 323, la charge en matières carbonacées appropriée et les températures de traitement appropriées, comme le com- prendront les personnes du métier.
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Des systèmes à deux récipients ont été représentés à la fig.2 et la fig.3, et cette disposition a l'avantage dis- tinct que des solides plus complètement traitée ou ayant réagi plus complètement, tels que des cendres relativement pures ou du coke sec, plutôt que des matières solides d'un degré moyen de traitement, peuvent être retirés du système.On com- prendra cependant que, pour beaucoup de traitements, un des récipients peut être supprimé ou que plus de deux récipients peuvent être utilisés, sans qu'on s'écarte de l'esprit de l'invention.
Si on le désire, des déflecteurs ou chicanes verti- cales ou horizontales peuvent être disposées dans les récipients de traitement pour empêcher un mélange excessif dans une direc- tion verticale. Lorsque du charbon ou une autre matière quel- conque se cokéfiant fortement, est utilisée pour la gazéifica- tion ou la carbonisation, il est Important que le temps de contact d'une particule dans le premier récipient de traitement soit, en moyenne, d'au moins une minute, c'est-à-dire que moins de 60 livres et, de préférence, environ 20-40 livres de charbon frais par livre de matière dans le récipient, doivent être envoyées par heure pour maintenir une grande quantité de ma- tières sèches dans le récipient et, ainsi,
pour éviter la for- mation de gâteaux et l'agglomération de particules. De plus, la matière sèche balaie continuellement les surfaces d'échange de chaleur en empêchant les dépats de goudron qui peuvent gêner un échange de chaleur approprié.
Lorsque des matières carbonacées,telles que des huiles, des brais ou des asphaltes, sont utilisées comme ma- tières d'alimentation, elles peuvent être déposées et traitées sur des matières solides fluidifiées, telles que du coke, du sable ou des substances analogues,, maintenues dans les réci- pients de traitement.
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D'autres variantes comprises dans le cadre de l'in vention apparaîtront aux personnes du métier.
L'invention sera, en outre, illustrée par l'exemple spécifique suivant.
EXEMPLE.
Dans la gazéification d'un charbon de gazéification typique dans le système du type représenté à la fig.2'; de bons résultats sont obtenus jans les conditions spécifiées ci-dessous.
EMI19.1
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Température <SEP> des <SEP> tubes <SEP> 210 <SEP> 1400 F
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<tb> Matière <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> Acier <SEP> KA <SEP> S
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<tb> Température <SEP> du <SEP> récipient <SEP> 200 <SEP> 1008FF. <SEP> 2
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<tb> Pression <SEP> dans <SEP> le <SEP> récipient <SEP> 200 <SEP> 50 <SEP> livres
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<tb> Température <SEP> des <SEP> tubes <SEP> 230 <SEP> 2000 F
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<tb> Matière <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> Acier <SEP> NCT3
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<tb> Température <SEP> du <SEP> récipient <SEP> 220 <SEP> 1500 F
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<tb> Pression <SEP> dans <SEP> le <SEP> récipient <SEP> 220 <SEP> 30 <SEP> livres
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<tb> Pression <SEP> à <SEP> l'intérieur <SEP> des <SEP> tubes
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<tb> Vitesse <SEP> d'alimentation <SEP> en <SEP> charbon
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<tb> Circulation <SEP> de <SEP> matières <SEP> solides <SEP> entre <SEP> heure <SEP> - <SEP>
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<tb> du <SEP> récipient <SEP> 200 <SEP> heune
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<tb> au <SEP> récipient <SEP> 200 <SEP> 150 <SEP> livres/pied <SEP> oarré/
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<tb> " <SEP> au <SEP> récipient <SEP> 220 <SEP> 50 <SEP> livres/pied <SEP> carré/
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Hauteur <SEP> des <SEP> lits <SEP> fluides <SEP> dans
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<tb> les <SEP> récipients <SEP> 200 <SEP> et <SEP> 220 <SEP> 25 <SEP> pieds.
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La description qui précède et les opérations ser- vant d'exemples ont illustré les applications spécifiques et les résultats de la présente invention. Toutefois, d'au- tres variantes évidentes pour les personnes du métier sont comprises dans le cadre de la présente invention. Les seules limitations imposées à 1'invention, sont celles indiquées aux revendications oi-annexées.
