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PROCEDE ET APPAREIL POUR LA GAZEIFICATION DE CHARBON PULVERISE.
La présente invention a pour objet la production d'un gaz de synthèse par combustion partielle de charbon pulvérisé en présence d'oxygène et de vapeur d'eau, de manière à former un gaz comprenant essentiellement CO + H2. On appellera ci-après ce procédé un procédé de gazéification complète du charbon pour le distinguer de la gazéification partielle destinée à extraire les matières volatiles en abandonnant du carbone résiduaire. La présente invention couvre un procédé et un appareil perfectionnés pour l'exécution d'une telle réaction produisant un gaz de synthèse.
La réaction du charbon pulvérisé en présence de vapeur d'eau et de C02 est de nature endothermique ce qui entraîne la nécessité d'un apport de chaleur net, susceptible d'élever la température des constituants entrant en réaction jusqu'à la gamme des températures de réaction. Cet accroissement de température peut être assuré par une réaction exothermique entraînant la combustion partielle du charbon avec utilisation d'une quantité d'oxygène insuffisante pour la combustion complète.
La gamme des températures la plus efficace pour cette réaction endothermique se trouve au-delà de 1100 C. La température de combustion doit se trouver sensiblement au-dessus de cette gamme pour que l'on soit sur qu'une chaleur sensible soit appliquée en quantité suffisante aux constituants du mélange réactif pour maintenir la température dans la gamme pour laquelle la vitesse de gazéification est élevée. Ceci devient évident si l'on tient compte du fait que la durée nécessaire au passage des constituants de la réaction avant terminaison de la réaction, doit être suffisamment longue pour que ces constituants atteignent ou dépassent la gamme des températures de réaction,, avec addition d'une durée de parcours supplémentaire suffisamment longue pour achever la réaction endothermique.
Ces températures relativement élevées exigées, ainsi que la nécessité de maintenir au minimum les pertes de chaleur,impliquent que l'appareil de combustion et de réaction doit être garni de matière réfractaire. La forme et les dimensions de l'appareil sont déterminées par des considérations relatives au débit désiré de charbon. à la longueur néces-
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saire au trajet des constituants de la réaction et à l'établissement des vitesses relatives à prévoir pour les dits constituants.
Pour une efficacité maxima de la réaction exothermique et un mélange parfait entre les constituants de la réaction, il est nécessaire d'assurer une turbulence élevée. Toutefois cette turbulence entraine souvent une remise en circuit des gaz, ce qui réduit l'efficacité de la transformation des constituants de la réaction en gaz de synthèse.
Etant donné que les températures les plus efficaces pour les réactions tendant à la production d'un gaz se trouvent au-dessus du point de fusion des cendres de la plupart des charbons, il se forme des scories sur les côtés et sur le fond de la chambre de combustion et de réaction.
Les scories s'écoulant le long des côtes ou parois de la chambre peuvent gêner le fonctionnement des brûleurs. Non seulement les scories tendent à entraîner la garniture réfractaire,, mais il faut encore prendre des dispositions pour se débarrasser de ces scories. Ces mesures étaient prises, jusqu'à présent, au cours d'arrêts périodiques du fonctionnement, arrêts effectués dès que l'accumulation des scories devenait exagérée.
Toutefois ces arrêts imposés par la nécessité de retirer les scories se présentaient comme gênants, en ce sens qu'il fallait refroidir la zone de combustion et de réaction, d'où il résulterait une faible durée de fonctionnement de l'appareil et par suite des frais accrus.
Les dispositifs classiques d'extraction des scories par prélèvement. au fond de la chambre de réaction, des scories à l'état encore fondu, scories que l'on fait tomber dans un puisard plein d'eau, ne peuvent être utilisés, étant donné que le caractère endothermique du procédé gêne souvent le maintien de la température, au voisinage de la sortie des scories, au-dessus de la température de fusion de ces scories. Par suite, on a proposé d'installer des dispositifs de chauffage auxiliaires au voisinage de l'orifice d'évacuation des scories pour maintenir ces scories à l'état fondu. Ces dispositifs de chauffage auxiliairesreprésentent une dépense supplémentaire à soustraire du bilan du processus de gazéification.
La présente invention couvre un procédé de production continue d'un gaz de synthèse par réaction à température élevée de l'oxygène et de la vapeur d'eau sur un combustible solide contenant du carbone; ce procédé est caractérisé par le fait que l'on fait réagir 1'oxygène, la vapeur d'eau et le combustible d'une manière nettement exothermique à une extrémité d'une zone primaire partiellement close de la chambre de réaction et au voisinage de cette extrémité de manière à élever la température des constituants de la réaction d'une façon suffisante pour assurer une réaction endothermique entre la vapeur d'eau et les produits de la réaction exothermique, la réaction produisant le gaz de synthèse d'une manière nettement endothermique se terminant lorsque les constituants de la réaction passent dans une zone secondaire partiellement fermée,
, qui reçoit ces constituants provenant de l'extrémité considérée de la zone primaire.
L'appareil destiné à l'exécution du procédé ainsi dèfini comprend, en combinaison u@e chambre ¯de réaction primaire et un mélangeur relié à des sources de combustibles, d'oxygène et de vapeur d'eau, ce mélangeur étant disposé et établi de manière à introduire dans cette chambre de réaction primaire le combustible solide sous forme pulvérulente en suspension dans un courant fluide constitué par de l'oxygène à peu près pur, en quantités inférieures à celles requises pour la composition complète du combustible, en même temps que de la vapeur d'dau,
destinée à brûler incomplètement les particules suspendues de manière à élever le niveau de température des constituants de la réaction à une valeur comprise dans la gamme optima pour la réaction endothermique de la vapeur d'eau sur les produits de cette combustion cette chambre présentant de plus une ouverture d'évacua- tion des gaz au voisinage de ce dispositif mélangeur afin que l'on puisse
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évacuer un courant des constituants de la réaction à haute température et toutes les particules de combustible non brûlées qui peuvent provenir de la chambre..
l'appareil comportant encore une chambre de réaction secon- daire communiquant avec cette ouverture d'évacuation des gaz pour recevoir de celle-ci le courant de constituants de la réaction et les particules de charbon non brûlées pour terminer la réaction de production du gaz de syn- thèseo
Conformément à la présente invention, on évite les inconvénients indiqués ci-dessus en effectuant la réaction produisant le gaz de synthèse en deux stades ou en deux zones que l'on peut séparer par une zone intermé- diaire ou de transmission formant un obstacle fonctionnant à haute vitesse arrètant toute circulation en retour des gaz provenant de la zone secondai- re vers la zone primaire.
La combustion incomplète des particules de charbon au moyen d'oxygène à peu près pur et en présence d'au moins un peu de vapeur d'eau est effectuée dans le premier stade de réaction à caractère nettement exothermique,,, c'est-à-dire dans la zone de combustion comportant une ou- verture pour l'évacuation des scories.
