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PERFECTIONNEMENTS AUX BRULEURS POUR LE TRAITEMENT THERMIQUE D'HYDROCARBURES.
La présente invention se rapporte à des perfectionnements aux brûleurs de fours pour le traitement thermique d'hydrocarbures par combustion incomplète au moyen d'oxygène ou d'un mélange gazeux, en contenant à l'état libreet en particulier aux brûleurs de fours servant à la préparation d'acétylène par cette méthode thermique.
Dans les fours habituellement utilisés à cet effet, on enflamme dans un brùleur. constitué par un distributeur de gaz à orifices multiples et une chambre de combustion, un mélange gazeux, préchauffé ou non, se composant du comburant et du combustible, ce dernier pouvant se trouver à l'état de gaz, de vapeur ou de brouillard (atomisé) et on refroidit brusquement les produ@@@ gazeux formés, encore fortement réactifs, afin d'arrèter la réaction au stade d'équilibre choisi.
Les flammes individuelles , qui prennent naissanceà la sortie de chaque orifice du distributeur, en se réunissant, forment une seule flamme de combustion, cet ensemble étant désigné ci-après, par abréviation, par le terme de "flamme".
Il est connu que les réactions de combustion partielle d'hydrocarbures par l'oxygène, surtout des hydrocarbures supérieurs à C1, et en particulier des hydrocarbures non-saturés, donnent naissance à du carbone amorphe,qui forme sur les parois de la chambre de combustion des dépôts semblables à dû coke, dépôts qui sont préjudiciables à la formation de la flamme et conduisent à une chute de rendement ainsi qu'à des obstructions.
De nombreux dispositifs ont déjà été proposés, soit pour éviter la formation de ces dépôts de carbone, soit pour les enlever pério- diquement, le plus souvent par des moyens mécaniques, plus ou moins compli- qués A l'échelle industrielle,ces dispositifs présentent, cependant, certaines difficultés d'application qui augmentent le coût de 'réalisation des fours et/ou contrecarrent la continuité des procédéso
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La Demanderesse a trouvé qu'on peut remédier à ces inconvénients et réaliser la combustion partielle d'hydrocarbures, en continu, tout en évitant la formation de dépbts de carbone sur les parois de la chambre de combustion et cela moyennant un dispositif simple et original, consistant à envelopper latéralement la flamme,
qui prend naissance à la sortie du distributeur, par une nappe continue et homogène d'un liquide, lequel, en général, sera de l'eau. On remplace ainsi les parois solides, fixes, délimitant la zone de combustion, par des parois liquides, dynamiques, qui, en entraînant les particules de carbone,permettent de garder la paroi latérale parfaitement définie et en conséquence une zone de combustion invariable.
Cette nappe fluide est obtenue, p.ex. par envoi d'eau sous pression;, opportunément au travers d'une fente de forme particulière, située à la périphérie du distributeur et spécialement calibrée et conformée pour profiler le liquide sous forme de lame pleine, autour de la flamme et parallèlement à la direction de celle-ci.
Pour réaliser les conditions les meilleures, visant la pleine efficacité de cet écran protecteur liquide et maintenir un rendement élevé en produits désirés de combustion partielle, le débit et la pression de l'eau, ainsi que la disposition et les dimensions de la fente d'injection, doivent être réglés de fagon à assurera
1 ) une lame d'eau, mince, pleine et homogène,
2 ) une direction d'écoulement de cette lame d'eau, parallèle à l'axe de la flamme,
3 ) une vitesse de sortie de l'eau, suffisante pour maintenir ce parallélisme . et empêcher toute interpénétration du liquide et de la flamme, p.ex. sous l'action de la pesanteur dans le cas de brûleurs à flamme horizontale. four que l'écran liquide ne soit pas dévié de la position et de la forme désirées p.ex.
dans le cas de brûleurs verticaux, à flamme dirigée vers le bas,où, sous l'effet de la tension superficielle du li.qui- de l'écran d'eau cylindrique a tendance à se resserrer vers le bas, on peut utilement à l'aide d'une toile métallique, de forme appropriée et à mailles plus ou moins larges,stabiliser la position et la forme de l'écran en laissant s' écouler ou en distribuant le liquide le long de cette toile Grâce à 1-*adhésion de la nappe de liquide à un tel support métallique , rigide,il devient ainsi même possible de réaliser l'écran prote cteur avec des quantités moindres de liquide et/ou qui peut être distribué sous une pression moins forte.
A titre d'exemple,une forme de réalisation d'un écran protecteur liquide, suivant l'inventions appliquée à un four circulaire simple , de combustion partielle d'hydrocarbures pour f ormer de l'acétylène, est représentée par la figure I.
