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PROCEDE ET APPAREIL POUR LE TRAITEMENT THERMIQUE DE MATIERES SOLIDES CO MBUS TIBLE S .
La présente invention concerne un procédé et un appareil pour . le séchage de matières solides combustibles humides ou mouillées, en les séchant dans des conditions telles que les matières à sécher soient maintenues dans un état semblable à celui d'un liquide. L'invention concerne plus spécialement un procédé et un appareil pour le séchage de charbon, dans lequel les fines de charbon sont brûlées sous pression pour fournir la chaleur nécessaire au séchage du charbon.
Dans les opérations modernes de traitement de charbon ou de minerai, il est d'usage que la matière brute extraite des veines ou filons soit soumise à une opération d'amélioration de la qualité, par laquelle les constituants de valeur extraits de la mine sont séparés de la roche, du schiste et autre gangue. Ces procédés d'amélioration de la qualité sont habituellement réalisés en milieu liquide,, dans lequel les matières lourdes descendent et les matières plus légères flottent, de façon à opérer la séparation. Du charbon est également soumis à divers types de lavages en vue de le nettoyer d'enlever les scories, etc... et sa qualité est également améliorée par des procédés de flottation.
Toutes ces opérations mouillent fortement le charbon, dont l'humidité provoque la prise en bloc de charges de charbon par temps de gelée, augmente les frais de transport par eau, et diminue sa valeur calorifique par tonne.
Dans ces conditions, le principal objet de l'invention est de prévoir un procédé de séchage de ces charbons ou minerais ou autres matières solides combustibles pendant qu'elles se trouvent dans un état de fluidification. des matières solides, de façon à vaincre les susdites difficultés. Un autre objet de l'invention est d'effectuer la séparation des particules fines et des particules plus grosses du charbon ou minerai, de façon que ces particules plus fines ne se trouveront pas dans le produit fini, en évitant ainsi la formation de poussières lors des manipulations de la matière.
Encore un autre objet de l'invention est de prévoir un procédé d'utilisation de la chaleur latente qui se trouve dans ces fines particules de charbon ou minerai, de façon que cette chaleur puisse être utilisée pour sécher la matière désirée, en éliminant aussi le problème de l'utilisation de ces fines particules.
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Pour atteindre ce but, il est nécessaire de découvrir un moyen pour brûler les fines de charbon dans un récipient sous pression, qui doit fonctionner avec une contre-pression de plus de deux ou trois pouces d'eau (1 pouce = 2,54 cm environ) .
On peut dire qu'un objet général de l'invention consiste à utiliser du charbon ou du minerai, d'une façon ou d'une autre, pour sécher la matière humide, principalement parce que la matière elle-même, si elle est utilisée comme combustible, constitue normalement la source de chaleur la plus aisément disponible directement à la mine.
La présente invention permet d'atteindre ces buts,ainsi que d'autres qui seront signalés dans la description qui va suivre, en réalisant le processus de séchage dans un réacteur ou vase de réaction, dans lequel le charbon ou le minerai à sécher est maintenu dans un état fluidifié. Lorsque du charbon est maintenu dans cet état, des gaz nécessaires pour maintenir cet état sont forcés vers le haut à travers le lit fluidifié et, en réglant la vitesse de ces gaz de fluidification, on peut contrôler la grandeur et la quantité des particules qui sont entraînés par le courant gazeux. De cette fa- çon, on peut effectuer une classification dans le réacteur. Les particules les plus grandes sont retenues dans le lit et sont soumises au séchage.
Les particules plus fines de charbon qui ont été séchées sont entraînées par le courant gazeux et sont enlevées de la masse principale de charbon. Selon la présente invention, ces particules plus fines sont séparées du courant gazeux par un dispositif usuel quelconque pour la séparation de matières solide s, par- exemple un cyclone ou une chambre de sédimentation. A titre de variante, un lit inerte peut être fluidifié dans la zone de séchage et la quantité totale de charbon à sécher peut être enlevée par le courant de gaz. La classification pour séparer la masse principale de charbon et une fraction de fines est alors accomplie dans plusieurs cyclones montés en série.
Les matières solides fines sont recueillies et la quantité nécessaire en est fournie à une installation génératrice de chaleur.
Cette dernière installation est constituée par un autre four dans lequel se trouve également un lit de matières solides maintenues dans un état fluidifié. Ce lit doit être un lit "inerte", c'est-à-dire qu'il faut qu'il soit composé de matière solide qui ne réagit pas avec les gaz de fluidification et qu'il reste pratiquement constant, ce lit étant composé de par- ticules de grandeur suffisante pour ne pas être entraînées par le courant gazeux ascensionnel, mais dont les dimensions sont comprises dans les limites rendant la fluidification possible. Ces particules seront en général plus grande s que les fines particules de matière récupérées du four de séchage.
Le lit inerte est maintenu dans un état de fluidification et, pendant qu'il se trouve dans cet état, les fines particules de matière solide précédemmentrécupérées sont amenées à ce lit. De l'air ou un autre gaz contenant de l'oxygène est utilisé pour fluidifier le lit. La matière fine qui est amenée au lit brûle lorsqu'elle entre en contact avec l'air de fluidification et sert à préchauffer l'air à haute température, ainsi qu'à chauffer la matière inerte à une température correspondante. Les particules inertes chauffées servent de réservoir de chaleur de grande capacité, dans lequel s'accomplit un échange thermique presque parfait. De cette façon, les fines particules brûlent presqu'instantanément lorsqu'elles atteignent le lit.
