Brevet FR2520484A1 — publié le 19830729

Brûleur-injecteur destiné à brûler des liquides corrosifs, visqueux ou chargés de particules solides. La présente invention a pour objet des brûleurs destinés à brûler des liquides corrosifs, visqueux ou chargés de particules soli des qui sont pulvérisés par la détente d'un fluide auxiliaire. Le secteur technique de l'invention est celui de la construc tion de brûleurs destinés à brûler des liquides plus ou moins combusti bles tels que des résidus, des effluents, ou encore des combustibles liquides chargés de particules de charbon pulvérisé. La lutte contre les pollutions liquides et la recherche d'é- conomiesd'énergies conduisent de plus en plus à construire des brûleurs qui permettent de brûler des liquides polluants tels que des effluents liquides ou des résidus, ce qui permet à la fois de supprimer ces liqui des polluants qui sont décomposés par les flammes et de récupérer des calories, car la plupart de ces effluents ont un pouvoir calorifique plus ou moins grand. Une autre voie pour économinser les produits pétroliers con siste à brûler des combustibles pétroliers liquides qui sont chargés de particules de charbon pulvérisé. Un objectif de la présente invention est de procurer des brû leurs qui sont particulièrement bien adaptés à ces deux applications et qui permettent d'injecter au centre de la flamme un ou plusieurs li quides visqueux et/ou corrosifs et/ou chargés de particules solides, qui peuvent avoir un pouvoir calorifique faible et qui peuvent brûler difficilement, en limitant au maximum les risques d'usure, de corro- sion et d'encrassement des pièces constitutives du nez du brûleur par ces liquides abrasifs etlou corrosifs. Les brûleurs à mazout pulvérisé par un fluide auxiliaire comportent une chambre d'émulsion dans laquelle arrive le mazout et le fluide auxiliaire de pulvérisation. Cette chambre communique avec le foyer par plusieurs petits orifices dont les axes divergent vers l'avant. De tels brûleurs sont décrits par exemple dans le brevet FR A 1 305 391 (Entreprise Générale de Chauffage Industriel PILLARD) et dans le brevet FR - A 2 481 782 (81 08866) (Etablissements WANSON). On connaît également des bruleurs multibuses de liquides pulvérisés qui comportent une pluralité de buses divergentes, chaque buse comportant une chambre de mélange divisée en tronçons successifs de diamètre croissant. Le brevet FR A - 2 288 940 (74 41031) décrit un brûleur multi-buses. On connaît également des brûleurs de liquide pulvérisé par un fluide auxiliaire qui ne comportent pas de chambre. de mélange. Ils comportent un conduit axial par lequel arrive le liquide et un conduit annulaire par lequel arrive le fluide auxiliaire, lequel conduit annulaire comporte, à son extrémité, des orifices ou fentes qui convergent vers l'axe et qui peuvent communiquer au fluide auxiliaire une vitesse tangentielle. Dans certains de ces dispositifs connus,sans chambre de mélange, les orifices ou fentes d'injection du fluide auxiliaire debouchent directement dans le foyer, à la périphérie de l'extrémité avant du conduit axial. Dans d'autres dispositifs connus, les orifices ou fentes, à travers lesquels se détend le fluide auxiliaire, sont situés en amont de l'extrémité avant du conduit axial, de sorte que le fluide auxiliaire commence à se détendre avant de rencontrer le liquide à pulvériser. Les objectifs de l'ìnvention sont atteints au moyen de brûleurs-injecteurs qui comportent d'une part, un brûleur axial comportant une chambre de mélange axiale qui débouche à l'extrémité avant du bruleur et qui communique avec un conduit axial par lequel arrivent des liquides et avec des orifices ou fentes périphériques d'injection d'un fluide auxiliaire de pulvérisation et d'autre part plusieurs buses, qui sont disposées a la périphérie de l'extrémité avant de ladite chambre axiale et dont les axes sont disposés sur un tronc de cône divergeant vers l'extérieur, lesquelles buses comportent chacune une chambre de mélange qui est recoupée par plusieurs conduits dont l'un est alimenté par un fluide auxiliaire de pulvérisation et les autres par un ou plusieurs combustibles liquides. Avantageusement le fluide de pulvérisation est injecté dans la chambre de mélange axiale par des orifices ou fentes dont les axes forment avec l'axe du bruleur un angle cxl compris entre Oc et 900, lesquels