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"Supply of heat to fluidized solids beds".
The present invention relates to the supply of heat to turbulent dense beds of finely divided solids fluidized by gas flowing from the bottom up.
The invention relates more particularly to the supply of heat for the conversion into volatile fuels and precious gases of carbonaceous materials, such as all types of coal, ooke, lignite, peat, cellulosic materials, comprising: lignin ,, oil shales, tarry sands, petroleum, heavy residues, pitch, asphalt and the like, as well as liquid and gaseous hydrocarbons, conversion made possible by the use of the technique of fluidized solids.
The application of the technique called "fluidized solids", to the conversion of oarbonized solids into volatile fuels, for example to the carbonization of oarbonizable materials or to the gasification of fuels ...
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... solid, is well known in the trade. In these processes, finely divided carbonaceous materials, such as charcoal, having a flowable particle size of about 50-400 mesh, are supplied to a conversion zone where they are maintained at the conversion temperature. in the form of a turbulent dense bed of finely divided solids, fluidized by a flow of gas flowing from the bottom upwards, so as to form a well defined upper level.
Most of these conversions, in particular the carbonization of carbonizable fuels and the manufacture of water gases by reaction of solid fuels with steam, are endothermic processes. Various methods of providing the heat required in these processes have been proposed.
One method uses the sensible heat of heat transporting gases, such as: steam, coal gas, coal gas, etc. ... blown through the fluidized bed of carbonaceous solids. As a result of the extremely low heat capacity of gases, compared to that of solids to be heated, it is necessary to use large amounts of heating gas, having a temperature considerably higher than that of the desired conversion.
While this method may be industrially feasible for low temperature carbonizations, carried out at temperatures of about 8000 to 12000F, the high gas preheating temperatures, required for high temperature carbonization and gas fabrication. to water, are generally prohibitive because of the limited heat resistance of suitable materials in the fireplace. In addition, the heating gas complicates the recovery of the desired volatile conversion products or lowers the heat output of the product gas, or else causes both of these effects.
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Some of the disadvantages of this method can be avoided, when the necessary heat is supplied by means of limited combustion in the fluidized bed of carbonaceous solids. However, this method results in the loss of considerable proportions of valuable fuel conversion products, which are burned during the limited combustion.
In addition, the dilution of gases produced by the gaseous combustion products constitutes a serious disadvantage of this procedure.
Another method of providing heat involves the use of a separate fluid combustion zone, from which the finely divided, strongly heated solid combustion residue is circulated to the combustion zone consuming the combustion. heat. Besides the fact that an additional combustion reaction vessel of considerable size is required, the efficiency of heat generation of this type of combustion is low, due to the large formation. of carbon monoxide in a fluid container heated by combustion in air.
In addition, enormous solids circulation rates are required, particularly at high conversion temperatures, which necessitates small temperature differences between the combustion zone and the conversion zone, due to the limitations imposed by the resistance. - heat tanoe of building materials and the melting or softening point of ash. If applied to charring, the ooke produced must be separated from the solid carrier of relatively worthless heat to obtain a usable product.
Internal heating of the fluid bed by various electrical means has been proposed, but is impractical due to its technical and economic inefficiency, such as the need for inexpensive energy such as hydroelectric power out of peaks, the reaction of H2O and CO2 with the gold types
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... dinars of electrodes, such as carbon, formation of ash soories, on metal electrodes, etc.
Similar difficulties occur in the endothermic conversion of hydrocarbons with steam, to gas with water, using regenerative fluid catalysts, and in various other endothermic processes employing the fluidized solids technique.
The present invention overcomes the difficulties mentioned above and provides various additional advantages, which will be fully understood from the detailed description given hereinafter, with reference to the accompanying drawings.
The main object of the present invention is therefore to provide improved means for supplying heat to dense turbulent beds of finely divided, fluidized solids.
Another object of the present invention is to provide improved means for supplying the heat necessary for the conversion of carbonaceous materials into volatile fuels, using the technique of fluidized solids, without the disadvantages mentioned above.
Another more special object of the invention is to provide improved means for supplying the heat required in the charring of carbonized fuels, by employing the fluidized solids technique, to produce volatile fuels. and coke without the disadvantages mentioned above.