Le distributeur (I), en forme de disque cylindrique métallique inoxydable et réfractaire est traversé par les canaux parallèles (2) de distribution du mélange, gazeux, lequel est enflammé à son entrée dans la chambre de combustion (5). Le long de son contour extérieur, le distributeur (8) est pourvu d'un anneau métallique creux (3)dans lequel est aménagée une ouverture (4), en forme de fente, dirigeant le liquide protecteur parallèlement à l'axe de la chambre de combustion (5). De l'eau sous pression, amenée par la conduite (6), est introduite dans cet anneau (3) et est distribuée par la fente continue (4), pour former un film d'eau continu qui joue le rble de paroi de la zone de combustion.
Les produits de réaction gazeux, formés par la combustion partielle sont refroidis brusquement par injection d'eau (7)
Afin d'éviter un allumage prématuré du mélange gazeux réactionnel, par retour de flamme9 qu'un échauffement exagéré du distributeur (l)
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roquerait de provoquer:, on peut refroidir ce dernier en y faisant circuler l'eau sous pression dans une ou plusieurs canalisations (8) traversant le disque distributeur en sens perpendiculaire à la direction des canaux de distribution du mélange combustible.
L'adaptation dun dispositif à écran d'eau au distributeur de gaz, suivant l'invention, en évitant les dépôts de carbone sur les parois de la chambre de combustion, assure,d'une part, un rendement de transfor- mation élevé en acétylène dans les produits de combustion, et,d'autre part, un coefficient d'utilisation du four supérieur, par suite de la suppression des arrêts nécessaires pour le nettoyage ou le remplacement des parois de la chambre de combustion.
Quant au distributeur, on peut avantageusement le réaliser, en partant poexo d'un disque métallique plein, dans lequel on fore les ca- naux de distribution (2) du mélange gazeux, parallèlement à l'axe du disque etles canalisations de circulation d'eau (8), perpendiculairement à cet axe.
La vitesse d'écoulement du mélange gazeux, dans les canaux du distri- buteur étant imposée par la vitesse de propagation de la flamme, qu'elle doit nettement dépasseril y a intérèt,afin de réduire au minimum la perte de charge due aux canaux, nécessairement étroits, de donner à ces derniers la forme de tuyères convergentes-divergenteso De plus, pour assurer une stabilité plus grande desflammes individuelles,à chaque orifice du distributeur et éviter ainsi le dépôt de carbone au front du distributeur, il est avantageux aussi, d'arrondir les bords, (élargis par la divergence des canaux vers la chambre de combustion) desorifices de sortie de ces canaux.
Pour des raisons d'ordre constructif, le type de brûleur décrit ci-dessus, convient surtout pour des capacités moyennes de production de gaz de pyrolyse
Pour des capacités plus importantes, où, pour diminuer l'encombrement de l'installation, le distributeur doit avantageusement présenter une surface minimum par rapport au volume de la chambre de combustion, le principe de l'écran protecteur liquide,entourant la flamme, est cependant applicacle également.
Suivant ure forme d'exécution particulièrement avantageuse de l'inventionsle brûleur peut comporter alors un distributeur annulaire centrait, en forme de cylindre creux, fermé d'un coté et placé verticalement dans une chahbre de combustion circulaire., qui l'entoure complètement.
Le mélange combustable gazeux est introduit par la base ouverte du cylindre, dans l'espace intérieur creux, pour être chassé, sous l'effet de la pression., vers la chambre de combustion extérieure, à travers les canaux qui traversent radialement le distributeur sur tout son pourtour. Les bords supérieur et inférieur du cylindre creux sont pourvus chacun d'un anneau métallique creux, à circulation d'eau (ou d'un autre liquide appro- prié), chacun de ces anneaux étant muni à sa périphérie d'une fente circulaire continue,par laquelle l'eau est répartie radialement dans la chambre de combustion, pour y former écran aux faces inférieure et supérieure de la flamme circulaire horizontale,produite par la combustion partielle du mélange gazeux à la sortie du distributeur.
Le refroidissement brusque des gaz de combustion est réalisé par injection d'eau, dans la chambre de combustion, à distance appropriée du distributeur.
Be même que dans le distributeur en forme de disque, lescanaux de distribution du mélange gazeux ont opportunément la forme de tuyères convergentes-divergentes, à bords arrondis.
L'exemple ci-après, nullement limitatif, illustre ce mode particulier de réalisation du dispositif suivant l'invention, conçu pour la transformation,en acétylène, de quantités importantes d'hydrocarbures par combustion partielle La figure II est une coupe en élévation tandis que la figure III est une coupe transversale suivant X- Y.
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Les réactifs gazeux préchauffés et mélangés, pénètrent dans une chambre de détente (9) qui parfait le mélange,puis traversent le distributeur (1). Celui-ci,en forme d'anneau ou cylindre creux en acier inoxydable réfractaire est radialement traversé de canaux (2), dont les dimensions sont telles que, pour le débit de fonctionnement prévu, la vitesse du mélange à l'intérieur de ces canaux soit nettement supérieure à la vitesse de propagation de la flamme.
