Brevet FR2007489A1 — publié le 19700109

b9 13770 1 2007489 , L'invention concerne un procédé et une installation permettant de brûler des combustibles liquides dans des conditions plus avantageuses qu*antérieurement, sans formation de suie ni de fumée et sans fractions non brûlées, le combustible 5 liquide étant mis en eontact avec un fluide gazeux, une .'différence de vitesse étant provoquée entre eux, le liquide se vaporisant partiellement ou totalement et le mélange ainsi obtenu étant amené à une installation de combustion en elle-même connue ou à un moteur® L'invention permet de brûler des combustibles 10 liquides contenant des cendres d'une façon telle que les instal-lations, par exemple les carneaux, restent exemptes de cendres. Grâce à 1*invention, on peut réduire notablement le coût de la fabrication et du fonctionnement. Etant donné la grande importance économique des 15 combustibles liquides, le nombre de types d*installations convenant à leur oombustion est extrêmement grand, par leur nature, celles-ci fonctionnent suivant deux principes fondamentaux. Suivant l'un dea principes fondamentaux - qui est celui de la grande majorité des installations - le eombus-20 tible liquide est pulvérisé d'une façon quelconque, mis soub forme de fines gouttelettes et la masse de fines gouttelettes ainsi formée est brûlée à l'état de mélange avec de l'air. La caractéristique de ce procédé est que la combustion commence déjà alors quenle combustible, sous forme de gouttelettes, est 25 encore à l'état liquide. Ainsi, dans ee cas, il est nécessaire-pour la combustion de vaporiser les gouttelettes de liquide -sous 1*action de la chaleur - et de les mélanger à l'air. Par suite, la combustion est longue «i hésitante et s'accompagne d'une grande formation de flammes. Par suite de la vaporisation 30 à haute température, le combustible donne naissance à des substances qui sont difficiles à brûler et il se dépose du charbon fin et de la suie fine. Tout cela entraîne une conséquence nuisible, à savoir que pour la combustion, on a besoin d'un;très grand foyer et dt,une haute température dy foyer ; en outre, la 35 flamme ne doit pas toucher de surface froide car oela entraîne la fermation de fractions non brûlées et de suie. On tente de réaoudre la difficulté de différentes façons. L'une de ces solutions est par exemple le procédé dit à préehambre, dans lequel une partie de l'air comburant sert à brûleu seulement une 40 petite quantité du combustible. A l*aide de la chaleur ainsi ob 13770 2 2007489 tenu», on vaporise la totalité dm combustible qui, amenée au foyer, est alors mélangé encore à l'air nécessaire à la combustion» Hais ici eneore les phénomènes nuisibles mentionnés plus haut se produisent plus ou moins car ici aussi la vapori-5 sation s*accomplit à température élevée, une partie du combustible est tout de même brûlée de la façon décrite plus haut et le mélange entre l'air et le eombustible se fait pendant la combustion» Un autre procédé tente de préchauffer l'air comburant à très haute température (500-600*0) pour éviter les 10 phénomènes nuisibles. Il est vrai qu'à cause de cela les gouttelettes de combustible s*écoulant avec l'air se vaporisent plus rapidement, mais il n'est pas assuré que les gouttelettes encore non vaporisées ne subissent pas Inaction de la combustion, ni $ar conséquent que le mélange soit achevé avant le début 15 de la combustion, Le grand inconvénient de ce procédé est qufil faut préchauffer l'air comburant à très hiute température et que le combustible et l*air doivent s'écouler en parallèle ; il n'y a pas de différence de vitesse et le taux de transfert do chaleur est très faible,, L'inconvénient général de ce procédé, 20 et en même temps la cause du fonctionnement défectueux, résident dans la température de valorisation très élevée, supérieure au point du combustible, dans la vaporisation incomplète des gouttelettes de eombustible avant le début de la combustion et aussi dans le mélange incomplet* 25 Selon 1 ' autres principe fondamental, on fait passer le eombustible liquide, en vue de la vaporisation, à travers un récipient chauffé de l'extérieur eu bien on l'expose au rayonnement d'une flamme» 11 est vrai qu'ainsi on n'obtient pas de gouttelettes de eombustible mais ici eneore, la vapori-30 sation néoessite l'action de la chaleur à une température qui dépasse le point d^'.