Brevet FR2328921A1 — publié le 19770520

La présente invention se rapporte au domaine de la combustion des gaz résiduaires de raffineries ainsi que d'usines chimiques, pétrochimiques et de traitement du pétrole, etc. Plus spécialement, l'invention concerne la combustion de gaz résiduaires dans un four ou structure analogue dans lequel la chaleur de combustion des gaz résiduaires peut être utilisée. Dans la technique antérieure, les gaz résiduaires d'usines chimiques, pétrochimiques et de traitement du pétrole ont normalement été brillés et éliminés d'une façon non polluante en les bruant dans une torche ou appareillage analogue. Pour cette opération, il faut souvent utiliser un combustible supplémentaire pour atteindre la température de la flamme et d'autres conditions qui sont nécessaires pour la combustion complète des hydrocarbures en particulier stil stagit d'hydrocarbures lourds. Ce type d'élimination est peu efficace, étant donné que les frais d'investissement et le prix du combustible sont gaspillés au cours du processus d'élimination des gaz résiduaires. Dans les conditions actuelles de conservation d'énergie, il est devenu très important de trouver un moyen de brûler les gaz résiduaires de façon à pouvoir récupérer leur pouvoir calorifique et l'utiliser industriellement. En conséquence, la présente invention a principalement pour objet un procédé et un appareil de combustion de gaz hydrocarbonés ou autres gaz résiduaires d'usines chimiques, pétrochimiques et de traitement du pétrole, etc. qui permettent de récupérer et d'utiliser le pouvoir calorifique des gaz résiduaires. L'invention a encore pour objet de bruler efficacement les gaz résiduaires, tout en récupérant le pouvoir calorifique dans une proportion maximale, outil s'agisse d'hydrocarbures légers ou d'hydrocarbures lourds ou bien d'autres gaz. Dans le cas des hydrocarbures lourds, l'invention se propose d'utiliser la vapeur d'eau pour aspirer et atomiser les gouttelettes lourdes de condensation qui pourraient être présentes de manière à obtenir une combustion complète et utile. Selon ses caractéristiques essentielles, l'inven- tion surmonte les inconvénients de la technique antérieure en utilisant une tête particulière de breur et en alimentant le brtleur en gaz combustible ou en vapeur d'eau, selon le type particulier de gaz résiduaires, de façon que la combustion soit complète et que le pouvoir calorifique soit récupéré au maximum. La tette du brtleur a une forme particulière. Il s'agit d'un élément cylindrique en un métal approprié, avec un orifice d'entrée axial central pour l'introduction du du gaz com- bustible ou de la vapeur d'eau suivant le cas. L'alésage central ne traverse pas l'extrémité opposée de la tette, mais plusieurs petits trous ou "premiers ajutages" sont percés à cette extrémité. Ces trous sont disposés symétriquement autour de l'axe et sont dirigés dans l'alésage central suivant un angle convenable, par exemple de 450 par rapport à l'ase. Cette disposition oblige les gaz combustibles ou la vapeur d'eau à sortir des premiers ajutages le long d'une surface conique. les premiers ajutages débouchent chacun dans des seconds ajutages de plus grand diamètre qui se terminent à la surface externe de la tête du brailleur. Plusieurs alésages axiaux sont espacés circonférentiellement dans la paroi annulaire de la tte du brtleur. Ces alésages partent de l'extrémité d'entrée de la tête et coupent les seconds ajutages. Lorsque la vapeur d'eau ou gaz combustible à haute pression est introduit dans l'alésage central, il sort des extrémités des premiers ajutages à une grande vitesse de valeur déterminée, par exemple 0,25 mach, et se détend dans les seconds ajutages de plus grand diamètre. Ceci engendre une dépression qui aspire les gaz résiduaires dans les alésages longitudinaux. Les gaz résiduaires se mélangent avec le gaz combustible ou la vapeur d'eau dans les seconds ajutages. Le mélange sort des seconds ajutages, qui sont