Procédé et installation pour la production de gaz de chauffage. La présente invention a pour objet un procédé et une installation pour la production de gaz de chauffage à partir d'un mélange d'hydrocarbures, tels que le propane, le bu tane, le gaz naturel, les huiles de pétrole et mutres combustibles liquides et gazeux analo gues, utilisés en combinaison avec la vapeur d'eau et l'air.
Les producteurs de gaz de chauffage pour usage domestique et industriel désirent obte nir de préférence un gaz à faible pouvoir calorifique, de l'ordre par exemple de 4600 kcal/m et ayant une densité de 0,5 à 0,6. Etant donné que le propane, le butane ou le gaz naturel ont un pouvoir calorifique supérieur à 8000 kcal/m , il est nécessaire de pyrogéner ou de craquer ces gaz en présence de vapeur d'eau et/ou d'air afin de les modi fier pour en abaisser le pouvoir calorifique.
En outre, les huiles de pétrole, en particulier les huiles lourdes, constituent des combusti bles bon marché, elles sont faciles à transpor ter et à emmagasiner et elles sont avantageu- ses pour la production de gaz, mais il n'existe, à l'heure actuelle, aucun générateur de gaz à marche continue satisfaisant et permettant d'obtenir à partir de ces produits un gaz à faible pouvoir calorifique et de faible densité.
Pour la pyrogénation du propane, du butane et du gaz naturel, il existe des générateurs comportant de longs tubes (d'environ 10 m de long et de 10 à 20 cm de diamètre) remplis partiellement d'un catalyseur et dans lesquels ces combustibles sont modifiés par pyrogéna tion au moyen de vapeur d'eau et/ou d'air ou d'oxygène.
Pour cette modification par pyrogénation des hydrocarbures, il est avantageux d'utili ser la température la plus élevée possible à laquelle l'appareil peut résister, de manière à obtenir le plus grand volume possible de gaz par dissociation des molécules de vapeur d'eau et d'hydrocarbures. Toutefois, lorsqu'on uti lise des tubes métalliques, ces températures sont limitées à 980 C environ, même dans le cas de tubes en acier au nickel.
En outre, la vapeur d'eau ne se dissocie pas en l'absence d'un catalyseur, sauf à des températures supé rieures à l200 C, et, de plus, les longs tubes utilisés jusqu'à présent posent des problèmes de résistance, de dilatation, de corrosion par les gaz de fumée et d'oxydation aux tempéra- tures élevées, et, de p1-Lis,
leur remplacement est dispendieim L'objet de l'invention comprend un pro cédé de production de gaz de chauffage à pouvoir calorifique compris entre 2300 et 3300 kcal/m3 à partir d'un mélange d'hydro carbures présentant, à l'état gazeux, un pou voir calorifique supérieur à 8000 keal/m3, et d'eau,
mélange qui est chauffé au moins par tiellement en présence d'an catalyseur capable de décomposer à haute température les hydro- carbures et de dissocier l'eau; le procédé se lon l'invention est caractérisé en ce que l e mélange traité renferme de l'air et est soumis à l'action de la chaleur dans sue série d'étages de volumes croissants dont la température aug mente progressivement pour atteindre dans l'étage final une valeur voisine de 1320 C, où il est mis en présence du catalyseur qui achève la décomposition des hydrocarbures et la disso ciation de l'eau en fournissant des gaz perma nents.
L'objet de l'invention comprend également une installation pour la mise en #uvre de ce procédé, installation qui comporte des moyens pour préchauffer les hydrocarbures, la va peur d'eau et l'air, et pour former un mé lange de ces corps, un générateur comportant une série de cylindres coaxiaux décalés alter nativement en hauteur de façon à ménager entre eux des chambres annulaires communi quant alternativement par le haut et par le bas et dont le volume croît régulièrement de puis le centre du générateur vers l'extérieur, le cylindre le plus à l'extérieur au moins étant en matière réfractaire non métallique, des moyens pour chauffer ce générateur à sa péri phérie extérieure,
des moyens pour introduire le mélange renfermant des hydrocarbures, de la vapeur d'eau et de l'air dans la chambre annulaire la plus voisine de l'axe commun aux cylindres, et des moyens pour extraire le gaz formé dans le générateur suivant l'axe de celui-ci.
Le mélange d'hydrocarbures à pouvoir calorifique pouvant être compris entre 8000 et 32 000 kcal/m est transformé progressive ment, par chauffage à des températures de plus en plus hautes, en hydrocarbures plus simples, puis en méthane, qui est transformé, avec la vapeur d'eau et l'oxygène de l'air, en hydrogène, oxyde de carbone et un peu de gaz carbonique.
Au fur et à mesure que la composition du mélange se modifie, son pou voir calorifique et sa densité diminuent, tan dis que son volume s'accroît, mais contraire ment à ce qui se passe dans las appareils de types connus, la vitesse de passage du gaz à travers l'appareil ne croît pas en proportion du volume du gaz, mais reste au contraire sensiblement constante parce que le volume des chambres annulaires qu'il traverse croît régulièrement du centre vers la périphérie du générateur.
Dans la dernière chambre conte nant le catalyseur, la vitesse de passage n'est pas excessive comme dans les tubes des appa reils du type connu, de sorte que l'action de ce catalyseur est plus poussée en raison, d'une part, de la température élevée à laquelle est portée cette chambre et, d'autre part, de la durée de contact relativement longue du gaz avec le catalyseur.
A la sortie du générateur, le gaz est formé de gaz permanents et son pouvoir calorifique s'est trouvé abaissé entre 2300 et 3300 kcal/m . Si on le désire, on peut l'enrichir à nouveau jusqu'à toute valeur désirée, par exemple de faon à obtenir -un pouvoir calorifique com pris entre 4200 et 4600 keal/m3, en le mélan geant en proportions convenables avec du gaz prélevé dans l'une des chambres intérieures du générateur, dans laquelle le gaz présente un pouvoir calorifique plus élevé, ou, si on le préfère,
avec une proportion convenable du mélange d'hydrocarbures utilisé comme ma tière première, si ce mélange est gazeux aux températures normales.
