GAZ A L'EAU
Principe. — Réaction chimique, -r Le principe de la fabrication du gaz àTeau repose sur la réaction chimique suivante :
C + H' O (vap.) = CO + H' 12 kg. + 18 kg. donnent 44,65 m*
— 58 200 Cal. + 30.000 Cal. =z — 28.200 Cal.
Cette formule de réaction conduirait à un rendement en volume de 3,75 m* par kg. de carbone pur. C'est là seulement un rendement théorique, car en réalité, la réaction est endothermique, elle absorbe 28. 200 Cal., différence entre la chaleur latente de décomposition de la vapeur d'eau, 58.200 Cal. et la chaleur de formation de Toxyde de carbone : 30.000 Cal. Il faut, en dehors du charbon servant à la réaction, en brûler une certaine quantité pour compenser cette absorption^ sans parler de celle qui est nécessaire pour porter Teau et le charbon à leur température de réaction.
Si Ton envisage que 12 kg. de carbone dégagent en brûlant 98.000 Cal., il est facile de calculer que la combustion de 3,5 kg. de carbone sera nécessaire pour fournir les 28.000 Cal. demandées, ce qui porte à 15,5 kg. le poids du carbone indispensable à la réaction ci-dessus, supposée effectuée à partir de l'eau vapeur.
En partant de Teau liquide, dont la décomposition exige 69.000 Cal. au lieu de 58.200 Cal., un calcul analogue permettraitde voir qu'un supplément de 4,8 kg. de carbone est nécessaire à la même réaction, ce qui porterait à 16,8 kg. le poids du carbone employé.
En résume donc :
avec l'eau vapeur 15,5 kg. de carbone donnent 44,65 m' de gaz; avec Teau liquide 16,8 kg. — — —
Soit encore :
dans le premier cas 2,90 m* de gaz par kg. de carbone,
et dans le second 2,65 m' de gaz par kg. de carbone,
en supposant, bien entendu, qu'il ny ait pas de perte de chaleur,
et en négligeant la chaleur nécessaire pour échauffer les corps
à leur température de réaction, voisine de 1000**.
Si Ton considère, non plus du carbone pur, mais un charbon à 10 0/0 de cendies et à 3 0/0 d'eau hygrométrique, on trouve qu'avec Tcau vapeur :
I kg. de charbon donne 2,9X0,85 — 2,36 m* de gaz; et qu'avec Teau liquide : — — —
I kg. de charbon donne 2,6$XP,8$ =2,25 m' de gaz, toujours sans tenir compte des pertes de chaleur.
On obtient pratiquement de 2 m' à 2,4 m* par kg. de charbon. Ces rendements élevés, presque théoriques, tiennent à deux causes : 1° à ce que le charbon employé renferme des produits volatils; 2° au mélange d^azote de l'air entraîné avec les gaz pendant la fabrication.
Composition. — Le gaz théorique pur de coke renfermerait 50 0/0 de chacun des deux gaz, oxyde de carbone et hydrogène; en fait, le gaz obtenu industriellement présente la composition suivante, abstraction faite de la vapeur d'eau, qui n'est pas dosée dans les analyses :
Hydrogène 50
Oxyde de carbone 40
Acide carbonique 5
Azote 5
Total 100
Le gaz obtenu avec la houille renferme plus d'hydrogène et un peu de méthane.
Pouvoir calorijique, — La quantité de chaleur dégagée par la combustion du gaz à l'eau (pour eau vapeur) est donnée par les chifires suivants :
I m* de gaz théorique sous 760 mm. demercure dégage 2820 Gil. I m* de gaz réel (10 0/0 de gaz inerte) — 2540 Cal,
ACÉTYLèNE ET GAZ A l'eAU 2i^
Dans les mêmes coaditions le mètre cube de gaz d'éclairage dégage 5.100 Calories.
Température de combustion. — Le tableau suivant donne la température de combustion du gaz à l'eau comparée à celles de différents gaz combustibles et du carbone.
Gaz à feau théorique . 2.0.10**
Gaz à l'eau réel (10 0/0 de gaz inertes) . . i-95o
Gaz d'éclairage 1.900
Oxyde de carbone 1 .000
Hydrogène i 970
Méthane i 850
Carbone 2.040
limites d'inflammabilité. — Les limites d'mflimmabilité sont les suivantes :
Limite inrérieur« Limite rapérieure
Gaz à l'eau théorique. . . . 13,70/0 30 0/0
Gaz à Teau réel 15 3^m5
Gaz d'éclairage 8,1 15
Fabrication, — Le procédé de fabrication, qui semble être le plus simple, consisterait à faire passer un courant de vapeur d'eau sur du charbon chauffé dans une cornue. Mais les cornues de terre ou de fonte étant perméables au gaz hydrogène, le procédé n'est pas pratique.