Dans ce stade, les conditions de turbulence assurant une efficacité maxima pour la réaction endothermique, avec mélange intime des constituants et production d'un niveau de tempé- rature au moins égal à la gamme des températures de réaction les plus ef- ficaces et au-dessus des températures de fusion des scories, sont obtenues en produisant un ou plusieurs courants de charbon pulvérisé mélangé à l' avance à de l'oxygène et à de la vapeur d'eau, ces courants aboutissant à la zone de combustion @ @@@@ @ mai@@ @@ @@@ @ de combus@ ion de manière à y maintenir une allure de combustion suffisante pour assu- rer,au voisinage de l'orifice d5évacuation des scories. un niveau de température qui se trouve au-dessus de la température de fusion des scories.
La vapeur d'eau .sert à régler les températures dans la zone de combustion.
La zone de combustion comporte de préférence une ouverture étranglée pour la sortie des gaz, cette sortie formant une zone de transition entre les zones primaire et secondaire. A mesure que le courant des produits gazeux de combustion entraînant des particules de carbone non brûlées. chauffées à une température au-dessus de la gamme des températures de réaction, s'écoule vers cet étranglement le reste de la va@pèur d'eau nécessai- re est introduit dans ce courant pour être mélangé de manière intime et complète aux constituants de la réaction qui se trouvent à, une température élevée.Cet étranglement a pour objet de faciliter le mélange parfait des constituants qui le traversent,,
en accélérant sensiblement l'écoulement des gaz de manière à former un obstacle a grande vitesse arrêtant, leretour des gaz de la zone secondaire vers la zone primaire. Le courant gazeux sortant de l' étranglement traverse la zone secondaire dans laquelle se termine la réaction endothermique destinée à former le gaz de synthèse. De préférence, l' étranglement est suivi d'une chambre d'expansion qui supprime les courants tourbillonnaires dans la zone secondaire. de manière à empêcher les gaz qui ont subi la réaction complète de revenir dans le courant sortant de cet étranglement.
Bien qu'une telle subdivision des courants de la vapeur d'eau nécessaire soit avantageuse pour faciliter le prélèvement des scories. il peut être recommandable dans certains casa d'introduire toute la vapeur d'eau nécessaires sous forme d'un mélange préalable avec l' oxygène et le charbon pulvérisé.
Ainsi,,on assure une séparation réelle entre les stades nettement exothermique et nettement endothermique.,, grâce à l'obstacle à grande vitesse constitué par la zone de transition de telle sorte que les conditions les plus avantageuses pour l'élévation du niveau des températures et l'évacuation des scories peuvent être maintenues dans la zone primaire ou de combustion, tout en maintenant les températures de réaction les plus efficaces dans la zone secondaire ou de réaction.
On allume le combustible et on le fait brûler d'une manière incomplète dans la zone de combustion, le combustible étant maintenu en suspension dans le courant fluide dirigé vers l'orifice d'évacuation
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des scories, ce qui permet de conserver une allure de combustion du combustible qui suffise à maintenir la température normale moyenne dans la zone voisine de cette ouverture d'évacuation des scories à une valeur supérieure à la température de fusion des scories.
Le maintien de cette température moyenne normale est grandement facilité par le fait que l'on peut introduire seulement une partie de la vapeur d'eau nécessaire avec l'oxygène et le combustible, ce qui réduit d'une manière correspondante l'effet de 1?évacuation de chaleur due au mélange de toute la vapeur d'eau nécessaire avec le courant de combustible.
Les cendres de combustible sont évacuées d'une manière continues sous forme de scories fondues,, dont on se débarrasse par évacuation dans un caisson à eau hermétiquement fermée par exemple., En même temps, le courant de produits de combustion gazeux et toutes les particules de combustible non brûlées sont évacuées par 1 S'étranglement servant à la sortie des gaz ou zone de transition.\} tandis que le reste de la vapeur d'eau servant à la réaction est introduit dans le courant des constituants de la réaction,auxquels il se mélange en avant de la sortie étranglée prévue pour les gaz.
Le mélange intime de la vapeur d'eau restante,, nécessaire à la réaction avec les constituants de la réaction, est facilité par le passage du mélange dans l'étranglement servant à la sortie des gaz. La réaction formant les gaz de synthèse se termine dans la zone de réaction secondaire revevant le mélange provenant de l'étranglement dans la zone primaire.
Dans un appareil avantageusement conçu pour l'exécution du procédé conforme:a 1?invention la chambre de réaction primaire est constituée par un cylindre vertical comportant une garniture intérieure réfractaire et une sortie inférieure pour le prélèvement des scories, cette sortie étant disposée axialement par rapport au cylindre. La partie supérieure du cylindre comprend un plafond ou voûte à peu près tronconique délimitant l'accès à la sortie étranglée pour les gaz. Cette voûte forme un ensemble complexe servant également de support ou de fond pour la seconde chambre de réaction également constituée par un cylindre vertical garni de matière réfractaire et montée coaxialement par rapport à la chambre de réaction primaire.
L'ouverture inférieure pour l'évacuation des scories communique avec un puisard ou analogues contenant de l'eau ou autre milieu refroidisssant, et dont le trop-plein est fermé par une contre-pression. La sortie axiale de la chambre secondaire communique avec un canal d'évacuation du gaz de synthèse contenant des éléments d'absorption dechaleur pour le refroidissement des gaz de réaction.
Les brûleurs destinés à 1-introduction du courant d'oxygène, de vapeur d'eau et de charbon.. sont disposés de préférence en des points espacés le long dune circonférence en traversant la partie conique du plafond de la chambre de réaction primaire.
Ce plafond peut former une espèce de parapluie pour les brûleurs, et empêche les scories sécoulant le long des parois de gêner le fonctionnement des brûleurs. Les brûleurs sont disposés de telle manière que les courants de combustible ne frappent pas les parois de la chambre. A cet effet, ils sont dirigés de préférence suivant une direction à peu près tangentielle, par rapport à la chambre primaires et vers le bas c'est-à-dire vers l' ouverture d'évacuation des scories. Il en résulte une flamme chaude balayant la zone voisine de cette ouverture d'évacuation des scories,,, ce qui facilite le maintien d'une zone locale de haute température au voisinage de cette ouverture ces températures se trouvant au-dessus de la température de fusion des scories.
D9autres dispositions des brûleurs peuvent être prévues pour assurer 1-'obtention de la gamme locale de températures élevées envisagée. Par exemple l'extrémité inférieure de la chambre primaire peut s'évaser, les brûleurs étant dirigés vers le bas, c'est-à-dire vers la base de la chambre couverte de scories qui dirige à nouveau les gaz vers le hauts c'est-à-dire vers la sortie des gaz.
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Le reste de la vapeur d'eau de réaction nécessaire est intro- duit de préférence par des lumières ménagées en des points répartis sur une circonférence entre les brûleurs dans une zone disposée en avant de la sortie des gaz et au niveau général des débouchés des brûleurs. Ces lumiè- res d'intruduction de vapeur d'eau font passer des jets de vapeur d'eau au travers du courant montant de produits gazeux de la combustion et suivant une inclinaison dirigée vers le haut.
La vapeur d'eau ajoutée se mélange complètement au courant de produits de combustion à mesure que le mélange traverse l'étranglement de sortie des gaz, de telle sorte que l'on obtient dans l'étranglement et dans la chambre de réaction secondaire un contact d'intensité et de durée voulues entre les constituants de la réaction, ce qui accroit l'efficacité du procédé de gazéification.
