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La présente invention concerne d'une manière générale un appareil pour la formation de gaz de synthèse par oxydation partielle, et elle est particulièrement ap- plicable à la formation d'oxyde de carbone et d'hydrogène par la combustion partielle d'un combustible gazeux hydro- carburé avec de l'air enrichi en oxygène ou avec de l'oxy- gène sensiblement pur.
Les mélanges .de gaz de synthèse consistant es- sentiellement d'oxyde de carbone et d'hydrogène sont in- dustriellement importants comme source d'hydrogène pour des réactions d'hydrogénation et comme source de gaz d'a- limentation pour la synthèse des hydrocarbures, des compo- sés organiques contenant de l'oxygène, ou de l'ammoniac.
La combustion partielle d'un combustible hy- drocarburé avec de l'air enrichi en oxygène ou avec de l'oxygène relativement pur en vue de créer de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène comporte des problèmes spéciaux qu'on ne rencontre normalement pas dans la technique des brûleurs. Non seulement un mélange très rapide et très complet des réactifs est nécessaire, mais encore il faut prendre des précautions spéciales pour empêcher la sur- chauffe du brûleur.
En raison de la réactivité de l'oxygène avec le métal avec lequel on peut fabriquer un brûleur appro- prié, il est extrêmement important, d'empêcher les élé- ments du brûleur dtatteindre les températures auxquelles se produit leur oxydation rapide. A ce sujet, il est essentiel que la réaction entre le combustible hydrocar- buré et l'oxygène ait lieu entièrement à l'extérieur du brûleur proprement dit et qu'il ne se produise pas une concentration localisée des mélanges combustibles à l'en-
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droit des surfaces des éléments du brûleur ou à leur voi- sinage. Même si la réaction a lieu au delà du point de décharge du brûleur, les éléments de celui-ci sont soumis à un échauffement par les radiations qui en proviennent.
Un mélange incorrect détermine de telles con- centrations en oxygène dans des zones localisées qu'une combustion relativement complète se produit dans ces zo- nes, ce qui dégage de grandes quantités de chaleur. En outre, quelle que soit la structure de brûleur utilisée, des tourbillons des réactifs forment des mélanges combus- tibles près des surfaces du brûleur. A moins de mainte- nir ces surfaces à une température inférieure à la tempé- rature d'inflammation des mélanges, elles entretiennent la flamme, et la combustion qui en résulte le long des surfaces provoque rapidement la surchauffe et la détério- ration du brûleur.
Un autre mnconvénient particulier à cette réac- tion est la tendance à la formation de carbone libre soit sur le brûleur soit dans la zone de réaction, principale- ment du fait d'un mélange incorrect des réactifs, ce qui détériore le brûleur. La formation de carbone sur la surface du brûleur contrarie le mélange des réactifs et provoque des concentrations localisées d'oxygène, ce qui aboutit à la surchauffe des éléments du brûleur après sa combustion.
Avec des brûleurs ordinaires, on a constaté qu'il était nécessaire d'utiliser un excès d'oxygène par rapport à la quantité théorique pour empêcher la forma- tion du carbone. Il en résulte souvent des températures de réaction anormalement élevées, et le problème du re- froidissement du brûleur devient plus important. En ou- tre, ce problème est aggravé par le fait qu'il est désira-
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ble dans la combustion partielle des gaz d'envoyer les gaz de réaction dans le brûleur dans un état fortement préchauffé afin de diminuer les exigences en oxygène et de donner un rendement maximum en produit gazeux désiré.
C'est là une autre complication,' du fait que le transfert de la chaleur entre des gaz de réactilon à température éle- vée et la structure de refroidissement des éléments du brûleur doit être maintenu à un minimum.
Du fait d'une ou de plusieurs des raisons ci- dessus, la détérioration des brûleurs de la technique antérieure est caractérisée par l'érosioh du métal aux becs du bruleur, même si ceux-ci sont refroidis à l'eau, et lorsque les réactifs sont ' préalablement mélangés et sont injectés à partir du brûleur à des débits supérieurs à la vitesse de propagation de la flamme, les mélanges combustibles fortement réactifs oxygène-hydrocarbure réagissent le long dtune pellicule de gaz toujours présen- te sur la surface du conduit ou orifice par lequel ils sont déchargés, ce qui se traduit par une surchauffe et une détérioration.
La présente invention a pour objet : - un brûleur simple et économique pour la pro- duction de gaz de synthèse qui supprime la cause des dé- tériorations des structures de brûleurs de la technique antérieure ; - une structure perfectionnée de brûleur qui peut être adaptée aune utilisation avec divers réactifs; - une structure perfectionnée de brûleur qui convient à un choix variable d'orifices de brûleur et qui est capable de refroidir les becs des brûleurs avec un minimum de perte de chaleur à partir des réactifs pré- chauffés.
