Brûleur La présente invention concerne d'une manière générale un brûleur produisant un gaz de synthèse à oxydation partielle, et elle est particulièrement ap plicable à la formation d'oxyde de carbone et d'hy drogène par la combustion partielle d'un gaz hydro- carburé avec de l'air enrichi en oxygène ou avec de l'oxygène sensiblement pur.
Les mélanges de gaz de synthèse consistant essen tiellement d'oxyde de carbone et d'hydrogène sont industriellement importants comme source d'hydro gène pour des réactions d'hydrogénation et comme source de gaz d'alimentation pour la synthèse des hydrocarbures, des composés organiques contenant de l'oxygène ou de l'ammoniac.
La combustion partielle d'un combustible hydro- carburé 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 problè mes spéciaux qu'on ne rencontre normalement pas dans la technique des brûleurs. Il est nécessaire, par exemple, d'effectuer un mélange très rapide et très complet des réactifs, et de prendre des précautions particulières pour empêcher la surchauffe du brûleur ou du mélangeur.
En raison de la réactivité de l'oxygène avec le métal avec lequel on peut fabriquer un brûleur ap proprié, il est extrêmement important d'empêcher les éléments du brûleur d'atteindre les températures auxquelles se produit leur oxydation rapide. A ce sujet, il est essentiel que la réaction entre l'hydro carbure et l'oxygène ait lieu entièrement à l'extérieur du brûleur et qu'il ne se produise pas une concen tration localisée des mélanges combustibles à l'en droit des surfaces des éléments du brûleur ou à leur voisinage. Bien que la réaction ait lieu au-delà du point de décharge du brûleur, les éléments de celui- ci sont soumis à un échauffement par les radiations qu'il émet.
Un mélange incorrect détermine de telles concen trations en oxygène dans des zones localisées qu'une combustion relativement complète d'une partie du combustible se produit dans ces zones, ce qui dégage de grandes quantités de chaleur. En outre, quelle que soit la structure de brûleur utilisée, des tourbil lons de gaz réactifs forment des mélanges combusti bles près des surfaces du brûleur. A moins de main tenir ces surfaces à une température inférieure à la température d'inflammation des mélanges, elles en tretiennent la flamme, et la combustion qui en résulte le long des surfaces provoque rapidement la surchauffe et la détérioration complète du brûleur.
Un autre inconvénient particulier à cette réaction est la tendance à la formation de carbone libre soit sur le brûleur, soit dans la zone de réaction, princi palement du fait d'un mélange incorrect des gaz, ce qui détériore le brûleur, étant donné que la forma tion de carbone sur la surface du brûleur contrarie le mélange des gaz 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 formation du carbone. 1I en résulte souvent des tem pératures de réaction fâcheusement élevées, et le problème de refroidissement du brûleur devient plus important. En outre, ce problème est aggravé du fait qu'il est désirable 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.
Du fait d'une ou de plusieurs des raisons ci- dessus, les brûleurs connus se détériorent rapidement, particulièrement par l'érosion du métal aux becs du brûleur, même si ces éléments sont refroidis à l'eau, et lorsque les gaz réactifs sont préalablement mélan gés et sont injectés à partir du brûleur à des débits supérieurs à la vitesse de propagation de la flamme, les mélanges fortement réactifs oxygène-hydrocarbure réagissent le long d'une pellicule de gaz toujours pré sente sur la surface du conduit ou orifice par lequel ils sont déchargés, ce qui détériore rapidement le brûleur.
Conformément à l'invention, on a réalisé un brû leur comportant un conduit intérieur et un conduit extérieur pour le passage de gaz à températures éle vées, brûleur dans lequel ledit conduit intérieur est amovible et qui est caractérisé par un dispositif com portant un joint de dilatation muni d'un soufflet pour compenser les différences de dilatation entre ces conduits et des dispositifs pour fixer les extrémités respectives du joint aux conduits intérieur et exté rieur. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue d'ensemble du brûleur.
