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PROCEDE DE PREPARATION'DES CHARGES :DES FOURS A CARBURE@DE CALCIUM.
La présente invention a trat à un procédé de préparation d'une charge propre à la fabrication du carbure de calcium au four à arc électri- que.
'On fabrique ordinairement le carbure de calcium par la réacticn de réduction du-carbone'et de-l'oxyde de calcium dans la zone de l'are dan four électrique à carbure. Pour que le four fonctionne d'une manière effi- cace, il convient que la charge de ce four consiste en un mélange homogène et intime de carbone (ordinaiement du coke) et d'oxyde de calcium (ordinai- rement de la pierre à chaux calcinée), afin qu'on obtienne une réaction ra- pide du carbure dans le four à arc électrique.
Toutefois, les mélanges pul- vérisés de coke et d'oxyde de calcium ne conviennent pas parce que, à l'in- térieur du creuset en forme de cuvette, du four, les gaz intensément chauds engendrés par-l'arc électrique à la pointe de l'électrode, doivent pouvoir s'échapper en traversant la charge de matière première qui se trouve au-des- sus de l'électrode. Si une charge pulvérisée était introduite dans le four, des parties de cette charge seraient rapidement fondues et tendraient à en- tourer l'extrémité de l'électrode en formant un cratère ou une coquille em- prisonnant les gaz. Ceci canaliserait l'échappement des gaz de la réaction et empêcherait ainsi un préchauffage uniforme de la charge dont on envisage la réaction.
De plus, les gaz canalisés entraineraient les petites parti- cules du mélange pulvérisé au-dessus de la zone de réaction et occasionne- raient ainsi une perte de matières premières.
Pour éviter quelques-uns des inconvénients exposés ci-dessus, il a été proposé d'agglomérer de l'oxyde de calcium en poussière et du coke en poussière sous forme de boulettes ou pilules.. Cette méthode présente toutefois l'inconvénient de la dépense relativement élevée qu'entrainent la!
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préparation séparée du coke et de l'oxyde de calcium et leur conversion ul- térieure en boulettes.
De plus, pour former une boulette de poussière d'c- xyde de calcium et de poussière de coke, il est probablement nécessaire de faire usage d'un liant tel que le brai ou l'asphaltes parce que, autrement, la boulette ne résisterait pas aux manutentions qui interviennent nécessaire- ment entre l'opération d'agglomération en boulettes et le four de la fabrica- tion du carbure à grande échelle. En outre, de telles boulettes ne résistent pas convenablement aux conditions de températures élevées qui s'établissent à l'intérieur du four à carbure et se dégagrègent rapidement en redonnant une poudre.
On a proposé de résoudre le problème de la dépense exagérée et des autres inconvénients que présente l'utilisation de l'oxyde de calcium et du coke par la méthode consistant à former des boulettes à partir d'une. ' source peu coûteuse d'oxyde de calcium, telle que l'hydrate de calcium (sous-produit de la fabrication de l'acétylène) et d'un charbon tendre peu coûteux, et à soumettre ensuite ces boulettes à une cuisson (cokéfaction et calcination) en une seule opération.
L'emploi d'un charbon tendre et d'un hydrate à l'état de sous- produit permet en particulier de réaliser des économies importantes dans la dépense en matières premières. Ce sous-produit d'hydrate de calcium est celui qu'on obtient en fabriquant l'acétylène par la réaction du car- bure de calcium avec l'eau. La demande croissante en acétylène, par exem- ple pour la fabrication du caoutchouc synthétique, a eu comme conséquence la production d'énormes dépôts résiduels de cet hydrate. Les achats nor- maux d'hydrate de calcium nont guère entamé ces dépôts importants en ré- serve, et il est évident que l'utilisation de ce sous-produit permettrait de réaliser des économies et de simplifier le problème de la consommation de cette matière.
Toutefois, l'utilisation d'un charbon tendre et du sous-produit d'hydrate (ou de pierre à chaux qui constitue une autre source relative- ment peu coûteuse d'oxyde de calcium), sous forme de boulettes dans la fa- brication du carbure de calcium a donné lieu à des difficultés, en parti- culier dans la cokéfaction du charbon et la calcination de l'hydrate ou du carbonate de calcium que contient la boulette, en une seule opération.
Il faut que le charbon soit essentiellement cokéfié ou sensiblement réduit en carbone par l'expulsion de ses constituants volatilso En effet, un char- bon bitumineux ne peut pas, comme tel, être utilisé comme source de carbo- ne dans le four à carbure,en raison de ses propriétés plastiques qui oc- casionnent la fusion de la charge du four et sa conversion en une màsse im- pénétrable qui empêche l'échappement des gaz engendrés dans la réaction du carbure de calcium. Comme il est nécessaire de faire en sorte que les proportions relatives du carbone final et de l'oxyde de calcium que con- tiennent les boulettes soient celles qui conviennent pour la réaction in- dustrielle du carbure, il est désirable que la cuisson n'occasionne aucune perte importante de carbone fixé à partir du charbon tendre utilisé.
Ou- tre que cette perte en carbone fixé rendrait difficile d'obtenir dans la - boulette soumise à la cuisson les proportions de coke et de chaux qui con- viennent pour la réaction du carbure, elle serait contraire à une bonne économie.
Il importe que la calcination de l'hydrate ou du carbonate par l'expulsion de l'eau et de l'anhydride carbonique, respectivement, soit essentiéllement complète. En effet, la chaleur employée à cette fin, et qui est dérivée d'une énergie électrique, c'est-à-dire d'une source d'é nergie coûteuse, augmente le total d'énergie électrique nécessaire pour la fabrication du carbure.
D'autres considérations liées à l'emploi d'un charbon tendre et d'une source peu coûteuse d'oxyde de calcium, sont que le mélange doit pouvoir être facilement converti en boulette ou granulé et que celui-ci doit pouvoir résister à sa manutention à la fois avant et après la cuisson.
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Il faut qu9il existé avant la cuisson une cohérence satisfaisante entre les constituants granulés,afin qu'ils puissent être transférés de l'opération d'agglomération à l'opération de cuisson. Après leur cuisson, les granulés sont transférés au four à carbureo Pendant cette manutention, il faut que le granulé soit capable de résister à 1?usure et aux chocs, afin que la pré- sence de fragments et de fines n9offre pas de difficultés ou n'occasionne pas de pertes sérieuses. Non seulement il est nécessaire que les granulés possèdent une résistance mécanique élevée au cours de cette manutention, mais il faut aussi qu9ils résistent dans une mesure suffisante à la chaleur à laquelle ils sont exposés dans les fours à carbure.
A ce stade, plus lon- gue est la période d'intégrité et de résistance à la désagrégation des gra- nulés, avant la réaction du carbure, plus longtemps les gaz chauds prove- nant de cette réaction pourront passer librement par les interstices sépa- rant lesdits granulés pour assurer un préchauffage uniforme.
Tenant compte des considérations qui précèdent, 1-'objet de l'in- vention est un procédé autothermique perfectionné de préparation de granu- lés durables destinés à être chargés dans un four électrique à carbure de calcium.
D'autres objets de 1-'invention sont les suivants :
Un procédé de cuisson perfectionné grâce auquel la cokéfaction d'un charbon tendre et la calcination d'une source d'oxyde de calcium sont effectuées en une seule opération avec un minimum de perte en carbone fixé;
la production, par filage sous pression ou extrusion, de gra- nulés de charbon cokéfiant, d"hydrate de calcium et de pierre à chaux, qui possèdent une solidité suffisante pour résister aux opérations de manuten- tion qui précèdent la cuisson, et qui peuvent être soumis à une cuisson satisfaisante en vue de la production d'une charge convenant pour les fours à carbure au calcium, et un procédé perfectionné d9agglomération des constituants in- diqués ci-dessus en vue de la production d9une charge de four à carbure, procédé grâce auquel des sources disponibles de chaleur perdue ou rési- duelle sont utilisées d'une manière efficace.
Conformément à la forme de réalisation préférée de cette in- vention, on réalise ces objets, et d'autres, par un prquédé consistant à préparer un mélange intime, homogène et convenablement proportionné d'un carbon bitumineux qui est capable de se fluidifier suffisamment pour don- ner un agrégat dur avec la source d'oxyde de calcium ou avec le carbonate de calcium et l'hydrate de calcium-pulvérisés; ou un mélange similaire de charbon et d'hrdrate; à filer sous pression ce mélange et le découper pour en obtenir des granulés ou bâtonnets ; sécher ces granulés; à en co- kéfier et calciner les constituants dans une zone de cuisson par une com- bustion incomplète des éléments volatils du charbon avec un apport réglé d'air préchauffé;
à faire mouvoir les granulés et 1-'air dans le même sens à travers le four de façon que les produits de la combustion incomplète établissent une atmosphère non oxydante à mesure que les deux courants de même sens progressent à l'intérieur du four, et à utiliser les sources de chaleur que constituent les gaz passant dans les conduits du four, à par- tir de l'opération de cokéfaction et de calcination, pour sécher les granu- lés et préchauffer 1-'air d'almentation.
