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PROCEDE ET INSTALLATION POUR LA PRODUCTION DE GAZ RENFERMANT
DE L'OXYDE DE CARBONE ET, LE CAS ECHEANT, DE L'HYDROGENE,
EN PARTANT DE COMBUSTIBLES SOLIDES FINEMENT DIVISES
La présente invention est relative à la produc- tion de gaz combustibles, renfermant, notamment, de l'oxy- de de carbone et de l'hydrogène, et destinés à l'éclairage, au chauffage, à des réactions chimiques et autres usages, en partant de combustibles solides finement divisés, tels que du charbon pulvérisé, du lignite et autres substances solides renfermant du carbone.
D'une manière plus restric- tive, l'invention se rapporte à la fabrication de gaz com- bustibles par transformation à température élevée de combus- tibles solides finement divisés sous l'action de l'oxygène ou d'un gaz renfermant de l'oxygène, le combustible solide
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étant en suspension pendant la réaction dans le milieu ga- zeux et se déplaçant sensiblement dans le même sens que ce- lui-ci, et le reste, non transformé par l'oxygène, du com- bustible solide finement divisé, étant soumis ensuite à une réaction endothermique avec des agents gazéifiants, tels que la vapeur d'eau ou l'anhydride carbonique, qui réagis- sent sur le carbone pour donner des gaz combustibles.
Les réactions de base, qui se produisent lors de la fabrication de gaz selon la présente invention, sont con- nues en soi. Elles comprennent la combustion d'une partie du carbone contenu dans le combustible solide pour porter le reste de celui-ci à une température à laquelle il peut réa- gir endothermiquement avec de la vapeur, de l'anhydride car- bonique, ou d'autres éléments, pour former soit un mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène, soit presque uniquement de l'oxyde de carbone, avec, en outre, une quantité, le plus souvent relativement faible, d'anhydride carbonique et d'au- tres produits. Depuis longtemps, ces réactions sont utilisée- industriellement, par exemple pour la fabrication de gaz à l'eau.
Cependant, le procédé connu met en oeuvre un lit de combustible sensiblement immobile, à travers lequel circu- lent les agents réactifs gazeux, tandis que, dans le procé- dé selon l'invention, le combustible solide est en suspen- sion dans le milieu réactif gazeux.
Il a été également déjà proposé un procédé et un appareillage perfectionnés pour la gazéification de combus- tibles solides finement divisés. Ce procédé perfectionné, faisant l'objet d'un brevet antérieur, prévoit l'introduc- tion continue du combustible solide finement divisé dans un courant d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène, dans des conditions telles qu'il se produise une suspension, de pré- férence homogène, du combustible dans le milieu gazeux.
La
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suspension ainsi formée est alors dirigée de façon continue, sous forme de jet, dans une chambre de gazéification se trou vant à une température supérieure à la température d'inflam- mation de la suspension et dans laquelle celle-ci est rapi- dement allumée, tandis qu'elle est entourée par une envelop- pe gazeuse circulant sensiblement dans la même direction et renfermant de la vapeur d'eau ou un autre oxyde gazeux, sus- ceptible de réagir endothermiquement avec le carbone, afin de former, par exemple, un mélange d'oxyde de carbone et d'hy drogène.
Dans l'espace de gazéification existent donc simul- tanément une zone centrale à haute température dans laquelle s'effectuent les réactions exothermiques entre l'oxygène et les particules de combustible solide, et une zone extérieure à température plus basse dans laquelle se produisent les réa. tions endothermiques. Dans la première zone, le combustible finement divisé est oxydé partiellement en formant, de prête rence, de l'oxyde de carbone, et, dans l'autre zone, le com- bustible résiduel est transformé par réactions endothermi- ques.
L'espace de réaction de la chambre de gazéification est donc fonctionnellement, divisée en deux zones, à savoir la zone primaire ou zone de l'oxydation partielle et la zone secondaire, qui entoure la zone primaire, dans laquelle de la vapeur ou de l'anhydride carbonique ou des mélanges des deux réagissent endothermiquement sur du combustible solide finement divisé.
Un premier but poursuivi par l'invention est le dé veloppement de procédés et d'installations perfectionnés per mettant de transformer plus complètement que jusqu'à présent le carbone contenu dans le combustible finement divisé, en oxyde de carbone et, le cas échéant, en vapeur d'eau.
L'invention a, en outre, en vue, des perfectionne- ments grâce auxquels la gazéification d'un combustible fine-
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ment divisé peut être effectuée de façon continue en donnant lieu à la formation d'oxyde de carbone ou d'un mélange d'oxy- de de carbone et d'hydrogène, tout en évitant un chauffage préliminaire à température élevée des éléments réagissant en dothermiquement avec le combustible.
D'autres buts de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-après, ainsi que des indications de nées en regard d'une forme de réalisation préférée de l'in- vention.
La plus grande partie de la chaleur pour la réac- tion endothermique dans la zone secondaire précitée de la chambre de gazéification est fournie par les produits gazeux de la réaction, qui se forment dans la zone primaire lors de la transformation du carbone et de l'oxygène.
Avec le procédé antérieur, il a été cependant re- connu nécessaire d'introduire, dans la zone secondaire en- dothermique de l'espace de gazéification, des quantités de chaleurs additionnelles en réchauffant préalablement à hau- te température, de préférence à une température supérieure à 1000 C, avant leur entrée dans a chambre de gazéifica- tion, des éléments réagissant endothermiquement avec le car- bone, tels que de la vapeur d'eau, de l'anhydride carboni- que ou analogues.
