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" Procédé et installation pour la gazéification de sub- stances carbonifères à grains fins."
Dans le présent mémoire, on entend par gazéifi- cation de matières à grains fins la gazéification, à l'aide d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène, de matières carbonifères à grains fins ou pulvérisées, telles que le poussier de charbon, le charbon pulvérisé, le grésillon de coke, la poudre de bois, les schlamms et les matières ana- logues.
La gazéification de poussières par les procédés connus, peut se réaliser de trois manières, à savoir : 1. gazéification à contre-courant par un procédé identique à celui de la gazéification de matières carbonées à gros
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grains dans des gazogènes à cuve.
2. gazéification à l'état flottant, telle qu'elle s'effec- tue dans le gazogène de Winkler.
3. gazéification par circulation, dans laquelle la sub- stance à gazéifier traverse le réacteur dans le même sens que l'agent gazéifiant.
Dans ces procédés connus, pour l'obtention de la présent chaleur nécessaire à la gazéification, on a proposé jusqu'à les systèmes suivants : a. chauffage extérieur ou chauffage électrique, b. comme agent gazéifiant, on se sert d'un courant de gaz de fumée obtenu à haute température par combustion complète ou incomplète d'une partie de la substance à gazéifier, combustion qui peut éventuelement être effectuée graduel- lement. c. un agent de gazéification en circulation est chauffé jusqu'à une température telle, que la chaleur nécessaire à la gazéification puisse être dégagée par cet agent. d. une partie de la substance à gazéifier est brûlée, pen- dant la gazéification, dans le même espace de réaction en introduisant simultanément dans cet espace la substance à gazéifier, de l'oxygène et de la vapeur d'eau.
En ce qui concerne la qualité des mélanges gazeux obtenus par les procédés connus, il faut remarquer qu'on obtient principa- lement trois genres de produits, à savoir : 1. si l'on emploie de l'air comme agent de gazéification, des mélanges gazeux à faible chaleur de combustion xxxxx de 1000- 1300 Kcal/m3; 2. si l'on emploie de l'oxygène comme agent de gazéifica- tion, desmélanges gazeux de composition analogue à celle du gaz à l'eau et à chaleur de combustion de 2700-3000 Kcal/m3; 3. des mélanges gazeux, se composant principalement de
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CO + H2 dont la composition peut varier entre des limites restreintes, si l'on emploie un agent de gazéification en circulation.
Au point de vue du rendement des procédés connus, on peut remarquer que, dans la gazéification selon le principe du contre-courant, le rendement est faible, parce que le mélange gazeux obtenu contient encore beaucoup de substances non gazéifiées, ce qui est aussi le cas des scories, alors que la teneur en acide carbonique est trop élevée par suite de la formation inévitable de canaux.
De même dans la gazéification à l'état flottant, le mélange gazeux contient beaucoup de matières non gazéi- fiées, tandis que le mélange gazeux obtenu par ce procédé a encore une température très élevée,de plus de 1000 C.
Dans la gazéification selon le principe de la circulation continue, le rendement est également faible, parce que le mélange gazeux obtenu est également à une température très élevée de l'ordre de 1200-1300 C, tandis qu'en outre le mélange gazeux provenant de la chambre de réaction doit nécessairement être à une température supé- rieure à celle de la substance à gazéifier. Dans les pro- cédés de gazéification à circulation de Winterhall-Schmal- feldt ou Koppers par exemple, le rendement est encore plus faible, parce que le chauffage de l'agent en circulation s'accompagne de pertes de chaleur, tandis qu'en même temps une partie de la substance à gazéifier doit parfois être soutirée du courant gazeux.
En général, on peut conclure que le rendement de la gazéification, que l'on peut définir par le rapport de la chaleur de combustion du mélange gazeux obtenu à ce- lui de la substance à gazéifier, n'est que de 42 à 72% dans les procédés connus, alors que pour la gazéification d'une substance à gros grains on peut atteindre un rendement de
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90 %. De même le rendement du gazogène employé est beau- coup plus faible dans les procédés connus de gazéification de poussières que dans les procédés de gazéification de substances à gros grains, ce qui est d'autant plus frap- pant si l'on calcule le rendement non par rapport au dia- mètre du gazogène en m2, mais par rapport à l'espace de gazéification en cm3.
Dans les procédés de gazéification de poussières, le rendement est le plus souvent inférieur à 300 m3 par m3 de volume de gazéification, alors que pour la gazéification de substances à gros grains dans les gazogènes à cuve où lton évacue les scories sous forme de liquide, on peut atteindre un rendement de 1500 m3/m3.
Or, on a trouvé que l'on peut obtenir de bien meilleurs résultats dans la gazéification de matières carbonifères en poussière, si la substance à gazéifier est chauffée préalablement jusqu'à environ la température de gazéification dans une chambre spéciale raccordée au réac- teur de gazéification et est ensuite, après avoir été in- troduite dans le réacteur de gazéification, gazéifiera l'aide d'un courant de gaz de fumée, introduit dans le réacteur de gazéification à une température plus élevée que la température de gazéification, lequel courant de gaz de fumée est obtenu par la combustion partielle ou totale d'un combustible quelconque, de préférence un gaz, à l'aide d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène, et est additionné, si on le désire, de vapeur d'eau et/ou d'acide carbonique et/ou d'autres combustibles,
et ainsi que d'un autre courant de gaz de fumée, dont la vitesse, dans le réacteur de gazéification, est réglée de façon à être toujours quelque peu inférieure à la vitesse, à la- quelle les particules les plus grosses de la substance à gazéifier introduites dans le réacteur peuvent encore rester à l'état flottant. Dans le procédé selon l'inven-
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tion, la gazéification de matières carbonifères en pous- a lieu siètres/en présence d'un excès d'oxygène, de vapeur d'eau et/ou d'acide carbonique se trouvant dans le courant de gaz de fumée, tandis que la chaleur nécessaire pour la gazéification est fournie, en partie, par le courant du gaz de fumée. De cette manière, on a obtenu les résultats favorables suivants : 1. le rendement de la gazéification est augmenté jusqu'à environ 90 %.
2. le rendement du gazogène est également augmenté jusqu'à obtention d'un rendement identique à celui de la gazéifi- cation de substances à gros grains dans les gazogènes à cuve, où les scories sont évacuées sous forme liquide; 3. la composition du mélange gazeux à obtenir peut être modifiée de façon qu'il soit possible de réaliser des mélanges gazeux, aptes à être employés pour la synthèse d'hydrocarbures, d'alcools, etc.; 4. la matière à gazéifier peut se composer de particules de 5-6 mm, sans qu'une opération de pulvérisation soit nécessaire, tandis qu'une forte teneur en humidité dans la substance à gazéifier ne présente pas de difficultés.
Grâce au procédé selon l'invention, tous les inconvénients susindiqués des procédés connus pour la gazé- ification de poussières peuvent être évités, du fait de l'application de voies toutes nouvelles. Par le réglage spécial de la vitesse des gaz de fuméele procédé selon l'invention peut être classé dans une classe intermédiaire entre la gazéification à l'état flottant et la gazéifica- tion par circulation.
Dans la gazéification à l'état flot- tant ou par suspension, la vitesse du gaz est fixée à une valeur telle que la chute des particules les plus grosses de la substance à gazéifier est empêchée, laquelle vitesse peut être égale à la vitesse de chute ou à la vitesse de
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flottement des particules les plus grosses, tandis que les particules les plus petites sont entraînées par le courant gazeux.