On décrira maintenant l'invention plus en détail en se réfé- rant aux dessins annexés sur lesquels
La figure 1 est un schéma du procédé'entier de préparation de la charge;
La figure 2 est une vue en élévation latérale avec coupe ver- ticale partielle représentant schématiquement le four rotatif utilisé pour l'opération de cokéfaction et de calcination;
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La figure 3 illustre la transformation qui se produit au cours du séchage et de la cuisson d'un granulé boudiné à l'état humide.
Les trémies se rapportant aux diverses matières, représentées en . haut et à gauche du schéma de circulation de la figure 1,.sont.désignées par
11, 12 et 13. La trémie à charbon 11 contient un charbon bitumineux se flui- difiant convenablement, ce charbon ayant été pulvérisé pour passer au travers d'un tamis à ouverture de maille de 840 microns,à l'aide d'un des disposi- tifs courants non représentée La trémie à carbonate 12 contient de la.pier- re à chaux de grande pureté ayant aussi été pulvérisée pour passer au tra- vers d'un tamis de même ouverture de maille.
La trémie à hydrate contient de l'hydrate de calcium soit sous forme de particules d'environ 74 microns, converti par des méthodes classiques en une poudre sensiblement sèche, soit sous forme du sous-produit pulvérulent de la fabrication d'acétylène sec.
A la partie inférieure des trémies Il, 12 et 13 sont disposées des balances 14, 15 et 16 assurant l'admission des proportions correctes désirées des matières premières respectives à 1-'intérieur du transporteur mélangeur horizontal 17 situé au-dessous de ces balances. Ce transporteur transfère les matières premières à un malaxeur usuel 18 produisant un mé- lange intime et homogène desdites matières à l'aide d9une addition d'eau admise par un tuyau à robinet 19. La consistance du mélange après l'addi- tion d'eau est approximativement celle d'un mortier ferme se prêtant au boudinage.
A sa sortie du malaxeur, le mélange est transféré à la boudi- neuse 20, à laquelle une nouvelle quantité d'eau peut, si nécessaire, être introduite dans le mélange par un tuyau à robinet 21. Le mélange de matiè- res premières est refoulé sous pression à travers la filière 22 et, à sa sortie de celle-ciil est découpé en bâtonnets ou granulés par un couteau
23. La filière 22 de la boudineuse présente de préférence des trous rec-- tilignes pouvant par exemple avoir 32 mm de diamètre et environ 76 mm de longueur. On règle le couteau 22 de façon quil découpe le boudin cylin- drique de matière en bâtonnets ayant de préférence environ 32 mm de lon- gueur.
Les bâtonnets ou granulés humides quittant le couteau 23 sont transportés, comme indiqué par le chemin 24, au séchoir à granulés 25 dans lequel s'effectue l'élimination de l'eau qui a été ajoutée pour faciliter le boudinage, afin d'éviter une conversion instantanée en vapeur de cette eau au cours de la cuisson ultérieure à haute température et la désagréga- tion des granulés qui en résulterait, et afin qu9une évaporation d'eau pendant la -cuisson ne gêne pas 19inflammation des éléments volatils du charbon.
Le séchoir est maintenu à environ 200 C et il est pourvu d'un dispositif d'un type courant, non représenté, permettant de régler le temps de séjour des granulés à 1-'intérieur de cet appareil.
En quittant le séchoir à granulés 25, les granulés séchés et chauffés sont élevés par un élévateur d'un type courant 26. à un séparateur ou tamis 27, également d'un type courant, qui élimine les fragments, débris et petites-particules susceptibles d'accompagner les granulés. Ceux-ci sont conduits vers le bas et amenés au four rotatif hermétique 28 dans le- quel le charbon est débarrassé de ses éléments volatils et cokéfié et dans lequel l'oxyde de calcium est calciné d'une manière nouvelle qui sera dé- crite plus loin.
Finalement, les granulés cuits, maintenant composés d'o- xyde de calcium et de coke, sont transférés au refroidisseur rotatif 29 à aspersion d'eau réfrigérante, dans lequel ils sont refroidis afin d'évi- ter qu'ils réagissent avec l'oxygène de. l'air au cours de leun stockage et de leur manutention ultérieurs, En réglant le débit des gaz d9échappement du four 29, à l'aide de dispositifs connus, de manière à assurer une pres- sion légèrement positive, il est possible d9empêcher l'air de pénétrer dans le refroidisseur rotatif 29, étant donné que cet appareil travaille àussi sous une faible pression positive.
Après avoir été refroidis dans le refroidisseur rotatif, les
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granulés sont transférés à un dispositif de'stockage (non représenté). Dans le cas où une alimentation directe en granulés du four à carbure à arc élec- trique serait désirée, le refroidisseur rotatif 29 serait supprimé.
Les gaz formés (contenant un peu de gaz combustibles) quittant l'extrémité de décharge inférieure du four rotatif 28 par le tuyau 30 sont soumis à une combustion complète dans une chambre 30a, afin que toute l'é- nergie thermique de ces gaz soit récupérée. L'air destiné à entretenir cet- te combustion est admis à la chambre 30a par un tuyau à robinet 31. On peut ensuite, si on le désire, "tempérer" ou refroidir partiellement les produits de combustion chauds par une addition d'air admis par un tuyau à - robinet 32, après avoir observé la température marquée par le pyromètre 32a du tuyau 30, et on peut alors faire passer ces gaz à travers un échangeur de chaleur 33.
Cette réduction de la température des produits de combus- tion, dont le but est de permettre de régler la température régnant dans l'échangeur de chaleur, présente par ailleurs 1?avantage qu'on peut faire usage d'un échangeur peu coûteux qui serait incapable de résister à la tem- pérature élevée des produits de combustion résultant de la combustion des gaz du four. Les produits de combustion traversant 1-'échangeur de chaleur 33 abandonnent une partie de leur chaleur à 1-'air de combustion passant dans le tuyau 35 allant au four rotatif, ce qui effectue le préchauffage de l'air admis au four.
Après avoir effectué le préchauffage de l'air destiné au four rotatif 28, dans 1?échangeur de chaleur 33, les produits de combustion passant dans le tuyau 30 sont utilisés pour sécher les granulés dans le séchoir 25. Si le séchage convenable des granulés 1?exige, les produits de combustion peuvent de nouveau être tempérés par de l'air admis par un tuyau à robinet 34. On règle le robinet du tuyau 34 en conformité avec la température indiquée par le pyromètre 34.@: du tuyau 30, afin d'assurer la température de séchage convenable. Au tuyau 30 sont adjoints des ven- tilateurs à débit réglagle (non représentés) propres à' assurer le maintien d'un débit correct des gaz d'échappement.
On voit à la figure 1 que 1?air de combustion préchauffé pro- venant de l'échangeur de chaleur 33 est envoyé à l'extrémité d'entrée du four rotatif 28 par le tuyau à robinet 35, qui'est pourvu, près de son ex- trémité d'admission, d'un ventilateur d'un type courant (non représenté).
Un appareil de chauffage auxiliaire 36 est prévu pour la mise en marche et/ou pour fournir un supplément de chaleur au four 28. L'appariel de chauffage 36 nest de préférence utilisé que pour porter le four aux tem- pératures de travail avant qu'aient été établies les conditions de travail autothermiques qui seront décrites plus loin. Les détails du four rotatif 28 seront donnés ci-après en se référant à la figure 2.
Ce four rotatif incliné consiste en un grand tube 40, qui peut, par exemple, avoir 2,10 m. de diamètre, garni intérieurement d'une couche 42 de 15 cm de briques réfractaires. Deux calottes fixes 44 et 46 sont montées de façon étanche à l'air aux extrémités du tube 40 et protègent celui-ci contre 1?entrée d'aira Les dispositifs d'étanchéité prévus à cet effet auxdites extrémités ou calottes ont été représentées schématiquement sous forme de garnitures annulaires 48 et 50 qui entourent les surfaces extérieures des extrémités du tube 40, bien que l'un quelconque des nom- breux autres dispositifs d'obturation hermétique bien connus puisse être appliqué.
La calotte ou hotte de sortie 46 possède de préférence un plus grand volume que la calotte d'entrée 44 et peut être refroidie par une chemise de circulation d'eau, non représentée, La partie supérieure de cette hotte de sortie est pourvue dune tubulure de sortie de gaz 52 qui est reliée au tuyau de sortie 30 et dans laquelle est disposé un thermo- couple relié à l'indicateur de température 55 situé à l'extérieur de la hotte. La partie inférieure de la hotte de sortie possède un orifice 47 par lequel s'effectue la décharge des granulés cuits.
La calotte d'en- trée fixe 44 est pourvue d'un tuyau 56 par lequel s'effectue l'introduction
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des granulés, ce tuyau traversant la partie supérieure de l'extrémité de la calotte de façon que les granulés tombent au fond du tube rotatif 40. -Le tuyau 35 amenant l'air préchauffé, lequel tuyau est pourvu d'un papillon ré- glable 58, traverse l'extrémité de la calotte d'entrée 44 en son centre.