Mais ce préchauffage élève notablement le prix de revient du gaz produit; en effet, le préchauffage de vapeur ou d'anhydride carbonique à des températures supérieu res à 1000 contraint, en général, à l'emploi de régénéra- teurs, sous la forme, par exemple, des appareils à air chaud pour hauts-fourneaux de type connu, ce qui accroît les frais d'établissement et de conduite de l'installation. La présen- te invention apporte une solution au problème de la gazéifi- cation très économique, sans qu'il soit nécessaire de pré- chauffer, dans de tels régénérateurs ou autres installations
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à une température de 1000 C ou plus, les éléments réagis- sant endothermiquement.
Conformément à l'invention, ce résultat est ob- tenu en mélangeant sous une pression notablement supérieu- re à la pression atmosphérique le combustible finement di- visé à l'oxygène ou au gaz contenant de l'oxygène et en in- troduisant de façon continue, sous forme d'un jet, dans l'espace de gazéification, ce mélange maintenu sensiblement à cette pression élevée, qui demeure sensiblement inchangée pendant la réaction dans l'espace de gazéification.
Les a- gents gazéifiants, tels que la vapeur d'eau et l'anhydride carbonique, réagissant endothermiquement avec le combusti- ble, sont introduits également de façon continue et à pres- sion élevée dans l'espace de gazéification, de telle façon qu'il se crée dans la chambre de combustion une zone pri- maire et une zone secondaire, fonctionnellement séparées l'u- ne de l'autre et qu'il subsiste en permanence, entre la zo- ne primaire et la paroi de la chambre de réaction, un genre de couche d'éléments relativement froids réagissant endother- miquement avec le carbone, comme la vapeur d'eau ou l'anhy- dride carbonique.
Dans la zone primaire se produit, sous hau- te pression et avec dégagement continu de chaleur, l'oxyda- tion partielle du combustible finement divisé suspendu dans l'oxygène ou le gaz contenant de l'oxygène, oxydation qui de bute rapidement dès l'entrée de la suspension dans l'espace de gazéification se trouvant à température élevée. Dans la zone secondaire, dans laquelle est maintenue sensiblement la même haute pression que dans la zone primaire,a lieu alors la transformation endothermique du carbone résiduel du combusti ble par de la vapeur d'eau, de l'anhydride carbonique ou tout autre agent convenable, qui est chauffé par la chaleur déve- loppée dans la zone primaire.
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Grâce à l'élévation de pression des éléments en présence dans le gazogène, les pertes de chaleur sont no- tablement plus faibles que si la zone primaire était à la pression atmosphérique ou à une pression voisine de celle- ci, et ce du fait que le gaz produit s'échappe du gazogène à une température bien plus faible que si l'opération s'ef- fectuait sous la pression normale. Les pertes de chaleur par rayonnement et par convexion sont également plus fai- bles dans le procédé selon l'invention.
En raison de ce fait. il devient possible d'introduire dans la chambre de gazéifi- cation, dans l'espace se trouvant entre la zone primaire et la paroi de l'espace de réaction, les éléments gazeux qui doivent y être amenés, à une température sensiblement plus basse, sans qu'il en résulte une diminution de la tempéra- ture finale des corps réagissant endothermiquement et de l'étendue de la réaction dans la zone secondaire.
Il suffit, par exemple, d'introduire les éléments réagissant endother- miquement à une température de l'ordre de 400 à 5000 C, c'est-à-dire à une température qui peut être atteinte grâ- ce à un surchauffeur de vapeur direct, tel qu'il est utili- sé dans les centrales thermiques, par exemple, dans lequel la vapeur circule de façon continue dans un faisceau tubu- laire chauffé de l'extérieur, sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à une surchauffe de la vapeur ou de l'anhy- dride carbonique dans des régénérateurs ou autres échangeurs de chaleur analogues.
Un autre avantage résultant de la diminution du volume de la zone primaire lors de la gazéification à haute pression, réside dans le fait que le combustible finement divisé est porté très uniformément, dans la zone primaire, aux températures élevées particulièrement avantageuses pour favoriser la réaction dans la zone secondaire, de sorte
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qu'aucune fraction du combustible solide ne peut échapper à la transformation s'effectuant ensuite avec des agents réagissant endothermiquement.
Ainsi se trouve notablement améliorée l'utilisa- tion du combustible solide par rapport à la gazéification sous pression atmosphérique ou sous une pression voisine de celle-ci.
Cependant, il est également possible d'utiliser les conditions plus favorables de réaction dans l'espace de gazéification, dans le procédé selon l'invention, en mettant en oeuvre un combustible solide divisé à grains plus gros qu'il ne serait possible de le faire pour obtenir un même degré d'utilisation du combustible, avec une gazéification à une pression sensiblement égale à la pression atmosphéri- que.
C'est ainsi, par exemple, que si, pour obtenir un de- gré d'utilisation de 95 % du combustible dans une gazéifi- cation à pression atmosphérique, il faut utiliser un com- bustible solide déterminé finement divisé, de manière que 10 % seulement ne passent pas au travers d'un tamis présen- tant 4900 mailles par cm2, il est possible, dans la gazéi- fication sous une pression d'environ 10 atmosphères au gé- nérateur, d'utiliser ce même combustible divisé de telle manière que 25 % ne passent pas au travers du même tamis, le degré d'utilisation du combustible restant le même, soit 95 %.
La proportion d'oxygène par rapport au carbone so- lide dans le mélange est calculée de façon qu'il se produi- se une oxydation partielle du carbone. Il se forme principa- lement de l'oxyde de carbone et la partie non gazéifiée du combustible solide est portée à température élevée. Le com- bustible résiduel, sortant de la zone primaire, peut donc entrer en réaction endothermique avec les agents gazéifiants
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entourant celle-ci (vapeur d'eau, anhydride carbonique ou analogues), et donner naissance à des gaz combustibles.
