Brevet FR2336633A1 — publié le 19770722

DB nombreuses opérations thermiques nécessitent l'emploi de brûleur à intensité de combustion élevée : la comBaztion la plus intensive est obtenue par des brtleurs utilisant un prémélange de gaz combustible et d'un comburant tel que l'air, réalisé avant le bruleur. Cependant, les brûleurs industriels à prémélange courants sont soumis à un certain nombre de contraintes d'utilisation, qui limitent la généralisation de l'emploi de ce type de bruleur, par - suite des inconvénients suivants - relativement faible souplesse de fonctionnement, à la fois en débit calorifique et en taux d'aération, étant rappelé que le taux d'aération est le rapport entre la quantité d'air effectivement fournie au brûleur et la quantité d'air stoechiométrique permettant la combustion complète, au dei4 du gaz considéré, - risques de retour de flamme dans les conduites en amont du brûleur lors du fonctionnement à bas débit, - impossibilité d'effectuer unerécupération de la chaleursensible des produits de combustion pour préchauffer le fluide gazeux avant combustion, les différentes contraintes d'utilisation augmentant avec la taille des bruleurs. Pour pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus, tout en obtenant des taux de combustion les plus élevés possible, et en produisant de préférence une atmosphère de qualité chimique choisie, et plus particulièrement réductrice, lors d'une combustion partielle du gaz, le brûleur à prémélange de la présente invention utilise le principe de la contre-rotation, principe connu en soi comme appliqué auparavant à des bruleurs fonctionnant sans prémélange d'air et de gaz. Plus particulièrement, le bruleur à prémélange de la présente invention, utilisant un mélange de gaz combustible et d'air admis sous pression, par exemple de l'ordre de 2 bars, comporte une chambre annulaire périphérique d'arrivée du mélange gazeux, ladite chambre annulaire entourant au moins en partie une chambre centrale d'injection formant foyer avec laquelle elle communique par l'intermédiaire d'injecteurs disposés dans deux plans décalés axialementl et montés en contre-rotation. L'écoulement rotatoireen un sens du mélange gazeux au niveau du premier plan d'injecteuxs situé en amont par rapport à la circulation du fluide gazeux dans le brûleur, s'effectue trop rapidement et trop régulièrement pour permettre un début de combustion. C'est au niveau du second plan d'injecteum que le brassage important et la turbulence intense, assurés par la contre-rotation du second débit de mélange gazeux qui heurte le premier débit, ont pour effet de favoriser les réactions de combustion et le bon déroulement de ces réactions. Pour mieux réaliser les conditions favorables de turbulence, les deux plans d'injecteursdu brûleur de la présente invention sont à une distance réduite l'un de l'autre, par exemple inférieure au tiers du diamètre de la chambre centrale d'injection. D'autre part, pour éviter tout risque de retour de flamme dans les conduites en amont du brûleur par rapport à l'écoulement du flux gazeux, il est possible de limiter le diamètre des injecteurs de prémélange, de façon à réaliser une vitesse d'injection à l'intérieur de la chambre centrale sensiblement supérieure à la vitesse de propagation de la flamme : ainsi, les diamètres deforifices des injecteurs sont faibles, et de préférence, pour des raisons de sécurité maximales, inférieursà la distance de coincement, étant rappelé que la distance de coincement est le diamètre le plus petit à partir duquel, à débit nul, la combustion ne peut remonter de l'autre côté de l'orifice. L'invention sera mieux comprise, et ses buts, caractéristiques et avantages apparattront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif illustrant un mode de réalisation spécifique rdiLs4ied'un bruleur selon l'invention, et dans lesquels - la figure 1 est une vue de profil en coupe transversale d'un brûleur selon l'invention, représenté schématiquement, - la figure 2 est une vue de plan en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, avec en éclaté un bouchon et un injecteur, - la figure 3 est une vue de plan en coupe suivant la ligne III - III de la figure 1, et - la figure 4 est une vue de face en extérieur. La figure 1 est en fait une coupe transversale selon la ligne I-I de la figure 4. Le brûleur 10, conforme à l'invention, comporte une chambre annulaire périphérique 11 entourant une chambre centrale d'injection 12, formant foyer, coaxiale à la chambre annulaire. La chambre annulaire périphérique il présente une paroi externe 13, sensiblement cylindrique circulaire, et une paroi interne 14, également sensiblement cylindrique circulaire, formant la paroi de la chambre centrale 12. La paroi 15 constitue la paroi de fond du brûleur, recouvrant en une seule pièce les deux chambres précitées. Une bride 16 assure d'une part la jonction étanche des chambres il et 12 et d'autre part le montage du brûleur dans le four ou dans le cubilot de fonderie (non représenté) à l'aide de trous tels que 17, prévus à cet effet. La plaque de fond 15, comporte, au centre de la chambre d'injection 12, une ouverture 18, constituant un emplacement libre pour visée optique, ou bien dimensionnée pour laisser passer éventuelle- ment des produits, un dispositif d'allumage, ou encore permettant la mise en place d'un dispositif de détection de flamme par exemple par cellule photo-électrique. L'arrivée du prémélange gazeux dans la chambre annulaire 11 se fait par une canalisation 20, au travers de la plaque de fond 15. Be fluide