Dans un mode avantageux d'exécution, le générateur est chauffé à la périphérie par des brûleurs à rayonnement, et le gaz obtenu à haute. température est évacué par un tube traversant le générateur axialement., un échange de chaleur se produisant ainsi, à tra, vers les parois de ce tube, entre le gaz chaud quittant l'appareil et le mélange à traiter.
La paroi extérieure au moins du généra teur est, de préférence, formée d'éléments ré sistant bien aux températures élevées et bons conducteurs de la chaleur, et ces éléments peu vent présenter des surfaces d'interconnexion, en<B>U</B> par exemple, dans lesquelles s'engagent des parties taillées en coin de l'élément adja cent qui y sont fixées par un mortier conve nable. Ces éléments sont av ant.ageusement for més en carbure de silicium, matériau qui ré siste parfaitement aux températures de l'or dre de 1320 C envisagées.
Par rapport aux appareils connus, le gé nérateur qui fait partie de l'installation selon, l'invention présente divers avantages impor- tante, sa hauteur est bien moindre, d'où une réduction d'encombrement et de dépenses d'installation, la vitesse es gaz chauds est ré duite d'où il résulte une durée de contact plus élevée avec le catalyseur et, par conséquent, un meilleur rendement.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
La fig. 1 représente schématiquement la disposition générale de l'ensemble de l'appa reil.
La fig. 2 est une coupe verticale axiale du générateur.
La fig. 3 est une coupe transversale hori zontale du générateur, selon la ligne III-III de la fig. 2.
Les fig. 4 et 5 sont respectivement une coupe horizontale et une coupe verticale, selon les lignes IV-IV et V-V des fig. 5 et 4 res pectivement, d'une variante du générateur.
La fig. 6 est une coupe centrale verticale d'un appareil vibrateur utilisé pour préparer le mélange d'hydrocarbures, d'air et d'eau in troduit dans le générateur.
La fig. 7 est une coupe semblable à celle de la fig. 4 représentant une autre variante du brûleur et du canal d'évacuation des gaz.
La fig. 8 est une vue latérale d'une forme préférée du support de catalyseur.
Dans l'installation représentée à la fig. 1, l'huile qui doit être traitée en vue de la pro duction de gaz et arrivant par la conduite 100 traverse d'abord un préchauffeur 10, le quel est chauffé par les gaz de chauffage sor tant du générateur 11, puis un second ré- ehauffeur 12 disposé à la partie supérieure du générateur, puis encore un récipient 13 de fractionnement dans lequel les constituants lourds, tels que le goudron (dans le cas où l'huile est un dérivé de pétrole lourd), sont séparés,
et à partir duquel les hydrocarbures vaporisés sont dirigés vers un épurateur 14 dans lequel le soufre et autres impuretés sont éliminés de façon connue en soi. De l'épura teur 14, les vapeurs chaudes passent dans un récipient mélangeur convenable 15 où elles sont mélangées à de la vapeur et à de l'air, les quantités relatives d'huile vaporisée, de vapeur d'eau et d'air étant réglées par des clapets de réglage 16 commandés par un dis positif automatique 17 actionné par les va riations du pouvoir calorifique du produit sor tant du générateur.
En sortant du récipient mélangeur 15, le mélange traverse une chambre de distribution 18 d'où il est envoyé dans la chambre annu laire intérieure du générateur, où il monte le long de la surface extérieure du tube central d'évacuation 19, passe au-dessus du cylindre 20, descend à travers l'espace annulaire com pris entre le cylindre 20 et le cylindre sui vant 21, passe sous le bord inférieur de ce der nier dans l'espace annulaire compris entre le cylindre 21 et le cylindre suivant 22, au-des- süs du bord supérieur de ce dernier,
redescend dans-l'espace annulaire ménagé entre le cylin dre 22 et la paroi cylindrique 23 en matière réfractaire. Les cylindres intérieurs 20 à 22 sont de préférence en acier au nickel r6sis- tant avec sécurité à -des températures de 980 C environ, la paroi 23 en matière réfrac taire résistant largement à une température de l'ordre de 1320 C ou plus.
Une paroi exté rieure 24 en matière réfractaire entoure la pa roi 23 et antre ces deux parois est logé un catalyseur convenable 25, que les gaz en trai tement doivent traverser de bas en haut.
Les parois 23 et 24 sont formées par des éléments, de préférence en carbure de silicium, présen tant le long de deux de leurs côtés des rai nures à section en j/ (fig. 2) permettant l'in terconnexion avec des bords en forme de coin, prévus sur les deux autres côtés des éléments adjacents.
L'assemblage ainsi formé est rendu étanche par un ciment réfractaire convenable coulé dans le joint.
Les gaz pénètrent par des ouvertures per cées dans le bas -de la paroi réfractaire inté rieure 23, recouvertes par des grilles 26 (voir fig. 2) ; le mélange d'hydrocarbures, de va peur d'eau et d'air, porté à haute tempéra ture, est soumis au cracking pendant son -pas sage à travers le catalyseur 25 et se trans forme en un mélange de gaz à plus faible pou- voir calorifique qui s'échappe à la partie su périeure de l'espace compris entre les deux parois en matière réfractaire et passe au-des sus de la paroi intérieure 23,
dans une cham bre de refroidissement située à la partie supé rieure du générateur où il vient au contact du réchauffeur 12 du mélange d'alimentation, de manière à céder une partie de sa chaleur au dit mélange.
La température, qui est supérieure à 1200 C à l'extérieur de la paroi 24 diminue, par suite des pertes à travers la paroi 24, l'es pace 25 et la paroi 23, de sorte qu'elle atteint moins de 930 C près du cylindre 22, lequel peut être fait en acier spécial capable de ré sister à cette température.
