Brevet FR2547020A1 — publié le 19841207

La présente invention concerne la combustion des matières combustibles et plus précisément un appareil et un procédé de combustion de combustibles sous forme d'émulsion du type eau dans l'huile, permettant une augmenta- tion importante du rendement de combustion du combustible par utilisation de la réaction de transformation du gaz à l'eau de l'émulsion du type eau dans l'huile. On connaît déjà le mélange de combustibles avec de l'eau et leur combustion sous forme d'émulsion du type eau dans l'huile Dans ces combustibles en émulsion, la quantité d'eau ajoutée est cependant limitée car une perte de chaleur de la flamme doit être évitée afin que le rendement de combustion soit accru, ou afin que la combustion soit totale avec la quantité théorique d'air En outre, comme le rendement de combustion d'un combustible varie beaucoup avec la structure de l'appareil de combustion, la nature du combustible, les conditions de chauffage, etc, les émulsions du type eau dans l'huile ont de mauvaises proprié- tés de manière générale Cependant, la limite supérieure efficace de la quantité d'eau qui peut être ajoutée est d'environ 20 % ou moins, et il est difficile de réduire la quantité de combustible consommé par une proportion dépassant 15 % 1 On a donc souhaité mettre au point un procédé et un appareil de combustion de tels combustibles en émulsion permettant une augmentation de la concentration d'eau dans le combustible et donnant une combustion présentant un rendement élevé. L'invention concerne un appareil destiné à être monté à la partie supérieure d'un brûleur destiné à la combustion de combustibles en émulsion, comprenant une enceinte interne ouverte aux deux extrémités L'une des extrémités est montée sur le brûleur, et un déflecteur est monté coaxialement sur l'enceinte interne, à sa première extrémité L'autre extrémité est ouverte et forme une zone de préchauffage d'air en combinaison avec l'enceinte cylin- drique interne Une enceinte externe est montée coaxialement sur l'enceinte interne et les deux extrémités sont fixées aux extrémités correspondantes de l'enceinte interne afin qu'une chambre fermée soit délimitée entre les enceintes interne et externe L'enceinte externe a une partie tronco- nique de sortie ayant plusieurs trous dans la région entourée par le déflecteur afin que de l'air comprimé introduit depuis l'extérieur de l'enceinte externe à l'intérieur de la chambre fermée puisse pénétrer dans l'enceinte interne par l'intermé- diaire de la zone de préchauffage d'air, si bien que la flamme du combustible sous forme d'une émulsion du type eau dans l'huile, provenant du brûleur, soit comprimée et obligée de tourbillonner tout en restant dans l'enceinte interne sous l'action de l'air comprimé projeté par les trous, si bien que les particules d'eau subissent une micro- explosion et, en même temps, l'émulsion eau-huile est pyro- lysée. La présente invention concerne aussi un brûleur particulier destiné à être utilisé dans l'appareil précité de combustion, dans lequel une huile, de l'eau et de l'air sous pression sont transmis simultanément à un brûleur à pulvérisation appelé "brûleur à pulvérisation de trois fluides". Un procédé de combustion de tels combustibles en émulsions, par mise en oeuvre d'un brûleur, comprend la projection du combustible sous forme d'une émulsion du type eau dans l'huile par le brûleur dans un appareil fixé à la partie supérieure du brûleur, et sa combustion dans l'appareil, et l'introduction d'air comprimé dans l'appareil de manière que la flamme formée par le combustible soit comprimée et obligée de tourbillonner tout en restant dans l'appareil si bien que les particules d'eau subissent une micro-explosion et l'émulsion est simultanément pyrolysée. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une coupe d'un appareil selon un premier mode de réalisation de l'invention, monté sur un brûleur destiné à brûler des combustibles formés d'une émulsion du type eau dans l'huile la figure 2 est une coupe d'un appareil selon un second mode de réalisation de l'invention les figures 3 a et 4 a sont des coupes d'une buse de brûleur qui peut être utilisée avec l'appareil de la figure 2; et les figures 3 b et 4 b sont des vues de bout des buses des figures 3 a et 4 a. Un appareil de combustion réalisé selon l'inven- tion, ayant une structure réfractaire, est réalisé de manière que de l'air comprimé puisse être introduit à l'intérieur sous forme d'un courant tourbillonnaire, et il est monté à la partie supérieure d'un brûleur de combustiblesliquides et des combustibles sous forme d'émulsion eau-huile sont brûlés à l'intérieur Même lors de la combustion de combus- tibles ayant une teneur en eau pouvant atteindre 40 à 50 %, le rendement de combustion peut être accru sans perte de chaleur par utilisation de gaz de grande capacité calorifique formé par la réaction de transformation du gaz à l'eau dans la réaction de combustion Ainsi, l'émulsion eau-huile est mélangée et comprimée dans l'appareil de combustion à des températures élevées allant de 700 à 10000 C par le courant tourbillonnant d'air préchauffé, et elle est pyro- lysée par le phénomène de séjour L'effet de la combustion simultanée d'hydrogène et des gaz à l'eau formés par la pyrolyse précitée, et les effets de sinergie résultant de la combustion rapide et totale du combustible sous l'action de l'oxygène en quantitésplus faibles que la quantité théo- rique d'air, accroissent beaucoup le rendement de combustion des combustibles sous forme d'émulsion du type eau dans l'huile et en conséquence augmententnotablement les propriétés générales de ces combustibles. La réaction précitée de transformation du gaz à l'eau est représentée par les formules réactionnelles suivantes C H + m H 2 m CO + (m + n/2)H 2 CO + H O-> CO + H 2 2 2 CO + 3 H + CH + H O L'importance de la réaction dépend de la constante d'équilibre dans les conditions réactionnelles. La pyrolyse de l'huile lourde s'effectue de la manière suivante: Cm Hn > m C + (N/2)H 2 Les gaz formés dans les réactions précédentes et le carbone et l'hydrogène formés par la pyrolyse indiquée subissent les réactions exothermiques suivantes C + 02 = CO 2 + 97,6 kcal/mole H 2 + 1/2 02 = H 20 + 68,3 kcal/mole CH 4 + 202 = COS + 2 H 20 + 234,2 kcal/mole CO + 1/2 2 = CO 2 + 68,2 kcal/mole Pendant la combustion des combustibles à base d'une émulsion du type eau dans l'huile dans l'appareil de combustion selon l'invention, les gaz de pouvoir calori- fique élevé formés dans les réactions précédentes sont utilisés et permettent une réduction importante de combus- tibles dans toutes les conditions d'utilisation du brûleur par rapport à la combustion de l'huile seule par les brûleurs du commerce ou même par rapport à la combustion des combus- tibles du type eau-huile sans utilisation de l'appareil de combustion selon l'invention en combinaison avec un brûleur à pulvérisation de trois fluides En outre, les combustibles en émulsion ayant une teneur en eau pouvant atteindre 40 à 50 % peuvent être brûlés dans l'appareil de combustion selon l'invention Ceci provoque une réduction importante de la quantité de NOXI, SO 3, etc qui se forme. Ainsi, l'appareil et le procédé selon l'invention sont très utiles dans la lutte contre la pollution. On se réfère maintenant aux figures La figure 1 représente un appareil 10 de combustion selon un premier mode de réalisation de l'invention, monté sur un brûleur 20 d'un combustible liquide ou "huile" Une émulsion du type eau dans l'huile préparée dans un appareil 30 est projetée dans l'appareil 10 de combustion par un brûleur 20 à l'aide d'une pompe 21 de combustible La référence 4 désigne un courant de gouttelettes projetées L'appareil 10 a une enceinte interne 1, un déflecteur 2 destiné au préchauffage de l'air admis, et une enceinte cylindrique externe 3. L'enceinte interne 1 a une partie cylindrique-centrale la de plus grand diamètre, une partie arrière lb s'évasant vers l'intérieur, ayant une ouverture de diamètre réduit fixée à-la sortie du brûleur 20 et une partie tronconique avant lc ayant une ouverture de diamètre réduit L'enceinte externe 3 a une configuration analogue à celle de l'enceinte 1 et elle est fixée, aux extrémités opposées, à l'enceinte, à distance de celle-ci afin qu'une première chambre de préchauffage soit délimitée La sortie d'un ventilateur 5 est raccordée à la première chambre de préchauffage au voisinage de la partie cylindrique la afin que de l'air secondaire soit transmis sous pression à la première chambre de préchauffage Plusieurs petits trous sont formés dans la partie tronconique lc de l'enceinte interne Un déflec- teur 2 est placé à distance des parties tronconiques des enceintes interne et externe