Une caractéristique de l'invention est constituée par la cons- truction même du brûleur,, qui est dessiné de manière à mélanger complète- -ment la vapeur d'eau, l'oxygène et le charbon sans que ce dernier puisse adhérer à des surfaces chaudes.
On introduit le charbon par l'intermédiaire d'une canalisation de dimensions relativement considérables, présentant un étranglement en forme de venturi près de son extrémité de sortie.
On refoule l'oxygène et la vapeur d'eau dans le tuyau d'amenée de charbon au moyen de conduits concentriques traversant la paroi de la canalisation d'amenée du charbon et se terminant, par des ajutages évasés immédiate- ment devant l'étranglement du brûleur en forme de venturi. Le conduit d'oxy- gène entoure le conduit de vapeur d'eau de telle manière que la chaleur soit appliquée à l'oxygène., et que l'oxygène relativement froid soit interposé entre le courant de charbon et le courant chaud de vapeur d'eau. Ceci em- pêche toute adhérence du charbon sur des parois chaudes. Les trois consti- tuants sont intimement mélangés dans l'étranglement du venturi et le mé- lange quitte ledit étranglement à une vitesse élevée. Une chemise de re- froidissement entoure l'extrémité de sortie de la canalisation d'amenée du charbon.
L'étranglement du venturi du brûleur rend possible l'alimentation en charbon du brûleur sous pression atmosphérique pour assurer son entrai- nement dans l'oxygène et la vapeur d'eau, et son refoulement par la sortie du brûleur, même dans le cas d'une chambre àoumise aune.pression supérieure à la pression atmosphérique,
Pour mieux comprendre les principes de l'invention, on va se référer à la description d'un mode d'exécution typique tel qu'il est repré- senté aux dessins ci-joints. Sur ces dessins:
La Fige 1 est une coupe axiale d'un appareil de.gazéification du charbon conforme à l'invention.
La Fig. 2 est une coupe diamétrale suivant la ligne 2-2 de la
Fig. 1.
La Fig. 3 est une vue en élévation à plus grande échelle, par- tiellement en coupe. d'un brûleur conforme à l'invention., alimenté en oxy- gène en vapeur d'eau et en charbon pulvérisé.
Sur la Fig. 1, la chambre de combustion primaire et la chambre de réaction secondaire ainsi qu'une partie du dispositif de refroidissement du gaz de synthèse sont disposées à l'intérieur d'une enveloppe métallique . sensiblement cylindrique 10, dont la paroi intérieure 11 en forme de trémie converge vers un col cylindrique 12l'extrémité supérieure de l'enveloppe étant fermée par une plaque annulaire plane 13.
Les scories sortant de la tubulure d'évacuation des scories tombent dans l'eau 14 contenue dans un prolongement cylindrique 15 coaxial de l'enveloppe 10 formant caisson à cendres. Un prolongement supérieur 16 de l'enveloppe est prévu pour recevoir le dispositif de refroidissement du gaz qui est montée de préférence., coaxialement par rapport à la plaque annulaire 13.
Le prolongement 16 présente une ouverture latérale 17 comportant une bride
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destinée à recevoir la bride de la tubulure d'extraction du gaz 18, cette dernière tubulure étant reliée à une canalisation 19 conduisant le gaz vers un point d'emmagasinage ou d'utilisation.
La surface interne de l'enveloppe 10 est garnie d'assises superposées annulaires de briques réfractaires 21, sur la plus grande partie de sa longueur. Cette garniture isolante réfractaire 21 est à son tour garnie dassises annulaires de briques à feu, comme représenté en 22 et en 23.
Ces assises de briques à feu 22 et 23 sont montées de préférence de telle manière que l'on puisse les déplacer facilement et les remplacer lorsque ces briques à feu ont été soumises à érosion, sans démonter pour cela le reste du dispositif. Au voisinage du fond en forme de trémie 11, les assises de briques à feu sétendent vers l'intérieur comme représenté en 24, tandis qu'une assise annulaire 26 de briques à feu entoure l'ouverture inférieure servant à l'évacuation des scories.. 25, cette assise 26 reposant à peu près entièrement sur les couches de briques à feu 27 et 28.
L'ensemble des briques à feu 26, 27 et 28 est encastré dans le fond de l' enveloppe 10 de manière à permettre l'enlèvement du caisson à cendres 15. sans que cela dérange l'assemblage des briques à feu. La partie supérieure du prolongement tubulaire inférieur 15 est garnie d'assises superposées de briques à feu 31 reposant sur la bride radiale intérieure 32, et cette partie supérieure comporte encore un niveau d'eau 30, ainsi que des ouvertures 33, 34. L'ouverture 33 agit comme dérivation pour les gaz en facilitant le maintien à l'état ouvert de la sortie prévue pour les scories, tandis que l'ouverture 34 sert à l'enlèvement périodique des scories recueillies dans le caisson à cendres 15.
L'enveloppe 10 repose sur un dispositif approprié constitué par les montants 36 et les traverses 37 venant en prise avec les éléments de construction fixés à l'enveloppe 10.
Ces éléments portent également une plaque annulaire 41 pénétrant dans l'enveloppe et servant d'ancrage portant les assises supérieures de briques isolantes 21 ainsi que les assises de briques à feu délimitant une sortie ou étranglement d'évacuation des gaz 45. Ce support indépendant des assises supérieures est prévu parce que les assises inférieures de briques à feu sont celles-qui sont le plus soumises à l'érosion provoquée par les scories et qui,, par suiteexigent un remplacement plus fréquent que les assises supérieures. En prévoyant un support indépendant pour les assises supérieures, il est possible de remplacer les assises inférieures de briques à feu sans toucher aux assises supérieures.
L'étranglement 45 forme une voûte ou partie annulaire 42 dirigée vers l'intérieur et associée aux assises de briques à feu 43 et 44, la voûte 42 étant ancrée dans la garniture isolante 21 pour,porter la plaque 41. Le mélange de charbon pulvérisés d'oxygène et de vapeur d'eau est amené à la chambre primaire 40 par des brûleurs désignés par la référence 50 et traversant la voûte 42.
Une série de brûleurs est prévue le long de la périphérie de la chambre primaire,, ces brûleurs écartés l'un de l'autre dans le sens périphérique étant orientés de manière à décharger les courants de combustible de préférence à peu près suivant une tangente à la chambre de réaction primaire en se dirigeant vers le bas, c'est-à-dire vers l' ouverture d'évacuation des scories en 25. On remarquera que les brûleurs 50 s'étendent vers le bas en traversant la voûte ou assise annulaire 42. de telle sorte que le toit ou espèce de parapluie constitué par cette voûte protège les brûleurs contre les scories s'écoulant le long des parois de la chambre et pouvant gêner le fonctionnement des brûleurs.
Un peu au-dessus des extrémités intérieures du brûleur 50, des éléments de garniture réfractaire moulés 46 et 47 sont prévus pour recevoir les lumières d'admission de vapeur d'eau 55 alimentées par un collecteur annulaire 56. Ces lumières 55 sont disposées le long de la périphérie de la chambre de réaction primaire et en des points'de cette
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périphérie correspondant à des intervalles entre les brûleurs 50. On remar- quera que les lumières d'admission de vapeur d'eau sont dirigées légèrement vers le haut. Bien qu'on ait représenté les lumières 55 au-dessous des brû- leurs 50, ceci n'a été indiqué qu'à titre d'exemple.