De l'eau, sous pression,amenée axialement par la conduite (6), se répartit dans l'anneau (3) garnissant l'un des bords du distributeur et qui est pourvu, à sa périphérie suivant un plan perpendiculaire à l'axe du four, d'une fente (4) continue telle que définie plus haut.
Une partie de l'eau sous pression est expulsée par cette fente,pour donner naissance à une lame d'eau horizontale, L'autre partie de l'eau traverse verticalement le distributeur par une série de canaux longitudinaux (8) pour atteindre l'anneau (3') du bord opposé du distributeur, identique au premier (3), et est expulsée par la fente (4') pour donner également naissance à une lame d'eau horizontale.,
Les dimensions des canaux longitudinaux (8) et des fentes (4 et 4') sont établies de telle sorte que la perte de charge subie par l'eau sous pression pendant la traversée verticale du distributeur, soit peu importante (et nettement inférieure à la perte de charge due au passage de l'eau à travers les fentes (4 et 4')) et que son échauffement reste inférieur à 5 C,
de fagon que les conditions dynamiques et thermiques de l'eau dans les anneaux (3 et 3'), et celles des nappes d'eau horizontales y formées.,soient pratiquement identiques.
Le refroidissement brusque des gaz de réaction est obtenu par injection ou pulvérisation d'eau à l'aide de jets (7) répartis annulairement, paexo à mi-hauteur de la chambre de combustion (5).
Au point de rencontre de l'eau, formant les écrans protecteurs horizontaux et de l'eau de refroidissement injectée, les effets dynamiques desfluides ayant des directions orthogonale s, le remous formé, situé en dehors de la zone de combustion, n'entrave pas la réaction, ni le rendement en acétylène.
Grce à sa forme annulaire, le distributeur décrit présente une surface minimum pour un volume donné de chambre de combustion, ce qui permet,par rapport à d'autres types de brûleurs de même encombrement-, de traiter de plus grandes quantités de mélange gazeux avec une déperdition calorifique moindre.
En outre, grâce, d'une part,au remplacement des parois fixes de la zone de combustion par des nappes fluides et à l'absence, qui en résultede tout dispositif mécanique de nettoyage de la chambre de combus- tion et, d'autre part, à la forme annulaire du distributeur, la capacité de production d'un brûleur donné peut être augmentée facilement sans modification structurelle importante d'une installation existante Pour réaliser cette augmentation de capacité, il suffit,en effet, d'intercaler un ou plusieurs éléments distributeurs, identiques au premier, entre celui-ci et un des anneaux bordant le distributeur et d'élever en conséquence, la hauteur de la chambre de combustion.
De même que le distributeur en forme de disque, le distributeur annulaire est facile à réaliser, au départ d'un anneau ou cylindre creux métallique, inoxydable et réfractaire, dans lequel on pratique, p.ex. par forage, une série de conduites longitudinales (8)pour la circulation de l'eau de refroidissement, ainsi que, radialement, dans les intervalles de celles-ci, les canaux de distribution du mélange gazeux combustible.
Pour donner des lames d'eau pleines et homogènes, sans forma- tion'de jets ou brouillards latéraux secondaires qui pourraient pénétrer @
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dans la zone de combustion., les bords des fentes (4 et 4') d'éjection de 1?eau sous pression n'ont pas d'arête vive, mais sont, de préférence, lé- gèrement évasés et arrondis.
Comparativement aux brûleurs à parois métalliques refroidies extérieurement par circulation d'eau, les brûleurs à nappe d'eau dynamique, directement en contact avec la flamme, suivant l'invention, se sont montrés au moins équivalents aussi, au point de vue thermique, étant donné que l'échange thermique entre 19 écran d'eau et la flamme,en se faisant princi- palement par rayonnement, est insignifiant, grâce à la durée très réduite de contact,entr'elles, des surfaces mouvante s du film d'eau et de la flamme.,
Ayant fait réagir dans un tel four un mélange de 1800-2000 m3/heure de certaine fraction de gaz de fours à coke, à environ 85% d'hydrocarbures en C1 et C2, et 950-1050 m3/heure d'oxygène,
on a obtenu un gaz de pyrolyse contenant 10 à 11% en volume d'acétylène
Ainsi qu'il a déjà été indiqué ci-dessus, l'écran fluide peut être réalisé,en principe, par des liquidesautres que l'eau, tels que certaines huiles lourdes, difficilement inflammables, mais plus cohérentes que l'eau et cela dans un but particulier, soit d'épuration partielle des produits de combustion partielle, soit de récupération de la chaleur de combustion, ces fluides jouant alors le râle de support intermédiaire de calories.