Brevet FR2291453A1 — publié le 19760611

La présente invention concerne les bradeurs destinés à assurer la combustion, notamment, d'hydrocarbures liquides. Dans de nombreuses circonstances, particulièrement a la production et au raffinage du pétrole brut, de grandes quantités d'hydrocarbures liquides doivent etre éliminées par combustion, en un temps réduit. Les compositions de ces liquides peuvent hêtre très variables, allant des produits blancs ou condensats,qui sont obtenus aux essais de puits sousmarins, jusqu'aux émulsions de pétrole et d'eau résiduaires de fond des réservoirs de distillation continue. Le brûleur selon l'invention, destiné notamment à la combustion d'hydrocarbures liquides, est caractérisé par un dispositif d'injection du liquide. en jet divergent de particules, et par un dispositif d'injection et de délimitation de gaz, en tournoiement selon un volume cylindrique, qui rencontre le jet de liquide pour constituer le mélange de combustion. Selon une réalisation préférée de l'invention, le liquide combustible sous pression est alimenté dans un élément tubulaire central. Le liquide y est mis en tournoiement dans son déplacement axial vers l'avant, ou extrémité de combustion de cet élément. Un second élément tubulaire entoure concentriquement cet élément central, en délimitant entre eux un passage annulaire. Ce second élément s'étend vers l'avant, au-delà de l'extrémité de l'élément central. Du gaz naturel comprime est alimenté dans ce passage annulaire, étant mis en tournoiement dans le passage;en le traversant, le liquide est formé en un faisceau conique divergent de particules. Ces particules pénètrent dans le volume cylindrique du gaz naturel en tournoiement et s'y mélangent intimement. Un élément extérieur tubulaire, à extrémités ouvertes, entoure concentriquement le secondélément et s'étend vers l'avant au-delà de son extrémité, en délimitant avec celui-ci un passage annulaire. De l'air est aspiré à travers ce passage vers l'extrémité avant du second élément, où il est mélangé aux liquide atomisé et gaz naturel. Ce mélange est enflammé à sa sortie du broyeur Le gaz naturel s'enflamme facilement et engendre une zone de température élevée, dans laquelle le liquide est vaporisé,de sorte que les hydrocarbures contenus sont eux-memes complètement brûlés, sans production de fumées. En certains cas, où l'on ne dispose pas de gaz naturel, ou encore que-l'utilisation de ce gaz n'est pas nécessaire, on assure une combustion sans fumée.par de l'air comprimépouvant alors etre alimenté dans le passage annulaire. Une tuyère amovible,à col, est disposée de préférence à l'extrémité avant de l'élément central. Cette tuyère sert à délimiter l'écoulement du mélange liquide-gaz, et augmente la vitesse axiale du mélange tout en accroissant l'atomisation du liquide, toutv conditionsqui facilitent la formation d'une flamme avantageuse en forme de pinceau. Une flamme de ce genre disperse la chaleur radiante engendrée à partir de l'orifice du bradeur, les risques de fusion de ce brdleur étant ainsi grandement réduits. Le brûleur peut etre réglé aux diverses conditions d'emploi, à l'aide de tuyères interchangeables, dans toute une gamme de débits et de compositions du liquide. Les objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre d'un exemple préféré de réalisation, et des dessins schématiques annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en bout d'un brûleur selon l'invention; - la figure 2 est une vue en élévation latérale de ce brûleur; - la figure 3 est une coupe longitudinale du brflleur; - la figure 4 est une coupe identique à celle de la figure 3, mais des cotes de dimensions étant indiquées en lettres; - la figure 5 est une vue en élévation latérale d'un dispositif interne du brûleur; - la figure 6 est une coupe longitudinale selon la ligne A-A de la figure 5; - la figure 7A est une vue explosée du dispositif des figures 5 et 6, les éléments étant en élévation latérale ou coupées;; - la figure 73 représente en bout les divers éléments explosés de la figure 7A; - la figure 8 est une vue en élévation latérale d'un élemullL central du dispositif; et - la