Brevet FR2027761A1 — publié le 19701002

La présente invention concerne un dispositif pour la production d'un mélange gazeux d'air et de combustible liquide, formé par un hydrocarbure dont le point d'ébullition est inférieur à 400 C, de préférence du mazout léger, ce mélange se transformant lors de la combustion en un gaz de fumée exempt de suie, même en cas de manque d'air dans le brûleur. Les gaz de fumée brûlant sans formation de suie, même en cas de manque d'air important (pouvant atteindre 0,61, et contenant jusqutà25 % de constituants combustibles, sont principalement employés dans la technique d'utilisation de gaz protecteurs. On les produit habituellement à partir de combustibles gazeux tels que le gaz de ville, le gaz naturel, le propane, le butane, etc...Etant donné que de tels combustibles sont relati- vement motteux, il serait so-unaitable de produire ces gaz de fumée à partir de combustibles liquides d'un prix inférieur,-notamment à partir des combustibles dits "hydrocarbures à haut point d'ébullition (inférieur à 400 C)" avec une proportion de carbone de- 05'à a10, par exemple l'essence, le mazout léger. Les dispositifs utilisés jusqu'à présent pour une combustion réductrice de hydrocarbures liquides sont basés sur une préparation d'un mélange combustible - air, effectuée à ltin- térieur du dispositif. On ramène une partie des gaz de fumée chauds jusqu'au point d'entrée du mélange combustible - air, par exemple au moyen d'une conformation appropriée d'une chambre de combustion, afin d'évaporer le combustible, par exemple le mazout, et afin de le porter à la température d'inflammation. En règle générale, il faut, cependant, monter un catalyseur de dissociation à la suite de la chambre de combustion si l'on veut éviter que que gaz de fumée produit contienne une telle quantité de suie qu'il devient inutilisable comme gaz de protection.Un autre inconvénient de ces brûleurs de réaction classiques réside dans la proportion relativement élevée de hydrocarbures, notamment de méthane, dans le gaz de fumée produit, ce qui favorise la formation nuisible de suie dans les fours à recuire utilisant ce gaz. La formation de suie et la forte teneur en méthane proviennent surtout d'un mauvais mélange de l'air et du combustible. La formation de suie provient cependant aussi du fait qu'unie partie du combustible se cokéfie déjà pendant l'évaporation, notamment lors de l'utilisation de mazout léger, ainsi que du fait que les résidus de la cokéfaction forment. lors de la combustion subséquente des gaz de fumée, des particules solides riches en carbone, qui ne peuvent plus être décomposées entièrement et qui entraînant la formation de suie. La principale difficulté pour éviter une cokéfaction provient de ce pue la température de -cokéfaction n'est que peu au-dessus de la température d'ébullition du combustible liquide, température à laquelle ce dernier doit être chauffé en vue de son évaporation. Il est connu d'évaporer des combustibles-sous forme de mazout lourd avant la combustion. Pour ce faire, on chauffe généralement un vaporisateur en-ltexposant à la radiation d'un four ou aux effets d'un courant de gaz de fumée. Les dispositifs appropriés à cet effet ont cependant l'inconvénient que la paroi de l'évaporateur (donc également le combustible venant en contact avec cette paroi) atteint la température optimale pour un seul réglage de la puissance et pour un seul combustible bien déterminé.Sans parler du fait qu'il faut effectuer un nombre considérable d'essais pour déterminer ce réglage de la puissance, il est pratiquement impossible de conserver ce réglage optimal, de sorte que des températures trop élevées ou trop faibles sont inévitables. Un-autre inconvénient d'evaporateurs classiques provient du fait qu'ils contiennent une certaine quantité de combustible dont les parties à faible-point d'ébullition s'évaporant tout d'abord, ce qui -se -traduit par un -cha'ngement de la. composition du gaz de fumée, de sorte que de tels évaporateurs ne-- conviennent pas pour la production de gaz protecteurs. Pour supprimer-les- difficultés décrites, on pourrait envisager de pulvériser le combustible dans de l'air chaud et de l'évaporer de cette manière. Toutefois, cette solution n'est pas réalisable parce-que la quantité dé chaleur nécessaire pour le préchauffage et l'évaporation du combustible est très importante ; par exemple, lors de la combustion de mazout léger, l'air comburant doit avoir une température initiale d'environ 6000C pour conférer une température