Dans la gazéification par circulation, la vitesse du gaz est plus grande que la vitesse de flottement des particules les plus grosses. Dans le procédé selon l'inven- tion, la vitesse du gaz est déterminée de telle sorte qu'à son entrée dans le réacteur de gazéification, elle est légèrement plus grande que la vitesse de flottement des plus grosses particules. Une diminution lente et progres- sive de la vitesse du gaz peut ensuite se produire, mais cette vitesse restant constamment légèrement inférieure à la vitesse de flottement des particules xx les plus gros- ses, qui deviennent toujours de plus en p-lus légères par la gazéification.
Il est également à noter que dans le procédé suivant l'invention toutes les particules sont entraînées jusque dans le réacteur, les particules les plus grosses tombant jusqu'à un niveau où la vitesse du gaz est plus grande, en sorte que ce gaz les entraîner à nouveau vers le haut. Comme les particules deviennent plus petites par suite de la gazéification, le phénomène décrit ci- avant, se déplace vers le haut.
En ce qui concerne les particules plus petites et plus légères, le même phénomène se produit dans les parties plus élevées du réacteur.
Pour les particules les plus grosses et les plus lourdes, le procédé suivant l'invention peut être plus ou moins comparé à une gazéification à l'état flottant dans les parties supérieures du réacteur, à condition qu'on néglige la différence essentielle résidant dans le fait que, dans le procédé selon l'invention, il n'y a pas de colonne de substance à gazéifier dans le réacteur et que la substance ne reste pas plus de quelques secondes dans
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le réacteur.
Dans le procédé de gazéification par circulation, on peut noter que la vitesse du gaz est toujours plus gran- de que la vitesse de flottement des particules les plus grosses, de sorte que la hauteur du réacteur ou, en géné- ral, la longueur du trajet à parcourir pendant la gazéifi- cation sera calculée de façon que la gazéification des plus grosses particules soit possible.
On doit, dès lors, construire des réacteurs avec trajet de gazéification de plusieurs dizaines de mètres, si la substance à gazéifier se compose de particules de 5-6 mm. De plus, le temps de passage dans le réacteur est de l'ordre 50 - 100 secondes, de sorte que le rendement est très bas. Ces inconvénients peuvent être évités en pulvérisant d'abord la substance à gazéifier, mais par cette opération le procédé perd de sa valeur pour son ap- plication industrielle. Par contre, dans le procédé selon l'invention, des substances à grains de 5-6 mm peuvent être gazéifiées sans difficultés.
Dans le procédé selon l'invention, on obtient également la chaleur nécessaire à la gazéification des poussières par une méthode nouvelle. La substance à gazéifia, est chauffée à peu près à la température de la réaction, dans une chambre en communication avec le réacteur de gazéi- fication, tandis qu'il n'est pas nécessaire de disposer de chaleur pour sécher et réchauffer la substance à gazéifier.
Ce résultat est atteint, de manière facile, à l'aide d'un combustible quelconque, de préférence an gaz ou, le cas échéant, un gaz provenant du soutirage en un ou plusieurs points du réacteur d'une partie du mélange gazeux formé dans ce réacteur, ce gaz étant conduit dans la chambre spéciale en communication avec le réacteur et y étant brûlé, en tout ou en partie, avec, par exemple, de l'air préchauf- fé, de l'oxygène, ou un mélange d'oxygène et d'air. Au gaz
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à brûler, à l'air, à l'oxygène, etc. ou au mélange de gaz de combustion obtenu, on peut ajouter de la vapeur d'eau et/ou de l'acide carbonique et/ou d'autres gaz tels que par exemple des gaz de combustion produits ailleurs, ce qui permet de régler la composition du mélange gazeux à pro- duire pendant la gazéification.
Bans la chambre spéciale de combustion, la substance à gazéifier et le mélange de gaz de combustion chaud sont mis en contact, la tempéra- ture de ce mélange de gaz de combustion, qui s'élève sou- vent à 1900 - 2000 C, étant toujours plus élevée que la température de la gazéification dans le réacteur. Le cas échéant, la substance à gazéifier peut encore être séchée et préchauffée. Le mélange de gaz de combustion chaud forme le courant de gaz de fumée avec lequel la substance à gazéifier est introduite dans le réacteur de gazéifica- tion.
Par ce procédé, on obtient dans la chambre de combustion spéciale les résultats suivants : 1. Par suite de la température élevée, les particules plus grosses de la substance à gazéifier se désagrègent facile- ment, de sorte qu'une diminution de la grandeur des parti- cules a lieu sans dépense d'énergie supplémentaire : 2. la substance, non séchée ou partiellement séchée, est séchée brusquement et débarrassée de ses constituants volatiles.
3. si le mélange gazeux de combustion contient de l'oxygène libre, celui-ci réagit avec les constituants volatils de la substance à gazéifier, mais ne réagit pas avec le car- bone si la température de la substance est encore faible au commencement; 4. dès que la température des particules a atteint 800 C, les hydrocarbures (surtout les hydrocarbures lourds) et les vapeurs de goudron se décomposent en leurs composants
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élémentaires.
5. comme le temps pendant lequel les particules séjournent dans la chambre de combustion ne dépasse pas celui néces- saire au chauffage préalable jusqu'à une température sensi- blement égale à la température de gazéification dans le réacteur, ces particules se transforment en particules de coke, alors que le carbone de ces particules ne se trans- forme pratiquement pas dans la chambre de combustion, par- ce que : a. la réduction de CO2 + H20 est très faible à une tempéra- ture inférieure à 800 C; b. CO2 et H20 ne réagissent qu'avec les hydrocarbures légers, spécialement avec CH4; c. la concentration en C02 + H20 peut être maintenue fai- ble au commencement et peut ensuite être augmentée par l'addition d'acide carbonique et de vapeur d'eau et/ou d'un second courant de gaz de fumée obtenu ailleurs.
En appliquant le procédé suivant l'invention, on arrive,de manière simple, à ce que la substance à gazéi- fier soit séchée avant de parvenir dans le réacteur de gazéification, puisqu'elle est libérée de ses constituants volatiles, décomposée en ses éléments et préchauffée à une température de 800-1000 C, tandis qu'en outre les particu- les ont diminué de grosseur.
La température et la composition du second cou- rant de gaz de fumée, surtout ses teneurs en CO2' H20' O2 et N2' peuvent être réglées d'après la composition désirée du mélange de gaz à produire. Comme, ainsi qu'on le sait, la vitesse de gazéification peut être augmentée par l'em- ploi d'un excès d'agents de gazéification, la teneur en vapeur d'eau de ce second courant de gaz de fumée peut être augmentée en conséquence, tandis que la teneur en acide carbonique peut elle aussi, être augmentée, surtout quand le mélange de gaz à produire doit avoir une teneur élevée
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en oxyde de carbone.
Cette modification de la composition de l'agent de gazéification peut se faire dans une chambre spéciale, le cas échéant au moyen d'un troisième courant de gaz de fumée, qui, comme le premier mélange de gaz de combustion, peut être obtenu par combustion dans cette troisième chambre, et peut être additionné de vapeur d'eau et/ou d'acide carbonique préchauffés ou non.
