Procédé et installation pour la production de gaz de ville. La présente invention a pour objet un procédé pour la production de gaz de ville.
Ce procédé est caractérisé en ce qu'on gazéifie sous pression des particules combus tibles à l'aide de vapeur d'eau et d'un gaz oxydant et qu'on fait accomplir aux gaz obte nus, contenant du CO et maintenus toujours sensiblement à la même pression, un parcours att cours duquel on les refroidit progressive ment de manière à provoquer d'abord la réac tion CO -f- H20 = C02 -I- H2 + 10 calories puis des réactions de méthanisation.
L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre de ce pro cédé. Cette installation est caractérisée en ce qu'elle comporte une enceinte de forme allon gée, dont l'une des extrémités forme une ca vité calorifugée de gazéification pourvue de moyens pour y introduire sous pression les particules combustibles, de la vapeur d'eau et du gaz oxydant, cette cavité étant suivie d'une cavité allongée, pourvue de moyens de refroidissement permettant de régler la tem pérature tout au long de cette cavité, qui se termine par une ouverture de départ des gaz obtenus.
De préférence, ladite enceinte forme une colonne verticale et la cavité de gazéification est disposée à son extrémité inférieure. Grâce à cette disposition, les particules combusti bles qui n'auraient pas été gazéifiées et que les gaz produits auraient tendance à entraî ner vers le haut redescendent par gravité.
Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple: La fig. 1 est une coupe verticale, longittt- dinalë, d'une forme de réalisation de l'instal lation suivant l'invention..
La fig. 2 en est une coupe horizontale; suivant la ligne II-II de la fig. 1, de la co lonne elle-même de cette installation.
La fig. 3 est un graphique donnant,<B>-</B>en fonction des températures dans la cavité de gazéification, portées en .abscisses, les quan tités en molécules/grammes (polir 12 g de carbone effectivement gazéifiés), d'une part, des produits gazeux ou entraînés par le gaz (CO-C02-H2-C) à la sortie de la cham bre de gazéification et, d'autre part, de l'oxy gène et de la vapeur d'eau (02-H20) intro duits dans ladite cavité. Suivant l'exemple d'exécution représenté aux fig. 1 et 2,
l'installation comporte un bâti 1 sur la table supérieure 2 duquel est fixé, par des ferrures 3, ttn long corps tubulaire vertical 4 de forme cylindrique, d'axe x-x formé par un assemblage étanche de tôles, susceptible de résister, avec toute la. marge de sécurité usuelle, à une pression interne utile d'au moins 20 kg par cm2. .
Sauf à sa base, cette colonne est doublée, intérieurement et à une certaine distance, de, manière à former une chemise d'eau 5, par suie deuxième paroi métallique 6.
La partie inférieure de la colonne com porte, intérieurement, un épais revêtement calorifuge 7, ménageant au centre une cavité 8. Cette cavité a, de préférence, la .forme d'un corps de révolution autour de l'axe x-x, sa section radiale ayant une forme sensiblement trapézoïdale abcd, et. la surface engendrée. étant au moins approximativement inscrite clans une sphère.
Le fond de cette cavité 8 communique pir -un orifice 9 de forme de préférence évasée vers le bas et ménagé dans le revêtement ca lorifuge 7 et par l'intermédiaire d'un conduit métallique 10, refroidi par une-chemise 12 à circulation extérieure d'eau ou autre fluide, avec un sas 13, destiné à l'évacuation des quelques cendres formées et restées dans la ca vité 8. Ce sas 13 est. pourvu d'un clapet d'en trée 14 et d'un clapet de sortie 15. Ce dernier clapet fait communiquer ce sas avec un con duit d'évacuation 16.
Ces clapets 14, 15 peu vent s'ouvrir automatiquement ou être ouverts à la main à l'encontre de dispositifs élasti ques de rappel 17, 18. L'ouverture à la main est assurée par exemple par l'intermédiaire respectivement d'une tige 19 et d'in tube 20, dans lequel coulisse cette tige, et de tringles 21 et 22.
La. cavité 8 débouche, vers le haut, en 23, dans un conduit divergent 24 de forme tron conique oii analogue, ménagé à l'intérieur de la paroi interne 6 par le revêtement calori fuge 7. Ce conduit 24 débouche directement dans la partie non calorifugée du corps cylin drique 6 qui forme au-dessus de ce conduit une longue cavité 25, entourée simplement par la chemise d'eau 5.
Pour fixer les idées, la longueur de la par tie tronconique 24 est de l'ordre de 2,50 à 3 m et celle de la partie cylindrique de la cavité 25 de l'ordre de 3,50 à 4 m, pour un diamètre interne de cette cavité de l'ordre de 1 à 1,20 m.
De l'extrémité supérieure de la cavité 25 part lui tuyau d'évacuation des gaz .formés.
' Cette colonne est complétée par les moyens d'alimentation ci-après décrits. Dans la cavité inférieure 8 dite de gazéifica tion débouchent -Lui certain nombre de tuyères d'injection, orientées de telle sorte que leurs jets sont dirigés tangentiellement à la cavité et vers l'orifice 23 qui fait communiquer cette cavité avec le conduit divergent 24 (voir dans la fig. 2 les flèches indiquant en plan la di rection desdits jets).
En fait, chaque tuyère est double ou, pour plus de précision, formée de deux tuyères concentriques 27 et 28.
Chaque tuyère interne 27 est alimentée indépendamment des autres tuyères 27 par une tuyauterie 30 en un mélange sous pres sion de vapeur d'eau et de combustible pulvérisé. La pression est, par exemple, de 20 lig/cm2. La vapeur d'eau est. surchauffée à une température de l'ordre de 500 à 550 C environ. Les particules de combustible sont par exemple telles qu'elles passent au tamis de 200 mailles par cm2. Les proportions de vapeur d'eau et de combustible seront préci sées plus loin.
