La présente invention concerne un procédé de production de charbon actif (à partir de matiére première vierge ) ou de régénération de charbon actif usé.
Dans l'utilisation industrielle de carbone absorbant granulaire, par exemple dans la décoloration de sirops de sucre par du charbon actif, I'adsorbant se sature de diverses impuretés dont certaines sont responsables de la coloration des sirops. Pour un certain degré particulier de saturation, le charbon n'est plus efficace, au sens pratique, et il faut le réactiver par certains moyens s'il faut réaliser l'économie d'utilisations répétées. Il faut exécuter une telle réactivation à un faible prix de revient, et il faut réaliser la réactivation de maniére à produire: a) un haut degré de récupération du pouvoir d'adsorption et b) une faible perte volumique de l'adsorbant carboné.
Ces deux facteurs déterminent de façon prépondérante l'économie de la réutilisation, étant donné que l'appoint nécessaire d'adsorbant neuf par unité de produit purifié dépend des additions d'adsorbant nécessaire pour maintenir un niveau d'activité utilisable et pour conserver le volume initial d'adsorbant. C'est un objectif important de maintenir l'activité du carbone à un haut niveau que l'on puisse maitriser, pour que les pertes volumiques déterminent l'appoint et même pour que ces pertes soient réduites au minimum par des moyens de traitement convenables.
En fait, dans certaines conditions, un procédé peut même être responsable de la formation d'un adsorbant à activité de surface plus grande que lors de son introduction initiale dans le procédé.
Ceci se produit dans le cas où les impuretés organiques adsorbées se décomposent en formant un dépôt de carbone qui s'active luimême au cours du procédé. En d'autres termes, la récupération d'adsorbant activé peut être supérieure à 100%. En général cependant, les impuretés qui sont adsorbées sur l'adsorbant à surface active peuvent être soit organiques soit minérales. Si elles sont organiques, elles tendent à s'oxyder en formant de l'oxyde de carbone ou du gaz carbonique et de l'eau ou des acides volatils comme l'acide acétique, c'est-à-dire des produits qu'il est facile de séparer de l'adsorbant activé, et qui s'échappent du réacteur. Si elles sont minérales, elles s'oxydent d'ordinaire en formant des produits solubles dans l'eau ou bien des solides insolubles dans l'eau, par exemple des oxydes, des sels ou des produits gazeux comme l'anhydre sulfureux ou le gaz carbonique.
Quand on régénére une matière carbonée usée il est nécessaire de rouvrir pratiquement tous les pores, aussi bien les grands que les petits, sur toute la gamme des dimensions des pores, afin d'obtenir un charbon complètement réactivé qui ne subira pas de lentes modifications progressives de ses caractéristiques d'adsorption après des réactivations répétées. Si les pores plus grands jouent le rôle principal dans la décoloration, les plus fins sont néanmoins importants pour éliminer les impuretés de bas poids moléculaire, qui sont souvent responsables de la coloration des liqueurs organiques.
Le chauffage permet à lui seul d'éliminer une partie (souvent substantielle) des impuretés adsorbées, par volatilisation et distillation destructive du dépôt. Mais une telle élimination est toujours incomplète et laisse un dépôt carbonisé sur la surface adsorbante interne. A ce stade, le carbone posséde une grande partie de son pouvoir décolorant initial, étant donné que les grands pores qui sont les sites d'adsorption de la couleur s'ouvrent de manière très efficace. Des cycles répétés d'adsorption et de chauffage se traduisent cependant par une augmentation progressive de la densité et par une diminution progressive du pouvoir adsorbant, jus qu'à ce que l'adsorbant devienne tout à fait inefficace.
Une fois qu'on a laissé ce processus effectuer plusieurs cycles, le dépôt carboné devient très réfractaire à l'oxydation et il devient de plus en plus difficile, sinon impossible, de l'éliminer sans brûler une partie du squelette carboné initial, même par oxydation limitée.
Il est donc d'importance primordiale, pour que la réactivation soit complète, d'éliminer sélectivement le dépôt qui subsiste et de le faire immédiatement et complètement après chaque utilisation de façon à garder au procédé la plus grande sélectivité.
Des procédés de production ou de régénération de charbon actif, dans lesquels on introduit du carbone finement divisé dans une chambre de combustion, ont été décrits, par exemple, dans le brevet français N" 1377619. Dans le procédé de ce brevet. du carbone est introduit dans un gaz inerte chaud, qui est carbonisé et activé. Il s'agit donc d'un procédé en au moins deux étapes. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N" 1641053 décrit un procédé dans lequel il y a introduction simultanée de tous les produits réagissant dans un réacteur obstrué (où la circulation est gênée).
De même, le brevet britannique Nô213 940 s'il décrit un réacteur à entraînement dans lequel les particules de carbone sont transportées par des gaz, il ne révèle pas de techniques de mélange pour l'introduction de la matière carbonée, ni ne décrit les conditions de réaction. Le brevet belge N" 720 575 et son équivalent canadien N" 868328 décrivent un procédé en une seule étape dans lequel une suspension est déchargée directement dans un courant de gaz ascendant où elle réagit entre 732 et 954"C pendant 1 à 5 secondes, mais il n'y a pas de mélange initial.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 1475502 décrit aussi le mélange simultané des produits réagissants. Le brevet des
Etats-Unis d'Amérique N" 3 298 928, s'il dévoile les conditions de la carbonisation dans une réaction de carbonisation, ne parle pas de l'activation du carbone et en tout cas révèle des températures plus basses, et il est donc caractéristique de la technique antérieure qui n'a pas reconnu les conditions cruciales nécessaires à l'activation du carbone.
