Brevet FR2653039A1 — publié le 19910419

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de pulvérisation de liquide. L'invention concerne également diverses applications de ce procédé et de ce dispositif. Le procédé et le dispositif selon l'invention ont été particulièrement étudiés pour la pulvérisation de combustibles en vue de leur combustion, mais, bien évidemment, ils peuvent être utilisés pour la pulvérisation de liquides en vue d'autres applications. I1 sera fait référence ci-apres, pour situer le problème posé, à la combustion de produits provenant du raffinage du pétrole brut, mais la solution apportée par l'invention peut être appliquée pour résoudre des problèmes équivalents, comme il le sera expliqué dans la suite de la pressente description. Le raffinage du pétrole brut produit, à l'heure actuelle, des produits lourds, de plus en plus visqueux, provenant d'unités de conversion. Pour obtenir une bonne combustion de ces produits lourds, il est nécessaire qu' ils soient pulvérisés en fines gouttelettes, dont le diamètre soit assez petit, de l'ordre de 100 milliemes de inm. On estime que, pour obtenir cette taille de gouttelettes, il est nécessaire que la viscosité du produit soit de 20 mm2/s, à la température de formation des gouttelettes. Pour des produits dont la viscosité à 1000C est de 106 mm2/s, il est nécessaire d'employer des températures de pulvérisation de 2700C à 3000C, de façon à ramener la viscosité du produit à environ 20 mm2/s et à réaliser une bonne pulvérisation par les moyens de pulvérisation habituels. Si l'on ne veut pas avoir recours à des températures trop élevées, on est obligé de fluxer (diluer) les produits lourds visqueux en partie par des distillats moyens, dont l'industrie du raffinage est déficitaire, et donc d'augmenter la production de fuels lourds, dont le raffinage est excédentaire. Si on essaie d'utiliser les procédés habituels de pulvérisation à des températures plus faibles sans fluxer le combustible, on est amené à employer ce combustible à des viscosités plus élevées. Les procédés habituels utilisés dans ce but présentent les inconvénients de mise en oeuvre suivants - la pulvérisation mécanique nécessite alors des pressions élevées, de l'ordre de 2.107 pascal, à 2000C, pour un produit d'une viscosité de 400 mm2/s à 2000C; - la pulvérisation assistée à la vapeur d'eau n'est alors pas économique, en raison des taux de vapeur nécessaires élevés (au-delà de 30%); - la pulvérisation à l'aide de brûleurs à coupelle rotative est possible (on peut se reporter pour plus de détails à l'ouvrage de A.Guillermic, "Le chauffage par les combustibles liquides", Editions TECHNIP Tome 3, page 269), mais ces brûleurs ont le défaut de posséder des pièces en mouvement et, donc, d'être fragiles. La Demanderesse a trouvé le moyen de pulvériser des combustibles visqueux à des viscosités plus élevées que celles généralement mises en oeuvre et donc à des températures plus faibles. Le but de la présente invention est donc la pulvérisation de liquides, en vue notamment de leur combustion. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de pulvérisation d'un liquide, préalablement mélangé avec un fluide auxiliaire, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on provoque llécoulement sous pression du mélange du liquide à pulvériser et du fluide auxiliaire dans un conduit dans lequel est logé un faisceau d'éléments filiformes et à l'extrémité aval duquel s'effectue la pulvérisation, une extrémité de chacun desdits éléments y étant maintenue fixe en position, tandis que leur autre extrémité, voisine de l'extrémité où s'effectue la pulvérisation, est libre, l'écoulement du mélange dans ledit conduit s'effectuant de façon sensiblement parallèle aux éléments du faisceau à partir de leur extrémité fixe en direction de leur extrémité libre. L'invention a également pour objet un dispositif de pulvérisation de liquide comprenant une chambre pour le mélange sous pression du liquide à pulvériser avec un fluide auxiliaire, ladite chambre étant équipée - d'au moins un premier conduit d'amenée dudit liquide, - d'au moins un second conduit d'amenée dudit fluide auxiliaire, - d'au moins un troisième conduit d'évacuation dudit mélange, en