Ainsi, il est possible d'effectuer le chauffage préalable de la substance à gazéifier en deux ou plusieurs étapes, ce qui donne les résultats suivants : 1. la substance à gazéifier et l'agent de gazéification sont amenés dans l'état physique et chimique le plus favo- rable pour la gazéification, ce qui permet de réaliser la gazéification de manière telle que la vitesse relative du courant gazeux par rapport aux particules à gazéifier soit plus grande que dans n'importe quel autre procédé connu jusqutà présent, en sorte que la vitesse de la réaction de gazéification et, dès lors, le rendement du réacteur sont beaucoup plus grands que dans le cas des procédés connus;
2. comme la substance à gazéifier est chauffée à peu près à la température de la gazéification, il n'est pas néces- saire d'effectuer la gazéification à haute température jusqu'à la fin de la réaction, la température pouvant dimi- nuer jusqu'à 750-800 C, en sorte que les pertes calorifiques sont inférieures de 50% environ à celles des procédés con- nus et que le rendement de la gazéification est dès lors plus élevée que dans les procédés connus le rendement peut encore être augmenté en soutirant une partie du mélange gazeux obtenu en un ou plusieurs endroits du réacteur, pour la ramener dans la chambre de combustion, et en employant ensuite la chaleur de la partie non soutirée du dit mélange gazeux, après sa sortie du réacteur, pour le préchauffage des gaz nécessaires dans des échangeurs de chaleur,
de sorte
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qu'un rendement de 90% peut être obtenu.
3. si la gazéification est effectuée de manière que les parties composantes des cendres fondent et qu'on soutire une scorie sous forme liquide, l'avantage d'un chauffage préalable, tel que décrit ci-dessus, apparaîtra égale- ment puisqu'on peut disposer un deuxième réacteurmuni d'un de dispositif/soutirage des scories fluides, derrière le réac- teur de gazéification.
Dans le premier réacteur de gazéification règne la température la plus haute, tandis qu'on veille à ce que la quantité du gaz de fumée servant d'agent de gazéifica- tion soit suffisamment faible pour qu'on ne puisse pas gazéifier la totalité de la substance à gazéifier, après quoi la gazéification est achevée à plus basse température, dans un second réacteur de gazéification à l'aide d'un troisième courant de gaz de fumée.
De cette façon, on peut soutirer une scorie liquide, tandis que peu de cendres volantes sont entraînées dans le mélange de gaz produit; 4. comme la température du mélange de gaz de gazéification est considérablement plus basse que la température de fu- sion de la scorie, les cendres volantes entraînées par le mélange de gaz ne sont pas liquides, de sorte que, dans les dépoussièreurs échangeurs de chaleur, etc. associés aux réacteurs, les particules de cendres volantes ne se collent pas aux conduites, etc. et qu'il ne se forme plus d'obstruction;
5. le chauffage préalable réalisé dans le procédé selon l'invention permet d'obtenir un mélange de gaz à forte teneur en hydrogène, parce que la chaleur nécessaire à la gazéification est fournie par l'agent de gazéification, de sorte qu'une plus grande quantité de vapeur d'eau peut être et transformée/que, dès lors, la teneur en hydrogène est aug- mentée, puisque l'hydrogène présent dans la matière à
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gazéifier, de même que l'hydrogène présent dans le goudron, peuvent se trouver dans le mélange de gaz obtenu.
Si l'on emploie l'oxygène comme gaz de combustion on peut produire ainsi un mélange de gaz de gazéification, dans lequel le rapport CO : H2 est égal à 1 : 1, tout comme dans le gaz à l'eau, alors que dans la gazéification par l'oxygène de combustibles à gros grains, on obtient des mélanges de gaz, dans lesquels la teneur en CO est généra- lement 2-2,5 fois plus grande que la teneur en H2. Le mé- lange de gaz obtenu par la gazéification de matières fines, par le procédé suivant l'invention, est donc plus avanta- geux pour plusieurs usages, notamment comme gaz de synthèse.
Pour obtenir plusieurs mélanges de gaz convenant pour effectuer différentes synthèses, il est souhaitable de pouvoir régler, dans le mélange de gaz, le rapport CO : H2' de façon que le mélange de gaz obtenu puisse être employé immédiatement comme gaz de synthèse, après enlève- ment éventuel de l'acide carbonique. Ce résultat peut Être obtenu dans le procédé selon l'invention en introduisant dans le réacteur de gazéification, en un ou plusieurs endroits où la réaction de gazéification est terminée, de la vapeur d'eau ou même de l'eau pulvérisée, qui abaisse la température du mélange de gaz jusqu'à la température exigée pour la conversion de la vapeur d'eau.
Si, en même temps, on introduit dans le réacteur des catalyseurs pour cette conversion, tels que Fe203' MgO, etc. de préférence pulvérisés, on peut régler la teneur en oxyde de carbone du mélange de gaz, en opérant, dans la mesure désirée, la conversion donnée par l'équation :
CO + H20 - CO2 + H2
Comme on peut employer également de l'eau au lieu de vapeur d'eau, le procédé selon l'invention offre aussi, à ce point de vue, des avantages pratiques.
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La teneur en méthane du mélange de gaz peut être augmentée de façon simple, ce qui est important si le mé- lange obtenu doit être employé comme gaz de ville ou pour la livraison de gaz à grande distance. Cette augmentation de la teneur en méthane s'obtient en introduisant dans le réacteur des catalyseurs convenables à des endroits où la gazéification est terminée et/ou en augmentant la pression dans le réacteur. Comme la température nécessaire pour la conversion de la vapeur d'eau est de 380 à 450 C et que celle de la formation du méthane est de 250 à 300 C, la formation du méthane peut avoir lieu dans une région, où la. conversion de la vapeur d'eau est terminée.
L'application de pressions plus élevées pour la gazéification des matières fines est non seulement avanta- geuse pour la formation du méthane, mais permet, en outre, d'obtenir d'autres résultats favorables. L'application d'une pression plus élevée donne notamment lieu à une aug- mentation des réactions physiques et chimiques de gazéifi- cation, tandis que cette pression est inversement propor- tionnelle au temps de gazéification et à la longueur du trajet à parcourir par les particules pendant la gazéifica- tion. Pour une surpression de 3 atmosphères, le rendement du réacteur est, en effet, déjà trois fois plus élevé qu'à la pression atmosphérique. De cette manière, le rendement de la gazéification de matières fines peut être plus élevé que le rendement de la gazéification de combustibles à gros grains.
Pour obtenir, de façon simple, l'énergie néces- saire à l'application de la pression plus élevée, on se sert, suivant l'invention, des moyens suivants :
Si l'on travaille dans un système pratiquement clos à surpression, dans lequel le gaz nécessaire à la com- bustion dans la chambre de combustion est obtenu en souti- rant une partie du mélange de gaz formé dans le réacteur
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de gazéification, une légère surpression suffit pour in- troduire le courant de gaz dans le réacteur, ce qui peut se faire en ajoutant au courant de gaz de la vapeur d'eau sous une légère pression.
La substance à gazéifier peut aussi être intro- duite, de manière simple, dans la chambre de combustion.
A cet effet, cette substance est préalablement séchée dans un autoclave, dans lequel la pression est établie par l'évaporation de l'eau dégagée par la substance à gazéi- fier, cette pression étant, grâce à une soupape de sûreté, maintenue légèrement supérieure à la pression régnant dans la chambre de combustion ou dans le réacteur, en sorte que le retour de flamme est évité. L'autoclave peut être chauf- fé par le mélange de gaz provenant du réacteur ou d'une autre mahière, par exemple électriquement. Par suite de la pression et de la température du mélange de gazéification produit, celui-ci peut faire fonctionner une turbine à gaz, qui fournira suffisamment d'énergie électrique aussi bien pour le séchage de la substance à gazéifier, que pour les installations accessoires.