figure 9 est une coupe longitudinale de cet élément de la figure 8. Le bru leur représenté comprend un élément central 1 constitué par un ensemble de manchon tel que décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique nO 3.693.329. Cet assemblage comprend un manchon 2 (figures 8 et 9) ayant quatre aubes extérieures hélicotdales incurvées 3. Le manchon 2 et les aubes 3 délimitent quatre rainures longitudinales 4 en torsades s'étendant en direction axiale sur la longueur du manchon 2. Un passage axial 5 traverse le manchon 2 d'une extrémité à l'autre. Ce passage 5 est relié à deux orifices d'alimentation 6 de liquide,ménagésdans l'épaisseur des aubes 3. Les orifices 6 sont raccordés chacun, par un conduit 7, à I'alimentation (non représentée) de liquide combustible sous pression. Un impulseur 8, comprenant des aubes 9 fixes disposées en torsades,est monté dans le passage 5.La partie cylindrique avant 1Q du manchon 2 est taraudée en 11 pour recevoir un ajutage ou tuyère 12. Cette tuyère 12 est amovible, comporte un col d'étranglement et est vissée dans la partie 10. Cette tuyère 12 comporte une partie tronconique arrière 12, se rétrécissant vers une partie d'orifice 14, et une partie tronconique avant 15 s'élargissant jusqu'à un orifice 16 d'échappement. Un filetage extérieur 17 est formé sur la tuyère 12. La partie tronconique arrière 13 a de préférence un angle de cbne compris entre 10 et 40 . La partie 14 de sortie doit avoir un diamètre intérieur, inférieur au diamètre intérieur du passage 5 du manchon, sa longueur a de préférence une longueur approximativement égale au diamètre du passage. La partie tronconique avant 15 a de préférence un angle de cône d'environ 300 et une longueur allant de 0,5 à 2 fois le diamètre du col. Un second élément tubulaire 18 est concentrique de l'élément central 1 et délimite avec celui-ci un passage annulaire 19. Les aubes 3 de l'élément central divisent ce passage 19 en plusieurs passages incurvés. La partie d'extrémité avant 21 du second élément 18 s'étend vers l'avant au-dela de l'extrémité 10 du manchon 2. Un conduit 23 relie,par son extrémité arrière 22, le second élément 18 à une alimentation (non représentée) de gaz sous pression qui est du gaz naturel ou'de l'air. Ce second élément 18 comporte de préférence un diamètre intérieure compris entre 1,5 et 3 diamètres du passage axial. Son extrémité avant 21 s'étend au-delà de la partie d'extrémité 10 sur une longueur approximativement égale à son propre diamètre. Les conduits 20 sont avantageusement agencés pour faire tournoyer le gaz sur environ 0,3 tours pour une longueur de déplacement égale au diamètre interne du second élément 18.Un conduit, qui est concentrique et intérieur au conduit 23, est raccordé à l'extrémité arrière du manchon 2 pour alimenter de l'eau ou du gaz dans le liquide à brûler. Une seconde tuyère 24 à étranglement est fixée de manière amovible à l'extrémité du second élément 18 par un filetage 25. Cette tuyère 24 est analogue à la tuyère 12, à l'exception du diamètre intérieur de sa partie d'orifice qui est plus petit que le diamètre intérieur du second élément 18 et plus grand que le diamètre du passage 5 du manchon. Un élément tubulaire extérieur 25' entoure le second élément 18 et délimite avec celui-ci un passage annulaire 26. Un orifice 27 d'extrémité arrière de l'élément 25' permet l'aspiration d'air à travers le passage 26, pour l'amener à l'extrémité avant 21 du second élisent 18. De préférence l'extrémité avant 28 de l'élément 25' s'étend au-delà de l'extrémité avant 21,afin de constituer une zone confinée de mélange. L'élément extérieur 25' peut etre fixé par soudage aux conduits 7 de liquide combustible. De préférence, le diamètre intérieur de cet élément 25' est compris entre 3 et 5 fois le diamètre intérieur du second élément 18 et sa longueur est égale à environ 2,5 fois son diamètre, en s'étendant au-delà de l'extrémité avant de la tuyère 24, sur une distance égale au tiers de son diamètre intérieur. Une enveloppe tubulaire 28' peut s'étendre en avant de l'extrémité de l'élément extérieur 25'. Comme représenté, ces différentes pièces peuvent