Brevet FR2515313A1 — publié le 19830429

La présente invention se rapporte aux nez de torche pour la combustion de gaz de provenance diverse dans l'industrie pétrolière. Les torches sont généralement des fûts verticaux de section circulaire calculée pour un débit avec la vitesse de sortie dans l'atmosphère voisine de 0,2 Mach. On recherche habituellement une bonne stabilité des flammes et un rayonnement réduit pour ne pas gêner des opérations effectuées à proximité de la torche, p.ex. sur une plateforme de production en mer, par une meilleure combustion de gaz. Parmi les dispositifs connus visant une meilleure aération de la flamme et l'obtention d'un mélange intime aux proportions désirées de gaz et d'air, nombreux sont ceux qui créent une turbulence d'ensemble de la masse gazeuse selon l'axe vertical, appelée vortex, en imprimant aux gaz une direction oblique ou tangentielle. Cette turbulence est accrue par projection forcée d'air soit au moyen de ventilateurs, soit par impulsion provoque par des jets de vapeur d'eau sous pression. Sur une plateforme de production de pétrole en mer, la vapeur est rarement disponible et l'emploi de ventilateurs électriques n'est pas sur, car en cas de chute de pression volontaire ou accidentelle, il n'y a plus du tout de fourniture d'énergie électrique, alors que le débit de torche doit etre à son maximum. Selon le brevet américain 4 003 693, le gaz débouche dans le nez de torche à travers des fentes disposées dans des bras radiaux dans une chambre de mélange, où il rencontre l'air passant entre lesdits bras radiaux. Le gaz et l'air imparfaitement mélangés traversent un dispositif à ailettes inclinées qui impriment aux gaz un mouvement tournant pour créer un tourbillon central. L'invention a pour l'objet d'assurer un meilleur brassage de gaz et une plus grande homogénéité dans la répartition de l'air au sein de la masse gazeuse, qui conduisent à une meilleure utilisation de l'énergie de la flamme. Elle repose sur l'idée, que pour obtenir une dispersion homogène il faut créer, au lieu d'un vortex unique, c.à.d. un mouvement tourbillonnaire de la masse d'air et de gaz selon un modèle d'écoulement unique, une multitude de petits tourbillons intenses, dont l'effet de dispersion est très efficace même aux faibles vitesses de sortie. Le nez de torche selon l'invention est du genre de ceux, dans lesquels les ajutages raccordés au conduit d'amenée de gaz combustible par des bras d'alimentation débouchent par des fentes entourées d'air et il est caractérisé en ce que les fentes sont disposées selon au moins deux couronnes planes et coaxiales et sont séparées dans chaque couronne par des portions de très faible longueur par rapport à la longueur de la fente, afin de disposer d'un grand nombre de fentes successives réalisant une multitude de petits jets étalés et plats de gaz combustible. La disposition de fentes selon au moins deux couronnes présente, par rapport aux fentes radicales, l'avantage d'une répartition plus homogène. En effet, dans la disposition connue, le rapport de volumes d'air et de gaz est plus élévé à la périphérie de bras radiaux qu'au centre. Une telle disproportion ne peut que s'accroitre, lorsqu'on cherche à accroitre le débit du gaz en augmentant la longueur totale de fentes par la multiplication de bras radiaux. Tout au contraire, l'augmentation du nombre de couronnes coaxiales contribue à une meilleure homogénéité du mélange. Le très grand nombre de fentes individuelles est obtenu en disposant entre les parois de fentes des portions fermées de très faible longueur, destinées aussi à maintenir une largeur uniforme de fentes, ce qui a pour effet de créer aux deux extrémités de chaque fente des foyers dune turbulence particulière. La disposition en couronnes coaxiales et la forme étalée et plate de jets de gaz donnent une meilleure utilisation de l'énergie potentielle dynamique du gaz dans le dispositif selon l'invention, qui réalise une meilleure utilisation des courants de convection créés par la flamme. A titre de rappel, il convient de mentionner, que les proportions nécessaires pour la combustion d'un gaz de champs pétrolifère sont de l'ordre de 20 volumes d'air pour 1 volume de gaz. Du point de vue de la mécanique des fluides, le rapport stoechiométrique du mélange