Surtout si le mélange de gaz sort du réacteur à une température relativement élevée, la chaleur du mélange de gaz pourra servir d'abord à la pro- duction de vapeur en quantité suffisante pour satisfaire les besoins en vapeur d'eau pendant tout le procédé,tandis que la turbine à gaz pourra fonctionner à l'aide du mélange de gaz.
Un compresseur spécial est seulement exigé pour l'air ou l'oxygène. Ce compresseur ne demande que peu d'énergie, parce que la quantité d'oxygène constitue envi- ron 15 à 20% de la quantité de mélange de gaz de gazéifica- tion obtenue. Dans le procédé selon l'invention, un petit compresseur pour l'okygène peut donc fournir une quantité de mélange de gaz sous pression cinq à six fois plus grande
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La turbine à gaz susmentionnée ou une autre turbine à va- peur à contre-pression peut fournir l'énergie nécessaire pour le fonctionnement de ce petit compresseur.
La vitesse de la gazéification peut être augmen- tée par adduction pulsative du gaz dans le réacteur, tandis que l'introduction des gaz dans la chambre de combustion peut avoir lieu par impulsions soit avec interruptions simultanées, soit avec interruptions dans des phases diffé- rentes. Les avantages de cette alimentation par impulsions ou "bouffées" de gaz se manifestent dans l'exemple suivant :
Si, par exemple, le courant de gaz de fumée dans la chambre de combustion et le courant de gaz de fumée dans le réacteur, tous deux chargés au moyen de la substance à gazéifier, sont interrompus simultanément, les particules présentes dans le réacteur tombent.
Pendant la demi-période de l'impulsion suivante, on introduit une nouvelle fraction de gaz de fumée avec des particules qui bombardent les par- ticules tombantes susmentionnées et les poussent vers le haut, tandis que les particules bombardantes perdent leur vitesse et soht entraînées plus loin par l'impulsion sui- vante. Grâce à ce système d'alimentation par impulsions, les particules acquièrent un mouvement dansant, non seule- ment en sens vertical, mais encore dans des directions di- vergentes. Ainsi la vitesse relative du courant gazeux par rapport à la vitesse des particules est augmentée, ce qui fait diminuer la résistance des particules à la gazéifica- tion et augmente la vitesse de gazéification.
En réglant l'intervalle entre les impulsions de même qu'en décalant les phases entre les impulsions dans les deux chambres susmentionnées, on peut influencer, de manière sensible, le temps de la gazéification.
Un autre avantage intéressant du procédé selon l'invention réside dans le fait que le mélange de gaz de
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gazéification obtenu ne contient que peu de cendres volan- tes. La teneur en cendres volantes sera surtout très basse, si la température du mélange de gaz venant du réacteur est réglée à une température suffisamment élevée, par exemple à 1300-1400 C, pour que les particules de cendres devien- nent fluides dans le réacteur, tandis cette température étant, toutefois, encore suffisamment basse pour éviter la sublimation des particules de cendres.
Spécialement, dans le cas où on travaille avec une concentration très élevée en oxygène, on peut obtenir un mélange de gaz à haut pouvoir réducteur, composé de 95-98% d'un mélange de CO et H2 et contenant très peu de cendres volantes. On peut employer le mélange de gaz ainsi obtenu dans les procédés métallurgiques, notamment pour la réduction de minerais de fer.
On sait déjà qu'on peut employer des gaz de hauts-fourneaux pour la réduction des minerais de fer.
Mais on sait aussi que ces gaz contiennent des produits de sublimation, notamment de fines particules de Si02, et que celles-ci dérangent la réduction. On a également pro- posé pour cette réduction l'emploi d'un mélange de gaz, obtenu par les procédés connus de gazéification de substan- ces fines, mais, dans ce cas, ce sont les cendres volantes qui sont désavantageuses. L'élimination des poussières n'est pas encore pratiquement possible à cause de la haute température (1200-1400 C), tandis que lorsque cette élimi- nation se fait après refroidissement, il faut réchauffer jusqu'à la température de réduction du minerai de fer.
Par le procédé selon l'invention, on peut obtenir des mélanges de gaz, convenant immédiatement à la réduction du fer, parce que ces mélanges de gaz peuvent être obtenus exempts de poussière. Le procédé selon l'invention peut être exécuté dans plusieurs installations, dans lesquelles la gazéification peut avoir lieu aussi bien selon le prin- n /
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cipe du courant continu que selon celui du contre-courant ou selon le principe du courant transversal. Sur les des- sins annexés au présent mémoire, on trouvera des schémas de plusieurs exemples d'installation. Il est entendu que l'invention ne doit pas être limitée à ces installations qui ne sont décrites ci-après qu'à titre illustratif.
La figure 1 représente schématiquement une instal lation fonctionnant selon le principe du pourant continu.
Le combustible à grains fins (grosseur des grains : 0-10 mm par exemple) est amené d'un récipient 1, par une conduite 2, dans un autoclave sécheur 3 chauffé électriquement par une spirale 4. L'énergie électrique nécessaire à l'auto- clave est engendrée par une turbine à gaz 26. L'autoclave 3 est relié à une chambre de préchauffage 9, dans laquelle la substance à gazéifier est débarrassée de ses constituant sensiblement volatiles et est chauffée à la température de la réaction par un courant de gaz de fumée, venant d'une chambre de combustion 5. Dans cette chambre de combustion 5, le gaz, y amené par une conduite 8, est brûlé à l'aide d'air et/ou d'oxygène, introduit par des conduites 6 et 7, tandis qu'on ajoute au gaz de la vapeur d'eau et/ou de l'acide carbonique.
Le mélange obtenu est amené de la cham- bre 9 dans un réacteur 10, notamment dans la partie infé- rieure 10 a de ce réacteur. Dans l'espace 10 a, on amène également un courant de gaz de fumée produit dans une cham- bre 11 et obtenu par la combustion d'un gaz amené par une conduite 14 dans cette chambre et qui a été soutiré de la conduite 8. Par une conduite 12 on introduit dans la cham- bre 11 de l'air et/ou de l'oxygène et par une conduite 13 on y introduit de la vapeur d'eau et/ou du gaz carbonique.
Le réacteur 10 à la forme d'un entonnoir, en sorte que la vitesse du gaz dans une section horizontale est plus petite que dans une section horizontale située à un niveau inférieur, ce qui permet de régler la vitesse
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du gaz selon la grosseur des particules à gazéifier. De cette manière, il est possible, au moyen d'une construction simple, d'augmenter la durée de séjour des particules plus grosses et d'augmenter la vitesse relative des particules par rapport à celle du courant de gaz, ainsi qu'il a été décrit précédemment.
Par des orifices d'entrée 15 et 16, qui peuvent se présenter sous forme de brûleurs, on peut introduire dans le réacteur d'autres mélanges de gaz et de substances à gazéifier. Pour la conversion du gaz dans le réacteur, on peut ajouter de l'eau sous forme de brouillards, que l'on introduit en 17 par un dispositif de distribution, tandis que des catalyseurs pulvérulents peuvent être in- troduits dans le réacteur en 18.
Le mélange de gaz produit quitte le réacteur à sa sortie 19 et arrive par une con- duite 20 dans un désintégrateur de poussières 21, d'où l'on évacue les particules séparées par une vanne 22, tandis que le mélange de gaz est amené par une conduite 23 dans un échangeur de chaleur (chaudière à vapeur) 24 et puis par une conduite 25, en partie à la conduite 8 et en par- tie à la turbine à gaz 26, d'où le produit final s'écoule par une conduite 27.
