Brevet FR2700830A1 — publié le 19940729

L'invention concerne un brûleur à gaz pour fours et installations d'incinération De tels brûleurs à gaz, tels que brûlant par exemple du gaz naturel, du gaz liquide ou des gaz pauvres, peuvent entre autre être utilisés dans des fours de l'industrie céramique (par exemple pour des fours à chariot-foyer, des fours à chambre, des fours tunnel) dans des fours de l'industrie du fer et de l'acier (par exemple des fours de fusion, des fourneaux à cuve), mais également dans des séchoirs. Les brûleurs à gaz du type du préambule sont connus dans la pratique et présentent les caractéristiques suivantes: un tube d'amenée de gaz central, un tube de brûleur, s'étendant à distance et concentriquement par rapport au tube d'amenée de gaz, le tube de brûleur dépassant du tube d'amenée de gaz, en observant dans la direction de l'écoulement du gaz, un disque s'étendant radialement par rapport au tube d'amenée de gaz est disposé dans l'espace annulaire créé entre le tube d'amenée de gaz et le tube de brûleur, en vue d'amener de l'air de combustion, le disque présente une pluralité de passages orientés dans la direction de l'écoulement de l'air de combustion, à l'extrémité frontale, dans la direction de l'écoulement, du tube d'amenée de gaz, sont disposées des ouvertures radiales, d'o sort le gaz, dans une direction plus au moins perpendiculaire par rapport à la direction de l'écoulement de l'a-ir de combustion Les problèmes suivants se posent, dans ces brûleurs Si le brûleur est démarré alors qu'il est à l'état froid, il ne faut que relativement peu d'air de combustion et celui-ci passe à travers les passages ménagés dans le disque, dans le canal annulaire, de façon plus au moins laminaire Malgré la direction perpendiculaire à celle de l'air de combustion, de la sortie d'écoulement de gaz, dans de nombreux cas, on ne réussit cependant pas à obtenir un mélange intime intensif du gaz de combustion avec l'air de combustion Il s'ensuit une coquéification notable dans la zone des orifices de sortie de gaz, pouvant mener jusqu'à la mise hors service du brûleur. On provoque certes, sur l'air de combustion, un certain effet de rotation, en ménageant des passages s'étendant obliquement par rapport à la direction d'arrivée de l'écoulement de l'air de combustion, mais le mélange avec le gaz de combustion n'est cependant pas de toute façon satisfaisant à l'état froid Le fait d'augmenter la vitesse de l'écoulement de l'air de combustion ou d'amener de plus grandes quantités d'air de combustion est exclu parce que, ce faisant, un excès d'air et ainsi un excès d'oxygène non brûlé sont introduits dans le four Par exemple, pour cuire des pièces céramiques, il est cependant nécessaire de respecter une atmosphère de four déterminée et ainsi une certaine valeur du coefficient Y. Après écoulement d'un certain temps de démarrage du brûleur, au lieu d'air de combustion froid, on amène de l'air de combustion pré-chauffé Le volume, accru par le pré-chauffage, de l'air de combustion (à 5000 C le volume de l'air de combustion augmente déjà du facteur 2,6) mène certes à une meilleure qualité du mélange de l'air de combustion avec le gaz, mais, du fait de l'augmentation de la quantité d'air et de la vitesse d'écoulement, il se produit alors cependant une production de bruit notable, lors de l'écoulement de l'air de combustion le long des orifices de passage ménagés dans le disque, en particulier lorsque les passages sont orientés obliquement par rapport à la direction d'entrée de l'écoulement de l'air de combustion. L'invention a pour but de mettre à disposition un brûleur à gaz du type précité, qui en particulier en fonctionnement périodique mène, également au démarrage du brûleur, à un mélange aussi complet que possible de l'air de combustion avec le gaz de combustion, sans que la vitesse d'écoulement de l'air de combustion froid ou que son débit- masse doivent être augmentés Les apparitions de cokéification citées au début doivent alors simultanément être évitées dans la zone des parties pointues du brûleur. En partant du principe de base, disant qu'un mélange optimal entre l'air de combustion et le gaz de combustion mène à une combustion optimale, l'invention a pour base la connaissance que cet objectif peut être atteint par le fait que, d'une part, une section transversale de passage d'écoulement suffisante pour l'air de combustion est assurée au moyen du disque et que, d'autre part, le gaz sortant des ouvertures de sortie de gaz du tube d'amenée de gaz est directement guidé dans le courant d'air de combustion. De manière surprenante, il a été constaté que, grâce à ces deux dispositions, relativement simples du point de vue de la construction, on peut atteindre une optimisation notable du rendement du brûleur et une augmentation nette du comportement en fonctionnement, en particulier également lors du démarrage de ce brûleur. Suite à cela, l'invention propose, dans sa forme de réalisation la plus générale, un brûleur à gaz pour fours et installations d'incinération présentant les caractéristiques suivantes: un tube d'amenée de gaz central, autour duquel s'étend, à distance, un tube de brûleur, un disque s'étendant radialement