Brevet FR2339133A1 — publié le 19770819

La présente invention concerne des brûleurs utilisant du carburant liquide ou gazeux dont on se sert par exem- pie pour différentes sortes de fuel ; plus particulièrement il s'agit de brûleurs constitués de façon à obtenir une réduction considérable de formation d'oxyde de nitrogène (NOx) pendant la combustion. On sait déjè que, d'une façon générale, l'augaenta- tion de la température d'une fia-e d'un brûleur va de pair avec l'augientation de formation d'NOx. Pour obtenir une ré- duction du NOx, on a essayé de contrôler l'augmentation de la température de la flamme par une méthode selon laquelle l'ex- cément en air est réduit au iaxiaun pour atteindre le taux de mélange idéal ou bien le gaz d'échappement est recyclé et mélangé avec l'air de coabustion. D'autre part, on sait déjà qu'un tourbillon circulaire d'une flamme de combustion a un effet important sur la réduction du NOx ; pour mettre en pratique cette dernière mé- thode, on a utilisé un dispositif dans lequel le gaz de coa- bustion (ou gas de four) est ais en circulation par une forte injection d'air créant un tourbillon dans la circulation. Ce genre de dispositif a un désavantage ; ainsi, par exemple, la forme des brûleurs est compliquée, une partie constructton réfractaire à haute température pose beaucoup de problèmes et l'efficacité de l'échange de chaleur est réduite par la pression considérablement élevée de l'air en combus- tion par le ralentissement de la combustion et, enfin, les huiles lourdes ne conviennent pas è cause de la conformation du brûleur ; ainsi, en somme, l'effet de réduction de NOx qu'on a recherché nta pas encore été pleinement obtenu. Un but de la présente invention est un brûleur d'une structure très simple qui rend possible la dépression d'NOx d'une façon très efficace. Le premier objet de la présente invention est un brûleur dans lequel un phénomène de tourbillon efficace est créé dans une partie de la flamme de combustion afin d'obtenir une réduction d'NOx en injectant de l'air tourbillonnant ; le second objet est un brûleur qui est d'une structure très simple, qui est durable, facile d fabriquer et B utiliser, à entretenir et k contrôler, etc.... Conforméaent à la présente invention, un type de brt- leur réducteur d'NOx comporte un tuyau d'injection de combustible placé dans le centre du bradeur, un tuyau d'injection d'air exterieur dans lequel est placé le tuyau d'injection de combustible pour former un conduit d'air entre les deux tuyaux, un dispositif pour créer un tourbillon dans l'air passant par le conduit est prévu i l'intérieur du tuyau d'injection d'air et un conduit pour injecter le tourbillon d'air créé par le dispositif et qui est en communication avec le tuyau d'injection d'air. La figure 1 est une vue partiellement en coupe d'une réalisation d'un brûleur selon la présente invention la figure 2 est une coupe longitudinale de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en section pour expliquer le fonctionnement de la combustion dans le cas du brûleur selon la présente invention ; et la figure 4 est un graphique comparant l'aspect de la courbe de la température du brûleur selon l'invention et celle d'un brûleur conventionnel. Un brûleur attaché b un four A comprend un tuyau d'injection de combustible 1 placé dans l'axe central du br- leur et un tuyau extérieur d'injection d'air 2 pour amener de l'air vers une partie de combustion, ledit injecteur de combustible étant placé i l'intérieur. Le tuyau d'injection d'air 2 a une forme et une disposition spéciales qui seront décrites dans la suite. Le corps du tuyau d'injection d'air 2 est partagé en deux parties, la seconde présentant un diamètre 3 plus grand, comme on le voit sur les dessins, et un espace annulaire formé entre le tuyau 3 et le tuyau d'injection 1 placé concentriquement au précédent sert de conduit d'air. En outre, la partie 3 du tuyau comporte A son intérieur des aubes 4 qui peuvent tourner ou qui sont fixes. Ces aubes sont formées avec un certain nombre de lames mobiles disposées radialement b distances égales.Ces lames sont distordues dans le sens de la longueur de façon b traverser le courant d'air, par exemple avec un angle compris entre 450 et 75- par rapport B l'axe de la direction de l'écoulement de l'air. Ainsi l'air qui est envoyé du haut dans la partie 3 b grand diamètre du tuyau selon la direction