orifices ou fentes sont dirigés tangentiellement de sorte qu ils forment avec la direction des plans radiaux un angle ss compris entre Oc et 900. Selon une caractéristique de 1 invention, la chambre de mélange axiale comporte un premier tronçon cylindrique ou tronconique convergeant vers l'avant, un col cylindrique, dont le diamètre est inférieur ou égal à celui de l'extrémité avant dudit premier tronçon et un troisième tronçon tronconique divergeant vers l'extérieur. De préférence, le col de la chambre de mélange axiale comporte deux tronçons cylindriques successifs, un premier tronçon de diamètre dl et un deuxième tronçon de diamètre d2,supérieur au diamètre dl du premier tronçon. L'invention a pour résultat de nouveaux brûleurs qui permettent d'injecter dans la flamme des liquides tels que des effluents liquides polluants, des résidus, des hydrocarbures très lourds ou bien des combustibles liquides pétroliers chargés de particules de charbon pulvérisé afin de réduire la consommation en produits pétroliers. Les brûleurs selon l'invention comportent de nombreux paramètres qui définissent la forme et les dimensions de la chambre dans laquelle se fait le mélange entre les liquides et le fluide auxiliaire de pulvérisation et le choix de ces paramètres peut être optimisé en fonction de la nature et des propriétés du liquide à pulvériser. La présence de plusieurs buses disposées à la périphérie du brûleur axial, qui sont alimentées par des combustibles riches,permet d'utiliser ces buses pour produire une flamme d'allumage ou de préchauffage ou de soutien Dans le cas fréquent où l'on désire brûleur un liquide ayant un pouvoir calorifique faible pour supprimer une pollution tout en récupérant des calories, la flamme produite par les brûleurs périphériques permet de stabiliser la flamme de l'effluent pauvre qui se trouve incluse dans la précédente et qui bénéficie du rayonnement de celle-ci. Les brûleurs périphériques sont indépendants du brûleur axial et ils peuvent donc être utilisés seuls pour assurer la puissance calorifique nécessaire dans le cas où le brûleur axial est arrêté, par exemple dans le cas où il n'y a plus aucun effluent a brûler et où il faut continuer a fournir des calories. La conception particuliere du brûleur axial permet d'obtenir une très bonne pulvérisation de liquides visqueux ou chargés qui sont difficiles à pulvériser. Elle permet également de limiter les risques de corrosion ou d'abrasion par le liquide pulvérisé, car le liquide corrosif ou abrasif, une fois pulvérisé, est en contact uniquement avec les parois de ia chambre de mélange axiale et il ne traverse pas des orifices calibrés de faible diamètre. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de brûleurs selon l'invention. - Les figures 1 et 2 représentent une vue de face et une coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'un brûleur selon l'invention. - Les figures 3 et 4 représentent une demi-coupe axiale et une vue de face d'une pièce constitutive du brûleur selon la figure 1. - La figure 5 est une coupe axiale d'un deuxième mode de réalisation d'un brûleur selon l'invention. - Les figures 6 et 7 sont une coupe transversale et une coupe axiale du nez d'une variante de réalisation d'un brûleur selon l1in- vention. Les brûleurs selon l'invention sont destinés plus particulièrement à brûler des combustibles liquides visqueux ou corrosifs ou chargés de particules solides,pulvérisés par un gaz ou par de la vapeur et ils sont conçus pour réduire au maximum les risques de corrosion ou d'abrasion des pièces constitutives du brûleur par contact avec le liquide pulvérisé. Les problèmes de lutte contre la pollution et la nécessité d'économiser les produits pétroliers entraînent à utiliser dans les brûleurs à pulvérisation des liquides plus ou moins combustibles qui peuvent etre chargés de particules en suspension. On rencontre des applications de tels brûleurs dans la destruction avec récupération d'énergie d'effluents liquides chargés de minéraux, de sels, d'acides, de bases tels que les liqueurs noires ou rouges rejetées par les papeteries, les vinasses ou mélasses de distilleries, sucreries, les résidus pétroliers, etc... cette énumaration n'étant pas limitative. Un autre exemple d'application de ces brûleurs est la combustion de combustibles pétroliers liquides contenant des combustibles