RÉCUPÉRATION DES SOUS-PRODUITS
GAZOGÈNE MOND. - GAZOGÈNE DUPP^
1. Récupération des sous-produits. Tourbe et bois. — Charbons bitumineux riches en azote. — Production d'AzH 3 . — Dans le chapitre précédent, nous avons étudié une installation due à M. Lencauchez permettant la récupération des sousproduits au moyen de lavages méthodiques des gaz du gazogène avec des eaux à des températures différentes. Dans son ouvrage sur les Combustibles , ce savant ingénieur a vivement préconisé l'emploi des gazogènes comme appareils de distillation avec récupération des sous-produits lorsqu'il s'agit de tourbe et de bois.
11 est relativement facile de distiller ces combustibles à basse température, c'est-à-dire dans des conditions où les sous-produits ne sont pas décomposés. Mais le problème présente les plus grandes difficultés avec les charbons bitumineux riches en azote, quand on veut recueillir les produits ammoniacaux fournis par la distillation. Il a cependant été résolu pa M. Mond, qui a fait, dans ses usines de Northwich (Angleterre), une installation très considérable dont il a été beaucoup parlé.
La distillation de charbons spéciaux riches en azote, et leur décomposition par la vapeur d'eau à une température ne dépassant pas 400°, donne naissance à de l'ammoniaque que Ton a intérêt h recueillir à cause de son prix élevé.
2. Réalisation de l'allure froide du gazogène dans l'emploi des charbons bitumineux. — Grand excès de vapeur d'eau. — Pour réaliser Yallure froide, qui seule peut rendre possible l'utilisation dans un gazogène à cuve des charbons bitumineux, M. Mond fait passer dans la cuve cinq fois plus de vapiur d'eau que le charbon ne peut en décomposer (environ 2 tonnes et demie de vapeur par tonne de houille). Une petite partie de cette vapeur se décompose seule au contact du combustible ; le reste ne se trouve pas à une température suffisamment élevée pour que les réactions endothermiques se produisent. Celte
(!) Deschamps, les Gazogènes, p. 341.
A. Witz, Moteurs à gaz et à pétrole, 1. 1, p. 215.
Il, Schqitler, Mond-Gas {Zeitschrift des Vereines deutscher Ingénieur e. t. XLV, 1901, p. 1593),
GAZOGÈNES ALIMENTÉS AVEC DES COMBUSTIBLES RICHES EN AZOTE
portion de la vapeur d'eau joue donc seulement un rôle de diluant analogue au râle joué par l'azote; elle entraîne les gaz produits en les empêchant de s'échauffer assez pour qu'ils subissent une décomposition.
Cet excès de vapeur d'eau se condense à la sortie des gaz dans un récupérateur qui permet de chauffer l'air primaire injecté sous la grille.
Les gaz chargés de produits ammoniacaux sont reçus dans des appareils spéciaux d'absorption qui permettent de recueillir la majeure partie de ces produits. Les gaz purifiés peuvent alors être employés à l'alimentation des moteurs.
3. Générateur Mond. — Le générateur Mond est représenté sur la figure 111. La partie inférieure de cette cuve haute et vaste est constituée d'abord par des étalages en maçonnerie, puis par une grille tronconique a qui prolonge en quelque sorte ces étalages. Le bas b de l'appareil vient plonger au-dessous du niveau de l'eau contenue dans un bassin; on a ainsi un joint hydraulique. Les cendres tombent dans le bassin inférieur et en sont retirées sans interrompre la marche du gazogène.
Le charbon est amené, par des wagons, sur un plancher supérieur, d'où il se rend dans les trémies rf, sorte d'entonnoir très vaste et dont l'ouverture inférieure est fermée par une vanne placée précisément au-dessus des portes de chargement des générateurs. Pour des gazogènes gazéifiant de 20 à 24 tonnes de toutvenant par vingt-quatre heures, on charge à la fois de 400 à 500 kilogrammes.
