Brevet FR2667134A1 — publié le 19920327

La présente invention se rapporte à un procédé d'amélioration de la combustion pour un brûleur à air soufflé. Plus particulièrement, l'invention vise un procédé de combustion améliorée tant sur le plan énergétique que sur le plan pollution par un apport gazeux catalytique à l'aide d'un calculateur programmable ou tout autre système intelligent. Il s'applique à tous les types de brûleurs à air soufflé pour chaudière de puissance appliquée au chauffage domestique collectif ou industriel et aux divers combustibles: fioul, gaz ou autres utilisés par de tels brûleurs. Tout d'abord, la présente invention vise une combustion améliorée qui consiste à se placer dans des conditions optimales de combustion. Il s'agit de corriger la combustion pour accroître son rendement énergétique par une adjonction en continu, convenablement dosée et contrôlée, d'une quantité variable d'un fluide complexe à réaction exothermique chargé de rétablir en continu les conditions d'une combustion optimale la plus complète possible et ainsi, de diminuer à une valeur faible la quantité des matières volatiles imbrûlées. La présente invention vise également une combustion propre. Pour garantir le respect de l'environnement, la meilleure combustion possible au sens industriel doit s'accompagner du contrôle continu de la quantité et de la nature des rejets Ce contrôle doit également servir à corriger en continu les conditions générales de combustion pour la nécessaire réduction des déchets nocifs à un niveau faible ou leur neutralisation ou transformation. La présente invention vise simultanément les deux objectifs précédemment cités d'amélioration 2 2667134 énergétique et d'établissement des conditions d'une combustion propre. Elle vise également le maintien, en cours de fonctionnement et sur de longues durées, des conditions optimales de combustion par une surveillance et une correction en continu de celles-ci. A cet effet, le procédé de combustion optimale propre selon l'invention se caractérise en ce que l'on corrige en continu la combustion en injectant dans le flux de l'air comburant un débit variable, dosé et contrôlé, d'un complexe gazeux catalytique et correcteur et en ce que l'on fait varier le débit de l'air comburant par variation de la vitesse du ventilateur du brûleur à partir des valeurs des principaux paramètres de combustion relevées dans les gaz et fumées de combustion et de fonctionnement de la chaudière. Selon une autre caractéristique, on prévoit une surveillance de l'encrassement de la chaudière et l'adjonction au fluide gazeux catalytique et correcteur d'un produit de décrassement. Selon encore une autre caractéristique on surveille également les températures de départ et de retour du fluide caloporteur. Outre les principaux avantages de gain en rendement énergétique et de rejets inoffensifs ou en tous cas moins nocifs pour l'environnement, l'invention présente de nombreux avantages supplémentaires justifiant encore plus son intérêt: diminution sensible de l'encrassement de la chaudière et des cheminées; réduction importante de la production de matières volatiles imbrûlées; fréquence plus faible pour l'entretien du brûleur et le ramonage de la cheminée: fumées plus légères et moins grasses; économie de combustible; 3 2667134 combustion propre: les suies se transforment en poudre grise; moins de corrosion et longévité augmentée des chaudières; diminution notable des rejets polluants; appareillage et dispositifs pouvant s'adapter à la régulation existante. Par ailleurs, le rejet à l'atmosphère de gaz et fumées de combustion contenant notablement moins de matières volatiles nocives ou de transformés moins nocifs pour l'environnement comme dans le procédé selon l'invention ne constitue pas encore un avantage industriel Il doit pourtant être considéré comme une des valeurs actuelles les plus importantes. Les caractéristiques techniques et d'autres avantages de l'invention sont consignés dans la description qui suit, effectuée à titre d'exemple non limitatif sur un mode d'exécution en référence aux dessins accompagnants dans lesquels: la figure 1 est le schéma général d'ensemble de l'installation montrant les liaisons entre les différentes parties composantes; la figure 2 est une vue schématique de détail du raccordement au brûleur; la figure 3 est une vue schématique illustrant la composition générale du générateur de complexe gazeux de correction. Le procédé