Brevet FR2553175A1 — publié le 19850412

A La présente invention se rapporte au domaine de la réduction d'émissions d'oxyde nitrique produites par un brûleur à combustible gazeux Plus particulièrement, l'invention propose d'intercaler un gaz de refroidissement entre le combustible et l'air utilisés dans un tel brûleur, au point auquel le combustible et l'air pénètrent-dans la 10 chambre de combustion. Il est bien connu que la vapeur d'eau exerce un effet notable sur le dégagement d'oxyde nitrique dans des flammes brûlant dans l'air On a contaté que le dégagement d'oxyde nitrique par effet thermique dépend fortement, selon 15 une relation quelque peu complexe, de la température de la flamme et de la concentration en oxygène La vapeur d'eau abaisse la température de la flamme et l'eau renfermée par cette flamme réduit également la concentration en oxygène. La combinaison de ces effets se traduit par une diminution 20 notable du taux de dégagement d'oxyde nitrique. En appliquant ces principes aux brûleurs de turbine à gaz, des chercheurs ont antérieurement injecté de la vapeur dans le brûileur, en vue de réduire les émissions d'oxyde nitrique produites par effet thermique par ce brû25 leur Typiquement, la vapeur a été injectée en amont de la volute principale brassant l'air du brûleur, d'o il résulte que cette vapeur est soumise en partie à un mélange préalable avec l'air comburant Cependant, il s'est avéré que l'injection de vapeur pratiquée de cette manière est moins efficace qu'escompté On a constaté qu'une injection de vapeur selon des procédés de l'art antérieur, n'est pas aussi efficace qu'une injection d'eau, même si l'on tient compte de la chaleur latente de vaporisation de cette eau. Pour atteindre le niveau de réglage des émissions d'oxyde nitrique prévu à partir des principes précités, on a établi qu'il est nécessaire d'injecter une quantité de vapeur supérieure à la quantité estimée Cette quantité supplémentaire de vapeur peut diminuer le rendement thermique du système, augmenter la consommation d'eau déminéralisée et 15 provoquer de fortes pressions dynamiques qui réduisent la longévité du brûleur D'après les conclusions de la Demanderesse, la raison principale pour laquelle une injection d'eau est plus efficace qu'une injection de vapeur pour réduire les dégage20 ments d'oxyde nitrique (même après avoir pris en compte la chaleur latente de vaporisation de l'eau) consiste en ce que les gouttelettes d'eau ont tendance à s'évaporer sur le front de la flamme là o la température est la plus élevée. De ce fait, l'effet de refroidissement de la chaleur latente 25 et sensible de l'eau est maximale sur le front de la flamme et il a lieu automatiquement là o il est le plus efficace pour réduire le taux de dégagement d'oxyde nitrique par effet thermique La Demanderesse a étalement établi que, pour permettre à l'injection de vapeur d'être aussi efficace 30 que l'injection d'eau, cette vapeur doit être injectée de façon que sa concentration soit maximalisée dans le front de flamme. La présente invention a par conséquent pour objet de proposer un procédé pour réduire les émissions d'oxyde 35 nitrique d'un brûleur à combustible gazeux. -3 Un autre objet de la présente invention consiste à proposer un procédé dans lequel on utilise un gaz de refroidissement, dans un brûleur à combustible gazeux, en vue de diminuer les émissions d'oxyde nitrique produites par ce brûleur. L'invention vise en outre à proposer un procédé dans lequel on introduit un gaz de refroidissement, dans un brûleur à combustible-gazeux, de telle sorte que la concentration de ce gaz de refroidissement est un maximum dans le 10 front de la flamme. La présente invention propose par ailleurs un appareil permettant de réduire les émissions d'oxyde nitrique et pouvant être aisément adapté à des brûleurs à combustibles gazeux existants. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un procédé pour réduire les émissions d'oxyde nitrique d'un brûleur à combustible gazeux comprend les étapes consistant à introduire, dans une chambre de combustion, un gaz comburant renfermant de l'azote et de l'oxygène; et à in20 troduire un gaz combustible dans ladite chambre Un gaz de refroidissement est admis dans cette chambre d'une manière telle que ce gaz soit intercalé pour l'essentiel, entre le gaz comburant et le combustible gazeux, au point auquel ces deux gaz sont introduits dans la chambre De préférence, le 25 gaz de refroidissement est admis de manière que la quantité de ce gaz de refroidissement, qui se mélange au gaz comburant, soit approximativement égale à la quantité de ce gazde