Au-dessous du tuyau à air préchauffé 35 se trouve un brûleur à huile ou à gaz d'un type courant 60, faisant partie de l'appareil de chauffage auxiliai- re 36 (figure 1) , lequel brûleur traverse la calotte d'entrée 44.
La longueur totale du four est par exemple de 21 mètres et il peut être incliné, par exemple, de 6,3 cm par mètre de longueur. Le tube 40 est monté de façon rotative, par des moyens classiques, dont l'un a été re- présenté schématiquement en 62 sur le dessin. Le tube 40 reçoit sa rota- tion d'un moteur à vitesse variable 64 par l'entremise d'une boite de réduc- tion de vitesse 66 et d'un pignon drqit de commande 68 qui engrène avec une couronne dentée 70 montée sur le pourtour du tube 40. La disposition est telle qu'on peut obtenir des vitesses variant de 0,5 à 1,5 tours par minute en réglant la vitesse du moteur 64 par des moyens connus (non représentés).
Le thermo-couple 54, pourvu de l'indicateur de température 55 disposé à l'intérieur du conduit 52, peut être qombiné avec un dispositif automatique d'un type courant (non représenté) propre à régler la quantité d'air préchauffé qui pénètre dans le four 28 par une liaison convenable avec le papillon 58 du conduit à air préchauffé 35. De plus, on pourrait similairement faire usage du thermo-couple 54 pour régler la température de l'air préchauffé en réglant la quantité d'air de refroidissement qui est ajoutée, par l'intermédiaire du tuyqu à obturateur réglable 32, aux produits de combustion allant au préchauffeur d'air.
Pour faire ressortir les difficultés que présentent la coké- faction et la calcination, en une seule opération, de granulés faits d'un charbon tendre et d'une source d'oxyde de calcium, on considérera quel- ques-unes des réactions chimiques fondamentales qui peuvent intervenir.
Les réactions principales sont les suivantes :
EMI6.1
charbon + chaleur carbone + éléments volatils éléments volatils + air chaleur + C0+C0+X0 carbone + oxygène ### anhydride carbonique hydrate de calcium + chaleur oxyde de calcium et eau carbonate de calcium + chaleur oxyde de calcium + anhydri- de carbonique carbone + eau oxyde de carbone + hydrogène.
Ceci met en évidence le fait qu9il est nécessaire, pour obtenir sûrement 1?oxyde de calcium, de favoriser la dissociation réversible du carbonate de calcium en oxyde de calcium et en anhydride carbonique tout en empêchant l'oxyde de carbone et l'anhydride carbonique de se combiner pour donner du carbonate de calcium. Ceci exige une température élevée qui, à son tour, tend à provoquer 1?oxydation dû carbone si de 19 oxygène ou de l'eau entrent en contact avec du carbone. Une telle oxydation provoquerait une perte du carbone fixé ou du coke dérivé du charbon tendre initial.
La présente inventionentre d'autres avantages, réduit au mini- mum toute perte de carbone fixé grâce à un procédé de cuisson autothermique nouveau basé sur Inapplication de courants de même sens pour les granulés et pour les gaz présents dans le procédéo
En fonctionnement, pendant que le four rotatif 28 est convena- blement chauffé par le brûleur 60, il reçoit un courant de granulés séchés, relativement froids, qui consistent en un mélange homogène et intime de charbon tendre et d'une source d'oxyde de calcium (par exemple le mélange d'un tel charbon avec du carbonate de calcium et de l'hydrate de calcium) le rapport du carbone à l'oxyde de calcium étant celui qui convient pour la production de carbure de calcium dans le four à arc électrique.
L'air
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préchauffes relativement chaud, arrivant de l'échangeur de chaleur 33 est fourni en quantités réglées et à des températures appropriées au four auquel il est admis par le tuyau à obturateur réglable 35.
Pendant la phase initiale de l'opération de cuisson (qui embras- se toute la période qui s'écoule entre l'entrée des granulés dans lé four et leur sortie), une portion des éléments volatils du charbon se dégage ini- tialement des granulés sous 19 influence de la chaleur du four, Comme la température que possède l'atmosphère du four à l'extrémité d'entrée de ce four est plus élevée que le point d9inflammation des éléments volatils, ladite portion brûle alors avec l'oxygène de l'air préchauffé, en dégageant de la chaleur qui provoque successivement une nouvelle élimination des élé- ments volatils du charbon et une nouvelle combustion de ces éléments.
Ceci rend le procédé autothermique, en ce sens qu9aucune chaleur supplémentaire n'a besoin d'être fournieo Dès que le four a été mis en service, et en supposant qu'il soit fait usage d'un charbon de teneur suffisamment élevée en éléments volatils (par exemple à 35 % d'éléments volatils, en poids), on peut fermer le brûleur 60 et réaliser la cuisson avec la seule chaleur résultant de la combustion des éléments volatils dudit charbon. La chaleur résultant de la combustion élève progressivement la température des granu- lés à mesure que ceux-ci descendant le long du four, ce qui assure l'éli- mination complète des éléments volatils du charbon.
Les éléments volatils qui se dégagent après le stade initial réagissent avec la presque totalité des agents d'oxydation disponibles que contient encore le courant gazeux passant dans le four et produisent à l'intérieur du four une atmosphère non oxydante composée de l'air préchauffé résiduel (azote) et des produits des réactions.
Il n'en résulte jamais une oxydation complète des éléments vo- latils parce que le choix du charbon et le réglage de l'air de combustion par rapport au courant de granulés sont tels que la quantité d'éléments vo- latils excède toujours la quantité stoechiométrique nécessaire pour fixer tout l'oxygène de 1?air de combustion, de sorte que, en aval de la zone de combustion, 19atmosphère du four ne contient plus d'cxygène
A mesure que les granulés descendent le long du four,ils s'échauffent progressivement sous 1-'influence de la chaleur qui leur est transmise par rayonnement, conduction et convexion à partir de l'atmos- phère du four se'déplaçant au-dessus d'eux.
Lorsque les granulés ont at- teint une température de 620 C environ, 1-'hydrate qu'ils contiennent se dissocie effectivement en donnant naissance à de la vapeur d'eau (qui est emportée par l'atmosphère du four) et de l'oxyde de calcium qui est rete- nu dans le granulé. La température des granulés continue à s'élever pen- dant qu'ils continuent à descendre le long du four et, lorsqu'ils ont at- teint environ 900 C, le carbonate de calcium qu'ils sont susceptibles de contenir se dissocie effectivement pour donner de l'anhydride carbonique (qui passe dans l'atmosphère du four et est emportée par elle) et de l'o- xyde de calcium qui est retenu dans la masse chaude de charbon de coké- faction dont les éléments volatils ont été éliminés.
La température des granulés est maintenue suffisamment élevée, au moment où ils sont sur le point d'atteindre l'extrémité inférieure du four, pour que toutes ou sen- siblement toutes les portions de la masse constituant chacun des granulés aient été élevées à une température supérieure à 900 C (par exemple à en- viron 1000 C) et que sensiblement tout le calcium présent soit sous forme de l'oxyde, plutôt que du carbonate. On peut régler le temps de séjour des granulés à l'intérieur du four, c'est-à-dire le temps pendant lequel ils sont exposés à l'atmosphère du four, en réglant la vitesse de rotation du four à l'aide d'un moteur à vitesse variable 64. On règle la tempéra- ture régnant dans le four en réglant la quantité d'air de combustion et la température de préchauffage de cet air.
Ce réglage peut être effectué en ajustant manuellement les robinets ou obturateurs réglables que comportent les tuyaux 35 et 32, de manière qu'on obtienne une température prédétermi- née (par exemple 1100 C pour une température maximum de 1000 C des granu- lés) au point où est situé le thermo-couple 54.
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Comme le taux d9admission d9air est réglé, par rapport au courant de granulés, de telle manière que l'atmosphère du four perde rapidement l'o- xygène qu'elle contient au cours de son passage à 1?intérieur du four, il s'é- tablit bientôt dans le four une atmosphère exempte d'cxygène. On constate @ que, avec le présent procédé, il est possible de tirer efficacement parti des éléments volatils du charbon en les brûlant dans un four clos aussitôt qu'ils se sont dégagés des granulés, au cours de la cuisson de ceux-ci, à l'intérieur du four, sans qu'il se produitse aucune perte appréciable de carbone fixe.
Il semble que la raison pour laquelle la perte de carbone fixé est très fai- ble réside dans le fait que, dans la phase initiale de la cuisson, le dégâ- gement rapide de grands volumes de gaz et de vapeurs provenant des granulés empêche l'oxygène que contient initialement l'air préchauffé de réagir avec le carbone du charbon. Par la suite, même si le taux de dégagement des gaz a été progressivement réduit, il ne se produit pas non plus de réaction ap- préciable entre le carbone des granulés et l'atmosphère du four, et ce ap- paremment parce que, à ce moment 1?atmosphère du four ne contient pour ainsi dire plus d'oxygène comme résultat de la réaction antérieure de tout ou sen- siblement tout l'oxygène qu9elle contenait avec les éléments volatils pré- cédemment dégagés du charbon.