La matière inerte sert également à retenir les particules pendant un temps plus long que ce ne serait: normalement le cas si elles étaient amenées seules dans le courant de gaz.
Une particularité importante de réalisation du procédé de combustion tel que décrit dans la présente invention consiste en ce qu'il s'agit d'un procédé qui opérera sous une contre-pression de 0 à 10 livres par pouce carré (1 livre par pouce carré = 0,0703 kilo par cm2) ou davantage, de sorte que les gaz chauds sous pression sont directement disponibles pour être alimentés à un groupe quelconque exigeant des gaz dans cet état. A ce point de vue, le procédé se distingue partiellement du brûleur usuel par ce que, dans celuici, un équipement de compression supplémentaire est nécessaire si un gaz sous pression doit être fourni.
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L'air ainsi chauffé est alors conduit au four de séchage cité précédemment, où il sert au triple but de sécher le charbon qui se trouve dans ce four, de chassifier ce charbon, de façon que les particules fines soient enlevées des particules plus grosses, et, finalement, de fluidifier les matiè- res qui se trouvent dans ce four. Du charbon sec fini est récupéré de ce four de séchage. Lorsqu'il n'est pas fait usage d'un lit inerte, la majorité sera récupérée directement du lit, une certaine quantité étant récupérée dans les cyclones ou autres systèmes séparateurs. Lorsqu'il est fait usage d'un lit inerte, la majeure partie sera récupérée dans les cyclones.
Revenant à l'emploi des expressions "fluidifier", "matières so- lides fluidifiées" et "lit fluidifié", il convient de noter qu'elles sont uti- lisées dans la technique pour désigner un type de suspension dense, dans la- quelle des particules de matières solides finement divisées sont dispersées dans un courant ascensionnel de gaz. Lorsqu'un gaz traverse de bas en haut une masse de particules de matières solides finement divisées, il peut se produire trois phénomènes. A des vitesses spatiales très faibles, disons de l'ordre de moins de 0,5 pied par seconde (1 pied = 30,48 cm), le gaz s'infiltre et diffu- se vers le haut à travers la masse de matières solides, sans imprimer un mouvement apparent aux particules.
La vitesse du gaz à travers la masse de solides est toujours plus élevée que la vitesse spatiale, mais ce dernier terme est uti- lisé pour la facilité dans la technique; c'est la vitesse que les gaz auraient s'ils s'écoulaient vers le haut à travers un passage non obstrué ayant une sec- tion transversale libre de surface égale à celle occupée par la masse de parti- cules solides. A des vitesses superficielles très élevées, par exemple de l'ordre de 50 pieds par seconde, le courant gazeux soulève les particules et les entraîne, en formant ainsi la dispersion ou suspension diluée typique gaz-solide, telle que représentée de façon typique par l'air poussiéreux. A des vitesses spatiales moyennes, il se produit un autre phénomène.
A des vitesses spatiales comprises entre environ 0,5 et 5,0 pieds par seconde, le courant gazeux maintient en suspension les particules solides plus grandes qu'environ 250 - 500 microns, à l'état de lit fluide. Un lit fluidifié est une suspension très dense de matières solides dans un gaz; la teneur en solides peut varier de 10 livres à plus de 100 livres par pied cube, selon la nature des particules et la vitesse du gaz (1 livre par pied cube = environ 16 k. par m3).
Dans un lit fluidifié, les particules se trouvent en mouvement turbulent en zigzag et, en apparence, le lit fluidifié ressemble à un liquide bouillonnant, il présente un niveau semblable à celui d'un liquide et les particules s'y écoulent sous une colonne hydrostatique. Mais ce qui est plus important au point de vue de la conduite de réactions chimiques, est la capacité calorifi- que, ainsi que la transmission.rapide de chaleur dans un lit fluidifié. Ces propriétés se traduisent par un très haut degré d'uniformité de la température dans toute l'étendue d'un lit fluidifié, à tel point qu'un lit fluidifié peut ètre caractérisé comme étant thermiquement homogène.
Tandis que l'emploi de lits fluidifiés a été important dans l'industrie du raffinage du pétrole, spécialement dans le cracking catalytique, ils n'ont pas été adaptes à beaucoup d'autres techniques et la susdite description a été incorporée dans la présente spécification afin de faire ressortir la différence entre un lit fluidifié et les boues liquides, les soi-,disant lits fixes et dispersions ou suspensions diluées. La présente invention utilise les lits fluidifiés en tant que particularité essentielle du procédé.
La meilleure réalisation actuellement connue de l'invention est celle illustrée dans les dessins annexés, mais il est bien entendu que l'invention n'y est aucunement limitée. Dans ces dessins :
La Fig. 1 est une vue schématique d'un réacteur de fluidification de matières solides, montrant les positions respectives des trois zones essentielles lorsque celles-ci sont agencées dans le même vase de réaction;
La Fig. 2 montre un réacteur à deux étapes, et, en détail, tous les éléments qui l'accompagnent, et
La Fig. 3 est une vue à plus grande échelle de la zone de séchage, montrant l'alimentation en charbon humide et l'entraînement du charbon sec.
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Dans le...
Fié' 1, ii désigne la zone de picii-.ufiage d'air, B la zone de séchage du charbon, E l'entrée de charbon mouillé, F l'endroit de récupération de fines de charbon, G l'endroit de récupération de gros charbon, H la récupération de charbon sec, I l'amenée d'air, J et K des évacuations de cendres.