refroidissement qui se mêle au combustible gazeux. Selon un autre mode de réalisation de la présente 30 invention, un appareil recommandé pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention comprend une chambre de combustion délimitée par une paroi, ainsi qu'un corps traversé par un passage destiné à introduire le gaz comburant dans ladite chambre de combustion, l'une des extrémités de ce passage 35 communiquant avec ladite chambre de combustion au moyen d'une ouverture pratiquée dans la paroi de cette chambre. L'appareil comporte en outre une buse de distribution de combustible gazeux qui délivre ce combustible à la chambre de combustion, cette buse étant en communication par fluide avec ladite chambre par l'intermédiaire de l'ouverture précitée ménagée dans la paroi de cette chambre L'appareil possède par ailleurs un corps qui entoure au moins partiellement ladite buse à combustible gazeux et est disposé de façon qu'un canal soit délimité entre la surface externe de 10 ladite buse et la surface interne dudit corps, de telle sorte que du gaz de refroidissement circulant par ledit canal soit intercalé entre le combustible gazeux parcourant la buse et le gaz comburant s'écoulant dans le passage, sensiblement au point auquel ces deux gaz sont admis dans 15 ladite chambre de combustion La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1 une élévation latérale fragmentaire avec arrachements, illustrant schématiquement un mode réali20 sation de la présente invention figure 2 une coupe transversale de l'appareil, selon la ligne 2- 2 de la figure 1; et figure 3 une vue en perspective montrant schématiquement un mode de réalisation de l'invention pouvant être 25 aisément adaptée à des brûleurs à combustible gazeux existants i D'après les constatations de la Demanderesse, pour minimiser les émissions d'oxyde nitrique d'un brûleur à combustible gazeux en y introduisant un gaz de refroidis30 sement, la concentration de ce gaz de refroidissement doit être maximalisée au front de flamme Conformément à la pré sente invention, un procédé élaboré à cet effet consiste à introduire dans une chambre de combustion un gaz comburant renfermant de l'azote et de l'oxygène, ainsi qu'à introduire 35 un gaz combustible dans ladite chambre Un gaz de refroidis- sement est interposé entre le gaz comburant et-le gaz combustible, sensiblement au point auquel ces gaz sont admis dans la chambre De préférence, le gaz de refroidissement est délivré à la chambre d'une manière telle que la quantité de ce gaz de refroidissement se mélangeant au gaz comburant soit approximativement égal à la quantité dudit gaz de refroidissement se mêlant au gaz combustible Par suite de cette interposition, la concentration du gaz de refroidissement est maximalisée au front de flamme Le front de la flamme s'établit de préférence là o les gaz sont présents en des proportions sensiblement stoéchiométriques Dans un tel cas, la concentration du gaz de refroidissement au front de flamme est suffisante pour abaisser la température dudit front de flamme en deçà de la-température à laquelle le taux 15 de production d'oxyde nitrique par effet thermique devient important, mais au-delà de la température nécessaire à des taux de combustion utiles dans des brûleurs à combustibles gazeux Cet abaissement de température, conjugué à une réduction de la concentration d'oxygène au front de flamme se 20 traduit par une diminution notable des émissions d'oxyde nitrique par un brûleur à combustibles gazeux Parmi d'autres applications, la présente invention peut être utilisée dans des chambres de combustion de turbines à gaz fonctionnant avec du combustible gazeux Dans les chambres 25 de combustion de ce genre, le gaz comburant consiste en de l'air et le gaz de refroidissement est de la vapeur Le gaz combustible consiste souvent en du méthane La présente invention peut également être appliquée à des brûleurs de chaudière utilisant un combustible gazeux Dans des chau dières typiques, le gaz comburant est de l'air et le combustible gazeux consiste souvent en du méthane Dans cette application de l'invention, le gaz de refroidissement peut être constitué par des gaz d'échappement recyclés. La figure 1 illustre schématiquement l'un des modes de réalisation d'un appareil approprié pour la mise en oeuvre de la présente invention Dans le mode de réalisation représenté, un brûleur 10 à combustible gazeux comporte une chambre de combustion 14 délimitée par une paroi 12 Un moyen, destiné à introduire dans la chambre 14 un gaz combu5 rant renfermant de l'azote et de l'oxygène, consiste en un corps 26 dans lequel s'étend un