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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.
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The present invention relates to a process and to a burner the object of which is to carry out the partial combustion, also called "reforming", of gaseous, liquid or liquefied hydrocarbons, so as to transform them almost instantly into a highly reducing gas. containing essentially hydrogen H2 and carbon monoxide CO with a minimum of CO2, H2O, or precipitated carbon, gas whose composition in this respect virtually corresponds to that permitted by 2 CO # CO2 equilibria + C e H2O + CO2 # CO2 + H2 at the relatively high temperatures that one wishes to obtain in the unformed gas thus produced.
For the purposes of the present invention, we explicitly consider coal tars or the like to be hydrocarbons.
The terms "reform", "reform" will therefore be used here in reference to this transformation operation by partial combustion, the object of which is to obtain, from liquid or liquefied gaseous primary hydrocarbons, a gas where n There is no longer a -C - C - H bond, and where the carbon has undergone virtually only partial combustion and is thus transformed into CO.
It is of no importance for our invention to admit or refuse the conception of a primary cracking phase in the reforming of hydrocarbons: it is even certain that it exists in any case, as soon as we feed the burner. with a deficient amount of primary oxygen.
The principle and the technique of the reforming have been studied and have been known for quite a long time but, in the industrial applications which have been carried out until now, this operation is carried out with an air oxidizer or rarely air enriched with oxygen. If we consider that methane represents 65% to 100% of the primary hydrocarbon used, this operation is thus basically carried out according to the theoretical equation 2CH # O2 # nh2 = 2CO + 4H2 + nN2, where "n" is equal to approximately 5.
But this transformation is subject to the various laws of gas equilibria: therefore, it is not complete according to the equation and the final gas obtained in current current practice still contains untransformed CH4 and carbon "C", CO2. and H 0 in proportions too high for our purpose; these "impurities" are more important in current industrial practice, because the latter essentially aims to obtain and use a reformed gas having a relatively low temperature and, for certain applications, still having a calorific value greater than that of CO or H2.
Thus, in order to reduce both the reaction temperature and that of the product gas (350 - 250 ° C.) while maintaining a satisfactory transformation coefficient, existing plants often employ a catalyst. Under these conditions, these installations are still large and bulky and therefore cannot be classified in the category of burner-reformers.
The above reminder of the characteristics of both the operation and the construction of the materials found in industry shows that these materials are totally inadequate to perform the operation for which the burner-reformer, subject of this present document. invention, is constructed; that, moreover, the latter differs completely from existing burners, both in its purpose and in its technique and construction.
There are also normal high output burners constructed for complete or even somewhat incomplete combustion; but as, in any case and according to the comments of their own manufacturers, they can only function satisfactorily with a basic air oxidizer whose feed rate must represent at least 70% - 65% of the oxygen required for complete combustion, such burners are unusable for the reforming operation that we are specifically targeting and they are totally different from the burner-reformer which we will describe more fully.
The present invention therefore differs in its aim and technique from those which have been recalled and defined in that it comprises and achieves:
1 .- Obtaining a gas as pure as possible in (mCO + nH2), does not
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therefore containing only minimal amounts of impurities such as CO2, H2O, even at the cost of a little non-gasified carbon which is less damaging for the intended purpose.
2 .- Almost instantaneous reforming, in a high capacity burner-reformer, of gaseous, liquid or liquefied hydrocarbons, so as to obtain a practically homogeneous gas of the composition indicated above in I,
3 .- Obtaining a temperature between 1300 and 100 in the final gas. These temperatures are on the one hand concomitant with the conditions specified in I and 2 and on the other hand are imposed by the main aim of the invention, that is to say the injection at the level of the critical zone of the reduction tank, of very hot and very reducing gases in chemical and thermal equilibrium with the gases which, in the high-furnace in stable and continuous operation, pass to this level called critical temperature.
Obviously, this burner-reformer can also be used for other purposes due to its advantageous characteristics.
4 .- The use of an oxygen oxidizer containing at least 70% and preferably 92 to 94% of O2. ,
5 - The use of a possibly preheated primary fuel If it is gaseous and basically consists of methane, preheating must reach 600 to 650 C if the final temperature is to be obtained of 1550 C: it will also be desirable to preheat the oxidizer up to 300 C.
These preheating will advantageously take place in devices of the continuous exchanger type, which the preheating temperatures mentioned will allow.
In the case of a liquid fuel, its supply to the burner is carried out according to known techniques, either by a mechanical atomizer or by a pressure sprayer, with preheating up to 150 ° C. if necessary in order to obtain perfect fluidity and rapid gasification of the fuel. For the same purpose and also to be able to use a little steam in the atomization, the oxidant is advantageously preheated: this last technique makes it possible to increase the volume and enthalpy of the gas obtained as well as its reducing capacity, @ thanks to the addition of hydrogen dissociated from water vapor.