La Fig. 2 montre un réacteur désigné dans son ensemble par 20, qui comporte un couvercle 25, une enveloppe extérieure 34, une plaque de base conique 50, et qui est-supporté par des appuis 64. Dans la forme d'exécution montrée dans ces dessins, le réacteur est divisé en deux zones, à savoir la zone de génération de chaleur A et la zone de séchage B. La zone A est garnie de briques isolantes 39 et de briques réfractaires 40 et 41. A la partie inférieure de la zone de production de chaleur A est agencée une plaque perforée d'étranglement 52 qui sert . supporter le lit de matières solides à traiter dans la zone A Cette plaque présente des ouvertures 53 qui la traversent de part en part et servent à guider des gaz de fluidification à travers la plaque et dans le lit 43.
Du gaz pour fluidifier les lits respectifs est introduit par le tuyau 47, contrôlé par la valve 48. Ce gaz traverse la boite à vent 51 et monte à travers la plaque 52. Une ouverture de nettoyage 49 est prévue dans le fond de la botte à vent 51, les fines matières solides qui peuvent s'infiltrer vers le bas à travers la plaque pouvant ètre enlevées par cette ouverture. Dans cette forme d'exécution, la zone de séchage B est agencée directement au-dessus de la zone .il et se trouve dans la même enveloppe 34. Dans la zone B, le lit est supporté par la plaque d'étranglement 71 munie d'ouvertures 70.
Le gaz chaud montant de la zone A traverse cette plaque et pénètre dans le lit 36 dans la zone --, où il sert à sécher, à classifier et à fluidifier le s particules dans ce lit.
Pendant le fonctionnement de ce réacteur, la matière humide devant ètre séchée est amenée dans une trémie 21 qui alimente une vis sans fin 24 logée dans une enveloppe 23 et actionnée par un moteur 22. L'alimentation humide est d'abord introduite dans la zone de séchage B, où elle entre en un point situé quelque peu au-dessus du niveau 72 du lit 36. Pendant sa chute pour atteindre le lit 36, la matière mouillée est mise d'abord en contact avec les gaz chauds de fluidification et ainsi partiellement séchée. L'emplacement de l'alimentation n'est pas critique, mais utile. En atteignant le lit 36, ladite matière est.fluidifiée et séchée par les gaz montants.
Le lit 36 est principalement composé d'une matière "inerte", telle que des matières céramiques, des métaux, des oxydes métalliques, ou une fraction grossière des matières qui doivent être séchées. Cela constitue le réservoir de chaleur dans lequel l'alimentation humide est amenée. La vitesse des gaz entrants est réglée de telle façon que ces matières inertes soient fluidifiées, tandis qu'en même temps la majorité des particules du charbon entrant soient entraînées. Celles-ci sont emportées vers le haut hors du lit 36 dans l'espace libre 73,d'où elles montent dans le tuyau 26 et dans le premier séparateur à cyclone ou chambre de sédimentation C.
Dans ce séparateur C, qui est également désigné par 27, toutes les particules, sauf les fines, sont enlevées du courant gazeux et les particules ainsi enlevées descendent par le tuyau 32, qui est contrôlé par une valve 74, et atteignent la trémie de stockage 65 où elles se trouvent à l'état fini.
Les matières fines sont emportées à travers le tuyau 28 jusque dans le deuxième séparateur à cyclone D, également désigné par 29. Dans ce séparateur, les fines sont recueillies et le gaz propre monte par le tuyau 30, contrôlé par la valve 31, et puis vers l'échappement. Les fines recueillies dans le séparateur 29 descendent par le tuyau 33 et le raccord 61 dans la trémie 63. Si l'on recueille plus de fines qu'il n'est désiré, la valve 62 peut être fermée, déviant ainsi les fines et les cendres qu'elles peuvent contenir, par le tuyau 60, contrôlé par la valve 59, dans la trémie d'emmaga- sinage 58. De cette façon, des fines sèches finies seront recueillies dans la trémie de stockage 58 et des matières grossières sèches finies seront recueillies dans la trémie de stockage 65.
Les fines qui sont recueillies dans la trémie 63 sont utilisées pour fournir la chaleur nécessaire pour effectuer l'opération de séchage. Ces
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fines sont amenées au dispositif d'alimentation en étoile 54 qui est actionné par le moteur 56 et qui amène les fines dans le courant gazeux passant par le conduit 81 qui est contrôlé par la valve 80. Elles sont entraînées par ce courant gazeux et sont amenées au lit 43 situé dans la zone de génération de chaleur A. Grâce à l'emploi de cette alimentation à tuyau vertical et ce système transporteur à air comprimé, on supprime le danger de retour de flamme.
Ce but est atteint en maintenant la vitesse de l'air porteur dans les tuyères d'alimentation de charbon à des vitesses considérablement supérieures à la vitesse de propagation de la flamme. Le lit dans la zone A est composé principalement de quelque matière inerte fluidifiée ayant des grains de grosseur beaucoup plus forte que les fines amenées par la vis d'alimentation 54. Les fines sont retenues pendant quelques instants dans ce lit inerte fluidifié et sont amenées à y brûler grâce à l'introduction d'oxygène à travers la plaque d'étranglement 52. En brûlant dans ce lit, elles servent à chauffer ce gaz entrant, lequel monte alors dans la zone de séchage B. Afin de contrôler la température de ces gaz montants chauds, il est prévu un tuyau d'entrée d'air 75 qui est contrôlé par une valve 76.
