Brevet FR2343202A1 — publié le 19770930

La présente invention se rapporte à un dispositif puur la formation d'une flamme de diffusion à haute stabilité, du type perche, utilisable dans toutes sortes de fours comprenant essentiellement une canne d'injection du combustible qui baigne dans le courant du gaz comburant admis dans le four sensiblement parallèlement à llaxe de la perche. Dans de nombreux processus industriels tels que ceux rencontrés dans les fours d'aciérie, de cimenterie, de fusion du verre, de pétrochimie, etc... les flammes de diffusion sont ou pourraient etre utilisées. Ces flammes, plus longues que les flammes de prémélange, présentent un profil de température assez plat, ctest-à-dire des températures relativementhomogènes. Elles conviennent particulièrement bien lorsque certains critères de transfert sont requis. La longueur et la forme de ces flammes peuvent être modulées, en fonction de l'impulsion spécifique des jets de combustible et de comburant, des modes d'injection du combustible et du comburant, et de la forme de I'ouvreau dans lequel la perche pour flamme de diffusion est introduite. les flammes de diffusion connues présentent cependant de nombreux inconvénients pratiques et notamment - elles ont une racine instable et sont génératrices d'oscillations, donc de bruits et de vibrations, - la souplesse de fonctionnement est relativement faible, aussi bien en puissance qu'en facteur d'air pour une forme donnée de la flamme, de l'ouvreau et. du four, - les oscillations générales de la flamme sont importantes, ce qui interdit leur utilisation lorsque ces oscillations risquent d'amener la combustion au contact de faisceaux de tubes ou de produits pouvant être attaqués par la flamme, - elles ne peuvent être stabilisées dans un four froid, ce quiconduit à mettre en oeuvre divers artifices au moment de l'allumage. On a tenté dans la technique antérieure d'apporter des solutions aux difficultés signalées. Les solutions préconisées à ce jour sont multiples et n'améliorent en général le fonctionnement que dans un domaine limité. Conformément à la présente invention les difficultés mentinn- nées sont levées par l'emploi d'une perche qui se caractérise essentiellement en ce que la canne d'injection de la perche compor te - un tube central par lequel est injecté à la tête de la perche tout le combustible injecté à la perche à quelques pour cent près, - un espace annulaire entourant le tube central de la canne et par lequel sont injectés les quelques pour cent restants du combustible qui, sous forme gazeuse, à la sortie dudit espace annulaire, assure le pilotage de la flamme, - et un disque d'accrochage ou de stabilisation de la flamme placé sensiblement dans le plan transversal de sortie de la perche perpendiculairement à la direction d'écoulement du gaz comburant Selon un mode de réalisation, le combustible étant du type gazeux, par exemple un gaz naturel riche en méthane, la canne comporte deux tubes concentriques, et une seule arrivée de combustible sous pression alimente d'une part le tube central qui débouche à la tête de la perche par un injecteur convenablement calibré, et d'autre part à travers un second injecteur convenablement calibré, l'espace annulaire compris entre les deux tubes et débouchant par un passage annulaire à l'extrémité de la perche, autour dudit premier injecteur. De cette façon en adoptant une disposition simple on obtient un rapport du débit de gaz combustible principal admis dans le four par ledit premier injecteur, central et principal de la perche,au débit de gaz combustible de pilotage admis par ledit second injecteur dans ledit espace annulaire sensiblement constant quel que soit le régime de fonctionnement de la perche. Belon une autre caractéristique de l'invention le disque d'accrochage est percé de trous répartis sur sa surface. Ces trous ont pour objet de créer des flammes dures locales qui accrochent la flamme de pilotage sur le disque pour tous les régimes de fonctionnement et notamment les régimes élevés pour lesquels les risques de décollement et de soufflage sont grands. Par exemple avec du gaz naturel pour lequel la vitesse de déflagration est de l'ordre de 30 cm/s, le dispositif préconisé permet d'obtenir localement sur le disque d'accrochage des points à vitesse très inférieure, même aux régimes de fonctionnement nominaux du brûleur pour lesquels la vitesse d'injection du gaz combustible est du domaine sonique, tandis que la vitesse de l'air comburant dans l'ouvreau dépasse fréquemment 25 m/s. L'invention apparattra plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés illustrant schématiquement deux modes de réalisation. Dans les dessins - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une