Brevet FR2648897A1 — publié le 19901228

-14- BRULEUR A FLUX TORIQUE-CYCLONIQUE POUR CHAUDIERE A COMBUSTIBLE LIQUIDE ET GAZEUX La présente invention concerne un brûleur à flux torique- cyclonique pour chaudière à combustible liquide et gazeux comportant un corps tubulaire à symétrie circulaire, un gicleur d'alimentation en combustible monté axialement à l'intérieur de ce corps, une plaque déflectrice à ailettes inclinées, ménageant entre elles des fentes sensiblement radiales, pourvue d'une ouverture centrale disposee en regard du gicleur, et une alimentation principale en gaz comburant effectuée à travers les fentes de ladite plaque deflectrice, comprenant en outre un canal annulaire périphérique débouchant dans une zone frontale par rapport au gicleur et àladite plaque, ce canal étant, d'une part pourvu d'une zone d'ouverture rétrécie, orientée vers un point de convergence disposé sur l'axe du gicleur en avant de celui-ci et d'autre part, agence pour assurer une alimentation secondaire en gaz comburant. On connait déjà différents types de brûleurs dans lesquels les gaz comburants et combustibles sont mélangés en aval du gicleur de manière à engendrer un effet tourbillonnaire, en principe destiné à ameliorer la qualité de la combustion obtenue dans ce brûleur. Les bruleurs de ce type permettent souvent de réaliser une amélioration notoire de la combustion, sans pour autant atteindre les résultats escomptés, et notamment des taux d'oxyde d'azote et d'anhydride carbonique suffisamment faible pour que les gaz be combustion rejetés soient en dessous des tolérances fixées par les normes actuelles en vigueur et en préparation pour le futur. -2- Il faut savoir qu'une combustion propre et complète d'un combustible liquide ou gazeux, mélangé à un gaz comburant qui est l'air ne peut etre réalisée que si les trois conditions suivantes sont remplies: a) Le combustible doit être divisé en particules extremement fines. b) Le mélange combustible comburant doit être effectué dans des proportions parfaitement définies, c) Le guidage des fluides doit être assuré de façon à permettre un mélange complet des substances en présence et engendrer un écoulement dynamique fluide de gaz de combustion. Dans un bruleur du type Low NOx, il est impératif d'obtenir une combustion en deux phases. La première phase consiste en la création de la combustion à l'aide d'un mélange riche et la deuxième phase est le déroulement de cette combustion dans des conditions pratiquement stoechiométriques. En ce qui concerne le problème de la division particulaire du carburant, on sait qu'une combustion optimale n'est possible que si le carburant se présente sous la forme de particules extrêmement fines. Par ailleurs on salt également qu'il est nécessaire d'obtenir un mélanaf- stratifié du carburant et du comburant et qu'à cet effet il est indispensable d'utiliser au maximum les effets résultant de l'écoulement de ces fluides et des turbulences avec une faible perte de charge à l'intérieur du brûleur. D'une manière générale un excès d'air refroidit la flamme et handicape la combustion. En revanche une insuffisance d'air laisse des gaz imbrulés et favorise la formation de monoxydes de carbone. Si le mélange carburant/comburant est mal effectué, c'est-à-dire si on aboutit à un mélange 3 - non stratifié, il n'est pas possible d'obtenir un coefficient de mélanges permettant de minimiser les quantités de substances nocives et/ou polluantes dans les gaz de combustion. Dans ce cas, la flamme répond à ses propres lois de comportement dynamique. En revanche, lorsque le mélange est stratifié et se compose d'air et de particules de carburant finement divisées, la flamme a une vitesse parfaitement prédéterminée. Pour que l'on puisse obtenir une flamme stable, le mélange doit etre effectué avec précision et amené à une vitesse constante correspondant à la vitesse du front de la flamme. Pour que la combustion soit complète et que le rendement de la flamme soit maximal sans qu'il y ait apparition de résidus indésirables dans les gaz de combustion, il est nécessaire que les réglages permettant de définir les turbulences et la durée de séjour des gaz dans le brûleur soient parfaitement définis. Le recyclage