Another special object of the invention is to provide improved means for providing the heat required in the production of fuel gases, from carbonaceous solids, by employing the fluidized solids technique, without the disadvantages mentioned. upper.
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Still other objects will become apparent from the description given below and the claims.
The objects and advantages mentioned above can be realized according to the present invention, in a quite general way, by supplying to the bed of fluidized solids, heat by means of fluid heating, via the medium. suitable heat transfer surfaces.
It has been found that the distance of heat transfer from the surface to the center of solid particles of fluidizable size is sufficiently small, and the rate of heat transfer and distribution from the surface of transfer. The heat rate, in a fluidized mass of solids, is high enough to allow a satisfactory heat supply, in general, for temperature differences between the heating medium and the mass of fluidized solids, d About 75 to 300 F, although higher temperature differences can be used.
The exact temperature difference depends mainly on the relative size and location of the heat exchange surface, the heat capacity of the heating medium and the isolation of the device.
The heat exchange surfaces are preferably embedded in the bed of fluidized solids in the form of conventional heating coils, vertical and horizontal bundles of heating tubes, heating vessels and the like. However, the mass of fluidized solids can also be maintained in heat exchange surfaces of suitable cross sections surrounded by the fluid heating means.
Suitable heating means for temperatures within the temperature range of 7000 to 1300 F, include refractory oils such as oracked gas oils and Dowtherm "oils, mixtures of inorganic salts. such ..
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than a mixture of sodium nitrate, sodium nitrite and potassium nitrate, molten metals such as lead, mercury vapors, combustion gases or the like.
For higher temperatures, it is preferred to conduct retarded combustion in the heat exchange surfaces such that the heat output and the temperature of the heat exchange surfaces are substantially uniform over the entire range of heat. heat transfer surfaces. This can easily be achieved, for example, by suitable control of the flow rates or a suitable distribution of combustion fuel and / or combustion air, along the length of the heating tubes. When using high heat resistance alloy steel surfaces, such as chrome nickel steel surfaces, temperatures up to 1500 F and even up to about 20,000 F can be achieved. in this way.
The heat capacity of this type of heating medium can be considerably increased by the use of powdery solid fuel or finely divided inert solids suspended in the combustion gases, the suspended solids serving as storage accumulators. heat.
The supply of heat by suitable heat transfer surfaces, according to the present invention, eliminates the contamination of volatile conversion products by the heating gas, avoids losses of desired products by combustion and does not require circulation. excessive amounts of solid heat vehicles, nor the separation of such a heat vehicle from the solid conversion products. Other advantages will appear below.
After having stated the general nature and the objects of the invention, it will be better understood from the more detailed description which follows, in which reference is made
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to the accompanying drawings.
Fig. 1 is a semi-schematic view of a system suitable for carrying out a variation of the present invention, in which heat is supplied to a bed of fluidized solids by heat transfer surfaces embedded therein.
Fig. 2 is a similar view illustrating the same principle of heat supply especially, intended for carrying out several heat treatments, at different temperatures, and, FIG. 3 shows a variation of the invention comprising the supply of heat through heat transfer surfaces containing the mass of the fluidized solids, the heating fluid surrounding the heat transfer surfaces.
Referring now to the detailed description of Fig. 1, numeral 10 denotes a vertical, substantially cylindrical processing vessel intended for operation with thinned solids. The cylindrical main part of the container 10 is separated from the conical lower part 12 by a perforated distribution plate or grid 14. A bundle of horizontal heating tubes 20 is arranged through the cylindrical part of the container 10.
The tube bundle 20 preferably extends from a lower part, beyond the middle part of the cylindrical section of the container 20.
During operation, finely divided solids having a particle size of between about 10 and 400 meshes, preferably between 50 and 200 meshes, are supplied to vessel 10 through line 1 by any suitable means known in silk such as a ventilated riser pipe, a pressure feed hopper, a mechanical conveyor, etc. (not shown).
Solid materials
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can be materials carrying volatile substances such as hydrated clay, saturated absorbents such as charcoal, silica gel, etc., carbonisables or other solid materials from which products volatiles must be expelled at high temperatures, or else solids which must be subjected to a uniform reaction temperature, such as catalysts for various gas phase reactions, in particular the reformation of hydrocarbons such as methane by steam to form mixtures of CO and H2 suitable for the synthesis of hydrocarbons, etc.