Chaque tuyauterie 30 est pourvue d'une vanne de réglage 31. Le mélange sous pres sion est obtenu en amont de cette vanne d'une manière quelconque appropriée.
Sur la fig. 1, on n'a représenté que les moyens d'alimentation relatifs à une tuyère 27; les moyens relatifs aux autres tuyères sont identiques.
Selon cet exemple d'exécution, chaque ca nalisation 30 est alimentée, en amont de la vanne 31, en vapeur d'eau surchauffée à par tir d'un générateur quelconque de type classi que 32a, donnant par exemple de la vapeur surchauffée aux environs de 550 C sous une pression de l'ordre de 40 lig/cm2.
Entre ce générateur et la vanne 31 est dis posé sur la canalisation 30, au droit de cha que distributeur de combustible pulvérisé, un éjecteur formé d'une tuyère 32 débouchant dans un corps d'éjecteur 33. Ce corps est en communication, par une ouverture 34 prévue à sa partie supérieure, avec le fond d'une en ceinte étanche 35. Au sommet de cette en ceinte débouche l'ouverture inférieure 36 d'une trémie 37 contenant le combustible pul- vérisé 38. Un distributeur à disque rotatif 39, entraîné par exemple par un moteur électri que 40, et une raclette 41 assurant la distri bution du combustible sous la-forme d'un jet 42 qui tombe en chute libre vers l'ouverture 34.
L'enceinte 35 est sous pression aux envi rons de 20 kg/cm2 à cause de la détente pro voquée par l'éjecteur. La même pression s'exerce dans la chambre supérieure 43 de la trémie, au-dessus de la matière pulvérisée 38, grâce à une tubulure 44 qui fait communi quer l'enceinte 35 et le haut de la trémie.
Pour éviter la condensation, en 43, d'une partie de la vapeur surchauffée qui s'y trouve ainsi admise à une pression de l'ordre de 20 kg/cm2, la ,trémie comporte. -une double paroi 45 en communication avec la conduite 30 par une tubulure 46; iui distributeur 47 est prévu sur cette tubulure pour abaisser la pression du générateur à une valeur de l'ordre de celle (20 kg/cm2) régnant en 43 dans la trémie. On peut ainsi maintenir à l'intérieur de la trémie et, en particulier, dans la chambre supérieure 43, une température de l'ordre, par exemple, de 200 C évitant toute condensation d'eau dans cette trémie.
Chaque tuyère périphérique 28 est desti née à l'admission dans la cavité de gazéifica tion 8, de gaz oxydant, à la même pression que le mélange vapeur d'eau- combustible pulvérisé, soit par exemple 20 kg/cm2. Cha cune de ces tuyères reçoit le gaz oxydant sous pression par une tubulure 49. Il n'a été re présenté qu'une tubulure 49, les tubulures analogues relatives aux différentes tuyères 28 sont reliées en parallèle sur une source com mune de gaz oxydant sous pression. Sur cha que tubulure 49 est prévue une vanne de ré glage 50, de préférence assujettie au débit du mélange vapeur d'eau- combustible pulvérisé et ce à l'aide de l'un quelconque des débit mètres connus utilisés pour des contrôles de ce genre.
Pour fixer les idées, ce débitmètre peut être constitué en substance de la ma nière suivante: De part et d'autre d'un dia phragme 51, logé dans la canalisation 30, re lative à la tuyère interne 27 conjuguée, est prévue une prise différentielle de pression, formée de deux tubes 52 et-53 qui aboutissent dans un boîtier étanche 54 de part et d'autre d'une membrane 55. Cette membrane main tenue par deux ressorts antagonistes 56 et 57 est reliée à la tige 58 de contrôle d'un servo moteur 59 d'un type quelconque connu, hy draulique, pneumatique ou autre.
Celui-ci, par une tringle 60 et un levier 61, par exem ple, contrôle la vanne 50 en fonction de la différence des pressions régnant .de part et d'autre du diaphragme 51 dans la canalisa tion 30, c'est-à-dire en définitive en fonction du débit de vapeur d'eau à travers ce dia phragme.
L'installation est complétée par une série de tuyaux 62 d'admission de vapeur d'eau surchauffée dans la cavité allongée 25., sensi- blement à l'extrémité supérieure dû conduit divergent 24. La vapeur qui descend à-l'inté- rieur de ces tuyaux 62 est surchauffée par les gaz ascendants.
Les tuyaux 62 sont ouverts à leurs extré mités inférieures où ils se terminent, de pré férence, par des ajutages 63, dirigés oblique- ment de haut en bas, vers l'axe x-x. De préférence, ces tuyaux 62 se prolongent vers le haut, sensiblement sur toute la hauteur da la cavité 25; ils en sortent radialement à leurs extrémités supérieures et sont raccordés à un collecteur circulaire 64. Ce collecteur est lui même relié à une source de vapeur d'eau sur chauffée à une température de l'ordre de 500 à 550 C.
Dans l'exemple représenté,' ce col lecteur 64 est raccordé purement et simple ment au générateur 32, par une canalisation 65 avec vanne de réglage 66 et détendeur 67 permettant d'admettre dans la cavité .25 de la vapeur d'eau surchauffée et à une pression égale à celle qui règne dans la colonne.
La vanne de réglage 66 peut être à com mande à main; comme représenté, ou, au con traire, être asservie à un dispositif de con trôle, tel qu'un thermostat, en fonction de la température régnant dans la cavité inférieure 8 de gazéification, de manière que le débit de vapeur arrivant par les ajutages 63-dans l'en- ceinte 25 croisse-quand la température croît dans cette cavité 8.
