Brevet FR2454837A1 — publié le 19801121

La présente invention concerne une canne d'injection et de pulvérisation de résidus liquides chargés et visqueux. L'invention est utilisable dans le domaine du traitement des résidus, soit icur la réalisation d'un injecteur simple dans le cas où une bonne pulvérisation est requise, soit pour la ra'alisa- tion d'une canne de brûleur, au sein d'un équipement de chauffe placé par exemple sur un four d'incinération. Les cannes d'injection ou les cannes de brûleur utilisées couramment pour cette fonction sont en fait des matériels dérivés de ceux utilisés classiquement pour pulvériser de l'eau ou du mazout. La présence d'impuretés interdit la pulvérisation dite mécanique dans laquelle le fluide à pulvériser doit passer dans des orifices calibrés de petit diamètre. On utilise donc la pulvérisation dite "assistée" ou "à fluide auxiliaire" suivant laquelle le résidu est pulvérisé par une injection à forte vitesse d'un autre fluide, généralement gazeux, par exemple : de la vapeur, de l'air comprimé, du gaz comprimé, ou autres. L'injection du fluide de pulvérisation se fait généralement soit par détente directe, soit par détente étagée, l'injection du fluide de pulvérisation se faisant alors dans une "chambre d'émulsinon maintenue à basse pression, et le mélange obtenu entre le résidu et le fluide de pulvérisation se détendant alors entre la chambre d'émulsionet l'extérieur. Certains constructeurs ont adopté un compromis consistant à effectuer l'injection du fluide de pulvérisation à l'arrière de la buse de pulvérisation, le mélange ainsi obtenu se détendant dans la partie conique formant l'avant de la buse de pulvérisation. Dans tous les cas, les injections de fluide de pulvérisation peuvent etre soit "radiales", l'injection ayant lieu, en fait, suivant des directions concourantes avec l'axe de la canne, soit "tangentielles", I'injection ayant alors lieu, en fait, suivant des directions tangentes à un cercle moyen de diamètre inférieur àcelui de la buse. quelle que soit la solution utilisée, les résultats obtenus par ce matériel sont très moyens, surtout lorsque la viscosité du résidu est éievée. les principaux défauts que l'on rencontre sont les suivants - Mauvaise pulvérisation, surtout lorsque les injections de fluide auxiliaire sont "tangentielles" : le jet de fluide auxiliaire ne Fénètre pas suffisamment le jet de résidu et le centre de celuici n'est pas pulvérisé.Les conséquences de cette mauvaise pulvérisation sont nombreuses : présence dtimbrûlés solides et gazeux en sortie de four, c'est-à-dire émission de fumées, formation de lave dans les fours, collage de particules sur les parois avec agglomération de ces particules, instabilité de flamme, possibilité de miniexplosions ou de réallumage dans les fours ou en aval de ceux-ci, et autres inconvénients. - Mauvaise divergence de la flamme, surtout lorsque les injections de fluide auxiliaire sont "radiales". L'interpénétration des jets est meilleure, mais, l'ensemble ne tournant pas, le jet résultant ne s'évase pas à la sortie de la buse. Les conséquences en sont : instabilité de flamme, décrochements de flammes, induction de vibrations tant dans le circuit de gaz de combustion que dans les circuits d'alimentation de la canne de brûleur, et autres inconvénients. - Bouchage des orifices de la buse, surtout dans le cas de la pulvérisation étagée. Pour maintenir une certaine pression dans la "chambre d'émulsion", il est en effet nécessaire de disposer d'orifices relativement limités en section, ce qui conduit à des bouchages dans le cas de résidus chargés. - Pulsations au niveau des buses d'injection de fluide de pulvérisation. Ces pulsations sont essentiellement dues aux variations de la pénétration du fluide auxiliaire dans le résidu à pulvériser. les pulsations se propagent en aval sous forme de battements de flamme pouvant aller jusqu'au déclenchement par sécurité de flamme, et en amont sous forme de vibrations de pression dans la conduite pouvant aller jusqu'à des détériorations de matériel dans le cas où un phénomène de résonance apparaît. La présente invention a pour but de réaliser une canne répondant aux trois critères suivants - Bonne pulvérisation du résidu même dans le cas où la viscosité de celui-ci est élevée. - Bonne divergence du jet pulvérisé. - Stabilité de pression dans les conduites d'alimentation, même si de légères pulsations apparaissent sporadiquement au niveau de l'injection du fluide de pulvérisation. Une canne d'injection et de pulvérisation suivant l'invention, dans laquelle les pièces nécessaires à la pulvérisation sont précédées d'un manchon d'équilibrage que traversent les circuits de résidu à pulvériser et de fluide de pulvérisation, est caractérisée en ce que la perte de charge du circuit de résidu dans le manchon d'équilibrage est supérieure au niveau de perturbation consécutif aux pulsations provoquées par la pulvérisation du produit à pulvériser. Le manchon d'équilibrage comporte de préférence sur l'un quelconque de ses circuits une section calibrée de longueur déterminée pour obtenir une perte de charge suffisant à