Brevet FR2532405A1 — publié le 19840302

L'invention concerne essentiellement un procédé d'allu- mage électrique d'un brûleur oxycombustible. Jusqu'ici, l'allumage électrique des brûleurs aérocom- bustibles,qui consiste à utiliser une décharge à haute tension dans le courant gazeux issu de ces brûleurs, n'était pas appli- cable aux brûleurs oxycombustibles En effet, la température et le niveau d'oxydation dans une flamme oxycombustible sont tels que les électrodes utilisées pour cette décharge sont rapidement détério- rées par fusion et/ou oxycoupage L'allumage des brûleurs oxycom- bustibles n'était donc possible qu'avec des appareils accessoires tels que des brûleurs pilotes ou des braséros ou encore, dans cer- tains cas particuliers, par exemple par utilisation de l'arc d'un four à are. On sait que les brûleurs oxycombustibles sont alimentés séparément en oxygène et en un combustible gazeux et que les jets qui en émergent se mélangent à une certaine distance en avant de leur face frontale, dans une zone voisine de la stochiométrie, ces jets dpnnant naissance,entre-eux et dans la région située en- tre ladite zone et ladite face frontale, à des courants de recir- culation qui ramènent une fraction des gaz brûlés vers le brûleur. On obtient ainsi,entre les deux jets issus du brûleur, un mélange de gaz appauvri en oxygène et en combustible dont la composition, c'est-à-dire la teneur relative en oxygène et combustible, varie localement en fonction de la géométrie du brûleur, c'est-à-dire de la position et de la répartition des orifices d'o sont issus les jets. Ta présente invention a pour but de rendre possible l'al- lumage électrique des brûleurs oxycombustibles, c'est-à-dire d'é- viter les inconvénients auxquels s'était heurtée cette technique jusqu'ici et elle propose, à cet effet, un procédé selon lequel on provoque une étincelle électrique d'allumage dans une région des courants de recirculation précités dont la teneur relative en oxygène et combustible se trouve entre les limites inférieure et supérieure d'inflamabilité, au voisinage de ladite limite, supé- rieure. Il est évident que le fait de choisir, pour provoquer l'étincelle, une région appauvrie en combustible et oxygène, tout en restant bien entendu entre les limites d'inflamabilité, a pour conséquence de diminuer les contraintes thermiques et les contraintes d'oxydation auxquelles sont soumises les électrodes. le fait de se placer au voisinage de la limite supérieure d'inflamabilité, c'est-à-dire la plus riche en combustible donc la plus réductrice, a pour conséquence de mieux protéger les élec- trodes contre les effets de l'oxydation. Selon une autre caractéristique de l'invention, on envoie un jet additionnel de combustible dans la zone d'allumage. Ce combustible additionnel a pour effet de déplacer la composition des courants de recirculation vers les teneurs riches en combustible. Dans le cas o le combustible est du gaz naturel, on pro- voque l'étincelle électrique d'allumage au voisinage de la limite supérieure qui est de 60 % de gaz naturel et 40 % d'oxygène. L'invention propose également, pour la mise en oeuvre du procédé-précité, un brûleur oxycombustible du type comportant des moyens d'adduction d'oxygène et des moyens d'adduction de combustible et dans lequel les jets d'oxygène et de combustible se rencontrent en donnant naissance à des courants de recirculation ayant une teneur relativé en oxygène et en combustible localement variable. Le brûleur selon l'invention comporte des moyens pour créer une différence de potentiel électrique, lesdits moyens étant disposés dans une région desdits courants de recirculation qui se trouvent entre les limites inférieure et supérieure d'inflamabilité, du mélange résultant, mais proche de ladite limite supérieure. Toujours selon l'invention, les moyens précités compor- tent au moins une électrode reliée aux bornes d'une source de tension. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ap- paraitront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exem- ple non limitatif la figure 1 est une vue schématique partielle et en coupe axiale d'un brûleur oxycombustible selon l'invention; la figure 2 est une vue en bout dudit brûleur selon la flèche ? de la figure 1; la figure 3 est une vue partielle à plus grande échelle du brû- leur de la figure 1 montrant les courants de recircûlation. Selon le mode de réalisation représenté, le brûleur selon l'invention, désigné d'une façon générale par la référence 1, com- porte un corps creux externe ( 2) de révolution et d'axe (X-,X') et une structure interne ( 3) à symétrie axiale logée dans ledit corps ( 2), coaxialement à ce dernier Lia structure ( 3) présente une par- tie cylindrique ( 3 a) et un élément ( 3 b) en forme de disque, La structure ( 3) est positionnée à l'intérieur du corps ( 2) de fa- çon à laisser subsister, en avant de l'élément ( 3 b), une chambre frontale ( 2 a) ouverte à l'extérieur La partie cylindrique ( 3 a) de la structure-interne ( 3) comporte un conduit central ( 4) ali- menté en combustible et délimite, avec le corps ( 2), un conduit annulaire ( 5) alimenté en oxygène Des orifices ( 4 a) et ( 5 a) traversant l'élément ( 3 b) font communiquer ces conduits ( 4) et ( 5) respectivement avec la chambre ( 2 a). Une électrode ( 6), par exemple en cuivre, et munie d'un isolant ( 7), est logée à l'intérieur de la partie cylindrique ( 3 a) de la structure interne, ( 3) coaxialement à (X, X') cette électrode traverse l'élément ( 3 b) muni à cet effet d'un passage ( 4 b), de façon que sa pointe (bien entendu dénudée) émerge lé- gèrement au-delà du plan frontal de l'élément ( 3 b) Le passage ( 4 b) peut présenter avantageusement un diamètre légèrement supé- rieur à celui de l'électrode ( 6) (enrobée de son isolant ( 7)). Un générateur de tension/l( 4 exemple un transformateur, est pré- vu pour établir une différence de potentiel entre l'électrode ( 6) et le brûleur lui-même c'est-à-dire entre l'électrode ( 6) d'une part et le corps creux ( 2) et l'élément interne ( 3) d'autre part Enfin un détecteur de courant d'ionisation pouvant détecter des courants entre 5 et 20 milliampèrespar exemple est branché entre l'électro- de ( 6) et le corps du brûleur. On a représenté sur la figure 3, les jets J issus des orifices ( 4 a) (hydrocarbure) et ( 5 a) (oxygène) Ces jets détermi- Sent au nez du brûleur des régions A riches en hydrocarbure et B riches en oxygène, puis se mélangent dans une région C extérieure dans laquelle se fait la combustion Les jets J induisent des tur bulences qui ramènent vers le nez du brûleur une fraction des gaz partiellement brûlés, formant des courants de recirculation R qui constituent un mélange pauvre en oxygène et combustible dont la teneur relative en ces deux composants varie localement, c'est-à-dire le longdesdits courants On sait qu'il existe une zone d'inflamabilité délimitée par deux limites supérieure et inférieure J et Li hors s i- de laquelle on ne peut enflammer le mélange, donc allumer le brûleur. L'électrode ( 6) est disposée de façon que son extrémité se trouve dans les courants de recirculation R mais à l'intérieur de la zone drin- flamabilité du mélange oxygène combustible,au voisinage de la limite supérieure is de cette zone Ceci est facilité par le fait qu'avec l'oxygène pur comme comburant, ladite zone comporte une limite infé- rieure pratiquement stable mais une limite supérieure qui s'élève con- sidérablement. Il convient de remarquer, de plus, que la composition des gaz de recirculation est très éloignée de la composition stoé- chiométrique, donc que la température de la zone dans laquelle baigne l'électrode est très éloignée de la température adiabatique de combustion oxycombustible. Par ailleurs, le fait que seule l' extrêmitéde l'électrode soit soumise à un échauffement, échauffement qui est d'ailleurs li- mité par la conduction à travers l'électrode elle-même, a pour effet de diminuer considérablement les contraintes thermiques et d'oxydation qui s'exercent sur ladite électrode. L'injection autour de l'électrode d'une faible quantité de combustible permet de déplacer encore l'environnement gazeux de l'extrémité de l'électrode vers les teneurs pauvres en oxygène. Pour allumer le brûleur, il suffit de fermer le circuit d'alimentation du transformateur ( 8),ce qui entraîne la formation d'une étincelle entre l'électrode et le corps du brûleur. 25324 O 5 Le détecteur d'ionisation ( 9) permet ensuite de vérifier la présence de la flamme. le brûleur selon l'invention peut être alimenté en diverses sortes de combustibles gazeux tels que le méthane, le propane, le butane ou encore l'hydrogène. A titre d'exemple, un brûleur réalisé selon l'invention a les caractéristiques suivantes: puissance nominale 0,1 mw. 6 trous périphériques ( 5 a) pour l'oxygène, avec un débit total d'oxygène de-18 Nm/h et une vitesse de sortie d'environ-100 m/se- conde. 