C'est ainsi qu'on constate qu'il est possible de former à partir d'un mélange de charbon tendre, de carbonate de calcium et d'hydrate de calcium, un granulé pouvant être porté à une température extrêmement élevée (par exemple 10000C) par le présent procédé à courants de même sens et par l'utilisation efficace des éléments volatils qui se dégagent du charbon, sans perte sensible du carbone fixé que contient le charbon.
De même, il ne semble pas qu'une perte appréciable de carbone se produise dans le présent procédé comme résultat d'autres réactions possi- bles, telles que la réaction du gaz à 1-'eau. La raison en est peut-être que, avec le présent procédé à courants de même sens, la température des granulés s'élève progressivement à mesure qu'ils descendent le long du four, de sorte que toute eau qu'ils sont susceptibles de contenir (par exemple par suite de la présence d'hydrate de chaux) peut être expulsée et emportée par l'atmosphère du four, ce qui empêche son contact direct avec les gra- nulés avant que ceux-ci aient été portés à la température à laquelle la réaction du gaz à 1?eau interviendrait.
On peut modifier la composition des granulés pour l'adapter aux conditions locales se rapportant à 1?approvisionnement à la pureté et au coût de 1-'hydrate de calcium ou du carbonate de calcium, respectivement.
Dans des localités où le sous-produit d'hydrate n'est pas une matière première qu'il soit possible de se procurer économiquement, on peut faire usage d'une pierre à chaux de pureté convenable, telle que la pierre à chaux riche en calcium provenant du gisement Spergon (Missouri et Illinois). Pour obtenir des granulés à base de carbonate qui soient durables pendant la période de manutention précédant la cuisson, il est nécessaire d'y incorporer un peu d'hydrate de calcium à titre de liant.
La Demanderesse a découvert qu'un granulé qui contient d'une part une certaine quantité de carbonate de calcium donnant, après calcination, 85% en poids de l'oxyde de calcium qu9exige le bain fondu de carbure, et qui contient d9autre part de 1?hydrate de calcium à titre de liant et de source propre à constituer les 15 % restants de l'oxyde de calcium néces- saire, convient tout particulièrement pour une fabrication dû carbure réalisée sur une échelle industrielleo La quantité d'eau nécessaire pour assurer un malaxage et un boudinage convenables est un peu moindre, dans le cas d'un granulé de carbonate-hydrate à 85 %-15 %.
que dans le cas d'un granulé entièrement en hydrate, étant donné que le mouillage est rendu plus facile par les dimensions plus grandes des particules et par la quali- té de base du carbonate.
Lorsqu?un granulé entièrement en hydrate peut être préparé dars des conditions économiques, il peut être nécessaire, selon 1?équipement de malaxage, de prévoir des moyens pour permettre au granulé boudiné encore
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humide de faire prise au cours d'une certaine période de temps précédant le séchage afin quil résiste à opération de séchage.
Il a aussi été déterminé qu'un granulé de carbonate-hßdrate à 50 %-50 % (proportions précédemment décrites) peut subir une cuisson satis- faisante par Inapplication de la présente invention.
On fait usage du même type de charbon tant avec le granulé à base d'hydrate qu'avec le granulé à base de pierre à chaux. Il convient que le charbon soit un charbon bitumineux approprié qui se laisse convena- blement fluidifier lorsque on le chauffeet qu9il possède une faible teneur en cendres. a
Différentes sortes de charbons de compositions appropriées se- ront mentionnées ci-après à titre d'exemples,avec indication de leur pro- venance :
EMI9.1
<tb> NOM <SEP> Carbone <SEP> Eléments <SEP> Cendres
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<tb> fixé <SEP> volatils
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<tb> Charbon <SEP> Majectic <SEP> de <SEP> Pond <SEP> Creek <SEP> 59,4 <SEP> % <SEP> 33,6% <SEP> 7 <SEP> % <SEP>
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Il est évidemment possible de faire usage d'un charbon ayant une teneur moindre en éléments volatils et de fournir 1?appoint de cha- leur requis à l'aide du brûleur 60 ou d'un autre dispositif approprié, étant donné qu'on travaille avec une combustion incomplète. Par exemple, on pourrait faire usage du charbon Marianna de la couche Sewell de West Virginia (carbone fixe 72,7 %, éléments volatils 21,9 %, cendres 5,2 %).
Un tel charbon doit toutefois se fluidifier de façon satisfaisante, cêst- à-dire qu'il doit posséder la propriété de se convertir en un agrégat dur avec de petites particules, lorsqu'il est chauffé.
Les proportions théoriques du carbone (coke) par rapport à l'oxyde de calcium (carbonate-hydrate calciné ou hydrate calciné) que doit posséder le granulé pour la réaction du carbure, seraient 1 1,55, ainsi qu'on peut le déterminer par Inéquation chimique CaO 3C = CaC2 CO.
Toutefois, dans la pratique industrielle, on accroît le plus souvent la proportion d'oxyde de calcium afin d'assurer la formation d'un bain fon- du de bonne fluidité dans le four à carbure. Le bain fondu de carbure de calcium, ou le mélange eutectique qui assure un écoulement ou des carac- téristiques de coulée appropriés, contient 80 % environ de carbure de calcium. Pour qu9une telle fluidité du bain puisse être assurée, on élève le rapport du carbone à 1?oxyde de calcium à environ 1:1,75'. De la sorte, quel que soit le granulé dont on fera usage (carbonate-hydrate ou hydrate), 1?oxyde de calcium sera proportionné au carbone en conformité avec le rap- port industrie indiqué ci-dessus.
Quil soit fait usage dhydrate ou de carbonate-hydrate, les poids convenables de chacun d9eux devront être calculés en les considérant chacun comme une source d'oxyde de calcium. De même, on pourrait calculer' le poids du charbon en considérant celui-ci comme une source de carbone (carbone fixé du charbon initial).
Il y a lieu de noter que les granulés culbutent continuelle- ment sur eux-mêmes par 19 effet de la rotation du four, à mesure qu'ils pro- gressent le long de ce dernier, de sorte que toutes leurs portions sont exposées uniformément et directement à la chaleur rayonnée de la portion supérieure du four où seffectue la combustion.
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Pendant la cuisson et le refroidissement ultérieur, les granu- lés séchés se convertissent en granulés durs ayant une structure de coke en nids d'abeilles dans les cavités de laquelle sont noyées des particules d'oxyde de calcium. Il semble que, en raison de sa propriété aglutinante, le charbon se convertisse en une matière plastique semi-liquide qui, par' cokéfaction, forme une structure en nids d'abilles,dure et rigide, autour de 1?oxyde de calcium. Ces granulés durs résistent aux manutentions qui s9effectuent entre le four rotatif et le four à carbure et qui sont inhé- rentes aux opérations de fabrication industrielle du carbure ; la forma- tion de fines ou petites particules due à la chute et à 1?abrasion des gra- nulés ne se produit pas à un degré appréciable.
La transformation qui in- tervient dans le granulé mouillé au cours des opérations de séchage et de cuisson a été représentée à la figure 3 qui montre, à gauche, un granulé boudiné encore mouillé et, à droite, le même granulé après cuisson.
Pour pouvoir entièrement tirer parti des sous-produits du four rotatif, les gaz d9échappement de ce four quittant le sommet de la hotte de sortie 46 dudit four par le tuyau 52, se rendent par le tuyau 30 à la chambre de combustion 30a visible à la figure 1. Dans cette chambre, les gaz d9échappement sont complètement brûlés par une addition d9air admise par le tuyau à robinet 31, afin qu'on puisse recueillir toute la chaleur que contiennent les gaz d'échappement. Les produits de combustion ainsi engendrés passent alors à un préchauffeur d'air 33, où ils abandonnent une partie de leur chaleur pour préchauffer 1-'air destiné à entretenir la combustion partielle des éléments volatils du charbon dans le four rota- tif 28.
Après ce préchauffage, les produits de combustion sont transfé- rés au séchoir à granulés 25 où la portion restante de leur chaleur est utilisée pour sécher les granulés boudinés encore mouillés qui doivent être amenés au four rotatif.
Les produits de combustion des gaz peuvent aussi servir à sécher 1-'hydrate de calcium qui est directement dérivé de la fabrication de 1?acétylène par voie humide ou de dépôts d'hydrate.
Pour mieux faire comprendre certains détails importants de la préparation et du traitement des granulés et faciliter leur réalisa- tion, on donnera ci-après un exemple typique d'un mode opératoire suscep- tible d'être appliqué pour mettre 1-'invention en oeuvre.
On pulvérise un charbon tendre tel que le Coal Mountain men- tionné dans le tableau donné plus haut, qui en indique la composition, de façon qu9il passe au travers d'un tamis à ouverture de maille de 840 mi- crons et on en remplit la trémie ll. Si nécessaire, on sèche le charbon avant de le pulvériser, afin de réduire sa teneur en eau à une valeur in- férieure à 5 %.
On retire de 1?hydrate de calcium provenant du dépôt de ce sous-produit dans un générateur d'acétylène et on le soumet à un essorage centrifuge pour en réduire la teneur en eau, qui est en moyenne de 50 %.