d'amélioration de la combustion selon la présente invention procède de l'idée générale inventive qui consiste à maintenir pendant tout le fonctionnement des conditions de combustion optimale par variation du débit d'air comburant et en apportant, par adjonction au flux d'air comburant, un débit variable, dosé et contrôlé, d'un complexe catalytique gazeux, la variation de ce débit étant commandée par une unité centrale à partir des valeurs des principaux paramètres de combustion relevés dans les gaz et fumées 4 2667134 de combustion et à partir des variables générales de fonctionnement d'une chaudière. Selon une autre caractéristique, on fait varier la vitesse du ventilateur du brûleur pour modifier le débit d'air comburant, c'est à dire l'excès d'air, et corriger et adapter ainsi la combustion et l'apport gazeux catalytique en vue de réduire la formation des produits polluants et corrosifs qui sont convenablement neutralisés par ailleurs. Pour ce faire, l'unité centrale de combustion optimale comporte les différents analyseurs et circuits de détermination des valeurs des grandeurs physiques mesurées à l'aide des différents capteurs et sondes. De façon non exhaustive, on peut citer: le débit du combustible le capteur de débit d'air comburant la température de l'air comburant à l'entrée les températures aller et retour du fluide caloporteur les caractéristiques des gaz de combustion: température des fumées opacité des fumées teneur en oxygène, teneur en oxyde de carbone, teneur en oxyde d'azote, teneur en oxyde de soufre Afin de coordonner, de gérer et de commander le fonctionnement d'ensemble, un calculateur-régulateur programmable ou tout autre système intelligent reçoit les diverses informations nécessaires et agit sur le ventilateur du brûleur en tenant compte des allures du brûleur. On décrira maintenant ci-après par le détail les caractéristiques techniques de l'invention et de l'installation dans laquelle la chaudière est choisie à combustible liquide, par exemple à combustible connu sous le dénomination fioul. 2667134 Bien entendu, le procédé fonctionne aussi bien avec un brûleur à combustible gazeux. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre dans et autour d'une chaudière 1 équipée d'un brûleur 2 à air soufflé utilisant comme combustible liquide le f ioul, cité cependant à titre d'exemple La chaudière est raccordée à un conduit de fumées 3 réalisant le raccordement de sa buse de sortie 4 à une cheminée 5 à tronçon de raccordement 6 à la cheminée. Le brûleur comporte classiquement une pompe 7 raccordée à travers un filtre 8 à la réserve de combustible, une entrée d'air réglable 9 devant une chambre d'aspiration 10, un ventilateur 11 ainsi qu'un canon 12 de formation d'une flamme 13 dans un flux d'air soufflé avec déflecteur et accroche-flamme. Conformément à l'invention, l'entrée d'air réglable 9 du brûleur 2 est reliée par un ou plusieurs conduits tels que 14, 15, 16 à un générateur gazeux 17 de correction de combustion multivoies générant un flux gazeux composite correcteur de combustion, dont l'injection ou l'apport au brûleur est commandé par une unité centrale de combustion optimale 18. Selon le présent procédé d'amélioration de la combustion, on génère puis on fournit au brûleur sur son entrée d'air ou au voisinage de celle- ci, ou dans le canon de projection de l'air soufflé, un complexe gazeux de correction de combustion provenant d'au moins trois sources élémentaires distinctes correspondant à trois produits gazeux séparés, fournis par le générateur 17 de correction de combustion et présentant des propriétés différentes: catalytique et inhibiteur de corrosion de neutralisation de décrassage. dont les rôles et les fonctions sont indiqués ci-après. Le complexe catalytique est également inhibiteur de corrosion Il provoque une réaction 6 2667134 principale exothermique destinée à augmenter la température de la flamme, le transfert calorifique et à parfaire la combustion Il est associé à des agents tensioactif s, dispersants et peptisants lui conférant des propriétés de dispersion, de détergence, d'anticorrosion et peptisantes qui permettent de prolonger la dispersion au sein des gouttelettes de fioul et de provoquer l'inflammation des constituants normalement imbrûlés et à combustion difficile. Le complexe de neutralisation transforme en partie les oxydes d'azote et de soufre en composés neutres sans danger pour les pièces composantes de la chaudière