Brevet FR2570473A1 — publié le 19860321

Perfectionnements aux brûleurs à gaz à écoulement parallèle comportant une rosace et un moyeu d'accrochage de flamme concernant les brûleurs à gaz et l'alimentation indépendante en air central. La présente invention a pour objet des perfectionnements aux brûleurs à gaz à écoulement parallèle comportant une rosace et un moyeu d'accrochage de flamme, lesquels perfectionnements concernent la position des lances à gaz et l'alimentation indépendante en air central du moyeu. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des brûleurs industriels à gaz. Les brûleurs selon l'invention peuvent être des brûleurs multigaz ou le plus souvent, des brûleurs mixtes, alimentés à la fois en combustibles liquides ou gazeux et capables de fonctionner avec un seul des types de combustibles ou avec les deux simultanément et dans n'importe quelles proportions. On connaît des brûleurs dits à écoulement parallèle dans lesquels l'air de combustion circule parallèlement à l'axe du brûleur jusqu a ce qu'il rencontre une rosace à ailettes, située à proximité du nez du brûleur, qui met une partie de l'air en rotation, c'est-à-dire qui lui communique une vitesse ayant une composante tangentielle. Les brûleurs à écoulement parallèle tendent à remplacer, de plus en plus, les brûleurs équipés de registres à ventelles par suite de leurs avantages dus, notamment, à une plus grande simplicité de fabrication, à un entretien réduit dû à l'absence de pièces mobiles et à une meilleure stabilité du réglage une fois mis au point. Les brûleurs à gaz selon l'invention sont du type à écoulement parallèle. On connaît notamment des brûleurs à écoulement parallèle comportant un moyeu dit moyeu d'accrochage de la flamme, qui est situé au centre de la rosace, autour d'une canne d'injection centrale et qui crée autour du nez du brûleur des remous enflammés qui entrainent un très bon accrochage de la flamme au nez du brûleur. Le brevet FR. 71.03 504 (Entreprise Générale de Chauffage Industriel PILLARD) décrit un brûleur de ce type. On connait également des brûleurs à gaz à écoulement parallèle qui comportent à la fois une canne axiale, dont l'extrémité avant est entourée d'une rosace ou d'un accrocheur de flamme situé en travers du conduit par lequel l'air de combustion est amené au nez du brûleur et des tubes-lances, parallèles à l'axe du brûleur ou légèrement inclinés par rapport à celui-ci, qui véhiculent un gaz combustible. Dans le cas d'un brûleur mixte, la canne centrale est une canne d'injection de combustibles liquides, dont l'extrémité avant est équipée d'un dispositif de pulvérisation de tout type connu. Il existe également des brûleurs à gaz dans lesquels la canne centrale est une canne d'injection d'un gaz combustible qui est alimentée en général, de façon indépendante, mais qui peut également etre alimentée en gaz à partir du même collecteur que les tubes-lances. Les brûleurs à gaz à écoulement parallèle comportent une plu ralité de tubes-lances, par exemple entre 4 et 20, qui sont répartis uniformément tout autour de l'axe et dont l'extrémité arrière est connectée avantageusement sur un collecteur de gaz, de telle façon qu'il soit possible de démonter les lances à gaz pendant que le brûleur fonctionne au moyen de la canne axiale qui reste en service. Le collecteur de gaz peut etre interne (non accessible de l'extérieur), toutefois il est plus souvent externe car l'intérêt de cette possibilité de démontage en marche des lances à gaz est très grand, en particulier dans les fours et chaudières à feu continu, tels que ceux des raffineries de pétrole, des usines pétrochimiques ou chimiques, ou des usines sidérurgiques, où les gaz brûlés sont souvent corrosifs et où les lances à gaz exigent des opérations d'entretien qui doivent etre réalisés sans arreter les brûleurs. Dans tous les brûleurs a gaz multi-lances, démontables en marche à écoulement parallèle connus à ce jour, les lances à gaz sont disposées à la périphérie de la rosace ou de l'accrocheur de flamme. Cette solution entraîne certains inconvénients dans le cas ou. le brûleur multi-lances est ou devient utilisé seul avec un excés d'air important. En effet, de l'air de combustion circule à grande vitesse axiale autour de la rosace, dans la zone où se situent les lances à gaz périphériques et il a tendance à entrainer