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La présente invention est relative à un procédé et à un brûleur ayant pour objet d'effectuer la combustion partielle, aussi appelée "réformation", des hydrocarbures gazeux, liquides ou liquéfiés, de façon à transformer ceux-ci quasi instanément en un gaz hautement réducteur contenant essentiellement de l'hydrogène H2 et de l'oxyde de carbone CO avec le minimum de CO2, de H2O, ou de carbone préci- pité, gaz dont la composition sous ce rapport correspond virtuellement à celle que permettent les équilibres 2 CO#CO2 + C e H2O + CO2#CO2 + H2 aux températures rélativemént élevées qu'on désire obtznir dans le gaz uneformé ainsi produit.
Pour l'application de la présente invention, nous considérpns explici- tement que les goudrons de houille ou autres sont des hydrocarbures.
On utilisera donc ici les termes "réformation", 'réformér", en référen- ce à cette opération de transformation par combustion partielle dont l'objet est d'obtenir, à partir d'hydrocarbures primaires gazeux liquides ou liquéfiés, un gaz où n'existe plus de lien -C - C - H, et où le carbone a subi virtuellement seul la combustion partielle et est ainsi transformé en CO.
Il n'y a aucune importance pour notre invention à admettre ou refuser la conception d'une phase primaire de cracking dans la réformation des hydrocar- bures: il est même certain qu'elle existe en tout cas, dès qu'on alimente le brûleur avec une quantité déficiente d'oxygène primaire.
Le principe et la technique de la réformation ont été étudiés et sont connus depuis assez longtemps mais, dans les applications industrielles qui ont été réalisées jusqu'à présent, cette opération est pratiquée avec un comburant air ou rarement air enrichi en oxygène. Si l'on considère que le méthane repré- sente 65% à 100% de l'hydrocarbure primaire utilisé, cette opération est ainsi fondamentalement effectuée suivant l'équation théorique 2CH#O2#nh2 = 2CO + 4H2 + nN2, où "n" est égal à environ 5.
Mais cette transformation est soumise aux diverses lois des éuilibres gazeux:de ce fait, elle n' est pas complète suivant l' équation et le gaz final obtenu dans la pratique actuelle courante contient toujours du CH4 et du carbone "C" non transformés, du CO2. et du H 0 en proportions trop élevées pour notre but; ces "impuretés" sont plus importantes dans la pratique industrielle actuel- le, du fait que celle-ci vise essentiellement à obtenir et-utiliser un gaz réformé ayant une température relativement peu élevée et, pour certaines applications, ayant encore un pouvoir calorifique supérieur à celui du CO ou du H2.
Ainsi, dans le but de réduire à la fois la température de réaction et celle du gaz produit ( 350 - 250 C ) tout en maintenant.un coefficient de transformation satisfaisant, les installations existantes emploient souvent un catalyseur. Dans ces conditions, ces installations sont toujours importantes et encombrantes et ne peuvent donc être rangées dans la catégorie des brûleurs-réformateurs.
Le rappel ci-dessus des caractéristiques tant de l'opération que de la construction des matériels que l'on rencontre dans l'industrie démontré que ces matériels sont totalement inadéquats pour effectuer l'opération pour laquelle le brûleur-réformateur, objet de la présente invention, est construit ; que, par ailleurs, ce dernier diffère totalement des brûleurs existants, tant par son but que par sa technique et sa construction.
Il existe par ailleurs des brûleurs normaux à grand débit construits pour une combustion complète ou même quelque peu incomplète; mais comme, en tout cas et suivant,les commentaires de leurs propres constructeurs, ils ne peuvent fonctionner d'une façon satisfaisante qu'avec un comburant basiquement air dont le taux d'alimentation doit représenter au minimum 70% - 65% de l'oxygène requis pour la combustion complète, semblables brûleurs sont inutilisables pour l'opération de réformation que nous visons spécifiquement et ils différent totalement du brû- leur-réformateur que nous allons décrire plus complètement.