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Ces caractéristiques et avantages de l'inven- tion ainsi que d'autres apparaîtront au cours de la des- cription qui va suivre et qu'orr a faite en se référant au dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une vue générale d'un ensem-, ble de brûleur en place; '- la figure 2 est une coupe longitudinale frag- mentaire du bec du brûleur, faite par 2-2 de la figure 4 et représentant le chambre de refroidissement de la face du brûleur; - la figure 3 est une coupe longitudinale par- tielle, faite par 3-3 de la figure 6, du joint de dilata- tion de l'ensemble de brûleur illustré sur la igure 1; - la figure 4 est une coupe faite par 4-4 de la figure 2 du bec du brûleur sans la chambre de refroidisse- ment, cette vue montrant le conduit intérieur remplaçable en position de fonctionnement;
- la figure 5 est une vue similaire à la figure 4, sans la chambre de refroidissement, et montrant la po- sition du conduit intérieur pendant l'assemblage du brû- leur et avant son blocage en position de fonctionnement; - la figure 6 est une vue en bout du brûleur illustré sur la figure 1, cette vme étant faite en regar- dant vers le joint de dilatation et montrant l'orienta- tion du conduit intérieur lorsqu'il est en position de fonctionnement; - la figure 7 est une vue en bout similaire à la figure 6 illustrant l'assemblage en cours, correspon- dant à la position des conduits illustrés sur la figure
5;
- la figure 8 est une vue correspondent à la /-.figure 2 et elle illustre en coupe transversale le bec du @ brûleur, le conduit intérieur étant dans une position en
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retrait par rapport à la face du brûleur; - la figure 9 illustre une modification du brû- leur représenté sur la figure 8, dans laquelle l'extrémi- té de décharge du conduit intérieur comporte une chambre de refroidissement; - la figure 10 est une coupe faite par 10-10 de la figure 9, représentant. la chambre de refroidissement du conduit intérieur; - la figure 11 est une vue partielle d'une cou- pe faite par 11-11-de la figure 9 et elle illustre les passages d'admission et de sortie du réfrigérant prati- quée dans le conduit intérieur;
- la figure 12 est une vue fragmentaire en plan et en coupe transversale partielle du bec du brûleur, cette vue illustrant de quelle manière les tubes d'admis- sion et de sortie du refrigérant aboutissent à la chambre de refroidissement de la face du brûleur; - la figure 13 est une vue fragmentaire en élé- vation correspondant au dispositif illustré sur la figure 12.
L'appareil conforme à la présente invention ep- porte la solution du problème de l'arrêt des générateurs de gaz par suite de la détérioration des brûleurs en rai- son de leur mauvais refroidissement ou de causes analo- gues.
On a illustré sur la figure 1 l'ensemble de brûleur désigné d'une manière générale par A, le bec B du brûleur, l'ensemble C de joint de dilatation, le flas- que de montage D, l'admission E du combustible hydrocar- buré, par exemple du gaz naturel, et l'admission F de l'oxygène. On a illustré en G l'un des raccords du réfri- gérant, l'autre étant disposé diamétralement à l'opposé.
On a représenté sur la figure 2 le bec B du brû-
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leur en coupe transversale ainsi que le conduit intérieur 10, qui débite de l'oxygène ou un mélange enrichi en oxy- gène et qui comporte un conduit de sortie 11 ainsi que des saillies de blocage 12,12 diamétralement espacées (voir également les figures 4 est 5). Un conduit extérieur 13 terminé par un orifice 14 est bloqué à quelque distance du conduit intérieur 10 de manière à délimiter un passage annulaire 15 qui aboutit à l'orifice 14. Ce dernier est entouré par une chambre de refroidissement 16 de la face du brûleur qui reçoit un réfrigérant par des tubes-prévus à cet effet.
Le conduit extérieur 13 comporte des sail- lies de blocage complémentaires 17,17 et lb,18 qui coo- pèrent avec les saillies de blocage 12,12 pour empêcher un déplacement longitudinal important du conduit intérieur.
Toutes ces saillies de blocage peuvent faire partie inté- grante de leurs conduits respectifs ou y être soudées.
Le conduit extérieur 13 comporte également plu- sieurs axes ou goujons 19, au nombre de quatre (voir fi- gures 4 et 5), qui servent à Eaincenir le condui@ inté- rieur espacé du conduit extérieur. Ces goujons d'espace- ment peuvent faire partie intégrante du conduit extérieur ou y être fixés de tout sutre manière appropriée, par exemple par emmanchement à la presse dans des trous alésés, qu'on obture par soudage, comme décrit ici.