Au lieu du réacteur en entonnoir seul, on peut aussi employer, suivant l'invention, une disposition, re- présentée sur la figure 2, combinée ou non au réacteur en entonnoir de la figure . La figure 2 représente la partie inférieure du réacteur, dans laquelle la substance à gazéi- fier et le courant du gaz arrivent par un orifice 1 et par un espace 2 ménagé sous le réacteur 3, tandis qu'un mélange de gaz de gazéification venant de la chambre 4 est égale- ment amené en-dessous du réacteur à travers l'espace 2.
Dans le réacteur 3, un certain nombre de plaques,telles que les plaques 5 et 7, en matériau réfractaire sont superpo-
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sées. Les particules les plus grosses de la substance à gazéifier heurtent la plaque 5, ce qui les fait retomber et les brise souvent. Le courant de gaz entraîne à nouveau les particules, en sorte que celles-ci"dansent" entre l'entrée et la plaque 5, jusqu'à ce qu'elles soient suffi- samment réduites et gazéifiées pour pouvoir être entraînées sur les cotés de la plaque 5.
Comme le réacteur est de diamètre réduit entre les plaques 5 et 7 (et entre les paires de plaques suivan- tes) les particules entraînées au dessus de la plaque 5 heurtent la plaque 7, en sorte qu'elles retombent et se rassemblent en partie sur la surface supérieure de la plaque 5, où elles sont gazéifiées. Les particules entraî- nées par le courant de gaz jusqu'au dessus de la plaque 7, heurtent la plaque qui se trouve plus haut, en sorte que les phénomènes indiqués ci-avant se reproduisent.
Les plaques peuvent, par exemple, être supportées par des tuyaux en fer refroidis inférieurement, couvertes d'un revêtement en matière réfractaire et protégées contre l'usure. Ce mode de suspension des plaques est indiqué en 8.
Une partie de la substance à gazéifier et un mé- lange de composition analogue ou différente de celle du produit introduit en 1, peuvent être introduits dans le réacteur par un orifice d'entrée 9. On peut aussi faire usage de deux ou de plus de deux orifices d'entrée 9 placés à des hauteurs différentes. Ces orifices d'entrée peuvent être agencés de façon qu'une entrée radiale ou tangentielle soit possible, le courant entrant étant ensuite dirigé horizontalement. Les orifices d'entrée 9 sont placés, de préférence, en des endroits où le diamètre du réacteur devient plus petit, comme indiqué en 9 à la figure 2. Le procédé de gazéification d'après le principe du contre- courant peut se réaliser,suivant l'invention, à l'aide
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d'une disposition, telle que celle représentée schématique- ment 4 la figure 3.
La substance à gazéifier est chassée dans le réacteur 2, par le dispositif d'adduction 1 supé- rieur, tandis que le courant de gaz est introduit par l'es- pace 3 dans la partie inférieure 2a-. du réacteur. Les par- ticules à gazéifier tombent dans le réacteur et sont frei- nées dans leur chute par le courant de gaz. Comme le réac- teur se présente sous la forme d'un entonnoir, le phénomè- ne décrit à la figure 1 se produit, si la vitesse du gaz est réglée de la façon décrite ci-dessuen tenant compte de la grosseur des particules.
Le brûleur 4 permet d'introduire un autre agent de gazéification dans le réacteur, de préférence tangen- tiellement. L'installation, qui vient d'être décrite, est encore avantageuse en ce sens que les petites particules, après avoir été amorties et entraînées dans le courant as- cendant heurte les nouvelles particules venant d'en haut, en sorte que le rendement du réacteur est encore augmenté.
Le procédé de gazéification d'après le principe du courant transversal peut être pratiqué, selon l'inven- tion, dans une installation, telle que celle représentée à la figure 4. La substance à gazéifier est introduite par le dispositif d'adduction 1 dans le réacteur rotatif 3 incli- né vers le bas, tandis que le courant de gaz entre dans le réacteur en venant de la chambre 2. La vitesse du courant de gaz est réglée de façon que les particules les plus grosses ne soient pas entraînées, mais de déposent. Pendant la rotation du réacteur autour de son axe, les particules, qui xx s'y sont déposées le long de la paroi, sont entraî- nées par les palettes 4, jusqu'à ce qu'elles glissent des palettes et soient ramenées dans le courant de gaz trans- versalement à la direction de ce courant.
Les palettes, dont la largeur va en augmentant
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dans le sens du courant du gaz, comme indiqué à la figure 4, et qui peuvent être hélicoïdales,produisent dans le réacteur des tourbillonnements qui engendrent un meilleur contact entre les particules et le gaz.
Dans l'espace 5, les particules cendreuses 7 s'accumulent et sont évacuées pendant que le mélange de gaz quitte le réacteur par la sortie 6. On peut éventuel- lement accoupler deux ou plusieurs de ces réacteurs rota- tifs l'un à la suite de l'autre. Il est encore possible d'incliner le réacteur vers le haut au lieu de l'incliner vers le bas, des plaques étant alors prévues que les par- ticules viennent heurter.
Le courant de gaz peut aussi être amené trans- versalement par rapport au sens du courant de particules amenées dans le réacteur, comme indiqué par la flèche $ de la figure 4.
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"Process and plant for the gasification of fine-grained carboniferous substances."
In the present specification, by gasification of fine-grained material is meant the gasification, using oxygen or gases containing oxygen, of fine-grained or pulverized carbonaceous materials, such as coal dust. , powdered charcoal, coke crackle, wood powder, schlamms and the like.
The gasification of dust by known processes can be carried out in three ways, namely: 1. gasification against the current by a process identical to that of the gasification of carbonaceous materials
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grains in tank gasifiers.
2. gasification in the floating state, as carried out in the Winkler gasifier.
3. Circulation gasification, in which the substance to be gasified passes through the reactor in the same direction as the gasifying agent.
In these known processes, for obtaining the present heat necessary for gasification, the following systems have been proposed: a. outdoor heating or electric heating, b. as the gasifying agent, use is made of a stream of flue gas obtained at high temperature by complete or incomplete combustion of a part of the substance to be gasified, combustion which may possibly be carried out gradually. vs. a circulating gasifying agent is heated to a temperature such that the heat necessary for gasification can be released by this agent. d. part of the substance to be gasified is burned, during gasification, in the same reaction space by simultaneously introducing into this space the substance to be gasified, oxygen and water vapor.
With regard to the quality of the gas mixtures obtained by the known processes, it should be noted that three types of products are obtained mainly, namely: 1. if air is used as the gasifying agent, gas mixtures with low heat of combustion xxxxx of 1000- 1300 Kcal / m3; 2. if oxygen is used as the gasifying agent, gaseous mixtures of composition similar to that of gas with water and a heat of combustion of 2700-3000 Kcal / m3; 3.gaseous mixtures, mainly consisting of
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CO + H2, the composition of which can vary between restricted limits, if a circulating gasifying agent is used.
From the point of view of the yield of the known processes, it can be observed that, in gasification according to the counter-current principle, the yield is low, because the gas mixture obtained still contains a lot of non-gasified substances, which is also the case of slag, when the carbonic acid content is too high due to the inevitable formation of channels.
Likewise in gasification in the floating state, the gas mixture contains a lot of non-gasified material, while the gas mixture obtained by this process still has a very high temperature, over 1000 C.