solides ou liquides en suspension tel que du charbon pulvérisé, du noir de carbone, des goudrons etc. ... dans un but d'économie de produits pétroliers. Les figures 1 et 2 représentent des vues de face et en coupe axiale d'un nez de bruleur injecteur selon l'invention,d'axe x xl. Un brGleur-injecteur selon l'invention comporte deux bruleurs-injecteurs indépendants et coaxiaux qui sont tous deux des brûleurs de combustibles liquides pulvérisés par un fluide auxiliaire qui peut être de la vapeur d'eau, de l'air comprimé ou tout autre gaz comprimé, par exemple un gaz combustible naturel ou de pétrole. Un premier bruleur-injecteur central comporte un conduit axial 1, par lequel arrive un liquide plus ou moins combustible et/ou visqueux et/ou corrosif et/ou chargé de particules en suspens ion. Le conduit axial 1 débouche dans une chambre de mélange axiale 3 comportant plusieurs zones successives qui seront décrites plus en détail ciaprès. Le premier braleur-injecteur central comporte en outre un conduit annulaire 2 qui est coaxial avec le conduit 1 et qui entoure celui-ci,par lequel arrive un fluide auxiliaire de pulvérisation. t' extrémité avant du conduit 2 communique avec la chambre de mélange 3 par des orifices ou par des fentes 5a, dont les axes forment avec l'axe x xl des angles cxl compris entre 0 et 900 et ont un angle d'inclinaison tangentielle ss compris entre O et 900. Les figures 3 et 4 représentent und demi-coupe axiale et une vue de face de l'une des pièces constitutives 4 du brûleur-injecteur central. Cette pièce comporte un prolongement cylindrique vers l'avant 4a et une bague 4b de révolution autour de l'axe x xl du brûleur. La bague 4b comporte,sur chacune de ses deux faces latérales perpendiculaires è l'axe x xl, plusieurs gorges circulaires concentriques 17a, 17b, qui sont reliées entre elles, deux à deux, par des percages 18a/18b parallèles à l'axe x xl. Les combRstibies liquides et le fluide auxiliaire alimentant les buses 16a/16b/16c circulent à travers ces gorges et ces conduits. On retrouve sur ces figures le conduit axial 1 et le conduit annulaire 2 qui comporte deux gorges annulaires 2a/2c, reliées entre elles par des perçages 2h. Le prolongement 4a constitue l'extrémité avant du conduit axial 1; La face externe de l'extrémité avant du prolongement 4a est découpee en biseau tronconique qui converge vers l'avant avec un demiangle au sommèt cxl. Cette surface tronconique porte des ailettes-périphériques 5 en relief vers l'extérieur.' Les ailettes 5 ont une forme d'aubes hélicoldales visibles. sur la figure 4. Elles délimitent entre elles des fentes 5a de passage du fluide auxiliaire qui débouchent tangentiellement dans la chambre 31 autour de l'extrémité avant du conduit axial 1 et qui impriment au fluide auxiliaire une vitesse tangentielle faisant un angle ss avec les plans radiaux, de sorte que le fluide auxiliaire, qui est injecté tangentiellement dans la chambre 31,se détend en tourbillonnant autour de l'axe x xl de cette chambre, ce qui conduit à une bonne pulvérisation du liquide arrivant par le conduit axial 1.Les fentes 5a peuvent être remplacées par des orifices. La chambre de mélange 3 comporte trois tronçons successifs et coaxiaux. En allant dans le sens du liquide 1, elle comporte un premier tronçon 31, de longueur axiale a qui va de l'extrémité du conduit 1 jusqu'a un col cylindrique 32 de longueur b, qui constitue le deuxième tronçon. La chambre 3 se termine à l'avant par un troisième tronçon 33,tronconique et divergeant vers l'avant, de longueur axiale c. Le tronçon 31 constitue une chambre de prémélange qui peut etre cylindrique ou tronconique convergeant vers l'avant suivant un angle a2 qui peut être égal à al, comme le représente la figure 2 ou qui peut être différent de al comme le montre la figure 5. Le col cylindrique 32, de longueur axiale b, peut être composé d'un seul tronçon, comme le représente la figure 2, ayant un diamètre intérieur qui peut être inférieur, égal ou supérieur à celui du conduit axial 1. Avantageusement le tronçon central 32 est composé de deux tronçons successifs 321/322, de longueur bl et b2 et de diamètre dl et d2, comme le représente la figure 5. La figure 5 est une coupe axiale de trois pièces successives constitutives d'un brûleur, la pièce 4 qui est représentée sur les figures 3 et 4, une pièce intermédiaire 13 et le nez 