Brevet FR2788112A1 — publié le 20000707

APPAREIL DE TYPE TORCHERE ET PROCEDE POUR LA COMBUSTION DE GAZ. L'invention concerne un appareil et un procédé permettant d'obtenir une meilleure combustion de gaz contenant notamment des hydrocarbures. Ces appareil et procédé peuvent être utilisés, par exemple, dans les torches d'une raffinerie de pétrole ou sur les champs de production d'huile et de gaz, pour brûler des gaz résiduaires ou des émissions gazeuses sans émissions10 d'hydrocarbures imbrûlés. ETAT DE LA TECHNIQUE Le traitement du pétrole dans une raffinerie entraîne la production de gaz résiduaires et d'émissions gazeuses, dont l'élimination par combustion dans des systèmes de brûlage de gaz, appelés " torches" ou " torchères à gaz" dans la profession, peuvent être à l'origine d'émissions toxiques et malodorantes, de fumées ou de bruit, préjudiciables à l'environnement. Ces nuisances et notamment celles apportées par la combustion incomplète de gaz, par exemple riches en hydrogène sulfuré (H2S), se manifestent généralement, lorsque la quantité d'air nécessaire à une parfaite combustion est insuffisante, c'est-à-dire quand le rapport entre le débit de gaz à brûler et le débit d'air nécessaire à la combustion est inférieur au rapport stoechiométrique, et lorsque les trois conditions nécessaires à une combustion optimale, appelées " les trois T ", à savoir la Température de la flamme, le Temps de mélange air/gaz avant brûlage et la Turbulence appliquée à ce mélange, sont insuffisamment remplies. Ceci est généralement dû au fait que les excédents de gaz à brûler ont une pression relativement faible et un débit élevé pouvant aller jusqu'à 10 000 000 Nm3/jour, consécutif par exemple, à un défaut de fonctionnement sur une unité de raffinage du pétrole ou sur un site de production d'huile ou de gaz. La pression du gaz à brûler 2 2788112 demeurant globalement faible, celle-ci ne permet pas une aération de la flamme suffisamment activée par la pression du gaz en sortie du tube d'alimentation de la torche. Le mélange combustible-comburant dans la zone de combustion devenant déficitaire au niveau de la quantité d'air nécessaire à une parfaite combustion, il faut par conséquent un apport extérieur de comburant par tout moyen disponible dans la technique pour améliorer la combustion du gaz. Jusqu'à présent, on a fait appel à des dispositifs d'injection alimentés, par exemple, par de la vapeur d'eau traversant des injecteurs, ou d'autres fluides moteurs tels que l'air ou un gaz, qui induisent l'air et les turbulences nécessaires à la combustion. Cependant, ces dispositifs ont des rendements faibles, ce qui impose d'utiliser des quantités importantes de fluides pour compenser leur manque d'efficacité. Il en résulte, en raffinerie, dans le cas par exemple d'utilisation de la vapeur d'eau comme fluide moteur, une forte consommation ayant pour effets: - une émission importante de bruit, due au passage de la vapeur d'eau dans les tubes et les injecteurs; - un refroidissement de la flamme, qui ne permet pas d'assurer les conditions correctes de combustion des gaz, par exemple les gaz acides comme H2S, pour lequel la température de 700 C requise pour sa complète oxydation n'est, dans ces conditions, pas atteinte, produisant ainsi des émissions toxiques et malodorantes; - un bilan énergétique du site pouvant être déficitaire, car dépendant de la production de la vapeur d'eau. Sur les champs de production d'huile et de gaz, il n'y a généralement pas de vapeur d'eau disponible et la pression du gaz à brûler est trop faible pour être utilisable comme source d'énergie de mélange combustibe- comburant suffisante. Par conséquent, la combustion des rejets, qui sont des gaz riches en hydrocarbures et parfois 3 2788112 en hydrocarbures liquides appelés condensats, devient incomplete et s'accompagne habituellement d'épaisses fumées noires. Les constructeurs de torches ont envisagé une solution qui consiste à apporter de l'air dans la zone de combustion au moyen de groupes de ventilateurs de puissance élevée, disposés par exemple sous la torche, et à étager la distribution du gaz à l'aide de vannes automatiques commandées par une instrumentation complexe. Cette