Il est avantageux, conformément à l'invention, d'utiliser dans l'espace de gazéification une pression de 5 atmosphères ou plus, par exemple de 10 à 20 atmosphères.
Le dessin unique annexé représente en coupe ver- ticale un mode de réalisation préféré d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, appli- qué à la gazéification de combustibles solides finement di- visés, tels, par exemple, que du charbon pulvérisé, du li- gnite ou autres.
Le combustible à gazéifier, finement divisé, arri- ve par les trémies 1 de remplissage dans chacun des deux ré- servoirs 2,3 résistant à la pression, dont l'entrée est commandée par les vannes d'arrêt $, 5. Les réservoirs inter- médiaires 2,3 se remplissent du combustible finement divi- sé et il est avantageux de balayer l'air se trouvant à la partie supérieure, au-dessus de la couche de combustible, à l'aide, dans le cas présent, d'un gaz inerte, par exemple d'azote. Les vannes 4 et 5 sont alors fermées et l'on fait ensuite monter avantageusement la pression de gaz dans les réservoirs 2, 3, suffisamment pour que le combustible fine- ment divisé puisse être amené, à l'aide d'un transporteur disposé dans les conduits 6, par exemple d'une vis d'Archi- mède, au dispositif mélangeur 7.
Dans ce dispositif mélan- geur est introduit, par la tuyauterie 8, contrôlée par une vanne 9, de l'oxygène ou un autre gaz contenant de l'oxygè- ne, par exemple de l'air à forte teneur en oxygène, la pres- sion dans la tuyauterie 8 étant calculée de manière à former dans le dispositif 1 un mélange homogène de combustible fi- nement divisé et de gaz, le combustible solide finement di- visé étant entraîné par le gaz.
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Au dispositif mélangeur 7. est raccordé un conduit d'admission 10, avantageusement muni d'un refroidissement par eau, et débouchant dans la chambre de gazéification.
La chambre de gazéification ou de réaction est constituée ici par une maçonnerie réfractaire 11, établie à l'intérieur d'une enveloppe 12 étanche au gaz, en tôle d'a- cier ou matériau analogue, calculée en tenant compte de la pression de fonctionnement de l'installation. La partie 13 de l'espace de réaction délimitée par la maçonnerie réfrac- taire 11 est sensiblement conique et le conduit d'admission de combustible 10 débouche dans sa partie rétrécie.
Autour du point où débouche le conduit d'admission 10, est prévue dans la maçonnerie 11 une buse 14 sensiblement annulaire par laquelle de la vapeur ou un autre agent réagissant endother- miquement avec le carbone est introduit de telle manière dans l'espace de gazéification 13 qu'il se forme autour de la zone primaire se créant devant le débouché du conduit 10, une enveloppe gazeuse constituée par des éléments réagissant endothermiquement avec le carbone ou renfermant de tels élé- ments, sans que la présence de ces éléments à réaction endo- thermique influe sur la réaction se produisant dans la zone primaire ou centrale.
Les parois de l'espace de gazéification 13 sont portées à une température élevée pendant le fonctionnement.
C'est pourquoi le mélange d'oxygène et de combustible intro- duit sous forme d'un jet par le conduit 10 dans la chambre de gazéification s'enflamme rapidement.
La proportion d'oxygène par rapport au carbone so- lide dans le mélange est calculée de façon qu'il se produise une oxydation partielle du carbone. Il se forme alors prin- cipalement de l'oxyde de carbone et la partie non transfor- mée du combustible solide se trouve portée à une températu-
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re élevée. Le combustible résiduel peut donc, en sortant de la zone primaire, réagir avec les agents gazéifiants à réac- tion endothermique entourant ladite zone primaire (vapeur d'eau, anhydride carbonique ou analogue) pour former des gaz combustibles.
L'extrémité inférieure de l'espace de réaction 13 se continue par une enceinte refroidie 22, qui est formée par une enveloppe 15 refroidie à l'eau, disposée également dans l'enveloppe 12. Dans la partie refroidie 22 se dépose une partie du résidu finement divisé du combustible solide, comme représenté en 16.
Le gaz produit est évacué par un conduit 17 éta- bli en un matériau mauvais conducteur de la chaleur et par- vient dans un élément 18 également refroidi par de l'eau qui est relié à une chaudière à vapeur 19 à tubes de fumée ver- ticaux 20. De là, en vue de leur utilisation, les gaz sont repris par une conduite 21 contrôlée par une vanne, non re- présentée.
La pression à l'intérieur de l'appareillage de ga- zéification représenté est maintenue, par un réglage conve- nable de la vanne (non représentée) contr8lant la conduite d'échappement 21, à une valeur notablement supérieure à cel- le de la pression atmosphérique. Il en résulte que les réac- tions dans la chambre 13 s'effectuent également sous une pression élevée. Ceci a pour conséquence que la transforma- tion du combustible finement divisé avec l'oxygène dans la zone primaire de la chambre 13 s'effectue à très grande vi- tesse et, par suite, dans un espace très réduit.
Ce resserrement de la zone primaire de réaction amène une diminution importante des pertes de chaleur de l'appareillage de gazéification par rapport aux pertes de chaleur qui se produisent dans une installation fonctionnant
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sensiblement à la pression atmosphérique. La chaleur rendue ainsi disponible peut être utilisée à l'intérieur de l'espa- ce de gazéification pour préchauffer à la température néces- saire l'agent gazéifiant à réaction endothermique utilisé dans la zone secondaire.