En examinant particulièrement les figures 4 et 5, on voit qu'elles illustrent respectivement les posi- tions du conduit intérieur quand il est bloqué dans l'en- semble et pendant le processus où il est bloqué ou déblo- qué par rapport au conduit extérieur, deux des goujons d'espacement étant représentés alignés avec le centre des saillies de blocage. Pour ne pas surcharger le dessin on n'a pas représenté la chambre de refroidissement de la face du brûleur sur ces figures.
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L'appareil décrit ici est soumis à de dures conditions de températures de fonctionnement, non seule- ment parce qu'il est disposé au voisinage de la zone de réaction où s'effectue la génération du gaz de synthèse désirablement à environ 1093 C et fréquemment à une tem- pérature atteignant 1649 C, mais encore parce qu'il y circule des réactifs qui sont préchauffés à des tempéra- tures relativement élevées, par exemple 482 C, avant 'leur décharge dans la zone de réaction. En conséquence, on doit prévoir un'dispositif pour compenser les diffé- rences élevées de dilatation et de contraction des divers éléments du brûleur, qui sont causées non seulement par l'exposition du brûleur à la radiation provenant de la zone de réaction à température élevée mais aussi par l'écoulement des gaz préchauffés.
On a déterminé que la gamme étendue de tempéra- tures auxquelles sont exposés les brûleurs du type décrit contribue beaucoup à leur détérioration rapide, non seule- ment en ce qui concerne l'érosion du métal mais aussi en raison des contraintes qui s'établissent par suite de la dilatation et de la contraction répétée qui provoquent des ruptures aux points de jonction des parties du brû- leur. On a constaté que la structure décrite est exempte des effets nuisibles de la dilatation et de la contrac- tion relative des diverses parties, du fait qu'on utilise un joint de dilatation.
On a illustré sur la figure 3 en coupe partiel- le agrandie, faite par 3-3 de la figure 6, l'ensemble du joint de dilatation représenté en C. Cet ensemble com- porte des flasques de blocage 20 et 21 fixés respective- ment au conduit extérieur 13 et au conduit intérieur 10.
Le joint de dilatation comprend un soufflet 22, qui est supporté par un boîtier 23, auquel sont fixés des flasques'
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de blocage 24 et 25. Le joint de dilatation, c'est-à-di- re le soufflet et le boîtier, entoure le conduit intérieui 10 et il est réuni au conduit intérieur et au conduit ex- térieur par des dispositifs de blocage, tels que des écrous et des boulons 26 qu'on utilise pour fixer mutuel- lement les flasques de blocages voisins. On a prévu des joints 27 pour assurer l'étanchéité entre le boîtier et les conduits.
Outre les écrous et les boulons de blocage 26, les flasques de blocage portent chacun une bague d'aligne- ment 20a, 21a, 24a et 25a, dans lesquelles passe une tige d'alignement 28 dont le but est décrit par la suite.
Les flasques de blocage 24 et 25, portés par le boîtier 23, comportent également chacun plusieurs sail- lies, au nombre de trois, indiquées respectivement en 24b et 25b qui reçoivent des boulons d'espacement et des écrous 29 et qui sont ass emblées sur le joint de dilata- tion au moyen d'une cale d'épaisseur.
Pour assembler ce joint, on amène les brûleurs à une température de fonctionnement et l'on introduit les boulons d'espacement 29 dans les ouvertures des saillies, les cales d'épaisseur étant introduites entre les saillies et les écrous. Pendant que le brûleur est à sa tempéra- ture de fonctionnement, on serre à la main les écrous sur le cale d'épaisseur et on les bloque, après quoi, on en- lève les cales d'épaisseur. Le brûleur doit fonctionner avec l'espacement correspondant à la cale d'épaisseur entre les écrous et les saillies, les boulons ass emblés servant de dispositif de sûreté au cas où les saillies de blocage 12,12 ou les saillies complémentaires 17,17 cède- raient.
Outre les goujons d'espacement 19 montés dans le bec du brûleur et portés par le conduit extérieur en
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vue de maintenir le conduit intérieur espacé de ce dernier, on a fixé au conduit intérieur au voisinage du joint de dilatation une bague d'espacement 10a qui doit être placée en amont de l'admission de combustible pour constituer un joint partiel s'opposant aux fuites par le joint de dila- tation.