et de l'installation et sans aucun caractère nocif pour l'environnement Il permet également de réduire les émissions d'oxyde de carbone Il forme un film protecteur sur les parois de la chambre de combustion et des éléments échangeurs qui assure leur protection contre tous les produits agressifs engendrés par ou résultant de la combustion. Le complexe de décrassage est envoyé par séquences, lors de la détection d'un encrassement ou d'une baisse de performances Il permet de désagréger la couche de suie, d'éviter les dépôts durs à caractère incrustant et de garder aux surfaces d'échange leur propreté et toutes leurs qualités et propriétés. On citera ci-après quelques produits possibles pour la production du flux gazeux correcteur. 1 Flux gazeux de réaction catalytique et inhibiteur de corrosion. On adoptera une solution aqueuse peroxydée complexe de sels organométalliques associés à des produits tensio-actifs tels que sels de fer, cuivre, manganèse, cobalt, chrome. Cette solution est traversée par barbotage d'un flux d'air contrôlé. 7 2667134 2 Flux gazeux neutralisant. On adoptera une solution aqueuse peroxydée de sels alcalino-terreux tels que des sels de baryum, de cérium, de lithium, de potassium, d'ammonium ou équivalents. Cette solution est traversée par barbotage d'un flux d'air contrôlé. 3 Flux gazeux de décrassage. Il s'agit d'un flux gazeux obtenu à partir de produits permettant de diminuer la température de fusion des matières volatiles imbrûlées. On adoptera une solution aqueuse peroxydée et légèrement chlorée obtenue à base de sodium, de potassium ou d'ammonium Ces sels peuvent être remplacés par des nitrates. En ce qui concerne l'aspect quantitatif, on apporte au brûleur un complexe gazeux en quantité de l'ordre du millième de la quantité d'air comburant. Le générateur de correction de combustion 15 est chargé de délivrer au brûleur, convenablement dosé, le complexe gazeux de correction de combustion à partir d'une ou de plusieurs commandes provenant de l'unité centrale de combustion optimale 18 qui est conçue pour remettre la chaudière et le brûleur en situation autonome, c'est-à-dire installation de correction déconnectée, en cas de mauvais fonctionnement d'un des dispositifs de l'installation de correction de combustion. Il comporte une interface de commande sous la forme d'un automate programmable 19 agissant de façon groupée ou individuelle sur les voies du générateur gazeux 17 multivoies de correction de combustion correspondant chacune à un produit spécifique de correction de combustion qui sera fourni individuellement ou simultanément au brûleur avec l'un et/ou l'autre des produits correcteurs distincts. 8 2667134 Comme indiqué, chaque voie constitue un générateur élémentaire tel que 20 pour un produit gazeux spécifique. Chaque voie est par exemple commandée individuellement par l'automate programmable 19 Un préparateur d'air 21 collectif ou individuel comprenant un compartiment tel que 22 assécheur d'air est suivi d'une pompe à faible débit 23 propre à chaque voie et de plusieurs réservoirs ou bidons de barbotage, par exemple au nombre de deux, 24 et 25, remplis chacun pour la même voie de la même solution d'un des produits spécifiques indiqués ci-dessus Ces bidons de barbotage sont montés en série par des tubulures ou conduits de barbotage et terminés par un réservoir tampon 26. Chaque circuit de production se poursuit, avant la sortie, par une alarme de débit bas 27 Chaque sortie est reliée au brûleur par un conduit individuel séparé, référencé précédemment 14, 15 et 16, comme le montrent les figures. L'automate 19 commande individuellement le débit du produit gazeux par établissement et variation du débit d'air à l'entrée ou à la sortie du préparateur d'air à l'aide de la pompe à faible débit 23 ou un équivalent propre à chaque voie Une pompe auxiliaire d'alimentation (non représentée) permet de réapprovisionner en liquide chaque réservoir en maintenant par exemple un niveau constant à l'aide d'un dispositif approprié. Chaque produit gazeux formant le complexe gazeux de correction est entraîné de façon minimale vers le brûleur par l'effet de la pompe interne 23 correspondant à chaque voie du générateur mais aussi et surtout par l'effet déprimogène engendré par le ventilateur du brûleur Pour ce faire, les conduits de liaison au brûleur débouchent dans la chambre d'aspiration 9 du ventilateur ou dans le flux d'air soufflé le long du canon 12. 