ébullition du combustible, et surtout, il n'est pas assuré que les vapeurs de combustible et l'air comburant soient complètement mélangés avec le début de la combustion» Il s'ensuit à nouveau une eombustion insuffisante et 35 une formation de suiea Un grand inconvénient de ce procédé est qu*on ne peut escompter que de faibles puissances et que l'on peut seulement employer les distillats les plus légers, 0e qui précède montre déjà qu'un procédé efficace pour la eombustion de- combustibles liquides doit remplir, 40 au début du processus de combustion, les conditions suivantes : 13770 î 2007489 1) le combustible liquide doit être vaporisé en totalité, donc être à l'état de vapeur, 2) les vapeurs de combustible et l'air comburant doivent être complètement mélangés« 5 En outre, il serait avantageux d'effectuer la va porisation à une basse température (inférieure au point d'ébullition du carburant). Bans ces conditions, de façon analogue à la combustion de substances gazeuses, il est possible d'obtenir, même avec le plus petit excès d'air, une flapme 10 complète, petite, dite flamme bleue, sans formation de suie, de famée ni de substances non brûlées. Etant donné la faible grandeur de la flamme, il suffit d'un très petit foyer ou même on peut s'en passer complètement, la flamme ne nécessite pas une haute température dans le foyer, elle peut toucher des sur-15 faces froides sans qu'un dépôt de suie risque de se foxmer. Pour atteindre ce but, os. utilise le procédé et l'installation selon l'invention dont l'essence est indiquée ci-après. Un point caractéristique de tous les procédés connus 20 est la simultanéité de la vaporisation et de la combustions Mais avec un autre mode de valorisation, le eombustible liquide est mis en contact avec une substance gazeuse dont la température peut être inférieure au point d'ébullition du combustible liquide, ce qui fait que le combustible vaporisé pé-25 nètre par diffusion dans le milieu gazeux, la chaleur nécessaire est fournie par transmission de la chaleur propre 4u milieu de vaporisation. A cet effet, il faut d'une part une surface de vaporisation d'une certaine grandeur et d'autre part une différence de vitesse entre le combustible et le milieu de vaporisa-30 tion. En vue d'un meilleur taux de transfert de chaleur, cette différence doit être aussi grande que possible, l'invention vise précisément à tirer parti de ces procédés. On sait que la pression - partielle - des différents constituants gazeux est égale à la pression totale du mélange 35 gazeux (loi du Dalton) . Au sein du mélange gazeux, la proportion des différents constituants dépend de leur pression et de leur constante. Yoici un exemple : l'air est capable de recevoir de la vapeur d^éombustible, plus précisément en une quantité qui dépend de la pression et de la constante de gaz de 40 celle-ci. la pression du gaz et en même temps aussi la quantité 69 13770 i 2007489 du eombustible dépendant de la température, c'est-à-dire qu*à une température plus élevée l'air contient davantage de vapeur tandis qu'à une température plus basse il en contient moins « La question est de savoir quelle température on applique et à 5 quel moment. Pour la vaporisation, il n'est pas évitable de porter la température du eombustible jusqu'à son point d'ébullition, elle peut être notablement, inférieure à celui-ci» L'avantage du procédé selon l'invention est précisément assuré par cette circonstances 10 Sature llemeat, il n'est pas nécessaire d'utiliser la totalité de l'air comburant pour la vaporisation, une certaine proportion suffit. Mais en pareil cas, plus la quantité d'agent de vaporisation est faible, plus une température élevée est nécessaire. oela entra£fco.e à nouveau un avantage, à 15 savoir que l'on peut former un mélange riche se situant au dessus de ee qu,®on appelle la limite supérieure d'explosion et qui donne une plus grande sécurité, ohose importante dans bien des oas. On peut effectuer la vaporisation non seulement au moyen d'air mais encore au moyen de n'imporje fçiel autre g as 20 combustible ou non, ou de vapeur d'eau. En pareil sas, l'air nécessaire à la eombustion n'est pas contenu dans le mélange et il faut 1;*amener après coup» Pour éxécuter pratiquement la vaporisation elle-même, on fait en sorte que 1*agent de vaporisation