air-gaz sera atteint sur une distance, comptée sur l'axe, plus proche du nez de torche avec un orifice en forme de fente qu'avec un orifice circulaire. De même, la vitesse du mélange étant également plus faible, à une distance du nez donnée, le décollement de la flamme est moins mar qué et, en conséquence, la vitesse de sortie provoquant l'extinction par soufflage est plus grande. On pourra donc appliquer à un ensemble de fentes établi pour un débit nominal optimum des débits exceptionnels beaucoup plus importants que pour une torche à orifice circulaire. L'angle d'ouverture du jet, qui est fonction de la nature du gaz, est plus grand dans le cas d'orifice en forme de fente que pour un jet circulaire et la turbulence est donc beaucoup plus importante. En assurant une bonne aération de la flamme, on assure une meilleure combustion et on déplace son spectre d'émission vers le bleu, ce qui diminue son rayonnement spécifique. D'autre part, la disposition concentrique des fentes produisant des flam mes concentriques à l'origine induit un volume de flamme globuleuse. Or, les flammes rayonnent proportionnellement à leur surface extérieure, c. .d. plus la flamme est globuleuse, plus sa surface, à volume égal,.est réduite et plus faible est son rayonnement. D'autre part, les flammes intérieures ne peuvent rayonner vers l'extérieur de la flamme à travers le tore de la flamme externe qui joue le rôle d'écran pour les raies d'émission correspondantes à leur température. Puisque l'aération interne est suffisante, la flamme interne tend à avoir la même température que la flamme externe et, par conséquents les spectres d'émission et d'absorption se recouvrent. On crée ainsi des flammes creuse. où la masse interne de gaz radiant n'émet pas à l'extérieur ou, tout au moins, elle émet de façon attenuée. Les couronnes coaxiales peuvent être situées dans le même plan ou dans des plans décalés, elles peuvent avoir la forme circulaire, mais elles seront de préférence constituées par des polygones équilatéraux, les côtés d'un polygone étant parallèles aux côtés d'un ou de plusieurs autres polygones. Selon une variante de réalisation particulièrement avantageuse, le nez de torche comporte, en plus de couronnes portant des fentes concentriques, une pluralité de fentes radicales, régulièrement espacées et disposées entr les couronnes successives. De telles fentes radiales peuvent relier entre eux les sommets des côtés de polygones coaxiaux successifs ou les milieux des côtés de tels polygones. De preférence, on choisira la largeur de fentes de l'ordre du centième du rayon du cercle inscrit dans le polygone intérieur, tandis que l'espacement choisi entre deux couronnes successives sera de l'ordre de grandeur du rayon de ce cercle inscrit dans la couronne intérieure. Le nombre de couronnes concentriques, la largeur de fentes et, éventuel le- ment le nombre de fentes radicales, seront choisis en fonction de données habituellement prises en compte-pour calculer la section de débit pour les torches classiques. On peut considérer qu'un nez de torche, dans lequel on dispose deux couronnes octogonales coaxiales avec des fentes reliant les milieux des côtés de polygones, convient pour des débits allant jusqu'à plusieurs millions Nm3/jour. On peut également augmenter le nombre de bras à fentes-radiales, car la vitesse de circulation du gaz dans les bras ne doit pas créer de surpressions susceptibles de modifier l'écoulement général. On donnera aux bras d'alimentation, de préférence, une forme parallèlipipédique de section aplatie, dont les faces verticales sont les plus grandes. En effet, lorsqu'une telle face du bras est disposée perpendiculaire ment à la direction du vent latéral, elle favorise la remontée verticale de l'air en direction du nez de torche et améliore ainsi les caractéristiques aérodynamiques du dispositif d'appel d'air. Un autre avantage résultant du dispositif selon l'invention concerne les veilleuses. Dans les systèmes classiques, celles-ci sont installées autour du tube du fût de la torche, généralement au nombre de trois pvr assurer l'allumage quelle que soit la direction du vent. Grâce à la disposition du nez à fentes concentriques, le but recherché sera atteint de façon plus sure en plaçant les veilleuses à l'intérieur et de préférence à la périphérie des jets de la couronne interne, c.