vers l'avant le gaz combustible sortant des lances. Il en résulte que le mélange de gaz combustible et d'air de combustion est imparfait dans la zone de recirculation centrale qui entoure le nez du brûleur et qui assure normalement une bonne stabilité du front de flamme dans des conditions où l'impulsion du gaz est plus forte que celle de l'air. Si le brûleur fonctionne au gaz seul, c'est-à-dire uniquement avec les lances périphériques et en cas de fort excés d'air dépassant la limite admissible et précisée, la flamme a tendance à décrocher, c'est-à-dire à s'éloigner du brûleur et,selon l'importance de ltexcés d'air,à s'éteindre.Dans ce cas, il y a formation d'oxyde de carbone et un risque d'extinction du brûleur et, pour prévenir de tels risques pouvant résulter de fausses manoeuvres, ceci nécessite la mise en place de dispositifs de sécurité par détection de la présence de la flamme du gaz afin d'éviter d'accumuler du gaz combustible dans le foyer. Les constructeurs ont recherché des solutions pour améliorer la stabilité de la flamme des brûleurs à gaz à écoulement parallèle comportant une pluralité de lances à gaz sensiblement parallèles à l'axe du brûleur. Ainsi, on a proposé des lances à gaz comportant, à leur extrémité avant, des buses ou des orifices d'injection de gaz dirigés vers l'axe du brûleur afin d'injecter du gaz combustible vers la zone centrale. On a également proposé des lances à gaz dont l'extrémité avant est équipée d'un accrocheur de flamme individuel qui, pour etre efficace, a une dimension qui interdit son démontage pendant la marche du brûleur. Aucune de ces solutions n'est satisfaisante sur le plan de la stabilité de la flamme dans le cas où le brûleur fonctionne avec un très fort excés d'air alors qu'un tel fonctionnement est à envisager si l'on veut répondre aux critères de sécurité absolue de nombreux types de fours et de chaudières dans la pétrochimie où il est souhaité que la flamme reste stable, pendant le fonctionnement au gaz seul, même avec un excés d'air de l'ordre de 300% pouvant aller accidentellement à 800% et même 1000% dans certains cas. L'objectif de la présente invention est de procurer des brûleurs à gaz, qui peuvent être des brûleurs mixtes ou des brûleurs multigaz, à écoulement parallèle, comportant une canne axiale et une pluralité de lances à gaz réparties autour de ladite canne axiale et comportant également une rosace placée dans le conduit d'air de combustion qui entoure la canne axiale, dans lesquels les lances à gaz sont démontables en marche et dans lesquels la stabilité de la flamme reste très bonne, dans toutes les conditions de marche et en particulier, lorsque le brûleur fonctionne au gaz seulement avec un excés d'air important, de l'ordre de 400% en continu en conservant d'excellents résultats de combustion, jusqu'à 800% accidentellement sans éteindre la flamme. Les brûleurs à gaz selon 1 invention sont du type connu comportant une canne axiale d'injection de combustible liquide ou gazeux un tube interne qui entoure ladite canne axiale et le nez du brûleur axial, une virole extérieure cylindrique ou conique qui délimite avec ledit tube interne un conduit annulaire, dans lequel circule l'air de combustion, un moyeu central qui entoure le nez du brûleur axial et qui fait saillie dans ledit conduit annulaire, une rosace qui est composée d'ailettes et qui est située à la périphérie dudit moyeu en travers dudit conduit annulaire et des lances à gaz. L'objectif de l'invention est atteint au moyen d'un perfectionnement d'un brûleur de ce type, dans lequel les lances à gaz sont disposées à travers la rosace, à proximité de la périphérie du moyeu. Avantageusement, les lances à gaz sont indépendantes du moyeu et des ailettes de la rosace, sont démontables et sont orientables par pivotement autour de leur axe. Avantageusement, les lances à gaz sont rectilignes dans la partie comprise à l'intérieur dudit conduit annulaire et sont parallèle les à l'axe du brûleur ou légèrement inclinées par rapport à celui-ci. Le nombre de lances à gaz est égal à ou sous-multiple du nombre d'ailettes de la rosace. L'extrémité avant de chaque lance à gaz comporte au moins un orifice d'injection de gaz dont l'axe, orienté vers l'avant, forme avec l'axe de la lance, orienté vers l'avant, un angle aigu ci. L'invention a pour résultat de nouveaux