d'environ 400 C au mélange combustible air. A cette température élevée de l'air, il faut cependant.tenir compte d'une formation de suie par suite de la cokéfaction du combustible -Le fait que le transfert thermique. entre - les gout telettes du combustible liquide et l'air est médiocre, n'est pas non plus en faveur de cette solution. Le but de l'invention est de supprimer les- défauts cités et de créer un dispositif permettant la production d'un gaz de- fumée exempt de suie à partir de combustibles liquides, gaz de fumée; qui peut notamment être utilisé comme gaz protec- teur. Selon-une caractéristiqueF essentielle de 1.' l'invention, on prévoit une chambre dtévaporation comportant une -buse -d',in- jection pour les hydrocarbures liquides, une ouverture pour l'en trée d'air et une sortie pour le mélange gazeux, cette chambre d'évaporation présentant des parois intérieures pouvant être portées à une température prédéterminée située entre-la tempéra ture d'évaporation et la température de cokéfaction des hydro carbures liquides. Les hydrocarbures liquides injectés s'évaporent sur lesdites parois intérieures et sortent ensuite sous forme de vapeur, avec l'air pénétrant par l'entrée prévue pour lui, à travers l'orifice de sortie de la chambre, en direction du brûleur. Dans -la forme de réalisation préférée de l'invention, l'ouverture d'entrée de l'air est disposée de telle. manière dans la chambre d'évaporation que l'air - de préférence préchauffé pénètre tangentiellement par rapport aux parois intérieures, qui sont chauffées, notamment par voie électrique. Il - est, avantageux de chauffer l'air dans une enveloppe de refroidissement du brû leur monté à la suite de la chambre et/ou dansa un four supplé- mentaire. De même, les parois de la chambre d'évaporation sont de préférence métalliques. Plusieurs formes de - réalisation de l'objet de. lrin vention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention et d'un brûleur pour la production de gaz de fumée ; - la figure 2 est une coupe d'une chambre d'évapo ration , - la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 2. La figure 1 montre une chambre d'évaporation 1, qui se présente sous forme d'un tube tronconique avec des parois in térieures métalliques. Une paroi transversale 3 de la chambre porte une buse d'injection de combustibles liquides par laquelle les particules de combustible, pulvérisées en forme de cône, pénètrent à peu près axialement dans la chambre 1. Une autre paroi transversale 5 présente une sortie 6 qui se trouve également, comme la buse d'injection 4 sur l'axe de la. chambre 1. L'une des parois latérales de cette dernière présente en outre une ouverture d'entrée d'air 7 dont la disposition est telle que l'air pénètre tangentiellement par rapport à la paroi intérieure 2 de la chambre et effectue par suite un mouvement de rotation autour de l'axe de celle-ci.Un enroulement de chauffage électrique 8 permet de porter la paroi intérieure 2 de la chambre à une température prédéterminée. Une sonde pyrométrique 9, par exemple un thermocouple ou un thermomètre à résistance, est montée à proximité immédiate de la paroi intérieure 2 de la chambre et reliée à un régulateur 11 qui maintient les parois intérieures de la chambre à la tem pérature réglée d'avance par une commande correspondante du courant de chauffage dans l'enroulement 8. Une conduite tubulaire 12, de préférence isolée, relie la sortie 6 de la chambre 1 à l'entrée de combustible 13 d'un brûleur 14, dans lequel le mélange gazeux de combustible et d'air produit dans la chambre d'évaporation 1 est brûlé en un gaz de fumée exempt ,de suie. Le brûleur 14 comporte une chambre de refroidissement 17, située entre l'enveloppe intérieure 15 et lten- veloppe extérieure 16, et comportant une entrée d'air îe et une sortie d'air 19. L'enveloppe intérieure 15 se compose de briques réfractaires, tandis que l'enveloppe extérieure 16 est une enveloppe isolante. Le brûleur 14 est entouré par une enveloppe de refroidissement 21, dans laquelle passe, par exemple, de l'eau ou de l'air, et qui refroidit le gaz de fumée produit à l'intérieur du brûleur à une température d'environ 4000 C. On fait passer tout d'abord l'air pår une conduite 22, l'entrée 1S, la chambre de refroidissement 17 du brûleur 14 où il est préchauffé - et la sortie 19 avant de le faire entrer par l'ouverture 7 dans la chambre d'évaporation 1. L'air pré- chauffé s'écoule vers l'ouverture d'entrée 7 de la chambre 1 à travers .une conduite 23 comportant un four