et il est raccordé, à une première extrémité, à l'enceinte interne, entre les trous 7 et la partie cylindrique la de manière qu'une seconde chambre de préchauffage, en communication avec la première à l'autre extrémité du déflecteur soit délimitée L'air du ventilateur est ainsi introduit dans la seconde chambre de préchauf- fage, circule dans la première chambre de préchauffage et l'air comprimé est alors projeté à l'intérieur de l'en- ceinte interne par les trous 7 de manière que la flamme de l'émulsion eau dans l'huile provenant du brûleur 20 soit comprimée et soit obligée de tourbillonner tout en restant dans l'enceinte interne. L'émulsion du type eau dans l'huile qui a été mé- langée et comprimée par l'air secondaire préchauffé reste dans l'enceinte interne 1 qui est-chauffée à une température d'environ 700 à 1 0000 C Les fines gouttelettes d'eau pré- sentes dans l'émulsion sont soumises à une explosion sous une température aussi élevée Simultanément à l'évaporation, l'eau subit une pyrolyse et, en outre, la réaction précitée de transformation du gaz à l'eau s'effectue L'hydrogène ou gaz à l'eau ainsi formé et l'huile combustible pulvéri- sée se mélangent, et le mélange résultant est brûlé En outre, l'oxygène qui se forme simultanément du fait de la pyrolyse de l'eau permet une combustion rapide et totale avec de plus faibles quantités d'air que la quantité théo- rique et en conséquence, la quantité d'huile combustible consommée peut être fortement réduite. Exemple comparatif Cas A: On mélange une huile lourde A et de l'eau dans un rapport 100/65 ( 39,4 % d'addition d'eau) afin de préparer un combustible en émulsion du type eau dans l'huile Le combustible ainsi préparé est brûlé dans l'appareil de combustion selon l'invention monté sur un brûleur du type pistolet, disponible dans le commerce. Cas B: L'émulsion contenant 20 % d'eau est brûlée à l'aide du brûleur seul. Cas C: L'huile lourde A est brûlée seule. Selon les différents procédés des cas A, B et C, le combustible est brûlé à une pression de 10 bars dans un four de combustion ayant un diamètre efficace de 800 mm et une longueur efficace de 2 m, utilisé pour le chauffage de l'atmosphère pendant la polymérisation d'un article de chlorure de polyvinyle formé par trempage Les résultats figurent dans le tableau qui suit. Selon l'invention, le rendement thermique d'un brûleur peut être augmenté de 67 % par rapport au cas de l'utilisation de l'huile lourde seule, et la quantité de combustible utilisée peut être réduite à 60 % L'appareil et le procédé selon l'invention permettent donc une grande contribution aux économies d'énergie. TABLEAU Cas A Cas B Cas C Rapport d'eau (%) 39,4 20,0 0,0 Rapport d'huile lourde A 100/65 100/25 100/0 à l'eau Température de flamme ("C) 1,350 1,250 1, 280 Rapport d'huile consommée 60 85 100 en pourcentage relatif Rendement thermique 167 118 100 de brûileur (Pourcentage relatif) ( 100) ( 71) selon l'invention L'appareil 10 ' de combustion selon l'inven- tion comporte une enceinte interne 11, une chambre 12 de préchauffage d'air et une enceinte externe 13, et il est monté à la partie supérieure d'un brûleur 20 ' de pulvérisa- tion de trois fluides La buse 22 du brûleur 20 ' est telle que représentée sur les figures 3 a et 3 b Sur celles-ci, la référence 31 désigne une fente destinée au passage de l'eau, la référence 32 des fentes destinées au passage d'une huile lourde, et la référence 33 des espaces par lesquels l'air comprimé s'écoule afin qu'il donne un effet tourbillonnaire au mélange La flèche A indique la direction générale du jet composite des trois fluides La chambre 12 de préchauffage d'air est reliée à un ventilateur 15, et l'enceinte 11 a plusieurs petits trous 17 par lesquels de l'air comprimé est injecté dans la chambre de combustion afin qu'il y tourbillonne Des pompes quantitatives 28 et 29 sont destinées à transmettre l'huile et l'eau dans un rapport prédéterminé L'huile et l'eau transmises par ces pompes et l'air comprimé provenant du ventilateur rotatif 27 sont projetés par l'appareil 10 ' de-combustion par l'inter- médiaire du brûleur 20 ' de pulvérisation de trois fluides. La référence 14 désigne de façon générale les courants qui sont projetés et formés au cours de cette action Les cou- rants tourbillonnent aussi. L'air secondaire provenant du ventilateur 15 est transmis par des admissions 18 et 19 