La présente invention diffère donc dans son but et sa technique de celles qui ont été rappelées et définies en ce qu'elle comporte et réalise :
1 .- L'obtention d'un gaz aussi pur que possible en ( mCO + nH2), ne
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contenant donc que de minimes quantités d'impuretés telles CO2, H2O, même au prix d'un peu de carbone non gaséifié qui est moins dommageable pour le but visé.
2 .- La réformation presque instantanée, dans un brûleur-réformateur à haute capacité, d'hydrocarbures gazeux, liquides ou liquéfiés, de façon à obtenir un gaz pratiquement homogène de la composition indiquée ci-dessus au I ,
3 .- L'obtention d'une température comprise entre 1300 et 100 dans le gaz final. Ces températures sont d'une part concômittantes des conditions spécifiées aux I et 2 et sont d'autre part imposées par le but principal de l'invention, c'est-à-dire l'injection au niveau de la zone critique des fours à cuve de réduction, de gaz très chauds et très réducteurs en équilibre chimique et thermique avec les gaz qui, dans-le'haut-fourneau en marche stable et continue, passent à ce niveau dit de température critique.
Evidemment, ce brûleur-réformateur peut être utilisé aussi pour d'autres buts vu ses caractéristiques avantageuses.
4 .- L'utilisation d'un comburant oxygène contenant au minimum 70% et préférablement 92 à 94% de O2. ,
5 - L'utilisation d'un combustible primaire éventuellement préchauffé S'il est gazeux et basiquement constitué de méthane, le préchauffage devra attein- dre 600 à 650 C si l'on veut obtenir la température finale de 1550C:il sera désirable aussi de préchauffer le comburant jusqu'à éventuellement 300 C.
Ces préchauffages se feront avantageusement dans des appareils du type échangeur continu, ce que les températures de préchauffage mentionnées-permettront.
Dans le cas d'un combustible liquide, son alimentation au brûleur s'effectue sui- vant les techniques connues, soit par un atomiseur mécanique, soit par un pulvéri- sateur à pression, avec préchauffage jusqu'à éventuellement 150 C afin d'obtenir une fluidité parfaite et une gaséification rapide du combustible. Dans le même but et aussi pour pouvoir employer un peu de vapeur dans l'atomisation, on préchau fera avantageusement le comburant oxygène: cette dernière technique permet d'aug- menter le volume et l'enthalpie du gaz obtenu ainsi que sa capacité réductrice, @ grâce à l'appoint de lhydrogène dissocié de la vapeur d'eau.
En substitution partielle ou totale à la vapeur d'eau, on pourra utiliser un gaz sous pression, éventuellement préchauffé, contenant très peu d'azote et le minimum de C02 et H2O, tel un gaz de cokerie. Son degré de préchauffage dépendra de sa composition, c'est-à-dire de la nécessité de sa réformation dans la mesure où il contient des hydrocarbures, ainsi que de la température finale à obtenir.
Ceci constitue une téchnique nouvelle et une caractéristique secondaire et facultative de notre invention: notre brûleur-réformateur est en effet prévu pour une décarbonisation périodique des brûleurs du faisceau: et c'est grâce à elle, que l'on peut faire pratiquement avec le minimum d'encrassement de carbone, à la fois la réformation du combustible primaire et celle du combustible atomiseur ( gaz de cokerie ou au- tre).
Les différentes techniques d'alimentation qu'on vient d'exposer doiven être employées de la façon et dans la mesure qui permettent d'obtenir le gaz fina désiré, c'est-à-dire essentiellement du (mCO + nH2) dont la température est compr' se entre 1300 et 1600 0, lorsque le gaz réformé est destiné à l'injection dans un four à cuve de réduction o
Au point de vue de sa construction et de son emploi, le brûleur-réform teur, objet de la présente invention, diffère donc fondamentalement des brûleurs connus.