amortir les pulsations. Suivant une forme d'exécution de la canne selon l'invention, cette canne comporte, immédiatement en aval du manchon d'é équilibrage un émulseur dont la chambre at émulsioncomprend un diaphragme d'entrée, par lequel s'effectue l'arrivée de résidu, un diaphragme de sortie, et, dans la paroi latérale qui s'étend entre les deux diaphragmes, des buses de pulvérisation par llintermé- diaire desquelles s'effectue l'arrivée de fluide de pulvérisation. Les buses de pulvérisation de l'émulseur sont disposées de façon à introduire une rotation de l'émulsion réalisée. Les buses de pulvérisation de l'émulseur sont disposées de façon que les axes des jets soient tangents à un cône imaginaire dont le sommet se trouve à llentrée de l'émulseur et dont la base est située à un endroit quelconque le long de l'émulseur. Les buses de pulvérisation de l'émulseur peuvent être disposées de façon que les axes des jets soient tangents à un cône coaxial avec la chambre d'émulsion. Les buses de pulvérisation de l'émulseur sont de préférence disposées suivant trois rangées successives, chaque rangée étant disposée le long d'une même circonférence, les jets de la première rangée étant tangents au cône au voisinage de son sommet, les jets de la deuxième rangée étant tangents à un cercle imaginaire dont le diamètre est égal environ à la moitié du diamètre de la chambre d'émulsion, et les jets de la troisième rangée étant presque tangentiels à la paroi latérale de la chambre d'émulsion. La canne comporte, en aval de l'émulseur, une buse finale de pulvérisation munie d'une série de buses d'injection disposées de façon que les jets correspondants induisent, au niveau de l'émulsion, un mouvement de rotation en sens inverse du mouvement de rotation induit par les buses de pulvérisation de l'émulseur. Suivant une variante de l'invention, la canne comporte, en aval de l'émulseur, une buse finale de pulvérisation munie d'une série de buses d'injection disposées de façon que les jets correspondants induisent, au niveau de l'émulsion, un mouvement de rotation dans le même sens que le mouvement de rotation induit par les buses de pulvérisation de l'émulseur. Le sens de rotation choisi dépend des caractéristiques des produits à pulvériser, et de l'utilisation qui est faite du matériel. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention. Figures 1 à 3 sont des vues montrant, en section suivant un plan longitudinal passant par l'axe, trois buses de pulvérisation connues. Figure 4 est une vue d'une canne d'injection et de pulvérisation suivant l'invention, en section suivant un planiongitudi- nal passant par l'axe. Figure 5 est une vue en perspective et en section de la chambre d'émulsion de l'émulseur de la canne représentée sur la figure 4. Les figures 1 à 3 montrent les circuits de produit à pulvériser i et de fluide de pulvérisation 2 respectivement, dans le cas d'une buse de pulvérisation à détente directe, dans le cas d'une buse de pulvérisation à détente étagée du fluide de pulvérisation, et dans le cas d'une buse de pulvérisation à injection dite "arrière" du fluide de pulvérisation. Dans les trois cas, on note à l'usage les divers inconvénients déjà décrits plus haut. On a représenté sur la figure 4 une canne d'injection et de pulvérisation qui se compose essentiellement d'un manchon d'équilibrage 3, d'un émulseur 4 et d'une buse finale 5. le manchon d'équilibrage 3 reçoit le résidu à pulvériser et le fluide de pulvérisation par des tubes respectifs 1 et 2. Une longueur droite de section calibrée 6 est prévue à-l'intérieur du manchon d1équilibrage, sur le circuit de résidu. Le diamètre de cette longueur droite est calculé en fonction du débit de résidu et de la taille des particules qui peuvent circuler. La longueur en est définie en fonction de la viscosité, de façon que la perte de charge ainsi créée soit dans tous les cas supérieure aux variations de pression induites par les pulsations qui pourraient survenir au niveau de l'injection du fluide auxiliaire de pulvérisation.Dans ces conditions, même si de telles pulsations se produisent, la perturbation correspondante ne peut pas remonter en amont du manchon d'é- quilibrage, ce qui permet d'éviter un phénomène classique de résonance et d'aboutir au contraire à un auto-amortissement des vibrations. l'émulseur 4 renferme une chambre d'émulsion 7 délimitée à l'intérieur d'une paroi tubulaire 8 entre un diaphragme axial amont 9 et un diaphragme axial aval 10. La longueur droite de section calibrée 6 du manchon d'équilibrage 3 débouche sur le diaphragme 9, tandis que le circuit de fluide de pulvérisation aboutit dans l'émulseur 4 à une chambre annulaire i1 délimitée autour de la paroi 8. Trois rangées de buses de pulvérisation 12, 13 et 14 sont disposées à travers la paroi 8. Chaque rangée s'étend le long d'une uns circonfé- rence de la paroi 8, les jets des buses de pulvérisation étant dirigés de façon à etre tangents à un cône imaginaire 15 représenté sur la figure 5. Le sommet du Conte 15 se situe au milieu du diaphragme 92 et sa base se situe environ aux trois quarts de la longueur de la chambre