Brevet FR2578630A1 — publié le 19860912

Procédé et brûleur d'atomisation de combustible en vue de la combustion ou la gazéification La présente invention concerne les procédés de combustion ou de gazéification, dans une flamme de brûleur, de combustibles forte- ment visqueux et/ou en suspension, du type selon lequel on introduit le combustible dans un écoulement d'agent d'atomisation, dans une buse et sous forme d'une couche mince fermée en forme d'anneau, et ce combusti- ble est atomisé à l'aide de cet écoulement. On connait déjà un procédé de ce type d'après "Cinquième Symposium International sur la Combustion et la Technologie du Charbon Limoneux", Tampa, Floride, Avril 1983, pages 625 ss, notamment fig. IV sur la page 636. Dans la mise en oeuvre connue de ce procédé, le combus- tible qui est éjecte sous forme d'une couche annulaire se trouve entouré de deux écoulements d'air d'atomisation, également annulaires, et il sort en même temps que ceux-ci, hors d'une fente annulaire, avec réduc- tion de son épaisseur de couche. Or, l'écran thermique qui délimite le bord intérieur de cette fente annulaire exige un refroidissement spécial. Par ailleurs, il se présente le risque que, du fait d'instabilités, la mince couche annulaire vienne rencontrer les parties de paroi qui délimi- tent cette fente annulaire et y provoque une usure accrue. Par ailleurs, même si la matière à atomiser est éjectée hors de la fente annulaire qui présente une orientation conique, sous une vitesse relativement lente, l'air d'atomisation s'écoule par contre à la sortie sous une vitesse sur- critique élevée, si bien que la vitesse relativement lente n'a pas besoin d'être si faible pour que, du fait des forces de cisaillement, il se pro- duise une atomisation dans la buse. Ainsi, ce procédé n'offre, pour la gazéification ou la combustion, qu'une qualité relativement mauvaise d'atomisation, la stabilisation de la flamme s'avérant particulièrement difficile pour des combustibles faiblement calorifiques. Par ailleurs, en raison de la nécessité d'un écoulement critique de sortie, il convient, lors de l'application au cas de la gazéification sous pression, de choi- sir une pression d'entrée très élevee dans la buse pour l'agent d'atomi- sation. C'est pourquoi la présente invention a pour but de fournir un procédé de combustion ou de gazéification de combustibles liquides, fortement visqueux et/ou en suspension avec lequel n'apparaisse qu'une faible usure du matériau de la buse, l'atomisation pouvant par ailleurs s'effectuer avec une pression d'entrée dans la buse relativement basse. _ 2 _ Ce but se trouve atteint, selon l'invention, grâce à un procédé caractérisé en ce qu'on envoie le combustible sous forme d'un film fermé, sur la paroi intérieure de la buse et sous une vitesse faible eu égard à une action d'usure, et il se trouve atomisé sur le tronçon extrême de la buse, conformé à la manière d'une arête, de sorte que ce combustible et l'écoulement d'agent d'atomisation qui s'écoule à l'intérieur du film annulaire s'écoulent à la sortie sous une vitesse sous-critique. Etant donné que le film de combustible est amené sur la paroi sous une vitesse faible eu égard à une action d'usure et qu'une atomisation ne survient que sur le bord du tronçon extrême agencé en forme d'arête, il ne peut pas se produire d'usure prononcée. Etant donné que l'écoulement d'agent d'atomisation est éjecté à la sortie de la buse sous forme d'un courant à section transversale circulaire pleine, il n'est pas besoin d'un écran thermique particulier qui pourrait lui-même souffrir d'usure. De préférence, avant que l'agent d'atomisation s'écoule par- dessus le combustible, on le fait passer à travers un organe de type venturi, afin de lui imprimer la vitesse souhaitée pour l'atomisation. Pour tenir compte de l'utilisation du système d'alimentation qui est disponible pour l'agent d'atomisation sur le lieu de la mise en oeuvre du procédé, on peut modifier ce dernier de manière que, avant que l'agent d'atomisation s'écoule par-dessus le film, on le fait