In gasification according to the principle of continuous circulation, the efficiency is also low, because the obtained gas mixture is also at a very high temperature of the order of 1200-1300 C, while in addition the gas mixture from the reaction chamber must necessarily be at a temperature higher than that of the substance to be gasified. In the circulation gasification processes of Winterhall-Schmal- feldt or Koppers, for example, the efficiency is even lower, because the heating of the circulating medium is accompanied by heat losses, while at the same time Sometimes part of the substance to be gasified must sometimes be withdrawn from the gas stream.
In general, it can be concluded that the gasification efficiency, which can be defined by the ratio of the heat of combustion of the gas mixture obtained to that of the substance to be gasified, is only 42 to 72%. in the known processes, while for the gasification of a coarse-grained substance a yield of
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90%. Likewise, the yield of the gasifier used is much lower in the known processes for gasification of dust than in the processes for the gasification of coarse-grained substances, which is all the more striking if the yield is calculated. not in relation to the diameter of the gasifier in m2, but in relation to the gasification space in cm3.
In dust gasification processes, the yield is most often less than 300 m3 per m3 of gasification volume, while for the gasification of coarse-grained substances in tank gasifiers where the slag is discharged in liquid form, an output of 1500 m3 / m3 can be achieved.
Now, it has been found that much better results can be obtained in the gasification of carbonaceous materials into dust, if the substance to be gasified is preheated to about the gasification temperature in a special chamber connected to the gasification reactor. gasification and is then, after being introduced into the gasification reactor, will gasify by means of a stream of flue gas, introduced into the gasification reactor at a temperature higher than the gasification temperature, which stream of flue gas is obtained by the partial or total combustion of any fuel, preferably a gas, with the aid of oxygen or gas containing oxygen, and is added, if desired, of vapor of 'water and / or carbonic acid and / or other fuels,
and as well as another stream of flue gas, the speed of which in the gasification reactor is adjusted so as to be always somewhat lower than the speed at which the larger particles of the substance to gasifier introduced into the reactor can still remain in the floating state. In the process according to the invention
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tion, the gasification of carboniferous material in pressure takes place in / in the presence of excess oxygen, water vapor and / or carbon dioxide in the flue gas stream, while heat required for gasification is supplied, in part, by the flue gas stream. In this way, the following favorable results have been obtained: 1. The gasification efficiency is increased to about 90%.
2. the yield of the gasifier is also increased until a yield identical to that of the gasification of coarse-grained substances in tank gasifiers, where the slag is discharged in liquid form, is obtained; 3. the composition of the gas mixture to be obtained can be modified so that it is possible to produce gas mixtures, suitable for use for the synthesis of hydrocarbons, alcohols, etc .; 4. The material to be gasified can consist of particles of 5-6 mm, without the need for spraying operation, while a high moisture content in the substance to be gasified does not present difficulties.
Thanks to the process according to the invention, all the aforementioned drawbacks of the known processes for the gasification of dust can be avoided, owing to the application of completely new methods. By the special adjustment of the flue gas velocity, the process according to the invention can be classified in an intermediate class between gasification in the floating state and gasification by circulation.
In floating or slurry gasification, the gas velocity is set at such a value that the fall of the larger particles of the substance to be gasified is prevented, which velocity may be equal to the falling velocity. or at the speed of
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larger particles float, while smaller particles are entrained by the gas stream.
In circulation gasification, the speed of the gas is greater than the float speed of the larger particles. In the process according to the invention, the speed of the gas is determined such that, on entering the gasification reactor, it is slightly greater than the float speed of the larger particles. A slow and gradual decrease in gas velocity may then occur, but this velocity remaining constantly slightly lower than the floating velocity of the larger particles xx, which always become more and more light by the gasification.
It should also be noted that in the process according to the invention all the particles are entrained into the reactor, the larger particles falling to a level where the speed of the gas is greater, so that this gas entrains them. up again. As the particles become smaller as a result of gasification, the phenomenon described above shifts upwards.
With regard to smaller and lighter particles, the same phenomenon occurs in the higher parts of the reactor.
For larger and heavier particles, the process according to the invention can be more or less compared to gasification in the floating state in the upper parts of the reactor, provided that the essential difference residing in the reactor is neglected. causes that, in the process according to the invention, there is no column of substance to be gasified in the reactor and that the substance does not stay more than a few seconds in
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the reactor.
In the circulating gasification process, it can be noted that the gas velocity is always greater than the floating velocity of the larger particles, so that the height of the reactor or, in general, the length of the The distance to be traveled during the gasification will be calculated in such a way that the gasification of larger particles is possible.
It is therefore necessary to build reactors with a gasification path of several tens of meters, if the substance to be gasified consists of particles of 5-6 mm. In addition, the passage time in the reactor is of the order of 50 - 100 seconds, so that the yield is very low. These drawbacks can be avoided by first spraying the substance to be gasified, but by this operation the process loses its value for its industrial application. On the other hand, in the process according to the invention, substances with grains of 5-6 mm can be gasified without difficulty.
In the process according to the invention, the heat necessary for the gasification of the dust is also obtained by a new method. The substance to be gasified is heated to approximately the temperature of the reaction, in a chamber in communication with the gasification reactor, while it is not necessary to have heat to dry and heat the substance to. carbonate.
This result is easily achieved using any fuel, preferably gas or, where appropriate, a gas from the withdrawal at one or more points of the reactor of part of the gas mixture formed in this reactor, this gas being conducted into the special chamber in communication with the reactor and being burnt there, in whole or in part, with, for example, preheated air, oxygen, or a mixture of oxygen and air. Gas
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to burn, to air, oxygen, etc. or to the mixture of combustion gases obtained, it is possible to add water vapor and / or carbonic acid and / or other gases such as, for example, combustion gases produced elsewhere, which makes it possible to adjust the composition of the gas mixture to be produced during gasification.
In the special combustion chamber, the substance to be gasified and the hot combustion gas mixture are brought into contact, the temperature of this combustion gas mixture, which often amounts to 1900 - 2000 C, being always higher than the gasification temperature in the reactor. If desired, the substance to be carbonated can be further dried and preheated. The hot combustion gas mixture forms the flue gas stream with which the substance to be gasified is introduced into the gasification reactor.
By this process, the following results are obtained in the special combustion chamber: 1. As a result of the high temperature, the larger particles of the substance to be gasified easily disintegrate, so that a decrease in the size of the particles. particles takes place without additional energy expenditure: 2. the substance, not dried or partially dried, is dried abruptly and freed from its volatile constituents.
3. if the combustion gas mixture contains free oxygen, this reacts with the volatile constituents of the substance to be gasified, but does not react with carbon if the temperature of the substance is still low at the start; 4.As soon as the temperature of the particles has reached 800 C, hydrocarbons (especially heavy hydrocarbons) and tar vapors decompose into their components
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elementary.
5. as the time during which the particles remain in the combustion chamber does not exceed that required for the preheating to a temperature substantially equal to the gasification temperature in the reactor, these particles are transformed into particles of coke, while the carbon of these particles hardly transforms in the combustion chamber, because: a. the reduction of CO2 + H2O is very low at a temperature below 800 C; b. CO2 and H20 only react with light hydrocarbons, especially with CH4; vs. the CO 2 + H 2 O concentration can be kept low initially and can then be increased by the addition of carbonic acid and water vapor and / or a second stream of flue gas obtained elsewhere.
By applying the process according to the invention, it is possible, in a simple manner, for the substance to be gasified to be dried before reaching the gasification reactor, since it is freed from its volatile constituents, broken down into its elements. and preheated to a temperature of 800-1000 C, while furthermore the particles decreased in size.