passage sensiblement cylindrique Ce corps 26 est logé dans une ouverture 28 pratiquée dans la paroi 12 de la chambre de combustion Un corps 24 de configuration sensiblement cylindrique est incorporé dans le 10 corps 26 en occupant une position sensiblement coaxiale à l'axe longitudinal du passage parcourant ledit corps 26, de sorte qu'un canal annulaire 20 est délimité par la surface externe du corps 24 et par la surface interne du corps 26. Ce canal 20 communique avec la chambre de combustion 14, de 15 telle sorte que du gaz comburant puisse être délivré à cette chambre 14 par l'intermédiaire du canal 20 Un moyen, destiné à introduire un gaz combustible dans la chambre 14, consiste en une buse 22 sensiblement cylindrique délivrant du combustible gazeux, située à l'intérieur du corps cylin20 drique 24 et occupant une position sensiblement alignée avec l'axe central de ce corps 24 La buse 22 comprend une ouverture 16 communiquant par fluide avec la chambre de combustion 14 et par l'entremise de laquelle du gaz combustible peut être délivré à cette chambre 14 En outre, la buse 22 est agencée de telle manière qu'un canal 18 de configuration annulaire, communiquant avec la chambre de combustion 14, soit délimité par la surface externe de la buse 22 et par la surface interne du corps 24, si bien qu'un gaz de refroidissement peut être introduit dans ladite chambre 14 par ce canal 18 La buse 22, le corps cylindrique 24 et le corps 26 sont par ailleurs agencés de telle sorte que du gaz de refroidissement, circulant par le canal 18, estt intercalé entre le gaz combustible empruntant l'alésage 16 de la buse 22 et le gaz comburant s'écoulant par le canal 20, sensible35 ment au point o ces gaz sont délivrés à la chambre de com- bustion 14 De préférence, la buse 22, le corps cylindrique 24 et le corps 26 sont en outre disposés de façon que le gaz de refroidissement se mélange au gaz comburant et au combustible gazeux selon des débits approximativement égaux. Dans la réalisation selon la figure 1, la buse 22, le corps cylindrique 24 et le corps 26 font'tous Ies trois saillie à l'intérieur de la chambre de combustion 14 Cependant, pour une quelconque application particulière, le fait que la buse 22, le corps cylindrique 24 ou le corps 26 dépassent dans la chambre de combustion 14, leur profondeur de pénétration dans cette chambre ainsi que le fait qu'ils dépassent ou non de distance égale, sont déterminés par les conditions particulières considérées Dans certaines applications o cela est avantageux, la buse 22 et le corps cylindrique 24 peuvent être rétractés axialement dans le corps 26, à l'écart de la chambre de combustion 14 Dans un tel mode de réalisation, le gaz de refroidissement continu d'être intercalé entre le combustible gazeux et le gaz comburant, mais les caractéristiques d'écoulement de ces gaz 20 peuvent être améliorées. La figure 2 est une coupe transversale de l'appareil de la figure 1, selon la ligne 2-2 de cette figure, montrant en outre les moyens permettant d'introduire dans la chambre de combustion 14 le combustible gazeux, le gaz de 25 refroidissement et le gaz comburant Le combustible gazeux est introduit dans la chambre 14 par l'intermédiaire de l'ouverture circulaire 16 dans la buse 22 Le gaz de refroidissement est délivré par l'entremise du canal annulaire 18 délimité par la surface interne du corps 24 et la surface 30 externe de la buse 22; Le gaz 'comburant est admis dans la chambre 14 en passant par le canal annulaire 20 délimité par la surface interne du corps 26 et la surface externe du corps 24 Dans la réalisation représentée sur la figure 2, l'ouverture 16 est de configuration circulaire et les canaux 35 18 et 20 sont annulaires Néanmoins, d'autres formes, (par exemple des fentes rectangulaires adjacentes) peuvent aussi être données aux moyens utilisé pour introduire Ies gaz dans la chambre de combustion, pourvu que les configurations choisies se traduisent par le fait que le gaz de refroidis5 sement est, pour l'essentiel, interposé entre le combustible gazeux et le gaz comburant De surcroît, bien que la figure 2 représente le corps 24 entourant intégralement la buse 22, il est également possible d'envisager des-réalisations dans lesquelles ce corps 24 n'entoure que partiellement la buse 10 22 (azvec pour résultat le gaz de refroidissement intercalé entre le combustible gazeux et le gaz comburant) De plus, comme le montre les figures 1 et 2, la paroi 12 de la chambre de combustion, la buse 22, le corps cylindrique 24 et le corps 26 consistent tous en un métal, mais il est également 15 possible d'utiliser d'autres matériaux (comme