Dans le cas le plus général, les lumières d'admission de vapeur d'eau sont disposées dans la zone des embouchures des ajutages des brûleurs et en avant de l'étranglement 45 et non nécessairement à un niveau inférieur à celui des ajutages des brûleurs comme représenté.
Au-dessus de l'assise supérieure de briques 21 et 22, l'enveloppe 10 referme une pièce annulaire réfractaire moulée 57 disposée coaxialement par rapport au prolongement supérieur 16. Les éléments de voûte 58 et 59 définissent un prolon- gement vers le bas de l'orifice cylindrique prévu pour les gaz et ils sont mon- tés d'une manière appropriée, par exemple par l'intermédiaire de pattes soudées, à la spire inférieure d'un serpentin 60 garnissant la surface périphérique in- terne de la pièce annulaire moulée 57 et des voûtes 58 et 59. La longueur du serpentin 60, le volume de la pièce moulée 57 et la position des voûtes 58 et
59 sont réglables de manière à permettre une modification du volume de la cham- bre 65 en vue d'obtenir les résultats optima dans la réaction produisant le gaz de synthèse.
Par exemple si un volume de chambre supérieur est désiré, les spires inférieures du serpentin 60 peuvent être supprimées, les assises 22 et 58 se prolongeant vers le haut, tandis que l'on réduit la longueur de la pièce réfractaire 57 ou qu'on la supprime. De même, on peut modifier le volume de la chambre en supprimant la pièce moulée 57 et en abaissant l' anneau 13 jusque sur l'assise 58.
Le serpentin 60 et un faisceau de tubes 61 suspendu à l'inté- rieur de ce serpentin pour lui être associée reçoivent de l'eau de manière que l'on puisse satisfaire aux nécessités d'alimentation en vapeur d'eau pour la réaction donnant lieu à la production de gaz de synthèse, cette vapeur d'eau étant obtenue grâce à l'absorption de la chaleur du gaz de synthèse sortant de la chambre de réaction secondaire 65. L'extrémité supérieure du prolongement 16 est garnie au moyen d'assises de briques isolantes 62, et l'ouverture 18 est garnie d'assises de briques isolantes 63.
Une plaque à garniture réfractaire 64 ferme l'extrémité extérieure du prolongement 16 et peut être remplacée par une bague annulaire re- liée à une soupape de sûreté appropriée o
La figure 3 représente un mode d'exécution typique du brûleur 50, comportant une canalisation d'amenée de charbon 66, de forme sensiblement cylindrique sur la plus grande partie de sa longueur. Vers son extrémité extérieure, la canalisation 66 présente une section droite réduite pour former un venturi de sortie dont l'étranglement 67 est suivi d'un ajutage divergent 68. Une chemise de refroidissement 71 entoure l'étranglement 67 et l'ajutage 68 et comporte des tubulures d'admission et d'évacuation du fluide refroidisseur en 72 et en 73.
On introduit l'oxygène dans la canalisation 66 juste en avant de l'étranglement 67, par l'intermédiaire d'un ajutage 74 formé à l'extrémité extérieure d'un conduit présentant un prolongement latéral 76 traversant la paroi de la canalisation 66 et alimenté en oxygène par le conduit 77. Un deuxième ajutage 78 est disposé concentriquement à l'intérieur de l'ajutage 74, son extrémité extérieure se trouvant en retrait par rapport à l'extrémité extérieure de l'ajutage 74. L'ajutage 78 forme un prolongement du conduit 79 traversant la paroi terminale 81 de la canalisation 76.
On introduit de la vapeur d'eau par le conduit intérieur 79 et de l'oxygène par le conduit extérieur 76, de telle sorte que le charbon pulvérisé refoulé par la canalisation 76 est maintenu hors de contact par rapport au conduit de vapeur d'eau chaude, par le conduit et l'ajutage extérieure amenant l'oxygène relativement plus froid.
La vapeur d'eau et l'oxygène se mélangent en traversant l' étranglement 67 et entraînent le combustible pulvérulent, de telle sorte
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que le mélange sort par l'extrémité de lajutage 68.
Le charbon peut être fourni à la canalisation 66, sous la pression atmosphérique et en raison de Inaction de l'orifice de sortie en forme de venturi, il est projeté dans la chambre 40 à 1 encontre de la pression régnant dans cette chambre,,, même si elle est au-dessus de la pression atmosphérique
Pour l'exécution du procédé, les brûleurs 50 fournissent du combustible solide ou du charbon à l'état pulvérulente suspendu dans des courants fluides d'oxygène à peu près pur, en quantités inférieures à celles requises pour la combustion complète du combustible et d'au moins une partie de la vapeur d'eau nécessaire à la réaction de synthèse.
Comme il a été dit,,, le combustible pulvérulent est refoulé par la canalisation 66, et il est entraîné dans le courant d'oxygène sortant de l'ajutage 74 et de vapeur d'eau sortant de l'ajutage 78, l'entraînement se produisant dans l' étranglement 67. Dans un exemple typiquela vapeur d'eau est maintenue à 760 C et l'oxygène à 205 . La vapeur d'eau et l'oxygène sortant des ajutages 74 et 78 peuvent sécouler à une vitesse de 7,5 mètres par seconde.
Si la canalisation 66 présente un diamètre intérieur de 15 centimètres. l'étranglement 67 ayant un diamètre de 12,5 cm. tandis que l'ajutage 68 présente un angle d'évasement de 20 , la vitesse moyenne du courant oxygène-vapeur d'eau et charbon quittant les brûleurs 50 est de 40 m. par seconde.
Le mélange est allumé de toute manière appropriée et les particules de combustible sont brûlées pendant qu'elles sont en suspension dans des courants fluides dirigés de préférence à peu près suivant une tangente à la chambre de combustion primaire 40 en même temps que vers @@@ et ver@ le bas et vers l'ouverture d'évacuation des scories en 25 afin de maintenir dans la partie inférieure de la chambre 40 une vitesse de combustion du combustible suffisante pour maintenir une température moyenne de chambre normale, qui se trouve., au voisinage de la sortie des scories au-dessus de la température de fusion des cendres du combustible.
La partie fusible des scories demeure ainsi fluide et sort par l'ouverture d'évacuation des scories 25 pour tomber dans l'eau du caisson 15 d'où l'on peut retirer l'eau et les scories qui ont subi la fusion de toute manière appropriée,soit d'une manière continue,soit périodiquement.Bien que l'on ait représenté à titre d'exemple un dispositif de brûleur dirigé à peu prè@ tangentiellement, on peut utiliser d'autres dispositifs de brûleurs. En tous cas, il est avantageux que les courants de combustible ne viennent pas frapper les parois de la chambre garnie de matières réfractaires.
Une variante typique consisterait à évaser l'extrémité intérieure de la chambre 40 et à diriger les brûleurs directement vers le bas pour leur faire traverser la paroi évasée et les diriger vers le fond du four recouvert de scories autour de la sortie 25 servant à l'évacuation de ces dernières. Les courants venant frapper le fond seront amenés à retourner vers le haut en traversant la partie centrale de la chambre.