The temperature and the composition of the second flue gas stream, especially its CO2 'H20' O2 and N2 'contents can be adjusted according to the desired composition of the gas mixture to be produced. As, as is known, the rate of gasification can be increased by the use of an excess of gasification agents, the water vapor content of this second stream of flue gas can be increased. consequently, while the carbonic acid content can also be increased, especially when the gas mixture to be produced must have a high content
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in carbon monoxide.
This change in the composition of the gasifying agent can take place in a special chamber, optionally by means of a third stream of flue gas, which, like the first mixture of flue gases, can be obtained by combustion. in this third chamber, and can be added with water vapor and / or carbonic acid preheated or not.
Thus, it is possible to carry out the pre-heating of the substance to be gasified in two or more stages, which gives the following results: 1. the substance to be gasified and the gasifying agent are brought into the physical and chemical state most favorable for gasification, which allows the gasification to be carried out in such a way that the relative speed of the gas stream with respect to the particles to be gasified is greater than in any other process known hitherto, so that the speed of the gasification reaction and hence the yield of the reactor are much greater than in the case of known processes;
2. since the substance to be gasified is heated to approximately the temperature of the gasification, it is not necessary to carry out the gasification at high temperature until the end of the reaction, as the temperature may decrease. up to 750-800 C, so that the heat losses are about 50% lower than in known processes and that the gasification yield is therefore higher than in known processes the yield can be further increased by withdrawing part of the gas mixture obtained in one or more places of the reactor, to bring it back into the combustion chamber, and then using the heat of the part not withdrawn from said gas mixture, after leaving the reactor, for preheating gases required in heat exchangers,
so
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that an efficiency of 90% can be obtained.
3. If the gasification is carried out in such a way that the component parts of the ash melt and that a slag is withdrawn in liquid form, the advantage of preheating, as described above, will also appear since it is can have a second reactor equipped with a device / withdrawal of the fluid slag, behind the gasification reactor.
The highest temperature prevails in the first gasification reactor, while care is taken to ensure that the quantity of flue gas serving as the gasification agent is low enough so that the entire gasification cannot be gasified. substance to be gasified, after which gasification is completed at a lower temperature, in a second gasification reactor using a third stream of flue gas.
In this way, a liquid slag can be withdrawn, while little fly ash is entrained in the gas mixture produced; 4.As the temperature of the gasification gas mixture is considerably lower than the melting temperature of the slag, the fly ash entrained by the gas mixture is not liquid, so that in heat exchanger dust collectors , etc. associated with reactors, fly ash particles do not stick to pipes, etc. and that no more obstruction forms;
5. the preliminary heating carried out in the process according to the invention makes it possible to obtain a gas mixture with a high hydrogen content, because the heat necessary for the gasification is supplied by the gasification agent, so that more large quantity of water vapor can be and transformed / that, therefore, the hydrogen content is increased, since the hydrogen present in the material to
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gasification, as well as the hydrogen present in the tar, can be found in the resulting gas mixture.
If oxygen is used as the combustion gas, a gasification gas mixture can thus be produced, in which the CO: H2 ratio is equal to 1: 1, just as in gas to water, whereas in The gasification of coarse-grained fuels with oxygen results in gas mixtures in which the CO content is usually 2-2.5 times greater than the H2 content. The gas mixture obtained by the gasification of fine materials, by the process according to the invention, is therefore more advantageous for several uses, in particular as synthesis gas.
In order to obtain several gas mixtures suitable for carrying out different syntheses, it is desirable to be able to adjust, in the gas mixture, the CO: H2 ′ ratio so that the gas mixture obtained can be used immediately as synthesis gas, after removal. - possibly carbonic acid. This result can be obtained in the process according to the invention by introducing into the gasification reactor, in one or more places where the gasification reaction has ended, water vapor or even sprayed water, which lowers the gasification reaction. temperature of the gas mixture up to the temperature required for the conversion of water vapor.
If, at the same time, catalysts are introduced into the reactor for this conversion, such as Fe2O3 'MgO, etc. preferably sprayed, the carbon monoxide content of the gas mixture can be adjusted, by operating, to the desired extent, the conversion given by the equation:
CO + H20 - CO2 + H2
Since it is also possible to use water instead of water vapor, the process according to the invention also offers practical advantages from this point of view.
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The methane content of the gas mixture can be increased in a simple way, which is important if the resulting mixture is to be used as town gas or for long distance gas delivery. This increase in the methane content is obtained by introducing suitable catalysts into the reactor at places where the gasification is complete and / or by increasing the pressure in the reactor. Since the temperature required for the conversion of water vapor is 380 to 450 C and that for the formation of methane is 250 to 300 C, the formation of methane can take place in a region, where the. water vapor conversion is complete.
The application of higher pressures for the gasification of the fines is not only beneficial for the formation of methane, but also allows other favorable results to be obtained. The application of a higher pressure gives rise in particular to an increase in the physical and chemical reactions of gasification, while this pressure is inversely proportional to the gasification time and the length of the path to be traveled by the gasification. particles during gasification. For an overpressure of 3 atmospheres, the yield of the reactor is, in fact, already three times higher than at atmospheric pressure. In this way, the efficiency of gasification of fine materials can be higher than the efficiency of gasification of coarse-grained fuels.
In order to obtain, in a simple manner, the energy necessary for the application of the higher pressure, the following means are used according to the invention:
If one works in a practically closed system with overpressure, in which the gas necessary for combustion in the combustion chamber is obtained by withdrawing part of the gas mixture formed in the reactor
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gasification, a slight overpressure is sufficient to introduce the gas stream into the reactor, which can be done by adding water vapor to the gas stream under slight pressure.
The substance to be gasified can also be introduced in a simple manner into the combustion chamber.
To this end, this substance is previously dried in an autoclave, in which the pressure is established by the evaporation of the water given off by the substance to be gasified, this pressure being, thanks to a safety valve, kept slightly higher. to the pressure prevailing in the combustion chamber or in the reactor, so that backfire is avoided. The autoclave can be heated by the mixture of gases from the reactor or from another material, for example electrically. As a result of the pressure and temperature of the gasification mixture produced, it can operate a gas turbine, which will provide sufficient electrical energy both for drying the substance to be gasified, as well as for ancillary installations.
Particularly if the gas mixture leaves the reactor at a relatively high temperature, the heat of the gas mixture can be used first to produce steam in sufficient quantity to meet the steam requirements throughout the process. while the gas turbine will be able to operate using the gas mixture.
A special compressor is only required for air or oxygen. This compressor does not require much energy, because the amount of oxygen constitutes about 15 to 20% of the amount of gasification gas mixture obtained. In the method according to the invention, a small compressor for okygen can therefore supply a quantity of gas mixture under pressure five to six times greater.
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The aforementioned gas turbine or other back pressure steam turbine can provide the energy necessary for the operation of this small compressor.
The speed of gasification can be increased by pulsating gas supply to the reactor, while the introduction of gases into the combustion chamber can take place by pulses either with simultaneous interruptions or with interruptions in different phases. . The advantages of this supply by pulses or "puffs" of gas are manifested in the following example:
If, for example, the flow of flue gas in the combustion chamber and the flow of flue gas in the reactor, both charged by means of the substance to be gasified, are interrupted simultaneously, the particles in the reactor fall out.
During the half-period of the next pulse, a new fraction of flue gas is introduced with particles which bombard the above-mentioned falling particles and push them upwards, while the bombarding particles lose their speed and are entrained more away by the following impulse. Thanks to this pulse feeding system, the particles acquire a dancing movement, not only in vertical directions, but also in different directions. Thus the relative velocity of the gas flow with respect to the velocity of the particles is increased, which decreases the resistance of the particles to gasification and increases the rate of gasification.