par exemple des corps en céramique) appropriés à une application particulière Enfin, il convient de noter que, ie cas échéant, un gaz comburant supplémentaire peut être introduit dans la chambre 14 par l'intermédiaire d'ouvertures supplémentaires 20 (non représentées sur la figure 1) pratiquées dans la paroi 12 de cette chambre. La figure 3 est une vue en perspective montrant schématiquement un mode de réalisation de la présente invention qui peut être aisément adaptée à des brûleurs existants 25 à combustibles gazeux Dans des brûleurs classiques de ce genre, on utilise plusieurs buses de distribution du combustible gazeux et plusieurs moyens d'admission du gaz comburant Les canaux d'admission du gaz comburant sont agencés selon une configuration qui provoque un écoulement tourbil30 lonnaire dans la chambre de combustion Comme le montre la figure 3, un corps 34 comprend 16 passages d'admission 30 du gaz comburant, agencés de manière à former deux configurations circulaires concentriques dont chacune compte 8 pas sages Les 8 passages d'admission 30 du gaz comburant, re35 groupés dans chaque configuration circulaire, sont répartis 2553 '75 -9 d'une manière sensiblement uniforme sur le périmètre du cercle correspondant, la direction de l'écoulement à travers chacun des passages 30 présentant -une composante qui est tangentielle audit cercle Le corps cylindrique 24 incorporé dans chacun des passages 30 se trouve sensiblement dans l'alignement de l'axe longitudinal de ce passage 30, de sorte que le canal annulaire 20 est délimité par la surface externe du corps 24 et par la surface du corps 34 marquant la limite du passage 30 La buse 22 se trouve à l'intérieur 10 du corps cylindrique 24 et elle coincide sensiblement avec l'axe longitudinal de ce corps 24, si bien que le canal annulaire 18 délimité par la surface interne du corps 24 et la surface externe de la buse 22 Le canal 20 sert à introduire le gaz comburant dans la chambre de combustion La 15 buse 22 présente ouverture 16, de section circulaire, qui permet de délivrer le combustible gazeux à la chambre de combustion Le canal 18 de configuration annulaire permet l'interposition du gaz de refroidissement entre le combustible gazeux et le gaz comburant Un élément constitutif 32 20 permet de maintenir en position la buse 22 et le corps 24. La description qui précède concerne un procédé pour réduire les émissions d'oxyde nitrique d'un br leur à combustible gazeux Selon ce procédé de l'invention, dans lequel on utilise un gaz de refroidissement dans un brûleur 25 à combustible gazeux, la concentration de ce gaz de refroidissement est maximalisée dans le front de flamme La présente invention concerne en outre un appareil qui permet de réduire les dégagements d'oxyde-nitrique et peut être aisément adapté à des brûleurs à combustion gazeuse, existants 30 du type précité Bien que cet appareil ait été décrit et illustré sur la figure 2 comme ayant une section transversale généralement circulaire, on fera observer qu'il est également possible de prévoir d'autres formes de section, par exemple rectangulaire ou elliptique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé pour réduire Ies émissions d'oxyde nitrique d'un brûleur ou brûleur à combustible gazeux, caractérisé en ce qu'il consiste à; introduire dans une chambre de combustion un gaz comburant renfermant de l'azote et de l'oxygène; admettre un combustible gazeux dans ladite chambre; et délivrer un gaz de refroidissement à cette chambre, de telle façon que ce gaz de refroidissement soit intercalé entre ledit gaz comburant et ledit combustible gazeux sensiblement au point auquel lesdits gaz sont introduits dans ladite chambre. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce que l'étape consistant à introduire un gaz de refroidissement dans la chambre est, en outre, effectuée de telle sorte que la quantité de ce gaz de refroidissement qui se mélange au gaz comburant soit approximativement égale à la quantité dudit gaz de refroidissement qui se mélange au 20 combustible gazeux. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz comburant est de l'air. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de refroidissement consiste en de la vapeur. 25 5 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible gazeux est du méthane. 6 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz comburant est de l'air et le gaz de refroidissement consiste en de la vapeur. 