solution s'avère difficilement applicable, car d'un coût d'investissement et de frais opératoires élevé, et de plus, elle est rendue peu fiable par l'installation des ventilateurs sous la flamme dans une atmosphère chaude et corrosive, et soulève également des problèmes de sécurité dus à des retombées possibles d'hydrocarbures liquides facilement inflammables sur les ventilateurs chauds. La Demanderesse a donc effectué des recherches en vue de trouver des solutions qui soient, à la fois, satisfaisantes sur le plan technique, simples, fiables et dont le coût d'investissement correspondant soit faible, en raffinerie comme sur un site de production, pour obtenir une combustion sans fumées d'un gaz pouvant contenir des hydrocarbures liquides. EXPOSE SOMMAIRE DE L'INVENTION La Demanderesse est ainsi parvenue à mettre au point un appareil de type torchère à gaz, pour faciliter la combustion de gaz combustibles dans l'atmosphère, comprenant une zone de combustion alimentée en au moins un gaz combustible par au moins un tube d'arrivée de gaz à brûler, et qui se caractérise en ce que l'extrémité dudit tube est entourée d'une pluralité de dispositifs disposés autour de celle-ci, composés chacun d'un venturi et d'une alimentation en fluide moteur, et destinés à accroître la quantité d'air dans la zone de combustion. Cet appareil a pour avantage majeur de permettre une combustion sans fumée, même lorsque la pression du gaz est 4 2788112 faible et le débit élevé, et que celui-ci contient des hydrocarbures liquides. Son utilisation supprime le recours à des ventilateurs ainsi que le bruit résultant du passage d'un fluide, tel que la vapeur d'eau dans des injecteurs. La Demanderesse a également mis au point un procédé pour faciliter la combustion de gaz combustibles dans l'atmosphère, dans un appareil de type torchère à gaz, comprenant une zone de combustion alimentée en au moins un gaz combustible par au moins un tube d'arrivée du gaz à brûler, et qui se caractérise en ce que, pendant la combustion du gaz, on alimente au moyen d'au moins un fluide moteur une pluralité de dispositifs disposés autour de l'extrémité dudit tube et comprenant chacun un venturi et une alimentation en fluide moteur. En plus d'une combustion complète sans fumée, l'appareil et le procédé conformes à l'invention permettent, d'une part, de diminuer la consommation de fluide moteur, par exemple la vapeur d'eau, et, d'autre part d'augmenter la fiabilité de l'installation par l'absence de pièces en mouvement, tels que des ventilateurs, d'avoir un procédé de mise en oeuvre aisée, et d'offrir des coûts d'installation et opérationnel relativement faibles. D'autres avantages et caractéristiques de l'appareil et du procédé selon l'invention ressortiront de la suite de la présente description, dans laquelle on se référera aux figures 1 à 3 des dessins annexés, qui n'ont pas de caractère limitatif. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 représente schématiquement un appareil selon l'invention, en vue de face et en coupe; La figure 2 est une vue schématique détaillée de l'un des dispositifs de la figure 1, en vue de face et en coupe; 2788112 La figure 3 illustre une utilisation particulière de l'invention pour brûler des gaz acides tels que l'hydrogène sulfuré. EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION Appareil selon l'invention L'appareil de combustion selon l'invention est représenté sur la figure 1 tel qu'il peut être installé sur la partie supérieure d'une torchère à gaz. Il comporte une zone de combustion 1, avec une arrivée de gaz combustible constituée par un tube 2 de gaz à brûler. Autour de l'extrémité de ce tube d'arrivée de gaz à brûler 2 sont disposés de façon sensiblement annulaire une pluralité de dispositifs 3 d'amenée de fluide moteur sous pression. Comme on peut le voir sur la figure 1, les dispositifs 3 sont inclinés vers la zone de combustion, c'est-à-dire vers l'axe BB du tube 2, leurs axes de symétrie AA formant un angle f avec l'axe de symétrie BB du tube 2 d'arrivée du gaz à brûler compris entre 1 et 70 , et de préférence entre 5 et 600. La figure 2 illustre une forme de réalisation d'un dispositif 3. Ce dernier est