Il suffit donc souvent, dans le prc= cédé selon l'invention, de préchauffer modérément à environ
400 à 500 C, avant son entrée dans l'espace de réaction, l'agent gazéifiant à réaction endothermique (vapeur d'eau par exemple), c'est-à-dire à une température que les surchauf feurs utilisés couramment dans les centrales thermiques per- mettent encore d'atteindre.
Il est cependant également possible de préchauffer la vapeur à l'intérieur de l'installation de gazéification.
Dans ce but celle-ci comporte, comme représenté, deux ou plu sieurs brûleurs 23 dans lesquels est brûlé un mélange de gaz combustible et d'oxygène. Les gaz chauds ainsi produits sont ajoutés à la vapeur qui est introduite par la buse annulaire
14 dans l'espace de gazéification 13 et produisent ainsi le préchauffage désiré de la vapeur d'eau ou autre agent gazéi- fiant à réaction endothermique prévu. Les brûleurs 23 reçoi- vent du gaz combustible par la tubulure 24. et de l'oxygène, ou un gaz contenant de l'oxygène par la tubulure 25. Des tubulures 24, 25 partent, vers les brûleurs 23, des dériva- tions 27 contrôlées par des vannes 26.
Les brûleurs 23 fonc- ' tionnent également à haute pression et ce, de telle manière, que les gaz de combustion chauds qui se forment pénètrent dans l'espace de gazéification 13.
Au voisinage de l'extrémité de l'espace de gazéi- fication 13 sont prévues, dans la paroi de la chambre de ga- zéification, plusieurs ouvertures 28 par lesquelles peut ê- tre introduit, dans l'espace de gazéification 13, un gaz froid, par exemple une fraction du gaz produit.
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Ce gaz froid est prélevé sur la conduite 29, qui est reliée par des dérivations 30, contrôlées chacune par une vanne, aux ouvertures d'entrée 28.
La quantité de gaz froid, qui pénètre dans l'es- pace de gazéification par les ouvertures 28, est calculée de telle manière que la température des gaz produits dans l'espace de réaction 13 s'abaisse le plus rapidement pos- sible jusqu'à 500 C environ. La production de méthane est ainsi pratiquement empêchée ou du moins notablement rédui- te, car le méthane ne se forme que dans une zone de tempé- rature se situant entre 500 et 8000 C ; cette zone critique de température est franchie très rapidement grâce à l'intro- duction du gaz froid, ce qui élimine la possibilité de la formation de méthane en quantité importante. Ce refroidissement brusque permetwegalement d'éviter le frittage et l'ag- glutination des cendres finement divisées se déposant, par exemple, sur les parois.
La chemise d'eau 15 et celle de la partie 18 de l'appareil sont reliées par des tubulures 49, 50 à un réci- pient collecteur de vapeur 31 auquel est également raccordé par les conduites 32, le ballon d'eau de la chaudière à va- peur 19.
Au récipient collecteur de vapeur 31 peuvent, en outre, être raccordés des tubes refroidisseurs 33 par la tu- yauterie 34. Ces tubes refroidisseurs 33 sont logés dans la paroi réfractaire 11 de l'espace de gazéification et évitent, en cas d'incidents de fonctionnement, que la maçonnerie ré- fractaire ne brûle jusqu'à l'enveloppe étanche aux gaz 12.
La vapeur se formant dans l'appareil relié au collecteur de vapeur 31 est extraite par la tubulure 35. Elle peut être a- vantageusement utilisée, par exemple, pour actionner l'ins- tallation servant à la production d'oxygène ou d'un gaz à
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forte teneur en oxygène. L'eau d'alimentation pour les re- froidisseurs est amenée par la tuyauterie d'alimentation 36 dans le récipient collecteur de vapeur 31.
Le résidu de combustible se rassemble, comme indi- qué plus haut, dans le fond des parties 22 et 18 de l'appa- reillage. Des trappes d'extraction de cendres 37, 8 y sont prévues, qui sont commandées par un organe de fermeture 39, 40 muni d'un système de refroidissement par eau. Les orga- nes 39 et 40 sont disposés chacun sur un arbre 41, à l'aide duquel ils peuvent être, à la demande, soulevés, abaissés, ou mis en rotation. Le résidu pulvérulent qui se dépose au fond des parties 22 et 18 de l'appareillage peut parvenir ainsi, de façon continue ou par fractions successives, dans la tuyauterie d'évacuation des cendres 42 qui aboutit à une trémie à cendres 43.
Cette dernière se trouve sensiblement soumise à la mené pression que les autres parties de l'appa- reillage de gazéification; dès que les trémies 43 sont plei- nes, leur communication avec l'intérieur de l'installation est coupée et leur contenu peut être déversé, par exemple dans des wagonnets.44.
Le gaz combustible produit par l'installation peut le cas échéant, servir à produire de l'énergie électrique ou mécanique, par exemple par détente dans une turbine à gaz, avant d'être utilisé pour des réactions chimiques ou à des fins d'éclairage ou de chauffage.
La gazéification est effectuée de préférence avec de l'oxygène ou de l'air à forte teneur en oxygène. Il est possible cependant, en raison de la pression élevée régnant dans la chambre de gazéification, d'utiliser, pour la gazéi- fication du combustible, de l'air à teneur en oxygène voisi- ne de la normale, sans que les avantages économiques et te- chniques que procure le procédé selon l'invention se trou-
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vent pour cela sensiblement diminués.