perche perfectionnée pour bradeur à flamme de diffusion conçue selon l'invention utilisant un combustible gazeux ou gazéifié - la figure 2 montre en plan la plaque de fixation de la perche de la figure I - les figures 3 à 6 montrent schématiquement comment se développent les flammes de pilotage et de diffusion et comment eleis s'accrochent à la tête de la perche et au disque d'accrochage aux divers régimes de fonctionnement de la perche, et - la figure 7 montre schématiquement en coupe longitudinale une perche à alimentation mixte avec pulvérisation pneumatique du combustible liquide utilisant trois tubes concentriques. On se reportera tout d'abord aux figures 1 et 2 dans lesquelles on aperçoit une perche 1 pourvue d'une tette 2 pour flamme de diffusion conforme à l'invention La perche 1 est constituée essentiellement d'une canne 7 qui comprend deux tubes concentriques 4, 5. te tube central 4 porte à son extrémité de sortie l'injecteur central et principal 6. te gaz combustible est amené sous pression à la perche en 7. Un flux principal de gaz combustible, de l'ordre de 94 Sa dans l'exemple de réalisation illustré emprunte le tube central 4 pour être délivré à la tette de la perche 2 par l'injecteur 6. Un flux secondaire qui formera le flux combustible de pilotage calibré par un second injecteur 8 est amené dans l'espace annulaire 9 compris entre les tubes 4 et 5 pour être délivré par le passage annulaire 10 à 1 'extrémité de sortie de la perche autour de 1' in- jecteur 6 et sensiblement dans son plan. Dans l'exemple illustré ce flux combustible représente environ 6% du flux combustible total alimenté en 7. En il on aperçoit des pions de centrage, par exemple au nombre de trois décalés à 1200 les uns par rapport aux autres assurant le centrage de l'extrémité avant du tube 5 sur le tube 4. A l'extrémité de sortie de la perche est monté un disque 22 d'accrochage ou de stabilisation de la flamme. Ce disque est placé sensiblement dans le plan transversal de sortie de la perche perpendiculairement à la direction F d'écoulement du gaz comburant, par exemple de l'air soufflé autour de la canne dans 1' ouvreau (non représenté) dans lequel vient se monter la perche. Be disque 12 fixé à l'extrémité du tube extérieur 5 peut sons nuire au fonctionnement de la perche être déplacé axialement dans un sens ou dans l'autre, de quelques centimètres, par rapport au plan de sortie de l'injecteur central 6. le disque 12 comporte des orifices 13 répartis sur sa surface, par exemple une douzaine de trous équidistants de 2 mm de diamètre.Dans l'exemple illustré la canne a une longueur de l'ordre de 750 mm, le disque 12 a un diamètre de l'ordre de 110 mm, le tube interne 4 est un tube 32/42, le tube externe 5 est un tube 50/60 et les trous 13 sont répartis sur un cercle ayant 74 mm de diamètre. La perche est maintenue dans l'sexe de l'ouvreau (non représenté) au moyen d'une plaque de fixation 15 soudée sur le tube extérieur 5 et renforcée par des équerres 16 comme il apparatt plus clairement à la figure 2. Des trous de fixation 17 prévus dans la plaque 15 permettent le montage de la perche sur la paroi extérieure de la botte à vent (non représentée) du brhleur, "e fonctionnement de la perche va entre décrit maintenant en faisant référence aux figures 3 à 6. A la figure 3 on; a illustré le fonctionnement de la perche à faible régime. Ce régime peut par exemple correspondre à 5 % de la puissance nominale de la perche. A ce régime le gaz amené à très faible vitesse par les tubes 4 et 5 se trouve aspiré (fléches épaisses) et mélangé à du gaz comburant, grgce à la recirculation pour effet de sillage des gaz comburant, combustible et brule0t, et forme (flèches minces) une flamme tulipe annulaire principale 20 avec recirculations et accrochages en 21 sur la zone périphérique du disque. Au niveau des orifices 13 la petite quantité de gaz comburant admise rencontre l'écoulement laminairede gaz combustible et de petites flammes dures 22 se forment et s'accrochent au niveau desdits orifices. A la figure 4 on a illustré 11 aspect de la flamme à régime moyen faible correspondant par exemple à un débit de gaz combustible de l'ordre de 20% de la puissance nominale de la perche. Le débit de gaz annulaire se plaquant contre le disque 12 augmente mais il apparat également un débit central croissant de gaz. On constate qu'à ce régime on retrouve la flamme tulipe 20, pratiquement sans changement par rapport à la figure 3, les flammes tourbillonnaires d'accrochage 21 et les flammes dures 22 sur le disque 12. Au-delà de la flamme tulipe 20 prend naissance la flamme de diffusinn proprement dfte 24, alimentée par une partie du débit central, comme schématisé au dessin. On se reportera mnintenant à la figure 