vue de la pulvérisation de ce mélange à l'extrémité aval dudit troisième conduit, ledit dispositif étant caractérisé en ce que, dans ledit troisième conduit est logé un faisceau d'éléments filiformes, ayant une bonne affinité avec le liquide à pulvériser, ces éléments étant disposés suivant la direction d'écoulement du mélange, une extrémité desdits éléments étant maintenue fixe en position, tandis que leur autre extrémité, voisine de l'extrémité aval dudit conduit, est libre. Dans le procédé et le dispositif selon l'invention, le mélange de liquide et de fluide auxiliaire sous pression est donc amené à s'écouler au moins en partie à l'intérieur d'un faisceau d'éléments filiformes, par exemple des fils, fixés à une de leurs extrémités, l'autre extrémité étant libre, le faisceau étant placé dans un conduit, un injecteur dans le cas d'un brûleur, et étant fixé à l'entrée de ce conduit. Dans le cas de fils, ceux-ci sont fixés par l'une de leurs extrémités sur un support laissant passer le mélange de liquide et de fluide auxiliaire, par exemple un tamis rigide en acier inoxydable. A la sortie du conduit, le mélange sous pression peut être pulvérisé sous forme de fines gouttelettes. Pour expliquer ce résultat, la Demanderesse émet l'hypothèse que le liquide enrobe les filaments sous forme d'un film, et qu'à l'extrémité des filaments, le film se rompt sous forme de gouttelettes, dont la taille peut être inférieure à 200 millièmes de mm. La vitesse du liquide atomisé est inférieure à celle du fluide auxiliaire, contrairement à ce qui se passe dans le cas d'un venturi notamment. Selon l'utilisation envisagée, les éléments filiformes peuvent être des fils ou des tiges, constitués par un matériau présentant une bonne affinité pour le liquide à pulvériser. Leur diamètre varie également en fonction de cette utilisation. Dans une application à la pulvérisation de fuels lourds, les fils peuvent être en acier inoxydable de section cylindrique, dont la longueur peut être comprise entre 2 mm et 100 mm et le diamètre entre 20 et 200 millièmes de mm. Le taux de remplissage, rapport de la somme des sections des fibres à la section totale du conduit dans un plan donné, doit être tel que le mélange de liquide et de gaz ne subisse pas une perte de charge trop importante lors du passage dans le conduit. Le taux de remplissage à l'extrémité libre du faisceau peut être compris entre 10% et 60% et, de préférence, entre 20% et 40%. Les dessins annexés, qui n'ont pas de caractère limitatif, sont destinés à illustrer l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une coupe longitudinale d'un pulvérisateur selon l'invention, destiné à la combustion d'un combustible liquide lourd La figure 2 est une vue de dessus de l'élément référencé 5 dans la figure 1, dont il sera fait mention dans la description qui suit. En référence à la figure 1, le pulvérisateur I équipant un four pour la combustion d'un fuel lourd est incorporé dans un porte-pulvérisateur 2, solidaire d'une canne non représentée fixant le tout à la paroi du four. Le pulvérisateur lui-même est composé de plusieurs pièces fixées les unes aux autres par des taraudages, non représentés dans un but de simplification. Le pulvérisateur comporte une chambre de mélange 3, dont la paroi est constituée par les parois internes de trois éléments - un élément 5 d'alimentation de la chambre 3 en combustible et en vapeur d'eau, - un élément central cylindrique 6, - un élément 7 supportant les injecteurs, qui contiennent eux-mêmes des faisceaux dtéléments filiformes. Les éléments 5, 6 et 7 sont disposés bout à bout dans le porte-pulvérisateur 2 et viennent en butée sur un épaulement 8 à l'extrémité de ce porte-pulvérisateur. L'élément 5 d'alimentation comporte un passage central 9, pour l'alimentation en combustible, débouchant dans la chambre 3 par un orifice 9'. I1 comporte également six passages 10, décalés de 600 les uns par rapport aux autres autour du canal 9. Ces passages 10 débouchent dans la chambre 3 par des orifices 10', pour l'alimentation de cette chambre en un fluide auxiliaire de pulvérisation, de la vapeur d'eau par exemple. Coaxialement au passage central 9 est disposé un tuyau cylindrique 11, dont le canal central 12 