La fig. 2 est une coupe longitudinale schémati que du bec du brûleur.
La fig. 3 est une coupe longitudinale partielle ment schématique faite par 3-3 de la fig. 6 d'un joint de dilatation. La fia. 4 est une coupe par 4-4 de la fig. 2 du bec du brûleur, la chemise de refroidissement ayant été enlevée, et elle illustre le conduit intérieur rem- plaçable dans sa position de fonctionnement.
La fig. 5 est une vue similaire à la fig. 4, la che mise de refroidissement ayant été enlevée, et elle illustre la position du conduit intérieur pendant l'as semblage du brûleur et avant son blocage en posi tion de fonctionnement.
La fig. fi est une vue en bout de la fig. 1, prise dans la direction du joint de dilatation et représen tant l'orientation du conduit intérieur lorsqu'il est en position de fonctionnement.
La fig. 7 est une vue en bout, similaire à la fig. 6, représentant l'assemblage en cours.
L'appareil conforme à la présente invention vise à résoudre le problème des longs arrêts de fonction nement des générateurs de gaz, pendant qu'on rem place les brûleurs du fait de la détérioration des becs des brûleurs par suite de perte de métal ou d'une autre détérioration du brûleur.
Sur les figures du dessin, on peut voir sur la fig. 1 l'ensemble de brûleur indiqué d'une manière générale par A, le bec B du brûleur, l'ensemble C du joint de dilatation, la bride de montage D, le con duit d'admission E du combustible hydrocarburé, par exemple du gaz naturel, et le conduit d'admis sion F de l'oxygène.
Sur la fig. 2, qui représente l'ensemble B du brû leur en coupe, le conduit intérieur amenant l'oxy gène ou un mélange enrichi en oxygène est indiqué en 10, son orifice de sortie est indiqué en 11 et l'on a prévu des pattes de blocage 12,12 diamétralement espacées (voir également les. fig. 4 et 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 chemise de refroidissement 16 et les flèches indiquent le sens de circulation de l'agent de refroidissement par l'ori fice.
Le conduit extérieur 13 comporte des pattes de blocage complémentaire 17,17 et 18,18 qui coopè rent avec les pattes de blocage 12,12 pour empêcher le conduit intérieur de se déplacer longitudinalement de manière excessive et, de cette manière, maintenir pratiquement constant le passage annulaire 15. Tou tes les pattes de blocage peuvent faire partie inté grante de leurs conduits respectifs ou y être soudées.
Le conduit extérieur 13 comporte également un certain nombre de goujons d'espacement 19 (les fig. 4 et 5 représentent quatre de ces derniers) qui ser vent à disposer le conduit intérieur à quelque dis tance par rapport au conduit extérieur. Ces goujons d'espacement peuvent également faire partie inté grante du conduit extérieur ou y être fixés d'une autre manière appropriée.
Bien qu'on ait représenté en 16 une chemise de refroidissement, on peut utiliser à la place des ser.. pentins de refroidissement.
En examinant particulièrement les fig. 4 et 5, on voit qu'elles illustrent respectivement les positions du conduit intérieur lorsqu'il est bloqué et assemblé et au cours du processus de blocage et de déblocage par rapport au conduit extérieur, deux des goujons d'espacement étant illustrés en alignement avec les centres des pattes de blocage. Pour des raisons de clarté, on n'a pas représenté la chemise de refroidis sement sur ces figures.
Le brûleur décrit ici est soumis à des conditions de températures de fonctionnement sévères, non seu lement du fait qu'il est placé au voisinage de la zone de réaction où la formation du gaz de synthèse se produit de manière désirable au-dessus de 1093 C et fréquemment jusqu'à 1649 C, mais également du fait qu'il amène des gaz réactifs qui sont préchauffés à des températures relativement élevées, par exemple 482o C, avant de les décharger dans la zone de ré action.