nombreux, sous la forme dune nappe conique pour entrer dans un four ou chambre de combustion convenable. L'air comburant est introduit autour du tube du brflleur de façon qutune flamme conique soit émise par la tette. Si les gaz résiduaires sont des hydrocarbures lourds, la canalisation qui transporte les hydrocarbures résiduaires doit titre inclinée vers le bas au-dessous de lthorizontale de façon que les hydrocarbures ou l'eau condensés descendent le long de la pente de la canalisation et entrent dans ltespace annulaire du brtleur. Ainsi, ils sont entratnés avec les gaz résiduaires dans les seconds ajutages et y sont atomisés par la vapeur d'eau appliquée par 11 intermédiaire de l'alésage axial de la tete du brûleur. Si les gaz résiduaires ne présentent pas un pouvoir calorifique convenable, une quantité supplémentaire de combustible sous la forme d'un gaz est nécessaire et est introduite par l'alésage central et les premiers ajutages pour aspirer les gaz résiduaires, se mélanger avec eux et brûler ensemble. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure 1 représente un brûleur représentatif suivant l'invention, avec les conduits d'alimentation en gaz combustible ou en vapeur d'eau et en gaz résiduaires la figure 2 est une coupe de la buse du brûleur suivant la ligne 2-2 de la figure 3 ; et la figure 3 est une coupe de la tête du brtleur suivant la ligne 3-9 de la figure 2. En se référant maintenant en particulier à la figure 1, on a représenté une forme de réalisation de l'invention. Elle comporte un brûleur désigné d'une façon générale par 10. Ce brûleur comporte un tube 12 qui supporte à son extrémité une tête 14 qui est fixée par une soudure 15. La tête sera décrite plus en détail en se référant aux figures 2 et 3. Ce tube et cette tette du brûleur sont insérés axialement dans une ouverture 18 de la paroi avant 20 d'un four ou autre appareillage destiné à récupérer la chaleur de combustion d'un combustible. L'air comburant est introduit dans le sens des flèches 16 par l'ouverture 18 ménagée dans la paroi 20. Cette admission peut dtre assurée par la grande vitesse d'injection du mélange de gaz combustible ou de vapeur d'eau avec les gaz résiduaires sous la forme d'une nappe conique désignée d'une façon générale par 22 ou par un autre dispositif d'injection d'air connu en pratique. Un tube axial 24 passe le long du tube du brtleur et communique avec un alésage central 40 de la tette 14 du brt- leur (figures 2 et 3). Ce tube axial distribue soit un gaz combustible soit de la vapeur d'eau selon les besoins, dans le sens de la fleche 36 et le fait passer le long de l'axe de la tête du brailleur dans l'alésage 40 dans le sens des flèches 48, le gaz ou vapeur d'eau sortant par plusieurs premiers ajutages 42. le diamètre et le nombre de ces ajutages sont déterminés en fonction de la quantité de vapeur d'eau et de gaz combustible à introduire de façon que la vitesse d'écoulement à l'extrémité opposée des premiers ajutages soit d'une valeur déterminée, par exemple de 0,25 mach. Les premiers ajutages 42 communiquent avec une série correspondante de seconds ajutages 44 qui sont coaxiaux aux premiers et qui ont un diamètre plus grand que celui des premiers ajutages. Les seconds ajutages ont une longueur qui est au moins double de leur diamètre. Ces relations sont indispensables pour assurer une aspiration suffisante des gaz résiduaires dans les orifices ou alésages longitudinaux 46. Ces derniers sont disposés à distance les uns des autres sur un cercle qui est coaxial à la tête du brûleur. - Ces alésages longitudinaux communiquent avec l'espace annulaire 28 compris entre le tube axial 24 et le tube 12 du brûleur. Les gaz résiduaires passent dans l'espace annulaire 28 dans le sens indiqué par les flèches 54 et sont aspirés dans les seconds ajutages 44.Ils sortent avec le gaz combustible ou la vapeur d'eau le long de la surfaee dXun ctne de flamme 22 qui se déploie dans l'espace interne du four. Si les gaz