d'émulsion 7 en direction du diaphragme 10, ce cône 15 étant coaxial avec la chambre d'émulsion 7. On voit sur la figure 5 que les jets correspondant à la première rangée de buses de pulvérisation 12 sont situés au voisinage du sommet du cône 15. Les jets associés à la deuxième rangée 12 sont tangents à un cercle imaginaire 16 dont le diamètre est égal environ à la moitié du diamètre de la chambre d'émulsion 7. Les jets associés à la troisième rangée 13 ont presque une orientation tangentielle par rapport à la chambre d'émulsion 7. La buse finale 5 est d'un type classique à détente directe. Elle reçoit l'émulsion réalisée dans l'émulseur 4 entre le résidu et le fluide de pulvérisation par l'intermédiaire du diaphragme aval 10, tandis que la chambre annulaire 11 de l'émulseur 4 débouche dans une chambre annulaire 17 de la buse finale 5 d'où partent une série de jets 18. Les axes de ces jets sont orientés de façon à constituer aes génératrices d'un même hyperboloide a une seule nappe, et à induire au sein de l'émulsion une rotation se produisant en sens inverse de la rotation induite par les buses de pulvérisation de l'émulseur 4. Cette particularité a pour effet de casser les effets de la centrifugation, et d'améliorer ainsi le résultat de la pulvérisation. En effet, le mélange émulsionné étant en rotation, il se produit par centrifugation un vide à la partie centrale du flux. Dans ces conditions. même si les jets 18 de la buse firale 5 nan- quent de force de pénétration pour pénétrer au sein du flux, cela n'a aucune conséquence défavorable. En outre, l'inversion du sens de rotation associée à l'effet de "venturi" du diaphragme de sortie 10 de l'émulseur a pour effet de réaliser une fragmentation très fine des particules. Comme on peut le voir sur la figure 4, le flux obtenu à la sortie de la canne d'injection et de pulvérisation suivant l'in- vention présente lui-même à peu près la forme d'un hyperboloide à une nappe. RhXENDICATIOlIS 1. Canne d'injection et de pulvérisation dans laquelle les pièces nécessaires à la pulvérisation sont précédées d'un manchon d'équilibrage que traversent les circuits de résidu à pulvériser et de fluide de pulvérisation, caractérisée en ce que la perte de charge du circuit de résidu dans le manchon d'équilibrage est supérieure au niveau de perturbation consécutif aux pulsations par la pulvérisation du produit à pulvériser. 2. Canne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le manchon d'équilibrage comporte sur l'un quelconque de ses circuits une section calibrée de longueur déterminée pour obtenir une perte de charge suffisant à amortir les pulsations. 3. Canne suivant l'une quelconque des revendications 1, et 2, caractériséè en ce qu'elle comporte, immédiatement en aval du manchon d'équilibrage, un émulseur dont la chambre d'émulsion comprend un diaphragme axial d'entrée, par lequel s'effectue l'arrivée de résidu, un diaphragme axial de sortie, et, dans la paroi latérale qui s'étend entre les deux diaphragmes, des buses de pulvérisation par l'intermédiaire desquelles s'effectue l'arrivée de fluide de pulvérisation. 4. Canne suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les buses de pulvérisation de l'émulseur sont disposées de façon à induire une rotation de l'émulsion réalisée. 5. Canne suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les buses de pulvérisation de l'émulseur sont disposées de façon que les axes des jets sr > ient tangents à un cône imaginaire dont le sommet se trouve à l'entrée de l'émulseur et dont la base est située à un endroit quelconque le long de l'émulseur. 6. Canne suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les buses de pulvérisation de l'émulseur sont disposées de façon que les axes des jets soient tangents à un cône coaxial avec la chambre d'émulsion. 7. Canne suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que les buses de pulvérisation de l'émulseur sont disposées suivant trois rangées successives, chaque rangée étant disposée le long d'une même circonférence, les jets de la première rangée étant tangents au cône au voisinage de son sommet, les jets de la deuxième rangée étant tangents à un cercle imaginaire dont le diamètre est égal environ à la moitié du diamètre de la chambre d'émulsion, et les jets de la troisième rangée étant presque tangentiels à la paroi latérale de la chambre d'émulsion. 8. Canne suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte, en aval de l'émulseur,une buse finale de pulvérisation munie d'une série de buses d'injection disposées de façon que les jets correspondants induisent, au niveau de l'émulsion, un mouvement de rotation en sens inverse du mouvement de rotation induit par les buses de pulvérisation de l1émul- seur. 9. Canne suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisée en ce quelle comporte, en aval de l'émulseur, une buse finale de pulvérisation munie d'une série de buses d'injection disposées de façon que les jets correspondants induisent, au niveau de émulsion, un mouvement de rotation dans le même sens que le mouvement de rotation induit par les buses de pulvérisation de l'émulseur.