Si cela est nécessaire, les gaz extraits de l'ins- tallation de gazéification par le conduit 21 sont épurés, la- vés et refroidis à la manière habituelle.
Le résidu de combustible finement divisé, recueilli dans l'appareillage peut encore, le cas échéant, après s'être déposé, réagir avec les substances gazeuses circulant à tra- vers la chambre de gazéification. C'est pourquoi il est avar. tageux de maintenir en permanence sur le fond des parties 22 et 18 de l'appareillage une certaine quantité de résidu de combustible.
La conduite pratique du nouveau procédé peut être avantageusement menée suivant l'exemple de réalisation ci- après, qui se rapporte au traitement de 1 kg d'un charbon fi nement divisé, laissant au tamis de.4900 mailles au cm2 un résidu de 10 %. La pression dans le générateur est dans l'e- xemple de réalisation qui suit supposée de 10 atmosphères.
Afin de montrer clairement le progrès que représente la ga- zéification à haute pression selon l'invention, on a indiqué dans l'exemple ci-après, en regard des résultats qu'elle permet d'atteindre, ceux obtenus dans la gazéification à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique.
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EMI15.1
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Les avantages essentiels que procure le procédé de gazéification selon l'invention peuvent se résumer, comme suit :
1) La consommation d'oxygène est notablement plus faible.
2) Il se produit plus de gaz et de meilleure quali- té, car la consommation en gaz de chauffage pour le chauffage des régénérateurs pour la surchauffe de la vapeur est suppri- mée.
3) Le degré de décomposition de la vapeur d'eau est plus élevé et, par conséquent, la consommation de vapeur est plus faible avec le procédé selon l'invention.
4 ) Les frais d'installation sont sensiblement di- minués, car les régénérateurs coûteux nécessaires jusqu'à pré sent pour la surchauffe de la vapeur sont supprimés.
Par contre, la production de vapeur est légèrement plus faible avec le procédé selon l'invention qu'avec la ga- zéification sous la pression atmosphérique. Ceci provient de ce que, dans le nouveau procédé, les gaz sont extraits de la chambre de gazéification à environ 1000 C, alors qu'ils ont une température de 1200 C à la sortie de la chambre de gazé fication dans la gazéification sous pression atmosphérique.
Un autre avantage du procédé selon l'invention ré- side dans une meilleure utilisation du combustible, c'est-à- dire un degré de gazéification plus élevé. Enfin l'abaisse- ment des pertes de chaleur par rayonnement et par convexion dans le générateur de gaz fonctionnant sous haute pression constitue également un autre avantage important.
EMI16.1
Il y a lieu d'entendre par l'expression'bxygène", dans la description ci-dessus, comme dans les revendications aussi bien de l'oxygène pur que de l'air ou un autre gaz a- yant une teneur en oxygène plus élevée que celle de l'air
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normal ou même, sous certaines conditions que de l'air nor- mal. Les avantages procurés par le procédé selon l'invention sont cependant plus apparents quand on utilise, pour la ga- zéification, de l'air à haute teneur en oxygène ou de l'oxy- gène pur.
REVENDICATIONS
1) Procédé pour la fabrication de gaz renfermant de l'oxyde de carbone et, le cas échéant, de l'hydrogène, par transformation de combustibles solides finement divisés en suspension dans de l'oxygène et des agents gazeux réagissant endothermiquement caractérisé en ce que le combustible fine- ment divisé est mélangé avec de l'oxygène sous une pression élevée, mais à une température inférieure au point d'inflam- mation, que le mélange est insufflé, de façon continue dans une chambre de réaction résistant à la pression et maintenue à température élevée, qu'il y est allumé sans modification sensible de la pression et qu'il est amené à réagir, tandis qu'un agent réagissant endothermiquement avec le carbone, son mis à une pression élevée,
est introduit dans l'espace com- pris entre la zone de réaction exothermique et la paroi de la chambre de réaction.
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PROCESS AND INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF CONTAINING GAS
CARBON OXIDE AND, IF APPLICABLE, HYDROGEN,
STARTING FROM FINELY DIVIDED SOLID FUELS
The present invention relates to the production of combustible gases, containing, in particular, carbon oxide and hydrogen, and intended for lighting, heating, chemical reactions and other uses, starting from finely divided solid fuels, such as pulverized coal, lignite and other solid substances containing carbon.
More restrictively, the invention relates to the manufacture of fuel gases by the transformation at elevated temperature of finely divided solid fuels under the action of oxygen or a gas containing oxygen. oxygen, solid fuel
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being in suspension during the reaction in the gaseous medium and moving substantially in the same direction as the latter, and the remainder, not converted by oxygen, of the finely divided solid fuel, then being subjected to an endothermic reaction with gasifying agents, such as water vapor or carbon dioxide, which react with carbon to give combustible gases.
The basic reactions, which take place in the production of gases according to the present invention, are known per se. They involve the combustion of part of the carbon contained in the solid fuel to bring the remainder of it to a temperature at which it can react endothermically with steam, carbon dioxide, or carbon. other elements, to form either a mixture of carbon monoxide and hydrogen, or almost entirely carbon monoxide, with, in addition, a quantity, usually relatively small, of carbon dioxide and at - very products. For a long time, these reactions have been used industrially, for example for the manufacture of water gas.
However, the known process uses a substantially stationary fuel bed through which the gaseous reactants circulate, while in the process according to the invention the solid fuel is suspended in the medium. gaseous reagent.
An improved process and equipment for the gasification of finely divided solid fuels have also already been proposed. This improved process, the subject of an earlier patent, provides for the continuous introduction of the finely divided solid fuel into a stream of oxygen or oxygen-containing gas, under conditions such as will occur. a suspension, preferably homogeneous, of the fuel in the gaseous medium.