1 .- en ce qu"il fait la combustion partielle dite réformation, avec un comburant oxygène à minimum 70% et préférablement 93,5% de O2,
2 .- en ce que, de ce fait, il ne dégage que 17% à 30% des calories potentielles du combustible au lieu des 100% visés par les brûleurs connus,
3 .- en ce que, en conséquence du I et du 2 , il ne produit qu'envi- ron 3 à 3,5 mètres cubes de gaz final par kilogramme de combustible liquide ou
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par mètre cube de combustible gazeux primaire, c'est-à-dire environ 20% du volume produit dans les brûleurs connus,
4 .- en ce que le principe et les caractéristiques de sa construction consistent à produire une proportion importante de la chaleur sous forme radiante dans une flamme centrale et à l'utiliser efficacement pour produire le cracking rapide du restant du combustible alimenté dans des brûleurs périphériques dont les jets forment un écran absorbeur continu, lequel, en même temps, élimine toute sur- chauffe inutile de l'enveloppe extérieure.
A cet effet, l'oxygène est alimenté au brûleur central à un taux qui dépasse nettement celui que requiert la réformation et atteint, par exemple, 60% à 80% de celui que nécessite la combustion complè- te ; par ailleurs, dans les brûleurs périphériques, l'oxygène est alimenté à un taux nettement inférieur à celui que requiert la simple réformation du combusti- ble que ces brûleurs mettent en oeuvre.
Ces brûleurs périphériques sont donc pratiquement juxtaposés et sont construits de façon que le mélange qu'ils injectent émerge nappe-écran continu quand il atteint la section où, dans le brûleur cen- tral, la combustion commence.Dans la construction des brûleurs courants à combus- tion complète ou quasi complète, on a cherché au contraire à réduire la radiation trop intense en procédant par combustion retardée et progressive, grâce à une grande vitesse de gaz qui vise à obtenir une propagation de chaleur et de flamme, essentiellement par convexion, dans un brûleur unique.
Au brûleur central, la chaleur radiante est contrôlable dans les limites de la variation du taux d'alimentation en oxygène comburant primaire, lequel peut être réglé entre environ les 60% et 80% du volume d'oxygène que nécessite la combustion complète du combustible admis dans ce brûleur centrale L'alimentation en oxygène des brûleurs périphériques doit être réglée de façon à fournir le complément d' oxygène que nécessite la seule réformation du combustible total mis en oeuvre dans l'appareil;
on doit évidemment tenir compte de l'oxygène pré-existant dans le combustible lui-mêmede la vapeur d'eau éventuellement employée ppur l'atomisation, et, dans le cas d'atomisation par gaz sous pression mentionné plus haut, de l'oxy- gène supplémentaire requis pour la réformation de ce gaz lui-même. On pourrait évi- demment effectuer cette dernière réformation avant l'admission dans le brûleur lui-même, mais cela présente l'inconvénient de deux installations de réformation en série, d'un fluide gazeux relativement très chaud, d'un plus grand volume à manipuler et à contrôler par robinets et vannes surchauffés.
5 -. en ce que notre brûleur est prévu avec un système de décarbonisation périodique qui cependant est facultatif parce que son degré de nécessité dépend de la nature du combustible employé et quelque,peu du taux d'alimentation prévu et admis. Ce système est, par exemple, commandé par une horlogerie mécanique ou élec- trique, avec utilisation d'énergie motrice préférablement électro-magnétique ou hy- draulique pour déclencher périodiquement et pour une durée très limitée la fermetu- re de l'arrivée du combustible à deux brûleurs périphériques préférablement situés aux deux extrémités d'un même diamètre du cercle circonscrit au 'brûleur total.
Ceci implique de préférence une construction à nombre pair de brûleurs périphériques.
