Brevet FR2271507A1 — publié le 19751212

La présente invention a pour objet des perfectionnements aux brûleurs de combustibles liquides ou gazeux et aux foyers, destinés à chauffer un fluide circulant dans des tubes échangeurs, pour qu'en aucun point, la paroi desdits tubes, ou ledit fluide, ne dépasse une température limite. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction et de 1 'équipement des foyers, notamment de la construction et de l'équipement des fours pour chauffer le pétrole dans les raffineries, de la construction des chaudières à fluide thermique, des surchauffeurs de vapeur à chauffage direct etc. Dans la suite de l'exposé, on se réfèrera plus particulièrement aux fours de raffineries de pétrole qui constituent une application spécifique de l'invention, en précisant bien que ce choix n'entraîne aucune limitation et que la présente invention s'applique également à tous foyers destinés à chauffer un fluide circulant dans des tubes échangeurs placés au voisinage des parois du foyer, et ou il est essentiel d'éviter de chauffer toutes les parties desdits tubes au delà d'une température limite, inférieure, soit à la température de décomposition ou d'altération du fluide, soit à la température qui serait dangereuse pour la résistance mécanique des tubes échangeurs. Il est précisé que le mot tube est employé dans un sens large pour désigner tout conduit échangeur à l'intérieur duquel circule le fluide à chauffer. Les fours destinés à chauffer les produits pétroliers pour les distiller ou les raffiner sont généralement constitués par de grandes chambres de combustion dont la partie inférieure comporte un certain nombre de brûleurs produisant chacun une flamme verticale qui vient chauffer des rangées de tubes verticaux placés entre les brûleurs et les parois et dans lesquels circulent les produits pétroliers à chauffer. La zone où la flamme est la plus large et où, de ce fait, elle vient souvent lécher les tubes ou se rapprocher d'eux, correspond à l'emplacement où les températures sont le plus élevées, ce qui a pour conséquence d'y aggraver les risques de détérioration du fluide ou des tubes qui le contiennent. La température des produits pétroliers ne doit dépasser, en aucun point des tubes, une limite déterminée, par exemple une température de l1ordre de 500 à 550" sinon ces produits se décomposeraient en cokéfiant et en donnant des résidus solides. On doit donc surveiller attentivement la température dans la zone la plus chaude des tubes et, par conséquent, de la flamme, pour éviter toute surchauffe locale au delà de la température limite. A ce jour on évite ladite surchauffe, d'une part, en limitant l'allure de marche des brûleurs et, d'autre part, en abaissant la température de la flamme grâce à la réalisation d'une combustion en excès d'air volontaire. Cette façon d'opérer conduit évidemment à une diminution de la puissance massique du four et à une diminution de son rendement calorifique, donc à une exploitation doublement onéreuse. Un objectif de la présente invention est d'éviter la surchauffe thermique locale des tubes et des produits à chauffer sans avoir à utiliser un excès d'air, donc sans réduire la qualité de la combustion et par conséquent le rendement. Un autre objectif de la présente invention est d'léviter ladite surchauffe thermique locale des tubes et des produits à chauffer sans avoir à réduire le débit calorifique des brûleurs et par conséquent la puissance massique du four. Dans un foyer équipé de brûleurs de combustibles liquides ou gazeux, en application de la présente invention, les objectifs ci-dessus sont atteints au moyen d'un procédé suivant lequel on recycle une partie des fumées de la combustion, prises à la sortie du four, pour l'injecter dans la périphérie des flammes, uniquement dans la zone située entre celles-ci et les tubes échangeurs. De façon complémentaire on contrôle la température des tubes, ou dans leur voisinage, dans la zone la plus chaude et on fait varier, automatiquement ou non, la quantité de fumées injectées pour maintenir cette température à une valeur inférieure à la limite fixée. Un foyer réalisé selon l'invention comporte des moyens pour recycler une partie des fumées et pour l'injecter dans la périphérie des flammes, uniquement dans la zone située entre celles-ci et les tubes échangeurs. De façon complémentaire, il comporte, en outre, des appareils pour mesurer la température des tubes,ou dans leur voisinage, dans la zone la plus chaude et des moyens pour faire varier le débit des fumées injectées afin de conserver à ladite température une valeur inférieure au seuil que l'on s'est fixé. Un foyer réalisé selon l'invention, dans lequel les tubes échangeurs sont placés le long d'une paroi, compotte, entre chaque brûleur et la paroi du foyer, et uniquement dans cette zone, un ou plusieurs orifices d'injection des fumées recyclées pouvant avoir des formes, dispositions et dimensions variables, comme, par exemple, une section en demi-lune déterminée entre la périphérie du brûleur et un cercle