The
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the suspension thus formed is then directed continuously, in the form of a jet, into a gasification chamber located at a temperature above the ignition temperature of the suspension and in which the latter is quickly ignited, while it is surrounded by a gaseous envelope flowing in substantially the same direction and containing water vapor or another gaseous oxide, capable of endothermically reacting with carbon, to form, for example, a mixture of carbon monoxide and hydrogen.
In the gasification space there is therefore simultaneously a central high temperature zone in which the exothermic reactions between the oxygen and the solid fuel particles take place, and an external zone at lower temperature in which the reactions take place. . endothermic reactions. In the first zone, the finely divided fuel is partially oxidized, preferably forming carbon monoxide, and in the other zone, the residual fuel is transformed by endothermic reactions.
The reaction space of the gasification chamber is therefore functionally divided into two zones, namely the primary zone or zone of partial oxidation and the secondary zone, which surrounds the primary zone, in which steam or l Carbon dioxide or mixtures of the two react endothermically on finely divided solid fuel.
A first aim pursued by the invention is the development of improved processes and installations making it possible to transform the carbon contained in the finely divided fuel more completely than hitherto into carbon monoxide and, where appropriate, into water vapour.
The invention further aims to improve the gasification of a fine fuel.
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The divided process can be carried out continuously, giving rise to the formation of carbon monoxide or a mixture of carbon oxide and hydrogen, while avoiding preliminary heating to high temperature of the dothermally reacting elements. with fuel.
Other objects of the invention will emerge from the detailed description below, as well as from the indications of births with regard to a preferred embodiment of the invention.
Most of the heat for the endothermic reaction in the aforementioned secondary zone of the gasification chamber is provided by the gaseous products of the reaction, which are formed in the primary zone during the transformation of carbon and carbon. oxygen.
With the prior process, however, it has been recognized necessary to introduce, into the secondary endothermic zone of the gasification space, additional quantities of heat by preheating at a high temperature, preferably at a temperature. above 1000 ° C., before entering the gasification chamber, elements endothermically reacting with carbon, such as water vapor, carbon dioxide or the like.
But this preheating significantly increases the cost price of the gas produced; in fact, the preheating of steam or carbon dioxide to temperatures above 1000 requires, in general, the use of regenerators, in the form, for example, of hot air devices for blast furnaces. known type, which increases the cost of establishing and operating the installation. The present invention provides a solution to the problem of very economical gasification, without it being necessary to preheat, in such regenerators or other installations.
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at a temperature of 1000 C or more, the elements reacting endothermically.
According to the invention, this result is obtained by mixing under a pressure appreciably higher than atmospheric pressure the finely divided fuel with oxygen or the gas containing oxygen and by introducing in such a way continues in the form of a jet in the gasification space, this mixture maintained substantially at this high pressure, which remains substantially unchanged during the reaction in the gasification space.
Gasifying agents, such as water vapor and carbon dioxide, reacting endothermically with the fuel, are also introduced continuously and at high pressure into the gasification space, so that 'a primary zone and a secondary zone are created in the combustion chamber, which are functionally separated from each other and which permanently remain between the primary zone and the wall of the chamber reaction, a kind of layer of relatively cold elements that react endothermically with carbon, such as water vapor or carbon dioxide.
In the primary zone takes place, under high pressure and with continuous release of heat, the partial oxidation of the finely divided fuel suspended in oxygen or the oxygen-containing gas, an oxidation which rapidly abuts from the start. entry of the suspension into the gasification space at high temperature. In the secondary zone, in which is maintained substantially the same high pressure as in the primary zone, then takes place the endothermic transformation of the residual carbon of the fuel by water vapor, carbon dioxide or any other suitable agent. , which is heated by the heat developed in the primary zone.
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Thanks to the increase in pressure of the elements present in the gasifier, the heat losses are noticeably lower than if the primary zone were at atmospheric pressure or at a pressure close to it, and this because the produced gas escapes from the gasifier at a much lower temperature than if the operation were carried out under normal pressure. The heat losses by radiation and by convection are also lower in the process according to the invention.
Due to this fact. it becomes possible to introduce into the gasification chamber, in the space located between the primary zone and the wall of the reaction space, the gaseous elements which must be brought there, at a significantly lower temperature, without resulting in a decrease in the final temperature of the endothermically reactants and in the extent of the reaction in the secondary zone.
It suffices, for example, to introduce the elements reacting endothermically at a temperature of the order of 400 to 5000 C, that is to say at a temperature which can be reached by means of a steam superheater. direct, as used in thermal power plants, for example, in which the steam circulates continuously in a tube bundle heated from the outside, without the need for a superheating of steam or carbon dioxide in regenerators or other similar heat exchangers.
Another advantage resulting from the reduction in the volume of the primary zone during high pressure gasification lies in the fact that the finely divided fuel is brought very uniformly, in the primary zone, to the high temperatures which are particularly advantageous to promote the reaction in the primary zone. the secondary zone, so
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that no fraction of the solid fuel can escape the transformation then carried out with endothermically reacting agents.
Thus the use of solid fuel is notably improved with respect to gasification at atmospheric pressure or at a pressure close to the latter.
However, it is also possible to use the more favorable reaction conditions in the gasification space, in the process according to the invention, by using a divided solid fuel with larger grains than would be possible. to obtain the same degree of use of the fuel, with gasification at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
Thus, for example, if, in order to obtain a degree of utilization of 95% of the fuel in gasification at atmospheric pressure, it is necessary to use a determined finely divided solid fuel, so that 10 % only do not pass through a sieve with 4900 meshes per cm2, it is possible, in gasification at a pressure of about 10 atmospheres at the generator, to use the same fuel divided in such a way. so that 25% do not pass through the same sieve, the degree of fuel use remaining the same, ie 95%.