In partial or total substitution for water vapor, it is possible to use a pressurized gas, possibly preheated, containing very little nitrogen and the minimum of C02 and H2O, such as a coking gas. Its degree of preheating will depend on its composition, that is to say on the necessity of its reforming insofar as it contains hydrocarbons, as well as on the final temperature to be obtained.
This constitutes a new technique and a secondary and optional characteristic of our invention: our burner-reformer is indeed intended for a periodic decarbonization of the burners of the bundle: and it is thanks to it, that we can do practically with the minimum carbon fouling, both the reform of the primary fuel and that of the atomizer fuel (coke oven gas or other).
The various feeding techniques which have just been described must be used in the manner and to the extent that make it possible to obtain the desired final gas, that is to say essentially (mCO + nH2) whose temperature is included between 1300 and 1600 0, when the reformed gas is intended for injection into a reduction tank furnace o
From the point of view of its construction and use, the burner-reformer, object of the present invention, therefore differs fundamentally from known burners.
1 .- in that it carries out the partial combustion known as reforming, with an oxygen oxidizer at a minimum of 70% and preferably 93.5% of O2,
2 .- in that, as a result, it releases only 17% to 30% of the potential calories of the fuel instead of the 100% targeted by known burners,
3 .- in that, as a consequence of I and 2, it only produces about 3 to 3.5 cubic meters of final gas per kilogram of liquid fuel or
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per cubic meter of primary gaseous fuel, i.e. around 20% of the volume produced in known burners,
4 .- in that the principle and the characteristics of its construction consist in producing a large proportion of the heat in radiant form in a central flame and in using it efficiently to produce the rapid cracking of the remainder of the fuel supplied to peripheral burners the jets of which form a continuous absorber screen which, at the same time, eliminates any unnecessary overheating of the outer casing.
To this end, oxygen is supplied to the central burner at a rate which clearly exceeds that required for reforming and reaches, for example, 60% to 80% of that required for complete combustion; moreover, in the peripheral burners, the oxygen is supplied at a rate markedly lower than that required for the simple reform of the fuel which these burners use.
These peripheral burners are therefore practically juxtaposed and are constructed in such a way that the mixture which they inject emerges as a continuous screen layer when it reaches the section where, in the central burner, combustion begins. In the construction of common fuel burners - complete or almost complete tion, we sought on the contrary to reduce the too intense radiation by proceeding by delayed and progressive combustion, thanks to a high gas speed which aims to obtain a propagation of heat and flame, essentially by convection, in a single burner.
At the central burner, the radiant heat is controllable within the limits of the variation of the rate of primary oxidizing oxygen supply, which can be adjusted between approximately 60% and 80% of the volume of oxygen required for the complete combustion of the admitted fuel. in this central burner The oxygen supply to the peripheral burners must be adjusted so as to provide the additional oxygen required only for reforming the total fuel used in the device;
one must obviously take into account the oxygen pre-existing in the fuel itself, the water vapor possibly used for atomization, and, in the case of atomization by pressurized gas mentioned above, the oxy - additional gene required for the reform of this gas itself. This last reforming could obviously be carried out before admission to the burner itself, but this has the drawback of two reforming plants in series, of a relatively very hot gaseous fluid, of a greater volume at handle and control by overheated taps and valves.
5 -. in that our burner is provided with a periodic decarbonisation system which, however, is optional because its degree of necessity depends on the nature of the fuel employed and somewhat on the expected and accepted feed rate. This system is, for example, controlled by a mechanical or electric clock, with the use of motive energy preferably electro-magnetic or hydraulic to periodically trigger and for a very limited time the closure of the fuel supply. with two peripheral burners preferably located at the two ends of the same diameter of the circle circumscribing the total burner.
This preferably involves an even number construction of peripheral burners.
As a variable speed positive displacement pump ensures a constant fuel supply for the entire bundle, the other burners will automatically increase their output to compensate for the stoppage in the two peripheral burners which are in the decarbonization period. and whose oxygen supply has not been changed.
When the rate of supply of the total burner with fuel per unit of section has been fixed as a function of the limit speed allowed for the gases, it is possible to establish by algebraic equation the ratio which must exist between the diameter of the peripheral burners and that of the burner. central. In this equation based on the chemical analysis of the fuel, one must take into account: a) the number of peripheral burners, b) the volume of oxygen required per unit of fuel, on the one hand for complete combustion, d on the other hand for the reformations c) of the proportion of primary oxygen admitted respectively for the central burner
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tral whose combustion is not complete but clearly exceeds simple reforming, and for peripheral burners whose primary oxygen is insufficient for reforming alone.
For purely illustrative purposes, we apply this mati matic method below in the following specific and occasional hypotheses:
1 .- Methane, the basis of all natural gas or refinery gas (up to 90% and more), is supposed to constitute the primary fuel. The formula
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of methane and for that matter of all aliphatic saturated hydrocarbons is. CH- u 2n +, 'where "n" represents the number of carbon atoms in the chain, "or n = I for the' *" 'in ethane, Simplifying, any other type of hydrocarbon can, from the point of view of combustion, to be represented by (mC + nH2à.