d'air préchauffé à l'enceinte externe qui est aussi chauffée L'air secondaire ainsi chauffé est injecté dans l'enceinte interne 11 Les gouttelettes mélangées d'eau et d'huile qui ont tourbillonné et qui ont été comprimées par l'air secondaire préchauffé restent dans la chambre de combustion 16 délimitée par l'enceinte interne et sont chauffées à une température d'en- viron 700 à 1 000 C Les gouttelettes d'eau qui sont atomi- sées doivent exploser sous l'action d'une telle température et sont gazéifiées avec le combustible En conséquence, l'eau subit une pyrolyse et la réaction de transformation du gaz à l'eau s'effectue avec formation d'hydrogène et de gaz à l'eau L'hydrogène ou gaz à l'eau ainsi-formé et l'huile combustible pulvérisée se mélangent et sont brûlés. L'oxygène formé simultanément par la pyrolyse de l'eau permet une combustion rapide et totale avec la quantité d'air qui est inférieure à la quantité théorique, et la consommation d'huile combustible est fortement réduite. Les figures 4 a et 4 b représentent un autre mode de réalisation de l'invention, sous forme d'un mécanisme de mélange interne destiné à la buse 22 Comme l'indique la figure 4 a, le passage 31 de circulation d'eau est raccordé radialement vers l'extérieur et obliquement afin qu'il pénètre dans le passage 32 de combustible O En conséquence, l'émulsion eau-huile se forme dans la buse 22 Grâce à cette construction, on peut obtenir pratiquement le même effet que dans les modes de réalisation précédents - Le procédé et l'appareil de combustion selon l'invention ont été décrits dans le présent mémoire Le rendement thermique du brûleur est supérieur d'au moins 60 % à celui de l'utilisation d'une huile lourde seule, et la quantité d'huile consommée peut être réduite de 35 à 40 %. L'appareil et le procédé selon l'invention contribuent donc grandement à une utilisation économique de l'énergie. Ainsi, dans l'appareil de combustion du mélange d'une huile et d'eau selon l'invention, il n'est pas nécessaire qu'un dispositif prépare une émulsion d'huile et d'eau, et la quantité d'huile combustible peut être facilement augmentée. L'appareil selon l'invention peut donc être utilisé dans diverses applications. Le combustible qui doit être utilisé dans les modes de réalisation précédents est une huile lourde ou légère, mais on peut aussi utiliser un combustible tel qu'une suspension ou analogue. Par exemple, on peut utiliser comme combustible du charbon pulvérisé mélangé à une huile lourde et du charbon pulvérisé mélangé à de l'eau. Bien entendu,-diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil destiné à un brûleur de combustion d'une émulsion du type eau dans l'huile, ayant une teneur en eau d'au moins 40 % 6 environ, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte interne ( 1) ayant une partie centrale sensiblement cylindrique de grand diamètre, une partie arrière s'évasant vers l'intérieur et ayant une ouverture de diamètre réduit destinée à être fixée à la sortie d'un brûleur ( 20) et une partie avant tronconique ayant une ouverture de diamètre réduit, une enceinte externe ( 3) entourant l'enceinte interne à distance de celle-ci et fixée à celle-ci aux extrémités opposées afin qu'une chambre de préchauffage d'air secondaire soit délimitée, plusieurs trous ( 7) formés dans la partie tronconique avant de l'en- ceinte interne ( 1) et destinés à faire communiquer la chambre de préchauffage avec l'intérieur de l'enceinte, un déflec- teur ( 2) fixé à l'enceinte interne entre les deux enceintes ( 1, 3) et recouvrant les trous, et un dispositif d'alimen- tation en air ( 5) destiné à transmettre de l'air comprimé à la chambre de préchauffage, si bien que l'air comprimé est introduit à l'intérieur de l'enceinte interne par les trous et assure la compression de la flamme de l'émulsion du type eau dans l'huile provenant du brûleur, obligeant la flamme à tourbillonner et à rester dans l'enceinte interne si bien que les particules d'eau subissent une micro-explosion et simultanément l'émulsion subit une pyrolyse. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation en air ( 5) est relié à la chambre de préchauffage à proximité de la partie centrale de l'enceinte interne ( 1) et le déflecteur ( 2) comporte une plaque annulaire disposée parallèlement à la partie arrière tronconique et recouvrant les trous ( 7), l'espace séparant la plaque de l'enceinte interne ( 1) étant fermé à l'extrémité de la plaque adjacente au dispositif d'alimen- tation en air et étant ouvert à l'autre extrémité. 