Les gaz chauds sont évacués par le tube de sortie 19 et un joint hydraulique prévu dans la chambre 27 de refroidissement, vers un échangeur de chaleur 28 (voir à nouveau fig. 1), prévu à l'intérieur de l'appareil de fractionnement 13,à partir duquel les gaz re froidis, mais encore chauds sont dirigés vers un appareil 29, tel qu'un récupérateur, un four ou un autre appareil de combustion, l'excès éventuel de gaz étant évacué à travers un bac 30 de lavage et de refroidissement par une conduite 101, ou mélangé à des gaz à plus fort pouvoir calorifique prélevés dans les deux espaces extérieurs du générateur pour former un gaz final de pouvoir calorifique désiré qui est évacué par la conduite 102.
Un calori- mètre 31 est prévu pour commander les cla pets de réglage 32, 33 et 34 à servomoteur, disposés dans les canalisations de gaz respec tives, par l'intermédiaire d'un appareil conve nable 35 de proportionnement des volumes, en vue de régler les proportions de gaz à faible et à fort pouvoir calorifique à mélanger pour obtenir le produit voulu.
Le générateur est chauffé par des brûleurs 38 alimentés en combustible par la conduite 103, ou par la conduite 104 avec les produits les plus lourds provenant de l'appareil de fractionnement 13, lesquels peuvent aussi tra verser le réchauffeur 10. Un ou plusieurs py romètres, disposés en des points convenables à l'intérieur du générateur et actionnant les robinets de commande des brûleurs par l'in termédiaire d'un dispositif de commande approprié 39, sont prévus pour maintenir la répartition désirée de températures à l'inté rieur du générateur, celles-ci variant de 1370 à 1540 C dans l'espace situé à l'extérieur de la paroi réfractaire extérieure 24 jusqu'à en viron 1320 C dans l'espace compris entre les parois réfractaires 23 et 24,
pour tomber à 930 à 540 C dans les espaces entourant les cylindres 22, 21, 20 et le tube de sortie 19.
Les produits de combustion des brûleurs 38 sont évacués, à travers le réchauffeur 10 où ils réchauffent l'huile lourde se dirigeant vers le générateur, dans une chaudière à vapeur 40 où ils cèdent .la chaleur qu'ils renferment encore.
Le générateur représenté sur les fig. 2 et 3 comporte un certain nombre de brûleurs 38, disposés dans des ouvertures pratiquées dans la paroi extérieure 41; les gaz de com- bustion sont évacués à travers un conduit de grande dimension 42.
La paroi extérieure 24 faite d'éléments en carbure de silicium peut supporter des températures s'élevant jusqu'à 1590 C, ces éléments conservant àdestempéra- tures .comprises entre 1370 et 1540 C suffi samment ,de résistance pour satisfaire aux con ditions imposées. Cette paroi est supportée à sa base par une plaque annulaire reposant sur des colonnes amovibles 43,
lesquelles sup portent également le bord intérieur d'an plan cher 44 en forme d'anneau, dont le bord exté rieur est noyé dans la paroi. 41 en maçonne rie. En abaissant les supports 43, on peut abaisser la paroi 24 en vue d'enlever et de remplacer, s'il est nécessaire, les éléments qui constituent .ladite paroi.
La paroi 2-3 est de façon analogue supportée par une plaque annulaire reposant sur des colonnes amovibles 45. Le fond 46 en acier spécial du générateur, sur lequel sont soudés les cylindres 20 et 22, peut être supporté par la chambre de distri bution 18 et par la chambre de refroidisse- ment 27.
La partie supérieure du générateur est fermée par une plaque circulaire en acier 47, munie d'un rebord 48 formant joint et. d'un soufflet métallique flexible 49 s'ap- payant contre une plaque murale 50 en vue d'empêcher les gaz chauds provenant des brû leurs de s'échapper à sa périphérie.
Le cou vercle 47 est supporté directement par le bord supérieur de la paroi réfractaire extérieure 24, avec interposition d'un ciment on autre matière de joint destinée à empêcher le gaz traité de s'échapper; ce couvercle s'élève et s'abaisse en suivant la dilatation et la contrac tion de la paroi réfractaire 24 sous l'effet des variations de sa température. Lorsqu'on abaisse la paroi 24 pour remplacer un élément, le cou vercle 47 repose par son bord extérieur sur une partie 51 en encorbellement -rattachée au mur extérieur 41 et faite, de préférence, en car bure de silicium.
Le réchauffeur 12 est monté au-dessous du couvercle 47 qui le supporte, dans l'espace compris entre ledit couvercle et un couvercle intérieur 52 qui repose par son bord extérieur sur la paroi réfractaire inté rieure 23, sur lequel il est scellé au moyen d'une couche de ciment ou autre matière de joint, en vue d'empêcher que le gaz partiellement pyro- géné qui circule à l'intérieur de la paroi 23 ne se mélange avec celui qui traverse le cataly seur 25. Une couche isolante 53 est appliquée à la surface supérieure du couvercle intérieur 52 et une autre couche 53a garnit la surface inférieure du couvercle 47, de manière à les protéger contre les gaz très chauds qui se di rigent vers le tube d'évacuation 19.
Le bord supérieur du cylindre 21 est soudé à la sur face inférieure du couvercle 52 qui le sup porte. Le tube de sortie 19 repose sur un sup port creux 54 et il peut coulisser vers le haut ou vers le bas à travers la chambre 18 de dis tribution, elle-même supportée par la cham bre 27 de refroidissement supportant à son tour la plaque 46.
Dans la disposition qui vient d'être dé crite, les cylindres métalliques intérieurs 19 à 22 ne sont jamais en contact avec les gaz de combustion qui circulent autour de la pa roi 24, non métallique, de sorte que ces cy lindres sont bien protégés contre la corrosion par les produits chauds provenant de la com bustion du combustible de chauffage du gé nérateur. Des trous fermés par des pièces 55 sont prévus dans le couvercle 4 7 en vue de l'intro duction du catalyseur 25 dans l'espace com pris entre les parois réfractaires 23 et 24. On peut enlever le catalyseur à travers des ouver tures pratiquées dans l'anneau 56, des sup ports amovibles 57 fermant ces ouvertures et supportant l'anneau pendant la marche du générateur.