brûleurs à gaz à écoulement parallèle, qui peuvent être des brûleurs mixtes à combustible liquide ou gazeux ou des brûleurs multigaz. Les brûleurs mixtes selon l'invention peuvent fonctionner au gaz seul, en arrêtant l'alimentation en fioul de la canne axiale, avec des excés d'air pouvant atteindre jusqu'à 800% et même 1000% dans certains cas et la flamme reste stable à cause de la présence d'un moyeu d'accrochage de la flamme. Un brûleur selon l'invention permet de faire varier l'allure de fonctionnement dans une plage très large. Les fonctionnements mixtes au fioul et au gaz d'un brûleur selon l'invention sont bons quels que soient les pourcentages respectifs de gaz et de fioul. Un brûleur selon l'invention est simple à construire et à entretenir et il est donc relativement peu coûteux. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de brûleurs à gaz selon l'invention. La figure 1 est une coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'un brûleur à gaz selon l'invention. La figure 2 est une vue de l'arrière selon II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue de l'avant selon III-III de la figure 1. La figure 3a est une vue selon III-III montrant les perçages de passage des buses. La figure 4 est une coupe partielle selon IV-IV de la figure 3. La figure 5 est une coupe axiale d'un deuxième mode de réalisation d'un brûleur à gaz selon l'invention. La figure 6 est une vue de l'arrière selon VI-VI de la figure 5. La figure 7 est une vue de l'avant selon VII-VII de la figure 5. La figure 8 est une coupe partielle selon VIII-VIII de la figure 5. La figure 1 représente une coupe axiale d'un brûleur 1 d'axe x xl, disposé coaxialement dans une virole externe 2, qui constitue l'orifice du brûleur. La virole externe 2 est cylindrique dans le cas de la figure, mais elle pourrait être conique divergeant légèrement vers l'avant et ltextremite avant peut comporter ou non, un ouvreau en matériau réfractaire ou se terminer par un chanfrein tronconique. Le brûleur 1 comporte une canne d'injection axiale 3. La figure 1 représente un brûleur mixte qui peut brûler à la fois ou séparément un ou plusieurs combustibles liquides et du gaz. Dans ce cas, la canne axiale 3 est une canne d'injection de combustibles liquides qui comporte, à l'extrémité avant, un dispositif de pulvérisation 4 de tout type connu, par exemple un pulvérisateur mécanique ou un pulvérisateur assisté à la vapeur ou à l'air ou au gaz comprime. Le ou les combustibles liquides pulvérisés sortant du nez de l'injecteur 4 sont projetés dans des directions divergentes situées à l'intérieur d'un cône. En variante, la canne axiale 3 peut etre une lance à saz et, dans ce cas, elle se termine par un brûleur à gaz. La canne axiale 3 est placée à l'intérieur d'un tube interne coaxial 5 dont le diamètre est supérieur à celui du nez du brûleur 4. L'air de combustion circule parallèlement à l'axe x xl dans le conduit annulaire 6, situé entre le tube interne 5 et la virole externe 2. Le brûleur 1 comporte, autour du nez du brûleur, un moyeu 7 qui constitue un écran qui s' ppose à la circulation de l'air et il se forme à l'avant de cet écran, des remous 8 représentés en pointillés, qui sont constitués par un mélange combustible et qui sont enflammés et ces remous contribuent à produire une très bonne stabilité de la flamme qui reste accrochée au nez du brûleur. Dans l'exemple représenté, le moyeu 7 est composé de plusieurs pièces boulonnées entre elles, mais il pourrait être d'une seule pièce. Le moyeu 7 est fixé par des vis 9 sur le tube 5. Le moyen 7 porte, à sa périphérie, une rosace 10 composée d'ailettes 11, qui peuvent être planes ou gauches et qui sont inclinées transversalement, de façon à communiquer à l'air une vitesse ayant une composante tangentielle et, donc à mettre une partie de l'air en rotation hélicoidale autour de l'axe x xi. Les ailettes 11 peuvent être enveloppées d'une jupe externe lia. Tout ce qui précède est connu, notamment par le brevet FR. 71.03.504 cité ci-dessus et il n'est donc pas nécessaire d'en donner une description détaillée. Le brûleur 1 est un brûleur à gaz qui comporte une pluralité de lances à gaz périphériques 12, qui sont parallèles ou légèrement in clinées par rapport à l'axe et qui sont fixées à l'arrière sur un collecteur non représenté, de telle sorte qu'elles sont démontables