On continue l'essorage jusqu9à ce que la teneur en eau ait été réduite à environ 40 %, puis on complète la déshydratation du sous-produit en sé- chant celui-ci à l'aide de la chaleur perdue de l'usine à carbure ou dune chaleur résiduelle provenant d'autres sources. Le séchage transforme le sous-produit en une poudre "sèche" dont la teneur en eau libre est infé- rieure à 12 %. Cette poudre est composée de particules dont la grosseur est comprise entre 74 et 50 microns et, après le séchage ci-dessus, on place cette poudre dans la trémie 13.
Le charbon tendre et le sous-produit d9hydrate sont alors pe- sés en quantités appropriées à 1?aide des balances automatiques 14, 16'si- tuées à la partie inférieure des trémies respectives 11, 13. Si l'on ne tient pas compte de 1?eau libre et combinée que contient l'hydrate et de la teneur en cendres et en éléments volatils du charbon, le mélange des deux constituants est effectué avec un rapport du carbone à 1?oxyde de calcium d'environ 1 1,75, ainsi qu'il est de pratique courante pour obte-
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nir un bain fondu satisfaisant dans le four à carbure.
Le charbon et l'hydra- te sont alors mélanges et transportés à l'aide d'un transporteur-mélangeur 17 à un malaxeur 18 dans lequel s'effectuent une addition d'eau et un nouveau malaxage, de telle sorte qu'on obtient un mélange homogène et intime conve- nant pour une réaction rapide du carbure. En quittant le malaxeur 18, le mélange plastique de charbon et d9hydrate est amené à une boudineuse 20 dans laquelle de l'eau est de nouveau introduite en quantité suffisante pour Que le mélange, dont la consistance est celle d'un mortier ferme puisse être boudiné facilement. La quantité d'eau à ajouter semble assez déterminante, et il convient que le total n9excède pas 22 - 26 % sur la base des substan- ces humides, c'est-à-dire qu'il convient que 22 à 26 % en poids du granulé soient de l'eau.
Après le boudinage les tiges ou "boudins" de mélange sont découpées en bâtonnets ou granulés de 35,25 à 75 mm de longueur, à l'aide d'un couteau 23.
Les granulés sont alors séchés à environ 200 C dans le séchoir 25, avec un temps de séjour dans ce séchoir de 40 minutes environ. On em- . pêche ainsi l'élimination des éléments volatils du charbon et leur inflam- mation. En quittant le séchoir, les granulés sont conduits au four rota- tif 28 qui est préchauffé par le brûleur 60, à environ 11000C.
On fait tourner le four rotatif à une vitesse qui, en suppo- sant que le four soit incliné de 6 cm par mètre de longueur de tube, donne pour le temps de séjour d'un granulé dans le four, environ 30 minu- tes. On règle la température du four en maintenant la température des gaz d'échappement à environ 1100 C à l'aide des dispositifs précédemment dé- crits. Ainsi, si le pyromètre 55 indique une température inférieure à 1100 C, on ouvre davantage l'obturateur réglable 58 du tuyau 35 pour per- mettre à une plus grande quantité dair préchauffé de pénétrer dans le four, par unité de temps.
Les combustibles restants que contiennent les gaz d'échappe- ment du four qui sont principalement composés d'azote, de méthane, d'hy- drogène, d'oxyde de carbone et d'anhydride carbonique, sont brûlés dans la chambre de combustion à admission d'air 30a et sont ensuite refroidis à environ 480 C par l'introduction d'une quantité d'air propre à tempérer ou réduire convenablement la température de l'air par le tuyau à obtura- teur réglable 32. Après avoir préchauffé à 260-430 C l'air destiné au four, les produits de la combustion subissent un nouveau refroidissement par l'introduction d'un supplément d9air admis par un tuyau à obturateur réglable 34 et propre à réduire leur température à environ 200 C et sont alors utilisés dans le séchoir à granulés 25.
Après le séchage des granu- lés, le courant de gaz sert à sécher le sous-produit d'hydrate de la ma- nière précédemment décrite ou il est transféré à une cheminée d'évacuation par des moyens non représentés.
Après avoir été calciné et cokéfié, et lorsqu'ils possèdent une température d'environ 980 C, les granulés sont déchargés dans un re- froidisseur 29 pourvu extérieurement d'un dispositif réfrigérant à projec- tion d'eau à 1?aide duquel ils sont refroidis à environ 150 C, afin que l'air n'oxyde pas le carbone contenu dans les granulés chauds. L'entrée de l'air à l'intérieur du refroidisseur 29 est réduit au minimum en raison des communications prévues entre le four et le refroidisseur et du réglage du débit des gaz d'échappement du four à l'aide de moyens (non représentés)' grâce auxquels une pression légèrement positive peut être maintenue dans le refroidisseur.
On constate que les granulés obtenus conformément au présent procédé ont une résistance mécanique particulièrement élevée et qu'ils contiennent les proportions de réactifs qui sont nécessaires pour la fabri- cation du carbure de calcium au four électrique. Ces réactifs sont mélan- gés intimement et de façon homogène pour former une charge de très grande qualité pour les fours à carbure, laquelle charge peu être fabriquée d'une manière plus efficace et plus économique que cela avait été possible par
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les méthodes connues jusquà ce jour.
L'invention n'est pas limitéeà la forme de réalisation particu- lière qui a été représentée et décrite et peut au contraire recevoir d'au- tres formes et de nombreuses modifications de détail rentrant dans le cadre et 1?esprit de ladite invention.
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FEED PREPARATION PROCESS: CALCIUM CARBIDE OVENS.
The present invention relates to a process for preparing a feed suitable for the manufacture of calcium carbide in an electric arc furnace.
Calcium carbide is ordinarily produced by the reduction reaction of carbon and calcium oxide in the area of the electric carbide furnace. For the furnace to operate efficiently, the charge in the furnace should consist of a homogeneous and intimate mixture of carbon (usually coke) and calcium oxide (usually limestone. calcined), so that a rapid reaction of the carbide in the electric arc furnace is obtained.
However, the sprayed mixtures of coke and calcium oxide are not suitable because, inside the bowl-shaped crucible of the furnace, the intensely hot gases generated by the electric arc in the oven. tip of the electrode, must be able to escape by passing through the charge of raw material located above the electrode. If a pulverized charge were introduced into the furnace, parts of that charge would quickly melt and tend to surround the end of the electrode, forming a gas-trapping crater or shell. This would channel the escape of the reaction gases and thus prevent uniform preheating of the feed intended for reaction.
In addition, the piped gases would carry the small particles of the spray mixture above the reaction zone and thus cause a loss of raw materials.
In order to avoid some of the drawbacks set out above, it has been proposed to agglomerate dusty calcium oxide and dusty coke in the form of pellets or pills. However, this method has the disadvantage of the expense. relatively high resulting from the!
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separate preparation of coke and calcium oxide and their subsequent conversion into pellets.
In addition, to form a pellet of calcium oxide dust and coke dust, it is probably necessary to use a binder such as pitch or asphalt because otherwise the pellet would not resist. not to the handling which necessarily takes place between the pellet agglomeration operation and the large-scale carbide production furnace. In addition, such pellets do not adequately withstand the high temperature conditions which establish themselves inside the carbide furnace and quickly break up giving a powder again.
It has been proposed to solve the problem of exaggerated expense and other disadvantages of using calcium oxide and coke by the method of forming pellets from one. 'inexpensive source of calcium oxide, such as calcium hydrate (a by-product of the manufacture of acetylene) and inexpensive soft charcoal, and then subjecting these pellets to cooking (coking and calcination) in a single operation.
The use of soft charcoal and of a hydrate in the form of a by-product makes it possible in particular to achieve significant savings in the expense of raw materials. This calcium hydrate by-product is that which is obtained by making acetylene by the reaction of calcium carbon with water. The increasing demand for acetylene, for example for the manufacture of synthetic rubber, has resulted in the production of enormous residual deposits of this hydrate. The normal purchases of calcium hydrate have hardly affected these important deposits in reserve, and it is evident that the use of this by-product would make it possible to save savings and to simplify the problem of the consumption of this material. .
However, the use of soft charcoal and the hydrate by-product (or limestone which is another relatively inexpensive source of calcium oxide), in the form of pellets in the manufacture Calcium carbide has given rise to difficulties, particularly in coking the charcoal and calcining the calcium hydrate or carbonate contained in the pellet in one operation.
The coal must be essentially coked or substantially reduced to carbon by the expulsion of its volatile constituents. Indeed, a bituminous carbon cannot, as such, be used as a source of carbon in the carbide furnace, due to its plastic properties which cause the melting of the furnace charge and its conversion into an impenetrable mass which prevents the escape of gases generated in the reaction of calcium carbide. Since it is necessary to ensure that the relative proportions of the final carbon and the calcium oxide in the pellets are those suitable for the industrial reaction of the carbide, it is desirable that the firing does not involve no significant loss of fixed carbon from the soft carbon used.
Moreover, this loss of fixed carbon would make it difficult to obtain in the pellet subjected to firing the proportions of coke and lime which are suitable for the reaction of the carbide, it would be contrary to good economy.