gazeux pénètre ensuite à partir de la chambre ptriphéri que il dans la chambre centrale d'injection 12 au moyen de systèmes d'injection tels que 21, 22 et 25, 26. Dans le mode de réalisation illustré, on a supposé qu'il y avait quatre systèmes d'injection tels que 21, 22, disposés angulairement dans le plan P1 et quatre systèmes d'injection tels que 25, 26, disposés angulairement dans le plan P2. Le système d'injection dans la chambre 12 formant foyer du brûleur représenté, apparat plus clairement à 1 1étude de la figure 2 (coupe transversale au niveau du plan P2) ; en éclaté, figure l'injecteur 30, correspondant au système d'injection 25 ; cet injecteur comprend un corps fileté 30a et une tête lisse 30b ; il est introduit dans un embout 31 rapporté et percé dans la paroi 14 ; cet embout est soudé tangentiellement à la partie annulaire centrale, et il est alésé et taraudé sur une partie 31a, la différence de diamètre entre les deux parties de 1 'embout définissant une portée sur laquelle vient buter le corps de l'injecteur.On met en place l'injecteur en le faisant pénétrer au travers de la paroi 13 par un embout taraudé 32, rapporté et soudé à la paroi 13, les embouts 31 et 32 étant disposés coaxialement à la suite l'un de l'autre. L'embout 32, lors du fonctionnement du brûleur, est obstrué de façon étanche par un bouchon 33. Les autres systèmes d'injection 26, 27 et 28 du plan P2 sont illustrés à l'état monté. Ils sont tous disposés angulairement de façon à provoquer un courant de fluide gazeux, tangent à la paroi 14 et circulant dans un seul sens. La figure 3 illustre le montage symAtrique, à contre-sens, des systèmes d'injection 21, 22, 23, 24 du plan P1 par rapport aux systèmes d'injection 25, 26, 27, 28 du plan P2 Comme expliqué précédemment, gracie à la disposition décrite, le courant de fluide gazeux tournant dans un sens au niveau du plan P1 rencontre la seconde arrivée de fluide gazeux à contre sens au niveau du plan P2. Il y a alors à ce niveau brassage énergique du mélange gazeux, et production à cet endroit d1une femme très chaude et courte.Pour le meilleur fonctionnement possible du brûleur, il y a intérêt à ce que la distance entre les plans P1 et P2 soit la plus courte possible : ainsi, en se reportant à la figure 1, cette distance est inférieure à 20 mm, plus précisénentie l'ordre de 18,5 mm. Avec un brûleur de ce type et de cet ordre de grandeur, où l'on fait arriver un fluide gazeux prémélangé sous une pression de 2 bars composé de gaz naturel riche en méthane et d'air, avec un taux d'aération d'environ 0,6 (défaut d'air), par des injecteurs dont le diamètre des orifices est égal à 3,4 mm, on peut obtenir une puissance de chauffe de l'ordre de 100 Mégacaloriespar heure. En augmentant de façon appropriée la taille du brûleur selon l'invention, on pourra obtenir des puissances de chauffe nettement plus élevées, et supérieures aux puissances obtenues dans les brû- leurs exécutés jusqu'à présent. La circulation rapide du prémélange à l'intérieur de la chambre 1 1 assure un-refroidissement permanent et efficace du corps du brûleur : cet avantage permet de réaliser ledit corps de brûleur en un matériau autre que réfractaire, tel qu'en acier soudé, comme représenté sur le mode de réalisation illustré par les figures. En outre, la sécurité du point de vue des risques de retour de flamme est assurée, puisqu'il est toujours possible de limiter le diamètre des injecteurs de prémélange, par substitution simple et rapide dudit injecteur, ou encore d'augmenter la pression d'ali mentation. On peut également prévoir d'augmenter le nombre des injecteurs. Ainsi, la conception du brûleur à combustion intensive, melon la présente invention, assure toute la sécurité requise et une liberté complète d'utilisation de la partie amont du brûleur, pour tout dispositif annexite. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée au mode d'exécution décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'sYemple.+En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R 1D V B N D I C A T I O Ii S t - Eruleur à prémélange de gaz combustible et d'air admis sous pression, par exemple de l'ordre de 2 bars, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre annulaire périphérique d'arrivée du mélange gazeux, ladite chambre annulaire entourant au moins en partie une chambre centrale d'injection formant foyer avec laquelle elle communique par l'intermédiaire d'injecteurs disposés dans deux plans décalés axialement,et montés en contre-rotation. 2 - Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les diamètres des orifices des injecteurs sont faibles, de préférence inférieurs à la distance de coincement. 3 - 3rouleur selon l'une des revendications 1 ou 2. caractérisé en ce que la distance entre les deux plans d'injecteurs précités est réduite, par exemple inférieure au tiers du diamètre de la chambre centrale d'injection. 4- Brûleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la distance entre les deux plans d'injecteurs précités est réduite, par exemple inférieure à 20 mm. 5 - 3rouleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois des chambres sont en acier soudé. 6 - 13rtleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plaque de fond de la chambre d'injection comporte une ouverture dimensionnée pour laisser passer desaccessoires. 7 - Four industriel caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un bruleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour donner une atmosphère de qualité chimique choisie et plus particulièrement réductrice.