pendans que le brûleur axial 4 continue à brûler. A ce jour, dans les brûleurs de ce type, la jupe lia qui enveloppe les ailettes 11, a un diamètre inférieur à celui de la virole 2 et les lances à gaz sont disposées dans l'espace annulaire compris entre la jupe lia et la virole externe 2, par exemple comme représentées en pointillés en 18. Dans le brûleur selon la figure 1, les lances à gaz 12 sont disposées à travers la rosace 10, à la périphérie du moyeu 7. Leur nombre est égal ou sous-multiple du nombre d'ailettes de la rosace. Par exemple, les figures 2 et 3 représentent un mode de réalisation dans lequel la rosace comporte douze ailettes et le brûleur comporte six lances à gaz 12. Dans ce cas, une ailette sur deux comporte, dans sa partie avant, un perçage ou un grugeage 13 pour permettre le libre passage des lances à gaz 12 à travers la rosace. Les figures 1 à 4 représentent un mode de réalisation dans lequel l'extrémité avant de chaque lance à gaz 12 est obturée et chaque lance comporte, au voisinage de l'extrémité avant, deux orifices 14 et 15, dont les axes sont situés dans deux plans axiaux décalés à 900. Les axes y yl des orifices 14 et 15 orientés vers l'avant forment avec l'axe de la lance orienté vers l'avant un angle a aigu qui est par exemple de 45 dans le cas de la figure 4. Par pivotement des lances autour de leur axe, on peut ajuster expérimentalement la position des orifices 14 et 15 afin d'obtenir l'orientation la plus performante. La figure 3 repréente, par des flèches, une orientation préférentielle, dans laquelle le plan bissecteur passant entre les deux orifices 14 et 15 est disposé tanventiellement, de sorte que le gaz combustible sortant par l'orifice 14 a une composante radiale dirigée vers l'axe et faisant environ 450 avec la tangente et le gaz combustible sortant par l'orifice 15 a une composante radiale dirigée vers l'extérieur et faisant un angle d'environ 450 avec la tangente. Les figures 5 à 8 représentent un deuxième mode de réalisation qui diffère du précédent uniquement par l'extrémité avant des lances 12. Les parties homologues à celles des figures i à 4 sont représentées par les mêmes repères et remplissent les memes fonctions. On voit sur la figure 8 que l'extrémité avant des lances à gaz 12 est taillée en biseau à 250 environ et est obturée incomplètement par un bouchon 16 comportant un orifice 17, dont l'axe y yl orienté vers l'avant, forme avec l'axe de la lance orienté vers l'avant, un angle aigu a qui est par exemple de 25 dans le cas de la figure 8. En faisant pivoter les lances autour de leur axe, on peut ajuster l'orientation de l'orifice 17. La figure 7 représente par des flèches, les orientations optima des orifices 25 qui peuvent varier de + 300 autour de la position dans laquelle l'axe y yl des orifices est situé dans le plan tangent et où le gaz combustible sort de l'orifice en ayant une vitesse tangentielle dirigée dans le même sens que la vitesse de l'air mis en rotation par les ailettes 11. Le sens de rotation de l'air est indiqué par la fleche R. Il a été constaté que si l'on équipait un brûleur à gaz à écoulement parallèle comportant une rosace dont les ailettes sont disposées immédiatement à la périphérie du tube 5,sans interposition d'un moyeu 7, de lances à gaz passant à travers les ailettes de la rosace, ces lances provoquaient de graves perturbations de l'écoulement d'air et une combustion très imparfaite. Par contre, un brûleur à gaz selon l'invention, comportant en combinaison un moyeu 7 et une rosace à ailettes lb disposées à la périphérie du moyeu et des lances à gaz passant à travers les ailettes de la rosace à proximité du diamètre du moyeu, permet de fonctionner au gaz seul, avec un excés d'air pouvant atteindre 800%, sans décrochement de la flamme gaz qui se stabilise grâce à la présence du remous torique d'accrochage de la flamme situé autour du nez du brûleur, en avant du moyeu. Les figures let5 représentent un mode de réalisation préférentiel dans lequel le moyeu 7 comporte une alimentation en air indépendante de l'air de combustion principal qui circule dans le conduit annulaire 6. Pour cela, le moyeu 7 est obturé à l'arrière par une plaque 19 qui l'isole du conduit 6. Il comporte des passages d'air, tel que le passage 20 qui fait communiquer l'intérieur du moyeu avec le conduit interne 5 et on