suffi-25 saament préchauffé s*écoule à une certaine vitesse (de préférence aussi grande que possible) le long de la surface du combustible liquide ou le long d'une surface mouillée par le combustible, ou bien on injecte l'agent à travers le combustible liquide. Bans le cas où la surface et la vitesse sont suffi-30 santés, la vaporisation du combustible dure jusqu'à ce quo l'agent de> vaporisation soit assuré. Cela - comme on l'a déjà dit - dépend exclusivement de la température. Une quantité de eombustible supérieure à celle qui est nécessaire n'est pas absorbée par l'agent de vaporisation, quelle que soit la gran-35 deur que l'on donne à la surface» Par suite, la proportion de eombustible dans l'agent de vaporisation est déterminée exactement par la température. De oette manière, on arrive à une méthode de réglage extrêmement simple, précise et facile à respecter. Il faut simplement - compte tenu de la nature du combus-40 tible - respecter la température de mélange prédéterminée et 69 13770 2007489 cela suffit à assurer la "teneur prédéterminée du mélange en combustible, indépendamment de la grandeur de la surface et de la vitesse d*écoulement. Ce mode de réglçge est aussi indépendant o$.e la quantité du mélange, ear quelle que soit la quanti-5 té de mélange de vaporisation, celui-ci contient seulement une quantité de eombustible qui dépend de la température et proportionnelle à celle-ci. On peut réaliser des conditions particulièrement simples ai l'on conduit la vaporisation arec la quantité totale d*air comburant. En effet, quand on a déterminé 10 la température de vaporisation pour une sorte de combustible (température; à laquelle l'air doit contenir une quantité de vapeur de combustible qui corresponde exactement à l'excès d'air prédéterminé), si la quantité d'air varie « la température nécessaire étant respectée - l'air contient toujours une quantité 15 proportionnée de vapeur de eombustible» Gela signifie que l'excès à* air est le même à toutes les puissances et continue de correspondre à l'optimum prévu. Le procédé selon l'invention se pratique dans l'installation selon l'invention que l'on décrit ci-après t 20 la vaporisation du combustible liquide nécessite une surface qui permette, entre le combustible et l'agent de valorisation, une différence de vitesse aussi grande que possible. On peut y parvenir de plusieurs façons. On peut faire en sorte que l'agent de vaporisation s'écoule le long d'une surface 25 immobile du combustible. 11 est plus avantageux de; mouiller de eombustible des surfaces particulièrement appropriées à la transmission de chaleur telles que des fils, des treillis, des plaques ou des grilles formées à partir de eeux-ei. A cet effet, on peut faire couler du eombustible sur les surfaces sous l'action 30 de la pesanteur ou bien on peut plonger la surface dans le eombustible et ensuite la retirer et l'exposer à l'action de l'agent de vaporisation. De cette manière, on peut dans toutes les circonstances faire en sorte que (même aux grandes vitesses) le mélange contienne exclusivement de la vapeur de eombustible et 35 non des gouttelettes liquides de combustible'. Une autre façon de réaliser la surface de combustible consiste à distribuer le eombustible en petites fractions, filets et gouttes, de manière à pouvoir former de grandes surfaces. Pratiquement, on y procède par exemple en pulvérisant le eombustible ou bien au moyen 40 d'un dispositif de ruteellement (dans lequel le combustible 13770 6 2007489 s'égoutte à travers des plaqués perforées), ce qui donne lieu à des filets et gouttes de liquide ayant une grande surface. Dans cette solution, il doit y avoir une différence de vitesse entre les gouttes et l'agent de vaporisation. Pendant l'écoule-5 ment le long des surfaces ainsi formées, l'agent de vaporisation se sature mais il entraîne avec'lui une certaine quantité de combustible liquide sous forme de petites gouttes. Par suite, il faut veiller, d'une façon quelconque, à ce que le mélange après vaporisation soit exempt de gouttelettes liquides de com-10 bustible. Une autre solution possible serait de munir le récipient à combustible d'une plaque de séparation perforée à travers laquelle l'agent de vaporisation est refoulé. les bulles ainsi formées fourniraient la surface nécessaire. Après la formation du mélange, on amène