composé d'une arrivée de fluide moteur 4, à la sortie de laquelle est placé un corps formant venturi 5, lui-même constitué d'une partie tronconique inférieure 6, appelée généralement convergent ", et qui se prolonge par une partie cylindrique 7 appelée "col ", cette dernière étant prolongée par une partie tronconique supérieure 8 appelée "divergent". L'alimentation en fluide moteur 4 de chacun des venturis 5, à partir du tube d'alimentation 13, comporte un tube central 9, qui est habituellement de section transversale annulaire et disposé sensiblement coaxialement à l'axe AA du venturi 5. Le tube central 9 s'étend depuis l'extérieur, en passant dans le convergent 6, jusqu'à un 6 2788112 point situé dans le venturi 5, en général au niveau de la jonction du convergent 6 et du col 7. Une pluralité de tubes 10 est avantageusement prévue autour du tube central 9. La disposition de ces tubes 10 est généralement régulière et annulaire, les tubes 10 pouvant être disposés suivant au moins une couronne dont le centre est situé sur l'axe AA du corps formant venturi. De préférence, les tubes 10 et le tube central 9 sont identiques entre eux, présentent une section transversale globalement circulaire et sont disposés de façon annulaire, suivant au moins une couronne dont le centre est situé sur l'axe AA du venturi. Le nombre de tubes 10 est calculé en fonction du débit d'air nécessaire à la combustion et du diamètre interne du corps du venturi. Avantageusement, tous les tubes d'alimentation 13 sont reliés à une même source de fluide moteur sous pression. De préférence, au moins les tubes 10 disposés de façon sensiblement annulaire autour de l'axe AA du venturi 5 et situés les plus à l'extérieur de cet axe injectent le fluide moteur dans le venturi suivant un angle a, formé avec l'axe AA du venturi 5, supérieur à 3 , et de préférence sensiblement égal à celui que forme le divergent 8 avec ledit axe. Leur partie inférieure 12 peut être cylindrique et sensiblement parallèle à l'axe AA du venturi , tandis que, comme cela est visible sur la figure 1, l'angle d'inclinaison a de leur partie supérieure 11 par rapport à l'axe AA est sensiblement égal à l'angle d'inclinaison du divergent 8 par rapport à ce même axe AA. Dans une variante de l'invention non représentée sur les figures, les axes des tubes 10 peuvent former avec l'axe AA du venturi 5 un angle sensiblement égal à celui que forme le divergent avec l'axe dudit venturi. Les tubes 10 pénètrent tous généralement dans le venturi 5 d'une même profondeur, qui peut être identique ou inférieure à la profondeur de pénétration du tube central 9 dans le venturi 5. 7 2788112 ? Selon une variante (non représentée sur les figures), le tube central 9 est remplacé par une seconde pluralité de tubes disposés de façon annulaire autour de l'axe AA, de telle sorte qu'ils soient entourés par les tubes 10. Comme indiqué ci-dessus, dans un même dispositif, les tubes 10 ainsi que le tube central 9 (ou la pluralité de tubes qui le remplacent) peuvent être identiques les uns aux autres, présentent une section transversale globalement circulaire et sont de préférence tous reliés au tube d'alimentation 13, lui-même étant relié à une source de fluide moteur. Ils sont dimensionnés de telle sorte qu'ils transportent entre 1% et 33% du fluide moteur et, de préférence, entre 5% et 33% dudit fluide. Avantageusement, les dispositifs 3 disposés de façon annulaire autour de l'extrémité du tube 2 d'arrivée du gaz à brûler sont tous identiques. Une variante de l'invention peut également être utilisée, comme indiqué sur cette figure 3, pour le brûlage des gaz nécessitant une forte température de combustion, par exemple l'hydrogène sulfuré, dont la température d'oxydation est supérieure à 700 C. Comme on peut le voir sur la figure 3, la zone de combustion 1 est couverte par un corps formant venturi 15, dans lequel est injecté le gaz à brûler par l'intermédiaire du tube 2, ledit corps permettant de maintenir une température et un temps de résidence plus élevés tout en préservant la flamme des perturbations extérieures. Conformément à l'invention, une pluralité de dispositifs est disposée de façon annulaire autour de l'extrémité du