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Pour : "Procédé et appareil de traitement de matières carbonifères (Invention dé : Pierre SCHULLER).
Les procédés habituellement employés pour réaliser le traitement chimique, physique et particulièrement thermique des combustibles, y compris les combustibles à faible teneur en carbone ou matières volatiles, en vue d'opérations telles que la semi-cokéfaction ou semi-carbonisation, la distillation, la ga- zéification, mettent en oeuvre une masse de combustible plus ou moins diluée nécessitant un support solide, tel que paroi, sole, grille, tubes de chauffage, qui constitue l'élément de transmis- sion de chaleur* Le contact de ce support avec la matière à trai- ter est assuré par un brassage de cette matière, par des moyens ,mécaniques réalisant une rotation, un retournement, une vibration
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ou un glissement de la matière,
mais qui de toute façon ne per- mettent pas une transmission rapide de la chaleur et un contact intime des produits en réaction. Il en résulte un temps de sé- jour plus ou moins prolongé, un gradient de température et de concentration élevé au sein du combustible provoquant des sur- chauffes ou des concentrations locales, toujours contre indiquées pour obtenir une transformation homogène du produit en traitement;
Des phénomènes connexes nuisibles a la bonne exécution de l'opé- ration envisagée, tels que l'agglutination du produit à traiter peuvent en être la conséquence; dans ce cas, un traitement pré- alable faisant perdre les caractéristiques d'agglutination est nécessaire et ce traitement est souvent défavorable à la qualité du produit obtenu; c'est le cas de l'oxydation préalable dans la semi-carbonisation des combustibles.
La présente invention a pour objet un procédé de traite- ment de matières carbonifères qui ne présente -pas ces inconvé- nients et qui permet d'obtenir une action rapide et parfaitement homogène.
Selon ce procédé, la matière première mise à l'état de grains ou fragments divisés, est amenée à tomber en chute libre dans une enceinte où. elle rencontre des jets d'un fluide de na- ture appropriée au traitement envisagé et porté à la température convenable.
Pendant leur chute, plus ou moins perturbée par rapport à la chute libre par la vitesse des jets qui réalisent une sorte une sorte de grille fluide, les fragments de la matière première sont chauffés sur toute leur surface d'une façon uniforme par le fluide même au sein duquel ils tombent. La chaleur pénètre ainsi les grains de matière d'une façon infiniment plus efficace que dans le cas où elle est transmise grâce à un effet de sonvexion, rayonnement ou diffusion par les éléments solides des appareils habituellement utilisés, tels que soles, parois, grilles, fais-
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ceaux tubulaires, et ce sans excès ni insuffisance locale, cha- que grain étant enrobé par le fluide à haute température.
La turbulence du fluide et le courant qui l'évacué de l'enceinte après action, sont en outre favorables à l'élimination rapide des matières volatiles. Enfin, le produit traité étant dilué dans le fluide chauffant, certains phénomènes connexes défavorables à l'ppération recherchée, tels que l'agglutination, sont complè- temnt évités.
On peut ainsi supprimer les traitements préliminai-- res que l'on met en oeuvre dans les procédés connus pour empêcher cette agglutination ou les autres réactions connexes qui peuvent avoir des inconvénients;
Dans le cas où le traitement a pour but d'obtenir la së,mi- cokéfaction de charbon minéral en vue d'obtenir unemi-coke pul- vérulent, le fluide utilisé doit être non oxydant et la vapeur d'eau est alors tues avantageuse. Un tel fluide est/effet facile en à obtenir, présente une grande capacité calorifique et de bonnes caractéristiques de rayonnement.
Il peut en outre servir aprs passage dans l'enceinte, grâce aux calories qu'il contient enco- re, à chauffer la colonne de distillation destinée à classer les matières volatiles dégagées du charbon pendant sa semi-cokéfaction.