D'autres brevets décrivant divers aspects de la carbonisation sont les brevets des Etats-Unis d'Aménque N" 1774341, 2166225 et 2933454, et le brevet britannique N0 638492. Tous ces brevets ne décrivent pas non plus de procédé parfaitement au point. Une grande partie de la technique antérieure est relative à la mise au point de procédés théoriques, mais l'expérience industrielle a montré qu'il était difficile de mettre au point un procédé rentable qui soit rapide et efficace.
Selon la présente invention il est fourni un procédé de production ou de régénération de charbon actif, dans lequel une matière carbonée finement divisée, ayant une teneur en humidité maximale de 75% en poids, est introduite dans une chambre de réaction en compagnie d'un gaz oxydant et de produits de combustion pendant 1 à 5 secondes.
Ce procédé est caractérisé en ce qu'on introduit la matière carbonée ayant une teneur en humidité maximale de 75% en poids, dans une zone d'alimentation où elle se mélange à un gaz oxydant, on fait passer ce mélange dans une zone où la pression des gaz se trouve diminuée et sa vitesse augmentée. on introduit des gaz de combustion produits dans une chambre de combustion séparée, dans ladite zone à pression diminuée et à vitesse augmentée, on fait passer le mélange résultant dans une zone de réaction se trouvant à 930 C au moins et dans laquelle on maintient un excès d'oxygéne, les particules de la matière carbonée étant supportées et transportées par les gaz à travers ladite zone de réaction en 1 à 5 secondes,
et l'on obtient à la partie supérieure du réacteur qui comporte cette zone de réaction du charbon actif ou du charbon actif régénéré, respectivement.
L'invention a ses aspects cruciaux, la méthode particulière de mélange initial de la matière carbonée et du gaz oxydant, puis le mélange du carbone dispersé aux gaz de combustion sortant d'une chambre de combustion distincte, ce mélange ayant lieu dans une région où règne une basse pression et où les matiéres ont une grande vitesse, préalablement à l'admission dans la zone de réaction complète où règne normalement une température plus basse qui semble être cruciale et où le temps de réaction est détermi
On a besoin d'un procédé et d'un appareil de réactivation
d'adsorbants carbonés pulvérulents nécessitant des investissenant.
ments en matériel et en service bien moindres qu'il n'est coutumier avec d'autres procédés dans ce domaine.
Dans le procédé, le maintien de la matière finement divisée dans un état de flottation tandis qu'elle est transportée à travers la zone d'activation, se traduit par une pénétration pratiquement complète de chaque particule de la matière première par la phase gazeuse formée par les produits de combustion du réacteur. L'état finement divisé de la matière première permet également de maîtriser et de réguler le processus beaucoup plus uniformément qu'on ne savait le faire jusqu'à présent. Le procédé est extrêmement rapide et le rendement de charbon actif est substantiellement plus grand que dans les procédés connus.
On ne peut atteindre pratiquement ces avantages que dans le cas où toutes les particules de matière carbonée sont maintenues en contact intime avec les gaz de réaction tout au long du traitement, si bien que la chaleur et les gaz qui sont appliqués peuvent pénétrer et activer uniformément la matière.
Un autre avantage de la présente invention est la création d'un appareil nouveau qui est adaptable à l'activation de matières solides carbonées finement divisées à l'état humide ou sec.
Un autre avantage encore de cette invention réside dans la capacité du procédé de régénérer les particules de carbone à l'état pulvérulent. En fait, avec le procédé qui est décrit ici, plus les particules sont petites et uniformes, meilleurs sont les résultats obtenus quant à l'activation.
Afin d'éliminer efficacement le dépôt carbonisé, tout en laissant intact le squelette initial du charbon actif, qui conserve ainsi sa dureté initiale, il est extrêmement important de régler le potentiel d'oxydation des gaz utilisés pour éliminer par combustion le dépôt non volatil de la surface active du charbon. Les facteurs qui influencent ce potentiel sont: a) la composition du gaz et b) la température. En ce qui concerne la température, une latitude considérable est permise par le réglage de la composition des gaz, mais à mesure que la température descend au-dessous de 7000 C environ, il est de moins en moins facile de régler le potentiel d'oxydation si la vitesse doit être maintenue à une valeur pratique.
A l'extrémité supérieure de l'intervalle de températures, les réactions d'oxydation exothermique et les réactions d'oxydation endothermique peuvent avoir lieu à des vitesses modérées, et on peut maintenir un équilibre soigneux de la composition des gaz de façon à avoir un haut degré de sélectivité et de réglage de la vitesse de décarbonisation. La température doit donc être égale à au moins 930" C, et de préférence comprise entre 930 et 9800 C environ.
On a également constaté que, quand on utilise l'air comme gaz oxydant, on peut améliorer grandement la sélectivité par des additions faibles à modérées de vapeur d'eau. La réactivation par la vapeur d'eau est plus uniforme dans tout l'intérieur de la particule. Par exemple, la véritable fonction activante de l'air débute à une température relativement basse, voisine de 430" C, tandis qu'avec l'addition de vapeur d'eau, la fonction activante commence à apparaître autour de 820" C. Ainsi le mélange des deux gaz donne le produit le plus uniforme et le plus actif.
Quant on utilise le procédé qui est décrit ici, les matières à carboniser ou à réactiver se dispersent dans, et sont transportées en suspension par, les produits de combustion de la charge du réacteur et par les matières organiques volatilisées et l'humidité produite pendant l'activation. Ce faisant, chaque particule s'entoure d'une atmosphère chauffée et est traitée isolément. On peut régler avec précision la durée du traitement en agissant sur la vitesse et le volume des produits de réaction, et on peut régler la température d'après les caractéristiques de combustion projetées.