A suitable gas, preferably preheated, is introduced through line 3 into the tapered lower portion 12 and enters vessel 10 through grate 14 at a surface velocity of about 0.3-5 feet / second, preferably. 0.5-1.5 feet / second, this gas being intended to transform the mass of solids in vessel 10 into a dense bed of turbulent fluidized solids, having a well-defined upper level L10. Although any gas which is not detrimental to the desired treatment can be employed, it is preferred to employ a gas which will aid in the desired treatment, for example by reducing the partial pressure of the products to be volatilized.
The amounts of gas required for this purpose can vary, in general, from about 10 to 5000 cubic feet per cubic foot of treated space per minute. The lower value is used when aeration only is desired, the intermediate values when only partial pressure reduction is desired, and the higher values when the reaction of gas with solids takes place.
The heating of the fluidized solids bed is effected by tubes 20 arranged in the vessel 10 so as to establish the optimum heat exchange to the solids bed. Any type of classic trading agent
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The heat exchange medium, which is suitable for the desired temperature range, can be used in tubes 20. The heat exchange fluid is preferably admitted through a tube 22 and passes through the parallel tubes 20 to. maintaining a uniform supply of heat to different parts of the solids bed. The heating fluid used is discharged through tube 24.
Due to the constant agitation and uniform mixing in the fluidized solids bed, which resembles a boiling liquid, excellent heat exchange is established in vessel 10. The heat exchange requirements are established. considerably reduced by the movement of solid particles, compared to heating the relatively static deaerated powdery masses. Overheating is avoided by the high turbulence of the solids around the tubes. In this way, the solids bed can be maintained at any desired processing temperature, commensurate with the heat resistance of the materials available for the tubes.
Vapor products and a fluidifying gas containing fine particles of incoming solids are removed from above the L10 level and pass through a solids and gas separation system which may include a separator. indoor cyclone 26 and / or an outdoor electric precipitator 28 from which the separated solids can be returned to vessel 10 through lines 27 and 29 respectively. Product vapors and top gases, substantially free of solids, are collected through line 30 or returned wholly or in part through line 32 to line 3 for fluidization and / or other purposes. conversion.
Separators 26 and / or 28 can also be placed downstream of suitable cooling means to avoid equipment faults resulting from excessive temperatures.
Solid products are drawn down the
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fluidized bed by suitable down-discharge means 35, which is preferably a conventional pipe, aerated by taps 37 in a manner known per se. Other unloading means such as star or screw conveyors, etc., can be employed, if desired.
When the system shown in fig. 1 is used for the distillation, and more particularly the low temperature carbonization of finely divided carbonizable materials, it is desirable to fill the vessel 10 with a dry flowable solid material, preferably coke or. other solid carbonization products such as oil shale or spent tar sands, which are maintained at the desired carbonization temperature of about 850 -1100 F by means of tubes 20. The carbonization material is supplied by the line 1 into the hot, dry, fluidized bed of solids at a rate which will substantially prevent cake formation in vessel 10.
This can be accomplished by maintaining no more than about 10-25% by weight of fresh bitumen solids in the solids bed of vessel 10. In the event that the particles tend to agglomerate during the operation, solids can be removed through line 35, crushed and returned through line 1 to container 10.
Any of the heating fluids mentioned above can be used in tubes 20, preheated to a temperature about 75-300 ° F higher than the desired carbonization temperature. Steam, inert gases or gaseous products can serve as the fluidizing gas, preferably at a surface velocity of about 0.5-1.5 feet per second. Carbonization pressures can range from atmospheric pressure to 200 pounds per square inch, depending on construction and product considerations. Pressures between? and 50 pounds per pou-
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this square are preferred.
Those skilled in the art will understand that the tubes 20 can be arranged vertically rather than horizontally, without departing from the spirit of the present invention.
The system of fig.l can also be used for the reformation of methane or similar substances by steam to produce synthesis gas. In this case, the vessel 10 contains a finely divided regeneration catalyst, such as nickel oxide with promoters such as magnesia, alumina, eto., In fluidizable particle size, and a mixture of steam and Natural gas is introduced through line 3. Tubes 20 are maintained at a temperature of about 1550 -1700 F to establish an appropriate regeneration temperature of about 1500 F in the fluidized bed of vessel 10.