se détendre d'une pression élevée à une pression d'entrée faible, suffisante pour l'atomisation. On peut ainsi prélever sous pression élevée l'agent d'atomisation dans un système disponible de production et/ou de distribu- tion -par exemple de vapeur, d'oxygène ou analogue-, même si la pression régnant dans ce système de distribution est de plusieurs fois supérieure à celle de l'espace dans lequel brûle la flamme du brûleur. Afin d'améliorer encore la stabilité de la flamme dans la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, il est avantageux que, avant que l'agent d'atomisation s'écoule par-dessus le film, on lui impar- tisse une rotation. Grâce à cette disposition, non seulement il se pro- duit une re-circulation telle que connue d'après le document mentionné plus haut, page 635, fig. III, mais il apparalt encore une re-circulation interne des gaz de combustion jusque dans l'embouchure de la buse, ce qui assure une amélioration de la stabilisation. De manière particulièrement appropriée, dans le cas de la 3- combustion ou de la gazéification d'un combustible fortement visqueux, c'est un agent d'atomisation chauffé que l'on envoie par-dessus le film. En utilisant de la vapeur ou un autre agent d'atomisation préalablement chauffé, lorsque ce dernier s'écoule par-dessus le film, le combustible se trouve également pré-chauffé à une température favorable à l'atomisation. On peut, dans ce cas, ajuster la longueur de la superposition d'écoulement sur la paroi de buse en fonction du chauffage préalable nécessaire. Si l'on envisage une conception du procédé permettant une simplification technique de l'appareillage, il est en outre particuliè- rement approprié de prévoir que, dans le cas de la gazéification ou de la combustion du combustible avec de l'air se trouvant à la pression atmosphérique ou sous une faible sur-pression, on utilise comme agent d'atomisation une partie de l'air de combustion se trouvant sous pression. D'une manière particulièrement avantageuse pour la qualité de l'atomisation sur un large domaine de charge, il s'avère utile que, de préférence, on règle à une valeur A 1 la proportion des écoulements en masse entre l'agent d'atomisation et le combustible. Si l'on considère la conception du dispositif utilisé pour la mise en oeuvre du procédée, il est avantageux de prévoir que>dans le cas o c'est une pression atmosphérique qui règne dans la flamme du brûleur, on règle à une valeur située dans la gamme de 60 à 150 m/s la vitesse rela- tive de l'agent d'atomisation lorsqu'il s'écoule par-dessus le film de combustible. Dans le cas odes pressions plus élevées règnent dans la flamme du brûleur, on règle la vitesse relative de l'agent d'atomisa- tion de manière proportionnelle à 1/i, f étant la densité de l'agent d'atomisation. Afin d'améliorer encore l'atomisation, notamment pour réduire la formation de tourbillons en retour sur la surface extérieure 3C du tronçon en forme d'arête, il est particulièrement approprié qu'on envoie par-dessus le bord de l'arête, à partir de l'extérieur et de pré- férence de manière inclinée, un écoulement supplémentaire d'agent d'ato- misation. Là encore, on peut avantageusement utiliser le même agent d'ato- misation que celui qui s'écoule par-dessus le film de combustible. Finalement, dans ce procédé conforme à l'invention, il peut être prévu qu'on procède à un réglage en quantité des écoulements indi- viduels indépendamment les uns des autres. On peut mettre ce procédé en oeuvre d'une manière particulié- - 4 - rement avantageuse lorsqu'on utilise, pour servir de matière à atomiser formant un film et abrasive, des résidus liquides et en suspension issus des processus de traitement et de raffinage des pétroles, des résidus et produits intermédiaires, liquides et en suspension, de la pétrochimie, ainsi que des suspensions de charbon dans l'eau ou le pétrole. Comme agent d'atomisation, on peut utiliser, dans le cas de la combustion, de l'air de combustion et/ou des gaz de combustion recy- clés ou encore de la vapeur, et, dans le cas de la