Avantageusement, on introduit la matière première dans l'extrémité inférieure d'une chambre de réaction verticale ayant une dimension et une longueur calculées au préalable, et on introduit les gaz activants, en même temps que la charge de matière première, dans un courant ayant une vitesse et une force telles que les particules de matière passent en suspension dans l'atmosphère gazeuse mobile pendant un laps de temps suffisant pour atteindre le degré d'activation voulu. En raison du contact intime de la matière avec les gaz activants, et de l'état de division de la matière, le temps nécessaire à l'activation est très court. Il importe de noter que, si la ma trière solide et les différents gaz sont introduits en continu à la partie inférieure du réacteur, la matière activée est recueillie en continu à la partie supérieure du réacteur.
Pour la mise en oeuvre du procédé et de l'appareil préférentielle, on introduit mécaniquement les solides carbonés mouillés ou secs dans une chambre d'alimentation où la vapeur d'eau et/ou l'air font parcourir aux solides une courte distance en les amenant dans un goulot de Venturi qui raccorde une chambre de combustion avec le réacteur. La grande vitesse et la turbulence des produits de combustion, s'ajoutant à la détente et à la vaporisation instantanées de la vapeur d'eau d'alimentation et de l'humidité ou des matières volatiles éventuelles qui se trouvent dans les solides carbonés, provoquent une transmission de chaleur et un mélange presque instantanés des gaz de combustion et de la charge formée par les produits réagissants solides.
La température des produits de combustion est ramenée à la température d'opération voulue, du fait de l'absorption de chaleur par la charge de matière pre mièvre, par l'humidité de la charge, par la vapeur d'eau et/ou l'air éventuel qui peuvent être introduits en quantités déterminées avec la charge. Les solides en suspension sont acheminés jusqu'au fond du réacteur, où l'humidité est chassée et les matières organiques adsorbées sont transformées en gaz et/ou entraînées à la surface des solides carbonés. La quantité déterminée de l'oxygène qui se trouve dans la phase gazeuse entourant les particules de carbone oxyde les matières volatiles plus oxydables en produisant un dégagement de chaleur notable, ce qui réduit l'énergie thermique qu'il est nécessaire de fournir au réacteur.
L'oxygène améliore également la capacité du réacteur en raison de sa grande vitesse de calcination des matières organiques adsorbées par rapport à celle de la réaction plus lente entre la vapeur d'eau et le carbone. La vapeur d'eau, qu'elle provienne de l'humidité de la charge ou bien qu'elle soit ajoutée de façon réglée, semble améliorer la sélectivité de l'oxygène pendant cette phase de destruction des matières volatiles. La vapeur d'eau joue un rôle primordial dans l'atteinte du niveau d'activité finale, notamment dans les pores de petite dimension, le niveau dit d'activité étant mesuré par l'essai II (Indice d'Iode).
L'oxygène, lorsqu'il est utilisé lui-même comme gaz oxydant pour la réactivation, assure très bien la formation de pores de grande taille avec un temps de séjour relativement court mais avec un rendement plus faible et des indices d'iode plus faibles que ceux que l'on atteindrait en l'utilisant en association avec de la vapeur d'eau. Bien entendu, la réaction oxygène/carbone, la réaction vapeur d'eau/carbone, et la réaction gaz carbonique/carbone se produisent simultanément en divers endroits du réacteur, suivant la concentration des gaz dans les produits réagissants et suivant la température. On a observé que la réaction oxygène/carbone s'effectue de manière prédominante dans la moitié inférieure du réacteur, comme le prouvent le dégagement presque instantané de l'oxygène dans la phase gazeuse et le grand dégagement de chaleur dans cette section.
La réaction vapeur d'eau/carbone semblerait active dans l'ensemble du réacteur dans les cas où la concentration et la température de la vapeur d'eau sont favorables. La grande vitesse au niveau du goulot du conduit Venturi empêche toute accumulation de matières solides sur la paroi du goulot ou bien dans la chambre de combustion. Au moment où la matière pénètre dans le réacteur, la phase solide est pratiquement sèche et dépourvue de toutes matières volatiles collantes, et elle est en suspension régulière dans la phase gazeuse, ce qui empêche toute accumulation sur la paroi du réacteur. Après avoir traversé le réacteur, le charbon activé ou régénéré peut être recueilli sec à l'aide de cyclones et être filtré à l'aide de manches, ou bien être lavé à l'état humide et être filtré sous pression.
Par conséquent, on obtient un charbon actif de qualité supérieure avec un fort rendement en un temps de séjour court en utilisant un dispositif de structure très simple sans aucune partie mobile dans la section à haute température.
On va maintenant décrire une forme de réalisation de cette invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
la fig. 1 est une vue de face, en coupe partielle, d'une forme que l'appareil peut prendre pour la mise en oeuvre du procédé;
la fig. 2 est une vue en coupe agrandie de l'extrémité inférieure de la chambre de réaction de l'appareil d'activation, et
la fig. 3 est une vue schématique globale de l'appareil d'activation comportant le système de récupération.
La fig. 1 représente de façon plus ou moins schématique l'ap
pareil qui est proposé pour produire du charbon actif à partir
d'une matière première vierge ou bien pour régénérer un char
bon actif usé. L'appareil est conçu pour et destiné au traitement
de matières premières à l'état finement divisé ou pulvérulent. Les
besoins en un tel appareil et en un tel procédé sont devenus parti
culièrement aigus avec l'extension des applications de l'utilisation
des matières carbonées activées comme moyen pour supprimer la
pollution de l'eau. Non seulement les municipalités utilisent de
plus en plus de charbon actif dans leurs programmes de purifica
tion de l'eau, mais aussi les eaux usées provenant de sources in
dustrielles sont actuellement traitées par du charbon actif pour
éviter la pollution.