On peut amener des gaz froids dans ce tuyau, lesquels gaz froids se mélangent aux gaz montants chauds de façon à régler la température du gaz qui est utilisé pour sécher la matière dans la zone B. Il est également possible de régler la température du gaz chaud et la température du lit de façon à empêcher la fusion, en amenant un excès d'air au lit inerte de combustion. Les cendres qui peuvent se former dans la zone A et qui ne sont pas entraînées par le courant gazeux peuvent ètre enlevées de la zone A par le tuyau d'écoulement 42 et le taux d'enlèvement peut ètre contrôlé par la valve 77. Ces cendres atteignent la trémie d'emmagasinage 45 d'où elles sont, soit évacuées, soit utilisées dans un but étranger à la présente invention.
Les particules se trouvant dans la zone B et qui sont trop grandes pour ètre fluidifiées par le gaz montant peuvent être enlevées par intermittences ou continuellement, selon les nécessités par le tuyau de soutirage 37 qui est contrôlé par une valve 38. Ces particules constituent un produit sec fini et sont par conséquent mélangées au produit grossier sec se trouvant dans la trémie de stockage 65. En Fig. 3, L désigne les matières humides d'alimentation, M les matières inerte" grossières du lit et N les particules en traitement.
EXEMPLE 1.
Il a été constaté que cette installation est utile pour sécher de l'anthracite de Pensylvanie contenant 25 à 30 % d'humidité. Etant donné que du charbon complètement sec produit beaucoup de poussière, les opérations de séchage sont habituellement conduites de façon à laisser subsister une teneur en humidité résiduelle de 3 à 5 %. Il a toutefois été constaté que la teneur en humidité peut ètre réduite à 0 % si on le désire.
L'analyse granulométrique des constituants utilisés était la suivante. (Mesh = mailles par pouce linéaire du tamis).
Charbon utilisé comme lit inerte dans le compartiments de séchage,
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<tb>
<tb> Mesh <SEP> % <SEP> Refus <SEP> cumulatif.
<tb>
6 <SEP> 37.3
<tb> 8 <SEP> 54.6
<tb> 10 <SEP> 72.1
<tb> 14 <SEP> 84.1
<tb> 20 <SEP> 92.3
<tb> 28 <SEP> 98.7
<tb> 35 <SEP> 99. <SEP> 5
<tb> 48 <SEP> 99.8
<tb> 65 <SEP> 99.9
<tb>
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EMI6.1
<tb>
<tb> Enthracite <SEP> de <SEP> Pensylvanie <SEP> devant <SEP> ètre <SEP> séché.
<tb>
Mesh <SEP> % <SEP> Refus <SEP> cumulatif.
<tb>
10 <SEP> 0.1
<tb> 14 <SEP> 1.2
<tb> 20 <SEP> 5.6
<tb> 28 <SEP> 14.4
<tb> 35 <SEP> 25.7
<tb> 48 <SEP> 40.0
<tb> 65 <SEP> 53.7
<tb> 100 <SEP> 65. <SEP> 9
<tb> 150 <SEP> 77.1
<tb> 200 <SEP> 83.3
<tb> 325 <SEP> 90. <SEP> 4
<tb> Sable <SEP> utilisé <SEP> comme <SEP> lit <SEP> inerte <SEP> dans <SEP> le <SEP> brùleur <SEP> à <SEP> charbon
<tb> Mesh <SEP> Refus <SEP> cumulatif.
<tb>
20 <SEP> 5
<tb> 28 <SEP> 25
<tb> 35 <SEP> 94
<tb> 48 <SEP> 99.9
<tb> Fines <SEP> de <SEP> charbon <SEP> brûlées <SEP> dans <SEP> la <SEP> chambre <SEP> de <SEP> combustion.
<tb>
Echantillon <SEP> A.
<tb>
Mesh <SEP> % <SEP> Refus <SEP> cumulatif.
<tb>
65 <SEP> 0
<tb> 100 <SEP> 27.9
<tb> 150 <SEP> 51.0
<tb> 200 <SEP> 68.9
<tb> 325 <SEP> 90.7
<tb> Echantillon <SEP> B.
<tb>
-Mesh <SEP> Refus <SEP> cumulatif.
<tb>
150 <SEP> 0
<tb> 200 <SEP> 25.7
<tb> 325 <SEP> 56.9
<tb>
Le réacteur fonctionnait avec une alimentation de 50 tonnes par heure de la susdite matière humide et, à ce débit et dans les conditions qui seront précisées, il fallait amener 36 tonnes de fines par jour à la zone de production de chaleur A afin d'effectuer le séchage nécessaire. En service, la température dans la zone de production de chaleur était de 1850 F, tandis que celle de la zone de séchage était de 200 F. Le gaz de cheminée, venant de la zone de séchage était à 200 F.
Un autre avantage de ce brûleur à charbon avec lit inerte est le rendement élevé de la combustion. L'emploi du système à lit inerte élimine la perte de combustible due à la chute de combustible à travers les grilles usuelles. Les essais ont permis de constater qu'il n'y a pratiquement pas de charbon non brûlé qui est emporté par les gaz quittant la zone A. Les essais ont donné un rendement de combustion de 95-100 % dans le lit inerte. Les gaz chauds résultant de l'opération de combustion sous pression peuvent également être utilisés pour des opérations de calcination à basse température, telles que la décomposition de sel trona, la déshydratation d'hydroxydes, etc., outre le séchage de matières humides.
EXEMPLE 2.
Une autre application de l'invention est le séchage de toutes matières combustibles dont il est possible de séparer les fines et dé brûler celles-ci indépendamment du séchage de la masse principale de la matière.