La chemise d'eau 5 assure une tempéra ture régulièrement décroissante de bas en haut dans l'enceinte 25; elle reçoit de l'eau par une tuyauterie 68, tandis que la vapeur d'eau formée s'échappe par une tuyauterie 69 soit vers un dispositif quelconque d'utilisa tion, soit vers le générateur 32 lui-même, soit encore vers les tubes 62. De préférence, cette eau est admise à la température ambiante et sous une pression de l'ordre de celle régnant dans l'enceinte 25, de telle sorte que la paroi interne 6 est sensiblement en équilibre de pression sur ces faces externe et interne et peut, de ce fait, être moins résistante que la paroi externe 4.
L'installation est encore complétée par tous dispositifs usuels de contrôle, tels qu'un pyromètre 70 dans la cavité 8, 'Lin autre pyro- mètre-.71 au niveau des ajutages 63, un thermomètre 72 sur la tubulure de sortie 26, un. manomètre 73 sur la cavité 8, etc.
.Des. trous d'homme 74 et 75 permettent les visites et réfections.
Le fonctionnement de l'installation, fonc tionnement qui correspond à une forme de réalisation du procédé suivant l'invention, est le suivant: .
Le régime de marche étant supposé établi, par les tuyères 27 est admis en continu dans la cavité 8, où la température est de l'ordre de 1000- à 1200 C, un mélange à la pression de 20 kg/cm-2 de vapeur d'eau, par exemple surchauffée à. 500-550 C, et de combustible pulvérisé, cependant que par les tuyères con centriques 28 est admise à la même pression une -quantité convenable de gaz oxydant à la même pression.
Les quantités seront précisées plus loin. Grâce à la direction tangentielle des tuyères, les jets provoquent une turbulence dans la cavité 8. Par conséquent, le mélange final qui entre dans cette cavité 8 y subit un brassage intense grâce auquel il subit une gazéification très poussée (90% au moins), conformément aux réactions suivantes:
EMI0004.0025
C'est donc un mélange formé essentielle ment de C0, C02, H, de l'excès d'H20 et 0 non utilisés et de la faible proportion de l'or dre de 101/o du carbone non brûlé qui gagne, par l'orifice 23, le conduit divergent 24. En pratique, ce mélange contient encore de l'azote, car on -utilise comme gaz oxydant de l'air et non exclusivement de l'oxygène.
Les particules de combustible non brûlé se trouvent entraînées vers ce conduit par les gaz, mais, en raison de l'action de la gravité, ces particules tendent à retomber et restent en fait dans le conduit 24 où elles continuent à brûler en donnant une nouvelle quantité de CO et de C02. Le volume gazeux aug mente. La forme divergente de ce conduit 24 permet de tenir compte de cette augmentation de volume.
Dans toute cette première partie de l'opé ration, il y a un dégagement de chaleur. Les parois métalliques sont protégées par le revê tement réfractaire 7.
Vers le sommet du conduit divergent 24 débouche dans le mélange ascendant la va peur d'eau éjectée en 63 par les tubes 62. Sous l'action de cette vapeur d'eau, il se pro duit dans la zone A -de l'installation: d'abord les réactions C+ 1320=C0 + H2 C + 2H20 = C02 + 2H2 avec les dernières traces de carbone, ce qui abaisse la température de la masse en termi nant la gazéification, puis, immédiatement au-dessus, la réaction <B>il CO</B> +H20=C02+H2+10cal. Au-dessus de cette zone A, au fur et à mesure que le mélange gazeux s'élève, la tem pérature s'abaisse progressivement, en raison de l'action de la chemise d'eau, pour attein- dre une valeur d'environ 300 C à la tubulure de sortie 26.
Par suite de cet abaissement de tempéra ture, il se produit, dans la zone B, une métha- nisation suivant les réactions
EMI0005.0005
Il convient de noter qu'accessoirement une petite portion de 2 à 3 % de méthane obtenu l'est dans la chambre de gazéification 8 et dans le conduit divergent 24 où a lieu une très légère méthanisation.
Par la tubulure de départ 26, on recueille donc un mélange gazeux formé de: C02, CO, H2 restant, CH4, H20 (vapeur d'eau en excès), le tout chargé d'inertes tels que de l'azote ainsi que de H2S et de la plus grande partie des cendres dues aux impuretés du combusti ble utilisé.
Une très grande partie de ces cendres est en effet entraînée par le mélange gazeux, de telle sorte que la quantité de cendres à extraire à travers le sas inférieur 13, par le jeu de clapets 14, 15, est très faible. A noter que le double clapet 14, 15 sert de clapet de sécurité grâce aux ressorts 17, 18 d'équili brage.
Il n'y a, par ailleurs, aucun dépôt de gou drons de prédistillation en raison de -la ga zéification initiale dans la cavité 8, de telle sorte que l'installation ne subit pratiquement aucun encrassage.
A lx sortie de l'installation, les gaz pro duits peuvent être conduits, comme connu en soi, à travers des appareils réfrigérants et dé- poussiéreurs, puis à travers une tour de la- - vage à l'eau, sous pression.
Suivant la teneur en soufre du combusti ble utilisé, on peut aussi faire traverser aux gaz un épurateur à oxyde de fer. Enfin, les gaz inertes, en particulier le C02, peuvent être éliminés à la manière connue.
Le rendement en méthane et voire même ses: homologues dépend essentiellement de di vers facteurs: composition initiale du chargement, pression dans l'installation, températures des produits introduits dans l'installation, échelle des températures le long de l'installa tion, durée t du passage des gaz dans la colonne. L'examen des systèmes d'équations rap pelées plus haut appelle lés observations sui vantes: En ce qui concerne les réactions I de ga zéification, celles aboutissant à la formation d'hydrogène sont endothermiques, d'où la né cessité d'une surchauffe maximum de la va peur d'eau admise (500 C 'au moins) pour que le bilan calorifique reste positif dans la cavité 8 de gazéification et ce malgré une consommation aussi faible que possible en oxygène.