La plaque de fond 46 est égale ment percée d'un orifice fermé par une pièce amovible 58, grâce auquel on peut évacuer les dépôts qui peuvent s'accumuler dans le géné rateur. Des anneaux collecteurs 59 et 60, aux quels sont raccordés des tuyaux 61 et 62, com muniquant avec les deux espaces annu laires entourant les cylindres 20 et 22, per mettent de prélever, dans ces chambres, des gaz partiellement pyrogénés, ainsi que de vé rifier la température et la qualité du gaz dans chaque section.
Les orifices à travers lesquels le mélange gazeux entre de la chambre 18 dans le géné rateur peuvent être mirais d'organes 63 créant des tourbillons dans le courant dé gaz. qui les traverse. Avant de pénétrer dans la chambre 18, le mélange peut être soumis 'a. des vibra tions de très haute fréquence dans u n vibra teur ultrasonique 61a, fixé entre la chambre de distribution 18 et la chambre de mélange 15 (fig. 1).
Le vibrateur ultra sonique représenté à la fig. 6 comprend un cylindre creux de position réglable 62a dont la paroi d'extrémité est per cée d'un orifice à travers lequel le mélange provenant de la chambre de mélange 15 est envoyé dans l'extrémité ouverte d'un tube ouverte d'un tube axial 63a de même dimension que l'orifice et dont l'extrémité opposée est fermée par un bouchon de position réglable 64,
le cylindre 62a et le bouchon 64 étant filetées à ,l'extérieur de manière à pouvoir être vissés dans des ta raudages d'un tube 68 et d'im manchon 66 dans lesquels ils sont montés respectivement. La bride 65 fait saillie sur le fond 67, du cy lindre 61a de manière à recevoir l'extrémité du tuyau d'alimentation 68,
lequel est relié de façon amovible par un raccord 69 à l'extré mité d'un tuyau 70 qui communique avec la chambre de mélange 15. Après avoir dévissé le raccord 69, on peut déplacer le cylindre 62a longitudinalement en tournant la queue 71 qui lui est fixée. Après avoir accordé le dis positif à la fréquence désirée, on fixe le cy lindre 62a et le bouchon 64 dans leur position de réglage par un moyen convenable quelcon que, tel par exemple que des anneaux de blo cage ou des écrous, et il n'y a plus à s'en occuper.
L'extrémité antérieure du manchon 66 forme un mince bord concave destiné à com muniquer au mélange gazeux introduit une vibration de fréquence ultrasonique qui con tribue à brasser intimement les particules d'huile et d'eau, de manière à réduire leurs dimensions, à augmenter leur surface et à em pêcher des dépôts de carbone dans le généra teur, ce qui améliore le fonctionnement de ce dernier.
Le mélange d'alimentation addi tionné de vapeur d'eau, en partie sous forme de vapeurs et en partie sous forme de goutte lettes liquides en suspension, est soumis aux vibrations ultrasoniques qui sont communi quées au mélange de gaz et de vapeur formé. De préférence, la fréquence de ces vibrations est comprise entre 60 et 100 kc.
Le fait de soumettre le mélange à des vi brations ultra soniques fournit un brassage plus intime des différents constituants de ce mélange, facilite la précipitation des parti cules de carbone pouvant se former et évite, concurremment avec un traitement éventuel par la vapeur à haute température, l'encras sement du générateur.
Dans la variante représentée aux fig. 4 et 5, le générateur comprend des brûleurs tu bulaires 75, disposés dans l'espace à l'inté rieur de la paroi 41, et auxquels le combus tible est amené par des tuyères 76, aménagées dans le plancher. Les canaux 77 de propaga tion de la flamme sont faits en carbure de silicium ou autre matière fortement réfrac taire;
leur section transversale peut être ovale ou circulaire et ils ont une longueur suffi sante pour atteindre presque le sommet dudit espace, de sorte que les gaz chauds sortant de leur extrémité supérieure doivent redescendre le long de la par oi réfractair e 24 vers le tuyau d'évacuation 42 et contribuent ainsi à chauffer cette paroi par convection.
Dans la variante du dispositif de chauf fage représentée à la fig. 7, l'espace à l'inté rieur de la paroi 41 est divisé en canaux ascendants et descendants au moyen de eloi- sons 78 en carbure de silicium ou autre ma tière fortement réfractaire,
les brûleurs<B>79</B> étant disposés à l'extrémité inférieure des ca naux ascendants et les canaux descen dants communiquant avec les premiers à leur extrémité supérieure et commu- niquant à leur extrémité inférieure, par des tuyaux d'évacuation 80,
avec un conduit col lecteur à partir duquel les gaz brûlés peuvent être envoyés vers la chaudière 40.
La surface intérieure de la paroi 41 est recouverte de carreaux 81 en carbure de sili cium ou autre matière fortement réfractaire, en vue de réfléchir la chaleur produite dans les canaux.
Le catalyseur utilisé dans l'espace compris entre les parois réfractaires 23 et 24 est à base d'oxyde de nickel fixé sur un support- quel conque, la teneur en oxyde de nickel pouvant être comprise entre 7 et 22 %.
La forme et la nature :du support peuvent être quelcon ques, par exemple il peut être formé par des sphères ou des anneaux en alumine, mais on donne la préférence à des pièces 82 en forme de vis (fig. 8), disposées les unes au-dessus des autres avec leur axe vertical,
de manière à provoquer des tourbillons dans les gaz à haute température qui descendent. à travers les interstices de ces pièces, de sorte que le catalyseur ou la matière imprégnée de cata lyseur présente une grande surface aux gaz traversant ledit espace.
On peut aussi placer d'a-Litres matières dans l'espace compris entre les cylindres 22 et 23, telles que des matières de purification destinées à éliminer le soufre et autres impu retés contenues clans le gaz.
