Brevet FR2656676A1 — publié le 19910705

- La présente invention concerne un brûleur à combustible liquide à écoulement parallèle pour chaudières et foyers refroidis ou à parois chaudes. L'ensemble des brûleurs industriels de chaudières et foyers refroidis (ou à parois chaudes) correspond sensiblement à deux types essentiels de technologies: les brûleurs à turbulence (ou à ventelles de turbulence), les brûleurs à écoulement parallèle. La présente invention se rapport à ce dernier type de brûleurs, qui comprennent un écoulement d'air parallèle à l'axe d'un corps cylindrique ou conique, et un accrocheur de flamme, généralement composé d'une rosace à pales inclinées servant à donner un mouvement de rotation à une partie de l'air d'alimentation, et prenant une partie de la section de sortie du corps cylindrique ou conique. L'art antérieur peut être illustré par le brevet FR-2 122 820 au nom de la Société Pillard et le brevet FR-2 564 182 au nom de l'Institut Français du Pétrole. La nécessité de réduire les oxydes d'azote (N Ox) générés dans les flammes a mis en évidence depuis longtemps l'intérêt de réduire la teneur en oxygène ( 02) libre qui se combine avec l'azote du combustible, d'étager la combustion pour réduire les températures de pointe, et d'augmenter le taux de gaz brûlés recyclés dans la flamme dans le même but. 2 - La présente invention propose un dispositif qui permet de réduire de manière sensible les oxydes d'azote tout en gardant une combustion de bonne qualité. De plus, le dispositif selon l'invention est d'une mise en oeuvre aisée. L'idée maitresse de la présente invention réside dans la combinaison des caractéristiques suivantes: brûleur à écoulement parallèle comportant un stabilisateur de flamme à rosace unique à pales inclinées, brûleur à écoulement parallèle dont la rosace à pales inclinées comprend un moyeu central ou disque ou cône de dimension relative suffisante en diamètre, et injecteur à pulvérisation, par fluide auxiliaire, ayant plusieurs orifices de sortie mais en un nombre N suffisamment faible relativement à l'angle du cône sur lequel sont situés les axes des orifices d'injection de telle façon que le brûleur génère N flammes séparées sur sa plage de fonctionnement ou sur toute la plage de fonctionnement (jusqu'à sa marche nominale). Comme cela a été dit, une telle combinaison permet, à partir d'un injecteur de combustible liquide, de créer plusieurs flammes indépendantes qui réalisent une combustion étagée du fait qu'une quantité d'air pénètre plus loin dans la zone de combustion avant de rencontrer le combustible Cette quantité d'air correspond à celle qui est passée entre des jets de combustibles voisins. Cette combinaison permet, également, de limiter la température de pointe des différentes flammes grâce à un fort taux de recirculation des gaz résultant de la combustion dans les différentes flammes, cela tout en maintenant une stabilisation de la flamme et en évitant le dépôt de gouttes de combustible imbrûlé sur le stabilisateur. Toutes choses égales par ailleurs, le brûleur mis en oeuvre selon l'invention permet de réduire d'environ 30 % ou davantage les émissions de NO de la flamme. D'une manière plus générale, la présente invention 3 - concerne un brûleur à écoulement parallèle à combustible liquide comportant des moyens d'injection dudit combustible et un stabilisateur de flamme central Ce brûleur se caractérise en ce qu'en combinaison: ledit stabilisateur comporte une rosace à pâles située autour d'un moyeu central situé lui-même autour de moyens d'injection, et en ce que lesdits moyens d'injection comportent plusieurs orifices d'injection du combustible adaptés à réaliser des flammes élémentaires séparées. Le stabilisateur de flamme pourra être cylindrique, occuper une partie de la section de sortie du brûleur, le moyeu pourra avoir la forme d'un disque ou d'un cône dont le plan de sortie est situé dans le plan de sortie des pales ou en retrait de celui-ci et dont le diamètre pourra être supérieur ou égal à 35 % du diamètre du stabilisateur, et enfin, les moyens d'injection pourront être de type à pulvérisation par fluide auxiliaire. Le diamètre du moyeu rapporté au diamètre du stabilisateur pourra être supérieur à 45 % et de préférence compris entre 45 % et %. Les moyens d'injection du combustible pourront être adaptés à réaliser un nombre de flammes élémentaires au plus égal à 6. De même, qu'ils pourront être adaptés à générer un nombre de flammes élémentaires supérieur ou égal à 4. Les moyens d'injection pourront comporter plusieurs orifices d'injection dont les axes pourront être répartis sur au moins une surface conique dont l'angle au sommet pourra être compris entre et 110 . Les moyens d'injection pourront comporter plusieurs orifices dont les axes pourront être répartis sur deux surface coniques coaxiales d'angle aux sommets différents et les orifices pourront être décalés angulairement. Le fluide auxiliaire pourra être de la vapeur d'eau ou un gaz comprimé formant un mélange ou une émulsion entre le fluide auxiliaire et le combustible. 4 - Le moyeu pourra comporter une partie en forme de disque comportant des fentes radiales alimentées en air comburant, ces fentes délivrant un jet d'air comburant sensiblement parallèle à la surface du disque. Le fluide éventuellement multiphasique, tel une émulsion sortant des moyens d'injection, pourra posséder une vitesse moyenne comprise entre 40 et 100 m/s. Le brûleur selon l'invention peut être utilisé dans une application industrielle, notamment pour des puissances comprises entre 3 et 75 MW par brûleur. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaitront plus clairement à la description qui suit d'exemples particuliers, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles: la figure 1 illustre schématiquement en coupe un brûleur selon l'invention, la figure 2 montre une variante de brûleur selon l'invention, comportant notamment un moyeu ayant une partie tronconique, la figure 3 représente le stabilisateur de la figure 2, vu de face, et la figure 4 représente un mode de répartition des orifices d'injection du combustible sur les moyens d'injection du combustible. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un foyer alimenté par un brûleur 2 du type à écoulement parallèle comportant un cylindre 3 qui peut être remplacé éventuellement par un cône Ce cylindre 3, d'axe 4, est alimenté de manière classique en air La direction globale de l'air est sensiblement axiale et est représentée par les flèches 5. La référence 6 désigne le stabilisateur dans son ensemble qui est centré sensiblement autour de l'extrémité de la canne d'injection 7 de combustible liquide L'axe de la canne d'injection est confondu avec l'axe 4 du cylindre 3 La canne d'injection du combustible peut être de préférence du type à pulvérisation par fluide - auxiliaire, tel de la vapeur d'eau, de l'air comprimé, ou un gaz comprimé. Le fluide auxilaire réalise la pulvérisation ou l'atomisation du combustible liquide, s'y mélange et peut former une émulsion avec ce dernier. Pour améliorer l'injection et réaliser une atomisation ultra-fine de combustible, on peut utiliser le système décrit dans la demande de brevet français au nom de la Société Pillard EN 88/17 591. Ce système réalise une double atomisation qui supprime les gouttelettes de gros diamètre généralement formées au contact du film liquide avec des parois solides, telles celles de l'orifice de sortie. La canne d'injection 7 comporte à la partie terminale 8 de son extrémité 9 plusieurs orifices 10, 11 servant à l'introduction du mélange fluide auxiliaire/combustible dans le foyer 1. Les orifices d'injection possèdent des axes d'injection 12, 13 De préférence, selon la présente invention, les axes des orifices d'injection sont situés sur une surface conique d'angle au sommet OC (Alpha) compris entre 60 et 110 . Le stabilisateur 6 comporte une rosace 14 comportant des pales inclinées 15, 16 par rapport au plan axial Ces pales qui entourent le moyeu central 17 peuvent être planes