Le courant résultant de produits gazeux de la combustion et toutes les particules de combustible non brûlées ou partiellement brûlées s'élèvent vers la sortie étranglée 45.Si l'on a introduit une partie seulement de la vapeur d'eau nécessaire à la réaction par les brûleurs 50, le courant ascendant reçoit juste avant d'atteindre l'ouverture 45, le reste de la vapeur d'eau nécessaire à la réaction qui se mélange intimement à lui,, cette vapeur d'eau provenant des lumières 55. de telle sorte qu'un mélange parfait des constituants de la réaction à haute température et de la vapeur d'eau supplémentaire s'effectue dans l'étranglement 45.
L'étranglement 45, en plus de son rôle de mélangeur,. accroît la vitesse du courant qui le traverse,, ce qui produit un obstacle à grande vitesse au retour des gaz qui ont subi partiellement ou complètement la réaction, en les empêchant de revenir dans la chambre primaire 40 comprenant une zone de réaction nettement exothermique,
Le courant de constituants de la réaction se trouvant à une
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température comprise dans la gamme optima des températures de réaction ou au-dessus de cette gammesort de l'étranglement 45 pour pénétrer dans la chambre de réaction secondaire 65 formant une zone de réaction fortement endothermique,,, dans laquelle se termine la réaction produisant le gaz de synthèseo Ce gaz de synthèse est constitué d'une manière prédominante par
GO + H2,
mais il peut contenir environ 15% de CO2, environ 2% de CET et une petite quantité d'azote,, ces proportions et les analyses variant quel- que peu avec l'analyse du charbon et le caractère plus ou moins complet de la gazéification du charbon.
L'étranglement 45 peut être suivi par une zone de détente comme représenté, aboutissant dans la chambre secondaire 65.
Une telle zone de détente permet d'empêcher le tourbillonnement du gaz ayant subi complètement la réaction et son entrée dans le courant à haute vitesse sortant de l'étranglement 45. En quittant la chambre de réaction secondaire 65, le gaz de synthèse est refroidi rapidement et est stabilisé grâce à son passage sur le serpentin 60 disposé le long de la paroi et sur le faisceau de tubes suspendus 61 de telle manière que le gaz traversant la sortie 18 pour pénétrer dans le conduit 19 se trouve à une température d'environ 205 .
La température dans la chambre de combustion primaire 40, plus particulièrement au voisinage de l'ouverture d'évacuation des scories 25 est maintenue au-dessus de la température de fusion des scories, de telle sorte que ces dernières demeurent continuellement à l'état fondu et peuvent être retirées en pratique. mais la température dans l'ensemble de la chambre doit être maintenue au-dessous d'un niveau susceptible d' endommager sérieusement la garniture réfractaire. Une autre nécessité consiste en ce que la température du courant de constituants de la réaction sortant de la chambre primaire doit être suffisamment au-dessus de la gamme des températures optima pour que les constituants de la réaction demeurent dans cette gamme optima facilement la réaction pendant une durée suffisamment longue pour assurer la terminaison de la réaction.
Le réglage des conditions de température de la zone primaire est facilité par la subdivision du processus en deux étages. ce qui permet de fournir une fraction quelconque de la vapeur d'eau nécessaire avec l'oxygène et le combustible en ajoutant la vapeur d'eau supplémentaire nécessaire par les lumières 55 en avant de l'orifice de sortie étranglé 45. Cette température étant ainsi réglée à un niveau au-dessus de la température de fusion des scories, assure de plus l'état de fusion des scories jusqu'à l'évacuation de ces dernières par l'ouverture 25ce qui supprime la nécessité de brûleurs supplémentaires ou d'autres dispositifs de chauffage supplémentaires au voisinage de l'évacuation des scories,. et assure la continuité du procédé de production de gaz sans interruption pour l'évacuation des scories.
Le procédé conforme à l'invention ne permet pas seulement une telle continuité de fonctionnement, et d'évacuation des scories à l'état fondu,, mais i@ assure également une utilisation plus complète du carbone que les procédés actuel? de gazéification d'une suspension de charbon. L' élimination des scorie, peut @tre également réglée par remise en circuit d' une fraction des gaz sortants vers le courant de gaz pénétrant dans la chambre 65. De plus, les surfaces de refroidissement du serpentin 60 et des tubes 61 servent de surfaces collectrices pour les cendres contenues dans les gaz sortant de la chambre 65 et en particulier pour les cendres et les scories dans le stade de transition entre l'état fluide et l'état sec cendreux.
Les scories s'accumulant sur les surfaces de refroidissement peuvent être évacuées par tous procédés ou par tous moyens généralement utilisés dans la technique de la production de vapeur d'eau.
Bien que l'appareil représenté soit destiné à fonctionner sous la pression atmosphérique. il peut également fonctionner sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique.
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METHOD AND APPARATUS FOR THE GASIFICATION OF PULVERIZED COAL.
The present invention relates to the production of a synthesis gas by partial combustion of pulverized coal in the presence of oxygen and water vapor, so as to form a gas essentially comprising CO + H2. This process will be called hereinafter a process for the complete gasification of coal in order to distinguish it from partial gasification intended to extract the volatiles while leaving residual carbon. The present invention covers an improved method and apparatus for carrying out such a synthesis gas producing reaction.
The reaction of pulverized carbon in the presence of water vapor and CO 2 is endothermic in nature resulting in the need for a net heat input, which can raise the temperature of the reacting constituents to the temperature range. reaction. This temperature increase can be ensured by an exothermic reaction resulting in the partial combustion of the coal with the use of an insufficient quantity of oxygen for the complete combustion.
The most effective temperature range for this endothermic reaction is above 1100 C. The combustion temperature must be substantially above this range so that one can be sure that a sensible heat is applied in quantity. sufficient to the constituents of the reactive mixture to maintain the temperature in the range for which the gasification rate is high. This becomes evident if one takes into account the fact that the time required for the passage of the reaction constituents before the reaction is terminated must be long enough for these constituents to reach or exceed the range of reaction temperatures, with the addition of an additional run time long enough to complete the endothermic reaction.
These relatively high temperatures required, together with the need to keep heat loss to a minimum, imply that the combustion and reaction apparatus must be lined with refractory material. The shape and dimensions of the apparatus are determined by considerations of the desired flow rate of coal. to the required length
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sary to the path of the constituents of the reaction and to the establishment of the relative rates to be expected for said constituents.
For maximum efficiency of the exothermic reaction and a perfect mixing between the constituents of the reaction, it is necessary to ensure a high turbulence. However, this turbulence often causes the gases to be recirculated, which reduces the efficiency of the transformation of the constituents of the reaction into synthesis gas.
Since the most efficient temperatures for gas-producing reactions are above the ash melting point of most coals, slag forms on the sides and bottom of the gasket. combustion and reaction chamber.
Slag flowing along the sides or walls of the chamber can interfere with the operation of the burners. Not only does the slag tend to entrain the refractory lining, but provision must also be made to get rid of this slag. These measures were taken, until now, during periodic shutdowns of operation, shutdowns made as soon as the accumulation of slag became exaggerated.
However, these stops imposed by the need to remove the slag appeared to be annoying, in the sense that it was necessary to cool the combustion and reaction zone, which would result in a short operating time of the device and as a result of the increased costs.