On peut procéder à un remplissage et à -une évacuation faciles de cette matière de purification; ceci est im portant dans le cas où l'on alimente le géné rateur avec du pétrole liquide contenant du soufre, auquel cas on peut, avant la réaction de craquage catalytique, séparer le soufre de la vapeur d'hydrocarbure et du gaz. Toute fois, si l'on utilise un produit gazeux d'ali mentation, on peut procéder à la purification habituelle avant son entrée dans le générateur.
Il convient de remarquer qu'à une tempé rature élevée, supérieure à 1320 C, le soufre a phus d'affinité pour l'hydrogène, sous forme de H28, que pour le catalyseur au nickel; par conséquent, on peut s'attendre à un empoi sonnement moins prononcé du catalyseur par le soufre aux températures élevées atteintes dans le traitement final.
Le générateur décrit ci-dessus possède entre autres avantages celui d'un accès facile de toutes ses parties en vue de la vérifica tion, du remplacement aisé de pièces telles que les couvercles et celles qu'ils soutiennent, lesquelles peuvent être retirées d'un bloc; on peut enlever par en dessous les parois réfrac taires intérieure et extérieure, ainsi que la matière catalytique, sans avoir besoin de dé monter la partie supérieure.
La paroi exté rieure du générateur, ainsi que les tuyaux et pièces métalliques, les cylindres ou tubes con centriques et les parois réfractaires sont sup portés de manière à pouvoir se dilater et se contracter librement selon les variations rapi des de température, et ils sont faits de tron çons courts, ce qui permet de procéder à une mise en route rapide du générateur; les pièces métalliques sont entièrement protégées contre la corrosion par les gaz brûlés quit tant les brûleurs à rayonnement.
Le type de construction simple, ramassé et accessible du générateur, ainsi que sa capa cité élevée, comparée à celle des fours de pyro génation du type à tubes, en font un appareil relativement peu coûteux n'exigeant que des frais d'entretien modiques et ne provoquant que des pertes par radiation peu élevées.
L'exemple ci-après montrera bien com ment le procédé peut être mis en #uvre. On part du gaz communément appelé propane obtenu dans les raffineries de pétrole et qui est en fait un mélange de propane, de propy lène et d'éthane, ayant un pouvoir calorifi- que de 24 000 kcal/m et une densité de 1,5 par rapport à l'air.
On mélange à 100 volu mes de ce gaz, 65 volumes de vapeur d'eau et 35 volumes d'air, pris dans les mêmes condi tions de température et de pression, et ce mé lange préchauffé est envoyé par les organes 63 dans la chambre annulaire formée entre le tube 19 et le cylindre 20 d'un générateur du type représenté à la fig. 2, chambre dont la température est de 750 C.
Le mélange cir culant dans le générateur est progressivement chauffé jusqu'à 1320 C, température régnant dans l'espace annulaire compris entre les pa rois 23 et 24 où il est mis en présence d'un catalyseur constitué par du nickel réduit pro venant de la réduction par le gaz d'oxyde de nickel fixé sur un support. Le gaz sortant par le tube 19 réchauffe le mélange qui pénètre dans le générateur, son pouvoir calorifique est de 2800 kcal/m et sa densité de 0,48.
On peut accroître ce pouvoir calorifique trop fai ble du gaz et le porter à 4200 keal/m par exemple en lui incorporant la proportion né cessaire de propane , sa densité augmentant alors jusqu'à devenir égale à 0,55.
Si on modifiait les proportions relatives de vapeur d'eau et d'air, la première variant de 100 à 0 % et la seconde de 0 à 100 %, le pouvoir calorifique du gaz sortant du généra teur varierait de 3300 kcal/m3 avec une den sité de 0,36 à 2300 kcal/m3 .avec une densité de 0,61. Le gaz enrichi à 4200 kcal/m3 à l'aide , de propane> présenterait alors respective ment des densités de 0,41 et 0,7.
On voit que le procédé et l'appareil. décrits présentent une grande souplesse. et permettent d'obtenir un gaz de chauffage répondant à , toutes les exigences possibles d'un service de distribution.
Method and installation for the production of heating gas. The present invention relates to a process and an installation for the production of heating gas from a mixture of hydrocarbons, such as propane, bu tane, natural gas, petroleum oils and other liquid fuels and gaseous analogues, used in combination with water vapor and air.
Producers of heating gas for domestic and industrial use preferably wish to obtain a gas with low calorific value, for example of the order of 4600 kcal / m and having a density of 0.5 to 0.6. Since propane, butane or natural gas have a calorific value greater than 8000 kcal / m, it is necessary to pyrogenize or crack these gases in the presence of water vapor and / or air in order to modify them. proud to lower the calorific value.
In addition, petroleum oils, especially heavy oils, are inexpensive fuels, are easy to transport and store, and are beneficial for gas production, but they do not exist at the moment. At present, no gas generator with continuous operation satisfactory and making it possible to obtain from these products a gas with low calorific value and low density.
For the pyrogenation of propane, butane and natural gas, there are generators comprising long tubes (about 10 m long and 10 to 20 cm in diameter) partially filled with a catalyst and in which these fuels are modified by pyrogenation using water vapor and / or air or oxygen.
For this modification by pyrogenation of the hydrocarbons, it is advantageous to use the highest possible temperature which the device can withstand, so as to obtain the greatest possible volume of gas by dissociation of the water vapor molecules and of hydrocarbons. However, when metal tubing is used, these temperatures are limited to about 980 ° C, even in the case of nickel steel tubing.
In addition, water vapor does not dissociate in the absence of a catalyst, except at temperatures above 1200 ° C, and, moreover, the long tubes used heretofore have problems of strength. of expansion, corrosion by flue gases and oxidation at elevated temperatures, and, of p1-Lis,
their replacement is dispendieim The object of the invention comprises a process for producing heating gas with a calorific value of between 2300 and 3300 kcal / m3 from a mixture of hydrocarbons having, in the gaseous state, a calorific power greater than 8000 keal / m3, and water,
a mixture which is heated at least partially in the presence of a catalyst capable of decomposing hydrocarbons at high temperature and of dissociating water; the process according to the invention is characterized in that the treated mixture contains air and is subjected to the action of heat in sue series of stages of increasing volumes, the temperature of which increases progressively to reach in the final stage a value close to 1320 C, where it is brought into contact with the catalyst which completes the decomposition of the hydrocarbons and the dissociation of the water by providing permanent gases.