14. On voit sur la figure 5 que le tronçon avant 322 a un diamè tre supérieur à celui du tronçon En variante, le tronçon central peut etre un tronçon cylindrique unique dont le diamètre est différent de celui de ltextrémité avant du tronçon 31, de sorte qu'il existe un décrochement à la jonction entre ces deux tronçons. te tronçon 33, de longueur axiale c, a la forme d'un tronc de cône qui diverge vers l'extérieur avec un demi-angle au sommet y. Le diamètre de l'extrémité arrière de ce tronçon est égal au diamètre d2 de ltextrémité avant du tronçon central 32. Un brflleur-injecteur selon l'invention comporte, en plus du brûleur axial, qui vient d'être décrit, un brûleur multibuses composé de plusieurs buses d'injection disposées à la périphérie du bruleur central. Les figures 1 et 2 représentent un mode de réalisation d'un bruleur comportant trois buses 6a/6b/6c, disposées suivant trois directions à 120 l'une de l'autre. Les axes des buses 6a/6b/6c sont disposés suivant les génératrices d'un tronc de cône divergeant vers l'extérieur, ayant un demiangle au sommet yl. Chaque buse comporte une chambre de mélange divisée en plusieurs tronçons successifs dont les diamètres croissent en allant vers la sortie. Les figures 1 et 2 représentent un exemple dans lequel les buses 6a/6b/6c sont alimentées par un seul combustible liquide qui est pulvérisé par la détente d'un fluide auxiliaire. On voit sur la figure 2 que la buse 6a comporte une chambre de mélange composée de deux tronçons successifs et coaxiaux 7a et 7b. Le premier tronçon 7a débouche dans une gorge annulaire 8 qui reçoit un fluide de pulvérisation. Le deuxième tronçon 7b, qui a un diamètre supérieur a celui du tronçon 7a, communique avec un canal 9 qui communique lui-même avec une gorge annulaire 10 recevant un combustible liquide, par exemple du fiel. Les gorges 8 et 10 communiquent respectivement avec des conduits annulaires 11 et 12 qui amènent le combustible liquide et le fluide de pulvérisation à la tête du bruleur et qui sont coaxiaux aux conduits 1 et 2. En variante, chaque buse 6a/6b/6c peut être alimentée en plusieurs combustibles liquides et dans ce cas, chaque buse comporte une chambre de mélange comportant un nombre de tronçons successifs, de diamètre croissant, égal au nombre de combustibles différents plus un tronçon supplémentaire 7a pour le fluide de pulvérisation. Lechoix des paramètres al, a2, ss, a, al, a, bl, b2, dl, d2 et des sections de passage est optimisé en fonction du diamètre du tube central 1, de la vitesse et du débit de liquide chargé admis par le tube central, de la vitesse du fluide de pulvérisation et surtout de la nature et des propriétés du liquide corrosif, visqueux ou chargé de particules qui arrive par le tube central 1. Le fonctionnement est le suivant. Le brûleur multibuses périphériques 6a/6b/6c permet d'obtenir une flamme d'allumage, de préchauffage, de pilotage ou de soutien. Il permet également d'assurer la charge de l'installation si le bruleur axial est arrêté. Le bruleur multibuses est alimenté par un combustible riche ou par plusieurs combustibles qui sont pulvérisés simultanément et mélangés intimement. Si le liquide injecté dans le tube 1 est un effluent ou un résidu pauvre ayant un pouvoir calorifique faible ou un liquide difficile à brûler, la flamme produite par les bruleurs périphériques stabilise la flamme de effluent pauvre qui se trouve incluse dans la précédente et qui bénéficie du rayonnement de celle-ci. Les figures 6 et 7 sont une vue de droite eut une coupe d'une variante de réalisation du nez 14 d'un brûleur selon l'invention comportant cinq buses périphériques 16a/16b/16c/ 16d/16e. On retrouve sur cette figure une chambre de mélange axiale composée d'un premier tronçon cylindrique 31, d'un deuxième tronçon central, lui-meme composé de deux tronçons cylindriques successifs 321 et 322 de diamètre croissant, et d'un troisième tronçon tronconique 33. Le diamètre dl du tronçon 321 est inférieur au diamètre du premier tronçon 31. On voit sur la figure 7 une forme de réalisation des buses périphériques qui comportent une chambre de mélange 7 qui est un perçage de diamètre constant qui est recoupé par deux perçages 8 et 9 qui amènent à chaque buse respectivement un fluide de pulvérisation et un combustible liquide. Les extrémités arrière des perçages 8 et 9 débouchent dans deux