Conventional devices for extracting slag by sampling. at the bottom of the reaction chamber, slag in a still molten state, slag that is dropped into a sump full of water, cannot be used, since the endothermic nature of the process often hinders the maintenance of the temperature, in the vicinity of the slag outlet, above the melting point of this slag. As a result, it has been proposed to install auxiliary heating devices in the vicinity of the slag discharge port to maintain this slag in a molten state. These auxiliary heaters represent an additional expense to be subtracted from the balance sheet of the gasification process.
The present invention covers a process for continuously producing synthesis gas by reacting oxygen and water vapor at elevated temperature on a solid fuel containing carbon; this process is characterized by the fact that the oxygen, the water vapor and the fuel are reacted in a markedly exothermic manner at one end of a partially closed primary zone of the reaction chamber and in the vicinity of this end so as to raise the temperature of the reaction constituents sufficiently to ensure an endothermic reaction between the water vapor and the products of the exothermic reaction, the reaction producing the synthesis gas in a markedly endothermic manner ending when the constituents of the reaction pass through a partially closed secondary zone,
, which receives these constituents from the considered end of the primary zone.
The apparatus intended for carrying out the process thus defined comprises, in combination, a primary reaction chamber and a mixer connected to sources of fuel, oxygen and steam, this mixer being arranged and established so as to introduce into this primary reaction chamber the solid fuel in pulverulent form suspended in a fluid stream consisting of almost pure oxygen, in quantities less than those required for the complete composition of the fuel, at the same time as water vapor,
intended to incompletely burn the suspended particles so as to raise the temperature level of the constituents of the reaction to a value included in the optimum range for the endothermic reaction of water vapor on the products of this combustion, this chamber also having a gas discharge opening in the vicinity of this mixing device so that one can
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vent a stream of high temperature reaction constituents and any unburned fuel particles that may have originated from the chamber.
the apparatus further comprising a secondary reaction chamber communicating with this gas discharge opening to receive therefrom the stream of reaction constituents and unburned carbon particles to terminate the reaction for producing the gas from the reaction. syn- thesis
In accordance with the present invention, the drawbacks indicated above are avoided by carrying out the reaction producing the synthesis gas in two stages or in two zones which can be separated by an intermediate or transmission zone forming an obstacle operating at high speed stopping any return circulation of gases from the secondary zone to the primary zone.
Incomplete combustion of the coal particles by means of almost pure oxygen and in the presence of at least a little water vapor is carried out in the first reaction stage of a markedly exothermic nature ,,, that is to say - say in the combustion zone comprising an opening for the evacuation of slag.
At this stage, the turbulent conditions ensuring maximum efficiency for the endothermic reaction, with intimate mixing of the constituents and production of a temperature level at least equal to the range of the most effective reaction temperatures and at above the melting temperatures of the slag are obtained by producing one or more streams of pulverized carbon mixed in advance with oxygen and water vapor, these streams terminating in the combustion zone. @ @ mai @@ @@ @@@ @ combustion so as to maintain there a sufficient combustion rate to ensure, in the vicinity of the slag evacuation orifice. a temperature level which is above the melting point of the slag.
The water vapor is used to regulate the temperatures in the combustion zone.
The combustion zone preferably comprises a constricted opening for the outlet of the gases, this outlet forming a transition zone between the primary and secondary zones. As the flow of gaseous products of combustion entraining unburned carbon particles. heated to a temperature above the range of reaction temperatures, flows to this constriction the remainder of the water vapor required is introduced into this stream to be thoroughly and thoroughly mixed with the constituents of the reaction. reaction which are at, an elevated temperature. The purpose of this restriction is to facilitate the perfect mixing of the constituents which pass through it.
by substantially accelerating the flow of gases so as to form a high speed obstacle stopping the return of gases from the secondary zone to the primary zone. The gas stream leaving the constriction passes through the secondary zone in which the endothermic reaction intended to form the synthesis gas ends. Preferably, the constriction is followed by an expansion chamber which suppresses eddies in the secondary zone. so as to prevent the gases which have undergone the complete reaction from returning to the current exiting this constriction.
Although such a subdivision of the necessary water vapor streams is advantageous to facilitate slag removal. it may be advisable in some cases to introduce all the necessary water vapor in the form of a preliminary mixture with oxygen and pulverized carbon.
Thus, a real separation between the clearly exothermic and clearly endothermic stages is ensured. ,, thanks to the high-speed obstacle formed by the transition zone so that the most advantageous conditions for the rise in the level of temperatures and slag removal can be maintained in the primary or combustion zone, while maintaining the most efficient reaction temperatures in the secondary or reaction zone.
The fuel is ignited and burned incompletely in the combustion zone, the fuel being kept in suspension in the fluid stream directed to the discharge port.
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slag, which makes it possible to maintain a combustion rate of the fuel which is sufficient to maintain the average normal temperature in the zone close to this slag discharge opening at a value greater than the slag melting temperature.
Maintaining this normal average temperature is greatly facilitated by the fact that only part of the necessary water vapor can be introduced with the oxygen and fuel, which correspondingly reduces the effect of 1 heat removal due to the mixing of all the necessary water vapor with the fuel stream.
The fuel ash is continuously discharged in the form of molten slag, which is disposed of by discharge into a hermetically sealed water chamber, for example., At the same time, the stream of gaseous combustion products and all the particles of unburned fuel are discharged through the throttle used for the exit of gases or transition zone. \} while the rest of the water vapor used for the reaction is introduced into the stream of the constituents of the reaction, to which it mixes in front of the throttled outlet provided for the gases.
The intimate mixing of the remaining water vapor, necessary for the reaction with the constituents of the reaction, is facilitated by the passage of the mixture through the throttle serving for the outlet of the gases. The reaction forming the synthesis gases ends in the secondary reaction zone raising the mixture coming from the throttle in the primary zone.
In an apparatus advantageously designed for carrying out the method in accordance with: the invention the primary reaction chamber is constituted by a vertical cylinder comprising a refractory inner lining and a lower outlet for removing the slag, this outlet being disposed axially relative to to the cylinder. The upper part of the cylinder comprises a roughly frustoconical ceiling or vault delimiting the access to the throttled outlet for the gases. This vault forms a complex assembly also serving as a support or a bottom for the second reaction chamber also constituted by a vertical cylinder lined with refractory material and mounted coaxially with respect to the primary reaction chamber.
The lower opening for the discharge of slag communicates with a sump or the like containing water or other cooling medium, and the overflow of which is closed by a back pressure. The axial outlet of the secondary chamber communicates with a synthesis gas discharge channel containing heat absorption elements for cooling the reaction gases.
The burners for introducing the stream of oxygen, steam and carbon are preferably arranged at points spaced apart along a circumference passing through the conical portion of the ceiling of the primary reaction chamber.
This cap can form a sort of umbrella for the burners, and prevents the slag flowing down the walls from interfering with the operation of the burners. The burners are arranged so that the fuel streams do not hit the walls of the chamber. For this purpose, they are preferably directed in an approximately tangential direction, with respect to the primary chamber and downwards, that is to say towards the slag discharge opening. This results in a hot flame sweeping the area adjacent to this slag discharge opening ,,, which makes it easier to maintain a local high temperature area in the vicinity of this opening, these temperatures being above the temperature of melting slag.