Comme exemple d'une telle matière, en dehors du charbon, on peut citer les matières pyritiques provenant d'une cellule de flottation. Ces
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matières sont non seulement humides, mais elles contiennent des agents de flot- tation en tant qu'impuretés. Lorsqu'on désire sécher les concentrés pyritiques avant leur expédition à un four de fusion ou pour un autre traitement, ou si l'on désire chauffer partiellement les concentrés pyritiques en vue de décomposer les agents de flottation, l'application du procédé selon l'invention est utile.
Les fines de pyrites sont séparées, conduites dans le lit de combustion et brù- lées. Les gaz chauffés passent alors dans le lit de séchage pour sécher la mas- se principale du minerai.
Lorsqu'on utilise l'appareil selon l'invention, la source de ma- tières fines n'est pas nécessairement limitée à celles qui sont récupérées de la zone de séchage, mais on peut également utiliser toutes autres matières fi- nes qui sont combustibles et capables de fournir la chaleur pour le séchage.
Dans les applications commerciales, on fera fréquemment usage de matières fines mises en stock.
Il rentre également dans le cadre de l'invention de réaliser dans plusieurs réacteurs qui ne doivent pas être disposés l'un au-dessus de l'autre, ni être logés dans une même enveloppe. Ainsi, toutes les opérations définies ci-dessus, utilisant habituellement de l'huile etc., comme source de chaleur, peuvent être adaptées au.procédé selon l'invention en installant un groupe séparé générateur de chaleur pour consommer les matières fines combus- tibles et fournir du gaz chaud au groupe de séchage, ou à d'autres fins.
Dans la description se référant aux dessins, il est question d'un groupe dans lequel le séchage est effectué en utilisant un lit inerte et en recueillant la matière sèche dans les cyclones ou autres séparateurs.
Cette opération peut être réalisée tout aussi bien, encore que moins économi- quement, en fluidifiant la matière à sécher directement dans le lit 36, et en utilisant une vitesse de gaz suffisamment basse pour que l'entraînement de matières solides soit maintenue à un minimum. Cette vitesse sera déterminée par la matière traitée ou séchée et par l'analyse granulométrique de cette matière.
Il est beaucoup plu avantageux d'utiliser un lit inerte, parce que la matière grossière inerte sert à casser les morceaux de matière humide amenée dans le réacteur. Grâce à l'emploi d'un lit inerte il est permis d'appliquer une vitesse spatiale beaucoup plus grande du gaz de fluidification, qui produit une agitation violente dans le séchoir. A titre d'exemple, dans le cas du séchage d'anthracite de -14 mesh, lorsqu'on n'utilisait pas de lit inerte, en appliquant une vitesse spatiale de 1 pied/sec., la plus forte teneur d'humidité qui pouvait être tolérée sans provoquer des ennuis de défluidification était d'environ 7 %. Par contre, en utilisant un lit inerte et en augnentant la vitesse spatiale à 12 pieds/sec., il est possible de traiter du charbon avec une teneur d'humidité de 35 %.
Le lit inerte permet également d'augmenter jusqu'à un multiple la capacité d'un groupe. Un groupe qui a été soumis aux essais a permis de constater que sa capacité, qui était de 2,5 tonnes/pied carré/24 hrs lorsqu'il n'était pas fait usage d'un lit inerte, était portée à 25,0 tonnes/pied carré/ 24hrs lorsqu'il était fait usage d'un lit inerte.
REVENDICATIONS.
@
1. - Procédé pour le traitement thermique de matières solides combustibles, caractérisé en ce qu'on classifie les particules en une fraction de particules fines et une fraction de particules plus grosses, on brùle ladite fraction de particules-fines pour produire un gaz chaud, et on soumet ladite fraction de grosses particules à un traitement thermique au moyen du gaz chaud.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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METHOD AND APPARATUS FOR THE THERMAL TREATMENT OF SOLID MATERIALS CO MBUS TIBLE S.
The present invention relates to a method and apparatus for. drying moist or wet combustible solids by drying them under conditions such that the materials to be dried are maintained in a liquid-like state. More particularly, the invention relates to a method and apparatus for drying coal, in which the coal fines are burnt under pressure to provide the heat necessary for drying the coal.
In modern coal or ore processing operations, it is customary for the raw material extracted from seams or veins to be subjected to a quality improvement operation, whereby valuable constituents extracted from the mine are separated. rock, shale and other gangue. These quality improvement processes are usually carried out in a liquid medium, in which the heavy materials descend and the lighter materials float, so as to effect the separation. Coal is also subjected to various types of washing with a view to cleaning it, removing slag, etc., and its quality is also improved by flotation processes.
All these operations strongly wet the coal, the humidity of which causes coal loads to set in freezing weather, increases the cost of water transport, and reduces its calorific value per ton.
Under these conditions, the main object of the invention is to provide a method of drying these coals or ores or other combustible solids while they are in a state of fluidization. solids, so as to overcome the above difficulties. Another object of the invention is to effect the separation of fine particles and larger particles of coal or ore, so that these finer particles will not be found in the finished product, thus avoiding the formation of dust during manipulations of matter.
Yet another object of the invention is to provide a method of using the latent heat which is found in these fine particles of coal or ore, so that this heat can be used to dry the desired material, also removing the waste. problem of using these fine particles.
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To achieve this goal, it is necessary to find a way to burn the coal fines in a pressure vessel, which must operate with a back pressure of more than two or three inches of water (1 inch = 2.54 cm about) .
It can be said that a general object of the invention is to use coal or ore in one way or another to dry wet material, mainly because the material itself, if used as fuel, is normally the most readily available heat source directly at the mine.