It is important that the calcination of the hydrate or of the carbonate by the expulsion of the water and the carbon dioxide, respectively, is essentially complete. Indeed, the heat used for this purpose, and which is derived from an electrical energy, that is to say from an expensive source of energy, increases the total electrical energy necessary for the manufacture of the carbide. .
Other considerations associated with the use of soft charcoal and an inexpensive source of calcium oxide are that the mixture must be capable of being easily converted into a pellet or granule and that the mixture must be able to withstand its loss. handling both before and after cooking.
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A satisfactory consistency between the granulated constituents must exist prior to baking so that they can be transferred from the agglomeration operation to the baking operation. After baking, the granules are transferred to the carbide furnace. During this handling, the granule must be able to withstand wear and impact, so that the presence of fragments and fines does not present difficulties or harm. does not cause serious losses. Not only is it necessary for the granules to have a high mechanical strength during this handling, but they must also be sufficiently resistant to the heat to which they are exposed in carbide furnaces.
At this stage, the longer the period of integrity and resistance to disintegration of the granules, before the reaction of the carbide, the longer the hot gases from this reaction will be able to pass freely through the interstices separated. rant said granules to ensure uniform preheating.
Bearing in mind the foregoing considerations, the object of the invention is an improved autothermal process for the preparation of durable pellets for charging in an electric calcium carbide furnace.
Other objects of the invention are as follows:
An improved cooking process whereby the coking of a soft charcoal and the calcination of a source of calcium oxide are carried out in a single operation with a minimum of fixed carbon loss;
the production, by pressure spinning or extrusion, of granules of coking coal, of calcium hydrate and of limestone, which have sufficient strength to withstand the handling operations preceding cooking, and which may be subjected to a satisfactory firing for the production of a feed suitable for calcium carbide furnaces, and an improved process for the agglomeration of the constituents indicated above for the production of a carbide furnace charge, process whereby available sources of waste or residual heat are used in an efficient manner.
In accordance with the preferred embodiment of this invention, these and other objects are accomplished by a process of preparing an intimate, homogeneous and suitably proportioned mixture of a bituminous carbon which is capable of fluidizing sufficiently to give a hard aggregate with the source of calcium oxide or with the powdered calcium carbonate and calcium hydrate; or a similar mixture of charcoal and hrdrate; in spinning this mixture under pressure and cutting it to obtain granules or sticks; dry these granules; in cocifying and calcining the constituents in a cooking zone by incomplete combustion of the volatile elements of the charcoal with a controlled supply of preheated air;
moving the pellets and the air in the same direction through the furnace so that the products of incomplete combustion establish a non-oxidizing atmosphere as the two streams in the same direction progress inside the furnace, and in using the heat sources constituted by the gases passing through the ducts of the furnace, from the coking and calcining operation, to dry the granules and to preheat the fermentation air.
The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which
Figure 1 is a schematic of the entire process for preparing the charge;
Figure 2 is a side elevational view with partial vertical section schematically showing the rotary kiln used for the coking and calcining operation;
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Figure 3 illustrates the transformation that occurs during drying and cooking of a wet sausage granule.
The hoppers relating to the various materials, represented in. top and to the left of the circulation diagram in figure 1,. are. designated by
11, 12 and 13. The charcoal hopper 11 contains a properly fluidifying bituminous charcoal, this charcoal having been pulverized to pass through a sieve with an 840 micron mesh size, using one of the Common Devices Not Shown The carbonate hopper 12 contains high purity lime stone which has also been pulverized to pass through a sieve of the same mesh opening.
The hydrate hopper contains calcium hydrate either in the form of particles of about 74 microns, converted by conventional methods to a substantially dry powder, or as the powdery by-product of the manufacture of dry acetylene.
At the lower part of the hoppers 11, 12 and 13 are arranged scales 14, 15 and 16 ensuring the admission of the desired correct proportions of the respective raw materials into the interior of the horizontal mixing conveyor 17 located below these scales. This conveyor transfers the raw materials to a conventional mixer 18 producing an intimate and homogeneous mixture of said materials with the aid of an addition of water admitted through a tap pipe 19. The consistency of the mixture after the addition of water is approximately that of a firm mortar suitable for socking.
On leaving the mixer, the mixture is transferred to the extruder 20, to which a new quantity of water can, if necessary, be introduced into the mixture through a tap pipe 21. The mixture of raw materials is delivered under pressure through the die 22 and, on leaving the latter, it is cut into sticks or granules by a knife
23. The die 22 of the extruder preferably has rectilinear holes which may for example be 32 mm in diameter and about 76 mm in length. The knife 22 is adjusted so that it cuts the cylindrical rod of material into rods preferably about 32 mm in length.
The wet sticks or granules leaving the knife 23 are transported, as indicated by the path 24, to the pellet dryer 25 in which the removal of the water which has been added to facilitate the socking is carried out, in order to avoid instantaneous conversion of this water to vapor during subsequent high temperature cooking and the resulting disintegration of the granules, and so that evaporation of water during cooking does not interfere with the ignition of the volatile elements of the charcoal.
The dryer is maintained at about 200 ° C. and is provided with a device of a common type, not shown, for adjusting the residence time of the granules inside this apparatus.
On leaving the pellet dryer 25, the dried and heated pellets are lifted by an elevator of a common type 26 to a separator or sieve 27, also of a common type, which removes fragments, debris and small particles liable to damage. to accompany the granules. These are conducted downwards and fed to the hermetic rotary kiln 28 in which the coal is freed of its volatile elements and coked and in which the calcium oxide is calcined in a new way which will be described in more detail. far.
Finally, the baked granules, now composed of calcium oxide and coke, are transferred to the rotary chiller 29 with cooling water spray, where they are cooled to prevent them from reacting with the water. oxygen. air during subsequent storage and handling. By regulating the flow rate of the exhaust gases from the furnace 29, using known devices, so as to ensure a slightly positive pressure, it is possible to prevent the air to enter the rotary cooler 29, since this apparatus also works under low positive pressure.
After being cooled in the rotary cooler, the
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granules are transferred to a storage device (not shown). In the event that a direct pellet feed to the electric arc carbide furnace is desired, the rotary cooler 29 would be omitted.
The gases formed (containing a little combustible gas) leaving the lower discharge end of the rotary kiln 28 through the pipe 30 are subjected to complete combustion in a chamber 30a, so that all the thermal energy of these gases is obtained. recovered. The air intended to support this combustion is admitted to the chamber 30a through a valve pipe 31. It is then possible, if desired, to "temper" or partially cool the hot combustion products by adding admitted air. by a pipe to - valve 32, after observing the temperature marked by the pyrometer 32a of the pipe 30, and these gases can then be passed through a heat exchanger 33.
This reduction in the temperature of the combustion products, the purpose of which is to allow the temperature prevailing in the heat exchanger to be regulated, also has the advantage that one can make use of an inexpensive exchanger which would be. unable to withstand the high temperature of the combustion products resulting from the combustion of furnace gases. The combustion products passing through the heat exchanger 33 give up part of their heat to the combustion air passing through the pipe 35 going to the rotary kiln, thereby preheating the air admitted to the kiln.
After preheating the air for the rotary kiln 28, in the heat exchanger 33, the combustion products passing through the pipe 30 are used to dry the granules in the dryer 25. If the proper drying of the granules 1 ? requires, the combustion products can again be tempered by air admitted through a pipe to valve 34. The valve of pipe 34 is adjusted in accordance with the temperature indicated by pyrometer 34. @: of pipe 30, in order to to ensure the proper drying temperature. Adjoining pipe 30 are controlled flow fans (not shown) suitable for ensuring that a correct flow rate of the exhaust gases is maintained.
It can be seen from Fig. 1 that the preheated combustion air from the heat exchanger 33 is sent to the inlet end of the rotary kiln 28 through the valve pipe 35, which is provided near. its intake end, with a fan of a standard type (not shown).
An auxiliary heater 36 is provided for starting and / or providing additional heat to the oven 28. The heater 36 is preferably only used to bring the oven to working temperatures before it is used. the autothermal working conditions which will be described later have been established. Details of the rotary kiln 28 will be given below with reference to Figure 2.
This inclined rotary kiln consists of a large tube 40, which may, for example, be 2.10 m. in diameter, lined internally with a layer 42 of 15 cm of refractory bricks. Two fixed caps 44 and 46 are mounted in an airtight manner at the ends of the tube 40 and protect the latter against the entry of air. The sealing devices provided for this purpose at said ends or caps have been shown schematically under form annular gaskets 48 and 50 which surround the outer surfaces of the ends of tube 40, although any of the many other well known hermetic closures can be applied.
The outlet cap or hood 46 preferably has a larger volume than the inlet cap 44 and can be cooled by a water circulation jacket, not shown. The upper part of this outlet hood is provided with a tubing of gas outlet 52 which is connected to the outlet pipe 30 and in which is disposed a thermocouple connected to the temperature indicator 55 located outside the hood. The lower part of the outlet hood has an orifice 47 through which the discharge of the cooked granules takes place.
The fixed inlet cap 44 is provided with a pipe 56 through which the introduction takes place.