9 2667134 Ainsi, moyennant une commande appropriée provenant de l'unité centrale à travers l'automate programmable, on peut doser sur chaque voie, à volonté et graduellement, le débit du produit apporté au brûleur et aspiré par celui-ci. Comme indiqué, on prévoit dans le cadre de la présente invention au moins trois voies Toutefois, ce nombre n'est pas limitatif et on peut envisager d'adjoindre d'autres voies, telles que des voies en production constante ou momentanée d'oxygénation, de vaporisation ou tout autre apport de produit(s) dont les propriétés entrent dans le cadre et l'esprit de l'invention. Conformément à l'invention, la vitesse de rotation du ventilateur est commandée par un variateur de vitesse 28 qui agit sur une plage de variation de vitesse donnée du moteur d'entraînement du brûleur sans faire varier les valeurs de pression d'alimentation en combustible liquide. Ce variateur de vitesse 28 est chargé de modifier à tout moment le débit du flux d'air comburant aspiré afin de corriger et d'adapter l'excès d'air comburant aux conditions de combustion optimale Le flux du complexe gazeux correcteur apporté au brûleur et aspiré par lui est commandé séparément par l'unité centrale Les débits d'air comburant et du complexe gazeux correcteur varient en fonction des valeurs des grandeurs et paramètres surveillés en vue du maintien des conditions optimales de combustion pendant la durée totale de fonctionnement du brûleur. Selon l'invention, on règle les paramètres de combustion pour abaisser la valeur du point de formation des suies et de l'oxyde de carbone. L'ensemble est commandé par l'unité centrale 18 de combustion optimale reliée au générateur gazeux 17 du flux gazeux correcteur de combustion, au variateur de vitesse 28 et à l'entrée réglable 9 d'air 2667134 du brûleur, mais aussi à divers capteurs des principales grandeurs physiques et des paramètres de combustion. Selon une variante, on peut également agir sur l'ouverture de l'entrée réglable 9 d'air au brûleur pour modifier le débit de l'air comburant. Ces capteurs sont disposés en divers endroits extérieurs à la chaudière proprement dite. Ces capteurs se partagent selon les trois groupes suivants: les capteurs de brûleur, disposés dans ou à proximité du brûleur, les capteurs de chaudière et les capteurs de sortie placés dans le tronçon de raccordement 6 à une distance de la sortie de la chaudière égale à environ deux fois et demi le diamètre de ladite sortie. Parmi les capteurs de brûleur, on distingue un capteur 29 de débit de combustible, un capteur 30 de température de l'air comburant, un capteur 31 de débit de l'air comburant ou de position d'ouverture du clapet d'air comburant. Parmi les capteurs de chaudières, il faut mentionner de façon non exhaustive, deux capteurs de température du fluide caloporteur Il s'agit des capteurs de température d'entrée 32 et de sortie 33 du fluide caloporteur permettant de mesurer la différence de température entre l'entrée et la sortie du circuit de distribution du fluide de chauffage. Parmi les capteurs de sortie de fumées, on cite un capteur 34 de température des fumées, un capteur 35 de teneur en oxygène, un capteur 36 de teneur en oxyde de carbone, un capteur 37 de teneur en gaz carbonique, ainsi qu'un autre groupe 38 de capteurs fournissant la teneur en gaz polluants tels que l'anhydride sulfureux et ses composés, l'oxyde d'azote et ses composés Un dernier capteur 39 permet de mesurer l'opacité des fumées. il 2667134 Les paramètres surveillés sont ceux conditionnant la qualité, le rendement et la propreté de la combustion. L'unité centrale 18 de combustion optimale agit à partir d'un calculateur-régulateur 40, par exemple à microprocesseur, d'une part sur la vitesse de rotation du moteur du ventilateur, c'est-à-dire sur le débit du flux d'air comburant, permettant de doser l'excès d'air qui joue un rôle important sur la formation des oxydes d'azote, mais aussi, d'autre part, selon une variante, sur le taux de mélange de l'air comburant avec le complexe gazeux correcteur de combustion à partir des valeurs des paramètres surveillés selon une loi de régulation et de correction permettant de maintenir à tout moment, pendant le fonctionnement du brûleur, des conditions de combustion optimale. Ce procédé peut être utilisé en version simplifiée, utilisation dans laquelle les moyens ne comprennent que le générateur de flux gazeux de correction 17 qui est géré par l'automate programmable 19 fonctionnant à partir du débit du combustible, du débit d'air comburant et de la température des fumées dont les valeurs sont captées par des sondes appropriées telles qu'indiquées ci-dessus. Selon ce procédé simplifié, on commande la variation du débit d'air comburant par le moteur du ventilateur seulement à partir des débits du combustible et de la température des fumées. On rappelle ici que le procédé selon l'invention permet de diminuer l'excès d'air entraînant une diminution corrélative de production d'oxydes d'azote qui sont, en partie, grâce audit procédé, transformés en nitrates tout en gardant une combustion optimale. 