En fait, le principe de la fabrication est le suivant : on brûle pir un courant d'air, dans un gazogène à enveloppe métallique étanche, du charbon en couche épaisse ; une fois la masse du combustible en ignition portée à une température suffisante, on substitue au courant d'air un courant de vapeur. Celle-ci se décompose d'après la formule de réaction indiquée, en donnant le gaz à l'eau; mais par le fait de la réaction, la température s'abaisse et la production du gaz s'arrête bientôt. Ou recommence alors à faire passer de Tair pour brûler une nouvelle quantité de charbon et réchauffir la masse. Oa continue ainsi ces arrivées alternatives d*air et de vapeur d'eau.
268 INTRODUCTION A l'ÈTUDF. DE LA MÈTALI.URGIE
Le croquis schématique (tig. 41) donne une idée des appareils employés aujourd'hui. A gauche, le gazogène où passent alternativement l'air et la vapeur; à droite, un récupérateur rempli de poteries réfractaires, qui alternativement retiennent la chaleur
perdue des fumées pendant le chauffage et rendent ensuite cette chaleur à la vapeur servant k la production du gaz.
Hiitoriqn». — LOwe (États-Unis). — Les premiers appareils industriels pour la fabrication du gaz à l'eau furent imaginés en 1874 par Ltiwe, et employés pour h première fois industriellement aux États-Unis, où ils servaient ï la ptoducdon d'un gaz d'éclairage, constitué par un mélange de gaz n l'eau et de gaz de pétrole. L'appareil se composait d'un gazogène et d'un récupérateur de dimensions analogues ; ils éraient l'un et l'autre enveloppés de tôle et constitués intérieurement par un revêtement réfracuire de 0,70 m. de diamètre. Les hauteurs seules différaient : 2,76 m. pour le gazogène et 4,70 m. pour le récupérateur.
Le gazogène était chargé d'anthracite servant à la fabrication du gaz à l'eau. Le récupérateur était rempli par un empilage de
AcèTYLÈNE ET GAZ A l'eaU lé^
briques à travers lequel cheminaient les produits de la combustion du coke pendant le soufflage à Tair. La température des briques s'élevait alors considérablement ; cette chaleur accumulée par le récupérateur servait ensuite à décomposer une certaine quantité de pétrole et à le transformer en gaz.
Dans cette seconde phase de l'opération, le courant d'air étant arrêté, on envoyait à sa place un jet de vapeur à la base du gazogène ; cette vapeur réagissait sur le charbon en donnant du gaz à Teau, au milieu duquel on injecuit par pulvérisation au sommet du gazogène du pétrole. Ce mélange de gaz et de pétrole traversait ensuite le récupérateur où se produisait la décomposition des vapeurs de pétrole.
La période de soufflage à Tair et celle de soufflage à la vapeur étaient égales et duraient chacune une demi-heure. L'appareil, des dimensions indiquées plus haut^ produisait 84 m* de gaz à Theure.
La consommation pour 100 m' de gaz était :
71 kilogrammes d'anthracite dans le gazogène, 34 — — dans la chaudière,
51 litres de pétrole,
Une intallation de six appareils pouvait donner 19.000 m* par 24 heures.
La composition du gaz en volume était :
Acide sulfhydrique 0,4 e
Anhydride carbonique 2,29
Oxygène 0,20
Oxyde de carbone 20,04
Hydrogène J
Méthane > 69
Azote }
Carbures (absorbables par le brome) 7,99
Le pouvoir éclairant était 20 bougies, soit 1/5 de plus que celui du gaz d'éclairage français actuel.
L'emploi de ce gaz mixte pour l'éclairage a pris un assez grand développement aux États-Unis, en raison du bon marché du
lyO INTRODUCTION A l'ÉTUDE DE LA MÉTALLURGIE
pétrole. Ce gaz a l'inconvénient de renfermer une très fone proportion drayde de carbone, trois fois plus grande que celle du gaz d'éclairage ordinaire ; il est par conséquent plus dangereux encore à respirer :
Sirong. — Un an après Tin veutiou de Lôwe, en 1875, un ^^^^^ ingénieur américain, Strong, de New- York, eut l'idée d'utiliser le gaz à Teau comme combustible de chauffage dans les usines, en le fabriquant seul, sans addition de pétrole. Son appareil est sensiblement le même que celui de Lôwe, mais le fonctionnement est notablement différent. La vapeur d'eau, au lieu de circuler dans le même sens que l'air, à travers la masse de charbon, est envoyée en sens inverse et commence par traverser le récupérateur où elle s'échauffe à une température très élevée, de telle sorte qu'il est possible d'en décomposer une plus grande quantité, avant que le gazogène soit refroidi au point de nécessiter un nouveau soufflage d'air.