particulier 23,. chauffé par exemple par voie électrique, dans lequel s'effectue un chauffage supplémentaire de l'air. La température de l'air est mesurée avant son entrée dans la chambre d'évaporation 1, par exemple, au moyen d'un thermocouple 25.Celui-ci est relié à un régulateur 26 qui commande le courant de chauffage électrique du four 2 et qui assure que l'air pénétrant dans la chambre d'éva- poration 1 présente la température désirée réglée à l'avance. Pendant le fonctionnement du dispositif représenté à la figure 1, un hydrocGrture, par exemple du mazout léger, est injecté dans l'espace intérieur conique de la chambre d'évaporation 1 dont la paroi intérieure 2 est portée à une température située entre la température d'évaporation et la température de cokéfaction de l'hydrocarbure liquide par la spirale chauffante 8. Le régulateur 11 assure, en coopération avec le thermocouple 9, que la température réglée d'avance est maintenue. L'air comburant, chauffé au préalable a une température déterminée dans la chambre de refroidissement 17 du brûleur 14 et porté ensuite à la température d'ébullition du combustible à l'aide du four 24 comportant des résistances chauffantes, pénètre par l'ouverture 7 qui débouche tangentiellement dans la chambre d'évaporation. Conformément à l'invention, le courant d'air comburant tournant - du fait de son introduction tangentielle projette les gouttelettes de combustible injectées contre la paroi, comme dans un cyclone à gaz de fumée, où elles s'évaporent, On obtient de cette façon l'évaporation d'une importante quantité de combustible, malgré la faible différence de température entre le combustible et la surface d'évaporation et malgré la surface chauffante relativement petite. La vapeur de combustible s'écoule ensuite avec l'air à travers la conduite tubulaire 14 jusqu'à l'intérieur du brûleur 14 où le mélange est brûlé. Les figures 2 et 3 représentent une forme de réalisation préférée d'une chambre à'évaporation 1. Des boulons 31 relient un élément -tubulaire cylindrique 32, avec intercalation d'un joint 36 entre les brides de liaison, à une paroi transversale circulaire 3 portant la buse d'injection . L'élément tubulaire 32 porte, là encore avec intercalation d'un joint 37 et par l'intermédiaire de boulons 33 et de brides, un tube métallique 34 qui se rétrécit conique,ent et qui porte à son extrêmité anté- rieure une autre bride 5, par exemple pour la liaison directe à une chambre de combustionmontée. à la suite.Le tube 34 porte à l'extérieur une spirale de chauffaé electrique 8 qui est ellemême recouverte par une enveloppe :38. Une sonde pyrométrique 9, par exemple sous forme d'un thermomètre à résistance, nesure la température à la paroi intérieure du tube conique 34. Gomme il ressort plus particulièrement de la figure 3, l'ouverture d'entrée de l'air 7 débouche tangentiellement à la paroi intérieure de l'élément tubulaire 32, de sorte que cet air effectue un mouvement rotatif pendant le balayage de la paroi intérieure de cet élément. En coopération avec le combustible injecté axialement par la buse ï dans la chambre à'évaporation, formée par les éléments tubulaires 32 et 34, il se produit flnalement un mouvement hélicoïdal du mélange combustible-air, qui projette les gouttelettes de combustible contre les parois intérieures du tube 4 où elles s1 évaporent. Le mélange gazeux - composé d'air et de combustible évaporé - s'écoule finalement par la sortie 6 prévue à ltextrêmîté antérieure de l'élément tubulaire 34. Le dispositif selon l'invention convient parfaitement pour des hydrocarbures liquides ayant un point d'ébullition inférieur à 4000C, de préférence pour du mazout léger, de l'essence, etc... La chambre d'évaporation peut également avoir une forme cylindrique à la place de la forme conique représentée.Le chauffage des parois intérieures de la chambre peut être effectué non seulement par voie électrique, mais également par de la vapeur ou un liquide chaud. I1 peut cependant être avantageux de prévoir des ailettes rotatives à l'intérieur de la chambre pour produire le mouvement rotatif de l'air comburant introduit dans la chambre d'évaporation 1. I1 stest avéré avantageux, pour la forme de réalisation préférée, de préchauffer l'air comburant introduit dans la chambre d'évaporation 1 à une températurè comprise entre 1500 et 400"G environ et de régler la température de la paroi de l'évaporateur à une valeur comprise entre environ 2000 et 4000C, Bien entendu, les valeurs précises dépendent de la nature