Etant donné que ces applications, et d'autres
applications nouvelles, ont engendré un besoin en grandes quanti
tés de charbon actif pulvérulent, un procédé peu coûteux pratique
et efficace de production de charbon actif, et de régénération de charbon actif usé, constitue une nécessité évidente.
Par conséquent, les dessins représentent, en tant que partie
principale de celui-ci, un réacteur allongé de transport, disposé
dans son ensemble dans un plan vertical et désigné par le repère
de référence 10. La charge de matière première, dans son état fine
ment divisé, est introduite dans la chambre de réaction du réac
teur de transport depuis une trémie 1 1 qui est montée sur le côté
du réacteur de transport. La charge de matière première est ache
minée jusque dans la chambre de réaction par un moyen quelcon
que qui dépend de la forme de la matière première. Comme la
matière première peut être soit sous forme humide soit sous forme
pulvérulente séche, L'appareil qui amène la matière de la trémie 1 1
au réacteur 10 de transport serait conçu en conséquence.
Pour une
matière relativement humide qui se trouve encore sous forme so
lide mais qui contient de l'humidité de surface, on pourrait utiliser
un dispositif d'alimentation mécanique. Plus précisément, pour un
charbon usé de sirop de maïs, la matière serait considérée comme
mouillée si sa teneur en humidité était comprise entre 60 et 75%
en poids. Pour une matière humide, c'est-à-dire une matière con
tenant moins de 60% d'eau, il serait possible d'insuffler de façon
forcée la matière première dans la chambre de réaction du réac
teur de transport. On pourrait réaliser cette dernière forme d'ali
mentation en matière première à l'aide d'une soufflante centrifuge
ou d'un autre moyen d'alimentation à air forcé.
A l'extrémité extérieure extrême de la vis 12 sans fin du type
tarière, est monté un moyen d'entraînement 13 ou poulie qui est
entrainée par une courroie 14 depuis le moteur 5. Ce moteur est
de préférence à vitesse variable et est commandée par rhéostat
afin de régler sélectivement le débit d'entrée dans une chambre
d'alimentation intermédiaire du réacteur de transport. Il convient
d'introduire le gaz oxydant, formé de vapeur d'eau et/ou d'air,
dans le réacteur au niveau ou sensiblement au niveau de la région
où la charge de matière première est admise. On peut y parvenir
de différentes façons, mais un seul moyen est représenté. Le dessin
représente un conduit tubulaire 15 placé juste au-dessous de la vis
12 sans fin d'alimentation du type tarière, où la vapeur d'eau se
mélange à la charge carbonée 16 dans la petite chambre d'alimen
tation 17.
Cette chambre d'alimentation 17 se trouve de préfé
rence en amont de la chambre 18 de combustion du réacteur, dans
la région d'une partie étranglée du réacteur, de façon à former un
goulot 19 de Venturi, ce qui améliore le mélange turbulent des gaz
de combustion, de la matière première carbonée et de la vapeur d'eau surchauffée. Cette disposition particulière a permis un mélange simultané plus que suffisant des différents produits, ce qui explique l'extrême rapidité de la réaction et le fort rendement obtenu en charbon actif.
Le mécanisme de mise en oeuvre du procédé se déroule à mesure que la vapeur d'eau et/ou l'air venant du conduit 15 achemine la charge 16 de matières solides, dans son état finement divisé, dans la chambre d'alimentation 17 et la fait entrer dans le goulot 19 du Venturi. En ce point, la vapeur d'eau d'alimentation,
L'humidité présente et les matières volatiles qui se trouvent sur ou dans la matière première carbonée se mélangent aux produits de combustion à haute température venant de la chambre de combustion 18. Cette chambre de combustion 18 est alimentée par un combustible, tel que le gaz naturel ou le propane, par une canalisation 21, en présence d'un excès d'air de façon à produire la combustion à haute température. La chambre de combustion se compose d'une coque extérieure en fibre isolante 31 de céramique en vrac.
A l'intérieur des fibres isolantes 31 de céramique et collée sur celles-ci se trouve une autre bande annulaire de réfractaire moulable isolant 32, une couche relativement fine de céramique, et enfin une paroi interne 33 de réfractaire plastique à haute température. Cette combinaison de couches isolantes et réfractaires permet à la chambre de combustion d'opérer à des températures atteignant jusqu'à 17600 C environ, température mesurée par le thermocouple 34.
Cependant, la région du goulot 19 du conduit Venturi a été dimensionnée de telle sorte qu'une grande vitesse des produits gazeux soit assurée de façon à empêcher l'un quelconque des solides carbonés de tomber dans la chambre de combustion 18, et aussi de façon à empêcher toute accumulation de matières solides sur les parois du goulot du Venturi. Par conséquent, on atteint presque instantanément une transmission de chaleur et un mélange optimaux et uniformes de la phase gazeuse et de la phase solide.
La phase solide en suspension est ensuite transportée à travers le réacteur, portée par les produits réagissants gazeux et par les produits résultants, pendant le temps de séjour requis pour permettre la dévolatilisation , le craquage thermique et les réactions nécessaires entre les différents produits. La partie inférieure du réacteur de transport, appelée arbitrairement Zone I , produit un séchage et une dévolatilisation initiale de la matière première. Dans la Zone II une réaction exothermique se produit au cours de laquelle l'oxydation préliminaire des matières organiques volatiles et des dépôts de carbone a lieu en présence d'oxygène.
Enfin, I'ac- tivation par la vapeur d'eau se produit dans la Zone III, où l'eau et le carbone se combinent en formant de l'oxyde de carbone, du gaz carbonique et de l'hydrogène, par réaction endothermique.