En conséquence, on doit prévoir une structure qui tienne compte des différences élevées de dilata tion et de contraction des divers éléments du brû leur qui se produisent du fait que celui-ci est exposé à la radiation provenant de la zone de réaction à température élevée ainsi que du passage des gaz préchauffés. On a établi que la gamme étendue des tempéra tures auxquelles les brûleurs du type décrit sont ex posés contribue beaucoup à leur détérioration rapide, non seulement en ce qui concerne l'érosion du métal, mais aussi en raison des contraintes créées par suite de la dilatation et de la contraction répétées qui aboutissent à des ruptures aux points de jonction des éléments du brûleur.
La fig. 3 est une vue agrandie en coupe partielle faite par 3-3 de la fig. 6, représentant l'ensemble C du joint de dilatation. Cet ensemble comporte des brides de blocage 20 et 21 fixées respectivement au conduit extérieur 13 et au conduit intérieur 10. Le joint de dilatation comporte un soufflet 22 supporté par un boîtier 23 auquel sont fixées des brides de blocage 24 et 25. Le joint de dilatation, c'est-à-dire le soufflet et le boîtier, entoure le conduit intérieur 10, et il est réuni aux conduits intérieur et extérieur par des moyens de fixation, par exemple des bou lons et écrous 26 qui servent à fixer les unes aux autres les brides de blocage jointives.
On a représenté en 27 un dispositif d'étanchéité, par exemple une bague annulaire, pour rendre étanche le boîtier par rapport aux conduits.
Outre les boulons et écrous de blocage 26, les brides de blocage comportent chacune une bague d'alignement 20a,<I>21a, 24a</I> et 25a, recevant une tige d'alignement 28 utilisée à des fins qu'on décrira ci- après.
Les brides de blocage 24, 25 que comporte le boîtier 23 comprennent également un- certain nom bre de pattes à raison de trois pattes par bride indi quées respectivement en 24b et 25b, qui reçoivent des boulons et écrous d'espacement 29 et qu'on monte sur le joint de dilatation au moyen de la cale illustrée en traits mixtes.
<B>Au</B> cours du montage de ce joint, on amène les brûleurs à leur température de fonctionnement et l'on place les boulons d'espacement 29 dans les ouver tures des pattes, les cales étant mises entre ces derniè res et les écrous. Lorsque le brûleur est à sa tem pérature de fonctionnement, on serre à la main les écrous contre la cale, on les bloque en place, après quoi on enlève les cales, Le brûleur doit fonction ner avec l'espacement réalisé entre les écrous et les pattes, les boulons assemblés servant de dispositif de sécurité au cas où le soufflet 22 céderait.
Outre les goujons d'espacement 19 qui sont por tés par le conduit extérieur de manière à maintenir à quelque distance le conduit intérieur concentrique à celui-ci, au conduit intérieur est fixée au voisinage du joint de dilatation une bague d'espacement 30, qui doit être placée en amont du conduit d'admission du combustible, pour assurer une étanchéité partielle vis-à-vis des fuites par le joint.
On a illustré sur les fig. 6 et 7 deux positions de l'ensemble lorsque le conduit intérieur est dans des positions de blocage et de déblocage ; ces figures représentent de quelle manière on doit utiliser la tige d'alignement, la flèche de la fig. 6 (ainsi que celle de la fig. 4) indiquant le sens de rotation pour le dé blocage. On enlève le conduit intérieur 10 de l'en semble en enlevant le dispositif de fixation 26 qui maintient en position les brides 21 et 25 et en faisant tourner le conduit jusqu'à la position illustrée sur la fig. 7.
Pour assembler le brûleur de manière à obtenir la position bloquée de la fig. 6, on oriente les bagues d'alignement de manière à leur faire recevoir la tige d'alignement 28 qui sert de moyen prélimi naire de blocage avant l'assemblage- final avec les boulons et écrous 26. Dans une variante, on peut enlever le conduit intérieur 10 en même temps que l'ensemble du joint de dilatation C en enlevant le dispositif de fixation 26 maintenant les brides 20 et 24 en position assemblée.