Quant aux réactions II et III, ce sont des réactions exothermiques.
La réaction II est indifférente à la pres sion. Par contre, les réactions III de méthani- sation, qui s'accompagnent d'une diminution de volume, sont fortement influencées par la pression, car le volume des gaz décroît quand la méthanisation croît; la méthanisation est donc favorisée par la pression que l'on main tiendra de préférence entre 20 et 25 kg/em2; ou plus, la limite de la pression ne dépendant que de la résistance mécanique de l'installa tion.
Par ailleurs, cette méthanisation est fonc tion de la température et de la durée de la= réaction.
Pour la première des réactions III, la loi d'action de masse s'écrit
EMI0005.0031
les concentrations étant celles obtenues une fois l'équilibre obtenu. A<B>là</B> pression atmo sphérique, le coefficient K -décroît quand la température T croît suivant une fonction à allure hyperbolique. Par ailleurs, pour une valeur donnée de K correspondant à une tem pérature .donnée, le temps nécessaire pour.
l'établissement de l'équilibre sera -d'autànt plus court que la température T sera plus élevée, c'est-à-dire qu'aux basses températures la concentration théorique en CH4 est très forte, mais le temps nécessaire pour l'obten tion de cette concentration est très grand, et qu'aux hautes températures la concentration finale en. CH4 est faible, mais rapidement atteinte.
L'influence de la pression se traduit par une augmentation de la vitesse de réac tion, due à l'accroissement du nombre de chocs utiles entre molécules réagissantes, con formément à la théorie cinétique des gaz, ce qui est très favorable à la méthanisation. Il n'existe pas encore d'étude poussée permet tant de traduire par des courbes expérimen tales l'effet combiné de ces divers facteurs.
Ce qui est certain, c'est qu'on obtient la con centration maximum- en méthane par les moyens suivants _ - l. pression p élevée; 2 température T pas trop forte (de l'or dre -de 700 à 300 C) à condition de réaliser un temps de contact aussi grand que possi ble.
On reste évidemment maître de la pres sion p qui sera choisie de préférence entre 20 et 25 kg/cm2. Quant à la température T, dans la zone B de méthanisation, elle décroît régu lièrement de bas en haut de 650 à 700 C jus qu'à 3006 C environ, ces limites étant obtenues grâce: à la chemise d'eau, à l'action sur la température _ d'introduc tion de la vapeur d'eau, d'une part, dans la cavité 8 et, d'autre part, par les tubes 62, et au choix des proportions d'oxygène, de combustible et de vapeur d'eau introduits dans la cavité 8.
Plus la quantité de vapeur primaire est élevée,- la quantité d'o-xvgène restant cons tante, moins l'ensemble des réactions I est exothermique et plus la température en 8 et par suite dans l'ensemble de la colonne est basse.<B>'-</B> Enfin, la durée sera d'autant plus longue que la colonne sera plus haute, pour une même section horizontale.
Ceci posé, et à titre d'exemple, on obtient de très bons résultats en opérant à une pres sion de 20 kg/cm?, en introduisant: 1 dans la cavité 8 un mélange formé de:
EMI0006.0022
lignite <SEP> pulvérisée <SEP> à <SEP> 10 <SEP> 7
<tb> d'humidité <SEP> 1 <SEP> kg <SEP> environ
<tb> vapeur <SEP> d'eau <SEP> surchauffée <SEP> à
<tb> 500-550<B>0</B> <SEP> C <SEP> 0,8 <SEP> -à <SEP> 1 <SEP> kg
<tb> oxygène <SEP> à <SEP> la <SEP> température
<tb> ambiante <SEP> de <SEP> 206 <SEP> C <SEP> env. <SEP> 0,16 <SEP> à <SEP> 0,20-m', et ce à raison de<B>110</B> kg de ce mélange à la minute; 26 par les tubes 62, 25 à 40 kg de vapeur à 500-550 C par minute, _ la. durée de parcours des gaz dans la colonne étant de l'ordre de 30 secondes.
Dans ces conditions, les températures sont très sensiblement celles sus-indiquées.
La composition des gaz varie bien entendu tout au long de la colonne, et ce suivant le régime de température choisi.
La fig. 3 donne, à titre d'exemple, en fonc tion des températures T dans la cavité de gazéification 8, portées en abscisses, les quantités q en molécules/grammes, et pour 12 grammes de carbone effectivement gazéi fiés, d'une part, des, produits gazeux ou en traînés par le gaz à la sortie de la chambre de gazéification (C0, C02, H2, C) et, d'autre part, de l'oxygène et de l'eau introduits par les tuyères (02, H20).
A la sortie de l'installation, le gaz brut a, pour ce chargement, approximativement la composition suivante en volumes
EMI0006.0026
C02 <SEP> ._ <SEP> . <SEP> . <SEP> - <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 20 <SEP> à <SEP> 25
<tb> C <SEP> 0 <SEP> <B>...</B> <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 1,6 <SEP> à <SEP> 18
<tb> H2 <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 20 <SEP> à <SEP> 22 <SEP> %
<tb> CH4 <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 20 <SEP> à <SEP> 22
<tb> vapeur <SEP> d'eau <SEP> restante, <SEP> H2S,
<tb> inertes <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> .
<SEP> 15 <SEP> à <SEP> 20 Après lavage, enlèvement des poussières entraînées et absorption de C02 et H2S, on obtient un mélange gazeux ayant,- approxima tivement, les caractéristiques suivantes: Composition
EMI0007.0001
CO <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> < 22 <SEP> %.