The object of the invention also comprises an installation for carrying out this process, which installation comprises means for preheating the hydrocarbons, the vapor of water and the air, and for forming a mixture of these. body, a generator comprising a series of coaxial cylinders offset alternately in height so as to provide between them annular chambers communicating alternately from above and below and whose volume increases regularly from then the center of the generator outwards , the outermost cylinder at least being made of a non-metallic refractory material, means for heating this generator at its outer periphery,
means for introducing the mixture containing hydrocarbons, water vapor and air into the annular chamber closest to the axis common to the cylinders, and means for extracting the gas formed in the following generator. axis of it.
The mixture of hydrocarbons with a calorific value which can be between 8000 and 32000 kcal / m is gradually transformed, by heating at increasingly high temperatures, into simpler hydrocarbons, then into methane, which is transformed, with the water vapor and oxygen from the air, into hydrogen, carbon monoxide and some carbon dioxide.
As the composition of the mixture changes, its calorific power and its density decrease, tan say that its volume increases, but contrary to what happens in devices of known types, the speed of passage of the gas through the apparatus does not increase in proportion to the volume of the gas, but on the contrary remains substantially constant because the volume of the annular chambers which it passes through increases regularly from the center to the periphery of the generator.
In the last chamber containing the catalyst, the speed of passage is not excessive as in the tubes of devices of the known type, so that the action of this catalyst is greater due, on the one hand, to the high temperature to which this chamber is brought and, on the other hand, the relatively long contact time of the gas with the catalyst.
At the outlet of the generator, the gas is formed of permanent gases and its calorific value has been reduced to between 2300 and 3300 kcal / m. If desired, it can be enriched again to any desired value, for example so as to obtain a calorific value of between 4200 and 4600 keal / m3, by mixing it in suitable proportions with the gas taken. in one of the internal chambers of the generator, in which the gas has a higher calorific value, or, if preferred,
with a suitable proportion of the mixture of hydrocarbons used as raw material, if this mixture is gaseous at normal temperatures.
In an advantageous embodiment, the generator is heated at the periphery by radiation burners, and the gas obtained at high. temperature is evacuated by a tube passing axially through the generator, a heat exchange thus taking place, through the walls of this tube, between the hot gas leaving the apparatus and the mixture to be treated.
The outer wall at least of the generator is preferably formed of elements which are well resistant to high temperatures and which are good conductors of heat, and these elements may have interconnecting surfaces, in <B> U </ B > for example, in which engage the wedge-cut parts of the adjoining element which are fixed there by a suitable mortar. These elements are advantageously formed from silicon carbide, a material which perfectly resists the temperatures of the order of 1320 C envisaged.
Compared to known devices, the generator which forms part of the installation according to the invention has various important advantages, its height is much less, resulting in a reduction in overall dimensions and installation costs, The speed of the hot gases is reduced resulting in a longer contact time with the catalyst and, consequently, a better yield.
The description which will follow with regard to the appended drawing, given by way of example, will make it clear how the invention can be implemented.
Fig. 1 schematically represents the general arrangement of the whole of the apparatus.
Fig. 2 is an axial vertical section of the generator.
Fig. 3 is a horizontal cross section of the generator, along line III-III of FIG. 2.
Figs. 4 and 5 are respectively a horizontal section and a vertical section, along lines IV-IV and V-V of FIGS. 5 and 4 respectively, of a variant of the generator.
Fig. 6 is a vertical central section of a vibrating apparatus used to prepare the mixture of hydrocarbons, air and water introduced into the generator.
Fig. 7 is a section similar to that of FIG. 4 showing another variant of the burner and of the gas discharge channel.
Fig. 8 is a side view of a preferred form of the catalyst support.
In the installation shown in fig. 1, the oil which must be treated for the production of gas and arriving via line 100 first passes through a preheater 10, which is heated by the heating gases leaving the generator 11, then a second reheater. - Heater 12 arranged at the top of the generator, then again a fractionation vessel 13 in which the heavy constituents, such as tar (in the case where the oil is a derivative of heavy petroleum), are separated,
and from which the vaporized hydrocarbons are directed to a scrubber 14 in which sulfur and other impurities are removed in a manner known per se. From scrubber 14 the hot vapors pass into a suitable mixing vessel 15 where they are mixed with steam and air, the relative amounts of vaporized oil, water vapor, and air being regulated by control valves 16 controlled by an automatic device 17 actuated by the variations in the calorific value of the product leaving the generator.
On leaving the mixing vessel 15, the mixture passes through a distribution chamber 18 from where it is sent to the internal annular chamber of the generator, where it rises along the outer surface of the central discharge tube 19, passes to the- above the cylinder 20, descends through the annular space comprised between the cylinder 20 and the next cylinder 21, passes under the lower edge of the latter into the annular space between the cylinder 21 and the next cylinder 22, above the upper edge of the latter,
descends into the annular space formed between the cylinder dre 22 and the cylindrical wall 23 of refractory material. The inner cylinders 20-22 are preferably made of nickel steel safely resisting temperatures of about 980 ° C, the wall 23 of refractory material largely resistant to a temperature of the order of 1320 ° C or higher.
An outer wall 24 of refractory material surrounds the wall 23 and between these two walls is housed a suitable catalyst 25, which the gases being treated must pass from bottom to top.
The walls 23 and 24 are formed by elements, preferably of silicon carbide, having along two of their sides grooves with j / section (fig. 2) allowing interconnection with shaped edges. corner, provided on the other two sides of the adjacent elements.
The assembly thus formed is sealed by a suitable refractory cement poured into the joint.