sert à l'alimentation en combustible du passage 9. Concentriquement au tuyau 11 est disposé un tuyau 13. La paroi interne 14 du tuyau 13 et la paroi externe 15 du tuyau 11 constituent un canal cylindrique 16, alimentant en fluide auxiliaire les passages 10. L'élément 7 comprend quatre injecteurs 17. Ils sont constitués par des logements 18 aménagés dans l'élément 7. Ces logements ont la forme de cônes, dont la base contiguë à la chambre 3 se prolonge vers celle-ci par un évidement cylindrique taraudé 19. Un faisceau d'éléments filiformes 20 est disposé dans chaque cône. Les éléments filiformes, au nombre de 700 pour chaque faisceau, sont constitués par des fils en acier inoxydable de 80 millièmes de mm, attachés par une de leurs extrémités à un tamis 21 placé dans l'évidement 19. Le tamis 21 est maintenu dans l'évidement taraudé 19 par un écrou 22. Le combustible peut être un fuel ayant une masse volumique à 150C comprise entre 980 et 1200 kg/m3 et une viscosité comprise entre 30 et 108 mm2/s à 1000C. Le fluide auxiliaire de pulvérisation peut être par exemple de l'air, un hydrocarbure gazeux (méthane, éthane, propane ou leurs mélanges), de la vapeur d'eau La température du combustible dépend de sa nature et peut être par exemple de 1800C pour un combustible d'une viscosité de 106 mm2/s à 1000C. Le taux de fluide auxiliaire de pulvérisation par rapport au combustible peut être inférieur à 30% en poids, de 5 à 20% par exemple. Les éléments filiformes peuvent être des fils en acier inoxydable dont le diamètre peut être compris entre 50 et 200 millièmes de mm En dehors de la combustion de produits lourds, le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent être utilisés dans bien d'autres domaines. Ils peuvent être notamment appliqués à l'injection de charges dans un réacteur d'une unité de conversion catalytique, dans laquelle le catalyseur est utilisé sous forme de particules solides fluidisées, par exemple dans le cas de procédés de craquage catalytique, éventuellement à la vapeur d'eau. La charge utilisée peut être alors une charge hydrocarbonnée composée essentiellement d'hydrocarbures dont la masse volumique à 150C est comprise entre 880 et 1000 kg/m3 et la viscosité à 1000C est comprise entre 2 et 100 mm2/s. La vitesse de sortie du liquide atomisé du pulvérisateur peut être comprise entre 20 et 100 m/s et, de préférence, entre 50 et 100 m/s. La pression d'alimentation du liquide peut être supérieure de 3.105 pascal à la pression de sortie du liquide atomisé du pulvérisateur. L'intérêt de l'utilisation du pulvérisateur selon l'invention dans de tels procédés est que le pulvérisateur peut être de diamètre réduit de 3 à 5 fois par rapport aux injecteurs habituellement utilisés. L'encombrement du pulvérisateur est donc plus faible et permet d'en utiliser un plus grand nombre dans le système d'injection et, par conséquent, de mieux répartir la charge dans le réacteur. L'exemple qui suit et qui n'a aucun caractère limitatif est destiné à illustrer l'invention. EXEMPLE On a réalisé différents essais de pulvérisation d'une huile et de combustion d'un combustible liquide lourd à l'aide du pulvérisateur représenté sur les figures 1 et 2. ESSAI DE PULVERISATION L'essai de pulvérisation est effectué à l'aide d'une huile ayant une masse volumique à 150C de 850 kg/m3 (mesurée selon la norme AFNOR NFT 60-101) et une viscosité de 300 mm2/s à 200C (mesurée selon la norme AFNOR NFT 60 100). Cette huile a été choisie en raison de sa viscosité élevée à 200C, représentative de celle d'un combustible visqueux à température plus élevée. Il est en effet préférable de réaliser l'essai à 2O0C pour des raisons de sécurité et de facilité de mesure. On mesure le diamètre des gouttelettes à la sortie du pulvérisateur à l'aide d'un granulomètre à laser. Le débit d'huile est de 200 kg/h et la pression de 106 pascal. On utilise comme fluide auxiliaire de l'azote à un taux de 20% par rapport à l'huile, la pression de l'azote étant de 8.105 pascal. Le diamètre moyen des gouttelettes obtenues, défini selon la loi de ROSIN-RAMMLER, est de 100 millièmes de mm. (Voir "Introduction à la mécanique des fluides et à la transmission de la chaleur" par JM. KAY.