des gaz de combustion présente des avantages benefiques du fait que ce recyclage]permet de prechauffer le mélange, d'accroître la durée du séjour des gaz dans le bruleur et d'exercer des influences favorables sur les réactions chimiques qui se produisent. Ce recyclage doit néanmoins etre effectué de façon très soigneuse et la quantité des gaz recyclés doit être déterminée de façon optimale en fonction des quantités d'air primaire, secondaire et tertiaire qui sont injectées. Les bruleurs connus à ce jour ne permettent en général pas de concilier de façon optimale les différents paramètres de sorte que les résultats des analyses des gaz de combustion aboutissent généralement à des valeurs qui se trouvent au-dessus du seuil admissible par les réglementations actuelles et futures. - 4 - La présente invention se propose de pallier ces différents inconvénients en réalisant un brûleur de construction relativement simple et économique, qui permet de créer un flux torique-cyclonique qui a pour effet d'obtenir une division extrêmement fine des particules de carburant, un mélange stratifié du carburant et du comburant, en l'occurrence l'air, un recyclage efficace des gaz de combustion et, par la suite, un temps de séjour des gaz dans le brûleur suffisamment long pour que les résidus imbrulés soient quasiment inexistants.Ce but est atteint par le bruleur selon l'invention, caractérisé en ce que ce canal est équipé d'aubes hélicoidales agencées pour générer un flux de comburant secondaire ayant une composante dynamique de rotation dans ladite zone frontale par rapport au gicleur. Selon un mode de réalisation préféré, le brûleur selon l'invention peut comporter en outre un manchon monté en avant du corps tubulaire, ce manchon définissant avec ledit canal d'alimentation une ouverture annulaire de recyclage de gaz de combustion et un espace aménagé pour l'obtention d'un tourbillon torique-cyclonique. Pour favoriser le recyclage des gaz de combustion et engendrer une accélération de ces gaz au moment de la pénétration à l'intérieur dudit manchon, ce dernier est avantageusement pourvu d'un étranglement, qui est de préférence localisé à proximité de son ouverture orientée vers le gicleur et qui peut comporter un angle de décollement pour les gaz.ecyclés. Selon une forme de réalisation préférée, le brûleur peut comporter au moins une embouchure d'amenée d'un flux de qaz comburant tertiaire. cette embouchure étant agencée La présente invention sera mieux comprise en référence a la description d'exemples de réalisation et du dessin annexé dans lequel: la fig. 1 représente une vue schématique en coupe axiale d'une forme de réalisation d'un bruleur domestique ou industriel selon l'invention, la fig. 2 représente avantageusement une forme de realisation particulière d'un brûleur selon l'invention destiné aux turbines à gaz, la fig. 3 illustre une variante de réalisation du manchon des bruleurs décrits précédemment, et la fig. 4 représente une autre forme de réalisation du bruleur selon l'invention. En référence à la fig. 1, le bruleur représenté comporte essentiellement une douille extérieure 10, qui, dans le présent cas, est de forme sensiblement cylindrique. A l'interieur de cette douille, est monte un gicleur 11 qui est disposé coaxialement par rapport à elle et qui est porte par une douille intérieure 12 en forme de fond de récipient, qui est fixée à l'intérieur de la douille 10 du brûleur au moyen de pattes ou de brides en forme d'aubes 13. Le fond 14 de la douille intérieure 12 comporte une série d'ouvertures 15 qui permettent le passage de gaz comburant, par exemple d'air pour constituer l'alimentation dite primaire en gaz comburant qui s'effectue à travers des fentes 16 radiales, ménag&es entre les ailettes 17 en forme de secteurs circulaires, inclinées les unes par rapport aux autres et constituant la plaque déflectrice 18 pourvue, comme le montre la figure, d'une ouverture centrale 19. Cette ouverture centrale est disposée en regard du gicleur il et permet l'éjection du fluide combustible 20. Par ailleurs, la douille intérieure 12 comporte une électrode d'allumage 21 ainsi qu'un tube d'observation 22 dans lequel est montée une cellule photo-électrique 