Comme une pompe volumétrique à vitesse variable assure la constance de l'alimen- tation en combustible pour l'ensemble du faisceau, les autres brûleurs augmenteront automatiquement leur débit pour compenser l'arrêt dans les deux brûleurs périphéri- ques qui sont en période de décarbonisation et dont l'alimentation en oxygène n'a pas été modifiée.
Quand on a fixé en fonction de la vitesse limite admise pour les gaz le taux d'alimentation du brûleur total en combustible par unité de section, on peut établir par équation algébrique le rapport qui doit exister entre le diamètre des brûleurs périphériques et celui du brûleur central. Dans cette équation basée sur l'analyse chimique du combustible, on doit tenir compte: a) du nombre de brûleurs périphériques, b) du volume d'oxygène requis par unité de combustible, d'une part pour la com- bustion complète, d'autre part pour la réformations c) de la proportion d'oxygène primaire admise respectivement pour le brûleur cen-
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tral dont la combustion n'est pas complète mais dépasse nettement la simple réfor- mation, et pour les brûleurs périphériques dont l'oxygène primaire est insuffisant pour la seule réformation.
A titre purement exemplatif, nous appliquons ci-après cette méthode mati matique dans les hypothèses particulières et occasionnelles suivantes :
1 .- Le méthane, base de tous les gaz naturels ou gaz de raffinerie ( jusqu'à 90% et plus), est supposé constituer le combustible primaire. La formule
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du méthane et d'ailleurs de tous les hydrocarbures saturés aliphatiques est . C.H- u 2n+,' où "n" repésente le nombre d'atomes de carbone de la cha1ne, "soit n = I pour le ' * "'àéthane, En simplifiant, tout autre type d'hydrocarbure peut, au point de vue de se combustion, être représenté par (mC + nH2à.
2 .- Le taux d'alimentation d'oxygène au brûleur central est p = 70% de
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l'oxygène requis pour la combustion complète. En volume moléculaire d'.oxygène, la combustion complète de l'hydrocarbure saturé aliphatique nécessitera, et 1 i' tion n . Le taux d'alimentation d'oxygène au brûleur centrai sera donc p% f #j tandis qu'un hydrocarbureopn oxydé quelconque nécessitera pour cette combustion p% j [m + '2] 3 .- Le taux d'alimentation d'oxygène à chaque brûleur périphérique est q% = 50 de l'oxygène requis pour la réformation 4gx$çnmbustible qu'il met en jeu.
Le volume d'oxygène requis sera donc, quel que soit le type de l'hydrocarbure
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¯el? oxydé), q% .
4 .- Par unité (de poids ou de volume) de combustible, le rapport du volume des gaz produits par un brûleur périphérique au volume produit par le
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brûleur central est r = 0,833 dans les conditions du présenvexemple.
5 .- On adopte un faisceau composé de "a" = 10 brûleurs périphériques.
Ce nombre, comme les proportions adoptées à titre d'exemple pour p% et q%, donne une contruction compacte, une répartition ainsi qu'une marge de réglage favorables pour l'oxygène comburant, ainsi que le meilleur équilibrage du système de décar-
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bonisation, lequel constitue une oaractéristiquebfaloultative mais des plus recommandables de notre invention.
Bien que le plus favorable, ce nombre de 10 brûleurs périphériques distribués tous les 36 du cercle circonscrit est facultatif et non immuable: on¯pourrait aussi construire un appareil à 6 brûleurs périphériques, avec 60 d'angle au centre, ou à 8 brûleurs avec 45 , ou à 9 brûleurs avec 40 , ou à 12 brûleurs avec 30 , etc.
Un nombre peir donne une symétrie quasi nécessaire pour maintenir les meilleures conditions de stabilité de;flamme pendant les périodes de décarbonisation effectuées simultanément à deux brûleurs périphériques situés aux deux extrémités d'un même diamètre du cercle circonscrit.