The proportion of oxygen to solid carbon in the mixture is calculated so that partial oxidation of the carbon occurs. Most carbon monoxide is formed and the non-gasified part of the solid fuel is brought to a high temperature. The residual fuel, leaving the primary zone, can therefore enter into an endothermic reaction with the gasifying agents.
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surrounding it (water vapor, carbon dioxide or the like), and give rise to combustible gases.
It is advantageous, according to the invention, to use in the gasification space a pressure of 5 atmospheres or more, for example 10 to 20 atmospheres.
The single appended drawing represents in vertical section a preferred embodiment of an installation for carrying out the process according to the invention, applied to the gasification of finely divided solid fuels, such as, for example, than pulverized charcoal, li- ne or the like.
The finely divided fuel to be gasified arrives via the filling hoppers 1 into each of the two pressure-resistant tanks 2,3, the entry of which is controlled by the shut-off valves $, 5. The tanks Intermediate 2,3 fill with finely divided fuel and it is advantageous to sweep the air located at the top, above the fuel layer, using, in this case, d an inert gas, for example nitrogen. The valves 4 and 5 are then closed and the gas pressure in the reservoirs 2, 3 is then advantageously increased, sufficiently so that the finely divided fuel can be supplied, with the aid of a conveyor placed in the tank. the conduits 6, for example of an Archimedes screw, to the mixing device 7.
Into this mixing device is introduced, through the pipe 8, controlled by a valve 9, oxygen or another gas containing oxygen, for example air with a high oxygen content, the pressure. the pressure in the pipe 8 being calculated so as to form in the device 1 a homogeneous mixture of finely divided fuel and gas, the finely divided solid fuel being entrained by the gas.
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To the mixing device 7. is connected an intake duct 10, advantageously provided with water cooling, and opening into the gasification chamber.
The gasification or reaction chamber is constituted here by a refractory masonry 11, established inside a gas-tight casing 12, of sheet steel or similar material, calculated taking into account the operating pressure. of the installation. The part 13 of the reaction space delimited by the refractory masonry 11 is substantially conical and the fuel inlet duct 10 opens into its narrowed part.
Around the point where the inlet duct 10 emerges, there is provided in the masonry 11 a substantially annular nozzle 14 through which steam or another agent reacting endothermically with the carbon is introduced in such a way into the gasification space. 13 that it forms around the primary zone being created in front of the outlet of the duct 10, a gaseous envelope constituted by elements reacting endothermically with carbon or containing such elements, without the presence of these endothermic reaction elements. - thermal influences the reaction occurring in the primary or central zone.
The walls of the gasification space 13 are brought to a high temperature during operation.
Therefore, the mixture of oxygen and fuel introduced as a jet through line 10 into the gasification chamber ignites rapidly.
The proportion of oxygen to solid carbon in the mixture is calculated so that partial oxidation of the carbon occurs. Most of the carbon monoxide is then formed and the unconverted part of the solid fuel is brought to a temperature.
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re high. The residual fuel can therefore, on leaving the primary zone, react with the endothermically reacting gasifying agents surrounding said primary zone (water vapor, carbon dioxide or the like) to form fuel gases.
The lower end of the reaction space 13 is continued by a cooled enclosure 22, which is formed by a water-cooled casing 15, also disposed in the casing 12. In the cooled part 22 is deposited part of the water. finely divided residue of solid fuel, as shown in 16.
The gas produced is evacuated through a pipe 17 made of a material which is a poor conductor of heat and arrives in an element 18 also cooled by water which is connected to a steam boiler 19 with vertical smoke tubes. ticals 20. From there, with a view to their use, the gases are taken up by a pipe 21 controlled by a valve, not shown.
The pressure inside the gasification apparatus shown is maintained, by suitable adjustment of the valve (not shown) controlling the exhaust pipe 21, at a value appreciably greater than that of the valve. atmospheric pressure. As a result, the reactions in chamber 13 also take place under high pressure. As a consequence, the transformation of the finely divided fuel with oxygen in the primary zone of chamber 13 takes place at very high speed and, therefore, in a very small space.
This constriction of the primary reaction zone leads to a significant reduction in the heat losses of the gasification apparatus compared to the heat losses which occur in an operating installation.
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substantially at atmospheric pressure. The heat thus made available can be used within the gasification space to preheat to the required temperature the endothermically reacting gasifying agent used in the secondary zone.
It is therefore often sufficient, in the prc = assigned according to the invention, to preheat moderately to about
400 to 500 C, before entering the reaction space, the endothermic reaction gasifying agent (water vapor for example), that is to say at a temperature that the superheaters commonly used in power plants thermal still allow to reach.
However, it is also possible to preheat the steam inside the gasification plant.
For this purpose, the latter comprises, as shown, two or more burners 23 in which a mixture of combustible gas and oxygen is burned. The hot gases thus produced are added to the steam which is introduced through the annular nozzle
14 in the gasification space 13 and thereby produce the desired preheating of the steam or other endothermically reacting gasifying agent intended. The burners 23 receive fuel gas through the pipe 24. and oxygen, or a gas containing oxygen through the pipe 25. The pipes 24, 25 lead to the burners 23, the branches 27. controlled by valves 26.
The burners 23 also operate at high pressure in such a way that the hot combustion gases which are formed enter the gasification space 13.