The present invention makes it possible to achieve these objects, as well as others which will be pointed out in the description which follows, by carrying out the drying process in a reactor or reaction vessel, in which the coal or ore to be dried is kept. in a fluidized state. When coal is maintained in this state, gases necessary to maintain this state are forced upwardly through the fluidized bed, and by controlling the velocity of these fluidizing gases one can control the size and quantity of the particles which are. entrained by the gas stream. In this way, classification can be carried out in the reactor. The larger particles are retained in the bed and are subjected to drying.
The finer coal particles which have been dried are entrained by the gas stream and are removed from the main mass of coal. According to the present invention, these finer particles are separated from the gas stream by any conventional device for the separation of solids, for example a cyclone or a sedimentation chamber. Alternatively, an inert bed can be fluidized in the drying zone and the total amount of charcoal to be dried can be removed by the gas stream. Classification to separate the main mass of coal from a fine fraction is then accomplished in several cyclones in series.
The fine solids are collected and the necessary quantity is supplied to a heat generating installation.
This latter installation consists of another furnace in which there is also a bed of solids maintained in a fluidized state. This bed must be an "inert" bed, that is to say it must be composed of solid matter which does not react with the fluidization gases and that it remains practically constant, this bed being composed of particles of sufficient size not to be entrained by the ascending gas current, but whose dimensions are within the limits making fluidization possible. These particles will generally be larger than the fine particles of material recovered from the drying oven.
The inert bed is maintained in a state of fluidization and, while in this state, the previously collected fine particles of solid matter are fed to this bed. Air or other oxygen-containing gas is used to thin the bed. The fine material which is fed to the bed burns when it comes into contact with the fluidizing air and serves to preheat the air to high temperature, as well as to heat the inert material to a corresponding temperature. The heated inert particles serve as a large capacity heat reservoir, in which almost perfect heat exchange takes place. This way, the fine particles burn off almost instantly when they reach the bed.
The inert material also serves to retain the particles for a longer time than would normally be the case if they were carried alone in the gas stream.
An important feature of the combustion process as described in the present invention is that it is a process which will operate at a back pressure of 0 to 10 pounds per square inch (1 pound per square inch). = 0.0703 kilograms per cm2) or more, so that the pressurized hot gases are directly available for supply to any group requiring gases in this state. From this point of view, the process differs partially from the conventional burner in that, in this, additional compression equipment is necessary if a pressurized gas is to be supplied.
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The air thus heated is then led to the drying oven mentioned above, where it serves the triple purpose of drying the coal which is in this oven, of chasing this coal, so that the fine particles are removed from the larger particles, and, finally, to fluidize the materials which are in this furnace. Finished dry charcoal is recovered from this drying oven. When an inert bed is not used, the majority will be recovered directly from the bed, with some being recovered in cyclones or other separator systems. When an inert bed is used, most of it will be recovered in the cyclones.
Returning to the use of the terms "fluidize", "fluidized solids" and "fluidized bed", it should be noted that they are used in the art to denote a type of dense slurry, in which finely divided solid particles are dispersed in an upward stream of gas. When a gas passes through a mass of finely divided solid particles from the bottom upwards, three phenomena can occur. At very low space velocities, say on the order of less than 0.5 feet per second (1 foot = 30.48 cm), gas infiltrates and diffuses upward through the mass of solids. , without printing an apparent movement to the particles.
The speed of gas through the mass of solids is always higher than the space speed, but the latter term is used for ease in the art; this is the velocity that the gases would have if they flowed upward through an unobstructed passage having a free cross-section of area equal to that occupied by the mass of solid particles. At very high surface velocities, for example on the order of 50 feet per second, the gas flow lifts the particles and entrains them, thereby forming the typical gas-solid dispersion or dilute suspension, as typically represented by 1. dusty air. At medium space speeds, another phenomenon occurs.
At space velocities between about 0.5 and 5.0 feet per second, the gas stream keeps solid particles larger than about 250-500 microns in suspension in a fluid bed state. A fluidized bed is a very dense suspension of solids in a gas; the solids content can vary from 10 pounds to over 100 pounds per cubic foot, depending on the nature of the particles and the speed of the gas (1 pound per cubic foot = approximately 16 k. per m3).
In a fluidized bed, the particles are found in turbulent zigzag motion and in appearance the fluidized bed resembles a bubbling liquid, it has a level similar to that of a liquid and the particles flow into it under a hydrostatic column. . But what is more important from the point of view of carrying out chemical reactions is the heat capacity, as well as the rapid transfer of heat in a fluidized bed. These properties result in a very high degree of temperature uniformity throughout the extent of a fluidized bed, such that a fluidized bed can be characterized as being thermally homogeneous.
While the use of fluidized beds has been important in the petroleum refining industry, especially in catalytic cracking, they have not been adapted to many other techniques and the above description has been incorporated into this specification. in order to bring out the difference between a fluidized bed and liquid sludge, the so-called fixed beds and dilute dispersions or suspensions. The present invention uses fluidized beds as an essential feature of the process.
The best currently known embodiment of the invention is that illustrated in the accompanying drawings, but it is understood that the invention is in no way limited thereto. In these drawings:
Fig. 1 is a schematic view of a reactor for fluidizing solids, showing the respective positions of the three essential zones when these are arranged in the same reaction vessel;
Fig. 2 shows a two-stage reactor, and, in detail, all the elements that accompany it, and
Fig. 3 is an enlarged view of the drying zone, showing the supply of wet coal and the entrainment of the dry coal.
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EMI4.1
In the...
Fié '1, ii designates the air picii-.ufiage area, B the coal drying area, E the wet coal inlet, F the coal fines recovery area, G the recovery area coarse coal, H dry coal recovery, I air supply, J and K ash evacuations.