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granules, this pipe passing through the upper part of the end of the cap so that the granules fall to the bottom of the rotating tube 40. -The pipe 35 supplying the preheated air, which pipe is provided with an adjustable butterfly valve 58, passes through the end of the inlet cap 44 at its center.
Below the preheated air pipe 35 is an oil or gas burner of a common type 60, forming part of the auxiliary heater 36 (figure 1), which burner passes through the inlet cap. 44.
The total length of the oven is for example 21 meters and it can be inclined, for example, 6.3 cm per meter of length. The tube 40 is rotatably mounted, by conventional means, one of which has been shown schematically at 62 in the drawing. The tube 40 receives its rotation from a variable speed motor 64 through a speed reduction box 66 and a right control pinion 68 which meshes with a ring gear 70 mounted on the gear. periphery of tube 40. The arrangement is such that speeds varying from 0.5 to 1.5 revolutions per minute can be obtained by adjusting the speed of motor 64 by known means (not shown).
The thermocouple 54, provided with the temperature indicator 55 placed inside the duct 52, can be combined with an automatic device of a common type (not shown) suitable for adjusting the quantity of preheated air which enters. in the oven 28 by a suitable connection with the butterfly 58 of the preheated air duct 35. In addition, one could similarly make use of the thermo-couple 54 to adjust the temperature of the preheated air by adjusting the quantity of cooling air which is added, via the adjustable shutter pipe 32, to the combustion products going to the air preheater.
In order to highlight the difficulties of coking and calcining, in one operation, granules made from soft charcoal and a source of calcium oxide, we will consider some of the basic chemical reactions. who can intervene.
The main reactions are as follows:
EMI6.1
carbon + heat carbon + volatile elements volatile elements + air heat + C0 + C0 + X0 carbon + oxygen ### carbon dioxide calcium hydrate + heat calcium oxide and water calcium carbonate + heat calcium oxide + carbon dioxide carbon + water carbon monoxide + hydrogen.
This highlights the fact that it is necessary, in order to obtain calcium oxide reliably, to promote the reversible dissociation of calcium carbonate into calcium oxide and carbon dioxide while preventing carbon monoxide and carbon dioxide from forming. combine to give calcium carbonate. This requires an elevated temperature which, in turn, tends to cause oxidation of carbon if oxygen or water comes into contact with carbon. Such oxidation would cause a loss of the fixed carbon or of the coke derived from the initial soft carbon.
The present invention, among other advantages, reduces to a minimum any loss of fixed carbon thanks to a new autothermal cooking process based on the application of currents in the same direction for the granules and for the gases present in the process.
In operation, while the rotary kiln 28 is suitably heated by the burner 60, it receives a stream of dried, relatively cold granules which consist of a homogeneous and intimate mixture of soft coal and a source of carbon dioxide. calcium (e.g. the mixture of such carbon with calcium carbonate and calcium hydrate) the ratio of carbon to calcium oxide being that suitable for the production of calcium carbide in the arc furnace electric.
The air
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Relatively hot preheats arriving from heat exchanger 33 are supplied in controlled amounts and at appropriate temperatures to the furnace to which it is admitted through adjustable shutter pipe 35.
During the initial phase of the cooking operation (which embraces the entire period between the entry of the granules in the oven and their exit), a portion of the volatile elements of the charcoal is initially released from the granules. under the influence of the heat of the furnace, since the temperature of the furnace atmosphere at the inlet end of this furnace is higher than the ignition point of the volatile elements, said portion then burns with the oxygen of the furnace. preheated air, by releasing heat which successively causes a new elimination of the volatile elements of the coal and a new combustion of these elements.
This makes the process autothermal, in that no additional heat needs to be supplied as soon as the furnace has been put into service, and assuming that charcoal with a sufficiently high volatile content is used. (for example at 35% of volatile elements, by weight), the burner 60 can be closed and the cooking can be carried out with only the heat resulting from the combustion of the volatile elements of said coal. The heat resulting from the combustion gradually raises the temperature of the pellets as they move down the length of the kiln, ensuring the complete removal of volatile elements from the coal.
The volatile elements which are released after the initial stage react with almost all the oxidizing agents available which still contains the gas stream passing through the furnace and produce inside the furnace a non-oxidizing atmosphere composed of the residual preheated air. (nitrogen) and the products of the reactions.
This never results in a complete oxidation of the volatile elements because the choice of coal and the adjustment of the combustion air in relation to the pellet stream are such that the quantity of volatile elements always exceeds the quantity. stoichiometric required to trap all the oxygen in the combustion air so that downstream of the combustion zone the furnace atmosphere is free of oxygen
As the granules move down the length of the kiln they gradually heat up under the influence of the heat transmitted to them by radiation, conduction and convection from the atmosphere of the kiln moving above. of them.
When the granules have reached a temperature of about 620 C, the hydrate they contain effectively dissociates to give rise to water vapor (which is carried away by the atmosphere of the furnace) and water. calcium oxide which is retained in the granule. The temperature of the granules continues to rise as they continue to descend the length of the furnace and, when they have reached about 900 ° C, the calcium carbonate which they are likely to contain effectively dissociates to. give carbon dioxide (which passes into the atmosphere of the furnace and is carried away by it) and calcium oxide which is retained in the hot mass of coking coal from which the volatile elements have been removed .
The temperature of the granules is kept high enough, as they are about to reach the lower end of the furnace, that all or substantially all portions of the mass constituting each of the granules have been raised to a temperature. above 900 C (eg about 1000 C) and that substantially all of the calcium present is in the form of the oxide, rather than the carbonate. The residence time of the granules inside the oven, that is to say the time during which they are exposed to the atmosphere of the oven, can be adjusted by adjusting the speed of rotation of the oven using the a variable speed motor 64. The temperature prevailing in the oven is regulated by adjusting the quantity of combustion air and the preheating temperature of this air.
This adjustment can be carried out by manually adjusting the taps or adjustable plugs that the pipes 35 and 32 comprise, so that a predetermined temperature (for example 1100 C for a maximum temperature of 1000 C of the pellets) is obtained at point where the thermocouple 54 is located.
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Since the air intake rate is controlled, relative to the pellet stream, such that the furnace atmosphere rapidly loses the oxygen it contains during its passage through the furnace, it will result in a loss of oxygen. Soon an oxygen-free atmosphere was established in the oven. It is seen that, with the present process, it is possible to efficiently take advantage of the volatile elements of the coal by burning them in a closed furnace as soon as they have been released from the granules, during the baking thereof, at inside the furnace without any appreciable loss of fixed carbon occurring.
It seems that the reason why the loss of fixed carbon is very low lies in the fact that, in the initial phase of cooking, the rapid evolution of large volumes of gases and vapors from the granules prevents the oxygen initially contained in the preheated air reacts with the carbon in the coal. Subsequently, even if the rate of gas evolution has been gradually reduced, there is also no appreciable reaction between the carbon in the granules and the atmosphere of the furnace, and this apparently because, at at this point in time the furnace atmosphere contains virtually no oxygen as a result of the previous reaction of all or substantially all of the oxygen it contained with the volatile elements previously evolved from the carbon.
Thus it is found that it is possible to form from a mixture of soft charcoal, calcium carbonate and calcium hydrate, a granule which can be brought to an extremely high temperature (for example 10000C ) by the present same-flow process and by the efficient use of the volatile elements which evolve from the coal, without appreciable loss of the fixed carbon contained in the coal.
Likewise, it does not appear that an appreciable loss of carbon occurs in the present process as a result of other possible reactions, such as the reaction of gas with water. Perhaps this is because, with the present same-flow process, the temperature of the granules gradually rises as they move down the length of the oven, so that any water they are likely to contain (for example due to the presence of hydrate of lime) can be expelled and carried away by the atmosphere of the furnace, which prevents its direct contact with the granules before they have been brought to the temperature to which the reaction of gas with water would take place.
The composition of the granules can be varied to suit local conditions relating to the supply, purity and cost of calcium 1-hydrate or calcium carbonate, respectively.
In localities where the hydrate by-product is not a raw material which can be obtained economically, a limestone of suitable purity, such as limestone rich in calcium, may be used. calcium from the Spergon deposit (Missouri and Illinois). In order to obtain carbonate-based granules which are durable during the handling period before cooking, it is necessary to incorporate a little calcium hydrate therein as a binder.
The Applicant has discovered that a granule which contains on the one hand a certain amount of calcium carbonate giving, after calcination, 85% by weight of the calcium oxide which the molten carbide bath requires, and which on the other hand contains 1 calcium hydrate as a binder and a source capable of constituting the remaining 15% of the calcium oxide required, particularly suitable for a manufacture of carbide carried out on an industrial scale The quantity of water necessary to ensure a Proper kneading and squeezing is somewhat less in the case of an 85% -15% carbonate hydrate granule.
than in the case of an all-hydrate granule, since wetting is made easier by the larger particle sizes and the basic carbonate quality.
When a fully hydrated granule can be prepared under economical conditions, it may be necessary, depending on the mixing equipment, to provide means to allow the coiled granulate to be further coiled.