eelui-ei à l'utilisation prévue, 15 par exemple à un brftleur. •Dans des installation selon l'invention, on arrive toujours à saturer de vapeurs de combustible l'agent de vaporisation. En pareil cas, une température exaete n'est pas indispensable pour déterminer la quantité de combustible* Mais s'il 20 arrive que pour des raisons d'efficacité la température exacte du mélange ne puisse pas être réalisée, ou même si elle apparaît ■ purement et simplement irréalisable, il faut alors amener le •eombustible au vaporisateur par un moyen d'alimentation quelconque, par exemple au moyen d'uhe pompe doseuse, le combustible 25 se vaporisant alors intégralement. Mais en même temps, il faut aussi veiller à amener la quantité correspondante d'air comburant, ce que l'on peut réaliser par exemple en réglant le volet d'air. Il faut aussi faire en sorte que la température de l'agent de vaporisation ne soit pas inférieure, au niveau où la quantité 3D nécessaire peut encore être vaporisée. A tous les niveaux de températures plus élevées, on peut naturellement maintenir un bon fonctionnement inchangé de l'installation. Après la veporisation, il faut assurer un mélange complet et ensuite, amener le mélange à l'utilisation prévue, 35 par exemple à un brûleur. Outre les brûleurs servant à des usages de ehauffage, on peut aussi brûler le mélange dans un moteur thermique et utiliser la chaleur ainsi obtenue pour produire de l'énergie. 69 13770 7 2007489 En pareil cas, le mélange préparé comme ci-dessus est par exemple amené à tua moteur à combustion interne où on le brûle dans les mêmes conditions que par exemple un mélange d'essence mais l'utilisation est beaucoup plus économique, étant donné le prix 5 moins élevé du combustible. Le procédé qui est à la base de l'invention et l'installation servant à sa mise en oeuvre, déjà décrites ci-dessus de façon générale, sont exposés plus en détail à propos de quelques modes d'exécution servant d'exemple. 10 Dans une installation selon l'invention, la surface d'un vaporisateur qui est mouillée par le combustible est formée de fils métalliques qui - grâce à leur forme - présentent un taux très favorable de transfert de chaleur. Le combustible venant d'un réservoir est amené par un tuyau à un distributeur. 15 Si nécessaire, on préchauffe le combustible dans un préchauffeur. Quand cela est inutile, le combustible afflue sans préchauffage au distributeur et il est chauffé par l'agent de vaporisation lui-même. Du distributeur, le combustible s'éeoule sur les fils à travers des ouvertures prévues dans le fond du 20 distributeur. Il faut observer que l'ouverture est un peu plus grande que le fil et permet au combustible de s'écouler au travers. Sous l'action de la pesanteur, le combustible s'écoule le long des fils et ensuite, à travers les ouvertures ménagées dans le fond inférieur - de façon analogue à ce qui précède - il 25 arrive dans le collecteur. Pendant l'écoulement Le préchauffage de l'agent peut être assuré soit par un dispositif spécial de chauffage d'air, soit par un dispositif de chauffage d'air placé dans le courant de gaz de combustion 35 d'une installation d'utilisation de chaleur (par exemple une 13770 « 2(307489 chaudière, un four etc.) reliée à l'installation selon l'invention, ou éventuellement par le fait que l'on mélange à l'agent une partie des gaz de combustion# Cette dernière solution est décrite plus loin. 5 Si au démarrage on ne dispose pas d'un agent de vapori sation préchauffé, on peut utiliser pour le préchauffage un dispositif auxiliaire de chauffage qui est accouplé au ventilateur jusqu'à ce que l'installation d'utilisation de ehaleur soit elle-même en mesure de fournir la chaleur nécessaire au préehauf-10 fage. le dispositif auxiliaire de ehauffage peut être chauffé électriquement, au moyen de gaz ou d'un autre combustible ou bien par exemple à la vapeur. Il suffit que ce dispositif fournisse une fraction de sa puissance de préchâuffage en service, car il est possible de démarrer avec une moindre puissance et 15 de passer par paliers à de plus grandes puissance, aussitôt que l'on dispose de la chaleur nécessaire, ce qui demande d'ailleurs très peu de temps. Après le démarrage, on met hors d'action le dispositif auxiliaire de chauffage. le démarrage pourrait encore se faire au moyen d'un 20 eombustible auxiliaire dont la vaporisation est possible à une température plus basse et qui peut déjà être vaporisé à la • température ambiante. Dans la mesure où cela est nécessaire, on - peut aussi utiliser le dispositif auxiliaire de chauffage mentionné plus haut, mais beaucoup moins puissant. 