<tb> C02 <SEP> ......... <SEP> < <SEP> 5%
<tb> H2 <SEP> + <SEP> CH4 <SEP> <B>.....</B> <SEP> 65 <SEP> à <SEP> 70 <SEP> <B>/0,1</B> <SEP> environ
<tb> inertes <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> < <SEP> 10 <SEP> j Densité par rapport à l'air: 0,45à 0,50.
Pouvoir calorifique supérieur (eau condensée) : 4000 à 4200 cal./in3.
Le rendement est de l'ordre de 0,800 m3 de gaz épuré à 16 C, 760 mm de mercure par kilo de lignite traitée.
Une colonne de un mètre environ de dia mètre et six à sept mètres de hauteur peut produire environ 50 000 m3 de gaz épuré par v ingt-quatres heures.
Les principaux avantages du procédé et de l'installation décrits sont les suivants obtention d'un gaz de ville à haut pouvoir calorifique (supérieur à 4000 cal./ms) à par tir de fines qui peuvent être cendreuses et pauvres et qui sont pratiquement inutilisables l'heure actuelle; combustion quasi complète du combustible dont les grosses particules entraînées par le courant de gaz retombent par gravité; installation simple, dans laquelle- il n'y a aucun encrassement, car tout dépôt de gou clron est supprimé; peu de cendres à évacuer, celles-ci, très fines, sont entraînées par le gaz produit qu'il suffit de dépoussiérer;
pas de formation de mâchefers, donc pas de nécessité d'éléments mobiles comme les grilles tournantes rotatives usuelles de cons truction compliquée et fragile.
Le gradient de température le long de la colonne dépendra en grande partie du rap port entre la hauteur et le diamètre de la co lonne pour un débit donné.
Au lieu d'introduire une partie de la va peur d'eau directement, dans la zone A, on pourrait introduire toute la vapeur d'eau né cessaire. directement dans la chambre de gazéification, ,,mais cette dernière solution aurait -l'inconvénient d'abaisser la tempéra ture de'- gazéification, inconvénient supprimé par la solution décrite à deux entrées de va peur d'eau:
Au lieu de traiter du combustible solide pulvérisé, . on peut utiliser un combustible liquide ou pâteux amené par des pompes de circulation aux tuyères, avec ou sans réchauf fage préalable, ce combustible étant divisé en particules par éjection hors desdites tuyères.
La pression supérieure de 25 kg/cm2 ne représente pas le maximum utilisable sous ré serve que les parois de l'installation aient une résistance appropriée, car plus la pression sera élevée, plus le gaz sera riche en C134 et en carbures supérieurs. - Enfin, l'installation peut -comporter plu sieurs<B>-</B>colonnes en parallèles; les moyens d'a;li- iuentation leur étant communs ou non..
Process and installation for the production of town gas. The present invention relates to a process for the production of town gas.
This process is characterized in that the combustible particles are gasified under pressure with the aid of water vapor and an oxidizing gas and that the gases obtained are carried out, containing CO and always maintained substantially at the same pressure, a path during which they are gradually cooled so as to first cause the reaction CO -f- H20 = C02 -I- H2 + 10 calories then methanization reactions.
The subject of the invention is also an installation for the implementation of this process. This installation is characterized in that it comprises a chamber of elongated shape, one of the ends of which forms a heat-insulated gasification chamber provided with means for introducing therein under pressure the combustible particles, water vapor and gas. oxidizing gas, this cavity being followed by an elongated cavity, provided with cooling means making it possible to adjust the temperature throughout this cavity, which ends with an opening for the gas obtained.
Preferably, said enclosure forms a vertical column and the gasification cavity is arranged at its lower end. Thanks to this arrangement, the combustible particles which would not have been gasified and which the gases produced would tend to entrain upwards descend again by gravity.
In the accompanying drawing, given solely by way of example: FIG. 1 is a vertical section, longittt- dinalë, of an embodiment of the installation according to the invention.
Fig. 2 is a horizontal section; along line II-II of FIG. 1, of the column itself of this installation.
Fig. 3 is a graph giving, <B> - </B> as a function of the temperatures in the gasification cavity, plotted in abscissa, the quantities in molecules / grams (polishing 12 g of carbon effectively gasified), on the one hand , gaseous products or products entrained by gas (CO-C02-H2-C) at the outlet of the gasification chamber and, on the other hand, oxygen and water vapor (02-H20 ) introduced into said cavity. Following the example of execution shown in FIGS. 1 and 2,
the installation comprises a frame 1 on the upper table 2 of which is fixed, by fittings 3, a long vertical tubular body 4 of cylindrical shape, of axis xx formed by a tight assembly of sheets, capable of withstanding, with all the . usual safety margin, at a useful internal pressure of at least 20 kg per cm2. .
Except at its base, this column is lined, internally and at a certain distance, so as to form a water jacket 5, by soot second metal wall 6.
The lower part of the column comprises, internally, a thick heat-insulating coating 7, leaving a cavity in the center 8. This cavity preferably has the shape of a body of revolution around the axis xx, its radial section. having a substantially trapezoidal shape abcd, and. the generated surface. being at least approximately inscribed in a sphere.
The bottom of this cavity 8 communicates pir -an orifice 9 of preferably flared shape downwards and formed in the ca lor-repellent coating 7 and via a metal duct 10, cooled by a jacket 12 with external circulation of Water or other fluid, with an airlock 13, intended for the evacuation of the few ash formed and remaining in the cavity 8. This airlock 13 is. provided with an inlet valve 14 and an outlet valve 15. The latter valve communicates this airlock with an evacuation duct 16.
