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"PERFECTIONNEMENTS A UNE STRUCTURE DE BRULEUR POUR MELANGER DEUX GAZ, TELS QU'UN HYDROCARBURE GAZEUX ET UN GAZ CONTENANT DE L'OXYGENE"
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La présente invention concerne un appareil destiné à la combustion partielle d'hydrocarbures ga- zeux pour produire de l'oxyde de carbone et de l'hy- drogène. L'invention est particulièrement applicable à la combustion partielle d'un hydrocarbure gazeux avec de l'air enrichi ou de l'oxygène sensiblement pur pour produire de l'oxyde de carbone et de l'hydro- gène. Dans l'un de ses aspects plus particuliers, la présente invention est relative à un appareil parti- culièrement conçu pour la combustion partielle dtun gaz combustible ayant une capacité calorifique éle- vée, par exemple du gaz naturel, avec de l'oxygène sensiblement pur.
Des mélanges de gaz constitués essentielle- ment d'oxyde de carbone et d'hydrogène sont importants dans l'industrie comme source d'hydrogène pour des réactions d'hydrogénation, comme source de gaz d'ali- mentation pour la synthèse des hydrocarbures, des com- posés organiques oxygénés, de l'ammoniac, etc... Ac- tuellement, la production d'oxyde de carbone et d'hy- drogène par combustion partielle d'un hydrocarbure avec un gaz riche en oxygène répond à un grand besoin. La réaction grâce à laquelle un hydrocarbure gazeux, tel que le méthane ou un gaz naturel, réagit avec de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène sensiblement pur présente un intérêt particulier.
La combustion partielle'd'un combustible hydrocarburé avec de l'air enrichi en oxygène ou avec de l'oxygène relativement pur pour produire de l'oxy- de de carbone et de l'hydrogène pose des problèmes uniques que l'on ne rencontre pas normalement dans la
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technique des brûleurs. Il est nécessaire d'obtenir un mélange très rapide et complet des réactifs. Cette réaction soulève également des problèmes relatifs à la protection du brûleur, ou du mélangeur, de la sur- chauffe. En raison de la réactivité de l'oxygène avec le métal lui-même à partir duquel on peut fabriquer un brûleur approprié, il est extrêmement important d'em- pêcher les éléments du brûleur d'atteindre les tempéra- tures auxquelles il se produit une oxydation rapide des éléments.
A ce sujet, il est important d'obtenir que la réaction entre l'hydrocarbure et l'oxygène se fasse entièrement à l'extérieur du brûleur proprement dit et d'empêcher une concentration localisée des mé- langes combustibles à la surface ou près de la surface des éléments du brûleur. Les éléments du brûleur sont soumis au chauffage par rayonnement à partir de la réaction, même si cette dernière a lieu au delà du point de sortie du brûleur. Si le mélange n'est pas convenable, il se produit, dans des zones localisées, des concentrations telles en oxygène qu'une combustion relativement complète d'une partie du combustible se produit dans ces zones. Il se dégage ainsi des quan- tités relativement grandes de chaleur au voisinage du brûleur et les éléments du-'brûleur sont soumis à une surchauffe par rayonnement.
De plus, avec une confi- guration quelconque d'orifice de sortie, il se forme des mélanges des deux gaz sous forme de courants tour- billonnants qui brûlent sur la surface (porte-flamme) du métal avec laquelle ils sont en contact, à moins que ces surfaces ne soient refroidies au-dessous de la température d'allumage des gaz.
Un autre problème particulier à cette réac- tion est posé par la tendance à la formation de carbo-
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ne libre, soit sur le brûleur, soit dans l'espace de réaction, principalement en raison du mélange impropre des gaz. La formation de carbone sur la surface du brûleur aboutit souvent à la détérioration de celui-ci, étant donné que ce carbone gène le mélange des gaz et prevoque des concentrations localisées d'oxygène qui surchauffent les éléments de brûleur ou la matière réfractaire qui y est associée.
Avec des brûleurs classiques, on a constaté qu'il est nécessaire d'utiliser une quantité d'oxygène dépassant la quantité théorique pour empêcher la forma.
,tion de carbone. Ceci aggrave le problème du refroi- dissement du brûleur et provoque.souvent des tempéra- tures de réaction élevées indésirables. Il faut utili. ser parfois de la vapeur pour régler la température de réaction et la maintenir à un niveau raisonnable. Le problème est encore compliqué par le fait que, lors de la combustion partielle de gaz, il est désirable d'envoyer les réactifs gazeux au brûleur dans un état fortement préchauffé pour réduire les exigences en oxygène et pour obtenir un rendement maximum en produt gazeux désiré.