titre supportées sur les sellettes 29, montants 30 et patins 31. En fonctionnement, le combustible liquide sous pression est introduit dans le passage 5 par le conduit 7 et les orifices 6. Dans le passage 5, ce liquide est mis en tournoiement par 1'impulseur 8. En quittant la surface de col ou étranglement de l'élément central 1, la masse en tournoiement est dispersée en particules se déplaçant selon un volume tronconique et divergent. Le gaz sous pression est admis simultanément dans le passage 19 par le conduit 23. Dans la traversée des conduits 20, le gaz est mis en tournoiement et ainsi ce gaz, avec les particules de liquide mis en contact, sont mélangés dans la zone délimitée par la partie d'extrémité avant 21. De l'air est aspiré par le passage 26 et amené à la zone de confinement délimitée par le passage 28 et y est mélangé aux liquide atomisé et gaz comprimé. La flamme en bout du brûleur allume le mélange pour assurer une combustion sans fumées. Dans certains cas, uneenveloppe 28' est utilisée afin de faciliter le confinement du mélange, dans ces conditions, davantage d'air est aspiré à travers l'ouverture 29 pour etre mélangé à l'ensemble gazliquide. Le tableau I donne les rapports de dimensions pouvant être utilisés dans un broyeur selon l'invention. Ces rapports ne doivent pas etre considérés comme limitant le cadre de l'invention, et ne sont donnés que comme indications facilitant une étude de réalisation pratique. On utilise la cote d, diamètre intérieur du second élément 18, comme module de comparaison, les autres lettres étant celles des cotes de la figure 4. TABLEAU Dimension Rapport Dimension Rapport a Id k 0,75d b 2d m 0,25d c 6d n 0,125d d d p 0,5d e 12d r 1,25d f 1,5d s 0,25d g 0,5d t 0,5d h 0,5d a 15 -30 EXEMPLE 1 Un brûleur selon la figure 3, mais ne comportant pas de tuyère 24 et d'enveloppe 28', celle-ci n'étant utilisée que pour la combustion de pétrole lourd tels des carburant diésel ou des émulsions, est essayé comme suit. Le diamètre intérieur du second élément 18 du brûleur est 5,1 cm environ, le diamètre d'orifice de la tuyère 12 est environ 1,3 cm, les autres dimensions étant celles préconisées par le tableau I. Le gaz naturel est amené au brnleur avec un débit de 108 000 m /j sous une pression d'environ 3,2 kg/cm. La température de gaz est environ 490C, et sa densité relative à l'air 0,7. Du pétrole brut ayant une densité de 0,85 environ 160,est alimenté, sous une température d'environ 38 C et une pression d'environ 7 kg/cm au brflleur, avec un débit croissant jusqu'à l'apparition de fumées. Le débit de liquide combustible est alors diminué légèrement et est mesuré sur une période de 10 mn. On a constaté 3 alors que le brûleur assure la combustion sans fumée d'environ 272 m3/; , pour le mélange pétrole/gaz, dont le rapport volumétrique est d'environ 395.La flamme est allongée, de couleur jaune clair et très brillante. Aucune fumée n'est visible et on ne constate pas de trace de liquide sur le sol en avant du brûleur, après l'essai. EXEMPLE 2 Un brûleur selon la figure 3 est essayé selon l'exemple 1. Le diamètre d est de 7,6 cm et le diamètre d'orifice de la tuyère 12 est environ 1,9 cm, les autres du ensilons étant celles indiquées selon le tableau I. Ce broyeur est alimenté en gaz naturel avec un débit de 102 000 m /j à la pression d'environ 11,6 kg/cm3 et à environ 490C. Le meme combustible que dans le cas précédent est utilisé sous un débit de 500 m3/j à la pres 2 sion de 5,2 kg/cm et la température de 1,7 "C. Ce liquide est brûlé sans fumée avec une flamme jaune d'environ 9 m de long et un diamètre d'environ 12 m à son extrémité extérieure. EXEMPLE 3 Un brûleur selon la figure 3, mais ne comportant pas l'enve loppe 28' et ayant les dimensions indiquées au tableau I > à partir d'un diamètre d d'environ 5,1 cm, est alimenté en air sous un débit d'environ 13 000 m /j à la pression d'environ 5 kg/cm et une température de 27 C, 3 et un carburant diésel est alimenté sous 70 m /j à la pression d'environ 3,5 kg/cm et à la température d'environ 7 C. La flamme a une longueur d'environ 4,6 à 6 m et un diamètre d'environ 1,2 m à son extrémité