excentré du côté où doit s' opérer le débit; ou une section en arc de cercle centrée sur le bruleur et jouxtant celui-ci; ou encore un ou plusieurs orifices indépendants du brûleur, à section rectangulaire ou incurvée; ou, même, de véritables buses d'injection inclinées de façon constante ou modifiable, toutes ces dispositions étant citées à titre d'exemple non limitatif. Lorsque les tubes à protéger sont situes le long de deux parois perpendiculaires entre elles, on peut porter l'angle dé protection par recyclage de la valeur a à la valeur 2a par exemple, ou encore à la valeur 3a si la pretection doit se faire sur trois côtés. Le résultat de l'invention se trouve dans cinq actions agissant de façon concomitante. - L' action en "dilution", par abaissement de la température du mélange gazeux dans la zone protégée, du fait de l'apport, qui y est fait, de gaz à basse température. - L'action en "éloignement" des gaz à très haute température du fait que les gaz injectés, qui sont neutres, "chassent" loin des tubes, les gaz en combustion très active, ce qui n' aurait pas lieu si le gaz injecté etait de l'air parce qu'il participerait sur place à la combustion. - L'action "écran" du fait que, comme chacun sait, les gaz ayant une formule chimique composée (C02, H20, CO, 502) forment écran aux rayonnements calorifiques alors que les gaz à formule chimique simple (o2, N2) sont transparents à ces rayonnements. - L'action en "localisation de l'efficacité" du fait que pour une même proportion de fumées recyclées, l'efficacité est inversement proportionnelle à l'angle de protection autour de chaque brûleur, en plus de - l'action en "stoechiométrie" de la combustion dans le cas de recyclage correctement fait autour de la (ou des) flamme, car notre expérience en la matière, nous permet d'affirmer que l'on peut obtenir,grâce à ce processus, des excès d'air extrêmement réduits en même temps que des températures d'équilibre de combustion faibles. L'efficacité du système faisant l'objet de l'invention apparat nettement dans l'exemple chiffré suivant Un kilogramme de mazout ayant un pouvoir calorifique inférieur de 9600 Kgcal brûlant avec un excès d'air de 5 % produit 15.6 Kg de fumees. Si l'on injecte, sur le quart de la périphérie de la flamme, 1 Kg de fumées à 3000C par kilogramme de mazout brûlé, la températtire théorique, dans le secteur où a lieu l'injection, en tenant compte uniquement de la dilution, tombe de 19000 à 17000C. Si l'on porte la quantité de fumées injectées à 2 Kg par kilogramme de mazout brûlé, la température théorique dans le secteur de l'injection tombe à 1500 C. Il ne parait pas nécessaire d'insister sur la réduction du risque de détérioration lorsque la température des gaz est réduite dans de pareilles proportions. Cet exemple illustre, aussi, I'intéret que présente, comme le prévoit l'invention, la limitation de l'injection des gaz recyclés, à la zone située entre la flamme et les tubes à chauffer, car si l'injection de la même quantité de fumées était faite tout autour de la flamme, la température locale ne tomberait que de 1900 à 18600 dans le premier cas et 18000 dans le second, et l'efficacité, dans la zone dangereuse serait, de ce fait, très fortement réduite. Il est évident qué l'injection de fumées comme le prévoit l'invention, peut être utilisée soit seule soit en combinaison avec un dispositif de recycle connu, consistant, par exemple, en un mélange préalable de fumées avec l'air de combustion. Une autre application des foyers perfectionnés selon l'invention est l'équipement des chaudières dans lesquelles l'eau est remplacée par un fluide caloporteur dont la vaporisation a lieu à des températures plus élevées que celle de l'eau mais dont les risques de décomposition ou d'altération sont beaucoup plus importants. Actuellement, pour éviter les risques de coups de feu ou de détérioration du liquide caloporteur, on augmente les dimensions des chambres de combustion afin d'éloigner,. des zones les plus chaudes, les tubes échangeurs, ce qui entraîne des coûts de construction élevés et une limitation des rendements. Les foyers perfectionnés selon invention permettent de supprimer ces inconvénients en protégeant les tubes échangeurs et le liquide qu'ils contiennent dans les zones courant un risque de surchauffe. Une autre application de l'invention est l'équipement de surchauffeurs de vapeur d'eau obtenant l'élévation de température de celle-ci par I'action directe d'une flamme. Du fait de la faiblesse du coefficiènt d'échange thermique entre tube et vapeur sèche, il est indispensable d'éviter que les tubes échangeurs soient, en aucun lieu, portés à une température au-dessus de laquelle la résistance mécanique desdits tubes risquerait de devenir insuffisante. Là encore, l'application de la présente invention résoud le problème de l'abaissement de la température des tubes dans la zone la plus proche des flammes. La présente invention constitue une application nouvelle du recyclage des fumées, cette application nouvelle résultant à la fois de la