25 Oe qui précède montre que si l'on veut donner à l'ex cès d'air une température précise et constante, il est très important que la température du mélange soit stable. On peut y parvenir avantageusement en disposant dans le parcours d'écoulement vers le vaporisateur un organe thermosensible, à l'aide 30 duquel on peut, ou bien régler manuellement la température nécessaire, ou bien l'assurer au moyen d'un mécanisme automatique de réglage de température. Au moyen d'une grille prévue sur la tête de brûleur, on augmente la sécurité. L'allumage s'effectue à l'aide d'un 35 appareil électrique automatique d'allumage. Une façon différente de mouiller les surfaces de vaporisation consiste à plonger la surface dans le combustible, à ,1e retirer et à l'exposer à l'action de l'agent de vaporisation. 69 13770 9 2007489 Sur la base de l'invention, on a décrit jusqu'ici d©s installations daE les évaporatemrs il ne peut pas se former de gouttelettes de combustible et dans lesquelles, par conséquent, il est assuré dans toutes les conditions que le mélange 5 ne contienne pas de gouttelettes de liquide. Mais on peut aussi utiliser dans le vaporisateur une surface constituée par des gouttelettes et filets de combustible« {Toutefois, dans ce cas, il est nécessaire dè séparer après coup les gouttelettes éventuellement entraînées par l'agent de vaporisation. 10 Dans les installations selon l'invention décrites jusqu'ici, la quantité de combustible était déterminée par la température du mélange. Comme on l'a dit plus haut9 on peut aussi adopter une solution dans laquelle la quantité de combustible est déterminée par un appareil doseur. Les dimensions de 15 la surface de vaporisation, la température et la vitesse de l'agent de vaporisation sont choisies de façon telle que l'os puisse même vaporiser la Quantité de combustible nécessaire à la plus grande puissance. Ainsi, le combustible introduit 30 vaporise intégralement et il suffit de veiller à ce que la 20 température du mélange ne devienne pas inférieure au niveau fixé. Outre les méthodes décrites ei-dessue, oa peut encore? selon l'invention, effectuer la vaporisation du eombustible en injectant l'agent de vaporisation à travers le combustible, la 25 surface r.écessaire est la surface de combustible correspondant à la surface des bulles et la vitesse est déterminée par la vitesse d'écoulement des bulles qui montent. Enfin, il faut encore mentionner un problème qui est lié au procédé de l'invention. On sait que certains combustibles 30 contiennent — bien qu'en petite proportion - des constituants incombustibles ou cendres dont la quantité peut atteindre 0,3 -0,5$. Dans les installation de foyer antérieurement connus pour combustibles contenant des cendres, la cendre arrivait dans tous les cas dans les gaz de combustion et avec eeux-ci dans les 35 installation d'utilisation (chaudières, ete®), se déposait dans les carneaux et nuisait au rendement de l'installation. Il était donc nécessaire d'éliminer la cendre et en général d'une façon assez compliquée. 0e problême augmentait la complexité de 69 13770 2007489 l'installation et contribuait aussi notablement à augmenter le-prix de revient» le procédé selon l'invention présente eneore un avantage remarquable, à savoir qu'il n'arrive pas de cendre dans le3 caraeaux de l'installation d'utilisation de chaleur 5 mais que l'on peut déjà la séparer et l'éliminer de façon simple dans l'installation de foyer. Sa effet, au cours de la vaporisation, seul le aombustible se vaporise tandis que la cendre reste concentrée dans le combustible jusqu'à ce que celui-ci soit saturé et que la cendre commence à se séparer. La cendre 10 séparée - qui n'est plus à 19état dissous mais à une très faible concentration - n'est paa capable âe se déposer dans l'évapora-teur étant donné le mouvement dirigé vers le bas, elle suit donc le même parcours que le carburant et quitte le vaporisateur avec lui. Il suffit alors de séparer la cendre du combustible 15 hors du vaporisateur. A cet effets on dispose de plusieurs solutions cosiorètes. La