Le gazogène et le récupérateur de Strong avaient même hauteur, 4,50 m. et même diamètre intérieur, i m. Le soufflage de l'air et de la vapeur s'eflectuaient sous une pression de 30 mm. d'eau, chaque opération donnait 280 m' de gaz au lieu de 84 dans le procédé de Lôwe. On obtenait 1,37 m* de gaz par kg. de charbon brûlé. La composition de ce gaz en volume était :
Hydrogène 52,8
Oxyde de carbone 3 5. 90
Acide carbonique 2,00
Méthane 4» 10
Azote 4.43
Oxygène o 77
La teneur en méthane indiquée est certainement exagérée; on a dû, par suite d'une erreur très fréquente dans les anal3rses de mélanges gazeux, compter comme méthane, une certaine quantité d*oxyde de carbone.
Wiikovjit:^. — Le gaz à Teau de Strong reçut quelques applications dans les usines métallurgiques^ notamment pour la soudure
AcèTYLÈNE ET GAZ A l'eAU Ijt
des tubes en métal ; mais en dehors de circonstances particulières, ce mode de chauffage était trop dispendieux pour pouvoir se généraliser, car la gazéification du charbon par ce procédé entraînait une perte de 30 0/0 de son pouvoir calorifique. Il était impossible en effet de récupérer toutes les chaleurs perdues emportées pendant le soufflage à Tair du gazogène. Les fumées, en dehors de la chaleur sensible, entraînent, sous forme d*oxyde de carbone, une grande quantité de chaleur latente. On avait bien essayé de brûler ce gaz pour chauffer davantage le récupérateur, mais on mettait rapidement les appareils hors de service sans accroissement correspondant du rendement. En fait, la récupération était limitée, parce qu'une masse donnée de vapeur d eau ne peut emmagasiner qu'une quantité déterminée de chaleur, et le récupérateur lui en offrait plus qu'elle n'en pouvait recevoir. En supprimant la combustion du gaz de gazogène, et chauffant le récupérateur, seulement avec la chaleur sensible des fumées, on avait le même rendement en gaz à Teau, sans abîmer les appareils.
En présence de cette impossibilité de récupérer la chaleur latente, emportée par les fumées pendant le soufflage de Tair, les ingénieurs de l'usine de Witkowitz, en Autriche, eurent Tidée de combiner, avec la fabrication du gaz à Teau, l'emploi du gaz de gazogène, obtenu pendant une moitié de l'opération, pour chauffer des fours à acier. Le gaz à Teau servait soit à certaines opérations spéciales de chauffage^ soit à l'éclairage de l'usine, par les procédés à incandescence.
Les appareils employés donnaient pour i tonne de coke :
940 m' de gaz à Teau 1.700 m' de gaz de gazogène.
La consommation de ce dernier gaz était, pour la fusion de Tacier, de 5.000 m* par tonne produite, et pour le réchauffage avant laminage, 270 m^
C'est dans cette usine que Ton a commencé à utiliser le gaz à Teau pour l'éclairage par incandescence ; on l'employait à chauffer
27i INTRODUCTION A L ETUDE DE LA METALLURGIE
de petits paniers en fils de magnésie, le rendement était faible et décroissait rapidement.
Un bec de 150 1. à l'heure donnait au début 20 bougies ou 2 carcels.
— — après 50 heures 15 bougies
— — 100 heures 10 bougies
Le gaz étant fabriqué dans Tusine pour d'autres usages, auxquels incombait l'amortissement des installations, n'avait pas un prix de revient bien élevé. Les paniers en magnésie revenaient à 0.15 fr. la pièce.
Une société se fonda alors en Autriche pour l'éclairage des petites villes au moyen de l'incandescence combinée avec l'emploi du gaz à l'eau. Pendant longtemps, le succès fut très médiocre, mais la découverte par Auer des manchons au thorium additionné de cérium, d'un rendement lumineux bien plus élevé que ceux à la magnésie, et les perfectionnements plus récents apportés à la fabrication du gaz à Teau^ ont redonné depuis un certain nombre d'années un nouvel intérêt à cet emploi du gaz à Teau.
Delwîck, — Un perfectionnement considérable dans la fabrication du gaz à Teau, fut réalisé par un ingénieur suédois, Delwick. 11 ne semble pas, cependant, à la lecture de ses brevets, qu'il ait eu conscience de l'intérêt, ni même de la nature exacte de sa découverte : l'importance de cette invention fut reconnue ultérieurement par Fischer, Tingénieur de la société allemande qui avait pris l'exploitation des brevets suédois.
Jusque-là, on donnait une durée égale, ou sensiblement telle au soufflage de Tair et ï celui de la vapeur d'eau. Delwick proposa un soufflage énergique de l'air avec des pressions de 30 à 50 cm. d'eau, soit 10 fois plus grandes que les pressions employées antérieurement, de telle sorte que finalement, la durée du passage de l'air pouvait être rendue 10 fois moindre que celle du passage de la vapeur d'eau. Il en résulte qu'en maintenant la température de la masse de combustible à des températures peu supérieures à 1000°, on peut, grâce à la lenteur des réactions chimiques, ne produire que de l'acide carbonique pendant le passage de l'air, et évi*