gorges annulaires 8a et 9a qui coopèrent avec des gorges annulaires de la pièce 13 suivante, non représentée sur cette figure. Dans cet exemple, la pièce 14 comporte un moyeu central creux 15 qui délimite le premier tronçon 31 de la chambre de mélange. Des conduits tangentiels 15a, visibles sur la figure 6, sont usinés à travers la paroi 15 du moyeu. t1 axe des conduits 15a forme un angle ss avec le plan radial de sorte que le fluide de pulvérisation qui arrive par la gorge 2a, qui communique avec le conduit annulaire 2, passe à travers les conduits 15a et débouche tangentiellement dans la chambre 31 où il se détend en pulvérisant le liquide arrivant dans cette chambre par le conduit axial 1. Dans cet exemple la chambre 31 est cylindrique et a2 = tandis que al = 90 . REVENDICATIONS 1. Brûleur-injecteur destiné à brûler des liquides corrosifs et/ou visqueux et/ou chargés de particules solides tels que des résidus, des effluents liquides polluants ou des combustibles liquides chargés de particules de charbon pulvérisé, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, un brûleur axial, comportant une chambre de mélange axiale (3) qui débouche à l'extrémité avant du brûleur et qui communique avec un conduit axial(l)par lequel arrivent lesdits liquides et avec des orifices ou fentes périphériques (5a/15a) d'injection d'un fluide auxiliaire de pulvérisation et d'autre part, plusieurs buses (16a/16b/16c) qui sont disposées à la périphérie de l'extrémité avant de ladite chambre axiale (3) et dont les axes sont disposés sur un tronc de cône di vergeattvers l'extérieur, lesquelles buses comportent chacune une chambre de mélange (7/7a/7b) qui est recoupée par plusieurs conduits (8/9) dont l'un est alimenté par un fluide auxiliaire de pulvérisation et les autres par un ou plusieurs combustibles liquides. 2. Brûleur-injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de pulvérisation est injecté dans ladite chambre de mélange axiale (3) par des orifices ou fentes (5a/15a) dont les axes forment avec l'axe (x xl) du brûleur un angle al compris entre Oc et 909, lesquels orifices ou fentes sont dirigés tangentiellement de sorte qu'ils forment avec la direction des plans radiaux un angle ss compris entre Oc et 900. 3. Brûleur-injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite chambre de mélange axiale (3) comporte un premier tronçon (31) cylindrique ou tronconique convergeant vers l'avant, un col (32) cylindrique, dont le diamètre (dl) est inférieur ou égal à celui de l'extrémité avant dudit premier tronçon et un troisième tronçon (33) tronconique divergeant vers l'extérieur. 4. Brûleur-injecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit col (32) comporte deux tronçons cylindriques successifs, un premier tronçon (311) de diamètre dl et un deuxième tronçon (312) de diamètre d2 supérieur au diamètre dl du premier tronçon. 5. Brûleur-injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une pièce constitutive (4) de révolution autour de l'axe (x xl) du brûleur, qui constitue l'extrémité avant dudit conduit axial (1), dont la face externe est tronconique et converge vers l'axe avec un angle cxl et porte des ailettes périphériques (5) qui délimitent entre elles des fentes (5a) ou des orifices cylindriques inclinés vers l'avant d'un angle (col) et tangentiellement d'un angle (ss). 6.Brûleur-injecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite pièce constitutive (4) comporte en outre une bague (4b) de révolution autour de l'axe (x xl) du brûleur qui comporte, sur chacune de ses deux faces latérales, au moins trois gorges circulaires (17a/17b/ 2c), lesquelles gorges sont reliées entre elles par des per çages (18a/18b/25b), parallèles à l'axe à travers lesquels circulent les combustibles liquides et le fluide auxiliaire de pulvérisation alimentant lesdites buses péYiphériques et le fluide de pulvérisation du liquide qui circule dans ledit conduit axial. 7. Brûleur -injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un nez de brûleur (14) de révolution autour de l'axe (x xl) du brûleur, lequel comporte sur sa face arrière plusieurs gorges concentriques (8a/9a/2a) et un moyeu central creux (15) qui entoure une cavité centrale (31) qui constitue le premier tronçon de ladite chambre de mélange et des conduits tangentiels (15a) sont usinés à travers la paroi (15) dudit moyeu