gazéification, l'agent de gazéification lui-même, par exemple de l'air, de l'oxygène et/ou de la vapeur. L'invention a également pour objet un brûleur permettant la mise en oeuvre de ce procédé, ce brûleur étant du type comprenant une chambre de combustion et un dispositif d'atomisation de combustible dis- posé à l'extrémité de cette chambre et qui est raccordé à une amenée de combustible et à au moins une conduite d'agent d'atomisation, ce dispo- sitif d'atomisation de combustible présentant une fente annulaire pour la sortie du combustible et une buse symétrique en rotation et entourant cette fente. Suivant l'invention, il est prévu que l'amenée de combusti- ble est reliée, par lintermédiaire d'au moins un canal d'amenée de com- bustible, à un canal annulaire qui entoure la buse à l'une de ses ex- tremités et est relié à celle-ci par l'intermédiaire de la fente annu- laire, ceci de manière que la fente soit délimitée par la paroi intérieure de la buse, tandis qu'il est prévu à l'autre extrémité de la buse une arête annulaire qui prolonge la paroi de buse et que la conduite d'agent d'atomisation est reliée à une chambre d'entrée qui se trouve en liaison avec ladite première extrémité de la buse. Il est vrai que l'on connait par la DE--A 3 020 098 un brû- leur dans lequel du combustible liquide, à savoir du pétrole, est amené sur une arête. Il s'agit toutefois dans ce cas d'une arête plane qui est disposée centralement dans la buse sous forme d'une pièce structurellé séparée et dont le bord se trouve situé dans l'ouverture de la buse. Un tel brûleur n'est adapté ni à des combustibles visqueux ni à des combusti- bles en suspension, ou cela ne se trouve pas envisage, ainsi que le prouve l'utilisation d'un corps allongé en matériau fritté. De plus, dans ce cas également, comme dans ce qui a été décrit au début et qui a servi de point de départ à la présente demande, le film se trouve entouré en écoulement des deux côtés, par des écoulements partiels qui sortent avec lui hors de l'ouverture de la buse. -5- Il est dans ce cas particulièrement approprié que ladite liaison s'effectue par l'intermédiaire d'un rétrécissement de type ven- turi concentrique à la buse. On obtient alors une structure particulièrement ramassée lorsqu'on prévoit que le rétrécissement de type venturi fait saillie par son tronçon de sortie dans ladite première extrémité de la buse et l'espace annulaire qui est formé entre ce tronçon de sortie et la paroi intérieure de la buse communique à son extrémité amont avec ledit canal annulaire. De préférence encore, on peut dans ce cas prévoir que l'espace annulaire est agencé avec une forme cylindrique droite. Afin d'obtenir un évasement du jet atomisé, il est prévu dans une réalisation particulière- ment avantageuse que la paroi intérieure du tronçon de sortie de l'étran- glement de type venturi et au moins la paroi intérieure de l'arête annu- laire s'évasertde manière conique,vu suivant la direction d'écoulement, sous sensiblement le même angle. Afin de bénéficier de l'avantage d'amé- lioration de la stabilisation d'inflammation que l'on obtient en impar- tissant une rotation, on prévoit que la chambre d'entrée est agencée de manière cylindrique et la conduite d'agent d'atomisation est reliée à cette chambre d'entrée en présentant au moins une composante tangentielle. Pour éviter la formation de tourbillons en retour, on peut prévoir que la buse est entourée, à son autre extrémité, par un canal annulaire qui est alimenté en agent favorisant l'écoulement, de préférence en agent d'ato- misation, ce canal annulaire s'ouvrant vers l'extérieur par une fente annulaire qui entoure le bord de l'arête annulaire. Afin de pouvoir abaisser une pression d'agent d'atomisation qui serait plus élevée que celle nécessaire à l'atomisation, il est avan- tageusement prévu que la conduite d'agent d'atomisation est agencée sous forme d'un alésage étagé présentant une section de sortie critique du côté de la chambre d'entrée. Finalement, on obtient une structure particulièrement simple pour le brûleur