tube 2 d'arrivée du gaz à brûler, de façon telle que le fluide moteur sortant de chacun des divergents de la pluralité de dispositifs est injecté dans le corps formant venturi 15, améliorant ainsi la combustion du gaz à brûler. Procédé selon l'invention Selon l'invention, pour améliorer la combustion des gaz par apport supplémentaire de comburant, on alimente au 8 2788112 moyen d'un fluide l'arrivée de fluide moteur 4 de chacun des dispositifs 3. Comme fluide moteur, on utilise généralement de l'air, de l'air enrichi avec de l'oxygène, un gaz lui-même combustible ou de la vapeur d'eau. La pression du fluide moteur est habituellement comprise entre 0,5 et 6. 105 Pa (0,5 à 6 bars) et, de préférence, entre 1 et 3.105 Pa (1 à 3 bars). Il ne se produit donc aucune combustion à l'intérieur des dispositifs 3, car ces derniers ont simplement pour rôle d'améliorer la combustion des gaz combustibles, en provoquant une augmentation de l'induction du comburant (l'air) et une turbulence favorisant le mélange entre le carburant et le comburant. Lors du fonctionnement de l'appareil selon l'invention (voir figure 1), le gaz combustible est introduit coaxialement dans la zone de combustion 1 suivant les flèches G. La combustion se produit dans la zone de combustion 1. Elle est favorisée par les dispositifs 3, qui, grâce à l'introduction d'un fluide moteur, seul ou en mélange, suivant les flèches H, entraînent de l'air à travers le venturi 5, suivant les flèches I. Cet air entraîné ressort par le divergent 8 du dispositif concerné et vient alors améliorer la combustion des gaz. Ainsi, l'utilisation des dispositifs 3 permet donc une combustion complète d'un gaz contenant un hydrocarbure, un mélange d'hydrocarbures, un gaz acide ou un mélange de ces gaz, grâce à un entraînement d'air élevé avec une faible quantité de fluide moteur. Ceci se traduit par une réduction du bruit, par rapport aux torches existantes, o est réalisée une induction d'air à l'aide de tubes classiques alimentés en vapeur d'eau au niveau de la zone de combustion. En effet, comme le bruit est dû à la détente du fluide moteur dans les tubes, l'utilisation d'une quantité moindre de fluide moteur entraîne une réduction du bruit. 9 2788112 La Demanderesse a constaté, au cours d'essais qu'elle a effectués, que l'utilisation de l'appareil selon l'invention requiert un débit de la vapeur nécessaire pour assurer une combustion sans fumées, qui est 14 fois5 inférieur au débit exigé par les torches classiques pour l'obtention du même résultat. L'appareil selon l'invention a en outre l'avantage de pouvoir être réalisable facilement sur une plateforme, en peu de temps, en aménageant simplement une torche10 classique, ce qui n'occasionne qu'un arrêt de faible durée du fonctionnement de l'unité de raffinage, ou sur un site de production d'huile ou de gaz. Les pertes d'exploitation sont donc minimes. 2788112 REVENDICATIONS 1. Appareil de type torchère à gaz, pour faciliter la combustion de gaz combustibles dans l'atmosphère, comprenant une zone de combustion (1) alimentée en au moins un gaz combustible par au moins un tube (2) d'arrivée de gaz à brûler, caractérisé en ce que l'extrémité dudit tube est entourée d'une pluralité de dispositifs (3) disposés autour de celle-ci, composés chacun d'un venturi (5) et d'une alimentation en fluide moteur (4), et destinés à accroître la quantité d'air dans la zone de combustion. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs (3) sont disposés de façon sensiblement symétrique et de préférence annulaire autour de l'extrémité du tube (2) d'arrivée du gaz à brûler. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'axe AA du venturi (5) de chaque dispositif (3) forme avec l'axe BB du tube (2) d'arrivée de gaz à brûler un angle P compris entre 10 et 70 et, de préférence, entre 5 et 600. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque dispositif (3) comporte une pluralité de tubes (10) disposés de façon sensiblement annulaire autour de l'axe AA du venturi (5). 