Pour une semi-cokûfaction dans laquelle le charbon doit être porté à une température de 400 à 480 C, le fluide formant les jets peut avoir dans l'enceinte une température beaucoup plus élevée, de l'ordre de 1500 C par exemple, pour un temps dé passa- ge du combustible à travers les jets de l'ordre de quelques cen- tièmes de seconde. En d'autres termes, la valeur de la températu- re et le temps pendant lequel le combustible est en contact avec les jets chauffants sont liés entre eux. Dans le cas où le fluide est de la vapeur d'eau, cette vapeur devra être surchauffée jus- qu'à la température convenable. Cette surchauffe peut être réa- lisée de la manière connue dans des échangeurs.
Mais étant donnés, d'une part, l'encombrement et la complication de service d'écaan-
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geurs fortement réfractaires du type des récupérateurs Cowper, et, d'autre port, la difficulté d'atteindre de hautes tempéra- tures avec des échangeurs métalliques à courants séparés, de fonctionnement plus simple, il y a avantage à effectué? cette surchauffe, dans l'enceinte elle-même, par combustion au sein des jets ou dans le voisinage de ceux-ci,.d'un mélange de gaz combustible et d'oxygène(ou plus simplement de gaz combustible et d'air, si l'azote n'est pas nuisible), les gaz de combustion se mélangeant à la vapeur pour fournir de fluide à la tempéra- ture visée.
On pourra d'ailleurs combiner les deux procédés en effectuant une première surchauffe de la vapeur dans un échan- geur et la surchauffe définitive au sein même de l'enceinte.
Le gaz utilisé pour la combustion de surchauffe peut être une fraction des gaz combustibles qui se dégagent du charbon traité.
Una autre combinaison particulièrement intéressante est celle qui consiste à réaliser l'introduction dans l'enceinte de la matière à traiter, en même temps que sa pulvérisation, par un jet de fluide à haute pression soufflé dans cette matière et pouvant être également de la vapeur d'eau, ce qui supprime tout organe mécanique de pulvérisation, de même que la mise en oeuvre des jets à haute température chauffant la matière première pendant sa chute, permet de supprimer les organes mécaniques de brassage habituellement employés dans les fours de traitament thermique. L'appareil devient ainsi particulièrement simple.
Il est évident que l'application à la emi-cokéfaction dont il vient d'être question n'est indiquée qu'à titre d'exemple.
Le traitement dans le four peut aussi avoir pour but la distillation du combustible, par exemple du bois. Il peut être aussi poussé beaucoup plus loin et aller jusqu'à la gazéification complète du carbone contenu dans la matière première, ce qui est ' particulièrement intéressant dans le cas de combustible pauvre
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comme la lignite ou les schistes bitumineux.
Le fluide formant les jets peut d'ailleurs être autre que la vapeur d'eau. On peut le choisir pour qu'il soit neutre ou réactif selon le traitement envisagé. Les nappes de jets super- posées que traverse successivement le combustible peuvent aussi Atre formées par des fluides différents réalisant, sur la matiè- re qui les traverse, des réactions successives. Par exemple dans le cas de traitement de schistes bitumineux, les jets les plus bas epuvant être oxydants pour assurer la récupération du carbone, résiduaire contenu dans les schistes après dégagement des huiles.
L'invention s'étend en outre aux appareils et installations mettant en oeuvre ce procédé.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre com- ment l'invention peut être réalisée, les particularités qui res- sortent tant du dessin que du texte faisant, bien/entendu, partie de ladite invention.
La fig. 1 est une vue schématique d'une installation? semi- cokéfaction du charbon, combinée avec une colonne à distiller sé- parant directement, sans condensation préalable, lés produits extraits du charbon, et avec un collecteur des gaz combustibles dégagés, ces gaz étant utilisés en partie pour surchauffer la. va- peur soufflée dans l'enceinte.
La fige 2, est une vue en coupe à plus grande échelle de l'enceinte ou du four de semi-cokéfaction.
La partie principale de l'installation représentée sur 3e dessin est constituée par le four ou enceinte 1 en matériaux réfractaires, présentant en section transversale la forme repré- sentée sur la fig. 2 et pouvant voir en longueur (c'est-à-dire perpendiculairement nu plan de la. fig. 2) un développement propor- tionné à la capacité de traitement recherchée. Sur la section de cette enceinte représentée au dessin, on voit en 2 les orifices supérieurs destinés à l'introduction du combustible à traiter
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amené d'une manière continue dans les trémies 3, en 4,5,6 et 7, des ajutages horizontaux d'introduction de vapeur d'eau.