On a illustré sur les figures 6 et 7 deux posi- tions de l'ensemble du joint de dilatation, lorsque le conduit intérieur est dans une position bloquée et une po- sition débloquée, 'ces figures illustrant de quelle manière doit être utilisée la tige d'alignement, la flèche (figu- re 6 et également figure 4) indiquant le sens de rotation pour le déblocage. On enlève le conduit intérieur 10 de l'ensemble en enlevant les dispositifs de fixation 26 qui maintiennent en position les flasques 21 et 25 et en fai- sant alors tourner le conduit jusqu'à la position repré- sentée sur la figure 7.
Dans l'assemblage du brûleur, pour obtenir la position bloquée illustrée sur la figure 6, on oriente la position bloquée illustrée sur la figure 6, on oriente les bagues d'alignement de manière qu'elles reçoivent la tige d'alignement 28 qui sert de dispositif de blocage préliminaire avant la réalisation finale de m'assemblage au moyen des écrous et des boulons 26. Dans une variante, on peut enlever le conduit intérieur 10 en même temps que l'ensemble du joint de dilatation C en en- levant les organes de fixation 26 qui maintiennent les flasques 20 et 24 dans une position d'assemblage.
Comme représenté sur les figures 4 et 5, les saillies de blocage s'étendent circonférentiellement pur approximativement 45 et leur étendue peut varier jusqu'à un maximum de 90 . Toitefois, l'arc plus petit est dési- rable en vue d'empêcher le risque d'un effet de freinage du débit du réactif dans le conduit annulaire extérieur,
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par suite de l'étranglement provoqué par les saillies.
Ainsi, même s'il se produit une détérioration du bac du brûleur provenant de l'influence de la température et de la corrosion dans des conditions normales de fonc- tionnement de ce dernier, on peut limiter à l'ouverture de décharge du conduit intérieur la détérioration la plus ra- pide du métal du bec du brûleur en y faisant passer l'oxy- gène ou l'air enrichi en oxygène, de sorte que des con- duits facilement remplaçables,qui protègent d'autres sur- faces du bec du brûleur de l'oxygène et de la flamme pri- maire, constituent une solution du problème. On a telle- ment augmenté la vie utile du conduit extérieur du brûleur en faisant passer le combustible par le passage annulaire et en refroidissant l'extrémité de décharge du conduit ex- térieur que la vie usiledu conduit intérieur est alors le facteur déterminant dans le fonctionnement du brûleur.
En conséquence, quand les conditions de fonctionnement néces- sitent le changement du bec du brûleur, on peut remplacer le conduit intérieur sans l'inconvénient et le dépense du remplacement par un nouvel ensemble entier tel qu'indi- qué en A.
Un mode de réalisation d'une structure de refroi. dissement qu'on utilise pour augmenter la vie utile du bec du brûleur de manière à réduire la fréquence de rem- placement des éléments de brûleur érodés a été décrit dans la demande de brevet principal. Bien que la chambre de refroidissement décrite dans ladite demande soit efficace, les pertes calorifiques des réactifs préchauffés amenés à la chambre de refroidissement sont supérieures à ce qui est désirable et le gain qu'on attend du préchauffage des réactifs est réduit.
On a constaté qu'on peut refroidir le bec du brûleur au;;si efficacement que dcns les brûleurs de la technique antérieure en ne refroidissant que la face
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du brûleur et qu'il n'en resulte qu'une perte calorifique relativement faible par transfert entre les réactifs pré- chauffés et le dispositif de refroidissement. On a obtenu ce résultat en fixant les tubes du réfrigérant seulement à l'admission et à la sortie à partir de la chambre de re- froidissement de la face au br-ûleur et en enroulant les tubes autour du conduit extérieur de manière qu'ils aient avec celui-ci au plus un contact superficiel.
Cette structure est clairement illustrée sur les figures 2, 8 et 9,. la figure 8 représentant la position en retrait du conduit intérieur dans laquelle les extrémités de décharge des conduits intérieur et extérieur se termi- nent à la surface d'un tronc de cône fictif dont le cône présente au sommet un angle de l'ordre de 60 (angle X) la nomenclature des pièces illustrées sur les figures 8 et 9 étant la même que celles que représente la figure 2 en ce qui concerne les éléments identiques.
En particulier, on voit que la structure de la chambre de refroidissement de la face du brûleur comporte deux flasques verticaux et espacés perpendiculaires à l'axe longitudinal du conduit extérieur de manière à for- mer, sur la partie du bec du brûleur qui est exposée à la flamme, le couloir indiqué en 30. On achève la chambre de refroidissement en fixant une bague 31 à la périphérie du couloir, mais d'autres dispositifs pour former la cham- bre de refroidissement peuvent être utilisés. Les réfé- rences 32 et 33 désignent respectivement les tubes d'ad- mission et de sortie du réfrigérant et l'on voit claire- ment sur les figures 2,8 et 9 le contact superficiel des tubes enroulés autour du conduit extérieur.