The gases enter through openings drilled in the bottom of the interior refractory wall 23, covered by grids 26 (see fig. 2); the mixture of hydrocarbons, of water and air, brought to high temperature, is subjected to cracking during its passage through the catalyst 25 and is transformed into a mixture of gases at lower temperature. - see heat which escapes at the upper part of the space between the two walls of refractory material and passes above the inner wall 23,
in a cooling chamber located at the upper part of the generator where it comes into contact with the heater 12 of the feed mixture, so as to yield part of its heat to said mixture.
The temperature, which is above 1200 C outside the wall 24 decreases, as a result of the losses through the wall 24, the space 25 and the wall 23, so that it reaches less than 930 C near of cylinder 22, which may be made of special steel capable of resisting this temperature.
The hot gases are evacuated through the outlet tube 19 and a hydraulic seal provided in the cooling chamber 27, to a heat exchanger 28 (see again fig. 1), provided inside the fractionation device 13 , from which the cooled, but still hot gases are directed to an apparatus 29, such as a recuperator, an oven or another combustion apparatus, the possible excess of gas being discharged through a washing tank 30 and cooling via a pipe 101, or mixed with gases with a higher calorific value taken from the two exterior spaces of the generator to form a final gas of desired calorific value which is discharged through the pipe 102.
A calorimeter 31 is provided to control the adjustment valves 32, 33 and 34 with servomotor, arranged in the respective gas pipes, by means of a suitable device 35 for proportioning the volumes, with a view to adjust the proportions of gas to low and high calorific value to mix to obtain the desired product.
The generator is heated by burners 38 supplied with fuel by line 103, or by line 104 with the heaviest products coming from the fractionation device 13, which can also pass through the heater 10. One or more py rometers , arranged at suitable points inside the generator and actuating the burner control valves by means of a suitable control device 39, are provided to maintain the desired distribution of temperatures inside the generator , these varying from 1370 to 1540 C in the space located outside the outer refractory wall 24 up to about 1320 C in the space between the refractory walls 23 and 24,
to drop to 930 to 540 C in the spaces surrounding the cylinders 22, 21, 20 and the outlet tube 19.
The products of combustion from the burners 38 are discharged, through the heater 10 where they reheat the heavy oil going towards the generator, into a steam boiler 40 where they release the heat which they still contain.
The generator shown in FIGS. 2 and 3 comprises a certain number of burners 38, arranged in openings made in the outer wall 41; the combustion gases are evacuated through a large duct 42.
The outer wall 24 made of silicon carbide elements can withstand temperatures of up to 1590 ° C, these elements retaining, at temperatures between 1370 and 1540 ° C, sufficient strength to meet the imposed conditions. This wall is supported at its base by an annular plate resting on removable columns 43,
which sup also carry the inner edge of an expensive plan 44 in the form of a ring, the outer edge of which is embedded in the wall. 41 in masonry. By lowering the supports 43, the wall 24 can be lowered in order to remove and replace, if necessary, the elements which constitute said wall.
The wall 2-3 is similarly supported by an annular plate resting on removable columns 45. The special steel base 46 of the generator, on which the cylinders 20 and 22 are welded, can be supported by the distribution chamber 18. and by the cooling chamber 27.
The upper part of the generator is closed by a circular steel plate 47, provided with a flange 48 forming a seal and. a flexible metal bellows 49 which leans against a wall plate 50 to prevent hot gases from the burners from escaping to its periphery.
The cover 47 is supported directly by the upper edge of the outer refractory wall 24, with the interposition of a cement or other gasket material to prevent the treated gas from escaping; this cover rises and falls following the expansion and contraction of the refractory wall 24 under the effect of variations in its temperature. When the wall 24 is lowered to replace an element, the cover 47 rests by its outer edge on a corbelled portion 51 -attached to the outer wall 41 and preferably made of silicon carbide.
The heater 12 is mounted below the cover 47 which supports it, in the space between said cover and an inner cover 52 which rests by its outer edge on the inner refractory wall 23, on which it is sealed by means of 'a layer of cement or other joint material, in order to prevent the partially pyrogenic gas which circulates inside the wall 23 from mixing with that which passes through the catalyst 25. An insulating layer 53 is provided. applied to the upper surface of the inner cover 52 and another layer 53a lines the lower surface of the cover 47, so as to protect them against the very hot gases which flow towards the exhaust tube 19.
The upper edge of cylinder 21 is welded to the underside of cover 52 which supports it. The outlet tube 19 rests on a hollow support 54 and it can slide up or down through the distribution chamber 18, itself supported by the cooling chamber 27, in turn supporting the plate 46. .
In the arrangement which has just been described, the inner metal cylinders 19 to 22 are never in contact with the combustion gases which circulate around the non-metallic pa king 24, so that these cylinders are well protected against corrosion by hot products from the combustion of the generator's heating fuel. Holes closed by pieces 55 are provided in the cover 47 for the introduction of the catalyst 25 into the space between the refractory walls 23 and 24. The catalyst can be removed through openings in the chamber. the ring 56, removable supports 57 closing these openings and supporting the ring during operation of the generator.
The bottom plate 46 is also pierced with an orifice closed by a removable part 58, thanks to which it is possible to evacuate the deposits which may accumulate in the generator. Collector rings 59 and 60, to which pipes 61 and 62 are connected, communicating with the two annular spaces surrounding the cylinders 20 and 22, make it possible to take, in these chambers, partially pyrogenic gases, as well as from vee Check the temperature and gas quality in each section.
The orifices through which the gaseous mixture enters from chamber 18 into the generator may be fitted with members 63 creating vortices in the gas stream. that crosses them. Before entering chamber 18, the mixture may be subjected to a. very high frequency vibrations in an ultrasonic vibrator 61a, fixed between the distribution chamber 18 and the mixing chamber 15 (FIG. 1).