Comme illustré sur les fig. 4 et 5, les pattes de blocage s'étendent approximativement sur un secteur de 45 qui peut varier jusqu'à un maximum de 90 . Toutefois, le secteur plus petit est désirable de ma nière à empêcher un effet d'écran sur le courant du gaz réactif dans le conduit annulaire extérieur, par suite de l'étranglement apporté par les pattes.
Ainsi, même s'il se produit une détérioration du bec du brûleur par suite des températures et de l'action de corrosion dans des conditions normales de fonctionnement du brûleur, la détérioration la plus rapide du métal du bec du brûleur peut être limitée à l'ouverture du conduit intérieur par un envoi d'oxygène ou d'air enrichi en oxygène dans ce conduit, de sorte que des ajutages facilement rempla- çables qui protègent d'autres surfaces du bec de l'action de l'oxygène et de la flamme primaire cons tituent une solution du problème.
La vie utile du bec extérieur du brûleur a tellement été augmentée par l'envoi du combustible par le passage annulaire et le refroidissement du bec extérieur que la vie utile du bec intérieur est maintenant le facteur déterminant dans le fonctionnement du brûleur. C'est pourquoi, lorsque les conditions de fonctionnement exigent un changement du brûleur, on peut remplacer le con duit intérieur et monter un nouveau bec de brûleur sans l'inconvénient et la dépense du remplacement d'un ensemble nouveau complet tel qu'indiqué en A.
En outre, du fait des différences des vitesses indispensables pour l'envoi satisfaisant des divers combustibles, les dimensions du conduit intérieur et du passage annulaire qu'il délimite avec le conduit extérieur varient. En choisissant et en utilisant un conduit intérieur amovible, c'est-à-dire qu'on peut remplacer facilement, muni d'un bec ayant le profil le plus approprié au combustible à utiliser, on peut conserver le même ensemble de brûleur et de con duit extérieur pour des combustibles liquides et des combustibles gazeux.
La bride de blocage D sert à maintenir le brû leur.
Burner The present invention relates generally to a burner producing a partially oxidized synthesis gas, and it is particularly applicable to the formation of carbon monoxide and hydrogen by the partial combustion of a hydro- gas. carburized with oxygen enriched air or with substantially pure oxygen.
Mixtures of synthesis gas 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 the synthesis of 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 which cannot be ignored. normally not found in burner technology. It is necessary, for example, to carry out a very rapid and very complete mixing of the reagents, and to take special precautions to prevent overheating of the burner or the mixer.
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 regard, it is essential that the reaction between the hydro carbide and the oxygen takes place entirely outside the burner and that there is no localized concentration of the combustible mixtures at the surfaces. burner elements or their vicinity. Although 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 it emits.
Improper mixing results in such oxygen concentrations in localized areas that relatively complete combustion of part of the fuel occurs in these areas, releasing large amounts of heat. Furthermore, regardless of the burner structure used, vortices of reactive gases form combustible mixtures near the burner surfaces. Unless you keep these surfaces at a temperature below the ignition temperature of the mixtures, they retain their flame, and the resulting combustion along the surfaces quickly causes overheating and complete deterioration of the burner.
Another particular drawback to this reaction is the tendency for free carbon to form either on the burner or in the reaction zone, mainly due to incorrect mixing of the gases, which damages the burner, since the Carbon formation on the burner surface thwarts the mixing of gases and causes localized concentrations of oxygen, which results in the overheating of the burner elements 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 annoyingly high reaction temperatures, and the problem of cooling the burner becomes more serious. Further, this problem is aggravated by the fact that it is desirable in the partial combustion of 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.
Due to one or more of the above reasons, known burners deteriorate rapidly, particularly by erosion of the metal at the burner nozzles, even if these elements are cooled with water, and when the reactive gases are. previously mixed and are injected from the burner at flow rates greater than the flame propagation speed, the highly reactive oxygen-hydrocarbon mixtures react along a film of gas always present on the surface of the duct or orifice through which they are discharged, which quickly deteriorates the burner.