In the vicinity of the end of the gasification space 13 are provided in the wall of the gasification chamber several openings 28 through which a gas can be introduced into the gasification space 13. cold, for example a fraction of the gas produced.
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This cold gas is taken from the pipe 29, which is connected by branches 30, each controlled by a valve, to the inlet openings 28.
The quantity of cold gas, which enters the gasification space through the openings 28, is calculated in such a way that the temperature of the gases produced in the reaction space 13 is lowered as quickly as possible to at around 500 C. The production of methane is thus practically prevented or at least appreciably reduced, since methane is formed only in a temperature zone lying between 500 and 8000 C; this critical temperature zone is crossed very quickly thanks to the introduction of cold gas, which eliminates the possibility of the formation of methane in large quantities. This sudden cooling also makes it possible to avoid sintering and agglutination of the finely divided ashes settling, for example, on the walls.
The water jacket 15 and that of part 18 of the apparatus are connected by pipes 49, 50 to a vapor collecting vessel 31 to which is also connected by pipes 32, the water cylinder of the boiler. steam 19.
Cooling tubes 33 can also be connected to the vapor collecting vessel 31 by the pipe 34. These cooling tubes 33 are housed in the refractory wall 11 of the gasification space and, in the event of gasification incidents, avoid operation, that the refractory masonry does not burn up to the gas-tight envelope 12.
The vapor forming in the apparatus connected to the vapor collector 31 is extracted by the pipe 35. It can be advantageously used, for example, to actuate the installation serving for the production of oxygen or of a gas. gas to
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high oxygen content. The feed water for the coolers is brought through the feed pipe 36 into the vapor collecting vessel 31.
The fuel residue collects, as indicated above, in the bottom of parts 22 and 18 of the apparatus. Ash extraction hatches 37, 8 are provided therein, which are controlled by a closure member 39, 40 provided with a water cooling system. The members 39 and 40 are each arranged on a shaft 41, by means of which they can be, on request, raised, lowered, or rotated. The pulverulent residue which is deposited at the bottom of parts 22 and 18 of the apparatus can thus arrive, continuously or in successive fractions, in the ash discharge pipe 42 which ends in an ash hopper 43.
The latter is found to be substantially subjected to the same pressure as the other parts of the gasification apparatus; as soon as the hoppers 43 are full, their communication with the interior of the installation is cut off and their contents can be dumped, for example into wagons. 44.
The fuel gas produced by the installation can, if necessary, be used to produce electrical or mechanical energy, for example by expansion in a gas turbine, before being used for chemical reactions or for lighting purposes. or heating.
The gasification is preferably carried out with oxygen or air with a high oxygen content. However, due to the high pressure in the gasification chamber, it is possible to use air with a near-normal oxygen content for the gasification of the fuel, without the economic advantages. and techniques provided by the process according to the invention are
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wind for this significantly decreased.
If necessary, the gases extracted from the gasification plant through line 21 are purified, washed and cooled in the usual manner.
The finely divided fuel residue collected in the apparatus can still, if necessary, after being deposited, react with the gaseous substances circulating through the gasification chamber. That is why he is avar. tageux to maintain permanently on the bottom of parts 22 and 18 of the apparatus a certain amount of fuel residue.
The practical operation of the new process can be advantageously carried out according to the following example of embodiment, which relates to the treatment of 1 kg of a finely divided carbon, leaving a residue of 10% on the sieve of 4900 meshes per cm2. . The pressure in the generator is in the following exemplary embodiment assumed to be 10 atmospheres.
In order to clearly show the progress represented by the high pressure gasification according to the invention, in the example below, with regard to the results which it makes it possible to achieve, those obtained in the gasification at one pressure substantially equal to atmospheric pressure.
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EMI15.1
<tb> gasification <SEP> to <SEP> gasification <SEP> to
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The essential advantages provided by the gasification process according to the invention can be summarized as follows:
1) Oxygen consumption is significantly lower.
2) More gas is produced and of better quality, since the consumption of heating gas for heating regenerators for steam superheating is eliminated.
3) The degree of decomposition of water vapor is higher and, therefore, the consumption of vapor is lower with the process according to the invention.
4) The installation costs are significantly reduced, as the expensive regenerators required until now for steam superheating are eliminated.
On the other hand, the production of steam is slightly lower with the process according to the invention than with gasification under atmospheric pressure. This results from the fact that, in the new process, the gases are extracted from the gasification chamber at around 1000 C, while they have a temperature of 1200 C at the outlet of the gasification chamber in the gasification at atmospheric pressure. .
Another advantage of the process according to the invention lies in a better use of the fuel, ie a higher degree of gasification. Finally, the reduction in heat losses by radiation and by convection in the gas generator operating under high pressure also constitutes another important advantage.
EMI16.1
By the expression 'oxygen', in the above description, as in the claims is meant both pure oxygen and air or another gas having a higher oxygen content. higher than that of air
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normal or even, under certain conditions, as normal air. The advantages provided by the process according to the invention are, however, more apparent when air with a high oxygen content or pure oxygen is used for the gasification.
CLAIMS
1) Process for the production of gas containing carbon monoxide and, where appropriate, hydrogen, by transformation of finely divided solid fuels in suspension in oxygen and gaseous agents reacting endothermically, characterized in that the finely divided fuel is mixed with oxygen under high pressure, but at a temperature below the point of ignition, as the mixture is blown, continuously into a pressure resistant reaction chamber and maintained at high temperature, that it is ignited there without appreciable modification of the pressure and that it is caused to react, while an agent reacting endothermically with carbon, its put at a high pressure,
is introduced into the space between the exothermic reaction zone and the wall of the reaction chamber.