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On établit 1 f équati01f mathématique en exprimant l'égalité entre l'excès d'oxygène (par rapport à la réformation) fourni au brûleur central et le déficit d'oxygène aux brûleurs périphériques. Dans le cas du méthane, cette équation donne la relation suivante.-
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d DV 3 a (+Z q ) 1 ou "d" et "D" sont respectivement les diamètres des brûleurs périphériques et du brûleur central.
Si on admet une vitesse de gaz qui, pour un débit d'environ 25 mètres cubes de méthane à la minute, impose un diamètre de 45 cm. dans la section d'émer- gence des flammes, on obtient les dimensions de brûleur suivantes en donnant
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à na" p np%"y uq%"e r,rp les valeurs indiquées ci-dessus:
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<tb> diamètre <SEP> intérieur <SEP> "D" <SEP> du <SEP> 'brûleur <SEP> central <SEP> 22,50 <SEP> om
<tb> diamètre <SEP> intérieur <SEP> "d" <SEP> des <SEP> 10 <SEP> brûleurs <SEP> périphériques <SEP> 12,32 <SEP> cm
<tb>
<tb> épaisseur <SEP> de <SEP> paroi <SEP> entre <SEP> le <SEP> cercle <SEP> du <SEP> brûleur
<tb>
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central et celuii<des brûleurs périphériques, environ 7,
38 cm
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<tb> @
<tb>
<tb> épaisseur <SEP> de <SEP> paroi <SEP> entre <SEP> les <SEP> cercles <SEP> des <SEP> brûleurs
<tb>
<tb>
<tb> périphériques <SEP> environ <SEP> 3 <SEP> cm
<tb>
<tb>
<tb> diamètre <SEP> total <SEP> extérieur <SEP> de <SEP> la <SEP> tête <SEP> du <SEP> brûleur <SEP> carcasse
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> comprise <SEP> environ <SEP> 66 <SEP> cm
<tb>
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Longueur.' &pp3?bxi&a.t1vê totale "du ..brûl'eur'"réfo.rmateur,environ
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<tb> 66x2,5 <SEP> à <SEP> 2,75 <SEP> soit <SEP> 165 <SEP> cm <SEP> à <SEP> 182 <SEP> cm
<tb>
Ces diverses dimensions sont donc purement illustratives du principe et de la méthode de calcul, lesquels sont à la base de notre brûleur-réformateur en faisceau On peut admettre pour la durée des phases de décarbonisation une dizaine de
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secondes,
soit à peine 1% de la durée du cycle. Cette décaibonisatîon impose aux 9 brûleurs restant actifs une surcharge d'alimentation, très acceptable, de 17,65%.
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R E r E N B I G A T I 0 N So
1.- Brûleur-réformateur produisant un gaz hautement réducteur par la réformation, c'est-à-dire la combustion partielle en (mCO + nH2),
de fuel oil et
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- ou d'hydrocaburgaux ou-liquides ou liquéfiés caractérisé en ce que cet appareil est construit en un faisceau de brûleurs accolés -en ce que ce faisceau comporte un brûleur principal axial-central dans lequel la combustion est poussée au delà de celle qui correspond à la réformation ci-dessus visée et atteint 60% à 80% de la combustion complète - en ce que à ce brûleur axial et autour de celui- ci on juxtapose des brûleurs périphériques dans lesquels la combustion est limitée à 50%- 80% de celle qu'exige la réformation visée ci-dessus - en ce que les gaz de ces brûleurs périphériques après cette combustion partielle sommaire se rejoi- gnent pour former une nappe-écran continue entre la flamme du brûleur central et la gaine cylindrique dans laquelle s'écoulent tous les gaz en
réformation - en ce que la longueur de chambre de combustion individuelle du brûleur central est limitée à ce qui est indispensable pour la stabilité de sa flamme et qu'ainsi la radiation intense de cette flamme est absorbée par la nappe-écran que forment les gaz des brûleurs périphériques.