de la flèche a, est entrainé dans un tourbillon en traversant ces aubes 4 ; ensuite, il est injecté avec force dans le four A tout en tourbillonnant corme il est in dilué par les flèches b.Si l'angle indiqué ci-dessus est inférieur à 45 , la flamme du brûleur peut être trop faible et si cet angle est supérieur à 75 , la perte de pression causée par les aubes peut augmenter. La partie du tuyau 3 i grand diamètre se termine en tronc de cône pour former un étranglement de section 5 afin d'obtenir une accélération de l'air ; le taux d'inclinaison de cette partie est compris entre 0,4 et 0,8. On devrait obtenir une vitesee d'injection du combustible plus rapide que le taux de transfert du combustible. Le taux d'injection du combustible peut butte varié selon le carburant utilisé et il est de préférence compris entre 20 et 60 FJsec. En outre, la section d'étranglement 5 communique à sa sortie avec un conduit 7 à air tourbillonnant. Ce conduit A air tourbillonnant 7 est identique au diamètre D de la partie 7 et il est entouré par des briques réfractaires 6.Ainsi l'air passe par le conduit d'air tourbillonnant 7 en tourbillonnant comme l'indiquent les flèches b et est injecté è l'intérieur du four A. La longueur L de la partie 7 est g peu près égale d 4 fois le diamètre D. Le tuyau d'injection de combustible est introduit dans la partie 7 jusqu'à une distance de louver- ture de sortie qui varie entre 0,1 et 4,0 fois le diamètre D de cette ouverture, de préférence entre 0,5 et 1,0 fois oe diamètre. Une distance inférieure d 0,1 fois pourrait disturber le mélange et une distance de plus de 4,0 fois pourrait augmenter la quantité de NOx produite. Le brûleur monté selon la présente invention présente l'aspect décrit dans l'exemple ci-dessus, l'air qui est introduit dans le tuyau d'iniection 2 en direction de la flèche a est mis à tourbillonner lorsqu'il passe par les aubes 4 qui se trouvent dans le tuyau i grand diamètre 3, comme il a été dit plus haut ; ensuite, la vitesse de l'air est encore augmentée en tourbillonnant selon la direction des flèches b passant par la section d'étranglement 5 pour accélérer le débit qui provient de la partie 3 et enfin après entre passé par le conduit d'air tourbillonnant 7, l'air est injecté avec force dans le four A.Ainsi, comme c'est montré sur la figure 3, cet air tourbillonnant engendre une partie à pression plus basse, plus particulièrement à l'intérieur du conduit 7 et à proximité de son ouverture de débit autour des axes du tourbillon d'air, afin d'obtenir une circulation favorable comme celle indiquée par la flèche c. Les lignes pointillées sur la figure 3 présentent des lignes de répartition de la pression. D'autre part, le combustible tel que l'huile ou un gaz qui a été injecté par la sortie de l'injecteur de combustible 1 dans le four A avec un angle compris entre 5* et 60- par rapport aux axes de circulations, heurte la circulation à haute température du gaz de combustion à l'intérieur du four A. Il s'ensuit que, lorsqu'on utilise de l'huile, cette huile entre rapidement dans un état gazeux. Or, si on a utilisé un gaz, celui-ci est dispersé dans et mélangé avec l'air ; ensuite, le gaz est entraîné par le tourbillon de l'air qui l'entoure et ainsi la combustion est partie.Cette combustion est extrêmement rapide si on la compare avec la combustion de l'huile habituelle ; en effet, le combustible a déjà été transformé dans un état gazeux par la circulation àhaute température du gaz de combustion. Plus particulièrement, l'impact du gaz de combustion circulant à haute température contre le combustible a un effet remarquable sur la rapidité de la combustion. En outre, parce que simultanément le tourbillonnement de l'air produit une zone B de gaz atomisé, comme on le voit sur la figure 3 devant l'extrémité du tuyau d'injection 1, qui s'étend jusqu'à la région C dans laquelle la flamme se produit, le champ de combustion va s'étendre dans la direction des axes des brûleurs.On peut ajouter ici que la répartition des températures du brûleur de la présente invention, et montrée sur la figure 4, est comparée avec un brûleur normal dans le cas où l'huile est utilisée comme carburant. Eh d'autres mots, les brûleurs utilisés dans l'art antérieur faisaient monter la température à l'intérieur des briques qui les entourent àl'endroit même où la flamme se formait et les NOx sont formés, tandis qu'en