ou curvilignes. Le stabilisateur comporte de plus une virole extérieure a et une virole intérieure 15 b. Le moyeu 17 comporte une ouverture centrale 18 livrant passage à la canne d'injection 7. Sur la figure 1, le moyeu 17 a la forme d'un disque comportant des fentes radiales Le moyeu peut être fabriqué par fonderie ou par emboutissage Les fentes radiales 19 (Fig 3) sont alimentées en air comburant et permettent de refroidir et de balayer la surface du moyeu afin d'y éviter les dépôts L'air sort des fentes sensiblement tangentiellement à la surface du disque. Sur la figure 1, les pales 15, 16 ont un bord d'attaque compris dans un plan radial. Le moyeu 17 représenté à la figure 1 est en retrait par 6 - rapport au plan radial comportant le bord d'attaque des pales 15 et 16. Sur la figure 1, la référence 39 désigne un ouvreau qui pourra être conique (cas de la figure) ou cylindrique. On ne sortira pas du cadre de la présente invention si le moyeu central a une forme conique ou comporte une partie en forme conique 20 (Fig 2). On constate sur la figure 1 que le stabilisateur occupe une partie seulement de la section de passage livrée à l'air 5 par le cylindre 3 Il existe un espace annulaire libre 21 autour du stabilisateur 15, cet espace servant au passage d'une partie de l'air comburant La section de cet espace annulaire peut être égal ou supérieure à 10 % de la section totale de passage du cylindre 3 et elle peut être comprise, préférentiellement, entre 10 et 50 % De bons résultats peuvent être obtenus pour des sections de passage de l'espace annulaire comprises entre 10 et 35 % de la section de passage totale du passage du cylindre 3 et notamment pour une valeur voisine de 25 %. Sur la figure 2 qui illustre une variante de la figure 2, l'air alimentant le stabilisateur est guidé en amont de celui-ci par une jupe 22, éventuellement percée de passages 23. Les éléments communs ou semblables aux différentes figures portent les mêmes références. Sur la figure 2, l'espace 21 entre le stabilisateur 14 et le cylindre 3 est alimenté par le cylindre annulaire 24 délimité par la jupe cylindrique 22 et le cylindre 3. Les pales 25 représentées aux figures 2 et 3 possèdent un bord d'attaque 26 incliné vers l'arrière par rapport à un plan radial et incliné par rapport à un plan axial. Lorsque les pales de la rosace du stabilisateur ont un bord d'attaque incliné vers l'arrière, le moyeu central, ou le disque qu'il comporte, peut être en retrait par rapport au plan radial comportant le point le plus avancé du bord d'attaque orienté vers le foyer 1 Sur la figure 2, ce point porte la référence 27. 7 - Sur la figure 2, le disque du moyeu 28 est situé dans le plan radial portant ce point 27. La figure 4 représente la partie terminale 29 d'une canne d'injection vue de face Cette partie terminale comporte six orifices d'injection, dont 3 référencés 30, 31, 32 ont des axes d'injection répartis sur une surface conique faisant un angle au sommet de 70 , et trois autres 33, 34, 35, entourant les précédents, ont des axes d'injection répartis sur une surface conique ayant un angle au sommet de 110 . Les orifices 30, 31, 32 sont décalés angulairement par rapport aux orifices 33, 34, 35. Sur la figure 4, les orifices dont les axes sont placés sur un même cône présentent successivement entre eux un écart angulaire de 120 L'écart angulaire entre les orifices successifs qu'ils soient sur un cône ou sur l'autre est de 60 Ces écarts angulaires sont considérés en faisant tourner un plan sur l'axe 36 de la canne d'injection Un tel agencement permet de favoriser la séparation des flammes élémentaires. La partie terminale 29 de la canne d'injection pourra avoir une forme tronconique (cas de la figure 2) ou partiellement sphérique. Sur la figure 1, le diamètre du stabilisateur est désigné par la lettre D et le diamètre du moyeu central par la lettre d. Selon la présente invention: d est de préférence supérieur à 35 %, D d pourra être compris entre 45 % et 60 %. Sur la figure 1, deux flammes