The most suitable heating agent for this application of the invention is a burning mixture of fuel and air, preferably holding finely divided solids in suspension to improve the heat exchange coefficient to. the interior of tubes 20. These solids can be separated from the flue gas leaving tubes 20. and resuspended in a fresh combustion mixture, if desired.
If we now refer to FIG. 2, it will be seen that there is illustrated an embodiment of the invention, intended to carry out two heat treatments at different temperatures, such as preheating and carbonization, or gasification in The latter type of treatment will be used hereinafter to explain the operation of the system, by way of example, although other treatments can be carried out in a similar manner.
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The system of Fig. 2 essentially comprises a low temperature vessel 200 and a high temperature vessel 220, which are provided with bundles of vertical heating tubes 210 and 230 respectively. The shape and the. General embodiments of containers 200 and 220 are similar to those of container 10 of fig.l.
During operation, the starting carbonaceous material, such as finely divided coke or coal, having a particle size, preferably less than about 100 mesh, is supplied through line 201 to vessel 200 and held there under the forms a dense turbulent bed, having a level above 1200 'with the aid of a gas such as steam, CO2' etc., required for the desired gasification reaction and supplied from the pipeline 203 through the grid 205 at a surface speed of about 1-6 feet per second. Bed densities of about 10 to 40 pounds per cubic foot are desirable in vessel 200.
The quantities of gas required for this purpose can range up to 40 to 100 cubic feet per pound of coal to be gasified.
The heater tubes 210 are maintained at a temperature of about 1000-1200 F, using a hot couratt of recirculated gas from the high temperature tubes 230 through the distribution line 208. If desired, the temperature of these flue gases can be increased by the addition of a mixture of combustion air and fuel supplied through line 209. Spent flue gas is removed from tubes 210 through line. collector 211.
Under the conditions indicated, the carbonaceous material supply to vessel 200 is heated uniformly to a temperature of about 850-1100 F, which is below the gasification temperature, but is sufficient for carbonization. at low temperature, in case the carbonizable feed is used.
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A relatively dilute suspension (density of about 0.5 to 5 pounds per cubic foot) of finely divided coke in the fluidising gas and / or the vapors and gases produced, is brought above the L200 level through pipe 215 in the lower conical part of the vessel 220, to form therein, above the grate 218, as a result of the reduced gas velocity, a dense bed of fluidized solids, having a level L220 'similar to that maintained in vessel 200. If desired, additional reaction gas can be supplied through line 216.
The heater tubes 30 are maintained at a temperature of about 1700 -1900 F, using a combustion mixture of fuel and air, supplied from the brake pipe 219 and burning at an approximately uniform rate. from one end of the length of the heating pipes to the other. The tubes are heated in parallel to give multiple points of heat introduction into the heating tubes. By using 10 to 50% excess air, the velocity in the tubes is maintained above. 25 feet / second, preferably 40-75 feet / second, to provide retarded combustion and uniform temperatures throughout the length of the tube.
In this way, the carbonated solids in vessel 220 are maintained at a gasification temperature of about 1600-1800 F and react with the fluidizing gas to form a gaseous product containing H2 or CO, or both. , which is removed above, through pipe 235, if desired, after separation of entrained solids (not shown). Ash can be removed through line 237. However, in many cases it may be desirable to maintain a high ash content of about 15-50% in vessel 220, to utilize the catalytic activity of the ash. In this case, an appropriate proportion of ash, for example 0.5 to 5 times the.
<Desc / Clms Page number 14>
... quantity of charcoal supplied, is returned to the cycle through line 239 and is thus retained in the system. The coal possibly removed with the ashes by the pipe
237 can be burnt in the boiler used for steam production.
When the system of fig. 2 is used for the manufacture of town gas from coal, the B.T.U. of the gaseous product is greatly enriched by the carbonization products obtained in the container 200. The B.T.U. Gas can be further increased, if operated at pressures of, for example, about 200-300 pounds per square inch, which will promote the formation of methane in the water gas generator. If gas to water suitable as a feed gas for the catalytic synthesis of hydrocarbons is produced, the ratio of H2: CO can be controlled by cracking or reacting the volatile carbonization products from the vessel. 200 with steam and / or CO2, in container 220.