12 2667134 On rappelle également ici que le procédé selon l'invention est applicable à toute combustion à partir d'un combustible solide, liquide ou gazeux. Par ailleurs, on peut envisager d'employer le procédé ci-dessus pour des applications de traitement d'odeurs résultant de combustions, de pyrolyses, de cuissons ou autres sources de dégagement gazeux. Il est bien entendu qu'au-delà des moyens décrits, diverses modifications évidentes et variantes simples entrent dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de combustion optimale par adjonc- tion au flux d'air comburant d'un complexe gazeux et maintien des conditions optimales de combustion pour chaudière équipée d'un brûleur à air soufflé, caractérisé en ce que l'on enrichit l'air comburant d'un complexe gazeux de correction de combustion et que l'on fait varier le débit d'air comburant pour adapter la combustion par un excès d'air juste en-dessous de la formation de suie et d'oxyde de carbone, par variation de vitesse du ventilateur du brûleur à partir des principaux paramètres de la combustion et du fonctionnement de la chaudière, le complexe gazeux correcteur permettant de garder la combustion optimale. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le complexe de correction de combustion est un mélange d'un flux gazeux catalytique et d'un flux gazeux inhibiteur de corrosion. 3 Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on règle les conditions de la combustion juste en-dessous du point de formation des suies et de l'oxyde de carbone 4 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le complexe gazeux contient séquentiellement un flux gazeux de neutralisa- tion à l'égard des oxydes d'azote et de soufre. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux gazeux catalytique et inhibiteur de corrosion est obtenu par barbotage d'un flux d'air dans une solution aqueuse peroxydée de sels organo-métalliques associés à des produits tensio-actifs. 6 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux gazeux neutralisant est obtenu par barbotage d'un flux d'air t14 2667134 dans une solution aqueuse peroxydée de sels alcalino- terreux. 7 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux gazeux de décrassage est obtenu par barbotage d'un flux d'air dans une solution aqueuse peroxydée et légèrement chlorée à base de sodium, de potassium ou d'ammonium. 8 Moyens destinés à mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés en ce qu'ils se composent, autour d'une chaudière ( 1) équipée d'un brûleur ( 2) à air soufflé, de plusieurs groupes de capteurs dont des capteurs de brûleur ( 29, 30, 31), des capteurs de chaudière ( 32, 33) et des capteurs de sortie des fumées ( 34, 35, 36, 37, 38, 39), d'une unité centrale ( 18) commandant le variateur de vitesse ( 28) du moteur du ventilateur pour adapter le flux d'air comburant aux variations de combustion, en vue de maintenir les conditions d'une combustion optimale sans formation de suie, et d'un générateur ( 17) de complexe gazeux de correction commandé par l'unité centrale ( 18) et relié par plusieurs conduits ( 14, 15, 16) à la chambre d'aspiration du brûleur. 9 Moyens selon la revendication 8, caractérisés en ce que le générateur de complexe gazeux ( 17) de combustion se compose de plusieurs générateurs élémentaires indépendants alimentés par un préparateur d'air ( 21) et formés chacun par une pompe à air ( 23) à faible débit, plusieurs bidons de barbotage ( 24, 25) traversés par la tubulure de transport du produit gazeux et une alarme de débit bas ( 27) située près de la sortie, l'ensemble étant commandé en débit par un automate programmable ( 19). Moyens selon les revendications 8 et 9, caractérisés en ce que l'automate programmable ( 19) du générateur du complexe gazeux de correction est commandé par l'unité centrale ( 18).