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wet to make setting during a certain period of time preceding drying so that it withstands drying operation.
It has also been determined that a 50% -50% carbonate-hydrate granule (proportions previously described) can undergo satisfactory cooking by the application of the present invention.
The same type of charcoal is used both with the hydrate-based granule and with the limestone-based granule. The coal should be a suitable bituminous coal which is suitable for thinning when heated and has a low ash content. at
Different kinds of carbon of suitable compositions will be mentioned below by way of example, with indication of their origin:
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<tb> NAME <SEP> Carbon <SEP> Elements <SEP> Ashes
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<tb> fixed <SEP> volatile
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<tb> Coal <SEP> Majectic <SEP> of <SEP> Pond <SEP> Creek <SEP> 59.4 <SEP>% <SEP> 33.6% <SEP> 7 <SEP>% <SEP>
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<tb> "<SEP> Elkhorn <SEP> 59.9 <SEP>% <SEP> 35.6 <SEP>% <SEP> 4.5 <SEP>%
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<tb> "<SEP> Gas <SEP> No <SEP> 2 <SEP> 60.3 <SEP>% <SEP> 34.3 <SEP>% <SEP> 5.4 <SEP>% <SEP>
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<tb> "<SEP> Coal <SEP> Mountain, <SEP> near <SEP> of
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<tb> Powelltown <SEP> West <SEP> Virginia <SEP> 63.7 <SEP>% <SEP> 32.1 <SEP>% <SEP> 4,
2 <SEP>%
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It is of course possible to use a charcoal having a lower content of volatile elements and to supply the required additional heat with the aid of the burner 60 or other suitable device, since one is working. with incomplete combustion. For example, one could use Marianna coal from the Sewell seam of West Virginia (fixed carbon 72.7%, volatiles 21.9%, ash 5.2%).
Such carbon, however, must fluidize satisfactorily, i.e., it must have the property of converting into a hard aggregate with small particles, when heated.
The theoretical proportions of carbon (coke) relative to calcium oxide (calcined carbonate hydrate or calcined hydrate) which the granule must possess for the reaction of the carbide, would be 1 1.55, as can be determined by Chemical inequality CaO 3C = CaC2 CO.
However, in industrial practice, the proportion of calcium oxide is most often increased in order to ensure the formation of a molten bath of good fluidity in the carbide furnace. The molten calcium carbide bath, or the eutectic mixture which provides proper flow or casting characteristics, contains about 80% calcium carbide. In order that such fluidity of the bath can be ensured, the ratio of carbon to calcium oxide is raised to about 1: 1.75%. In this way, whatever granulate one uses (carbonate hydrate or hydrate), the calcium oxide will be proportionate to the carbon in accordance with the industry ratio indicated above.
Whether hydrate or carbonate hydrate is used, the proper weights of each should be calculated considering each one as a source of calcium oxide. Likewise, the weight of the coal could be calculated by considering it as a source of carbon (fixed carbon of the initial coal).
It should be noted that the granules continuously tumble on themselves by the effect of the rotation of the furnace, as they progress along the latter, so that all their portions are exposed uniformly and directly to the heat radiated from the upper portion of the furnace where the combustion takes place.
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During baking and subsequent cooling, the dried granules convert to hard granules having a honeycomb coke structure in the cavities of which are embedded particles of calcium oxide. It appears that, due to its bonding property, charcoal converts to a semi-liquid plastic which, upon coking, forms a hard and rigid honeycomb structure around the calcium oxide. These hard granules withstand the handling which takes place between the rotary kiln and the carbide kiln and which are inherent in industrial carbide manufacturing operations; the formation of fine or small particles due to dropping and abrasion of granules does not occur to an appreciable extent.
The transformation which takes place in the wet granule during the drying and cooking operations has been shown in FIG. 3 which shows, on the left, a still wet coiled granule and, on the right, the same granule after cooking.
In order to be able to take full advantage of the by-products of the rotary kiln, the exhaust gases of this kiln leaving the top of the outlet hood 46 of said kiln through pipe 52, go through pipe 30 to the combustion chamber 30a visible at the bottom. Figure 1. In this chamber, the exhaust gases are completely burned by an addition of air admitted through the valve pipe 31, so that all the heat contained in the exhaust gases can be collected. The combustion products thus generated then pass to an air preheater 33, where they give up part of their heat to preheat the air intended to support the partial combustion of the volatile elements of the coal in the rotary kiln 28.
After this preheating, the combustion products are transferred to the pellet dryer 25 where the remaining portion of their heat is used to dry the still wet coiled pellets which are to be fed to the rotary kiln.
The gas combustion products can also be used to dry calcium hydrate which is directly derived from the manufacture of wet acetylene or from hydrate deposits.
In order to better understand certain important details of the preparation and processing of granules and to facilitate their production, the following is a typical example of a procedure which may be applied in carrying out the invention. .
A soft charcoal such as Coal Mountain mentioned in the table given above, which indicates its composition, is pulverized so that it passes through a sieve with an 840 micron mesh size and is filled with it. hopper ll. If necessary, the charcoal is dried before pulverizing, in order to reduce its water content to less than 5%.
Calcium hydrate from the deposit of this by-product is removed in an acetylene generator and subjected to centrifugal suction to reduce the water content, which is on average 50%.
Spinning is continued until the water content has been reduced to about 40%, then the dehydration of the by-product is completed by drying it using waste heat from the carbide plant. or waste heat from other sources. Drying transforms the by-product into a "dry" powder with a free water content of less than 12%. This powder is composed of particles whose size is between 74 and 50 microns and, after the above drying, this powder is placed in the hopper 13.
Soft charcoal and hydrate by-product are then weighed in appropriate amounts using automatic scales 14,16 at the bottom of the respective hoppers 11, 13. If this is not taken into account. of the free and combined water contained in the hydrate and the ash and volatile content of the coal, the mixture of the two components is carried out with a carbon to calcium oxide ratio of about 1.15. , as is common practice to obtain
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nish a satisfactory molten bath in the carbide furnace.
The carbon and the hydra- te are then mixed and transported by means of a conveyor-mixer 17 to a kneader 18 in which an addition of water and a new kneading take place, so that one obtains a homogeneous and intimate mixture suitable for rapid reaction of the carbide. On leaving the kneader 18, the plastic mixture of carbon and hydrate is fed to an extruder 20 in which water is again introduced in sufficient quantity so that the mixture, whose consistency is that of a firm mortar can be coiled. easily. The amount of water to be added seems to be quite critical, and the total should not exceed 22 - 26% on a wet basis, that is, 22-26% by weight should be of the granule are water.
After the sausage, the mixing rods or "sausages" are cut into sticks or granules 35.25 to 75 mm in length, using a knife 23.
The granules are then dried at approximately 200 ° C. in the dryer 25, with a residence time in this dryer of approximately 40 minutes. We em-. thus fishing for the elimination of volatile elements from coal and their ignition. On leaving the dryer, the granules are taken to the rotary kiln 28 which is preheated by the burner 60, to about 11000C.
The rotary kiln is rotated at a speed which, assuming the kiln is tilted 6 cm per meter of tube length, gives for the residence time of a pellet in the kiln about 30 minutes. The temperature of the furnace is regulated while maintaining the temperature of the exhaust gases at approximately 1100 ° C. using the devices described above. Thus, if the pyrometer 55 indicates a temperature below 1100 ° C, the adjustable shutter 58 of the pipe 35 is further opened to allow a greater amount of preheated air to enter the oven per unit time.
The remaining fuels contained in the exhaust gases from the furnace which are mainly composed of nitrogen, methane, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, are burnt in the combustion chamber at air intake 30a and are then cooled to about 480 C by the introduction of a quantity of clean air to be suitably tempered or reduced in air temperature through the adjustable shutter pipe 32. After preheating to 260-430 C the air intended for the furnace, the products of combustion undergo a new cooling by the introduction of an additional air admitted by a pipe with adjustable shutter 34 and able to reduce their temperature to approximately 200 C and are then used in the pellet dryer 25.
After the granules have dried, the gas stream serves to dry the hydrate by-product as previously described or is transferred to an exhaust stack by means not shown.
After having been calcined and coked, and when they have a temperature of about 980 ° C., the granules are discharged into a cooler 29 provided on the outside with a cooling device with water projection by means of which they are used. are cooled to about 150 C, so that the air does not oxidize the carbon contained in the hot granules. The entry of air into the interior of the cooler 29 is reduced to a minimum due to the communications provided between the furnace and the cooler and the regulation of the flow rate of the exhaust gases from the furnace using means (not shown ) 'thanks to which a slightly positive pressure can be maintained in the cooler.
It is found that the granules obtained according to the present process have a particularly high mechanical strength and that they contain the proportions of reactants which are necessary for the manufacture of calcium carbide in an electric furnace. These reagents are thoroughly and homogeneously mixed to form a very high quality charge for carbide furnaces, which charge can be manufactured in a more efficient and economical manner than had been possible by
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the methods known to date.
The invention is not limited to the particular embodiment which has been shown and described and, on the contrary, may receive other forms and numerous modifications of detail falling within the scope and spirit of said invention.