- pages 299-306 Editions DUNOD). Cet essai montre bien l'efficacité du pulvérisateur selon l'invention pour la pulvérisation de liquide de haute viscosité. ESSAI DE COMBUSTION L'essai de combustion est effectué dans un four de 2 MW à l'aide d'un fuel n02 ayant les caractéristiques suivantes - masse volumique à 150C : 1016 kg/m3, - viscosité à 1000C : 36 mm2/s. La température du fuel est de 610C (sa viscosité est alors de 220 mm2/s) et sa pression de 7,5.105 pascal, le débit étant de 150 kg/h. On utilise comme fluide auxiliaire de la vapeur d'eau à un taux de 20% par rapport au fuel, la pression du fuel étant de 7,5.105 pascal. REVENDICATIONS 1- Procédé de pulvérisation d'un liquide, préalablement mélangé avec un fluide auxiliaire, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on provoque l'écoulement sous pression du mélange du liquide à pulvériser et du fluide auxiliaire dans un conduit dans lequel est logé un faisceau d'éléments filiformes et à l'extrémité aval duquel s'effectue la pulvérisation, une extrémité de chacun desdits éléments y étant maintenue fixe en position, tandis que leur autre extrémité, voisine de l'extrémité où s'effectue la pulvérisation, est libre, l'écoulement du mélange dans ledit conduit s'effectuant de façon sensiblement parallèle aux éléments du faisceau à partir de leur extrémité fixe en direction de leur extrémité libre. 2- Dispositif de pulvérisation de liquide comprenant une chambre (3) pour le mélange sous pression du liquide à pulvériser avec un fluide auxiliaire, ladite chambre étant équipée - d'au moins un premier conduit (9) d'amenée dudit liquide, - d'au moins un second conduit (10) d'amenée dudit fluide auxiliaire, - d'au moins un troisième conduit (18) d'évacuation dudit mélange, en vue de la pulvérisation de ce mélange à l'extrémité aval dudit troisième conduit, ledit dispositif étant caractérisé en ce que, dans ledit troisième conduit (18) est logé un faisceau d'éléments filiformes (20), ayant une bonne affinité avec le liquide à pulvériser, ces éléments étant disposés suivant la direction d'écoulement du mélange, une extrémité desdits éléments étant maintenue fixe en position, tandis que leur autre extrémité, voisine de l'extrémité aval dudit conduit (18), est libre. 3- Application du procédé selon la revendication 1 ou du dispositif selon la revendication 2 à la combustion d'un fuel dont la masse volumique à 150C est comprise entre 980 et 1200 kg/m3 et la viscosité à 1000C comprise entre 30 et 108 mm2/s. 4- Application selon la revendication 3, caractérisée en ce que le fluide auxiliaire est choisi dans le groupe constitué par l'air, la vapeur d'eau ou un hydrocarbure gazeux tel que le méthane, l'éthane, le propane ou leurs mélanges. 5- Application selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que le taux de fluide auxiliaire, par rapport au combustible, est inférieur à 30% en poids, et compris notamment entre 5 et 20% en poids. 6- Application selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les éléments filiformes sont constitués par des fils en acier inoxydable dont le diamètre est compris entre 50 et 200 millièmes de mm. 7- Application du procédé selon la revendication 1 ou du dispositif selon la revendication 2 à l'injection de charges dans un réacteur d'une unité de conversion catalytique dans laquelle le catalyseur est utilisé sous forme de particules solides fluidisées. 8- Application selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'unité de conversion catalytique est une unité de craquage catalytique, éventuellement à vapeur d'eau. 9- Application selon la revendication 8, caractérisée en ce que la charge du procédé est une charge hydrocarbonée, dont la masse volumique à 150C est comprise entre 880 et 1000 kg/m3 et dont la viscosité à 1000C est comprise entre 2 et 100 mm2/s. 10- Application selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que la vitesse de sortie du pulvérisateur du liquide atomisé est comprise entre 20 et 100 m/s et de préférence comprise entre 50 et 100 m/s. 11- Application selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que la pression d'alimentation du pulvérisateur en liquide est supérieure de 3.105 pascal à la pression de sortie du liquide atomisé du pulvérisateur.