In accordance with the invention, a burner has been produced comprising an interior duct and an exterior duct for the passage of gas at high temperatures, a burner in which said interior duct is removable and which is characterized by a device comprising a gasket. expansion provided with a bellows to compensate for the differences in expansion between these conduits and devices for fixing the respective ends of the joint to the interior and exterior conduits. The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention.
Fig. 1 is an overview of the burner.
Fig. 2 is a diagrammatic longitudinal section of the burner nozzle.
Fig. 3 is a partially schematic longitudinal section taken by 3-3 of FIG. 6 of an expansion joint. The fia. 4 is a section through 4-4 of FIG. 2 of the burner nozzle with the cooling jacket removed and illustrates the replaceable inner duct in its operating position.
Fig. 5 is a view similar to FIG. 4, the cooling plug having been removed, and it illustrates the position of the internal duct during the assembly of the burner and before its blocking in the operating position.
Fig. fi is an end view of FIG. 1, taken in the direction of the expansion joint and representing the orientation of the interior duct when it is in the operating position.
Fig. 7 is an end view, similar to FIG. 6, representing the assembly in progress.
The apparatus according to the present invention aims to solve the problem of long stoppages of operation of the gas generators, while the burners are replaced due to the deterioration of the burner nozzles as a result of loss of metal or of further damage to the burner.
In the figures of the drawing, it can be seen in FIG. 1 the burner assembly indicated generally by A, the burner nozzle B, the assembly C of the expansion joint, the mounting flange D, the inlet pipe E of the hydrocarbon fuel, for example natural gas, and the oxygen inlet pipe F.
In fig. 2, which represents the assembly B of the burner in cross-section, the internal duct supplying oxygen or an oxygen-enriched mixture is indicated at 10, its outlet orifice is indicated at 11 and there are provided diametrically spaced 12,12 blocking (see also fig. 4 and 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 jacket 16 and the arrows indicate the direction. circulation of the cooling medium through the orifice.
The outer duct 13 has complementary locking tabs 17,17 and 18,18 which cooperate with the locking tabs 12,12 to prevent the inner duct from excessively moving longitudinally and in this way to keep the temperature substantially constant. annular passage 15. All the locking tabs can be an integral part of their respective conduits or be welded thereto.
The outer duct 13 also has a number of spacer studs 19 (Figs. 4 and 5 show four of the latter) which serve to arrange the inner duct at some distance from the outer duct. These spacer studs may also form an integral part of the outer duct or be attached thereto in some other suitable manner.
Although a cooling jacket is shown at 16, cooling serers can be used instead.
Looking particularly at Figs. 4 and 5, it is seen that they respectively illustrate the positions of the inner duct when locked and assembled and during the locking and unlocking process with respect to the outer duct, with two of the spacer studs being shown in alignment with the centers of the locking tabs. For reasons of clarity, the cooling jacket is not shown in these figures.
The burner described here is subjected to severe operating temperature conditions, not only because it is located in the vicinity of the reaction zone where synthesis gas formation desirably occurs above 1093 C. and frequently up to 1649 ° C, but also because it brings in reactive gases which are preheated to relatively high temperatures, for example 482 ° C, before discharging them into the reaction zone.
Accordingly, a structure must be provided which takes into account the large differences in expansion and contraction of the various components of the burner which occur due to the latter being exposed to radiation from the high temperature reaction zone as well. than the passage of preheated gases. It has been established that the wide range of temperatures to which burners of the type described are exposed contributes greatly to their rapid deterioration, not only with respect to erosion of the metal, but also due to the stresses created as a result of expansion. and repeated contraction which results in ruptures at the junction points of the burner elements.