élémentaires 37 et 38 ont été représentées de façon schématique et sur la figure 2, 5 flammes élémentaires 39, 40, 41, 42 et 43 ont été représentées de façon schématique. Selon la présente invention, la "flamme" générée par le brûleur est une multi-flamme composée de plusieurs flammes 8 - élémentaires indépendantes 37, 38 (Fig 1) ou 39 à 43 (Fig 2) séparées de petit diamètre ne se regroupant pas en une seule flamme de grosse dimension. Entre les flammes élémentaires 39 à 43, qui ne se touchent pas, passe une partie de l'air de combustion A qui participe donc à la combustion en fin de flamme Ainsi la séparation de flammes élémentaires distinctes permet, en fait, de réaliser une combustion étagée due à l'étagement de l'air, une partie de l'air évitant le combustible au départ Réciproquement, les flammes élémentaires se trouvent peu oxygénées au départ. La rosace à pales inclinées est conçue pour réaliser un fort taux de recirculation "R" de gaz brûlés vers les flammes élémentaires Chaque flamme étant de petite dimension, en manque d'air au départ avec une forte recirculation axiale, se trouve donc à une température de pointe limitée. La présence du moyeu 28 (disque, cône) permet la réalisation et l'allumage d'un remous "pilote" de stabilisation de flamme, qui permet d'éviter le décrochement des flammes élémentaires, d'assurer leur stabilisation. -9- _ 9 _ R EV E N D I C A T I O N S 1 Brûleur à écoulement parallèle à combustible liquide comportant des moyens d'injection ( 7, 8) dudit combustible et un stabilisateur de flamme central ( 6), caractérisé en ce que en combinaison: ledit stabilisateur comporte une rosace ( 14) à pâles ( 15, 16, 25) située autour d'un moyeu central ( 17, 28) situé lui-même autour de moyens d'injection ( 7, 8), et en ce que lesdits moyens d'injection comportent plusieurs orifices d'injection ( 10, 11, 30 à 35) du combustible adaptés à réaliser des flammes élémentaires séparées ( 37, 38, 39 à 43). 2 Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le stabilisateur de flamme ( 6) est cylindrique, occupe une partie de la section de sortie du brûleur, en ce que ledit moyeu ( 17, 28) a la forme d'un disque ou d'un cône dont le plan de sortie est situé dans le plan de sortie des pales (Fig 2) ou en retrait de celui-ci (Fig 1) et dont le diamètre est supérieur ou égal à 35 % du diamètre du stabilisateur, et en ce que lesdits moyens d'injection sont du type à pulvérisation par fluide auxiliaire. 3 Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre du moyeu rapporté au diamètre du stabilisateur est compris entre 45 % et 60 %. 4 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection du combustible sont adaptés à réaliser un nombre de flammes élémentaires au plus égal à 6. 5 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'injection comportent plusieurs orifices d'injection dont les axes sont répartis sur au moins une surface conique dont l'angle au sommet est compris entre 60 et 1100. 6 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection comportent plusieurs orifices dont les axes sont répartis sur deux surface coniques - coaxiales d'angle aux sommets différents et en ce que lesdits orifices sont décalés angulairement. 7 Brûleur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire est de la vapeur d'eau ou un gaz comprimé formant un mélange ou une émulsion entre le fluide auxiliaire et le combustible. 8 Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moyeu comporte une partie en forme de disque et en ce que ladite partie comporte des fentes radiales ( 19) alimentées en air comburant, lesdites fentes délivrant un jet d'air comburant sensiblement parallèle à la surface du disque. 9 Brûleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le fluide multiphasique sortant desdits moyens d'injection possède une vitesse moyenne comprise entre 40 et 100 m/s. 10 Utilisation du brûleur selon l'une des revendications 1 à 9 à une application industrielle, notamment pour des puissances comprises entre 3 et 75 MW par brûleur.