Other arrangements of the burners can be provided to ensure that the local high temperature range envisaged is obtained. For example, the lower end of the primary chamber can flare, the burners being directed downwards, that is to say towards the base of the chamber covered with slag which again directs the gases upwards c ' that is to say towards the gas outlet.
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The remainder of the necessary reaction water vapor is preferably introduced through openings made at points distributed over a circumference between the burners in a zone arranged in front of the gas outlet and at the general level of the burner outlets. . These water vapor intruduction lights pass jets of water vapor through the rising stream of gaseous products of combustion and at an upward slope.
The added water vapor mixes completely with the combustion product stream as the mixture passes through the gas outlet throttle, so that contact is obtained in the throttle and in the secondary reaction chamber. intensity and duration desired between the constituents of the reaction, which increases the efficiency of the gasification process.
A feature of the invention is the very construction of the burner, which is designed so as to completely mix the steam, oxygen and carbon without the latter being able to adhere to surfaces. hot.
The coal is introduced through a relatively large pipe, having a venturi-shaped constriction near its outlet end.
Oxygen and water vapor are discharged into the coal feed pipe by means of concentric conduits passing through the wall of the coal supply pipe and terminating with flared nozzles immediately in front of the constriction. burner in the form of a venturi. The oxygen conduit surrounds the water vapor conduit in such a manner that heat is applied to the oxygen., And relatively cold oxygen is interposed between the stream of coal and the hot stream of steam. 'water. This prevents any adhesion of the charcoal on hot walls. The three components are intimately mixed in the venturi throat and the mixture leaves said throat at a high speed. A cooling jacket surrounds the outlet end of the coal supply line.
The throttling of the burner venturi makes it possible to supply the burner with coal at atmospheric pressure to ensure its entrainment in oxygen and water vapor, and its discharge through the burner outlet, even in the case of 'a chamber at a pressure greater than atmospheric pressure,
To better understand the principles of the invention, reference will be made to the description of a typical embodiment as shown in the accompanying drawings. On these drawings:
Fig. 1 is an axial section of a carbon de.gasification device according to the invention.
Fig. 2 is a diametrical section taken along line 2-2 of the
Fig. 1.
Fig. 3 is an elevational view on a larger scale, partly in section. of a burner in accordance with the invention, supplied with oxygen, water vapor and pulverized carbon.
In Fig. 1, the primary combustion chamber and the secondary reaction chamber as well as a part of the synthesis gas cooling device are arranged inside a metal casing. substantially cylindrical 10, the interior wall 11 of which in the form of a hopper converges towards a cylindrical neck 12, the upper end of the casing being closed by a flat annular plate 13.
The slag exiting the slag discharge pipe falls into the water 14 contained in a cylindrical extension 15 coaxial with the casing 10 forming an ash box. An upper extension 16 of the casing is provided to receive the gas cooling device which is preferably mounted coaxially with respect to the annular plate 13.
The extension 16 has a lateral opening 17 comprising a flange
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intended to receive the flange of the gas extraction pipe 18, the latter pipe being connected to a pipe 19 leading the gas to a point of storage or use.
The internal surface of the casing 10 is lined with annular superimposed layers of refractory bricks 21, over the greater part of its length. This refractory insulating lining 21 is in turn lined with annular layers of fire bricks, as shown at 22 and 23.
These fire brick courses 22 and 23 are preferably mounted in such a way that they can be easily moved and replaced when these fire bricks have been subjected to erosion, without dismantling the rest of the device for this. In the vicinity of the bottom in the form of a hopper 11, the layers of fire bricks extend inwardly as shown at 24, while an annular seat 26 of fire bricks surrounds the lower opening serving for the evacuation of the slag. 25, this seat 26 resting almost entirely on the layers of fire bricks 27 and 28.
All of the fire bricks 26, 27 and 28 are embedded in the bottom of the casing 10 so as to allow removal of the ash box 15. without disturbing the assembly of the fire bricks. The upper part of the lower tubular extension 15 is lined with superimposed layers of fire bricks 31 resting on the internal radial flange 32, and this upper part still has a water level 30, as well as openings 33, 34. The opening 33 acts as a bypass for gases making it easier to keep the outlet intended for slag in an open state, while opening 34 serves for the periodic removal of slag collected in ash box 15.
The envelope 10 rests on a suitable device consisting of the uprights 36 and the cross members 37 engaging with the construction elements fixed to the envelope 10.
These elements also carry an annular plate 41 penetrating into the casing and serving as an anchor carrying the upper layers of insulating bricks 21 as well as the layers of fire bricks delimiting an outlet or throttle for evacuating the gases 45. This support independent of the The upper courses are planned because the lower courses of fire bricks are the ones that are most subject to erosion caused by the slag and therefore require more frequent replacement than the upper courses. By providing an independent support for the upper courses, it is possible to replace the lower courses of fire bricks without touching the upper courses.
The constriction 45 forms a vault or annular part 42 directed inward and associated with the courses of fire bricks 43 and 44, the vault 42 being anchored in the insulating lining 21 to carry the plate 41. The mixture of pulverized coal oxygen and water vapor is brought to the primary chamber 40 by burners designated by the reference 50 and passing through the vault 42.
A series of burners are provided along the periphery of the primary chamber, these burners spaced apart in the peripheral direction being oriented so as to discharge the fuel streams preferably approximately along a tangent to the primary reaction chamber by moving downwards, that is to say towards the slag discharge opening at 25. It will be noted that the burners 50 extend downwards through the vault or annular seat 42. such that the roof or kind of umbrella formed by this vault protects the burners against the slag flowing along the walls of the chamber and which may interfere with the operation of the burners.
Slightly above the inner ends of the burner 50, molded refractory lining members 46 and 47 are provided to receive the water vapor inlet ports 55 supplied by an annular manifold 56. These ports 55 are disposed along of the periphery of the primary reaction chamber and at points of this
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periphery corresponding to gaps between the burners 50. Note that the water vapor inlet ports are directed slightly upward. Although the lights 55 are shown below the burners 50, this has only been shown by way of example.
In the most general case, the water vapor inlet ports are arranged in the area of the mouths of the burner nozzles and in front of the throttle 45 and not necessarily at a level lower than that of the burner nozzles as represented.
Above the upper course of bricks 21 and 22, the casing 10 closes a molded refractory annular piece 57 arranged coaxially with the upper extension 16. The arch elements 58 and 59 define a downward extension of the cylindrical orifice provided for the gases and they are fitted in a suitable manner, for example by means of welded lugs, to the lower turn of a coil 60 lining the inner peripheral surface of the annular part 57 and the arches 58 and 59. The length of the coil 60, the volume of the molded part 57 and the position of the arches 58 and
59 are adjustable to allow modification of the volume of chamber 65 to obtain optimum results in the reaction producing synthesis gas.
For example if a larger chamber volume is desired, the lower turns of the coil 60 can be omitted, the seats 22 and 58 extending upwards, while the length of the refractory 57 is reduced or that it is removes. Likewise, the volume of the chamber can be modified by removing the molded part 57 and lowering the ring 13 to the seat 58.