These valves 14, 15 can open automatically or be opened by hand against resilient return devices 17, 18. The opening by hand is ensured for example by means of a rod respectively. 19 and a tube 20, in which this rod slides, and rods 21 and 22.
The cavity 8 opens, upwards, at 23, into a divergent duct 24 of a similar or similar conical shape, formed inside the internal wall 6 by the heat fuge coating 7. This duct 24 opens directly into the part. non-insulated cylindrical body 6 which forms above this duct a long cavity 25, simply surrounded by the water jacket 5.
To fix ideas, the length of the frustoconical part 24 is of the order of 2.50 to 3 m and that of the cylindrical part of the cavity 25 of the order of 3.50 to 4 m, for a diameter internal of this cavity of the order of 1 to 1.20 m.
From the upper end of the cavity 25 there is a pipe for discharging the formed gases.
This column is completed by the feed means described below. A certain number of injection nozzles, oriented so that their jets are directed tangentially to the cavity and towards the orifice 23 which communicates this cavity with the divergent duct 24 ( see in Fig. 2 the arrows indicating in plan the direction of said jets).
In fact, each nozzle is double or, for greater precision, formed of two concentric nozzles 27 and 28.
Each internal nozzle 27 is supplied independently of the other nozzles 27 by a pipe 30 with a pressurized mixture of water vapor and pulverized fuel. The pressure is, for example, 20 lig / cm2. Water vapor is. superheated to a temperature of the order of 500 to 550 C approximately. The fuel particles are, for example, such that they pass through a sieve of 200 meshes per cm 2. The proportions of water vapor and fuel will be specified later.
Each pipe 30 is provided with an adjustment valve 31. The mixture under pressure is obtained upstream of this valve in any suitable manner.
In fig. 1, only the supply means relating to a nozzle 27 have been shown; the means relating to the other nozzles are identical.
According to this exemplary embodiment, each duct 30 is supplied, upstream of the valve 31, with superheated water vapor by firing from any generator of the classi type 32a, for example giving superheated steam to the surroundings. of 550 C under a pressure of the order of 40 lig / cm2.
Between this generator and the valve 31 is placed on the pipe 30, to the right of each atomized fuel distributor, an ejector formed by a nozzle 32 opening into an ejector body 33. This body is in communication, by a opening 34 provided at its upper part, with the bottom of a sealed enclosure 35. At the top of this enclosure opens the lower opening 36 of a hopper 37 containing the pulverized fuel 38. A rotary disc distributor 39 , driven for example by an electric motor 40, and a scraper 41 ensuring the distribution of fuel in the form of a jet 42 which falls in free fall towards the opening 34.
The enclosure 35 is under pressure to about 20 kg / cm2 because of the expansion caused by the ejector. The same pressure is exerted in the upper chamber 43 of the hopper, above the pulverized material 38, thanks to a pipe 44 which communicates the enclosure 35 and the top of the hopper.
To avoid condensation, at 43, of part of the superheated steam which is thus admitted there at a pressure of the order of 20 kg / cm2, the hopper has. a double wall 45 in communication with the pipe 30 by a pipe 46; iui distributor 47 is provided on this tubing to lower the pressure of the generator to a value of the order of that (20 kg / cm2) prevailing at 43 in the hopper. It is thus possible to maintain inside the hopper and, in particular, in the upper chamber 43, a temperature of the order, for example, of 200 ° C., avoiding any condensation of water in this hopper.
Each peripheral nozzle 28 is intended for the admission into the gasification cavity 8, of oxidizing gas, at the same pressure as the water vapor / atomized fuel mixture, ie for example 20 kg / cm2. Each of these nozzles receives the oxidizing gas under pressure via a pipe 49. Only a pipe 49 has been shown, the similar pipes relating to the various nozzles 28 are connected in parallel to a common source of oxidizing gas under pressure. On each pipe 49 is provided a control valve 50, preferably subject to the flow of the water vapor-fuel mixture sprayed and this using any of the known flow meters used for controls of this kind .
To fix ideas, this flowmeter can be constituted in substance in the following way: On either side of a diaphragm 51, housed in the pipe 30, relating to the conjugate internal nozzle 27, is provided an outlet pressure differential, formed of two tubes 52 and -53 which end in a sealed housing 54 on either side of a membrane 55. This membrane, held by two opposing springs 56 and 57, is connected to the control rod 58 a servo motor 59 of any known type, hydraulic, pneumatic or otherwise.
The latter, by a rod 60 and a lever 61, for example, controls the valve 50 as a function of the difference in pressures prevailing on either side of the diaphragm 51 in the pipe 30, that is to say - say ultimately according to the flow of water vapor through this diaphragm.
The installation is completed by a series of pipes 62 for admitting superheated water vapor into the elongated cavity 25., substantially at the upper end of the divergent duct 24. The vapor which descends inside. laughter of these pipes 62 is overheated by the ascending gases.
The pipes 62 are open at their lower ends where they terminate, preferably, with nozzles 63, directed obliquely from top to bottom, towards the x-x axis. Preferably, these pipes 62 extend upwards, substantially over the entire height of the cavity 25; they exit radially at their upper ends and are connected to a circular collector 64. This collector is itself connected to a source of water vapor overheated to a temperature of the order of 500 to 550 C.
In the example shown, 'this reader neck 64 is connected purely and simply to the generator 32, by a pipe 65 with an adjustment valve 66 and a regulator 67 allowing superheated water vapor to be admitted into the cavity .25 and at a pressure equal to that prevailing in the column.
The regulating valve 66 can be manually operated; as shown, or, on the contrary, be slaved to a control device, such as a thermostat, as a function of the temperature in the lower gasification cavity 8, so that the flow of steam arriving through the nozzles 63 -in enclosure 25 increases when the temperature increases in this cavity 8.