si l'étranglement de type venturi se trouve fixé sur un premier élément structurel cylindrique o est ménagée la chambre d'entrée, le canal annulaire alimenté en combustible se trouvant réalisé entre d'une part une surface frontale de cette première pièce structurelle et l'entrée du venturi et d'autre part la surface frontale en regard de la buse, tandis que par ailleurs se trouve fixée sur l'autre surface frontale de la buse une tête de buse constituant avec la buse le second canal annu- laire. - 6 - D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemples non limi- tatifs et en regard des dessins annexés sur lesquels: - la fig. 1 représente une coupe longitudinale prise à tra- vers un dispositif d'atomisation, cette vue étant prise en coupe le long de la ligne I-I de la fig. 2, - la fig. 2 représente une coupe transversale de ce dispo- sitif de la fig. 1, prise le long de la ligne II-II de cette figure, - la fig. 3 représente une coupe longitudinale analogue à celle de la fig. 1, pour un autre mode de réalisation, cette coupe étant prise suivant la ligne III-III de la fig. 4, - la fig. 4 représente une coupe prise suivant la ligne IV- IV de la fig. 3, - la fig. 5 illustre la répartition de vitesse à travers l'ouverture de sortie de buse représentée sur les fig. 1 et 3, afin d'expliciter la zone de circulation interne en retour. Le dispositif d'atomisation 1, symétrique en rotation,'re- présenté sur la fig. 1 comporte une chambre d'entrée de buse 3 de forme cylindrique circulaire et disposée dans une pièce structurelle de chambre d'entrée 2, cette chambre 3 s'ouvrant sur une face frontale et communi- quant à l'aide de conduites d'amenée 4 avec une source d'agent d'atomi- sation non représentée. Ainsi qu'on le voit plus particulièrement sur la fig. 2, les canaux d'amenée 4 sont disposés de manière tangentielle par rapport à cette chambre d'entrée de buse 3, si bien que l'agent d'atomi- sation qui pénètre dans la chambre se trouve soumis à une rotation. Dans l'ouverture de la face frontale se trouve vissé un étranglement de type venturi 5 qui est constitué par un tronçon de venturi proprement dit 5a et une sortie 5b. Cette dernière s'étendavec une surface intérieure s'évasant de manière conique et une surface extérieure de forme cylindri- que droite, dans le passage 6a d'une buse 6, un espace annulaire 7 demeu- rant entre la paroi extérieure de cette section de sortie et cette buse. Entre la surface frontale de la pièce 2 et le rétrécissement- venturi 5 d'une part et la surface 6b de la buse 6 d'autre part, se trouve réalisé, comme cela ressort des fig. 1 et 3, un canal annulaire 8 qui s'étend de manière essentiellement radiale et qui communique avec le canal annulaire 7 à son extrémité située intérieurement dans le sens radial. Des canaux d'amenée de combustible 9, qui débouchent dans ce canal annulaire 8, s'étendent, de manière parallèle à l'axe de symétrie, à travers la -7- pièce de chambre d'entrée. La paroi de buse se termine par une arête 6c, cette paroi s'évasant sous pratiquement le même angle que la sortie 5b. Une tête de buse 11 se trouve vissée sur la surface frontale libre de la buse 6 de manière à délimiter un canal annulaire 10, et ceci de manière que ce canal puisse être alimenté en agent d'atomisation par l'intermédiaire de conduites d'amenée 12 s'étendant radialement, cet agent d'atomisation pouvant pénétrer dans le jet d'atomisation en passant par une fente annulaire 10a qui est prévue entre le bord de l'arête et cette tête de buse. Dans le mode de réalisation représenté sur les fig. 1 et 2, la chambre d'entrée 3 et le canal 10 se trouvent l'un et l'autre alimentés à l'aide du même agent d'atomisation. Le mode de réalisation des fig. 3 et 4 se différencie de la réalisation précédemment décrite par le fait que, à la place des canaux d'amenée de forme cylindrique droite 4, il est prévu des canaux d'amenée 13 ayant la forme d'alésages étages qui se rétrécissent en direction de la chambre d'entrée 3 et qui présentent une section transversale de sortie critique du côté