23. Comme le montre la figure, la paroi laterale 24 de cette douille intérieure 12 se prclonge au-delà de la plaque déflectrice 18 par un rebord annulaire 25 qui, dans sa zone d'extrémité 26, est incurvée vers l'axe du brûleur. Par ailleurs, la douille extérieure 10 se prolonge vers l'avant du bruleur grâce à l'existence d'un rebord 27 présentant une forme sensiblement tronconique qui définit avec le rebord 25 un couloir annulaire 28 présentant Iin étranglement au voisinage de son ouverture 29. Cette ouverture 29 définit en quelque sorte l'embouchure d'un canal dont les parois latérales sont constituées dans la partie postérieure par la douille extérieure 10 du brûleur et ia paroi latérale 24 de la douille intérieure 12 et, dans sa partie antérieure, par les deux rebords respectivement 25 et 27. Ce canal annulaire assure l'alimentation secondaire en gaz comburant. Les pattes ou brides en forme d'aubes 13 ont de préférence une deuxième fonction qui est celle d' engendrer un flux en hélice à l'intérieur du canal périphérique qui assure l'amenée du flux de comburant secondaire. Ces aubes ont pour objet de donner une composante de rotation autour de l'axe de l'injecteur, au flux de comburant secondaire, composante qui se transmet ensuite au mélange de combustible et de flux de comburant priiimaire. L'effet obtenu a pour consequence: - une meilleure homogenéité du mélange, - une augmentation du temps de séjour du mélange combustible dans la zone de combustion, - un meilleur recyclage des gaz de combustion. En avant du corps du bruleur, se trouve un manchon 30, légèrement évasé à son extrémité 31 proche du gicleur. Ce manchon est monté à une distance prédéterminee de l'embouchure 29 de telle manière qu'il définit une ouverture annulaire 32 à travers laquelle les gaz de combustion recyclés, schén,itiauement représentés Dar la flèche A, peuvent penétrer à l'intérieur du manchon 30. L'effet torique-cyclonique schématiquement représente par le tracé de courbes et de flèches 33 est obtenu par la combinaison de deux effets. Un premier effet est obtenu par l'injection de gouttelettes de combustible dans le sens opposé de rotation du tourbillon torique-cyclonique, le deuxième effet étant provoque par l'alimentation primaire en gaz comburant qui se fait, à une vitesse faible, à travers les fentes 16 ménagées entre les ailettes inclinées de la plaque déflectrice 18. Ces ailettes inclinées selon un angle prédétermine provoquent une pénétration de l'air correspondant a l'alimentation primaire selon un ensemble de courants tourbillonnaires encerclant le flux 20 de fluide carburant. l'alimentation Secondaire en gaz comburant correspond au flux B traversant le canal annulaire et pénétrant dans l'espace localisé en avant de la plaque déflectrice 18 par l'embouchure 29. En raison de l'étranglement, l'air pénétrant dans cette zone traverse le canal et est fortement accéléré. En outre, la déviation obtenue grâce à l'existence des rebords 25 et 27 engendre un courant enveloppant qui crée une zone cyclonique et en rotation torique très sadble au voisinage de la plaque déflectrice. En outre, la composante de rotation engendrée par les aubes 13 favorise la dynamique particulière du flux gazeux dans cette zone. Cette zone torique-cyclonique permet d'améliorer là division des particules de fluide carburant et d'homogénéiser de façon très efficace le mélange carburant/ comeur:nt. En outre, elle permet de prolonger sensiblement la durée de séjour des gaz dans la zone de combustion, ce qui constitue un des atouts particulièrement favorables à une combustion complète. Enfin, le recyclage des gaz de combustion à travers le manchon 30 permet de maintenir le melange gazeux dans la zone de combustion à une température de préchaufface relativement élevée et d'assurer une combustion complète des eventuels gaz imbrulés initialement entraInés dans les aaz de combustion. Les résultats des tests effectues démontrent de façon paiLiculièrement claire que la combinaison des différents effets obtenus grâce à des particularités constructives de ce bruleur, aboutit à des résultats pratiques très favorables. D'une manière plus précise, la combustion, grâce à la chaleur qu'elle dégage, provoque