The water jacket 5 ensures a regularly decreasing temperature from bottom to top in the enclosure 25; it receives water through a pipe 68, while the water vapor formed escapes through a pipe 69 either to any device for use, or to the generator 32 itself, or even to the tubes 62. Preferably, this water is admitted at ambient temperature and under a pressure of the order of that prevailing in enclosure 25, so that internal wall 6 is substantially in pressure equilibrium on these external and internal faces. and can, therefore, be less resistant than the outer wall 4.
The installation is also completed by all the usual control devices, such as a pyrometer 70 in the cavity 8, another pyrometer-.71 at the level of the nozzles 63, a thermometer 72 on the outlet pipe 26, a . manometer 73 on cavity 8, etc.
.Des. manholes 74 and 75 allow visits and repairs.
The operation of the installation, operation which corresponds to an embodiment of the method according to the invention, is as follows:.
The operating regime being assumed to be established, by the nozzles 27 is admitted continuously into the cavity 8, where the temperature is of the order of 1000- to 1200 C, a mixture at the pressure of 20 kg / cm-2 of steam of water, for example superheated to. 500-550 C, and of pulverized fuel, while by the concentric nozzles 28 is admitted at the same pressure a suitable quantity of oxidizing gas at the same pressure.
The quantities will be specified later. Thanks to the tangential direction of the nozzles, the jets cause turbulence in the cavity 8. Consequently, the final mixture which enters this cavity 8 undergoes there an intense stirring thanks to which it undergoes a very extensive gasification (90% at least), according to the following reactions:
EMI0004.0025
It is therefore a mixture formed essentially of C0, C02, H, excess H20 and 0 not used and the low proportion of the order of 101 / o of unburned carbon which gains, by the 'orifice 23, the divergent duct 24. In practice, this mixture still contains nitrogen, since air is used as oxidizing gas and not exclusively oxygen.
The particles of unburned fuel are found entrained towards this duct by the gases, but, due to the action of gravity, these particles tend to fall back and in fact remain in the duct 24 where they continue to burn giving a new amount of CO and C02. The gas volume increases. The divergent shape of this duct 24 makes it possible to take account of this increase in volume.
Throughout this first part of the operation, there is a release of heat. The metal walls are protected by the refractory lining 7.
Towards the top of the divergent duct 24 opens into the ascending mixture the water vapor ejected at 63 by the tubes 62. Under the action of this water vapor, it is produced in zone A of the installation. : first the reactions C + 1320 = C0 + H2 C + 2H20 = C02 + 2H2 with the last traces of carbon, which lowers the temperature of the mass by terminating the gasification, then, immediately above, the reaction < B> il CO </B> + H20 = C02 + H2 + 10cal. Above this zone A, as the gas mixture rises, the temperature gradually decreases, due to the action of the water jacket, to reach a value of. approximately 300 C at the outlet pipe 26.
As a result of this lowering of temperature, there occurs in zone B a methanization following the reactions
EMI0005.0005
It should be noted that incidentally a small portion of 2 to 3% of methane obtained is obtained in the gasification chamber 8 and in the divergent pipe 24 where a very slight methanization takes place.
Via the starting pipe 26, a gaseous mixture is therefore collected formed of: C02, CO, H2 remaining, CH4, H20 (excess water vapor), the whole loaded with inert substances such as nitrogen as well as H2S and most of the ash due to impurities in the fuel used.
A very large part of this ash is in fact entrained by the gas mixture, so that the quantity of ash to be extracted through the lower lock 13, by the set of valves 14, 15, is very low. Note that the double valve 14, 15 serves as a safety valve thanks to the springs 17, 18 balancing.
There is, moreover, no deposit of pre-distillation studs due to the initial gasification in the cavity 8, so that the installation undergoes practically no clogging.
On leaving the installation, the gases produced can be conducted, as is known per se, through refrigerating and dust-removing devices, then through a water washing tower, under pressure.
Depending on the sulfur content of the fuel used, the gases can also pass through an iron oxide scrubber. Finally, inert gases, in particular CO2, can be removed in the known manner.
The yield of methane and even its: counterparts depends essentially on various factors: initial composition of the charge, pressure in the installation, temperatures of the products introduced into the installation, temperature scale along the installation, duration t the passage of gases in the column. The examination of the systems of equations mentioned above calls for the following observations: With regard to the ga zeification reactions, those resulting in the formation of hydrogen are endothermic, hence the need for overheating maximum of the permissible fear of water (500 C ′ at least) so that the calorific balance remains positive in the gasification cavity 8 and this despite consumption as low as possible of oxygen.
As for reactions II and III, they are exothermic reactions.
Reaction II is indifferent to pressure. On the other hand, the reactions III of methanization, which are accompanied by a decrease in volume, are strongly influenced by the pressure, since the volume of the gases decreases when the methanization increases; anaerobic digestion is therefore favored by the pressure which one hand will preferably hold between 20 and 25 kg / em2; or more, the pressure limit depending only on the mechanical resistance of the installation.
Furthermore, this methanization is a function of the temperature and of the duration of the reaction.
For the first of reactions III, the law of mass action is written
EMI0005.0031
the concentrations being those obtained once the equilibrium has been obtained. At <B> there </B> atmospheric pressure, the coefficient K - decreases when the temperature T increases according to a function with hyperbolic rate. Moreover, for a given value of K corresponding to a given temperature, the time required for.
the establishment of the equilibrium will be -d'autànt shorter than the temperature T will be higher, that is to say that at low temperatures the theoretical concentration of CH4 is very high, but the time necessary for the obtaining this concentration is very large, and that at high temperatures the final concentration in. CH4 is weak, but quickly reached.