Lors de la production-d'oxyde de carbone et d'hydrogène à partir de gaz naturel et d'oxygène rela. tivement pur pour la synthèse des hydrocarbures en quantités industrielles, on a constaté que des brû- leurs classiques ne donnent pas satisfaction pour une ou plusieurs des raisons mentionnées précédemment. Ces brûleurs sont généralement caractérisés par la dété- rioration de leurs éléments, particulièrement par la combustion du métal aux becs du brûleur, même lorsque ces éléments ont été refroidis avec de l'eau.
Dans la technique des brûleurs, plusieurs
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types de brûleur$ sont connus. Compte tenu des problè-
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mes"précités, le tn Ç4 brûleur dans lequel les reac- tifs sont mélangés au pr4alable et injectés à partir du brûleur à des vitesses dépassant la vitesse de pro- pagation de la flambe se suggère de lui-même. Cepen- dant,- ce type de brûleur ne s'est pas révélé satisfai- sant avec de l'oxygène relativement pur et des hydro- carbures par exemple.
La raison pour laquelle ces brû- leurs ne sont pas satisfaisants est qu'il existe tou- jours une.pellicule de gaz sur la surface du conduit ou de l'orifice par lequel ces gaz sont déchargés et que) cette pellicule se déplace à une vitesse relative- ment lente. Le mélange d'oxygène et d'hydrocarbure fortement réactif réagit en même'temps que cette pelli- cule ou surface, ce qui provoque rapidement la détério- ration du brûleur.
,',
La présente invention concerne des brûleurs dans lesquels les réactifs sont mélangés au point de décharge hbrs du brûleur et,' en particulier, des brû- leurs du type annulaire', c'est-à-dire des brûleurs dans lesquels des courants des gaz de réaction sont introduits par des conduits concentriques, l'un des gaz étant déchargé par un conduit central du mélange avec l'autre des gaz qui est hors'de l'espace annulaire compris entre le premier conduit et un conduit qui l'entoure. Il est important dans ce type de brûleur d'assurer un mélange rapide et approprié des gaz réac- tifs, après qu'ils ont été déchargés du brûleur, peur empêcher, dans le mélange de réaction, des concentra- tions en oxygène localisées qui se traduiraient par des points chauds au voisinage du brûleur.
Il est également important d'empêcher la for-
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mation de mélanges de réactifs au voisinage des éléments de brûleur, par exemple le long de la surface d'un élé- ment. Les éléments doivent être refroidis de manière adéquate, ce qui pose un autre problème important.
Dans les brûleurs de la technique antérieure du type auquel la présente invention se rapporte, sa- voir les brûleurs du type annulaire, on prévoit parfois le refroidissement du'bec du brûleur en réalisant une chemise de refroidissement par laquelle on peut envoyer l'eau pour refroidir le bec du plus grand conduit de gaz.
La présente invention a pour objet : - un nouveau brûleur ou mélangeur destiné à la combustion partielle de gaz combustibles avec des gaz riches en oxygène, par exemple de l'air enrichi ou 'de l'oxygène relativement pour, pour' produire de l'oxy- de de carbone et de l'hydrogène; - un brûleur du type,'annulaire qui est de construction relativement simple,, qui assure un mélange convenable des gaz réactifs et auquel on a assuré d'une manière nouvelle, une protection contre la surchauffe et la réaction des éléments de brûleur avec l'oxygène; - un ensemble de brûleur du type annulaire dans lequel on a prévu un dispositif pour refroidir l'extrémité de décharge des conduits intérieur et ex- térieur ;
- un ensemble de brûleur du type annulaire dans lequel les orifices de sortie sont maintenus dans les mêmes positions relatives, quelle que soit la di- latation des éléments de brûleur lors du chauffage.
