Brevet FR2274868A1 — publié le 19760109

La présente invention concerne des brûleurs, notamment les brûleurs pour la combustion de mélanges très pauvres gaz combustible/air. La tendance actuelle relative aux besoins de la conservation de l'énergie et l'application de mesures contre la pollution a entratné une demande dans la technologie de la combustion pour avoir des moyens et des dispositifs permettant la combustion de combustibles de basse qualité et de mélanges combustible/air qui, sous des conditions classiques de fonctionnement, ne seraient pas normalement inflammables. Des cas spécifiques sont représentés par les gaz soulevés des couches de charbon, l'air de ventilation de mines, les gaz d'échappement d'une grande variété de procédés industriels et les mélanges pauvres méthane/air de certains résidus de fermentation. Outre la perte d'énergie, des polluants indésirables peuvent être ajoutées à l'atmosphère si ces gaz s'échappent non brûlés.L'énergie que l'on peut extraire de telles sources n'est pas négligeable et des calculs théoriques indiquent que la teneur en méthane de l'air de ventilation de mines est suffisante pour satisfaire aux besoins en énergie des machines de houillères dans le Royaume-Uni. La présente invention crée un dispositif pour brûler des mélanges très pauvres gaz combustible/air comprenant certains mélanges qui ne seraient pas normalement inflammables. Les sys tèmes de combustion à centrale du mélange ont tendance à être inefficaces et polluants. Même pour des réactifs pré-mélangés, la théorie relative à la combustion a traité des propriétés de flamme comme la température dans la zone de réaction et donc de la vitesse de combustion et de l'inflammabilité, etc.. en termes de combustible initial/air seul. Eri empruntant une partie de l'enthalpie de combustion sans dilution des sous-produits réactifs, il est possible de brûler des mélanges de gaz combustibles-très pauvres. L'effet consiste à utiliser la chaleur empruntée pour augmenter la température dans la zone de réaction au-dessus de celle de la température de flamme finale normale correspondant au rapport particulier combustible/air du mélange. Conformément à la présente invention, on prévoit un brûleur comprenant une chambre de combustion centrale ayant une entrée combustible/gaz oxydant et une sortie de gaz de combustion, la chambre de combustion centrale étant entourée par des parois de division définissant des canaux d'entrée et de sortie enroulés en spirale à travers lesquels le mélange combustible/gaz oxydant et le gaz de combustion s'écoulent respectivement en sens contraire à la spirale, les parois de division isolant les canaux d'entrée et de sortie mais permettant un échange de chaleur entre le mélange combustible/gaz contenant de l'oxygène et le gaz de combustion. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le brûleur est sous la forme d'un cylindreFeu profond, la chambre de combustion étant située au centre du cylindre à partir duquel les canaux d'entrée et de sortie émergent dans le sens contraire à la spirale au bord du cylindre ou disque. Ce mode de réalisation de l'invention est approprié pour la soustraction de chaleur ou sa transformation selon une efficacité très élevée au moyen, par exemple, de transformateurs d'énergie thermique-mécanique ou thermique-électrique, des moteurs étant placés en contact avec les parois planes de la chambre de combustion. En outre, un dispositif de combustion à lit fluidisé à température élevée contenu, par exemple, dans un creuset en oxyde de thorium peut être disposé au centre des canaux enroulés à contre-spirale permettant ainsi le retrait de chaleur du système à la température maximale,soit par radiation,soit par un conduit de chaleur. La possibilité de faire varier la température du lit indépendamment du rapport combustible/air et la vitesse de circulation du gaz en faisant varier la quantité de chaleur recyclée pus zone maintien des conditions les plus favorables dans le dispositif de combustion à lit fluidisé. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le cylindre comprenant les canaux d'entrée et de sortie enroulés en contre-spirale est formé dans un tore. Le tore résultant est idéalement un système thermique complètement fermé n' ayant pas de pertes de chaleur autres que les gaz du produit. Ce mode de réalisation de l'invention est particulièrement approprié pour l'élimination de gaz combustibles très pauvres normalement inutilisables ou pour le chauffage direct d'air, par exemple, d'installations de chauffage central. La section transversale de la chambre de combustion centrale représente, de préférence, plusieurs fois celle des canaux d'en trée et de sortie et n'est pas, de préférence,inférieure à trois fois cette section. En outre, le rapport de l'étendue de surface totale des canaux d'entrée et de sortie à l'étendue de section transversale des canaux est compris dans la gamme de 100 à 1000. L'allumage préliminaire du brûleur peut être obtenu au moyen d'une étincelle agissant sur un gicleur pilote de combustible ou sur un mélange enrichi de combustible initialement. Les débits d'écoulement préférés gaz combustible/air et la longueur de la spirale sont fonction du rapport combustible/air à brûler. D'une façon typique, le rapport du rayon de la spirale à-la longueur totale de la spirale est compris dans la gamme de 1 : 10 à1:40. Le brûleur peut être formé à partir d'une tôle, comme une t81e métallique espacée a une distance fixe qui est enroulée en spirale. L'espace central de la spirale forme la chambre de combustion. Les faces d'extrémité ouvertes sur des tales sont étanchéifiées par une matière d'isolation thermique résistant à la chaleur formant les canaux d'entrée et de sortie enroulés en spirale. Les matières céramiques s'appliquent également à cette forme de construction et seraient donc appropriées sous des conditions de températures bien plus élevées. Le brûleur est particulièrement approprié pour les combustibles normalement gazeux comme le méthane et d'autres hydrocarbures saturés ou insaturés normalement gazeux tes combustibles liquides peuvent également être brûlés soit sous la forme d'une projection ou en faisant borboter de l'air ou en faisant passer de l'air sur le liquide. La présente invention se rapporte également à un procédé de combustion de mélanges combustible/gaz oxydant pauvres notamment de mélanges en dessous de leur limite normale d' inflammabilité qui consiste à amener le mélange le long d'un canal d'entrée en spirale à une partie de combustion centrale et à faire passer les gaz de combustion résultant de la chambre de combustion le long d'un canal de sortie opposé à la spirale et selon une relation d'échange de chaleur par rapport au canal d'entrée. L'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures 1 et 2 des dessins annexes. La fig. 1 illustre une section transversale horizontale du brûleur qui montre les trajets en spirale des courants de réactifs et de produits. La fig. 2 représente les caractéristiques de stabilité à l'état constant de deux brûleurs de dimensions différentes; dans cette figure on a porté en ordonnée l'écoulement enml/seconde et en abscisse le pourcentage de méthane dans l'air, S signifie stable, IS instable et LNI 5,3 : limite normale d'inflammabilité à 5,3 0A. On a construit des brûleurs expérimentaux à partir de bandes d'un alliage métallique à température élevée Inconel 600. D'autres alliages comme Nimonic 75 se révèlent également être appropriés. Brûleur A Brûleur B Matière bande d'Inconel 600 Bande d'Inconel 600 Largeur 5 cm 5 cm Longueur 229 cm 145 cm Rayon de la spirale 9 cm 5 cm Nombre de spires de la spirale 8 4 Dimension du canal d'écoulement 0,4 cm x-3,5 cm 0,4cm x 3,5cm Les canaux de la spirale 1,8 sont formés en enroulant la bande'Inconel 2 sur des organes d'espacement résistant à la chaleur situés sur des extrémités planes. La chambre de combustion 3 consiste simplement en une cavité au centre de la spirale. Après formation de la spirale, ses bords sont étanchéifiés subséquemment dans un ciment à-température élevée. Des thermocouples, des dispositifs d'allumage et d'autres instruments sont insérés avant l'étançhéification dans le ciment au lieu d'avoir des conducteurs à l'extérieur antre les couches de la spirale. Les thermocouples à l'entrée et à la sortie de la chambre de combustion permettent le réglage de la position de la flamme et indiquent la quantité de pré-chauffage et le dégagement de chaleur de la combustion. Les autres instruments permettent la stabilisation de la flamme dans la chambre de combustion. Pendant l'utilisation du brûleur, les réactifs 4, c'est-àdire le gaz combustible et l'air,passent dans le canal 1 pour en trer dans la chambre de combustion par l'intermédiaire des ouvertures 5 dans le pli central 6 de la