la vaporisation des fines. articu:es de carburant aui se mélangent, grâce à la turbulence, à une quantité prédeterminée d'air. On considère que le carburant a pour formule CxHy o x et y ont de valeurs différentes réparties dans une gamme déterminée. L'air est constitué essentiellement d'un mélange de 21% d'oxygène et d'environ 78% d'azote, de 1%L d'aroon at ie ouelcues traced'anhydride carbonique et d'autres gaz. Les réactions qui se produisent lors de la combustion, et notamment grâce à l'échauffement du melange à la température d'allumage, sont les suivantes: Formation d'un ion négatif d'oxygène par les chocs thermiques dans l'air selc.. la relation: N=N + O=O -0. N=N- + O-0- Formation d'un radical carburant Ut d'un radical d'hydrogène par pyrolyse selon la relation: CxHy ----. H + CxH(x-1) L'ion d'oxygène réagit immédiatement avec le carburant et le radical hydrogène avec l'oxygène ou avec du carburant selon les relations suivantes: CxHy +.O-O ---- CxH (y-l) + H-O-O O=O +.H ---0.O-O-H CxHy +.H ---0.CxH (y-l) + H-H Le cadical]eroxyde H-O-O réagit également, omme deshydrogénant sur le carburant selon la relation: H-O-O.+ CxHy ---9 H-O. +.O-H +.CxH (y-1) tandis que l'ion H-O-O engendre une réaction d'oxydation selon la rel.ation CxHy + O-O-H --- CxH (y-1) - O +.O-H La combustion qui s'établit après l'allumage présente deux caiacteristiques foia.mentale: 1 - Les ions et les radicaux qui se forment au moment de l'allumage sont constamment renouvelés en fonction des besoins et le combustible se transforme au fur et à mesure de son utilisation 2 - Suite aux réactions exothermiques qui dégagent une température élevée, l'allumeur est auto-entretenu. lu En présence d'humidité dans l'air comburant, les radicaux H et O-Hsont considérablement augmentés ce qui permet d'accroitre la qualité de la combustion. Une combustion idéale d'un combustible CxHy en présence de la quantité d'air stoechiométrique théoriquement nécessaire Jour assurer une combustion complète correspond a l'équat-on chimique suivante: CxHy + (x+y/4)02 + 4.(x+y/4)N2 -- XCO2 + y/2H20 + (4x+y)N2 étant entendu que l'air de combustion comporte une part d'oxygène pour 4 parts d'azote. Le rapport de combustion est donné fans ce cas Dar la formule suivante: Poids moléculaire air Lambda = ------------------------------ Poids moléculaire combustible x 5.(x + y/4) Cette combustion théorique n'est en général pas possible dans]a pratique étant donné que Ma réaction de décomposition en radicaux ne se fait pas aussi proprement. Parallèlement aux réactions selon la relation théorique ci- dessous H-O-O. + CHO ---? H-O-H + O=C=O on effectue également des décompositions selon les relations suivantes N=N. + O-O-H -- -2N=O + H C-H2 +.O-H ---'.CH + H-O-H 35.CH + .O-O-H ---v C=O + H-O-H au cours desquelles on obtient une combustion incomplète des hydrocarbures, du monoxyde de carbone ainsi que la formation dE suie:elon LA relatiin ^.CH +.O-H --->.C + H-O-H En référence à la fig. 2, le brûleur pour turbine à gaz repLesenté comporte comme Précédemment un injecteur 50 monte à l'intérieur d'un corps 51. L'alimentation en air s'effectue au moyen d'un flux primaire schématiquement représenté par les flèches 52 et au moyen d'un flux ou d'une alimentation secondaire schématiquement repreentée par les flèches 53. Ce flux secondaire est amené par des can-iaux 54 dont les extrémités comPDortenrt un étranglement destine à accélérer le courant de comburant. Par ailleurs ces canaux sont définis par des Darois qui Sont façonnées Je telle manière que les flux définissent un rideau d'air qui converge sensiblement vers un point dispose en avant de l'injecteur et sur l'axe de ce aernier. Cette disposition a Dour effet d'enqendrer un flux toriquecyclonique qui, comme mentionne Précédemment, Favorise fortement]a combustion. Dans sa partie antérieure, ce brûleur est équipé d'un manchon 55 de forme tubulaire. Ce manchon présente un étranglement 56 qui a pour effet de faciliter la formation du flux torique-cyclonique dans la zone localisée immédiatement en aval du brûleur. Une application particulièrement intéressante de ce brûleur consiste à injecter selon la flèche 57, des hydrocarbures chlorés et de l'eau dang la zone de