de lthydrocarbure liquide utilisée Le dispositif et l'agencement selon l'invention apportent les avantages suivants : Le mélange gazeux de combustible et d'air est parfaitement homogène, de sorte que la formation de suie et la teneur en méthane du gaz de fumée sont faibles. La température de la paroi intérieure de la chambre d'évaporation peut être maintenue exactement à une valeur prédéterminée, qui-est inférieure à la température de cokéfaction du combustible en question, ce qui exclut également la formation de suie. enfin, l'injection du combustible empêche son accumulation dans la partie inférieure de la chambre d'évaporation et assure une évaporation simultanée de tous ses constituants. Le fâit qué les parois intérieures de la chambre sont métalliques - ce qui permet l'obtention de coefficients de conductibilité élevés - favorise en outre lZeva- poration rapide des gouttelettes de combustible projetées par le courant d'air rotatif contre les parois intérieures chauffées de la chambre d'évaporation 1. Un dernier avantage de l'invention réside dans le fait que la composition du gaz de fumée produit peut être calculée à l'avance, ce qui n'était jusqu'à présent pas possible, puisqu'on ignorait le pourcentage de la teneur en suie dans les dispositifs connus. R E V E N D I C A T- I O N. S 10/ Dispositif pour la production d'un mélange gazeux de combustible et d'air dont la combustion dans un brûleur produit un gaz de fumée exempt de suie, même en cas de manque d'air, ce mélange étant obtenu à partir d'un hydrocarbure liquide ayant un point d'ébullition inférieur à 4000 C, de préférence du mazout léger, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre d'évaporation équipée d'une buse d'-injection des--hydrocarbures liquides, d'une ouverture d'entrée d'air et d'une sortie pour le mélange gazeux, cette chambre présentant en outre des parois intérieures pouvant être portées à une température prédéterminée située entre la température d'évaporation et la température de cokéfaction des hydrocarbures liquides, les hydrocarbures injectés s'évaporant sur les parois et la vapeur quittant ensuite la chambre d'évaporation, avec l'air ayant pénétré per les ouvertures d'entrée d'air, par la sortie de cette chambre, en direction du brû- leur. 20/ Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que la chambre d'évaporation a la forme d'un tube conique ou cylindrique. 30/ Dispositif selon l'une quelconque des revéndications 1 et 2, caractérisé en ce que les parois inté-rieures de. la chambre d'évaporation sont chauffées électriquement. 4 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que les paroisntérieures de la chambre d'évaporation sont chauffées par une vapeur ou un liquide chaud. 5 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, caractérisé en ce que l'on maintient la température des parois intérieures de la chambre à une valeur constante, réglée à l'avance, au moyen d'au moins une sonde pyrométrique et d'un régulateur. 60/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, caractérisé en ce que la disposition de l'ouverture d'entrée de l'air dans la chambre d'évaporation est telle que l'air pénètre tangentiellement par rapport aux parois dans la chambre et transporte les hydrocarbures liquides injectés suivant l'axe de la chambre, par un mouvement hélicoidal, aux parois intérieures de celle-ci. 7 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce que la chambre présente des ailettes de guidage conférant un mouvement rotatif à ltair introduit. 80/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2i 3, 4, 5-, 6, 7, caractérisé en ce que l'on chauffe l'air avant de l'introduire dans la chambre d'évaporation en vue du préchauffage des hydrocarbures liquides. 9 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, caractérisé en ce que le chauffage de l'air introduit dans la chambre d'évaporation s'effectue dans une enveloppe de refroidissement du brûleur montée à la suite de la chambre et/ou dans un four supplémentaire. 10 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, caractérisé en ce que l'on chauffe l'air introduit à une température comprise entre environ 1500 et 400 C, et en ce que l'on règle la température des parois intérieures de la chambre à une valeur- comprise entre environ 200 et 400 C. 110/ Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations' 1, -2,- 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, caractérisé en ce que les parois intérieures de la chambre d'évaporation sont métalliques,