Fig. 2 shows a reactor designated as a whole by 20, which has a cover 25, an outer shell 34, a conical base plate 50, and which is supported by supports 64. In the embodiment shown in these drawings, the reactor is divided into two zones, namely the heat generation zone A and the drying zone B. Zone A is lined with insulating bricks 39 and refractory bricks 40 and 41. At the lower part of the production zone heat A is arranged a perforated throttle plate 52 which serves. supporting the bed of solids to be treated in zone A This plate has openings 53 which pass right through it and serve to guide fluidizing gases through the plate and into the bed 43.
Gas to fluidify the respective beds is introduced through pipe 47, controlled by valve 48. This gas passes through windbox 51 and rises through plate 52. A cleaning opening 49 is provided in the bottom of the boot. vent 51, fine solids which may seep down through the plate can be removed through this opening. In this embodiment, the drying zone B is arranged directly above the zone .il and is located in the same envelope 34. In the zone B, the bed is supported by the throttle plate 71 provided with 'openings 70.
The hot gas rising from zone A passes through this plate and enters bed 36 in zone -, where it serves to dry, classify and fluidize the particles in this bed.
During operation of this reactor, the wet material to be dried is fed into a hopper 21 which feeds a worm 24 housed in a casing 23 and operated by a motor 22. The wet feed is first introduced into the zone. drying B, where it enters at a point somewhat above the level 72 of the bed 36. As it falls to reach the bed 36, the wetted material is first contacted with the hot fluidizing gases and thus partially dried. The location of the feed is not critical, but useful. On reaching bed 36, said material is fluidified and dried by the rising gases.
Bed 36 is primarily composed of an "inert" material, such as ceramics, metals, metal oxides, or a coarse fraction of the materials which are to be dried. This forms the heat reservoir into which the wet feed is fed. The speed of the incoming gases is regulated so that these inert materials are fluidized, while at the same time the majority of the particles of the incoming carbon are entrained. These are carried upwards out of bed 36 into head space 73, from where they rise into pipe 26 and into the first cyclone separator or settling chamber C.
In this separator C, which is also denoted by 27, all particles except the fines are removed from the gas stream and the particles thus removed descend through pipe 32, which is controlled by a valve 74, and reach the storage hopper 65 where they are in the finished state.
The fines are carried through the pipe 28 to the second cyclone separator D, also designated by 29. In this separator, the fines are collected and the clean gas rises through the pipe 30, controlled by the valve 31, and then towards the exhaust. The fines collected in the separator 29 descend through the pipe 33 and the fitting 61 into the hopper 63. If more fines are collected than is desired, the valve 62 can be closed, thereby bypassing the fines and ashes which they may contain, through pipe 60, controlled by valve 59, into storage hopper 58. In this way, finished dry fines will be collected in storage hopper 58 and finished dry coarse material will be collected in the storage hopper 65.
The fines which are collected in the hopper 63 are used to provide the heat necessary to carry out the drying operation. These
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fines are fed to the star supply device 54 which is actuated by the motor 56 and which brings the fines into the gas stream passing through the conduit 81 which is controlled by the valve 80. They are entrained by this gas stream and are fed. to bed 43 located in the heat generation zone A. By using this vertical pipe supply and this compressed air conveyor system, the danger of backfire is eliminated.
This object is achieved by maintaining the speed of the carrier air in the coal feed nozzles at speeds considerably greater than the speed of propagation of the flame. The bed in zone A is mainly composed of some inert fluidized material having grains of much larger size than the fines supplied by the feed screw 54. The fines are retained for a few moments in this inert fluidized bed and are brought to. burn there through the introduction of oxygen through the throttle plate 52. By burning in this bed, they serve to heat this incoming gas, which then rises in the drying zone B. In order to control the temperature of these hot rising gases, an air inlet pipe 75 is provided which is controlled by a valve 76.
Cold gases can be brought into this pipe, which cold gases mix with the hot rising gases so as to regulate the temperature of the gas which is used to dry the material in zone B. It is also possible to regulate the temperature of the hot gas. and the temperature of the bed so as to prevent melting, by supplying excess air to the inert combustion bed. The ash which may form in zone A and which is not entrained by the gas stream can be removed from zone A through the flow pipe 42 and the rate of removal can be controlled by the valve 77. These ashes reach the storage hopper 45 from where they are either discharged or used for a purpose unrelated to the present invention.
The particles in zone B which are too large to be fluidized by the rising gas can be removed intermittently or continuously, as needed by the draw-off pipe 37 which is controlled by a valve 38. These particles constitute a product. dry finished product and are therefore mixed with the dry coarse product in storage hopper 65. In FIG. 3, L denotes the wet feed materials, M the coarse inert bed materials, and N the process particles.
EXAMPLE 1.
This plant has been found to be useful for drying Pennsylvania anthracite containing 25-30% moisture. Since completely dry charcoal produces a lot of dust, the drying operations are usually carried out so as to leave a residual moisture content of 3 to 5%. However, it has been found that the moisture content can be reduced to 0% if desired.
The particle size analysis of the constituents used was as follows. (Mesh = meshes per linear inch of the screen).
Coal used as an inert bed in the drying compartments,
EMI5.1
<tb>
<tb> Mesh <SEP>% <SEP> Cumulative <SEP> refusal.