On a illustré sur les figures 12 et 13 la ma- nière dont le refrigérant.est envoyé autour de la face du bec du brûleur; une cloison 34 est placée entre les ouver-
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tures 35 et 36 prévues pour les tubes d'admission et de sortie du 'réfrigérant, et le sens d'écoulement de ce der- nier est indiqué par des flèches.
La figure 9 représente une variante de la struc- ture illustrée sur la figure 8, dont elle diffère par le fait que l'extrémité de décharge du conduit intérieur est refroidie. On forme par des moyens appropriés la chambre de refroidissement 37 à la sortie du conduit intérieur 10, le réfrigérant étant admis par un passage 38 et sortant par un passage 39. Le mode de circulation du réfrigérant autour de la chambre de refroidissement 37 est le même que pour le refroidissement de la face du brûleur, savoir'une cloison 40 (figure 10).
La figure 11 est une coupe transversale faite en amont des saillies de blocage et représentant le con- duit intérieur en position bloquée.
Non seulement le refroidissement de la face du brûleur tel qu'illustré sur les figures 2, 8 et 9 diminue l'érosion aux extrémités de décharge des conduits inté- rieur et extérieur, mais encore il réduit considérable- ment les pertes calorifiques à partir des réactifs pré- chauffés et en même temps le prix de revient de la struc- ture de refroidissement est extrêmement diminué. En ou= tre, on augmente onsidérablement la vie utile des tubes du réfrigérant du fait qu'on les protège de la chaleur de radiation provenant de la structure verticale des flasques de la chambre de refroidissement de la face du brûleur sans qu'il en résulte une diminution quelconque de l'efficacité du refroidissement.
La structure de refroidissement, conforme à l'invention, de la face du brûleur sert d'é- cran, la fonction de refroidissement étant isolée de la partie critique de la structure du brûleur aux endroits nécessaires.
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En raison des différences de vitesse qui sont nécessaires pour l'arrivée satisfaisante de combustibles différents dans la chambre de réaction, on fait varier les dimensions du conduit intérieur et du passage annulai- re qu'il délimite avec le conduit extérieur. En choisis- sant convenablement une dimension appropriée du conduit extérieur et en utilisant un conduit intérieur remplaça- ble comportant une extrémité de décharge dont la forme est la plus appropriée au combustible à utiliser, on peut uti- liser le même ensemble de bec de brûleur pour des combus- tibles liquides et des combustibles gazeux.
On utilise le flasque de blocage D pour mettre le brûleur en position de fonctionnement dans la struc- ture dans laquelle le brûleur doit fonctionner, mais du fait qu'il ne fait pas partie de la présente invention on ne le décrira pas plus avant.
' Il est entendu qu'on peut apporter diverses mo- difications aux modes de réalisation décrits et représen- tés sur le dessin sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention.
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The present invention relates generally to an apparatus for the formation of synthesis gas by partial oxidation, and is particularly applicable to the formation of carbon monoxide and hydrogen by the partial combustion of a gaseous fuel. Hydrocarbonized with oxygen enriched air or with substantially pure oxygen.
Synthesis gas mixtures consisting essentially of carbon monoxide and hydrogen are industrially important as a source of hydrogen for hydrogenation reactions and as a source of feed gas for synthesis of the compounds. hydrocarbons, organic compounds containing oxygen, or ammonia.
Partial combustion of a hydrocarbon fuel with oxygen-enriched air or with relatively pure oxygen to create carbon monoxide and hydrogen involves special problems that are not encountered. normally not in the burner technique. Not only is very rapid and thorough mixing of the reagents necessary, but also special precautions must be taken to prevent overheating of the burner.
Because of the reactivity of oxygen with the metal with which a suitable burner can be made, it is extremely important to prevent the burner elements from reaching the temperatures at which their rapid oxidation occurs. In this connection, it is essential that the reaction between the hydrocarbon fuel and oxygen takes place entirely outside the burner itself and that a localized concentration of the fuel mixtures does not occur inside.
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straight to the surfaces of the burner elements or their surroundings. Even if the reaction takes place beyond the point of discharge of the burner, the elements of the latter are subjected to heating by the radiation which comes from them.
Improper mixing results in such oxygen concentrations in localized areas that relatively complete combustion occurs in these areas, releasing large amounts of heat. Furthermore, regardless of the burner structure used, vortices of the reactants form combustible mixtures near the burner surfaces. Unless these surfaces are kept at a temperature below the ignition temperature of the mixtures, they will sustain the flame, and the resulting combustion along the surfaces rapidly overheats and deteriorates the burner.