Les divisions de zone qui sont marquées de façon générale sur le dessin et qui sont identifiées par les différents thermocouples 3435, 35-36 et 36-37, ne sont pas destinées à être définitives ou limitatives. Il n'est pas possible de savoir exactement où ont lieu les différentes réactions, mais des calculs théoriques ont montré que les différentes réactions se produisent sensiblement comme indiqué. Les traitements qui sont décrits ci-dessus agissent sur la matière première soit en donnant un solide carboné brut activé, soit en réactivant ensemble un charbon actif usé, suivant le type de matières premières qui est utilisé.
Les produits de la combustion et le charbon actif montent ensuite à travers la partie supérieure du réacteur de transport, qui se compose d'un tronçon de tuyau 22 en acier inoxydable, entouré par un isolant 23 pour hautes températures. Cette structure maintient les conditions adiabatiques à l'extérieur du réacteur et est responsable du maintien d'une température uniformément haute sur toute la longueur du réacteur. Les solides en suspension traversent ensuite un collecteur 25, qui comporte un évent 26 de relâchement de pression à son extrémité supérieure pour que l'appareil soit à l'épreuve des explosions, puis un conduit convenable 27 vers le système de récupération de l'appareil.
Comme on l'a signalé plus haut, le type de système de récupération qui est choisi pour recueillir le solide carboné alors activé peut prendre l'une quelconque de différentes formes, mais pour les travaux expérimentaux, on a utilisé, à titre de méthode préférentielle, une unité de lavage à l'eau. La fig. 3 du dessin montre le système de récupération sous une forme plus ou moins schématique, comme se composant de deux épurateurs-éjecteurs 40 et 41 disposés en série, le produit de chaque éjecteur se déchargeant dans un réservoir 42 de récupération ou bac à eau. Du bac à eau 42 une pompe 43 recycle la fine suspension de produit dans les éjecteurs 40 et 41, et fournît la pression nécessaire à la purge de la suspension vers cinq filtres 45-49 sous pression.
Les épurateurséjecteurs agissent tous sur les produits gazeux du réacteur en en éliminant le charbon actif en faisant passer le mélange gazeux en présence d'un écoulement d'eau à haute pression. Le charbon actif est ensuite délayé avec l'eau de lavage et on peut l'en séparer à l'aide des filtres 4549 sous pression. Quand le produit final sort de ces filtres, le charbon actif produit est recueilli en vue de son utilisation finale. Quand on le recueille sec avec un autre système, on peut l'ensacher immédiatement pour l'expédier.
On a construit une unité pilote de laboratoire pour procéder à des essais permettant de déterminer les conditions opératoires optimales et de mettre au point l'appareil de mise en oeuvre des différentes opérations du procédé. On a construit l'unité pilote selon les grandes lignes de l'unité qui est représentée sur le dessin de la fig. 2, et elle comprenait les équipements suivants. On a d'abord utilisé un appareil de traitement Bethlehem Corporation Porcupine pour faire subir aux échantillons de charbon usé un conditionnement préalable avant de les activer. Cet appareil de traitement se composait d'un récipient cylindrique horizontal de 30 cm de diamètre sur 91 cm de longueur, avec un élément tournant chauffé à la vapeur d'eau et une coque à chemise de vapeur d'eau.
Dans ce récipient, on a préparé les échantillons de carbone en réduisant la teneur en humidité de la matière première à pas plus de 75% en poids, ou moins, de façon à faciliter l'introduction de la matière.
Le dispositif d'alimentation se composait d'une trémie d'acier inoxydable ayant pour dimensions 35 x 35 x 66 cm, représentant la largeur des deux parois latérales et la profondeur de l'ensemble du dispositif. La partie inférieure de cette trémie s'amincissait dans un sens de façon à loger une vis sans fin d'alimentation du type tarière, de 2,5 cm, placée au fond de la trémie et se prolongeant dans l'enceinte du réacteur lui-même. La vis était entraînée par un moteur à vitesse variable Zéro-Max de façon à régler le débit d'alimentation de la matière et à décharger l'échantillon de carbone dans la chambre d'alimentation près du goulot du Venturi de la chambre de combustion du réacteur.
Le four, ou partie chambre de combustion du réacteur, était construit comme représenté de manière spécifique sur la fig. 2, avec un diamètre de 60 cm et une profondeur de 45 cm. Il comportait une coque faite d'un tuyau avec une plaque de fond en acier, plate et soudée, et une plaque couvercle en acier inoxydable.
Le noyau inteme de la chambre de combustion était constitué d'un isolant plastique pour hautes températures, ayant la forme d'un Venturi avec un diamètre d'orifice de 19 mm. On a ensuite fait reposer la chambre de combustion sur des blocs brûleurs et on l'a raccordée au fond de la colonne du réacteur. L'isolant qui entourait la chambre de combustion se composait d'anneaux de réfractaire moulable pour hautes températures et de matériaux isolants faits de fibres en vrac, tandis qu'un brûleur à gaz avec buse pour hautes températures North American XS 4424-0 était fixé en position verticale au fond du four.
Pour la colonne du réacteur, un tuyau d'acier inoxydable N" 310, de 15 cm de diamètre sur 182 cm de long, était raccordé par une bride au sommet du four et était coiffé d'un té en acier inoxydable et d'un évent de relâchement de pression. Le té était nécessaire pour ménager une sortie aux gaz de combustion et au produit, tandis que l'évent antidéflagration était ajouté pour des raisons de sécurité évidentes. Les éléments chauffants électriques, commandés par rhéostat, étaient placés sur la surface extérieure de la colonne d'acier inoxydable pour compenser toutes pertes de chaleur à travers la paroi du réacteur et pour maintenir une température raisonnablement constante sur toute la longueur de la colonne.