6 trous ( 4 a) pour le gaz naturel avec un débit total de gaz naturel de 9 Nm 3/h et une vitesse de sortie d'environ 50 m/seconde. électrode en cuivré dépassant la face fontale du brûleur de 3 mm et ayant un diamètre de 3 mm a Le débit de gaz naturel autour de l'électrode est d'envi- ron 1 Nm 3/h. La composition du mélange gazeux avant allumage, au voi- sinage de la pointe de l'électrodeest environ 50 % de gaz naturel, 50 % d'oxygène en volume La température adiabatique de combustion de ce mélange est de 2450 C. Dès qu'éclate l'étincelle, le mélange précité au voisinage de la pointe de l'électrode s'enflamme en donnant des produits de combustion constitués d'environ 30 % de CO, 3 % de C 02, 37 % d'H 2 2 et 30 % H 20 Ensuite, la combustion s'établit sur tout le front du brûleur et la recirculation des produits de combustion appauvrit notablement en oxygène la composition du mélange gazeux au voisinage de la pointe de l'électrode et la température adiabatique de com- bustion de ce mélange passe de 2450 C à une température des pro- duits de combustion inférieure à 1800 C avec génération, au voisi- nage de l'électrode, d'une atmosphère très réductrice, formée prin- cipalement de CO et de E 2, les proportions de ces deux constituants 21 t étant pratiquement impossibles à déterminer, la composition de l'atmosphère en question étant fonction de l'environnement dans lequel fonctionne le brûleur. 6 2532405 Dans ces conditions, en régime permanent, la température de la pointe de l'électrode ne dépasse pas 3500 C. On pourrait apporter au mode de réalisation décrit et re- présenté diverses variantes sans pour autant sortir du cadre de l'invention C'est ainsi que l'électrode pourrait ne pas être dispo- sée coaxialement au corps du brûleur ou encore que ce dernier pour- rait ne pas présenter de symétrie axiale. REVENDICATIONS 1 Procédé d'allumage dlun brûleur oxycombustible dans lequel les jets d'oxygène et de combustible se mélangent -en don- nant naissance à des courants de recirculation ayant une teneur relative en oxygène et combustible localement variable, carac- térisé en ce que l'on provoque une étincelle électrique d'allu- mage dans une région desdits courants de reciroulation -dont la teneur relative en oxygène et combustible se trouve entre les li- mites inférieure et supérieure d'inflammabilité, au voisinage de ladite limite supérieure - 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on envoie un jet additionnel de combustible dans la zone d'allumage. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas o le combustible est du gaz naturel on provoque i 1 é- tincelle électrique d'allumage au voisinage da la limite supé- rieure Z qui est de 60 % de gaz naturel et de 40 % d'oxygène. S 4 Brûleur oxycombustible du type comportant des moyens d' adddct'ion d' oxygène ( 5,5 a) et des moyens d'adduction de combus- tible ( 4,4 a) et dans lequel les jets d'oxygène et de combustible se rencontrent en donnant naissance à des courants de recircu- lation ayant une teneur relative en oxygène et combustible lo- calement variable, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 6) pour créer une différence de potentiel électrique, lesdits moyens étant disposés dans une région desdits courants de recir- culation qui se trouve entre les limites inférieure et supérieure d'inflammabilité du mélange résultante mais proche de ladite limite' supérieure. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce qe les moyens précités comportent au moins une électrode ( 6) re- liée aux bornes d'une source de tension ( 9) 6 Brûleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que-les moyens précités comportent une seconde électrode cons- tituée par le corps ( 2) du brûleur lui-même. 7 Brûleur selon là revendication 5, caractérisé en ce que dans le cas d'un brûleur à symétrie axiale l'électrode ( 6) 8 -2532405 est disposée coaxialement audit brûleur. 8 Brûleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que des moyens d'adduction complémentaires de combustible ( 4 b) sont prévus qui débouchent au voisinage immédiat de l'électrode ( 6). 9 Brûleur selon les revendications 1 et 8, caractérisé en ce que les moyens d'adduction ( 4 b) précités sont constitués par une ouverture annulaire entourant l'electrode ( 6). Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens cités ( 6,2) prévus pour créer une différence de potentiel électrique, sont reliés aux bornes d'un détecteur de tension ( 9).