Des vannes spéciales sont disposées pour permettre l'introduction de ce charbon dans le générateur; celui-ci est surmonté d'une petite trémie fermée en haut par un tampon et en bas par un cône mû par un levier, le tout aboutissant à une sorte d'enveloppe conique c qui maintient le charbon au centre du gazogène. Ce combustible s'échauffe et commence à distiller, grâce aux gaz produits qui circulent autour de l'enveloppe c. Les carbures d'hydrogène provenant de cette distillation sont, par ce dispositif, forcés de gagner la zone chaude du gazogène, où les goudrons se détruisent en partie. Les gaz sortant par / contiennent ainsi peu de goudrons.
y//////////////X/////////////////// Fig. 111. — Générateur Mond.
4. Gazogène Mond. — Récupérateur. — Tour d'absorption des produits
ammoniacaux. — À leur sortie de la cuve, ces gaz circulent dans le tube intérieur d'un réchauffeur B [fig. 112) construit de telle manière que le mélange d'air et de vapeur d'eau envoyé au générateur circule dans la partie annulaire en sens inverse des gaz du générateur et s'échauffe. Les gaz arrivent donc déjà refroidis dans le laveur G, où des roues à aubes
projettent une pluie d'eau que les gaz se trouvent obligés de traverser. Us sont ainsi refroidis jusqu'à environ 90°, non seulement par contact avec l'eau, mais encore grâce à ce que cette eau se volatilise dans de grandes proportions.
Le mélange de gaz et de vapeur se trouve alors amené au bas d'une grande tour D, qu'il traverse de bas en haut en rencontrant du sulfate acide d'ammoniaque (*); celui-ci est distribué à la partie supérieure en un grand nombre de jets.
Le gaz sortant du haut de la tour D, où le sulfate acide d'ammoniaque retient une très grande proportion des sels ammoniacaux,' est ensuite conduit au bas d'une tour F, où il est lavé par un courant d'eau froide qui tombe de haut en bas.
-Sulfae d'anmoaùufiu
0<issùr. <&> /rnfjparutiffa eût Julfalt acide, dhmmoniàquo .
Fio. 112. — Schéma d'une installation de production de gaz Mond.
Enfin, avant d'arriver au moteur, le gaz traverse un filtre à sciure de bois où il se sèche. Le contenu de ce filtre n'a besoin d'être changé qu'une fois par mois.
L'eau qui a parcouru de haut en bas la seconde tour F arrivera la partie inférieure de celle-ci, à une température assez élevée. Elle est alors entraînée par une pompe au haut d'une troisième tour G, où elle tombe en pluie sur l'air froid qui est puisé dans l'atmosphère et refoulé par un ventilateur, comme le montre la figure 112. Cet air, ainsi chauffé, se charge de vapeur d'eau. Le mélange d'air et de vapeur d'eau qui sort de la tour G est additionné d'une nouvelle quantité de vapeur d'eau qui arrive par le conduit vv. Ce mélange, très riche en vapeur d'eau, se rend dans le récupérateur B où il se surchauffe.
Quant à l'eau refroidie par sa descente dans cette troisième tour G, elle est envoyée par une autre pompe dans le haut de la seconde tour F, qui sert au refroidissement des gaz.
Au moment de l'allumage d'un générateur, il convient de chauffer pendant deux ou trois jours. On commence avec des déchets de bois et de coke et on ajoute peu à peu du charbon en petits morceaux. On laisse le gaz s'échapper sôus un faible soufflage jusqu'à ce qu'il contienne environ 30 0/0 d'éléments combustibles. Un tel générateur fonctionne une année sans s'arrêter.
(!) Formé d'un mélange de sulfate d'ammoniaque et d'acide sulfurique dans une proportion telle qu'il y ait environ 47 0/0 d'acide sulfurique libre ; l'acide sulfurique pur donnait des résultats moins satisfaisants au point de vue de l'absorption de l'ammoniaque des gaz du gazogène.
GAZOGÈNES ALIMENTÉS AVEC DES COMBUSTIBLES RICHES EN AZOTE 169
5. Expériences d'Humphrey sur le fonctionnement d'un gazogène Mond.
— Voici, d'après les recherches d'Humphrey en 1895, un exemple du fonctionnement de cet appareil.