Le système de récupération se composait d'une unité de lavage à l'eau constituée d'un tuyau d'acier inoxydable de 10 cm, incliné à 45" et raccordé à deux tours de lavage à Venturi Schutle & BR<
Koerting disposées en séries. La première unité était une unité de 10 cm et la seconde une unité de 7,5 cm, et toutes deux déchargeaient le produit mouillé dans un réservoir de récupération en acier inoxydable de 110 litres de capacité. Les gaz d'échappement étaient acheminés dans un conduit, par une soufflante de refoulement, dans l'atmosphère extérieure. L'eau utilisée pour les tours de lavage était de l'eau de ville et était continuellement collectée dans un réservoir distinct de 190 litres se déchargeant, à raison de 4430 litres par heure, par une pompe Moyno de 1 cheval pour alimenter les tours de lavage.
Le produit recueilli, sous forme de suspension, était ensuite pompé par une pompe centrifuge de 2 chevaux, 75 litres par minute, vers six filtres sous pression de 40 cm de diamètre.
Le propane gazeux utilisé comme combustible était dosé par un compteur d'essai Rockwell Manufacturing Company avec une soupape de gaz à orifice limiteur North American , de fa çon à foumir au brûleur le rapport voulu air/gaz.
L'air de combustion était fourni par une soufflante North
American , série 2300, à 0,68 atmosphère depuis un compresseur à un seul étage, directement raccordé à un moteur de 0,75 cheval vapeur.
La vapeur d'eau était fournie au réacteur sous 2 atmosphères environ par un débitmètre Fischer & Porter . Elle était amenée par un tube de 6,3 mm placé au-dessous du carter de la vis d'alimentation et déchargée dans la chambre de combustion avec la charge de carbone usé.
Avec l'appareil ci-dessus, on a procédé à une série d'expériences pour étudier le rendement du réacteur sur une certaine gamme de températures, et pour étudier les résultats obtenus en faisant varier le débit d'alimentation du charbon usé, le débit d'alimentation de la vapeur d'eau, et la concentration de l'oxygène dans les produits de combustion du brûleur. Le charbon usé qui était utilisé dans ces expériences était un charbon usé de sirop de maïs industriel qui était au départ un charbon Nuchar CEE avec un IM (indice de mélasse) moyen égal à 160 et un II (indice d'iode) moyen de 92 à 96. Le charbon usé avait un IM moyen de 50 et un II inférieur à 50.
Le résultat de ces expériences est reproduit ci-dessous sous forme de tableaux.
Exemple
Dans cette expérience on a utilisé un charbon actif usé de sirop de maïs industriel pour déterminer l'efficacité du procédé de réactivation dans une certaine gamme de températures. On a maintenu le débit d'alimentation à un régime permanent de 1,29 kg/h (à sec) avec un débit d'alimentation de vapeur d'eau de 1,4 kg/h. On atteignait les différents niveaux de température en augmentant le taux d'arrivée des gaz au brûleur ainsi que le taux d'oxygène dans l'excès d'air arrivant au brûleur. Cet oxygène contribuait à l'accroissement de températures du fait du dégagement de chaleur résultant de l'oxydation des matières volatiles vaporisées du carbone usé.
Ces résultats ont montré qu'avec un accroissement de la température et du débit d'oxygène, L'indice de mélasse et l'indice d'iode augmentaient jusqu'à ce que la température de 1040" C fut atteinte, température pour laquelle on parvenait à des valeurs satisfaisantes équivalentes à celles du charbon actif initial.
Exemple I
Température Oxygène* (kg/h) IM II Remarque
Essai 1 . 700 0,37 67 57,8 Régénération satisfaisante obtenue
Essai 2. 760 0,50 93 80,9 après avoir atteint 1040 C.
Essai 3 . 820 0,51 100 81,0
Essai 4.. 870 0,53 104 82,0
Essai 5. 930 0,63 129 84,5
Essai 6. 1040 0,71 173 87,7
* Débit calculé d'oxygène dans les produits de combustion du brûleur.
Exemple2
Dans cette expérience, on a utilisé un autre échantillon d'un charbon actif usé de sirop de maïs industriel mais on a porté le débit de vapeur d'eau à 2,9 kg/h pour tous les essais dans la même gamme de températures que celle utilisée dans l'exemple 1. On maintenait à 1,16 kg/h (à sec) le débit d'alimentation du charbon usé contenant environ 10% d'humidité, le débit d'oxygène dans les produits de combustion du brûleur variant entre 0.78 kg/h et 1,25 kg/h et augmentant généralement avec la température à mesure qu'on accroissait le taux d'arrivée du combustible au brûleur pour atteindre chaque niveau de température supérieur. On a pris des mesures comme ci-dessus dans l'exemple 1. avec les résultats suivants.
Exemple Il
Température Oxygène* (kg/h) IM II
Essai 1 700 0,74 91 77,0
Essai 2. 760 0,73 113 83,9
Essai 3 . 820 0,65 133 85,6
Essai 4.. 870 0,99 164 89,3
Essai 5. 930 1,25 219 91,6
Essai 6.. 1040 1,19 198 91,8 * Débit calculé d'oxygène dans les produits de combustion du brûleur.
Cette expérience illustre l'amélioration de rendement atteinte en faisant travailler l'appareil avec des débits de vapeur d'eau et d'oxygène plus élevés que ceux utilisés dans l'exemple 1. Ici encore, la température de travail pour laquelle on atteignait un indice de mélasse et un indice d'iode satisfaisants se trouvait dans la gamme supérieure au-dessus de 930 C.