2 .- The oxygen supply rate to the central burner is p = 70% of
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oxygen required for complete combustion. In molecular volume of oxygen, complete combustion of the saturated aliphatic hydrocarbon will require, and the n. The oxygen feed rate to the central burner will therefore be p% f #j while any oxidized hydrocarbon will require p% j [m + '2] 3 for this combustion .- The oxygen feed rate at each peripheral burner is q% = 50 of the oxygen required for the reformation 4gx $ çnmbustible which it brings into play.
The volume of oxygen required will therefore be, whatever the type of hydrocarbon
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¯el? oxidized), q%.
4 .- Per unit (of weight or volume) of fuel, the ratio of the volume of gases produced by a peripheral burner to the volume produced by the
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central burner is r = 0.833 under the conditions of the present example.
5 .- We adopt a bundle made up of "a" = 10 peripheral burners.
This number, like the proportions adopted by way of example for p% and q%, gives a compact construction, a distribution as well as a favorable adjustment margin for the oxidizing oxygen, as well as the best balancing of the decar-
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bonus, which constitutes an unsuccessful but highly recommendable characteristic of our invention.
Although the most favorable, this number of 10 peripheral burners distributed every 36 of the circumscribed circle is optional and not immutable: one could also build an appliance with 6 peripheral burners, with 60 of angle in the center, or with 8 burners with 45, or 9 burners with 40, or 12 burners with 30, etc.
A peir number gives symmetry that is almost necessary to maintain the best conditions of stability of the flame during the periods of decarbonization carried out simultaneously with two peripheral burners located at both ends of the same diameter of the circumscribed circle.
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The mathematical equation is established by expressing the equality between the excess oxygen (with respect to the reform) supplied to the central burner and the deficit of oxygen to the peripheral burners. In the case of methane, this equation gives the following relation.
EMI4.7
d DV 3 a (+ Z q) 1 or "d" and "D" are the diameters of the peripheral burners and the central burner respectively.
If we assume a gas speed which, for a flow rate of about 25 cubic meters of methane per minute, imposes a diameter of 45 cm. in the flame emergence section, the following burner dimensions are obtained by giving
EMI4.8
at na "p np%" y uq% "e r, rp the values indicated above:
EMI4.9
<tb> inside <SEP> diameter <SEP> "D" <SEP> of the <SEP> 'central <SEP> burner <SEP> 22.50 <SEP> om
<tb> inside <SEP> diameter <SEP> "d" <SEP> of the <SEP> 10 <SEP> burners <SEP> peripheral <SEP> 12.32 <SEP> cm
<tb>
<tb> thickness <SEP> of <SEP> wall <SEP> between <SEP> the <SEP> circle <SEP> of the <SEP> burner
<tb>
EMI4.10
central and that of the peripheral burners, approximately 7,
38 cm
<Desc / Clms Page number 5>
EMI5.1
<tb> @
<tb>
<tb> thickness <SEP> of <SEP> wall <SEP> between <SEP> the <SEP> circles <SEP> of the <SEP> burners
<tb>
<tb>
<tb> peripherals <SEP> approximately <SEP> 3 <SEP> cm
<tb>
<tb>
<tb> total <SEP> diameter <SEP> outside <SEP> of <SEP> the <SEP> head <SEP> of the <SEP> burner <SEP> carcass
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> included <SEP> approximately <SEP> 66 <SEP> cm
<tb>
EMI5.2
Length.' & pp3? bxi & a.t1vê total "from ..burner '" refo.rmateur, approximately
EMI5.3
<tb> 66x2.5 <SEP> to <SEP> 2.75 <SEP> or <SEP> 165 <SEP> cm <SEP> to <SEP> 182 <SEP> cm
<tb>
These various dimensions are therefore purely illustrative of the principle and the calculation method, which are the basis of our bundle burner-reformer.We can admit for the duration of the decarbonization phases about ten
EMI5.4
seconds,
or barely 1% of the cycle time. This decaibonization imposes on the 9 burners remaining active a very acceptable supply overload of 17.65%.
EMI5.5
R E r E N B I G A T I 0 N So
1.- Burner-reformer producing a highly reducing gas by reforming, that is to say partial combustion in (mCO + nH2),
fuel oil and
EMI5.6
- or hydrocaburgaux or-liquids or liquefied characterized in that this device is built in a bundle of adjoining burners -in that this bundle comprises an axial-central main burner in which the combustion is pushed beyond that which corresponds to the reform referred to above and reaches 60% to 80% of the complete combustion - in that this axial burner and around it are juxtaposed peripheral burners in which the combustion is limited to 50% - 80% of that required by the reform referred to above - in that the gases from these peripheral burners after this summary partial combustion join together to form a continuous screen layer between the flame of the central burner and the cylindrical sheath in which flow all gases in
reforming - in that the length of the individual combustion chamber of the central burner is limited to what is essential for the stability of its flame and that thus the intense radiation of this flame is absorbed by the screen sheet formed by the gases of the peripheral burners.