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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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