Exemple3
Dans cette expérience, on a utilisé un charbon actif usé de sirop de maïs industriel avec des débits d'alimentation beaucoup plus élevés et avec un débit d'oxygène relativement constant dans les produits de combustion du brûleur mais avec de plus grands débits de vapeur d'eau. La température était maintenue à 1040 C.
Débit d'alimentation Vapeur d'eau
kg/h à sec Oxygène * (kg/h) (kg/h) IM II
Essai 1 . 2,56 1,17 2,9 160 91,1
Essai 2.. 2,78 0,88 1,4 145 89,0
Essai 3 . 2,65 1,16 0 123 84,9
* Débit calculé d'oxygène dans les produits de combustion du brûleur.
Cette expérience montre que l'on pourrait porter le débit d'alimentation du charbon usé au-delà des niveaux des expériences 1 et 2 pour les mêmes volumes fixes de réacteur de 33,9 dm3 si le débit minimal de vapeur d'eau était égal au débit d'alimentation du charbon usé.
Exemple4
Dans cette expérience on a régénéré un charbon actif usé de sirop de maïs industriel pour un débit d'alimentation de 3,24 kg/h pendant trois heures et 28 minutes. Le débit de vapeur d'eau était de 4 kg/h et le débit d'oxygène dans les produits de combustion du brûleur de 1,80 kh/h. On maintenait la température à 980 C dans le réacteur et la teneur en humidité du charbon usé s'établissait en moyenne à 6%. La teneur moyenne en carbone fixe du charbon usé était de 64,4% (à sec). On obtenait cette valeur en utilisant un essai d'analyse et des matières volatiles dans lequel on pesait un échantillon avant et après l'avoir chauffé à une température de 980"C dans une atmosphère inerte. La teneur en carbone fixe ainsi obtenue devenait une mesure du charbon actif initial contenu dans l'échantillon de carbone usé.
Connaissant cette valeur plus le rendement physique par rapport au charbon usé, déterminé par mesure des débits d'entrée et de sortie du réacteur, on calculait le rendement en pourcentage par rapport au charbon initial.
Entrée Sortie
Débit d'alimentation (à sec) . 3,24 kg/h Débit de sortie du produit . 1,90 kg/h
Vapeur d'eau . 4,08 kg/h IM . 212
Oxygène dans les produits de combustion II 92,9
du brûleur . 1,80 kg/h Pourcentage de rendement par rapport au
Pourcentage de carbone fixe dans la charge eharbon usé . 4' 1 58 8 /
7,15
de charbon usé .. 64,4 O/o Pourcentage de rendement par rapport au 58,8
Teneur en humidité du charbon usé. 6 O/o charbon actif initial . . 58n8 91 8 /
64,4
Volume du réacteur .. 33,9 dm3 Temps de séjour . 1,5
Température du réacteur constante à 9800 C.
Le but de l'expérience IV était de prouver l'efficacité d'activa
tion par le système dans le même volume fixe de réacteur pour un
débit d'alimentation plus grand que pour les échantillons précé
dents, tout en parvenant à une activité et à un rendement satisfai
sants. Les résultats obtenus ont prouvé cette possibilité et on
montrait que l'on pourrait réactiver un charbon actif usé avec un débit d'alimentation au moins égal à 96 kg/h/m3 de volume de réacteur si le débit de vapeur d'eau dans le réacteur était au moins
égal au débit d'alimentation du charbon usé. Bien entendu, il fal
lait prévoir une grande quantité d'oxygène pour oxyder instanta
nément les matières volatiles organiques produites quand la charge de carbone usé se mélangeait aux produits de combustion.
Le
très bon rendement par rapport au charbon actif initial, mesuré par le rapport du rendement en pourcentage, par rapport au charbon usé, au pourcentage de carbone fixe contenu dans la charge de charbon usé, était de 91,8%. On a établi ces résultats au cours d'une expérience prolongée pour s'assurer une mesure précise des rendements.
On a utilisé les mesures prises pour l'indice de mélasse et l'indice d'iode pour réaliser un contrôle rapide et raisonnablement
précis du processus d'activation. Les essais sont tous communément utilisés dans l'industrie et sont donc faciles à lier au type de
renseignements souhaité par les utilisateurs de charbon actif.
On exécute l'essai de l'indice de mélasse en comparant l'indice de mélasse du charbon examiné à l'indice de mélasse d'un charbon de référence qui est pris comme étalon. L'indice d'iode représente le pourcentage d'iode absorbé par l'échantillon de charbon.
C'est une mesure de la surperficie interne totale présentée par le produit. L'augmentation des indices d'iode montre ainsi un accroissement mesurable du volume des petits pores et par conséquent l'atteinte de l'oxydation sélective de l'ordre voulu.
Ces expériences ont également montré que de la vapeur d'eau n'était nécessaire dans le procédé que dans les conditions où c'était une matière première dans un état extrêmement sec qui était réactivée. Quand on utilisait une matière première humide,
I'eau contenue dans cette matière formait sa propre vapeur. Ces résultats ont également confirmé les conclusions théoriques antérieures indiquant que les conditions opératoires optimales de régénération se présentaient quand la teneur en eau de la phase liquide ou de la phase vapeur était pratiquement égale au débit d'alimentation de la matière sèche.