turbulence torique- cyclonique. On a constaté que ces hydrocarbures étaient entièrement craques. Les produits de combustion (la quantité d'air étant insuffisante pour produire la combustion complète) sont conduits dans une installation de traitement du gaz chlorhydrique et des hydrocarbures résiduels. La fig. 3 illustre une variante de réalisation du manchon d'un brûleur sensiblement identique à celui représenté par la fig. 1. Ce manchon 60 présente un étranglement 61 à proximité du corps 62 du bruleur. Par ailleurs ses parois latérales ont une forme bombée qui facilite, comme le montrent les flèches 63, la création de tourbillons entrainant le recyclage des gaz de combustion. Etant donné que l'étranglement 61 a pour effet de provoquer une accélération des gaz dans la zone correspondante, il est possible d'injecter à cet endroit des hydrocarburce chlorés, en quantité prédéterminée (selon la flèche 64), afin qu'ils soient décomposes au cours de la combustion. La fig. 4 illustre une autre forme de réalisation. Elle d-ffere de la réalisation de la fig. 1 en ce que la douille intérieure 70 comprenant deux plaques transversales 71 et 72 sur lesquelles sont montées l'injecteur 73, l'électrode d'allumage 74 et le tube d'observation 75 comporte un cache tronconique 76 derrière lequel sont ménagées des ouvertures 77. Ces ouvertures permettent l'entrée d'un flux d tertiaire qui balaie la périphérie de la zone de combust torique-cyclonique. La plaque deflectrice 78 comporte comr, précédemment des ailettes et des fentes ainsi qu'une ouverture centrale 79. Des aubes hélicoidales 80 sont dans ce cas solidaires de la douille intérieure 70. La douille extérieure n'est pas représentée. La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites, mais peut sibir différentes modifications et se présenter sous diverses variantes évidentes pour l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Brûleur à flux torique-cyclonique pour chaudière à combustible liquide et gazeux comportant un corps tubulaire à symétrie circulaire, un gicleur d'alimentation (11) en combustible monté axialement à l'intérieur de ce corps, une plaque déflectrice (18) à ailettes (17) inclinées, ménageant entre elles des fentes (16) sensiblement radiales, pourvue d'une ouverture centrale (19) disposée en regard du gicleur, et une alimentation principale en gaz comburant effectuée à travers les fentes (16) de ladite plaque déflectrice (18), comprenant en outre un canal annulaire périphérique (28) débouchant dans une zone frontale par rapport au gicleur et à ladite plaque, ce canal étant, d'une part pourvu d'une zone d'ouverture rétrécie, orientée vers un point de convergence disposé sur l'axe du gicleur en avant de celui-ci et d'autre part, agencé pour assurer une alimentation secondaire en gaz comburant, caractérisé en ce que ce canal (28) est équipé d'aubes hélicoidales (13) agencées pour générer un flux de comburant secondaire ayant une composante dynamique de rotation dans ladite zone frontale par rapport au gicleur (11). 2. Bruleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un manchon (30) monté en avant du corps tubulaire, ce manchon définissant avec ledit canal d'alimentation une ouverture annulaire (32) de recyclage de gaz de combustion et un espace aménagé pour un tourbillon torique-cyclonique. 3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le manchon (60) présente un étranglement (61). 4. Bruleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit étranglement (61) est localisé à proximité de son ouverture orientée vers le gicleur (11). 5. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit étranglement est pourvu d'un angle de décollement pour les gaz recyclés. 6. Bruleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une embouchure d'amenée d'un flux de gaz comburant tertiaire, cette embouchure étant agencée pour engendrer un courant de gaz comburant enveloppant la zone frontale localisée en aval du gicleur. 7. Bruleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites aubes hélicoidales sont solidaires de la douille extérieure. 8. Brûleur selon la revendication 1, caracterise en ce que lesdites aubes hélicoidales sont solidaires de la douille intérieure.