3 Appareil de combustion d'une émulsion du type combustible-eau ayant une teneur en eau d'environ 40 %, * 11 caractérisé en ce qu'il comprend un brûleur, une buse unique ( 22) placée dans le brûleur ayant un premier, un second et un troisième passage ( 30, 31, 32) de circulation de fluide, et une lumière commune de sortie ( 34), un dispositif destiné 'à transmettre une quantité dosée de combustible et d'eau au premier et au second passage respectivement, et un dispo- sitif destiné à transmettre de l'air comprimé au troisième passage afin qu'un mélmange de combustible, d'eau et d'air comprimé soit projeté vers l'extérieur, par la lumière de sortie. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de combustion formée d'une enceinte interne ( 1) ayant une partie centrale sensiblement cylindrique de grand diamètre, une partie arrière se rétrécis- sant vers l'intérieur, ayant une ouverture de diamètre réduit destinée à être fixée à la sortie d'un brûleur ( 20) de combustible et une partie tronconique avant ayant une ouver- ture de diamètre réduit, une enceinte externe ( 3) entourant l'enceinte interne à distance de celle-ci et fixée à celle-ci aux extrémités opposées afin qu'une chambre de préchauffage d'air secondaire soit délimitée, plusieurs trous ( 7) formés dans l'enceinte interne et destinés à faire communiquer la chambre de préchauffage avec l'intérieur de l'enceinte, un déflecteur ( 2) fixé à l'enceinte interne ( 1) entre les enceintes interne et externe ( 1, 3) et recouvrant les trous, et un dispositif d'alimentation en air ( 5) destiné à trans- mettre de l'air comprimé à la chambre de préchauffage de manière que l'air comprimé pénètre à l'intérieur de l'en- ceinte interne par lesdits trous ( 7) et provoque la compres- sion de la flamme d'émulsion d'eau et de combustible prove- nant du brûleur, obligeant la flamme à tourbillonner et à rester dans l'enceinte interne si bien que les particules d'eau subissent une microexplosion et, simultanément, l'émulsion subit une pyrolyse. 5 Procédé de combustion d'un combustible sous forme d'une émulsion d'eau et d'un combustible, ayant une teneur en eau d'au roins environ 40 %, caractérisé en ce qu'il comprend la projection du combustible sous forme d'une émulsion eau-combustible par un brûleur ( 20) dans une chambre de combustion délimitée par une enceinte interne ( 1) fixée au brûleur, le préchauffage d'air secondaire comprimé dans une chambre de préchauffage placée entre l'enceinte interne ( 1) et une enceinte externe ( 3), et l'introduction d'air comprimé préchauffé dans la chambre de combustion par plusieurs ouvertures ( 7) formées dans une partie tronconique de l'enceinte interne distante du brûleur afin que la flamme du combustible sous forme d'une émulsion eau-combustible projetée soit comprimée et obligée de tourbillonner et de rester dans la chambre de combustion afin qu'elle y brûle à une température de 700 à 1 0000 C, provoquant la micro-explosion des particules d'eau et simulta- nément la pyrolyse du combustible sous forme d'une émulsion eaucombustible. 6 Procédé de combustion d'un combustible sous forme d'une émulsion eau-combustible ayant une teneur en eau d'au moins 40 % environ, caractérisé en ce qu'il comprend la transmission simultanée d'eau, d'un combustible et d'air comprimé à une buse ( 22) ayant une seule sortie ( 34), la projection du combustible sous forme d'une émulsion eau- combustible à l'aide d'air comprimé provenant de la buse ( 22) dans une chambre de combustion délimitée par une enceinte interne ( 1) fixée-au brûleur, le préchauffage d'air secon- daire comprimé dans une chambre de préchauffage placée entre l'enceinte interne ( 1) et une enceinte externe ( 3), et l'introduction d'air comprimé et préchauffé dans la chambre de combustion par plusieurs ouvertures ( 7) formées dans l'enceinte interne ( 1) afin que la flamme du combus- tible projeté sous forme d'une émulsion eau-combustible soit comprimée et obligée de tourbillonner tout en restant dans la chambre de combustion dans laquelle elle brûle - à une température de 700 à 1 000 C, provoquant ainsi la -35 microexplosion des particules d'eau et simultanément la pyrolyse du combustible sous forme d'une émulsion eau-huile.