extérieure. Le brûleur particulièrement décrit peut assurer la combustion sans fumée d'hydrocarbures liquides sous des débits relativement élevés,ainsi que la combustion sans fumée de liquides ayant des compositions très variées, telles que pétroles bruts et des émulsions à l'eau. Le brûleur s'adapte facilement aux différentes conditions d'utilisation, avec des liquides différents,-alimentés sous des débits variables et ayant des compositions particulières. On peut utiliser du gaz ou de l'air pour obtenir la combustion complète, selon les données particulières de l'opération; ce brûleur ne comporte pas de pièces mobiles, est relativement peut encombrant, simple et peu coûteux. Ses orifices sont relativement grands, ce qui évite leur colmatage facile, sa flamme en forme de pinceau ne présente qu'une chaleur de radiation relativement réduite à l'extrémité du brûleur. REVENDICATIONS 1 - Brûleur destiné à assurer la combustion, notamment d'hydro- carbures liquides et caractérisé par un dispositif pour injecter le liquide en forme de jct divergent de particules, et un dispositif pour injecter et dé limiter des gaz, selon un volume cylindrique qui coupe le jet divergent de particules pour constituer un mélange de combustion. 2 - Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'injection de liquide comprend un élément tubulaire central, pouvant etre raccordé à l'alimentation du liquide sous pression, afin d'y permettre son écoulement, et un impulseur associé à cet élément central pour mettre le liquide le traversant en tournoiement, en ce que le dispositif d'injection de gaz comprend un second élément tubulaire entourant l'élément central et délimitant avec celui-ci un passage, ce secondélément pouvant etre raccordé à l'alimentation de gaz sous pression, pour amener ceux-ci à travers le passage, et s'étendant vers l'avant au-delà de l'extrémité avant de l'élément central, et un dispositif drimpulsion et de tournoiement, associé à ce passage pour mettre les gaz en tournoiement dans ce passage, et en ce qutun élément tubulaire extérieur entoure le second élément afin de délimiter avec celui-ci un passage, à travers lequel l'air peut entre aspiré vers l'extrémité avant du second élément. 3 - Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une tuyère amovible col ou étranglement, est fixée à l'extrémité avant de l'élé- ment central. 4 - Brûleur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une tuyère amovible, à col ou étranglement, est fixée à l'extrémité avant du second élément. 5 - Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'injection de liquide comprend un assemblage de manchon ayant un manchon à passage axial et des aubes longitudinales incurvées s'étendant vers l'extérieur du manchon, celui-ci et ces aubes délimitant entre eux des rainures longitudinales en spirale, cet assemblage dé manchon ayant au moins un orifice co-uniquant avec le passage, depuis la surface extérieure de l'assemblage, un conduit associé à celui-ci et destiné à amener l'hydrocarbure liquide sous pression dans le passage par ledit orifice, et un impulseur monté dans le passage pour mettre le liquide en tournoiement dans sa traversée, en ce que le dispositif d'injection de gaz comprend un second élément tubulaire entourant coaxialement l'assemblage et qui lui est fixé, desdites rainures étant refermées par le second élément, afin de délimiter entre eux un passage, ce second élément s'étendant au-delà de chaque extrémité de l'assemblage, et un conduit lui étant associé pour amener les gaz sous pression dans le passage ainsi constitué, de sorte que ces gaz sont mis en rotation par les aubes et coupent le liquide en tournoiement dans la zone délimitée par la partie du second élément s'étendant vers l'avant de l'extrémité dudit assemblage, et en ce qu'un troisième élément tubulaire entoure coaxialement le second élément en laissant un intervalle entre eux, ce troisième élément s'étendant vers l'avant,au-delà de l'extrémité avant du second élément, de sorte que l'air peut être aspiré vers l'extrémité avant à travers le troisième élément, afin d'etre mélangé dans l'écoulement de liquide et de gaz.