Le charbon déjà fragmenté qui est introduit dans les trémies 3 ren- contre à la base de ces trémies les jets de vapeur s'échappant des ajutages 4 et se trouve pulvérisé par la force de ces jets qui l'introduisent en même temps avec une certaine vitesse ini- tiale horizontale en haut de l'enceinte 1. Pour augmenter l'ac- tion de pulvérisation, les orifices 2 peuvent être conformas en forme de tuyères convergentes divergentes. Le charbon introduit dans l'enceinte 1 y tombe en chute libre en tendant à décrire par conséquent des paraboles en raison de la vitesse initiale qu' il possède.
Dans sa chute il rencontre les jets de vapeur qui s'échappent horizontalement des ajutages 5 et qui forment des: nappes horizontales grâce à la juxtaposition sur toute la longueur du four de plusieurs sections organisées comme celles/de la fige 2 avec des ajutages séparés et voisins ou à la limite avec des fentes horizontales continues. Ces nappes perturhent naturellement la trajectoire de chute libre. Les grains de charbon flottent sur chaque nappe et sautent en descendant de l'une à l'autre.
La durée de contact vec chaque nappe peut Atre réglée en ajustant la pression de la vapeur à son/entrée dans l'enceinte. La masse de charbon qui tombe se trouve ainsi diluée dans le fluide chauf- fant, chaque grain élémentaire étant enrobe de fluide, ce qui facilite l'échange thermique.
Le nombre de nappes de jets superposés et la température du fluide seront déterminés pnr l'échange thermique à réaliser. Par exemple dans l'exemple considéré d'une semi-cokéfaction dans la- quelle le charbon doit être porté à une température de l'ordre de 400 à 4800 C, tuais nappes superposées de fluide à. 1500 C en- viron permettront de porter le charbon à la température voulue à la traversée de la dernière nappe, tandis que le fluide perd lui- même sa température initiale et s'échappe finalement par le che- , minée 8 à une température de l'ordre de 500 , le temps de passage
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total du charbon à travers les nappes successives, pour la tem- pérature considérée, étant de quelques centièmes de seconde.
Le charbon ayant subi le traitement se rassemble dans un wator-jacket 9 disposé à la base du four d'où il peut être ex- trait par un sas 10/.
- Dans l'installation représentée, la haute température des jets de vapeur est obtenue de la manière suivante : la vapeur, provenant par le tuyau 11 d'une source convenable, traverse le faisceau tubulaire 12 d'un échangeur 13 chauffé par le fluide chaud qui s'échappe en 8 de l'enceinte 1. Elle subit dans cet échangeur une première surchauffe aux environs de 400 C et est a - menée par les tubes 14, 15, 16 à l'enceinte 1. Le tube 14 la conduit aux ajutages 4 sans surchauffe supplémentaire puisque le but principal de ces ajutages est la pulvérisation du com- bustible.
Les tubes 15 et 16 conduisent la vapeur aux ajutages
5,6 et 7 créant dans l'enceinte la grille fluide, et la sur- chauffe supplémentaire de cette vapeur jusqu'à une température voisine de 1500 est obtenue par combustion de gaz dans l'ancein- te 1 au voisinage du nez des ajutages 5, 6 et 7.
A cet effet, près de ces ajutages sont disposés d'autres ajutages 5a, 6a, 7a amenant dans l'enceinte du gaz combustible provenant du tuyau;
17 ainsi qu'un troisième groupe d'ajutages 5b, 6b, 7b amenant l'oxygène nécessaire à la combustion du gaz et piqués sur un tuyau 18 d'alimentation en oxygène. On pourrait aussi bien ame- ner par le tuyau 18 et les ajutages 5b, 6b et 7b de l'air atmos- phérique, mais on aurait alors l'inconvénient d'augmenter le dé- bit gazeux introduit dans l'enceinte et s'échappent par le tuyau 8.