résiduaires présentent un faible pouvoir calorifique, il est nécessaire d'ajouter une quantité supplémentaire de gaz combustible pour atteindre une température de la flamme suffisamment élevée pour braler les gaz. Si les gaz résiduaires sont des hydrocarbures lourds, ils fournissent une plus grande quantité de chaleur et, par conséquent, un combustible supplémentaire n'est pas obligatoirement nécessaire. En conséquence, il est possible d'introduire de la vapeur d'eau à la place d'un gaz combustible pour assurer l'aspiration des gaz résiduaires. L'écoulement de de la vapeur d'eau se fait à une vi- tesse suffisante pour atomiser, mélanger intimement et agiter les gaz résiduaires pour quils soient brassés avec l'air et brûlés entièrement. Si le four doit fournir continuellement une quantité uniforme d'énergie calorifique et si l'alimentation en gaz résiduaires est intermittente ou variable ou si elle est de compositions différentes, il est évident que l'on peut admettre une combinaison du gaz combustible et/ou de vapeur d'eau dans la tette du brûleur pour compenser le type et la quantité de gaz résiduaires. En l'absence de gaz résiduaires,- on admet alors une quantité supplémentaire de gaz combustible. En présence d'une plus grande quantité de gaz résiduaires, on introduit alors moins de combustible afin d'assurer une production totale correcte de chaleur par le four. Ce changement de débit du gaz combustible ou de la vapeur d'eau peut Qtre réglé manuellement.Toutefois, comme on le sait, il est possible de le régler au moyen de dispositifs bien connus. Les gaz résiduaires à brûler sont aspirés dans les alésages longitudinaux du fait que le débit du gaz à la sortie des premiers ajutages fait baisser la pression dans les seconds ajutages par effet de Bernoulli et du fait que les alésages lon -itudinaux communiquent avec les seconds ajutages. Ainsi, les gaz résiduaires sont mélangés avec le gaz passant de l'alésage central du bruleur à l'intérieur des seconds alésages et sont déchargés par les extrémités opposées des seconds ajutages après le mélange intime desdits gaz et à une vitesse importante de façon à assurer un mélange convenable de l'air avec les gaz sortant des seconds ajutages en vue de la combustion. Tair comburant est admis par une ouverture annulaire 18 de la paroi du four entourant le tube du brûleur et s'écoule dans le sens des flèches 16 par suite de la grande vitesse d'admission des gaz résiduaires et combustible provenant des seconds ajutages ainsi que d'autres sources de tirage. Si les gaz entrant dans les alésages longitudinaux sont des hydrocarbures lourds présentant un grand pouvoir calorifique, une quantité supplémentaire de gaz combustible n'est alors pas nécessaire et la vapeur d'eau est admise par l'alésage central dans les premiers ajutages à une pressipn assurant une vitesse de décharge des premiers ajutages dans les seconds qui est d'au moins 0,25 mach. Si les gaz résiduaires entrant dans les alésages longitudinaux présentent un plus faible pouvoir calorifique, on introduit alors le gaz combustible dans l'alésage central et par l'intermédiaire des premiers ajutages pour assurer une partie du dégagement de chaleur nécessaire afin de permettre au pouvoir calorifique des gaz résiduaires entrant dans les alésages longitudinaux de fournir le reste du dégagement de chaleur nécessaire.La pression du gaz combustible doit etre également suffisante pour que la vitesse de décharge des premiers ajutages dans les seconds soit d'au moins 0,25 mach, lorsqu'on utilise un gaz combustible à la place de la vapeur d'eau. La tendance qu'ont les hydrocarbures lourds à se condenser et à former des hydrocarbures liquides dans les canalisations de transport du combustible avant d'atteindre le brt- leur pose un très grave problème dans une opération de brûlage d'un combustible. Il est moins grave dans l'appareil de linven- tion pour les deux. raisons suivantes 1. L'atomisation de tout liquide qui peut atteindre le brûleur par l'action de la vapeur d'eau s'écoulant à grande vitesse, ce qui est particulier au brûlage d'huile lourde. 