Les expériences signalées ci-dessus, ainsi que d'autres qui ne sont pas reproduites ici, concernaient la régénération de charbons usés de sucre de canne et de sirop de maïs, mais l'expérience ainsi acquise fait apparaître le procédé comme tout à fait susceptible d'être utilisé avec du charbon pulvérulent usé provenant d'autres applications, tel le charbon usé de sucre de canne ou tout autre charbon contenant des matières organiques. En outre, le procédé et l'appareil qui sont décrits ici pourraient être utilisés pour la régénération, avec un rendement très élevé, d'un charbon pulvérulent provenant du traitement tertiaire d'un effluent d'égoûts, ou
bien d'un charbon pulvérulent utilisé pour remplacer les boues ac
tivées dans le traitement secondaire des eaux usées.
On pourrait également utiliser le nouveau procédé et le nouvel appareil qui
sont décrits ici, pour régénérer du charbon pulvérulent servant à
éliminer les impuretés organiques de produits chimiques et phar
maceutiques, ou bien d'autres fluides.
Le réacteur de transport de la présente invention rendra égale
ment pratique la régénération d'autres types nouveaux de charbon
pulvérulent. Par exemple, le carbone de houille pulvérulent, ou
bien d'autres carbones ayant une taille de particules assez petite
pour la régénération dans le réacteur de transport, mais beaucoup
plus grande que les présents charbons pulvérulents, pourraient être être plus facilement régénérés et récupérés étant donné que la
taille de particules choisie améliore la filtration en raison de la
plus grande densité et de la plus grande filtrabilité . En outre, la
régénération par transport s'accompagnant d'une réduction de la
consommation de carbone rendra économique l'utilisation de
charbon plus actif pour l'appoint, en optimisant ainsi le travail de
purification.
Enfin, en raison du faible coût et du fort rendement
de la régénération avec transport, il deviendra possible d'utiliser
comme appoint des charbons lavés à l'acide ou d'autres charbons
spéciaux.
Comme autre exemple montrant l'utilisation de l'appareil et
du procédé qui sont décrits ici pour l'activation d'une matière pre
mière vierge , on a procédé à plusieurs essais sur un solide car
boné de charbon d'écorce pour améliorer ou développer son acti vité.
Exemple V
Conditions d'essai:
Température du réacteur: 980 C.
Vapeur d'eau: 7,2 kg/h.
Propane: 235 dm3N/h avec 2,2% d'oxygène dans les produits de combustion.
L'exemple V prouve l'efficacité du système à réacteur de trans
port pour améliorer ou développer l'activité du solide carboné tel
que le charbon d'écorce. L'activité mesurée est l'indice de phénol
modifié (IPM), qui constitue un test d'activité utilisé pour mesurer
le rendement du charbon actif pour le traitement de l'eau potable.
L'IPM représente la dose de charbon, en parties par million, né
cessaire pour réduire la concentration de phénol de 200 ppm à
20 ppm. L'American Water Works Association utilise notamment
un essai d'adsorption de phénol pour mesurer le pouvoir adsor
bant du charbon actif servant au traitement de l'eau potable.
Dans cet exemple, on faisait passer un charbon recueilli d'une
chaudière de combustion d'écorce, à travers le système du réac -teur à trois niveaux de débit d'alimentation avec un débit de va
peur d'eau de 7,2 kg/h. Le système de brûleur au-dessous du point
de chargement brûlait 235 dm3N/h de propane avec 2,2% d'oxy
gène dans les produits de combustion. Dans chacun de ces trois
essais, I'IPM du produit était sensiblement supérieur à l'IPM de la
charge et meilleur que la norme usuelle d'lPM pour un charbon
Résultats:
Débit d'alimentation Débit de sortie
du charbon d'écorce IPM du produit IPM Rendement
No de l'essai en kg/h de la charge en kg/h du produit en O/o
4,36 22 3,31 17 76
2 6,44 20,8 5,1 17 79,4
3 6,80 20,8 5,2 17 77,0 actif de traitement d'eau potable.
Dans le troisième essai le système du réacteur de transport a permis d'tenir un charbon ayant un bon IPM avec un haut débit d'alimentation de 200 kg/h/m3 de volume du réacteur et un débit de sortie de produit de 153,7 kg/hlm3 de volume de réacteur. Le rendement moyen pour les trois essais était de 77%. L'uniformité de l'IPM du produit indique que le haut débit d'alimentation dans le troisième essai n'est nullement le niveau d'alimentation maximal que l'on peut obtenir.
La température du réacteur était maintenue à 980 C, et cette température est considérée comme plus favorable que les températures plus basses en raison de la vitesse de réaction plus favorable à 980' C pour la réaction vapeur d'eau/carbone. L'exemple ci-dessus décrit des conditions qui donnent un charbon actif acceptable, mais n'illustre nullement les conditions optimales.
II est également éventuellement possible d'utiliser le réacteur de transport pour traiter du charbon pulvérulent dans un cycle de purification et de régénération à un prix beaucoup plus faible que celui exigé pour du charbon granulaire dur. Dans ce cas, le mélange, la filtration, le lavage et la régénération du charbon dans un procédé continu seraient plus économiques. D'autre part, I'obtention de charbon pulvérulent régénéré à bas prix, dont le coût serait plus faible que celui du charbon granulaire, rendra pratiques d'autres applications qui n'ont pas encore été considérées.
Il a été proposé par exemple d'utiliser du charbon actif comme moyen pour empêcher l'accumulation de résidus de pesticides dans les animaux, en particulier les vaches laitières. Les expériences ont montré que l'on pouvait réduire substantiellement les résidus de pesticides organiques se trouvant déjà dans les vaches laitières, en faisant absorber des suspensions de charbon aux vaches laitières. Ce procédé pourrait être mis en oeuvre par le fermier ou le fabricant de produits alimentaires, par mélange de pastilles de charbon actif aux aliments donnés aux vaches laitières. Le charbon actif adsorberait alors les pesticides et minimiserait l'accumulation de substance organiques dans l'organisme des animaux.