7 Appareil pour réduire les émissions d'oxyde nitrique d'un brûleur à combustible gazeux, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour introduire un gaz comburant renfermant de l'azote et de l'oxygène dans une chambre de combustion ( 14) délimitée par une paroi ( 12); un moyen ( 22) 35 pour admettre un combustible gazeux dans ladite chambre ( 14); ainsi qu'un moyen ( 24) pour délivrer un gaz de refroidissement à ladite chambre ( 14), ce moyen étant agencé de telle sorte que ledit gaz de refroidissement est interposé entre le gaz comburant et le combustible gazeux sensiblement au point auquel ces gaz sont introduits dans ladite chambre ( 14). 8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'introduction du gaz comburant consiste en un corps ( 26) dans lequel s'étend un canal ( 20), l'une 10 des extrémités de ce canal étant en communication avec la chambre de combustion ( 14) au moyen d'une ouverture ( 28) pratiquée dans la paroi ( 12) de cette chambre de combustion. 9 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'introduction du combustible gazeux consiste en une buse ( 22) qui communique avec la chambre de combustion ( 14) au moyen d'une ouverture pratiquée dans la paroi ( 12) de cette chambre de combustion. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen d'introduction du combustible gazeux consiste en une-buse ( 22) qui communique avec la chambre de combustion ( 14) au moyen d'une ouverture pratiquée dans la paroi ( 12) de cette chambre de combustion. 11 Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyen d'introduction du gaz de refroidis25 sement consiste en un corps ( 24) qui entoure au moins partiellement la buse ( 22)-de délivrance du combustible gazeux et est disposé de façon qu'un canal ( 18) est délimité par la surface'externe de ladite buse ( 22) et la surface interne dudit corps ( 24), de telle sorte que le gaz de refroidisse30 ment parcourant ledit canal ( 18) est intercalé entre le combustible gazeux circulant dans ladite buse ( 22) et le gaz comburant empruntant le canal ( 20), sensiblement au point auquel ces gaz sont délivrés à la chambre de combustion ( 14). 12 Appareil selon la revendication 7, caractérisé 35 en ce que le moyen ( 24) d'introduction d'un gaz de refroi- dissement dans la chambre de combustion ( 14) est agencé, en outre, de manière que ledit gaz de refroidissement se mélange au gaz comburant dans une proportion approximativement égale à la proportion selon laquelle ledit gaz de refroidis5 sement se mélange au combustible gazeux. 13 Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen ( 26) d'introduction du gaz comburant est agencé, en outre, de telle sorte que le gaz de refroidissement parcourant le canal ( 18) se mélange, au gaz com10 burant empruntant le canal ( 20), dans une proportion approximativement égale à la proportion selon laquelle ledit gaz de refroidissement se mélange au combustible gazeux qui parcourt la buse ( 22). 14 Appareil pour-réduire les émissions d'oxyde nitrique d'un brûleur à combustible gazeux, appareil caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de combustion ( 14) délimitée par une paroi ( 12); un premier corps ( 26)logé dans une ouverture ( 28) pratiquée dans ladite paroi ( 12) de la chambre de combustion, ce corps étant parcouru par un 20 passage sensiblement cylindrique dont l'une des extrémités communique avec ladite chambre de combustion ( 14); un second corps ( 24) sensiblement cylindrique, logé dans ledit passage et occupant une position qui coïncide sensiblement avec l'axe longitudinal de ce passage, de telle sorte qu'un 25 premier canal ( 20) de configuration annulaire en communication avec ladite-chambre de combustion ( 14) soit délimité par la surface externe dudit second corps cylindrique ( 24) et par la surface interne dudit premier corps ( 26), en vue d'introduire dans ladite chambre de combustion un gaz com30 burant renfermant de l'azote et de l'oxygène; une buse sensiblement cylindrique ( 22) délivrant du combustible gazeux, située à l'intérieur dudit second corps cylindrique ( 24) et occupant une position coïncidant sensiblement avec l'axe central de ce second corps, de telle sorte que ladite 35 buse ( 22) communique avec ladite chambre de combustion ( 14) afin d'y introduire un combustible gazeux, et qu'un second canal annulaire ( 18), communiquant avec ladite chambre de combustion ( 14), soit délimité par la surface externe de ladite buse ( 22) et par la surface interne dudit second corps ( 24)en vue d'intercaler de la vapeur entre ledit combustible gazeux et ledit gaz comburant, sensiblement au point auquel ces gaz sont introduits dans ladite chambre de combustion ( 14). Appareil selon la revendication 14, caracté10 risé en ce qu'ilcomprend plusieurs premiers corps ( 26) du type précité.