The ultra sonic vibrator shown in fig. 6 comprises a hollow adjustable position cylinder 62a the end wall of which is pierced with an orifice through which the mixture from the mixing chamber 15 is sent into the open end of an open tube of a tube. axial 63a of the same size as the orifice and the opposite end of which is closed by an adjustable position plug 64,
the cylinder 62a and the stopper 64 being threaded on the outside so as to be able to be screwed into ta raudages of a tube 68 and of a sleeve 66 in which they are mounted respectively. The flange 65 protrudes on the bottom 67 of the cylinder 61a so as to receive the end of the supply pipe 68,
which is removably connected by a connector 69 at the end of a pipe 70 which communicates with the mixing chamber 15. After having unscrewed the connector 69, the cylinder 62a can be moved longitudinally by turning the tail 71 which gives it is fixed. After having tuned the positive to the desired frequency, the cylinder 62a and the plug 64 are fixed in their adjustment position by any suitable means, such as, for example, locking rings or nuts, and it is not there's more to take care of.
The anterior end of the sleeve 66 forms a thin concave edge intended to communicate to the gas mixture introduced an ultrasonic frequency vibration which contributes to intimately stir the oil and water particles, so as to reduce their dimensions, to increase their surface and to prevent carbon deposits in the generator, which improves the operation of the latter.
The feed mixture supplemented with water vapor, partly in the form of vapors and partly in the form of suspended liquid droplets, is subjected to the ultrasonic vibrations which are imparted to the mixture of gas and vapor formed. Preferably, the frequency of these vibrations is between 60 and 100 kc.
The fact of subjecting the mixture to ultrasonic vibrations provides a more intimate stirring of the various constituents of this mixture, facilitates the precipitation of the carbon particles which may form and avoids, concurrently with a possible treatment by steam at high temperature, generator fouling.
In the variant shown in FIGS. 4 and 5, the generator comprises tubular burners 75, arranged in the space inside the wall 41, and to which the fuel is supplied by nozzles 76, arranged in the floor. The flame propagation channels 77 are made of silicon carbide or other highly refractory material;
their cross section may be oval or circular and they have a sufficient length to almost reach the top of said space, so that the hot gases leaving their upper end must descend along the refractory passage 24 towards the pipe of evacuation 42 and thus contribute to heating this wall by convection.
In the variant of the heating device shown in FIG. 7, the space inside the wall 41 is divided into ascending and descending channels by means of partitions 78 made of silicon carbide or other highly refractory material,
the burners <B> 79 </B> being disposed at the lower end of the ascending channels and the descending channels communicating with the former at their upper end and communicating at their lower end, by evacuation pipes 80 ,
with a reader neck duct from which the burnt gases can be sent to the boiler 40.
The inner surface of the wall 41 is covered with tiles 81 of silicon carbide or other highly refractory material, in order to reflect the heat produced in the channels.
The catalyst used in the space between the refractory walls 23 and 24 is based on nickel oxide fixed on any support, the nickel oxide content possibly being between 7 and 22%.
The shape and nature: of the support can be arbitrary, for example it can be formed by spheres or alumina rings, but preference is given to parts 82 in the form of screws (fig. 8), arranged one on top of the other. above the others with their vertical axis,
so as to cause vortices in the descending high temperature gases. through the interstices of these parts, so that the catalyst or the material impregnated with the catalyst has a large surface area to the gases passing through said space.
A-liters of material can also be placed in the space between the cylinders 22 and 23, such as purification materials for removing sulfur and other impurities contained in the gas.
This purification material can be easily filled and removed; this is important in the case where the generator is fed with liquid petroleum containing sulfur, in which case it is possible, before the catalytic cracking reaction, to separate the sulfur from the hydrocarbon vapor and from the gas. However, if a gaseous feed product is used, the usual purification can be carried out before it enters the generator.
It should be noted that at a high temperature, above 1320 C, sulfur has more affinity for hydrogen, in the form of H28, than for the nickel catalyst; therefore, less severe poisoning of the catalyst by sulfur can be expected at the elevated temperatures reached in the final process.
The generator described above has among other advantages that of easy access to all of its parts for inspection, easy replacement of parts such as covers and those which they support, which can be removed from a block; the inner and outer refractory walls, as well as the catalytic material, can be removed from below without having to dismantle the upper part.
The outer wall of the generator, as well as the pipes and metal parts, the cylinders or concentric tubes and the refractory walls are sup ported so as to be able to expand and contract freely according to the rapid variations in temperature, and they are made short sections, which allows the generator to be started up quickly; the metal parts are fully protected against corrosion by the flue gases leaving both the radiation burners.
The simple, compact and accessible type of construction of the generator, as well as its high capacity, compared to that of tube-type pyrogenation furnaces, make it a relatively inexpensive device requiring only low maintenance costs and causing only low radiation losses.
The example below will clearly show how the process can be implemented. We start with the gas commonly called propane obtained in petroleum refineries and which is in fact a mixture of propane, propylene and ethane, having a calorific value of 24,000 kcal / m and a density of 1.5. compared to air.
65 volumes of water vapor and 35 volumes of air, taken under the same temperature and pressure conditions, are mixed at 100 volumes of this gas, and this preheated mixture is sent by the members 63 into the chamber. annular formed between the tube 19 and the cylinder 20 of a generator of the type shown in FIG. 2, chamber whose temperature is 750 C.
The circulating mixture in the generator is gradually heated to 1320 ° C., the temperature prevailing in the annular space between walls 23 and 24 where it is brought into contact with a catalyst consisting of reduced nickel from the reduction by nickel oxide gas fixed on a support. The gas exiting through tube 19 heats up the mixture which enters the generator, its calorific value is 2800 kcal / m and its density is 0.48.
This excessively low calorific value of the gas can be increased and brought to 4200 keal / m, for example by incorporating the necessary proportion of propane into it, its density then increasing until it becomes equal to 0.55.
If the relative proportions of water vapor and air were modified, the first varying from 100 to 0% and the second from 0 to 100%, the calorific value of the gas leaving the generator would vary from 3300 kcal / m3 with a density from 0.36 to 2300 kcal / m3. with a density of 0.61. The gas enriched to 4200 kcal / m3 using propane> would then have densities of 0.41 and 0.7 respectively.
We see that the method and the apparatus. described have great flexibility. and make it possible to obtain a heating gas that meets all the possible requirements of a distribution service.