souffle de l'air de balayage dans le tube interne 5. Le débit de cet air de balayage est relativement faible, de l'ordre de 1 à 5 % du debit d'air total. Cet air de balayage est indépendans de l'air de combustion. Ce balayage du moyeu 7, par de l'air indépendant de l'air de combustion principal qui circule dans le conduit annulaire 6, présente des avantages importantS. Le balayage continu par de flair frais du nez 4 du brûleur, autour duquel cet air circule, et de la paroi avant du moyeu 7 est indépendant de l'allure du brûleur. Il peut être contrôlé et réglé en débit librement de l'extérieur, lors de la mise en service du brûleur. Il constitue un moyen de réglage et d'action supplémentaire sur la proportion d' air introduit dans le remous B et donc un moyen permettant d'optimiser la stabilité du remous. Il permet d'obtenir un refroidissement adéquat du moyeu, en particulierdans le cas où l'air de combustion qui circule dans le canal 6 est de l'air chaud ayant une température supérieure à 2000 et pouvant atteindre 5500C dans certains cas où l'on utilise de l'air de récupération de turbine à gaz. Le balayage du moyeu permet de supprimer tout risque de dépôts sur l'avant du moyeu en cas de fonctionnement à faible allure avec des combustibles liquides très lourds ou en cas de fonctionnement mixte combustibles liquides lourds et gaz. Selon une variante, un brûleur à gaz selon l'inveiton peut comporter, en plus, des buse gaz 12 disposées entre les ailettes, d'autres buses à gaz 18 disposées à la périphérie de la rosace 10, lesquelles buses 18 sont alimentées en un autre gaz combustible qui peut être brûlé en même temps que le gaz véhiculé par les buses 12 ou bien séparément. REVENDICATIONS 1. Perfectionnement aux brûleurs à gaz à écoulement parallèle du type comportant une canne axiale (3) d'injection de combustibles liquides ou gazeux, un tube interne (5) qui entoure ladite canne axiale et le nez (4) du brûleur axial, une virole extérieure (2), qui délimite avec ledit tube interne (5) un conduit annulaire (6) d'amenée d'air de combustion, un moyeu central (7) qui entoure le nez (4) du brûleur axial, une rosace (10) qui est composte d'ailettes (11) et qui est située à la périphérie dudit moyeu en travers dudit conduit annulaire et des lances à gaz (12), caractérisé en ce que lesdites lances à gaz (12) sont disposées à travers ladite rosace (10), à proximité de la périphérie dudit moyeu (7). 2. Perfectionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites lances à gaz sont indépendantes du moyeu (7) et des ailettes (11) de la rosace (10), sont démontables et sont orientables par pivotement autour de leur axe. 3. Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites lances à gaz (12) sont rectilignes dans la partie comprise à l'intérieur du conduit annulaire (6) et sont parallèles à l'axe (x xl) du brûleur ou légèrement inclinées par rapport audit axe (x xl). 4. Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre de lances à gaz (12) est égal à ou sous-multiple du nombre d'ailettes (11) de la rosace (10). 5. Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'extrémité avant de chaque lance à gaz (12) comporte au moins un orifice (14, 15, 17) d'injection de gaz, dont l'axe (y yl), orienté vers l'avant, forme avec l'axe de la lance (12) orienté vers l'avant, un angle aigu (a). 6. Perfectionnement selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité avant de chaque lance à gaz comporte deux trous (14, 15) inclinés vers l'avant, qui sont situés dans deux plans axiaux décalés d'un angle compris entre 40 et 1400. 7. Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les extrémités avant des ailettes (11) de la rosace (10) comportent un perçage ou un grugeage (13) pour le passage desdites lances à gaz (12). 8. Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit moyeu (7) comporte une plaque de fermeture arrière (19) et il est alimenté par un courant d'air qui circule dans ledit tube interne (5) et qui est indépendant de 1 air de combustion qui circule dans le conduit annulaire (6). 9. Perfectionnement selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit brûleur comporte, en plus, des buses à gaz (12), d'autres buses à gaz (18), disposées a la périphérie de la rosace (10) pour véhiculer un autre gaz combustible qui peut être brûlé simultanément ou séparément.