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que au moins les tubes (10) de chaque dispositif (3), disposés de façon sensiblement annulaire autour de l'axe AA du venturi (5) et situés les plus à l'extérieur de cet axe, injectent le fluide moteur dans le venturi (5) suivant un angle a, formé avec l'axe AA du venturi (5), supérieur à 3 , et de préférence sensiblement égal à celui que forme le divergent (8) avec ledit axe. 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tubes d'alimentation (13) de tous les dispositifs (3) sont reliés à une même source de fluide moteur sous pression. 7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide moteur est choisi dans le l 2788112 groupe constitué par l'air, l'air enrichi avec de l'oxygène, la vapeur d'eau ou un gaz combustible. 8. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des tubes (10) de chaque dispositif (3) disposés de façon sensiblement annulaire autour de l'extrémité du tube (2) d'arrivée du gaz à brûler, est dimensionné de telle sorte qu'il puisse transporter entre 1% et 33%, et de préférence entre 5% et 33% du fluide moteur. 9. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arrivée de fluide moteur (4) de chaque dispositif (3) comprend un tube central (9) et une pluralité de tubes (10) disposés de façon annulaire autour de l'axe AA du venturi (5). 10. Appareil selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'arrivée de fluide moteur comprend deux pluralités de tubes disposés respectivement de façon annulaire autour de l'axe AA du venturi (5). 11. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes (10) d'un même dispositif (3) sont tous identiques les uns aux autres et présentent une section transversale globalement circulaire. 12. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (10) sont disposés de façon annulaire, suivant au moins une couronne dont le centre est situé sur l'axe AA du venturi (5). 13. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone de combustion (1) est recouverte par un venturi (15) disposé au-dessus des dispositifs (3). 14. Procédé pour faciliter la combustion de gaz combustibles dans l'atmosphère, dans un appareil de type torchère à gaz, comprenant une zone de combustion (1) alimentée en au moins un gaz combustible par au moins un tube (2) d'arrivée du gaz à brûler, caractérisé en ce que, pendant la combustion du gaz, on alimente au moyen d'au moins un fluide moteur une pluralité de dispositif (3) disposés autour de l'extrémité du tube (2) et comprenant 12 2788112 chacun un venturi (5) et une alimentation en fluide moteur (4). 15. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les dispositifs (3) sont disposés de façon sensiblement annulaire autour de l'extrémité du tube (2) de l'arrivée du gaz à brûler. 16. Procédé selon les revendications 14 à 15, caractérisé en ce que chaque dispositif (3) comporte une pluralité de tubes (10) disposés de façon sensiblement annulaire autour de l'axe AA du venturi (5). 17. Procédé selon les revendications 14 à 16, caractérisé en ce que au moins les tubes (10) de chaque dispositif (3), disposés de façon sensiblement annulaire autour de l'axe AA du venturi (5) et situés les plus à l'extérieur de cet axe, injectent le fluide moteur dans le venturi suivant un angle a, formé avec l'axe AA du venturi (5), supérieur à 3 , et de préférence sensiblement égal à celui que forme le divergent (8) avec ledit axe. 18. Procédé selon les revendications 14 à 17, caractérisé en ce que chaque tube (10) disposé de façon sensiblement annulaire autour de l'axe AA du venturi (5) transporte entre 1% et 33% et, de préférence, entre 5% et 33% du fluide moteur. 19. Procédé selon les revendications 14 à 18, caractérisé en ce que la pression du fluide moteur est comprise entre 0, 5 et 6.105 Pa, et, de préférence, entre 1 et 3.105 Pa. 20. Procédé selon l'une des revendications 14 à 19, caractérisé en ce que les dispositifs (16) injectent le fluide moteur dans un venturi (15) situé au-dessus de la zone de combustion (1). 21. Utilisation d'un appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 ou d'un procédé selon l'une des revendications 14 à 20, notamment dans une raffinerie de pétrole ou sur un lieu de production de pétrole ou de gaz, pour faciliter la combustion d'un hydrocarbure, d'un 13 2788112 mélange d'hydrocarbures, d'un gaz acide, ou d'un mélange de ces gaz.