Another disadvantage peculiar to this reaction is the tendency for free carbon to form either on the burner or in the reaction zone, mainly due to improper mixing of the reactants, which deteriorates the burner. The formation of carbon on the surface of the burner thwarts the mixing of the reactants and causes localized concentrations of oxygen, which results in the overheating of the elements of the burner after combustion.
With ordinary burners, it has been found that it is necessary to use an excess of oxygen over the theoretical amount to prevent carbon formation. This often results in abnormally high reaction temperatures, and the problem of burner cooling becomes more serious. Furthermore, this problem is aggravated by the fact that it is desired to
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ble in the partial combustion of the gases to send the reaction gases into the burner in a strongly preheated state in order to decrease the oxygen requirements and to give a maximum yield of the desired gaseous product.
This is a further complication, as heat transfer between high temperature reactant gases and the cooling structure of the burner elements must be kept to a minimum.
Due to one or more of the above reasons, deterioration of prior art burners is characterized by the erosion of metal at the burner nozzles, even if these are water cooled, and when the burners are reactants are pre-mixed and are injected from the burner at flow rates greater than the flame propagation speed, the highly reactive oxygen-hydrocarbon fuel mixtures react along a film of gas still present on the surface of the pipe or orifice through which they are discharged, resulting in overheating and deterioration.
The present invention relates to: - a simple and economical burner for the production of synthesis gas which eliminates the cause of the deteriorations of the structures of burners of the prior art; - an improved burner structure which can be adapted for use with various reagents; - an improved burner structure which accommodates a variable choice of burner orifices and which is capable of cooling the burner tips with minimal heat loss from the preheated reagents.
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These characteristics and advantages of the invention as well as others will become apparent during the description which follows and which is made with reference to the appended drawing, in which: FIG. 1 is a general view a burner assembly in place; - Figure 2 is a fragmentary longitudinal section of the burner nozzle, taken at 2-2 of Figure 4 and showing the cooling chamber of the face of the burner; FIG. 3 is a partial longitudinal section, taken through 3-3 of FIG. 6, of the expansion joint of the burner assembly illustrated in FIG. 1; FIG. 4 is a section taken at 4-4 of FIG. 2 of the burner nozzle without the cooling chamber, this view showing the replaceable inner duct in the operating position;
FIG. 5 is a view similar to FIG. 4, without the cooling chamber, and showing the position of the internal duct during assembly of the burner and before its locking in the operating position; FIG. 6 is an end view of the burner illustrated in FIG. 1, this vme being made looking towards the expansion joint and showing the orientation of the internal duct when it is in the operating position; FIG. 7 is an end view similar to FIG. 6 illustrating the assembly in progress, corresponding to the position of the ducts illustrated in FIG.
5;
- Figure 8 is a view corresponding to /-.figure 2 and it illustrates in cross section the nozzle of the @ burner, the inner duct being in a position in
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withdrawal from the face of the burner; FIG. 9 illustrates a modification of the burner shown in FIG. 8, in which the discharge end of the inner duct comprises a cooling chamber; - Figure 10 is a section taken through 10-10 of Figure 9, showing. the cooling chamber of the inner duct; FIG. 11 is a partial view of a section taken by 11-11 of FIG. 9 and it illustrates the refrigerant inlet and outlet passages made in the interior duct;
FIG. 12 is a fragmentary plan view in partial cross section of the burner nozzle, this view illustrating how the refrigerant inlet and outlet tubes terminate in the cooling chamber of the burner face; FIG. 13 is a fragmentary elevational view corresponding to the device illustrated in FIG. 12.
The apparatus according to the present invention solves the problem of stopping the gas generators as a result of the deterioration of the burners due to their poor cooling or similar causes.
FIG. 1 shows the burner assembly generally designated by A, the burner nozzle B, the expansion joint assembly C, the mounting flange D, the fuel inlet E hydrocarbon, for example natural gas, and the inlet F of oxygen. One of the refrigerant connections is illustrated at G, the other being arranged diametrically opposite.
There is shown in Figure 2 the burner nozzle B
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their in cross section as well as the inner duct 10, which delivers oxygen or an oxygen-enriched mixture and which has an outlet duct 11 as well as diametrically spaced locking projections 12,12 (see also Figures 4 is 5). An external duct 13 terminated by an orifice 14 is blocked at some distance from the internal duct 10 so as to delimit an annular passage 15 which leads to the orifice 14. The latter is surrounded by a cooling chamber 16 of the face of the burner which receives a refrigerant through tubes provided for this purpose.