Because of the passage of the coal distillates from vessel 200 to vessel 220, which is at a higher temperature, the tars are cracked so that the gases from vessel 220 contain little or no material. condensable. In any case, product yield and quality remain entirely unaffected by the method of heat generation. It will also be appreciated that this system is particularly well suited for the preparation of highly reactive gasification coke by producing low temperature carbonization in vessel 200.
In this manner, the actual gasification temperatures in vessel 220 can be lowered by about 100-300 F, without decreasing vapor conversion to inefficiently low levels.
Heating tubes 210 and 230 are shown in a vertical position and shaped as hairpins.
<Desc / Clms Page number 15>
...hair. Although horizontal tubes can be used, vertical tubes are usually preferred, because the height of the fluidized bed is normally much greater than its width. The hairpin shape allows for heat expansion and contraction; without undue effort.
Note also that, in both vessel systems, most of the endothermic heat for the decomposition of CO2 and / or H2O is supplied to the low temperature reaction vessel 200. This portion may be 60%. heat of reaction, the second reaction vessel 220 being employed to complete the reaction of CO2 and / or H2O and to control the products to water gas equilibrium at the higher temperatures.
As a result, the temperature of the outgoing flue gas is lower than if a single vessel is used. Most of the heating surface can also be an alloy containing nickel and chromium, which are less expensive.
Referring now to Fig. 3, the system is here adapted for external heating of fluidized solids according to the present invention, and will be described later using two-phase carbonization of coal, for example. However, other treatments of fluidized solids can be carried out in this system.
Two vertical processing vessels 300 and 320, similar in shape to vessels 200 and 220, are preferably provided in a superimposed position. Finely divided carbonaceous carbon of flowable particle size is supplied through line 301 to vessel 300, where it forms above the grate 305, a dense turbulent uhlit having an upper level L300. The bed of materials ...
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..solids in vessel 300 is fluidized and maintained at a preheating or low temperature carbonization temperature, of about 700 -900 F, by a hot dilute slurry of coke in the fluidizing gas, and vapors and gases. carbonization passes upward from vessel 320 through pipe 315, as will be more clearly seen below.
Volatile chars are removed above the L300 level, stripped of solids entrained in separator 307, and sent through line 309 to a conventional recovery system (not shown). A portion of the gases produced can be recirculated through line 310 to the gas supply line 321 of container 320.
Preheated or precarbonized fluidized coal is withdrawn downwardly from vessel 300 through pipe 317 aerated with steam, product gas or the like, through taps 318, and introduced into charcoal vessel 320 to form therein a dense turbulent mass of coal and coke, fluidized by an inert fluidifying gas, such as steam, 002, etc., introduced through lines 321 and 323, to form an upper level L320 .
Gas velocities of about 0.5 to 2.0 feet / second are suitable to properly fluidize the mass of solids in vessel 320 and to carry volatile and solid carbonates to the top through pipe 315. at the speed and temperature required for the desired treatment, in vessel 300.
In accordance with the invention, the temperature in vessel 320 is maintained at the desired level of, for example, about 1100-1300 F, by means of an external heat supply to warmer hearth 330, which may be operated.
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..as following. The coke produced is drawn down from reactor 320, through a downpipe 324, to be collected through branch pipe 325. Some of the coke produced, up to about 3 to 10 pounds per pound of charcoal to be charred, is sent through line 327, where it is collected by a gaseous vehicle, such as steam, nitrogen, or recirculated gases, which is supplied through line 329, to form a relatively dilute slurry, which flows upward through tubes 335 of reheater 330. Combustion mixture of fuel and air is supplied to heater 330 through line 337, and the flue gases are removed through line. driving 339.
The superficial speed of the suspension in tubes 335 and the burning rate in the reheater 330 can be easily adjusted, so that the suspension leaves the tubes 335 at any desired temperature which, for the purposes of the present. For example, is found between about 1300 F to about 1500 F. Flow rates of about 10 to 25 feet per second and hearth temperatures of about 1600 F are suitable for this purpose in industrial operation. The highly heated ooke slurry is returned to vessel 320 through line 340 and carries its heat to the fluidized bed undergoing carbonization.
It will be appreciated that instead of passing the suspension through tubes 335, it can flow around tubes 335, which in this case can be supplied with the combustion mixture.