à.d. à l'endroit ou la flamme de veilleuse rencontre un mélange air-gaz aux proportions'optimales et la flamme de la veilleuse sera aspirée au sein de ce mélange. Ces veilleuses sont du type classique à prémélange ou du type à économie d'énergie, telles que faisant l'objet du brevet français nO 80 18681 deposé le 28 août 1980 au nom de la déposante. D'autres caractéristiques et particularités de l'invention apparaitront à la lumière des exemples de réalisation illustrés aux dessins annexes, dont la figure 1 représente une vue de dessus d'un nez de torche à deux cou ronnes circulaires selon l'invention, la figure 2 une vue en coupe axiale selon la ligne A-8 de la figure 1, la figure 3 une yue en perspective d'un nez à deux.couronnes octogo la figure 4 une vue en perspective d'un détail du mode de réalisation selon la figure 3, la figure 5 une vue en coupe d'un autre mode de réalisation, et la figure 6 une vue en perspective d'une grappe de nez de torche selon l'invention. Le nez de torche raccordé sur un fût de torche 1 comprend un conduit axial d'amenée de gaz 2, obturé à son extrémité supérieure, sur lequel sont branchés quatre bras tubulaires d'alimentation 3,3a par couronne. Ils servent en meme temps de support mécanique des couronnes et notamment des ajutages extérieur 4 et intérieur 4a débouchant par des fentes 5 et 5a vers le haut dans le plan axial des ajutages. La succession des fentes est interrompue par des portions fermées 6 de faible longueur relativement à la longueur des fentes. Dans le cas représenté aux figures 1 et 2, les couronnes concentriques sont circulaires et au nombre de deux. La répartition du débit de gaz entre les deux couronnes se fera au prorata des surfaces de fentes. Les couronnes peuvent avoir une forme polygonale, p.ex. octogonale, comme le montre l'exemple de réalisation représenté à la figure 3. Dans cet exemple, chacun des huit bras d'alimentation 7 est constitué par une boite en tôle de section transversale rectangulaire, qui se termine par des ajutages en forme de boites trapézoidales, dont les côtés latéraux s'élargissent vers le haut et qui débouchent par une ou plusieurs fentes rectilignes. Dans le cas de la figure 4, le bras d'alimentation 7 porte à son extrémité deux tels ajutages 8 et 9 parallèles. Le bras 7 porte également entre les boites formant deux ajutages parallèles un ajutage 10, dont la fente radiale est perpendiculaire aux deux fentes précédentes, La boite 10 est soudée en Il à l'ensemble, p.ex. préfabriqué, comportant le bras 7 et les boites trapézoidales 8 et 9. Les croisées de fentes en il sont obturées de façon à ne pas créer à cet endroit des points de passage préférentiels, afin d'éviter l'apparition des flammes en pointe. on peut également augmenter le nombre d'ajutages, tels que 8 et 9, en pla çant plusieurs boites trapézoidales d'ajutage sur le même bras d'alimentation. Afin de répartir le débit de gaz proportionnellement aux surfaces de fentes concentriques de chaque couronne > on peut placer à l'intérieur du bras 7 des cloisons internes formant des aubes déflectrices. Lorsque l'on est confronté à deux sources de gaz de basse et de haute pressions, on peut réaliser des torches doubles (fig.5). A chaque conduit d'amenée 2 et 2a est raccordé un bras d'alimentation 7 et 7a portant à son extrémité un nez de torche selon l'invention indiqué schématiquement par 14 et 14a. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux avec deux sources de gaz provenant d'un gisement d'huile. En effet, le gaz à basse pression contient des composantes lourdes et sa combustion nécessite un grand volume d'air. La combustion de ce gaz sur la couronne intérieure du nez sera favorisée par l'appel d'air réalisé par la couronne ex- térieure alimentée par le gaz de grand débit et de pression élevée. Plusieurs nez de torche selon l'invention, chacun alimenté par une source de gaz différente, peuvent être réunis en grappe disposée autour de l'axe de l'installation de torche (fig.6). Une telle réalisation permet d'alimenter chaque nez de torche, soit par une source de gaz différente ou à partir de collecteurs différents, soit alimenter, à volonté, un nombre variable de nez de torche en fonction du débit de gaz et des besoins. En conclusion, le nez de torche à fentes concentriques selon l'invention, permet d'obtenir des flammes de torche courtes, stables et beaucoup moins radiantes que les flammes des torches classiques. Une telle disposition permet une installation plus facile des écrans de protection éventuels, qui seront plus compacts et de surface plus petite que ceux de torches classiques. L'effet d'ajutage en fente permet un contrôle plus aisé du mélange airgaz. Les retours de flamme par introduction d'air dans les fûts aux débits très faibles sont moins à craindre. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation exposés cidessus, de nombreuses variantes, tant en ce qui concerne la géométrie des couronnes et des bras radiaux, que le nombre et les dimensions defentes, peuvent être apportés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS. 1. Nez de torche, dans lequel les ajutages raccordés au conduit d'amenée (2) de gaz combustible par des bras d'alimentation (3,3a) débouchent par des fentes entourées d'air, caractérisé en ce que les fentes (5,5a) sont disposées selon au moins deux couronnes (4,4a) planes et coaxiales et séparées dans chaque couronne entre elles par des portions obturées (6,6a) de très faible longueur par rapport à la longueur de la fente, afin de disposer d'un très grand nombre de fentes successives réalisant une multitude de petits jets étalés et plats de gaz combustible. 2. Nez de torche selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque couronne a une forme d'un polygone équilatéral, les côtés d'une cou ronne étant parallèles aux côtés d'une ou plusieurs autres couronnes. 3. Nez de torche selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pluralité de fentes radiales (10) régulièrement espacées et disposées entre des couronnes successives. 4. Nez de torche selon la revendication 3, caractérisé en ce que les fentes radiales (10) relient entre eux les sommets des polygones co axiaux successifs. 5. Nez de torche selon la revendication 3, caractérisé en ce que les fentes radiales (10) relient entre eux les milieux des côtés des po lygones coaxiaux successifs. 6. Nez de torche selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fentes ont une largeur de l'ordre de grandeur du centième du rayon du cercle inscrit dans la couronne intérieure du dispositif et l'espacement entre deux couronnes successives est de l'ordre de gran deur du rayon de ce cercle inscrit dans la couronne intérieure. 7. Nez de torche selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le bras d'alimentation (7) raccordé par une extrémité au conduit d'amenée (2) porte à son extrémité opposée au moins deux ajutagés (8,9) parallèles débouchant par des fentes rectilignes, dont chacun a une forme d'une boite trapézoidale, dont les côtés latéraux s'élargissant vers le haut déterminent la longueur de la fente. 8. Nez de torche selon les revendications 3 et 7, caractérisé en ce que le bras d'alimentation (7) porte entre les boites formant deux aju tages parallèles (8,9) un ajutage (10) dans le plan radial muni d'une fente radiale reliant les milieux des côtés des polygones. 9. Nez de torche selon les revendications 3 et 7, caractérisé en ce que le bras d'alimentation (7) portant plusieurs ajutages parallèles est cloisonné intérieurement par plusieurs aubes déflectrices pour répartir le débit du gaz entre plusieurs couronnes coaxiales de fentes. 10. Nez de torche, dans lequel l'installation comprend deux dispositifs pla cés coaxialement selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif situé au centre (7a,14a) est raccordé à un con duit central d'amenée de gaz (2a) provenant d'une source de gaz de faible débit et de faible pression et le dispositif situé à la peri- phérie du nez (7,14) est Yaccordé à un conduit d'amenée annulaire (2) de gaz provenant d'une source différente de plus grand débit et de plus forte pression. 11. Nez de torche selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est constitué par une grappe de nez de torche disposée autour de l'axe de l'installation, chaque nez étant raccordé à un conduit d'amenée séparé de gaz. 12. Nez de torche selon l'une des revendications 1 à 115 caractérisé en ce qu'une ou plusieurs veilleuses du type classique sont disposées sur la périphérie de la couronne interne