Trois mille kilogrammes d'air sont soufflés par tonne de charbon dans la tour à air G, où ils se chargent de 1.000 kilogrammes de vapeur et s'échauffent à 70°. A ce mélange, on ajoute en outre 1.500 kilogrammes de vapeur, de telle sorte que 5.500 kilogrammes d'un mélange d'air et de vapeur entrent à 85° dans le réchauffeur B et en sortent à 250°. Dans le générateur, ce mélange se transforme en un autre mélange pesant 6.500 kilogrammes, dont 4.500 kilogrammes de gaz et 2.000 kilogrammes de vapeur; sa température à la sortie est égale à 450°. Il y a donc seulement 500 kilogrammes de vapeur décomposée, soit 20 0/0. Dans le réchauffeur à contre-courant B, la température de ce mélange devient égale à 280°; elle tombe à 90° dans le laveur G; là le mélange se charge de 750 kilogrammes de vapeur d'eau; son poids est alors de 7.250 kilogrammes, dont 4.500 kilogrammes de gaz et 2.750 kilogrammes de vapeur d'eau. Le mélange arrive dans cet état à la base de la tour à sulfate acide d'ammoniaque ; sa teneur en vapeur d'eau est égale à 38 0/0 ; il est donc loin d'être saturé, la teneur en vapeur d'eau correspondant à la saturation étant égale à 64 0/0 ( l ). Cest là une condition de fonctionnement qui a son importance, car le gaz saturé abandonnerait une partie de son eau dans la tour D, ce qui diluerait le sulfate acide d'ammoniaque et rendrait plus difficile l absorption des composés ammoniacaux contenus dans les gaz. Dans la tour D, la température du mélange gazeux baisse à 80°, dans la tour refroidissante F à 65°; là 1.500 kilogrammes de vapeur se condensent. La tour F fournit donc, par tonne de combustible introduite dans le gazogène, 5.750 kilogrammes de gaz contenant environ 1.250 kilogrammes de vapeur d'eau, c'est-à-dire du gaz saturé.
L'eau froide de la tour F arrive à 50° et en sort à 80° pour être ramenée à nouveau à 50° dans la tour G. Dans la tour D, la solution ne s'échauffe que très peu; elfe est à environ 80°.
Le charbon employé dans les expériences a la composition suivante.
Puissance calorifique absolue supérieure = 7.225 calories-kilogrammes.
Carbone 67,9 0/0
Aïote 1,3
Soufre 1,3
Hydrogène et oxygène 14,7
Eau hygroscopique 7,3
Cendres 7,5
Le gaz obtenu présente, à l'état sec, la composition suivante.
Pouvoir calorifique supérieur = 1.320 calories-kilogrammes. Poids à 0° sous la pression de 760 millimètres = l k *,015 par mètre cube.
CO a [ 16,3
Az 44,6
(») A 90% la tension maxiina de la vapeur d'eau est de 525 millimètres; si le mélange était saturé à la pression de 160 millimètres, le gaz sec aurait donc une tension de 235 millimètres. Un mètre cube de gaz Mond pèse environ 1 kilogramme à 0* et sous la pression de 760 millimètres; il pèse k «,241 à 90' sous la pression de 235 millimètres. Un mètre cube de vapeur saturée à 90* pèse k «,427. La teneur en vapeur d'eau est donc
Un kilogramme de ce charbon fournit 4 m3 ,43 de gaz. Le rapport entre la quantité de chaleur dégagée par la combustion de 4 m3 ,43 de gaz et la quantité de chaleur dégagée par le charbon qui a produit ce volume gazeux est
Ce nombre ne représente pas le rendement de l'installation, car il faut produire de la vapeur et du travail pour actionner les pompes ( ! ).
Admettons qu'avec le combustible médiocre employé, 1 kilogramme de combustible ne vaporise que 7 kilogrammes d'eau. On compte que, par tonne de combustible chargé au gazogène, il faut produire 1.500 kilogrammes de vapeur. Donc, par kilogramme de charbon
1 50 chargé au. gazogène, il faut brûler sous de» chaudières -y- kilogramme de charbon.