The outer duct 13 has complementary locking protrusions 17, 17 and lb, 18 which cooperate with the locking protrusions 12, 12 to prevent significant longitudinal displacement of the inner duct.
All of these blocking projections may form an integral part of their respective conduits or be welded thereto.
The outer duct 13 also comprises several pins or studs 19, four in number (see Figures 4 and 5), which serve to overcome the inner duct spaced from the outer duct. These spacing studs may form an integral part of the outer duct or be attached thereto in any suitable manner, for example by press fitting into bored holes, which are sealed by welding, as described herein.
Looking particularly at Figures 4 and 5, we see that they respectively illustrate the positions of the inner duct when it is blocked in the assembly and during the process where it is blocked or unblocked with respect to the outer duct. , two of the spacer studs being shown aligned with the center of the locking projections. In order not to overload the drawing, the cooling chamber of the face of the burner has not been shown in these figures.
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The apparatus described herein is subjected to harsh operating temperature conditions, not only because it is located in the vicinity of the reaction zone where synthesis gas is generated desirably at about 1093 C and frequently. at a temperature up to 1649 C, but still because there circulate reactants which are preheated to relatively high temperatures, for example 482 C, before their discharge into the reaction zone. Accordingly, a device must be provided to compensate for the large differences in expansion and contraction of the various burner elements, which are caused not only by exposure of the burner to radiation from the high temperature reaction zone. but also by the flow of preheated gases.
It has been determined that the wide range of temperatures to which burners of the type described are exposed contributes greatly to their rapid deterioration, not only with regard to erosion of the metal but also because of the stresses which are established by. as a result of repeated expansion and contraction which causes ruptures at the junction points of the parts of the burner. It has been found that the disclosed structure is free from the deleterious effects of the expansion and relative contraction of the various parts, since an expansion joint is used.
There is illustrated in Figure 3 in partial section- the enlarged, made by 3-3 of Figure 6, the assembly of the expansion joint shown at C. This assembly comprises blocking flanges 20 and 21 respectively fixed. ment to the exterior duct 13 and to the interior duct 10.
The expansion joint comprises a bellows 22, which is supported by a housing 23, to which flanges are attached.
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locking 24 and 25. The expansion joint, that is to say the bellows and the casing, surrounds the internal duct 10 and it is joined to the internal duct and to the external duct by locking devices, such as nuts and bolts 26 which are used to mutually secure neighboring blocking flanges. Gaskets 27 have been provided to seal between the housing and the conduits.
In addition to the locking nuts and bolts 26, the locking flanges each carry an alignment ring 20a, 21a, 24a and 25a, through which passes an alignment rod 28, the purpose of which is described below.
The blocking flanges 24 and 25, carried by the housing 23, also each comprise several projections, three in number, indicated respectively at 24b and 25b which receive spacer bolts and nuts 29 and which are assembled on the expansion joint by means of a shim.
To assemble this seal, the burners are brought to an operating temperature and the spacer bolts 29 are introduced into the openings of the projections, the shims being inserted between the projections and the nuts. While the burner is at operating temperature, the nuts on the shim are hand tightened and locked, after which the shims are removed. The burner must operate with the spacing corresponding to the shim between the nuts and the protrusions, the bolts assembled immediately serving as a safety device in the event that the locking protrusions 12,12 or the complementary protrusions 17,17 give way. would.
In addition to the spacer studs 19 mounted in the burner nozzle and carried by the outer duct in
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In order to keep the interior duct spaced from the latter, a spacer ring 10a has been fixed to the interior duct in the vicinity of the expansion joint which must be placed upstream of the fuel inlet to constitute a partial seal opposing the leaks through the expansion joint.
Two positions of the expansion joint assembly are illustrated in Figures 6 and 7, when the inner duct is in a blocked position and an unlocked position, these figures illustrating how the rod is to be used. alignment, the arrow (Fig. 6 and also Fig. 4) indicating the direction of rotation for release. The inner duct 10 is removed from the assembly by removing the fasteners 26 which hold the flanges 21 and 25 in position and then rotating the duct to the position shown in FIG. 7.
In the burner assembly, to obtain the locked position shown in Figure 6, the locked position shown in Figure 6 is oriented, the alignment rings are oriented so that they receive the alignment rod 28 which serves of preliminary blocking device before the final realization of the assembly by means of the nuts and bolts 26. In a variant, the inner duct 10 can be removed at the same time as the assembly of the expansion joint C by removing the fasteners 26 which hold the flanges 20 and 24 in an assembly position.