The coil 60 and a bundle of tubes 61 suspended inside this coil to be associated with it receive water so that the water vapor supply requirements for the reaction can be satisfied. takes place in the production of synthesis gas, this water vapor being obtained by absorbing the heat of the synthesis gas leaving the secondary reaction chamber 65. The upper end of the extension 16 is lined by means of layers of insulating bricks 62, and the opening 18 is lined with layers of insulating bricks 63.
A refractory lining plate 64 closes the outer end of the extension 16 and may be replaced by an annular ring connected to a suitable safety valve o
FIG. 3 represents a typical embodiment of the burner 50, comprising a coal feed pipe 66, of substantially cylindrical shape over the greater part of its length. Towards its outer end, the pipe 66 has a reduced cross section to form an outlet venturi, the constriction 67 of which is followed by a divergent nozzle 68. A cooling jacket 71 surrounds the constriction 67 and the nozzle 68 and comprises the coolant fluid inlet and outlet pipes at 72 and 73.
The oxygen is introduced into the pipe 66 just in front of the constriction 67, via a nozzle 74 formed at the outer end of a pipe having a lateral extension 76 passing through the wall of the pipe 66 and supplied with oxygen through the conduit 77. A second nozzle 78 is disposed concentrically inside the nozzle 74, its outer end being set back relative to the outer end of the nozzle 74. The nozzle 78 forms an extension of the duct 79 passing through the end wall 81 of the duct 76.
Steam is introduced through the inner pipe 79 and oxygen through the outer pipe 76, so that the pulverized coal delivered through the pipe 76 is kept out of contact with the steam pipe. hot, through the duct and the outer nozzle supplying the relatively cooler oxygen.
Water vapor and oxygen mix while passing through constriction 67 and entrain the powdery fuel, so
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that the mixture comes out through the end of the nozzle 68.
The coal can be supplied to line 66, under atmospheric pressure and due to the inaction of the venturi-shaped outlet orifice, it is projected into chamber 40 against the pressure prevailing in this chamber ,,, even if it is above atmospheric pressure
For carrying out the process, the burners 50 provide solid fuel or coal in a pulverulent state suspended in fluid streams of approximately pure oxygen, in amounts less than those required for complete combustion of the fuel and at least part of the water vapor necessary for the synthesis reaction.
As has been said ,,, the pulverulent fuel is discharged through the pipe 66, and it is entrained in the stream of oxygen leaving the nozzle 74 and of water vapor leaving the nozzle 78, the entrainment occurring in constriction 67. In a typical example water vapor is maintained at 760 C and oxygen at 205. Water vapor and oxygen exiting from nozzles 74 and 78 can flow out at a rate of 7.5 meters per second.
If the pipe 66 has an internal diameter of 15 centimeters. the constriction 67 having a diameter of 12.5 cm. while the nozzle 68 has a flare angle of 20, the average speed of the oxygen-steam and carbon stream leaving the burners 50 is 40 m. per second.
The mixture is ignited in any suitable manner and the fuel particles are burned while suspended in fluid streams preferably directed at about a tangent to the primary combustion chamber 40 at the same time as to @@@ and downward and toward the slag discharge opening at 25 in order to maintain in the lower portion of chamber 40 a fuel combustion rate sufficient to maintain a normal average chamber temperature, which is at. vicinity of the slag outlet above the melting temperature of the fuel ash.
The meltable part of the slag thus remains fluid and exits through the slag discharge opening 25 to fall into the water of the box 15 from where the water and the slag which has undergone the fusion of any can be removed. suitably either continuously or periodically. Although a nearly tangentially directed burner device has been shown by way of example, other burner devices can be used. In any case, it is advantageous that the fuel streams do not strike the walls of the chamber lined with refractory materials.
A typical variation would be to flare the inner end of the chamber 40 and direct the burners straight down to pass them through the flared wall and direct them to the bottom of the slag-covered furnace around the outlet 25 for the slag. evacuation of the latter. The currents hitting the bottom will be caused to return upwards through the central part of the chamber.
The resulting stream of gaseous products of combustion and all unburned or partially burned fuel particles rise to the constricted outlet 45.If only part of the water vapor necessary for the reaction has been introduced by the burners 50, the updraft receives just before reaching the opening 45, the rest of the water vapor necessary for the reaction which mixes intimately with it, this water vapor coming from the ports 55. in such a way that a perfect mixture of the constituents of the high temperature reaction and additional water vapor takes place in the throttle 45.
The throttle 45, in addition to its role as a mixer ,. increases the speed of the current which passes through it, which produces a high speed obstacle to the return of the gases which have undergone partially or completely the reaction, by preventing them from returning to the primary chamber 40 comprising a clearly exothermic reaction zone,
The stream of reaction constituents at a
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temperature within the optimum range of reaction temperatures or above this range exits from the throttle 45 to enter the secondary reaction chamber 65 forming a strongly endothermic reaction zone ,,, in which the reaction producing the gas ends of synthesis o This synthesis gas consists predominantly of
GO + H2,
but it can contain about 15% of CO2, about 2% of CET and a small quantity of nitrogen, these proportions and the analyzes varying somewhat with the analysis of the coal and the more or less complete character of the gasification. coal.
The constriction 45 can be followed by a relaxation zone as shown, ending in the secondary chamber 65.
Such an expansion zone makes it possible to prevent the whirling of the gas which has undergone the reaction completely and its entry into the high speed stream exiting the throttle 45. On leaving the secondary reaction chamber 65, the synthesis gas is cooled rapidly. and is stabilized thanks to its passage on the coil 60 disposed along the wall and on the suspended tube bundle 61 such that the gas passing through the outlet 18 to enter the duct 19 is at a temperature of about 205 .
The temperature in the primary combustion chamber 40, more particularly in the vicinity of the slag discharge opening 25, is maintained above the melting temperature of the slag, so that the latter continuously remains in the molten state. and can be removed in practice. but the temperature in the whole chamber must be kept below a level which will seriously damage the refractory lining. Another requirement is that the temperature of the reaction component stream exiting the primary chamber should be sufficiently above the optimum temperature range that the reaction components will remain within this optimum reaction range for a long time. sufficiently long time to ensure termination of the reaction.
The adjustment of the temperature conditions of the primary zone is facilitated by the subdivision of the process into two stages. which makes it possible to supply any fraction of the water vapor required with the oxygen and the fuel by adding the additional water vapor required by the ports 55 in front of the constricted outlet orifice 45. This temperature thus being set at a level above the melting temperature of the slag, further ensures the state of melting of the slag until the latter is discharged from the opening 25 which eliminates the need for additional burners or other additional heating devices in the vicinity of the slag discharge ,. and ensures the continuity of the gas production process without interruption for the removal of slag.
The process according to the invention not only allows such continuity of operation, and removal of slag in the molten state, but also ensures a more complete use of carbon than the current processes? gasification of a coal slurry. The slag removal can also be controlled by reconnecting a fraction of the exiting gases to the gas stream entering chamber 65. In addition, the cooling surfaces of coil 60 and tubes 61 serve as surfaces. collectors for the ash contained in the gases leaving the chamber 65 and in particular for the ash and the slag in the stage of transition between the fluid state and the ashy dry state.
The slag accumulating on the cooling surfaces can be removed by any process or by any means generally used in the art of producing steam.
Although the apparatus shown is intended to operate under atmospheric pressure. it can also operate under pressure slightly higher than atmospheric pressure.