Conformément à ltinvention, on prévoit une structure de brûleur pour mélanger deux gaz, tels qu'un hydrocarbure gazeux et un gaz contenant de l'oxy-
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gène, ce brûleur comportant : un élément intérieur de corps sensiblement cylindrique et pourvu d'un conduit central se terminant par un orifice de sortie en vue du passage d'un courant de gaz à travers celui-ci;
un élément extérieur de corps sensiblement cylindrique, de diamètre supérieur à celui de l'élément intérieur et disposé autour de ce dernier pour délimiter un conduit annulaire qui se termine par un orifice de sortie voi- sin de l'orifice de sortie du conduit central et entou- rant cet orifice, l'élément intérieur du corps compor- tant un canal de section transversale réduite, uniforme, entourant quasi-complètement l'orifice de sortie du conduit central en vue du passage d'un liquide de re- froidissement dans celui-ci, cet élément extérieur du corps comportant un passage de section transversale réduite uniforme entourant quasi complètement l'orifice de sortie dudit conduit annulaire en vue du passage d'un liquide de refroidissement ;
celui-ci, plu- sieurs entretoises reliant rigidement l'élément inté- rieur à l'élément extérieur du corps en des points écartés des orifices de sortie, les éléments du corps possédant des passages qui communiquent avec les ca- naux et qui permettront d'envoyer du liquide de refroi- dissement successivement dans lesdits canaux ; unepre- mière conduite rigide reliée à l'élément intérieur du corps et communiquant avec le conduit central pour y envoyer un courant de gaz ; seconde conduite rigide reliée à l'élément extérieur du corps communiquant aveo le conduit annulaire et entourant le premier conduit; un premier tybe d'alimentation relié à la première con- duite, sensiblement à angle droit par rapport à celle- ci et servant à envoyer du gaz dans cette première con- duite ;
enfin, un second tube d'admission disposé autour
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du premier et relié à la seconde conduite pour envoyer un deuxième gaz à celle-ci.
Afin de mieux faire comprendre l'invention, on va maintenant la décrire en se référant au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue en coupe d'un brû- leur de type annulaire conforme à l'invention; - la figure 2 est une coupe du brûleur de la figure 1 faite par 2-2 de la figure 1.
En se référant au dessin, on voit que le corps de brûleur est constitué par un élément intérieur 3, de forme sensiblement cylindrique, et par un élément extérieur 4, également de forme sensiblement cylindri- que, qui entoure l'élément intérieur dont il est écar- té. L'élément intérieur comprend un passage 5 s'éten- dant sur son axe et à travers lequel un courant de l'u des gaz peut passer. Un passage 6 pour le second cou- rant de gaz est constitué par l'espace annulaire sépa- rant les éléments intérieur et extérieur. Le passage central 5 se termine par un orifice 8, par lequel un courant de gaz réactif est évacué. Un orifice similai- re 9 est prévu à l'extrémité de sortie du passage 6.
L'orifice 9 est symétrique à l'orifice 8 et est situé légèrement en aval du point de décharge de l'orifice
8. L'un des courants de gaz réactif est envoyé dans le passage 5 par un conduit 11 et provient d'une canali. sation d'amenée 12. L'autre courant de gaz réactif- est introduit par l'intermédiaire d'un conduit 13 dans le passage annulaire 6 à partir d'une canalisation d'amenée 14. La canalisation 12 est située dans la ca- nalisation 14. La canalisation 12 et le collecteur 14 peuvent fournir des gaz à plusieurs brûleurs similaires dont chacun est relié aux canalisations d'alimentation
12 et 14 de la manière représentée.
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L'élément intérieur 3 du corps est espacé de l'élément extérieur 4 par plusieurs entretoises 16 qui servent à maintenir rigidement les éléments à distance l'un de l'autre. Le refroidissement des ouvertures de sortie du brûleur est assuré par un liquide de refroi- d,issement qui circule par des passages ou canaux prévus dans le corps du brûleur. Un courant de liquide de re- froidissement est introduit dans le corps du brûleur par l'intermédiaire d'un tube 17 aboutissant dans un passage 18 qui traverse l'élément extérieur 4 du corps du brûleur et une entretoise 16' jusqu'à un passage 19 de l'élément intérieur Le passage 19 .communique avec un canal de refroidissement 21 entourant l'orifice 8.
Le canal 21 entoure entièrement l'orifice 8 et communi- que avec un passage 22 à travers lequel le liquide de refroidissement est amené dans un passage 23 traversant l'entretoise 16' et s'étendant 'jusqu'à un passage 24 prévu dans l'élément extérieur du corps. Le passage 24 amène le liquide dans un canl 26 de refroidissement entourant orifice ,Le canal entoure complète- ' entourant l'orifice 9. Le canal 26 entoure complète- ment l'orifice 9 et se termine à un passage '27. Le passage 27 relie le canal 26 à un tube de sortie 28.
Le liquide de refroidissement déchargé par le tube 28 peut être envoyé à un brûleur similaire, non représen- té, etc... pour refroidir plusieurs brûleurs en série.
L'ordre dans lequel les orifices sont refroidis est sans importance ; parexemple, on peut faire passer le liquide de refroidissement d'abord par un canal entou- rant l'orifice extérieur et ensuite à travers un canal entourant l'orifice intérieur. Il est également évi- dent que l'on peut prévoir un dispositif pour envoyer des courants distincts de liquide de refroidissement à
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chacun des orifices de décharge.