The system of fig. 3 can obviously be used for the production of gasifier gas, water gas or synthesis gas, by the choice of suitable gases supplied by the pipe 323, the appropriate carbonaceous matter charge and appropriate processing temperatures, as will be understood by those skilled in the art.
<Desc / Clms Page number 18>
Two-vessel systems have been shown in Fig. 2 and Fig. 3, and this arrangement has the distinct advantage that solids more completely processed or having reacted more completely, such as relatively pure ash or coke. dry, rather than solids of an average degree of processing, can be removed from the system. It will be understood, however, that for many treatments one of the vessels may be omitted or more than two vessels may be used, without that we deviate from the spirit of the invention.
If desired, vertical or horizontal baffles or baffles can be provided in the processing vessels to prevent over-mixing in a vertical direction. When coal or any other highly coking material is used for gasification or carbonization, it is important that the contact time of a particle in the first processing vessel is, on average, of. at least one minute i.e. less than 60 pounds and preferably about 20-40 pounds of fresh coal per pound of material in the container should be sent per hour to maintain a large amount of ma - dry contents in the container and, thus,
to prevent the formation of cakes and the agglomeration of particles. In addition, the dry material continually sweeps the heat exchange surfaces preventing tar deposits which can interfere with proper heat exchange.
When carbonaceous materials, such as oils, pitches or asphalts, are used as feedstuffs, they can be deposited and processed on thinned solids, such as coke, sand or the like, , kept in treatment containers.
<Desc / Clms Page number 19>
Other variants included in the context of the invention will appear to those skilled in the art.
The invention will be further illustrated by the following specific example.
EXAMPLE.
In the gasification of a typical gasification coal in the system of the type shown in Fig. 2 '; good results are obtained under the conditions specified below.
EMI19.1
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Temperature <SEP> of the <SEP> tubes <SEP> 210 <SEP> 1400 F
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<tb> Material <SEP> "<SEP>" <SEP> "<SEP> Steel <SEP> KA <SEP> S
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<tb> Temperature <SEP> of the <SEP> container <SEP> 200 <SEP> 1008FF. <SEP> 2
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<tb> Pressure <SEP> in <SEP> the <SEP> container <SEP> 200 <SEP> 50 <SEP> pounds
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<tb> Temperature <SEP> of the <SEP> tubes <SEP> 230 <SEP> 2000 F
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<tb> Material <SEP> "<SEP>" <SEP> "<SEP> Steel <SEP> NCT3
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<tb> Temperature <SEP> of the <SEP> container <SEP> 220 <SEP> 1500 F
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<tb> Pressure <SEP> in <SEP> the <SEP> container <SEP> 220 <SEP> 30 <SEP> pounds
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<tb> Pressure <SEP> at <SEP> inside <SEP> of the <SEP> tubes
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<tb> 210 <SEP> and <SEP> 230 <SEP> 20 <SEP> books
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<tb> Speed <SEP> of supply <SEP> in <SEP> coal
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<tb> to <SEP> container <SEP> 200 <SEP> 100 <SEP> pounds / square foot <SEP>
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<tb> hour
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<tb> Circulation <SEP> of <SEP> materials <SEP> solids <SEP> between <SEP> time <SEP> - <SEP>
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<tb> the <SEP> containers <SEP> 200 <SEP> and <SEP> 220 <SEP> 1200 <SEP> pounds / square foot <SEP> /
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<tb> of <SEP> container <SEP> 200 <SEP> heune
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<tb> <SEP> speeds of <SEP> the <SEP> steam
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<tb> to <SEP> container <SEP> 200 <SEP> 150 <SEP> pounds / foot <SEP> oarré /
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<tb> hour
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<tb> "<SEP> to <SEP> container <SEP> 220 <SEP> 50 <SEP> pounds / square foot <SEP> /
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<tb> hour.
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Height <SEP> of the <SEP> beds <SEP> fluids <SEP> in
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<tb>
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<tb> the <SEP> containers <SEP> 200 <SEP> and <SEP> 220 <SEP> 25 <SEP> feet.
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The foregoing description and exemplary operations have illustrated the specific applications and results of the present invention. However, other variations obvious to those skilled in the art are included within the scope of the present invention. The only limitations imposed on the invention are those indicated in the appended claims.