By adjusting the interval between the pulses as well as by shifting the phases between the pulses in the aforementioned two chambers, the gasification time can be significantly influenced.
Another advantageous advantage of the process according to the invention lies in the fact that the mixture of gas
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The gasification obtained contains only a small amount of fly ash. The fly ash content will above all be very low, if the temperature of the gas mixture coming from the reactor is set to a sufficiently high temperature, for example at 1300-1400 C, for the ash particles to become fluid in the reactor, while this temperature being, however, still sufficiently low to avoid sublimation of the ash particles.
Especially, in the case where one works with a very high concentration of oxygen, one can obtain a mixture of gas with high reducing power, composed of 95-98% of a mixture of CO and H2 and containing very little fly ash. The gas mixture thus obtained can be used in metallurgical processes, in particular for the reduction of iron ores.
We already know that blast furnace gases can be used to reduce iron ores.
But it is also known that these gases contain sublimation products, in particular fine particles of SiO 2, and that these interfere with the reduction. It has also been proposed for this reduction to use a gas mixture, obtained by known processes for gasification of fine substances, but in this case it is the fly ash which is disadvantageous. Dust removal is not yet practically possible because of the high temperature (1200-1400 C), while when this removal is done after cooling, it is necessary to heat up to the ore reduction temperature of. iron.
By the process according to the invention, gas mixtures can be obtained which are immediately suitable for reducing iron, because these gas mixtures can be obtained free of dust. The process according to the invention can be carried out in several installations, in which the gasification can take place as well according to the principle /
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dc operates as opposed to countercurrent or according to the transverse current principle. The drawings appended hereto, there will be shown diagrams of several installation examples. It is understood that the invention should not be limited to these installations which are described below only by way of illustration.
FIG. 1 schematically represents an installation operating according to the principle of the continuous pourant.
The fine-grained fuel (grain size: 0-10 mm for example) is brought from a container 1, via a pipe 2, into a drying autoclave 3 electrically heated by a spiral 4. The electrical energy necessary for the autoclave is generated by a gas turbine 26. Autoclave 3 is connected to a preheating chamber 9, in which the substance to be gasified is freed of its substantially volatile constituents and is heated to the reaction temperature by a current. of flue gas, coming from a combustion chamber 5. In this combustion chamber 5, the gas, brought there by a pipe 8, is burned with the aid of air and / or oxygen, introduced by pipes 6 and 7, while water vapor and / or carbonic acid are added to the gas.
The mixture obtained is fed from chamber 9 into a reactor 10, in particular into the lower part 10 a of this reactor. Into space 10 a is also brought a stream of flue gas produced in chamber 11 and obtained by the combustion of a gas supplied through line 14 into this chamber and which has been withdrawn from line 8. Air and / or oxygen are introduced into chamber 11 via line 12 and water vapor and / or carbon dioxide gas is introduced via line 13.
The reactor 10 is in the form of a funnel, so that the gas speed in a horizontal section is smaller than in a horizontal section located at a lower level, which allows the speed to be adjusted.
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gas depending on the size of the particles to be gasified. In this way, it is possible, by means of a simple construction, to increase the residence time of the larger particles and to increase the relative velocity of the particles with respect to that of the gas stream, as has been achieved. been described previously.
Other mixtures of gases and substances to be gasified can be introduced into the reactor through inlet orifices 15 and 16, which may be in the form of burners. For the conversion of the gas in the reactor, water can be added in the form of mists, which is introduced at 17 through a distribution device, while powder catalysts can be introduced into the reactor at 18.
The gas mixture produced leaves the reactor at its outlet 19 and arrives through a line 20 in a dust disintegrator 21, from which the separated particles are discharged by a valve 22, while the gas mixture is fed. through a pipe 23 in a heat exchanger (steam boiler) 24 and then through a pipe 25, partly to pipe 8 and partly to gas turbine 26, from which the final product flows through a pipe 27.
Instead of the funnel reactor alone, according to the invention, it is also possible to use an arrangement, shown in FIG. 2, whether or not combined with the funnel reactor of the figure. FIG. 2 shows the lower part of the reactor, in which the substance to be gasified and the gas stream arrive through an orifice 1 and through a space 2 made under the reactor 3, while a mixture of gasification gas coming from chamber 4 is also brought below the reactor through space 2.
In reactor 3, a number of plates, such as plates 5 and 7, made of refractory material are superposed.
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sées. The larger particles of the substance to be gasified hit the plate 5, causing them to fall back and often breaking them. The gas stream entrains the particles again, so that they "dance" between the inlet and the plate 5, until they are sufficiently reduced and gasified to be able to be carried along the sides of the gas. plate 5.
As the reactor is of reduced diameter between the plates 5 and 7 (and between the pairs of subsequent plates) the particles entrained above the plate 5 strike the plate 7, so that they fall and partly collect on the upper surface of the plate 5, where they are carbonated. The particles entrained by the gas stream to the top of the plate 7 strike the plate which is located above, so that the phenomena indicated above are reproduced.
The plates can, for example, be supported by inferiorly cooled iron pipes, covered with a refractory material and protected against wear. This method of suspending the plates is indicated in 8.
A part of the substance to be gasified and a mixture of composition similar to or different from that of the product introduced in 1, can be introduced into the reactor through an inlet port 9. It is also possible to use two or more two inlet openings 9 placed at different heights. These inlet orifices can be arranged so that a radial or tangential inlet is possible, the incoming current then being directed horizontally. The inlet orifices 9 are preferably placed in places where the diameter of the reactor becomes smaller, as indicated at 9 in figure 2. The gasification process according to the countercurrent principle can be carried out, according to the invention, using
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of an arrangement, such as that shown diagrammatically in FIG. 3.
The substance to be gasified is expelled into the reactor 2, through the upper supply device 1, while the gas stream is introduced through space 3 into the lower part 2a. of the reactor. The particles to be gasified fall into the reactor and are slowed down in their fall by the gas stream. Since the reactor is in the form of a funnel, the phenomenon depicted in Fig. 1 occurs if the gas velocity is adjusted in the manner described above taking into account the size of the particles.
The burner 4 makes it possible to introduce another gasifying agent into the reactor, preferably tangentially. The installation, which has just been described, is still advantageous in that the small particles, after having been damped and entrained in the ascending current, collide with the new particles coming from above, so that the efficiency of the reactor is further increased.
The gasification process according to the cross-flow principle can be carried out, according to the invention, in an installation, such as that shown in FIG. 4. The substance to be gasified is introduced by the adduction device 1 into the rotary reactor 3 tilted downward, while the gas stream enters the reactor from chamber 2. The speed of the gas stream is adjusted so that larger particles are not entrained, but of deposit. During the rotation of the reactor around its axis, the particles, which xx are deposited there along the wall, are dragged by the paddles 4, until they slide off the paddles and are brought back into the chamber. gas flow transversely to the direction of this flow.
The pallets, whose width is increasing
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in the direction of the gas flow, as shown in FIG. 4, and which may be helical, produce vortices in the reactor which generate better contact between the particles and the gas.
In space 5, the ashy particles 7 accumulate and are discharged as the gas mixture leaves the reactor through outlet 6. Optionally, two or more of these rotary reactors can be coupled together. following the other. It is still possible to tilt the reactor upwards instead of tilting it down, plates then being provided for the particles to strike.
The gas stream can also be supplied transversely with respect to the direction of the stream of particles supplied to the reactor, as indicated by the arrow $ in FIG. 4.
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