As shown in Figures 4 and 5, the locking projections extend circumferentially to approximately 45 and their extent may vary up to a maximum of 90. Sometimes the smaller arc is desirable in order to prevent the risk of a braking effect of the flow rate of the reagent in the outer annular duct,
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as a result of the constriction caused by the projections.
Thus, even if there is a deterioration of the burner pan due to the influence of temperature and corrosion under normal operating conditions of the latter, it is possible to limit the discharge opening of the internal duct. the most rapid deterioration of the metal of the burner nozzle by passing oxygen or oxygen-enriched air through it, so that easily replaceable pipes, which protect other surfaces of the burner the oxygen burner and the primary flame constitute a solution to the problem. The useful life of the outer burner duct has been increased so much by passing the fuel through the annular passage and cooling the discharge end of the outer duct that the usable life of the inner duct is then the determining factor in operation. burner.
Consequently, when the operating conditions necessitate the change of the burner nozzle, the inner duct can be replaced without the inconvenience and expense of replacement with a whole new assembly as indicated in A.
One embodiment of a cooling structure. The strain used to increase the useful life of the burner nozzle so as to reduce the frequency of replacement of eroded burner elements has been described in the main patent application. Although the cooling chamber described in said application is efficient, the heat losses of the preheated reactants supplied to the cooling chamber are greater than what is desirable and the gain expected from the preheating of the reactants is reduced.
It has been found that the burner nozzle can be cooled so efficiently that in prior art burners by cooling only the face.
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burner and that only a relatively low heat loss results by transfer between the preheated reagents and the cooling device. This has been achieved by fixing the refrigerant tubes only at the inlet and outlet from the cooling chamber on the face of the burner and winding the tubes around the outer duct so that they have with it at most a superficial contact.
This structure is clearly illustrated in Figures 2, 8 and 9 ,. FIG. 8 showing the retracted position of the interior duct in which the discharge ends of the interior and exterior ducts terminate at the surface of a fictitious truncated cone, the cone of which has at the apex an angle of the order of 60 (angle X) the nomenclature of the parts illustrated in Figures 8 and 9 being the same as those shown in Figure 2 with regard to identical elements.
In particular, it can be seen that the structure of the cooling chamber of the face of the burner comprises two vertical flanges spaced perpendicular to the longitudinal axis of the outer duct so as to form, on the part of the burner nozzle which is exposed flame, the corridor indicated at 30. The cooling chamber is completed by attaching a ring 31 to the periphery of the passage, but other devices for forming the cooling chamber can be used. References 32 and 33 denote the coolant inlet and outlet tubes, respectively, and the surface contact of the tubes wound around the outer duct is clearly seen in Figures 2, 8 and 9.
The way in which the refrigerant is sent around the face of the burner nozzle is illustrated in FIGS. 12 and 13; a partition 34 is placed between the openings
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The ports 35 and 36 are provided for the refrigerant inlet and outlet tubes, and the direction of flow thereof is indicated by arrows.
Figure 9 shows a variant of the structure illustrated in Figure 8, from which it differs in that the discharge end of the inner duct is cooled. The cooling chamber 37 is formed by appropriate means at the outlet of the internal duct 10, the refrigerant being admitted through a passage 38 and exiting through a passage 39. The mode of circulation of the refrigerant around the cooling chamber 37 is the same. than for cooling the face of the burner, namely a partition 40 (figure 10).
Figure 11 is a cross section taken upstream of the locking projections and showing the interior duct in the locked position.
Cooling the face of the burner as shown in Figures 2, 8 and 9 not only decreases erosion at the discharge ends of the inner and outer ducts, but also considerably reduces heat loss from the pipes. preheated reagents and at the same time the cost of the cooling structure is greatly reduced. In addition, the useful life of the refrigerant tubes is greatly increased by protecting them from the heat of radiation coming from the vertical structure of the flanges of the cooling chamber of the burner face without resulting any decrease in cooling efficiency.
The cooling structure, according to the invention, of the face of the burner serves as a screen, the cooling function being isolated from the critical part of the structure of the burner at the necessary places.
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Due to the speed differences which are necessary for the satisfactory arrival of different fuels into the reaction chamber, the dimensions of the inner duct and of the annulus passage which it delimits with the outer duct are varied. By properly selecting an appropriate size of the outer duct and using a replaceable inner duct having a discharge end shaped most appropriately for the fuel to be used, the same burner nozzle assembly can be used for liquid fuels and gaseous fuels.
The blocking flange D is used to put the burner in the operating position in the structure in which the burner is to operate, but since it is not part of the present invention it will not be described further.
It is understood that various modifications can be made to the embodiments described and shown in the drawing without thereby departing from the spirit of the invention.
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