The influence of the pressure results in an increase in the reaction speed, due to the increase in the number of useful shocks between reacting molecules, in accordance with the kinetic theory of gases, which is very favorable to methanization. No in-depth study has yet made it possible to translate the combined effect of these various factors into experimental curves.
What is certain is that the maximum concentration of methane is obtained by the following means _ - l. high p pressure; 2 temperature T not too high (of the order of 700 to 300 C) provided that the contact time is as long as possible.
We obviously remain in control of the pressure p which will be preferably chosen between 20 and 25 kg / cm2. As for the temperature T, in the anaerobic digestion zone B, it decreases steadily from the bottom to the top from 650 to 700 C until about 3006 C, these limits being obtained thanks to: the water jacket, the action on the temperature _ of introduction of the water vapor, on the one hand, into the cavity 8 and, on the other hand, through the tubes 62, and the choice of the proportions of oxygen, fuel and water vapor introduced into the cavity 8.
The higher the quantity of primary vapor, - the quantity of o-xvgene remaining constant, the less the set of reactions I is exothermic and the lower the temperature in 8 and consequently in the whole of the column. B> '- </B> Finally, the longer the longer the column, for the same horizontal section.
This being said, and by way of example, very good results are obtained by operating at a pressure of 20 kg / cm ?, by introducing: 1 into the cavity 8 a mixture formed of:
EMI0006.0022
lignite <SEP> pulverized <SEP> to <SEP> 10 <SEP> 7
<tb> humidity <SEP> 1 <SEP> kg <SEP> approximately
<tb> steam <SEP> water <SEP> superheated <SEP> to
<tb> 500-550 <B> 0 </B> <SEP> C <SEP> 0.8 <SEP> -to <SEP> 1 <SEP> kg
<tb> oxygen <SEP> at <SEP> the <SEP> temperature
<tb> ambient <SEP> from <SEP> 206 <SEP> C <SEP> approx. <SEP> 0.16 <SEP> to <SEP> 0.20-m ', and this at a rate of <B> 110 </B> kg of this mixture per minute; 26 through tubes 62, 25 to 40 kg of steam at 500-550 C per minute, _ la. gas travel time in the column being of the order of 30 seconds.
Under these conditions, the temperatures are very substantially those indicated above.
The composition of the gases naturally varies throughout the column, and this depending on the temperature regime chosen.
Fig. 3 gives, by way of example, as a function of the temperatures T in the gasification cavity 8, shown on the abscissa, the quantities q in molecules / grams, and for 12 grams of carbon actually gasified, on the one hand, , gaseous products or products dragged by the gas at the outlet of the gasification chamber (C0, C02, H2, C) and, on the other hand, oxygen and water introduced by the nozzles (02, H20 ).
At the outlet of the installation, the raw gas has, for this loading, approximately the following composition in volumes
EMI0006.0026
C02 <SEP> ._ <SEP>. <SEP>. <SEP> - <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 20 <SEP> to <SEP> 25
<tb> C <SEP> 0 <SEP> <B> ... </B> <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 1.6 <SEP> to <SEP> 18
<tb> H2 <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 20 <SEP> to <SEP> 22 <SEP>%
<tb> CH4 <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 20 <SEP> to <SEP> 22
<tb> steam <SEP> of water <SEP> remaining, <SEP> H2S,
<tb> inert <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>.
<SEP> 15 <SEP> to <SEP> 20 After washing, removal of the entrained dust and absorption of C02 and H2S, a gas mixture is obtained having, - approximately, the following characteristics: Composition
EMI0007.0001
CO <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> <22 <SEP>%.
<tb> C02 <SEP> ......... <SEP> <<SEP> 5%
<tb> H2 <SEP> + <SEP> CH4 <SEP> <B> ..... </B> <SEP> 65 <SEP> to <SEP> 70 <SEP> <B> / 0.1 < / B> <SEP> approximately
<tb> inert <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> <<SEP> 10 <SEP> j Density in relation to air: 0.45 to 0.50.
Superior calorific value (condensed water): 4000 to 4200 cal./in3.
The yield is of the order of 0.800 m3 of gas purified at 16 ° C., 760 mm of mercury per kilogram of lignite treated.
A column about one meter in diameter and six to seven meters high can produce approximately 50,000 m3 of clean gas per twenty-four hours.
The main advantages of the method and the installation described are the following obtaining a town gas with high calorific value (greater than 4000 cal./ms) by firing fines which can be ashy and poor and which are practically unusable the current time; almost complete combustion of the fuel, the large particles of which carried by the gas stream fall down by gravity; simple installation, in which there is no fouling, because all deposits of clron tar are removed; little ash to be evacuated, these, very fine, are entrained by the gas produced which it suffices to remove dust;
no formation of bottom ash, therefore no need for moving parts such as the usual rotating rotating grids of complicated and fragile construction.
The temperature gradient along the column will largely depend on the ratio of column height to column diameter for a given flow rate.
Instead of introducing part of the water vapor directly, into zone A, all the necessary water vapor could be introduced. directly in the gasification chamber, ,, but the latter solution would have the disadvantage of lowering the gasification temperature, a disadvantage eliminated by the solution described with two inlets for fear of water:
Instead of treating pulverized solid fuel,. it is possible to use a liquid or pasty fuel supplied by circulation pumps to the nozzles, with or without prior heating, this fuel being divided into particles by ejection from said nozzles.
The higher pressure of 25 kg / cm2 does not represent the maximum that can be used provided that the walls of the installation have an appropriate resistance, because the higher the pressure, the richer the gas will be in C134 and higher carbides. - Finally, the installation can -contain several <B> - </B> columns in parallel; the means of relief being common to them or not.