utilisant la disposition selon la présente invention, la combustion commence à intérieur du four A après que l'huile a quitté le conduit 7 comme il a été décrit plus haut. Ce phénomène est bien représenté sur la figure 4 qui indique que dans le procédé selon la présente invention, la température maximale de la flamme est à peu près 100. en dessous de celle du brûleur ordinaire et que la zone de haute température est déplacée vers l'intérieur du four A, le graphique de la température de la flamme suit une ligne relativement plate et régulière.La raison de ce comportement est la dilutioa de la flamme à l'intérieur de la circulation des gaz de combustion à haute température, qui a comme résultat une forte réduction de la quantité de NOx créée par les brûleurs. Des essais ont déterminé les valeurs de NOx en comparant les résultats avec un brûleur selon l'invention et un brûleur ordinaire en prenant de l'huile comme combustible et les résultats sont montrés dans le tableau suivant : Ru tort de l'air avec Brûleur de 1:1 1:2 1::4 brûleur selon l'invention 51 pp 62 ppm 84 ppg brûleur ordinaire 130 ppm 180 ppm 200 ppm Dans ce tableau, la température du four est de 1 250^, le combustible est de l'huile lourde Minas et chaque valeur de NOx en ppm est réduite à 11 % de En comparant les chiffres de ce tableau, on constate que le brûleur dans l'invention ferme 40 % d'NOx seulement par rapport aux brûleurs ordinaires, ce qui indique que le nouveau brûleur est une excellente solution pour la réduction d'NOx. Ayant ainsi décrit le brûleur correspondant à la présente invention, on constate qu'il peut produire une circulation de gaz combustible et, en conséquence, réduire la production diNOx qui est considéré actuellement corme un des pollueurs industriels. En outre, la présente invention concerne des brûleurs qui ont d'autres avantages, par exemple une grande durabilité, une fabrication facile et à prix réduit, et un entretien et un contrôle faciles, car la structure du brûleur est simple. Ces brûleurs sont donc d'un avantage remarquable pour l'industrie chaque fois que des fours sont utilisés. R E v E N D I C A T I O N S 1. Brûleur du type à réduction d'NOx qui comporte un tuyau d'injection de combustible placé dans l'axe central dans ledit brûleur ; un tuyau d'injection dtair extérieur pour l'agence de l'air et dans lequel un tuyau d'injection de combustible est introduit pour former un conduit d'air entre les deux ; des moyens pour produire un tourbillon à l'intérieur dudit conduit placé à l'intérieur dudit tuyau d'injection d'air et un conduit pour injecter ce tourbillon d'air produit par les moyens indiqués dans un four, ce conduit étant en communication avec le tuyau dtinjection d'air. 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux d'injection d'air en tourbillon est supérieur au taux d'injection du carburant. 3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vitesse d'injection d'air en tourbillon est compris entre 20 et 60 m/sec. 4. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un moyen pour accélérer l'air est prévu en outre entre ce conduit d'air en tourbillon et ledit tuyau d'injection d'air. 5. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé ce que le moyen pour accélérer l'air est une partie à étranglement dans lequel le rapport entre le tuyau d'injection d'air et le conduit à tourbillon est compris entre 0,4 et 0,8. 6. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour introduire un tourbillon dans l'air comprennent des aubes placées en biais. 7. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour introduire un tourbillon dans l'air comportent des lames tournantes. 8. Brdleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les aubes forment un angle compris entre 45. et 75- avec l'axe de l'écoulement de l'air. 9. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tuyau d'injection du combustible est placé dans le conduit air tourbillonné de façon à ce que l'extrémité anté rieure/placée à une distance de l'ouverture de ce conduit qui est comprise entre 0,1 et 4,0 fois le diamètre dudit conduit. 10. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tuyau d'injection du combustible est placé dans conduit à air tourbillonné de façon à ce que l'extrémité antérieure est placée à une distance de l'ouverture de ce conduit qui est comprise entre 0,5 et 1,0 fois le diamètre dudit conduit.