5 illustrant le fonctionnement à régime moyen fort, par exemple correspai dant à 50 ffi de la puissance nominale de la perche. A ce régime tout le gaz in jecté par le tube central 4 à grande vitesse est utilisé pour la formation de la flamme de diffusion 24 ; celle-ci peut atteindre plusieurs mètres de long. Elle présente d'autre part l'aspect classique des flammes de diffusion. On retrouve également la flamme tulipe 20 des figures 4 et 3 ainsi que les flammes d'accrochage 21 et 22. Ces différentes flammes 20 21, 22 sont alimentées par le gaz de pilotage amené dans l'espace 9 entre les tubes 4 et 5, correspondant dans 1 1exemple illustré à 6 % du débit de combustible amené à la perche. A la figure 6 on a illustré le fonctionnement de la perche à régime fort, par exemple en régime nominal de fonctionnement. A ce régime, tout le débit de l'injecteur central 6 part vers la flamme de diffusion et entrain également une partie du débit de pilotage admis par l'espace 9, comme l'indiquent les-flèches épaisses. Cependant on retrouve toujours la flamme tulipe 20 et les flammes d'accrochage 21, 22 du fait du plaquage contre le disque 12 d'une partie du débit de gaz combustible de pilotage amené par l'espace 9. Ainsi on constate qu'avec la disposition préconisée selon l'invention il est possible de stabiliser une flamme de diffusion pour de grandes plages de débits et ment du réglage du facteur d'air. Les données ci-après permettront de se faire une meilleure idée de la souplesse de fonctionnement d'une perche selon l'invention. Avec un mélange gazeux combustible comprenant essentiellement : hydrogène 59,496, méthane 25%oS azote 12% on a obtenu un fonctionnement parfaitement stable de la flamme en faisant varier la pression d1alimentation du gaz de O à 2 bars. Ceci veut dire que même une diminution brutale d'alimentation en gaz combustible n'éteindra pas la flamme, même si le débit de gaz comburant continue à arriver dans le four, ne serait-ce que par raison de l'inertie mécanique des ventilateurs d 'alimentation. On obtient également une stabilité de la flamme avec divers facteurs d'air n , étant rappelé que le facteur d'air est le rapport du volume d'air deccmbusEbn auvolllmed'air correspondant à une combustion stoechîométrique0 Avec le gaz de composition cidessus indiqué la stabilité totale de la flamme est assurée dans les limites suivantes 5% de la puissance nominale : n compris entre 0,8 et 40 20% de la puissance nominale : n compris entre 0,8 et 10 50% de la puissance nominale : n compris entre 0,8 et 4 100% de la puissance nominale : n compris entre 0,8 et 2 La perche conçue selon l'invention peut fonctionner avec n'importe quel type de combustible,dans de larges conditions d'alimentation et de facteurs d'air le comburant peut être de l'air, préchauffé ou non, enrichi ou non en oxygène. Habituellement l'air est amené dans le four au débit nécessaire et sous la pression suffisante pour vaincre les pertes de charge entre l'entrée du four et l'évacuation à la cheminée des fumées. On notera que compte tenu de la souplesse de conduite des flammes de diffusion avec des perches conformes à l'invention, il est possible de structurer flamme à volonté et également de structurer le volume de chauffe dans un four avec plusieurs cannes différemment réglées pour obtenir le profil de chauffage désiré. Bn outre bien que dans l'exemple de mise en oeuvre décrit on ait utilisé des débits relatifs correspondants de gaz combustible principal et de pilotage de 94% et 6%, ces rapports peuvent être modifiés notablement ; en particulier on obtient un fonctionnement tout à fait satisfaisant pour des rapports variant de 88 à 96% pour le débit de gaz combustible principal correspondant à des variations de débit de gaz combustible de pilotage compris entre 12 et 4%. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec une alimentation en gaz combustible, elle peut s'appliquer sans modification bien importante de structure à une alimentation en gaz combustible liquide, et à tous les mélanges mixtes de combustibles solide- gazeux, liquide-gazeux ou solide-liquide-gazeux. A la figure 7 on a illustré une canne d'injection mixte à pulvérisation pneumatique comportant trois tubes concentriques 30, 3t, 32. Par le tube 30 est amené le combustible liquide, par exemple du fuel, par l'espace annulaire entre les tubes 30, 31 est amené le gaz de pulvérisation et par 1' espace annulaire entre les tubes 31 et 32 le gaz combustible de pilotage. le principe de fonctionnement d'une telle perche est tout à fait semblable à celui décrit en relation aux figures précédentes, à ceci près que l'ensemble des tubes 30 et 31 joue en quelque sorte le r8le du tube interne 4 du mode de réalisation précédemment décrit, et que le débit de gaz de pilotage admis dans l'espace annulaire entre les tubes 31 et 92 correspondant à une puissance calorifique comprise entre 2 et 10% de la puissance nominale du brûleur, sera maintenu sensiblement constant quelle que soit la puissance délivrée à chaque instant à la perche. Ce fonctionnement du pilotage correspond également au cas, non représenté, de la pulvérisation mécanique d'un combustible liquide. La perche schématisée à la figure 1 est alors alimentée séparément en liquide dans le tube central 4 dont l'injecteur 6 est remplacé par une tête de pulvérisation mécanique, et en gaz de pilotage dnns 1' espace annulaire entre les tubes 4 et 5. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation illustrés et décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple, l'invention comprenant tous les équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont réalisées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent REVEND ICÂT C IT I O N S 1 - Perche pour brûleur à flamme de diffusion à haute stabilité utilisable dans toutw sortes de fours comprenant essentiellement une canne d'injection du combustible qui baigne dans le courant de gaz comburant admis dans le four sensiblement parallèlement à l'axe de la perche, ladite perche étant caractérisée en ce que ladite canne comporte - un tube central par lequel est injecté à la tête de la perche tout le combustible injecté à la perche à quelques pour cent près, - un espace annulaire entourant le tube central de la canne et par lequel sont injectés les quelques pour cent restants du combustible qui, sous forme gazeuse à la sortie dudit espace annulaire, assure le pilotage de la flamme, - et un disque d'accrochage ou de stabilisation de la flamme placé sensiblement dans le plan transversal de sortie de la perche perpendiculairement à la direction d'écoulement du gaz comburant. 2 - Perche selon la revendication 1, caractérisée en ce que le disque d'accrochage est percé de trous répartis sur sa surface. 3 - Perche selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le combustible étant du type gazeux ou gazéifié, le rapport du débit de combustible principal admis dans le four par le tube central de la canne au débit du combustible de pilotage admis par ledit espace annulaire est sensiblement constant quel que soit le régime de fonctionnement de la perche. 4 - Perche selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le combustible étant du type gazeux ou gazéifié, la canne comporte deux tubes concentriques, et une seule arrivée de combustible sous pression alimente, d'une part, le tube central qui débouche à la tête de la perche par un injecteur convenablement calibré, et d'autre part, à travers un second injecteur convenablement calibré, l'espace annulaire compris entre les deux tubes et débouchant par un passage annulaire à l'extrémité de la perche, autour du premier injecteur. 5 - Perche selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisée en ce que le rapport du débit de combustible principal injecté par le tube central au débit de combustible de pilotage injecté dans ledit espace annulaire varie dans la fourchette de 88% - 96 pour le combustible principal à 12% - 4% pour le combustible de pilotage. 6 - Perche selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le combustible étant en partie liquide, la canne comporte trois tubes concentriques avec un tube central pour l'injection du combustible liquide à la tête de la perche, un tube intermédiaire concentrique pour l'alimentation de gaz de pulvérisation dans l'espace annulaire entre ledit tube central et ledit tube intermédiaire, et un tube extérieur pour l'alimentation de combustible gazeux ou gazéifié de pilotage dans l'espace annulaire entre ledit tube extérieur et ledit tube intermédiaire. 7 - Perche selon l'une des revendications 1, 2 ou 6, caractériséeen ce que le tube central est alimenté en combustible liquide et l'espace annulaire est alimenté en combustible gazeux ou gazéifié 8 - Perche selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisée en ce que le débit du combustible gazeux ou gazéifié de pilotage est sensiblement constant quel que soit le débit calorifique de la perche. 9-- Perche selon la revendication 8, caractérisée en ce que le débit de combustible de pilotage correspond à une puissance calorifique de quelques pour cent, par exemple entre 2 et 10go, de la puissance calorifique nominale du brûleur. 10 - Fours à flammes de diffusion caractérisés en ce qu'ils utilisent des perches du type décrit dans l'une quelconque des revendications précédentes, lesdites perches étant convenablement réparties et alimentées pour obtenir dans le four l'atmosphère de flamme de diffusion souhaitée.