Une caractéristique importante du brûleur conforme à l'invention est que l'on a prévu un disposi- tif pour refroidir efficacement les orifices de sortie du conduit intérieur et du conduit extérieur, afin de protéger le brûleur d'une surchauffe en ces points critiques. On obtient ce résultat, en faisant passer le liquide de refroidissement, qui est de préférence de l'eau, à une vitesse relativement élevée, par les ca- naux prévus dans le corps du brûleur au voisinage des orifices ou lumières d'évacuation. La vitesse du li- quide dans les canaux de refroidissement doit être d'au moins 6 mètres par seconde pour un refroidissement adéquat et elle doit être de préférence supérieure 2 mètres par seconde.
Les sections transversales des canaux de refroidissementsont relativement petites, ce qui assure une vitesse d'écoulement relativement éle- vée à travers les canaux. On empêche ainsi, dans le canal de refroidissement, la formation de poches de va- peur qui auraient tendance à former une couche supé- rieure sur le bec et qui permettraient une surchauffe.
Une autre caractéristique importante du brû- leur de l'invention réside dans-le fait que la canalisa. tion 12 est suspendue à partir de l'élément intérieur 3 du brûleur au moyen du conduit 11. Le corps du brû- leur peut être supporté sur le conduit 13 qui, à son tour, est fixé au collecteur d'alimentation 14. De cette manière, la canalisation interne 12 est suspendue en relation flottante dans la canalisation 14, ce qui permet un déplacement relatif entre les divers conduits, déplacement dû à la dilatation ou à la contraction ther- miques des éléments lors du chauffage ou du refroidis-
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sement.
En même temps, l'élément 3 de corps est rigou- reusement disposé par rapport à l'élément extérieur 4 du corps, ce qui fait que les orifices d'évacuation 8 et 9 sont maintenus dans une relation d'espacement fixe l'un par rapport à l'autre, quelles que soient la di- latation ou la contraction des éléments lors du chauf- fage ou du refroidissement.
En cours de fonctionnement, le brûleur est monté dans la paroi ou sur la sole d'un four approprié.
Le matériau réfractaire constituant la paroi ou la sole entourant le brûleur est représenté sur le dessin par la référence 29.
Dans un mode de réalisation particulier, plu- sieurs brûleurs d'un diamètre intérieur de 10 cm sont disposés dans un réacteur sans garnissage. Ces brûleurs sont disposés sous forme d'un groupe compact et sont alimentés par des collecteurs communs de gaz et d'oxy- gène. Les brûleurs sont moulés en "Inconel", qui est un acier spécial contenant environ 13 % de chrome, 79,5 % de nickel, et 6,5 % de fer. Le conduit interne d'alimentation, correspondant au conduit 11 du dessin, et le collecteur intérieur, correspondant à la canali- sation 12 du dessin, sont fabriqués en "acier 18-8", c'est-à-dire un acier spécial, contenant environ 18 % de chrome et 8 % de nickel. Cette matière possède un coefficient de dilatation relativement élevé.
Le con- duit d'alimentation extérieur et le collecteur exté- rieur, correspondant aux conduits 13 et 14 du dessin, sont fabriqués en acier spécial au chrome contenant 6 à 8 % de chrome et ayant un coefficient de dilatation assez faible. De l'oxygène industriellement pur, c'est-à-dire de l'oxygène ayant une pureté d'environ 97 moles pour cent, est amené à 1270 C par le centre du
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brûleur, tandis que le gaz naturel à 5270 C est amené par 1,'orifice annulaire. L'eau de refroidissement est amenée successivement dans un certain nombre de brûleurs La vitesse de passage dans les canaux de refroidissemenb au voisinage des orifices de chaque brûleur est calcu- lée à raison de 10,6 m/seconde.
La vitesse du courant de gaz évacué par l'orifice annulaire est approximati- vement égale au double de celle du courant déchargé par l'orifice central. Le gaz provenant de l'orifice annulaire est envoyé vers l'intérieur en direction du courant provenant de l'orifice central, et il fait un angle d'environ 450 avec l'axe du brûleur. La vitesse du gaz sortant de l'orifice central est d'environ 30 mètres par seconde.
Le courant sortant de l'orifice annulaire est envoyé dans le courant central et fait avec ce der- nier un angle qui peut varier depuis environ 30 jus- qu'à environ 75 à partir de l'axe du courant central.
La vitesse des courants peut être comprise entre envi- ron 23 mètres et environ 91 mètres par seconde. De préférence, la vitesse à partir de l'orifice annulaire est de 50 µle à 100 % plus grande que la vitesse des gaz sortant de l'orifice central.
Il est évident que l'on peut apporter diver- ses modifications au mode de réalisation décrit, sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention.
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