Dans l'exemple figuré, l'oxygène provient d'un appareillage de distillation de l'air installé en 19 et qui débite en 20 de l'azote que l'on peut utiliser pour des synthèses.-avec les gaz extraits du charbon dans l'enceinte 1. Les compresseurs utilisés pour la distillation de l'air sont entraînés par des machines à , vapeur, par exemple des turbines dont l'échappement fournit en
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11 la vapeur L'alimentation de l'enceinte 1.
Le gaz s'échappant en 8 de l'enceinte est constitué par un mélange de vapeur d'eau, de gaz de combustion et de gaz et produits volatils extraits du charbon traita dans l'enceinte 1. Les par- ticules de charbon qu'il entraîne sont séparées dans un cyclone
21 muni d'un sas d'extraction 22. Ce mélange est envoyé sans condensation préalable dans la colonne de distillation 23 qui reçoit ainsi pour sononctionnement la chaleur sensible du mé- lange de gaz ainsi que la chaleur latente de la vapeur d'eau, c'est-à-dire une quantité de chaleur importante permettant un classement poussé par rectification.
De plus, la vapeur d'eau assure l'entraînement des produits de distillation; On extrait aux divers étages 24, 25 de la colonne, de la manière habituelle, divers produits condensables tels que les produits de distillation du goudron. Les gaz non condensables s'échappent en 26 à la/partie supérieure de la colonne et tra- versant un condenseur 27 servant à condenser les vapeurs d'es- sences (benzol) entraînées par ces gaz. Le mélange de gaz et d'es- sences condensées parvient au pied de la colonne de lavage 28, traversée à contre-courant, c'est-à-dire de haut en bas, par l'huile d'extraction des essences.
Le gaz déséssencié s'échappe en 29 de cette colonne et est emmagasiné dans le gazomètre 30.
Une partie de ce gaz est prise pour le tuyau 17 pour servir à la surchauffe de la vapeur dans l'enceinte 1, comme il a été dit,
Le reste du gaz emmagasiné dansée gazomètre est disponible pour des besoins extérieurs et peut être extrait par le tuyau 31.
L'huile chargée d'essences qui tombe au pied de la colonne
23 est prise par le tuyau 32 et conduite dans les serpentins 33 d'un pipe-still comportant la colonne 34. Ses serpentins sont chauffés par le fluide provenant de l'enceinte 1. Les essences bnutes sont extraites de la colonne 34 en 34a et l'huile de sé- * parât ion des essences régénérées est réintroduite par le tuyau 3 5
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au sommet de la colonne 28.
La description précédente fait ressortir les avantages de simplicité et déconomie de l'installation combinée que permet de réaliser l'invention.
Les appareils mécaniques compliqués tels que ceux servant au brassage du charbon, appareils qui, devant fonctionner géné- ralement à température élevée, sont soumis de ce fait à des sujé- tions plus ou moins critiques, sont complètement supprimés. La transformation désirée de la matière première est obtenue d'une façon continue et très rapidement. L'énergie produite sous forme de chaleur est utilisée dans un cycle comportant un minimum de déperditions et se prêtant au contraire à une récupération immé- diate pour les opérations accessoires telles que le fonctionne- ment de la colonne de distillation et de 1 'installation de sépa- ration des essences.
Il va d'ailleurs de soi que le mode dératisation décrit n'a été donne qu'à tmtre d'exemple et qu'il pourrait être modi- fié notamment par substitution d'équivalents techniques sans que l'on sorte pour cela du cadre de l'invention.
En particulier, on ne sortirait pas/du cadre de l'invention si, pour surchauffer la vapeur introduite dans l'enceinte 1 pour y constituer la grille fluide, on faisait appel à des moyens autres ,que ceux décrits.
L'enceinte 1 unique représentée sur le dessin pourrait être remplacée par plusieus/enceintes que la matière carbonifère traitée parcourrait en série. on conçoit par/exemple que le semi- coke très réactif déposé que bas de l'enceinte 1 et extrait par le sas 10 pourrait être envoyé à une deuxième enceinte similaire dans laquelle on introduirait un fluide réactif pour/obtenir la, , gazéification totale du combustible.