différence entre les résultats obtenus et de l'adaptation des moyens. En effet, dans toutes les applications antérieures, le but recherché était d'agir sur la totalité de la flamme, dans toutes les directions, et la fumée était injectée soit dans la flamme soit sur toute la périphérie de celle-ci sans se préoccuper des différences d'action locale qui en résultaient sur son environnement. Au contraire, le but recherché dans la présente invention est de protéger localement les tubes échangeurs et de réaliser cette fonction bien précise au moyen d'une injection de fumées formant dilution et écran sans avoir à recycler des quantités trop importantes de fumées, du fait que ladite~injec- tion est adaptée à cette fonction précise en la limitant à la zone située entre les bruleurs et les tubes échangeurs qui est la zone dangereuse. En résumé, les procédés et dispositifs selon l'invention permettent, en plus de ce qui précède, de réduire la température des tubes échangeurs dans la zone la plus chaude et par conséquent, la plus dangereuse, à la fois par dilution avec des fumées moins chaudes, par éloignement des fractions de flamme à température élevée et en faisant écran contre le rayonnement calorifique des flammes. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de I'inven- tion. La figure 1 est une vue en plan d'un four selon l'invention. La figure 2 est une vue en pian d'un autre four selon l'invention. La figure 3 est une coupe transversale selon III-III de la figure 1 ou de la figure 2. La figure 4 est une vue en plan à plus grande échelle d'un brûleur. La figure 5 est une vue en plan à plus grande échelle d'un autre brûleur. La figure 6 est une coupe longitudinale d'un brûleur. Les figures 7 et 8 sont des vues en plan, à plus grande échelle d'autres brûleurs. La figure 9 représente une coupe verticale d'un four avec buses d'injection indépendantes. La figure 10 représente une vue en plan d'un angle de four protégé. La figure 11 représente une vue en plan d'un couloir de four pro tégé. La figure 1 représente un four de raffinerie 3 destiné à chauffer des produits pétroliers. Celui-ci est équipé de plusieurs brûleurs 1 produisant chacun une flamme verticale qui vient chauffer des séries de tubes échangeurs verticaux 2 dans lesquels circulent les produits pétroliers à chauffer. Les tubes échangeurs 2 sont situés à une certaine distance de la flamme, le long des parois -du four. Souvent, les tubes échangeurs sont disposés sur des arcs de cercle centrés sur l'axe des brûleurs. La figure 2 représente~un four 3 qui diffère du précédent uniquement par le fait que les tubes échangeurs 2 sont disposés dans des plans parallèles aux parois du four sans envelopper les brûleurs 1. Le combustible brûlé par les brûleurs 1 est soit du mazout, soit des gaz combustibles. La figure 3 est une coupe verticale suivant III-III de la figure 1 ou de la figure 2. On voit sur cette figure deux brûleurs la et lb voisins, ainsi que leurs flammes qui, bien qu'étant volontairement produites avec une faible divergence, ne manquent pas de se rapprocher fortement des tubes échangeurs 2 dans la zone 4 drépanouissement maximum qui est également celle où les flammes sont les plus chaudes. La surchauffe locale des tubes dans cette zone 4 fait courir dtimportants risques de cokéfaction des produits pétroliers si la température dépasse celle où ces produits se décomposent, qui est de l'ordre de 5000. Selon l'invention on évite cette surchauffe locale des tubes échangeurs en prélevant une partie des fumées à la sortie du four en un point 10 où les fumées sont à une température aussi basse que possible et en les recyclant au moyen d'un ventilateur il et d'un conduit 12, pour les envoyer dans un espace 13 intermédiaire entre le conduit d'air de combustion 14 et un autre conduit 15. La figure 4 représente, à plus grande échelle, le nez 1 d'un brûleur, un conduit cylindrique 14 alimentant le brûleur en air de combustion, un deuxième conduit cylindrique 15 placé autour d'un conduit 14 et les tubes échangeurs 2 disposés suivant un secteur circulaire. te brûleur 1 et le conduit 14 sont excentrés du côté opposé aux tubes échangeurs de telle sorte que les conduits 14 et 15 se rencontrent le long des génératrices situées dans le sens de la longueur du four et délimitent entre eux l'espace intermédiaire 13 qui communique avec le conduit 12 et reçoit les fumées recyclées. Les fumées recyclées sortent autour du nez du brûleur par l'orifi- ce en forme de croissant délimité par les extrémités des deux conduits 14 et 15 et elles enveloppent la partie de la flamme dirigee vers les tubes échangeurs. La figure 5 représente, vu en plan, un autre mode de réalisation d'un brûleur autour duquel des tubes échangeurs 2 sont disposés en arc de cercle. On voit sur cette figure le nez du brûleur 1, un conduit cylindrique 16 alimentant le brûleur en air de combustion, et un deuxième conduit cylindrique 17, coaxial au précédent et délimitant avec celui-ci un espace annulaire 18 qui communique avec le conduit 12 de recyclage des