de cette chambre d'entrée. Ce dispositif d'atomisation peut être alimenté sous une pression plus élevée que celle nécessaire à l'atomisation, étant donné que, lors du passage des canaux 13 jusque dans la chambre d'entrée 3, il se produit un abaissement de pression. Lors du fonctionnement du dispositif d'atomisation, le canal annulaire 8 se trouve alimenté en combustible liquide; ce dernier pé- nètre dans la chambre annulaire 7 et s'écoule, sous forme d'un film se refermant sur lui-même, sur la paroi intérieure de la buse 6, jusqu'au bord de l'arête o il se trouve atomisé sous l'influence de l'écoulement d'agent d'atomisation qui s'écoule à l'entrée de la buse en passant par le rétrécissement de type venturi. Les vitesses sous lesquelles les deux écoulements de matière sont évacués sont des vitesses sous-critiques. Du fait de la mise en rotation de l'écoulement d'agent d'atomisation qui pénètre dans la buse, il est imprimé à ce dernier, dans l'ouverture de sortie de buse 14, un profil de vitesse (v) qui apparaît sur la fig. 5. On voit d'après ce profil que, dans la zone centrale de l'ouverture de buse, il se produit un écoulement interne en retour qui stabilise la flamme de brûleur. Dans les brûleurs conformes à l'invention, on peut réaliser, avec une faible usure du matériau de la buse, une combustion ou une gazéi- fication de combustibles liquides, fortement visqueux et/ou en suspension. - 8 - On obtient déjà, à soi seul, une bonne stabilisation de la flamme du fait de l'opération d'atomisation du film qui s'applique sur la surface inté- rieure de l'arête annulaire. Cette stabilisation peut toutefois être encore améliorée grâce à la mise en rotation. A l'aide de la mise en oeuvre du procédé et du brûleur conformes à l'invention, on obtient un bon comportement sous charge partielle, tandis qu'également dans le cas d'une pression élevée dans l'espace de combustion (foyer ou réacteur de gazéification), la pression d'entrée de la matière à atomiser et de l'agentd'atomisation dans la buse ne dépend pas d'un rapport critique de pression à la sortie de la buse. -9- R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de combustion ou de gazéification, dans une flam- me de brûleur, de combustibles fortement visqueux et/ou en suspension, du type selon lequel on introduit le combustible dans un écoulement d'agent d'atomisation, dans une buse (6) et sous forme d'une couche mince fermée en forme d'anneau, et ce combustible est atomisé à l'aide de cet écoulement, caractérisé en ce qu'on envoie le combustible sous forme d'un film fermé, sur la paroi intérieure (6a) de la buse (6) et sous une vitesse faible eu égard à une action d'usure, et il se trouve atomisé sur le tron- çon extrême (6c)de la buse, conformé à la manière d'une arête, de sorte que ce combustible et l'écoulement d'agent d'atomisation qui s'écoule à l'intérieur du film annulaire s'écoulent à la sortie sous une vitesse sous-critique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant que l'agent d'atomisation s'écoule par-dessus le combustible, on le fait passer à travers un organe de type venturi (5), afin de lui imprimer la vitesse souhaitée pour l'atomisation. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, avant que l'agent d'atomisation s'écoule par- dessus le film, on le fait se détendre d'une pression élevée à une pres- sion d'entrée faible, suffisante pour l'atomisation. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, avant que l'agent d'atomisation s'écoule par- dessus le film, on lui impartit une rotation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans le cas de la combustion ou de la gazéifica- tion d'un combustible fortement visqueux, c'est un agent d'atomisation chauffé que l'on envoie par-dessus le film. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, dans le cas de la gazéification ou de la combustion du combustible avec de l'air se trouvant à la pression- atmosphérique ou sous une faible sur-pression, on utilise comme agent d'atomisation une partie de l'air de combustion se trouvant sous pression. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu ' on règle à une valeur 1 la proportion des écoulements en masse entre l'agent d'atomisation et le combustible. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, dans le cas o c'est une pression atmosphérique - 10 - qui règne dans la flamme du brûleur, on règle à une valeur située dans la gamme de 60 à 150 m/s la vitesse relative de l'agent d'atomisation lors- qu'il s'écoule par-dessus le film de combustible. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, dans le cas o des pressions plus élevées règnent dans la flamme du brûleur, on règle la vitesse relative de l'agent d'atomisation de manière proportionnelle à 1/i7C, étant la densité de l'agent d'atomisation. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on envoie par-dessus le bord de l'arête (6c), à partir de l'extérieur et de préférence de manière inclinée, un écoulement supplémentaire d'agent d'atomisation. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce qu'on procède à un réglage en quantité des écoule- ments individuels indépendamment les uns des autres. 12. Brûleur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, du type comprenant une chambre de combustion et un dispositif d'atomisation de combustible disposé-à l'extrémité de cette chambre et qui est raccordé à une amenée de combus- tible et à au moins une conduite d'agent d'atomisation, ce dispositif d'atomisation de combustible présentant une fente annulaire (7) pour la sortie du combustible et une buse (6) symétrique en rotation et entourant cette fente (7), caractérisé en ce que l'amenée de combustible est reliée, par l'intermédiaire d'au moins un canal d'amenée de combustible (9), à un canal annulaire (8) qui entoure la buse (6) à l'une de ses extrémités et est relié à celle-ci par l'intermédiaire de la fente annulaire (7), ceci de manière que la fente (7) soit délimitée par la paroi intérieure (6a) de la buse (6), tandis qu'il est prévu à l'autre extrémité de la buse une arête annulaire (bc) qui prolonge la paroi de buse (6a) et que la conduite d'agent d'atomisation (4) est reliée à une chambre d'entrée (3) qui se trouve en liaison avec ladite première extrémité de la buse (6) . 13. Brûleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite liaison s'effectue par l'intermédiaire d'un rétrécissement de type venturi (5) concentrique à la buse. 14. Brûleur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le rétrécissement de type venturi (5) fait saillie par son tronçon de sor- tie (5b) dans ladite première extrémité de la buse (6) et l'espace an- nulaire (7) qui est tormé entre ce tronçon de sortie et la paroi inté- - 11 - rieure de la buse communique à son extrémité amont avec ledit canal annu- laire (8). 15. Brûleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'espace annulaire (8) est agencé avec une forme cylindrique droite. 16. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que la paroi intérieure du tronçon de sortie (5b) de l'étranglement de type venturi (5) et au moins la paroi intérieure de l'aréte annulaire (6c) s'évasent de manière conique, vu suivant la direc- tion d'écoulement, sous sensiblement le même angle. 17. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 12 à , caractérisé en ce que la chambre d'entrée (3) est agencée de manière cylindrique et la conduite d'agent d'atomisation (4, 13) est reliée à cette chambre d'entrée (3) en présentant au moins une composante tangen- tielle. i5 18. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que la buse (6) est entourée,à son autre extrémité, par un canal annulaire (10) qui est alimenté en agent favorisant l'écou- lement, de préférence en agent d'atomisation, ce canal annulaire s'ouvrant vers l'extérieur par une fente annulaire (10a) qui entoure le bord de l'arête annulaire (6c). 19. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que la conduite d'agent d'atomisation est agencée sous forme d'un alésage étagé (13) présentant une section de sortie cri- tique du côté de la chambre d'entrée (3).