solution la plus simple consiste à amener le combustible qui retQurae dans un récipient de servies conçu de telle sorte qu'il s'éfioule vers le haut à une petite vitesse. On y arrive simplement par le fait que le raccordement du tuyau 20 de retour au récipient est disposé plus haut que le raccordement du tuyau de sortie. Sn pareil cas, les particules de cendre à . forte densité descendent ; elles se déposent ©t se rassemblent - au fond du récipient et on peut simplement les retirer en vrac. Le combustible qui s'écoule vers le haut - débarrassé des frac-25 tions de cendre séparées — se mélange à du combustible frais et arrive à nouveau au vaporisateur. Suivant une autre solution, le combustible qui retourne passe, sous la pression de. la pompe, à travers un filtre qui élimine la cendre solide séparée, formée de petits grainso 30 Enfin, pour éliminer la cendre, on peut aussi appli quer le procédé de centrifugation. A cet effet, on fait passer le combustible qui retourne soit à travers une centrifugeuse de filtration soit à travers une centrifugeuse de dépôt, qui élimine par filtration ou dépose les fractions de cendre en grains» 35 Dans les trois cas, la séparation de la cendre peut se faire de façon ep.ièrenient continue et son élimination peut s'effectuer en masse à de longs intervalles, sans résidus et de la façon la plus simplec Pour augeménter l'efficacité, on'peut aussi utiliser en combinaison les trois méthodes ou deux d'entre elles. 13770 2007489 IBTtlIIOlUOtS 1. Procédé visant à brûler un eombustible liquide et caractérisé par le fait que l'on fait passer un agent gazeux quelconque, par exemple un gaz, de l'air, de la Tapeur d'eau, le long d'une surface mouillée de eombustible ou le long d'une 5 surface formée par du combustible liquide par distribution de celui-ei en petites particules - le combustible non vaporisé dans ce dernier cas étant rassemblé et évacué - ou bien que l'on iiçpete l'agent gazeux à travers le combustible liquide, que l'on vaporise du combustible par contact avec l'agent 10 gazeux, et qu'ensuite, on amène le mélange ainsi formé à line installation de combustion ou à un moteur, en eux-mêmes connus. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la vitesse du combustible, dans la direction de mouvement de l'agent de vaporisation, est différente de la 15 vitesse de celui-ci. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le mouvement du eombustible dans le vaporisateur est provoqué par la pesanteur. 4. Procédé selon la revendication 1 à 3, caractérisé 20 par le fait que l'on préchauffe l'agent de vaporisation gazeux. 5. Procédé selon la revendication 1 à 4, caractérisé par le fait que l'on maictient la température du mélange en dessous du point d'ébullition du eombustible. 6. ProeéÈ selon la revendication 1 à 5, caractérisé 25 par le fait que pour la vaporisation on utilise une quantité d'air qui est justement nécessaire à la combustion du combustible qu'elle vaporise. 7. Procédé selon la revendication 1 à 5» caractérisé par le fait que pour la vaporisation on utilise seulement une 30 partie de l'air comburant ou bien un gaz quelconque combustible ou non, ou bien de la vapeur d'eau, et que l'on incorpore au mélange après vaporisation l'air nécessaire à la combustion complète. 8. Procédé selon la revendication 1 à 7, caractérisé 35 par le fait que l'on préchauffe le combustible avant de l'introduire dans le vaporisateur. 69 13770 12 2007489- 9. Procédé selon la revendication 1 à 8, caractérisé par le fait que la surface mouillée parle combustible est mise alternativement en contaet avec le combustible et avec l'agent de vaporisation. 5 10. Installation pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 à 9, caractérisée par le fait qu'elle comporte un réservoir servant à emmagasiner du combustible et un ventilateur servant "à véhiculer l'agent de vaporisation, eeux-ci étant reliés au vaporisateur qui assure le contaet entre 10 le combustible et l'agent de vaporisation ou la vaporisation du combustible et le mélange de celui-ci à l'agent de vaporisation, que le vaporisateur est relié à une installation de foyer en elle-même connue, par exemple à un brûleur ou à un moteur thermique, et que l'installation comporte un dispositif de 15 préchauffage de l'agent de vaporisation, par exemple un dispositif auxiliaire de chauffage.