fumées. Les extrémités des deux conduits 16 et 17, situées autour du nez du brûleur, délimitent un orifice annulaire dont la partie opposée aux tubes échangeurs 2 est obturée de telle sorte que les fumées sont injectées autour de la flamme par un orifice 19 en forme d-'arc de cercle, centré sur le nez du brûleur et placé entre le nez du brûleur et les tubes échangeurs. La figure 6 représente une coupe longitudinale selon VI-VI du brûleur de la figure 4 par exemple. On voit sur cette figure le nez du brû- leur 1 et l'espace 13 intermédiaire entre les conduits 14 et 15, communiquant avec le conduit 12. Les lèvres terminales des conduits 14 et 15 sont munies de déflecteurs 14a et 15a qui dévient les fumées vers l'exté- rieur, dans une direction divergente en s'éloignant du nez du brûleur, vers les tubes échangeurs Les figures 7 et 8 représentent deux brûleurs I avec leur conduit d'alimentation en air de combustion 20. Dans le cas de la figure 7 les tubes échangeurs 2 sont disposés dans un plan et le brûleur comporte un orifice 21, en forme de fente rectiligne, placé entre le nez du brûleur et les tubes. Cet orifice communique avec le canal 12 de recyclage des fumées et sert à injecter un écran de fumée entre le brûleur et les tubes. Dans le cas de la figure 8, les tubes échangeurs sont disposés en arc de cercle et l'orifice 22 d'injection de fumées a également la forme d'un arc de cercle centré sur le nez du brûleur La figure 9 représente la coupe verticale d'un four tel que celui de la figure 1 mais dans lequel les gaz recyclés sont injectés par de véritables buses 23 communiquant avec un caisson collecteur de fumées 24, et qui peuvent etre fixes ou orientables. Les figures 10 et 11 représentent des parties inférieures d'un four tel que ceux des figures I et 2 sur lesquels apparaissent-les différences d'ouverture angulaire des orifices de débit des fumées autour des brûleurs. Sur la figure 10, un angle a pour protéger une nappe plane de tubes 2; - un- angle 2a pour protéger deux nappes de tubes formant entre elles un angle droit. Sur la figure 11, un angle 3a pour protéger trois nappes de tubes formant entre elles une proéminence 25 sur le four. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, un homme de l'art pourra remplacer par des parties équivalentes les divers éléments décrits dans les exemples précédents. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour chauffer un fluide dans un foyer équipé, d'une part, de plusieurs brûleurs et, d'autre part, de tubes échangeurs, placés le long des parois,dans lesquels circule un fluide, en évitant qu'en aucun point ni la paroi des tubes, ni le fluide ne dépassent une température limite dans lequel on recycle une partie des fumées de la combustion et on les injecte autour des flammes, caractérisé en ce que lton injecte les fumées à proximité de chaque brûleur et uniquement entre chaque bruleur et lesdits tubes échangeurs. 2 - Foyer pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 équipé de plusieurs bruleurs de combustibles liquides ou gazeux, de tubes échan geurs placés le long des parois pour chauffer un fluide qui circule dans lesdits tubes, de moyens pour recycler une partie des fumées de la com bustion et d'orifices situés à proximité de chaque brûleur pour injecter lesdites fumées autour des flammes, caractérisé en ce que lesdits orifi ces sont situés uniquement dans la partie de la périphérie de chaque brûleur comprise entre celui-ci et lesdits tubes échangeurs, de sorte que lesdites fumées constituent un écran entre les tubes et la partie la plus chaude de la flamme issue de chaque brûleur. 3 - Foyer selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des buses d'injection de fumées situées entre chaque brûleur et lesdits tubes échangeurs. 4 - Brvleur pour équiper un foyer selon la revendication 2 comportant un conduit principal conduisant l'air de combustion jusqu'au jet de oenbusti- ble, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième conduit de plus grand diamètre excentré par rapport audit conduit principal du côté où sont situés les tubes échangeurs de telle sorte que ces deux conduits délimitent. entreeux un espace intermédiaire en forme de croissant lequel est rac cordé au collecteur général de fumées recyclées et débit. un écran de fumée dans la zone située entre la flamme de chaque brûleur et les tubes échangeurs. 5 - Brûleur pour équiper un foyer selon la revendication 2. comportant un conduit-principal conduisant l'air de combustion jusqu'au jet de corrbusti- ble, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième conduit de plus grand diamètre, coaxiil avec le conduit principal et délimitant avec celui-ci un espace annulaire dont la partie avant est obturée partiellement du côté opposé aux tubes échangeurs de telle sorte que l'injection de fumées n'ait lieu que du côté desdits tubes. 6 - brûleur selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les lèvres de orifice d'injection des fumées recyclées sont inclinées par rapport à l'axe longitudinal du brûleur.