bande métallique 2. Après la réaction dans la chambre de combustion 3, les produits de la combustion sortent par l'intermédiaire du canal 8 à l'opposé de la spirale par rapport aux réactifs entrant 4, la température supérieure des gaz 7 des produits provoquant ainsi le préchauffage des réactifs 4 par échange de chaleur dans la spirale 1. il est nécessaire d'allumer le brûleur par l'utilisation d'un mélange riche normal gaz combustible/air. Après ce procédé de démarrage, le gaz pauvre est introduit et la réaction se déroule d'ellemême. La flamme produite dans la chambre de combustion est stable pour une gamme particulière de débits d'écoulement du gaz. Cependant, un avantage de cette forme de brûleur est que le retour de flamme provoqué par un débit d'écoulement de gaz trop faible diminue la longueur efficace de la spirale d'échange de chaleur car la flamme est déplacée à distance du centre de la spirale. Ceci introduit un mécanisme d'auto-stabilisation automatique vis-à-vis d'un retour de flamme. La fig. 2 illustre deux courbes de stabilité à limitation (vitesse d'écoulement-rapport combustible/air) montrant les effets de la variation de la longueur de la bande. On a trouvé qu'il n'existe presque pas d limites d'inflammabilité à condition que la chaleur de combustion soit recyclée de cette façon sans dilution par le recyclage des produits. Même avec les petits brûleurs décrits, des gammes prolongées de combustion stable peuvent être obtenues pour des mélanges à teneur en combustible correspondant à,approximativement, 30 à 40 ffi de la limite normale d'inflammabilité. On a obtenu des valeurs inférieures à 18 % avec une meilleure isolation thermique. En référence à la fig. 2, il convient de remarquer que la limite normale d'inflammabilité du méthane est de 5,3 %. REVENDICATIGilS 1 - Brûleur caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de combustion centrale ayant une entrée de combustible/gaz oxydant et une sortie de gaz de combustion, la chambre de combustion centrale étant entourée par des parois de division définissant des canaux d'entrée et de sortie enroulés en spirale à travers lesquels le mélange combustible/gaz oxydant et le gaz de combustion s'écoulent respectivement en sens contraire à la spirale, les parois de division isolant les canaux d'entrée et de sortie, mais permettant un échange de chaleur indirect entre le mélange combustible/gaz oxydant et le gaz de combustion. 2 - Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est sous la forme d'un cylindre, les canaux émergeant selon une spirale de la chambre de combustion centrale au bord du cylindre. 3 - Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le cylindre des canaux d'entrée et de sortie enroulés en spirale est tordu pour affecter la forme d'un tore. 4 - Brûleur suivant l'une des revendications 7 à 3, caractérisé en ce que l'étendue de section transversale de la chambre de combustion centrale représente au moins trois fois celle des canaux d'entrée et de sortie. 5 - Brûleur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport de l'étendue de surface totale des parois des canaux d'entrée et de sortie à l'étenduede section transversale des canaux est compris dans la gamme de 100 à 1000. 6 - Brûleur suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport du rayon des canaux d'entrée et de sortie enroulés en spirale à la longueur totale des canaux d'entrée et de sortie enroulés en spirale est compris dans la gamme de 1 : 10 à 1 : 40. 7 - Brûleur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il se compose de tôles enroulées en spirale, le centre de la spirale formant la chambre de combustion et les canaux d'entrée et de sortie étant formés par la fermeture des extrémités ouvertes de la spirale en tôle au moyen d'une matière résistant à la chaleur. 8 - Brûleur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les canaux d'entrée ou de sortie sont réalisés en matière céramique. 9 - Procédé de combustion de mélanges combustible/gaz oxydant pauvres notamment de mélanges en dessous de leur limite normale d'inflammabilité, caractérisé en ce qu'il consiste (a) à amener le mélange le long d'un canal d'entrée en spirale à une chambre de combustion et (b) à faire passer les gaz de combustion résultant de la chambre de combustion le long d'un canal de sortie opposé à la spirale et selon une relation d'échange de chaleur par rapport au canal d'entrée.