Fig. 3 is an enlarged view in partial section taken at 3-3 of FIG. 6, representing assembly C of the expansion joint. This assembly comprises locking flanges 20 and 21 fixed respectively to the outer duct 13 and to the inner duct 10. The expansion joint comprises a bellows 22 supported by a housing 23 to which are fixed locking flanges 24 and 25. The expansion joint , that is to say the bellows and the housing, surrounds the inner duct 10, and it is joined to the inner and outer ducts by fixing means, for example bolts and nuts 26 which serve to fix one to the other. others the contiguous locking flanges.
There is shown at 27 a sealing device, for example an annular ring, to seal the housing with respect to the conduits.
In addition to the locking bolts and nuts 26, the locking flanges each include an alignment ring 20a, <I> 21a, 24a </I> and 25a, accommodating an alignment rod 28 used for purposes to be described. below.
The locking flanges 24, 25 in the housing 23 also include a number of tabs at the rate of three tabs per flange indicated at 24b and 25b respectively, which receive spacer bolts and nuts 29 and which are mounted on the expansion joint using the shim shown in phantom.
<B> During the </B> assembly of this seal, the burners are brought to their operating temperature and the spacer bolts 29 are placed in the openings of the legs, the shims being placed between them. and nuts. When the burner is at operating temperature, the nuts are tightened by hand against the shim, locked in place, after which the shims are removed.The burner must operate with the spacing achieved between the nuts and the legs, the assembled bolts serving as a safety device in case the bellows 22 should give way.
In addition to the spacer studs 19 which are carried by the outer duct so as to keep the inner duct concentric with it at some distance, to the inner duct is fixed in the vicinity of the expansion joint a spacer ring 30, which must be placed upstream of the fuel inlet pipe, to ensure partial sealing against leaks through the seal.
It has been illustrated in FIGS. 6 and 7 two positions of the assembly when the inner duct is in the locking and unlocking positions; these figures show how to use the alignment rod, the arrow in fig. 6 (as well as that of fig. 4) indicating the direction of rotation for the locking release. The inner duct 10 is removed from the assembly by removing the fixing device 26 which holds the flanges 21 and 25 in position and rotating the duct to the position illustrated in FIG. 7.
To assemble the burner so as to obtain the blocked position of fig. 6, the alignment rings are oriented so that they receive the alignment rod 28 which serves as a preliminary locking means before final assembly with the bolts and nuts 26. Alternatively, the ring can be removed. internal duct 10 at the same time as the assembly of the expansion joint C by removing the fixing device 26 holding the flanges 20 and 24 in the assembled position.
As illustrated in fig. 4 and 5, the locking tabs extend approximately over a sector of 45 which can vary up to a maximum of 90. However, the smaller sector is desirable in order to prevent a shielding effect on the flow of reactive gas in the outer annular conduit, due to the constriction provided by the legs.
Thus, even if deterioration of the burner nozzle occurs as a result of temperatures and corrosion action under normal burner operating conditions, the most rapid deterioration of the burner nozzle metal may be limited to opening of the inner duct by sending oxygen or oxygen-enriched air into this duct, so that easily replaceable nozzles which protect other surfaces of the spout from the action of oxygen and gas. primary flame is a solution to the problem.
The service life of the outer burner nozzle has been increased so much by feeding fuel through the annular passage and cooling the outer nozzle that the service life of the inner nozzle is now the determining factor in burner operation. This is why, when the operating conditions require a change of the burner, the internal pipe can be replaced and a new burner nozzle fitted without the inconvenience and expense of replacing a complete new assembly as indicated in. AT.
In addition, due to the differences in speeds essential for the satisfactory delivery of the various fuels, the dimensions of the inner duct and of the annular passage which it defines with the outer duct vary. By choosing and using a removable interior duct, that is to say that it can be easily replaced, provided with a nozzle having the most suitable profile for the fuel to be used, it is possible to keep the same set of burner and external duct for liquid fuels and gaseous fuels.
The locking flange D is used to hold the burner.