2. La chimie de reformage de la vapeur d'eau et des hydrocarbures qui transforme un hydrocarbure bruant lentement en hydrogène et oxyde de carbone bruyant très rapidement comme on le sait. Si le produit de condensation des gaz résiduaires est l'eau, cette dernière est rapidement atomisée par le courant de gaz combustible, étant donné que, dans ce cas, on utiliserait un gaz combustible plumet que la vapeur d'eau. Comme on le vc;lt sur la figure 1, la configuration préférée de la canalisation qui transporte les gaz résiduaires jusqu'au brûleur est représentée avec une pente en direction du brûleur de façon que la totalité du condensat descende dans ce dernier. Naturellement, il est évident que la configuration particulière de l'appareil représenté sur les figures n'est donnée qu2à titre illustratif mais non limitatif. il va de soi que lrappareil décrit peut subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICQTI05S 1. Appareil destiné à brumer des fluides et à en récupérer le pouvoir calorifique, comprenant une chambre, un dispositif pour injecter dans cette dernière un courant de fluide combustible, un dispositif pour introduire dans la chambre de l'air comburant et un dispositif pour enflammer les fluides, appareil caractérisé en ce que le dispositif destiné à injecter un courant de fluide combustible dans ladite chambre comporte un tube de brûleur de forme tubulaire, une tette de brûleur fixée à l'extrémité du tube, ladite tete étant d'une seule pièce comprenant un cylindre métallique, un alésage axial ménagé sur une partie de la longueur du cylindre et un tube axial relié à l'alésage axial à l'extrémité amont de la tette, plusieurs premiers ajutages espacés circonférentiellement partant de l'alésage axial, présentant un premier diamètre déterminé et étant orienté suivant un angle par rapport à l'axe, les axes des premiers ajutages définissant une surface conique, un nombre correspondant de seconds ajutages qui sont coaxiaux aux premiers ajutages et communiquent avec eux, le second diamètre déterminé des seconds ajutages étant plus grand que celui des premiers ajutages, plusieurs seconds alésages longitudinaux à égale distance de l'axe de la tette et partant de la surface amont de la tête, chaque second alésage communiquant avec l'un des seconds ajutages à l'endroit où le diamètre déterminé du second alésage commence, un dispositif pour admettre un gaz résiduaire dans ltespace annulaire compris entre le tube axial et la paroi interne du tube du brûleur, un dispositif pour introduire un second gaz dans le tube axial à une pression supérieure à celle du gaz résiduaire de façon que ce second gaz passe à grande vitesse par les premiers ajutages dans les seconds et provoque l'aspiration des gaz résiduaires par l'intermédiaire des alésages longitudinaux dans les seconds ajutages et dans la chambre de combustion sous forme d'une nappe conique de gaz combustible s'écoulant à grande vitesse, tout en aspirant ltair comburant dans ladite chambre et en mélangeant l'air avec les gaz pour les brûler. 2. appareil selon la revendication 1, caractérisé en ee que le gaz résiduaire présente un faible pouvoir calorifique. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz résiduaire est un hydrocarbure lourd et en ce que le second gaz est la vapeur d'eau. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse du second gaz sortant des premiers ajutages est de l'ordre de 0,25 mach. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de la longueur au diamètre des seconds ajutages est d'au moins 2. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la canalisation admettant le gaz résiduaire dans le tube du bradeur est inclinée vers le bas en direction de ce dernier de façon que les liquides condensés dans la canalisation soient transportés dans le brûleur et soient atomisés et brumés.