Pour actionner les pompes, on compte qu il faut 34 chevaux-heure par tonne de combustible chargé au gazogène. Admettons qu'elles soient commandées par un moteur à gaz dépensant 2 œ3 ,5 de gaz Morid par cheval-heure ; il faut te ,6 de charbon pour produire ce volume de gaz. Pour la commande des pompes, il faut donc brûler, par kilogramme de combustible chargé au gazogène, 0,6 X 0,034 de charbon.
Le rendement calorifique supérieur du gazogène est donc(') :
[| + if + 0,034 X 0,6] 7225 " *•»* * 7» ~ ' ' .
Outre le gaz, on fabrique à Winninglon 44 kilogrammes de sulfate d'ammoniaque par tonne de combustible introduit au gazogène. Comme le sulfate contient de 24 à 25 0/0 d'ammoniaque, on extrait environ par tonne de combustible 10 kilogrammes d'ammoniaque.
La quantité d'eau nécessaire à l'installation peut se calculer de la manière suivante.
Par tonne de combustible chargé au gazogène, on ajoute au mélange d'air et de vapeur d'eau, d'un côté, 1.500 kilogrammes de vapeur avant l'entrée au réchauffeur B et, d'autre part, 750 kilogrammes vaporisés dans le laveur C. Dans la tour réfrigérante F, l'eau entre à 50° et en sort à 80°; 4.500 kilogrammes de gaz et 2.750 kilogrammes de vapeur se refroidissent de 80 5 65°; 1.500 kilogrammes de vapeur se condensent h 65°.
La quantité de chaleur dégagée est
4500 X 0,32 X 15 + 2750 X 0,48 X 15 -f- 1500 X 561 = 886.000 calories-kilogrammes.
Ces 886.000 calories-kilogrammes échauffent de 30° une quantité d'eau égale à
ûofi non
— ^r— = 29533 k *,33 ou environ 30.000 kilogrammes.
( l ) A Winnington, où ont été faites ces expériences, la vapeur d'eau était fournie par l'échappement de nombreuses machines à vapeur actionnant en même temps les pompes. La vapeur d'eau et la commande des pompes ne contaient donc rien. Ce sont la des conditions particulières et on doit, dans le cas général, faire entrer ces dépenses en ligne de compte pour connaître le véritable rendement de l'installation.
t 8 ) Dans ses essais sur les gazogènes des stations hydrauliques de Bàle, M. E. Meyer a trouvé les résultats suivants avec un gazogène Dowson alimenté avec du coke dont la puissance calorifique absolue supérieure est égale à 7.200 calories-kilogrammes. Un kilogramme de coke a donné 4" 3 ,74 de gaz d'un pouvoir calorifique inférieur égal à 1.200 calorieskilogrammes. Par kilogramme de coke gazéifié, il a fallu employer k «,U de ce coke pour produire la vapeur. Le rendement calorifique inférieur a donc été de
GAZOGÈNES ALIMENTÉS AVECDES COMBUSTIBLES RICHES EN AZOTE
Ces 30 mètres cubes cfeaù, -augmentés dé l m3 ,5 provenant de la vapeur (Keaiï condensée, passent dans la tour G du réchauffage de l'eau ; là 1.000 kilogrammes d'eau sont vaporisés et 3.000 kilogrammes d'air sont portés: de 30° à 70°.
Ces transformations absorbent une quantité de chaleur égale à
3000 X 0,-27 x AO + 1000 X 551 = 583.000 calories-kilogrammes. Cette quantité de chaleur est suffisante pour abaisser de
les 30 m3 ,5 d'eau qui parviennent au bas de la tour G. Comme il n'est besoirvque de 30 mètres cubes d'eau froide dans la tour F, on voit qu'il reste en réalité, par tonne'de combustible chargé au gazogène, m3 ,5 disponibles pour les diverses pertes.
Lorsque l'appareil est en train, il n'est donc nécessaire que de fournir