<tb>
6 <SEP> 37.3
<tb> 8 <SEP> 54.6
<tb> 10 <SEP> 72.1
<tb> 14 <SEP> 84.1
<tb> 20 <SEP> 92.3
<tb> 28 <SEP> 98.7
<tb> 35 <SEP> 99. <SEP> 5
<tb> 48 <SEP> 99.8
<tb> 65 <SEP> 99.9
<tb>
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EMI6.1
<tb>
<tb> Enthracite <SEP> from <SEP> Pennsylvania <SEP> in front of <SEP> to be <SEP> dried.
<tb>
Mesh <SEP>% <SEP> Cumulative <SEP> refusal.
<tb>
10 <SEP> 0.1
<tb> 14 <SEP> 1.2
<tb> 20 <SEP> 5.6
<tb> 28 <SEP> 14.4
<tb> 35 <SEP> 25.7
<tb> 48 <SEP> 40.0
<tb> 65 <SEP> 53.7
<tb> 100 <SEP> 65. <SEP> 9
<tb> 150 <SEP> 77.1
<tb> 200 <SEP> 83.3
<tb> 325 <SEP> 90. <SEP> 4
<tb> Sand <SEP> used <SEP> as <SEP> bed inert <SEP> <SEP> in <SEP> the <SEP> burner <SEP> to <SEP> coal
<tb> Mesh <SEP> Cumulative <SEP> refusal.
<tb>
20 <SEP> 5
<tb> 28 <SEP> 25
<tb> 35 <SEP> 94
<tb> 48 <SEP> 99.9
<tb> Fine <SEP> of <SEP> coal <SEP> burnt <SEP> in <SEP> the <SEP> chamber <SEP> of <SEP> combustion.
<tb>
Sample <SEP> A.
<tb>
Mesh <SEP>% <SEP> Cumulative <SEP> refusal.
<tb>
65 <SEP> 0
<tb> 100 <SEP> 27.9
<tb> 150 <SEP> 51.0
<tb> 200 <SEP> 68.9
<tb> 325 <SEP> 90.7
<tb> Sample <SEP> B.
<tb>
-Mesh <SEP> Refuse <SEP> cumulative.
<tb>
150 <SEP> 0
<tb> 200 <SEP> 25.7
<tb> 325 <SEP> 56.9
<tb>
The reactor operated with a supply of 50 tonnes per hour of the aforesaid wet material and, at this rate and under the conditions which will be specified, 36 tonnes of fines per day had to be brought to the heat production zone A in order to carry out drying required. In service, the temperature in the heat producing zone was 1850 F, while that of the drying zone was 200 F. The flue gas coming from the drying zone was at 200 F.
Another advantage of this inert bed coal burner is the high combustion efficiency. The use of the inert bed system eliminates fuel loss due to fuel falling through the usual grates. Tests have shown that there is practically no unburned coal which is carried away by the gases leaving zone A. Tests have given a combustion efficiency of 95-100% in the inert bed. The hot gases resulting from the pressurized combustion operation can also be used for low temperature calcination operations, such as the decomposition of trona salt, the dehydration of hydroxides, etc., besides the drying of wet materials.
EXAMPLE 2.
Another application of the invention is the drying of all combustible materials from which it is possible to separate the fines and to burn them independently of the drying of the main mass of the material.
As an example of such a material, apart from coal, there may be mentioned pyritic material from a flotation cell. These
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The materials are not only wet, but they contain flotation agents as impurities. When it is desired to dry the pyritic concentrates before shipment to a melting furnace or for other processing, or if it is desired to partially heat the pyritic concentrates in order to decompose the flotation agents, the application of the process according to invention is useful.
The pyrite fines are separated, led into the combustion bed and burnt. The heated gases then pass through the drying bed to dry the main mass of the ore.
When using the apparatus according to the invention, the source of fine materials is not necessarily limited to those recovered from the drying zone, but any other fine materials which are combustible can also be used. and capable of providing heat for drying.
In commercial applications, stocked fine materials will frequently be used.
It also comes within the scope of the invention to produce in several reactors which must not be arranged one above the other, nor be housed in the same envelope. Thus, all the operations defined above, usually using oil etc., as a heat source, can be adapted to the process according to the invention by installing a separate heat-generating unit to consume the combustible fines. and supplying hot gas to the drying group, or for other purposes.
In the description referring to the drawings, there is talk of a group in which the drying is carried out using an inert bed and collecting the dry matter in cyclones or other separators.
This can be done just as well, though less economically, by fluidizing the material to be dried directly in bed 36, and using a gas velocity low enough so that the entrainment of solids is kept to a minimum. . This rate will be determined by the material treated or dried and by the particle size analysis of this material.
It is much more advantageous to use an inert bed, because the inert coarse material serves to break up the pieces of wet material supplied to the reactor. By using an inert bed it is possible to apply a much greater space velocity of the fluidizing gas, which produces violent agitation in the dryer. For example, in the case of drying -14 mesh anthracite, when an inert bed was not used, applying a space velocity of 1 ft / sec., The highest moisture content which could be tolerated without causing trouble with defluidification was about 7%. On the other hand, by using an inert bed and increasing the space speed to 12 feet / sec., It is possible to treat coal with a moisture content of 35%.
The inertial bed also makes it possible to increase the capacity of a group up to a multiple. A group that was tested found that its capacity, which was 2.5 tonnes / square foot / 24 hrs when not using an inertial bed, was increased to 25.0 tonnes / square foot / 24hrs when an inertial bed was used.
CLAIMS.
@
1. - Process for the thermal treatment of combustible solids, characterized in that the particles are classified into a fraction of fine particles and a fraction of larger particles, said fraction of fine particles is burned to produce a hot gas, and subjecting said fraction of large particles to a heat treatment by means of the hot gas.
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