par rapport au tube d'amenée de gaz est disposé dans l'espace annulaire créé entre le tube d'amenée de gaz et le tube de brûleur, en vue d'amener de l'air de combustion, le disque présente une pluralité de passages orientés dans la direction de l'écoulement de l'air de combustion, l'aire de la section transversale des passages est d'au moins 50 % de l'aire de la section transversale du disque, l'extrémité située côté sortie gaz du tube d'amenée de gaz est réalisée de telle manière que le gaz sortant par une pluralité d'ouvertures de sortie de gaz est guidé dans le courant de l'air de combustion. Selon un forme de réalisation, les ouvertures de sortie de gaz (à l'extrémité frontale dans la direction de l'écoulement du tube d'amenée de gaz; donc dans la direction d'écoulement du gaz derrière le disque) sont disposées sur un anneau de cercle imaginaire Ce faisant, on assure une sortie d'écoulement radiale homogène de l'air de combustion Ceci est important parce qu'également les passages ménagés dans le disque sont répartis selon une distribution statistique sur l'ensemble de l'aire de la section transversale de ce disque De cette manière, on obtient, pour l'air de combustion non seulement un écoulement homogène, en observant dans la direction de l'écoulement, mais également une mise en contact homogène avec le gaz de combustion. Pour guider le gaz directement dans le courant d'air de combustion, une forme de réalisation de l'invention prévoit de réaliser les ouvertures-de sortie de gaz sous forme de buses s'écartant radialement, vers l'extérieur, du tube d'amenée de gaz Ce faisant, le gaz est introduit centralement dans le courant d'air de combustion - axialement par rapport au tube de brûleur -, faisant que l'on peut atteindre un mélange optimal. En d'autres termes, les buses (respectivement leurs extrémités de sortie de gaz) pénètrent dans l'espace annulaire situé entre le tube d'amenée de gaz et le tube de brûleur. Il est alors particulièrement avantageux que les buses en observant dans la direction de l'écoulement du gaz - s'étendent sous un angle compris entre 200 et 900 De cette manière le gaz est guidé non pas perpendiculairement par rapport à la direction d'écoulement de l'air de combustion, mais sous un certain angle dans la direction de l'écoulement de l'air de combustion De cette manière, on augmente encore le degré de mélange et l'on n'interrompt pas la direction de l'écoulement Ce faisant, on favorise la constitution d'une flamme de brûleur optimale. Il est évident et ceci ne fera pas ici, pour cette raison, l'objet d'explication supplémentaire qu'un allumeur correspondant est disposé dans la zone des ouvertures de sortie de gaz, pour pouvoir mettre en fonctionnement le brûleur De plus, des sondes destinées à la mesure qualitative et quantitative de l'air de combustion peuvent être disposées dans cette zone. Les passages ménagés dans le disque, peuvent être configurés sous forme de trous ou de fentes ouvertes vers l'extérieur, recouvertes en périphérie par le tube de brûleur. Dans la dernière configuration citée, il est avantageux de prolonger les buses jusque dans la zone de la section transversale des passages, pour guider le gaz de nouveau directement dans le courant d'air de combustion. Une caractéristique importante du brûleur selon l'invention réside également dans le fait que l'aire de la section transversale des passages est d'au moins 50 % de l'aire de la section transversale du disque De cette manière, l'amenée d'une quantité suffisante d'air de combustion est assurée, tout en ayant une vitesse d'écoulement réduite. Fait également partie du cadre de l'invention le fait de disposer les passages dans le disque, orientés sous un angle par rapport à la direction de l'écoulement de l'air de combustion, ce avant le disque (direction d'arrivée de l'écoulement de l'air de combustion) Au contraire de l'état de la technique, cet angle peut cependant être limité à des valeurs situées entre 1 et 30 - On favorise un mélange homogène entre l'air de combustion et le gaz de combustion, du fait que la configuration géométrique du disque, de l'extrémité (côté frontal) à la sortie du gaz, du tube d'amenée de gaz et/ou du tube de brûleur répond à une symétrie de rotation On établit de cette manière des conditions identiques dans la totalité de la section transversale de l'espace annulaire. Il est également important, pour le fonctionnement du- brûleur, que la vitesse d'écoulement du gaz de combustion dépasse celle de l'air de combustion. Dans une forme de réalisation, l'invention offre, de façon spécifique à l'application, l'avantage supplémentaire que la distance entre le point de sortie du gaz hors du tube d'amenée de gaz et le disque situé devant en observant dans la direction de l'écoulement du gaz est réglable. Concrètement ceci est obtenu, selon une forme de réalisation, par le fait que le disque peut être disposé réglable en direction axiale sur le tube d'amenée de gaz. Des encliquetages correspondants peuvent être prévus à cette fin sur le tube d'amenée de gaz Dans le cas le plus simple, le disque, respectivement son bord intérieur, est bloqué par vissage sur le tube d'amenée de gaz La distance entre le point de sortie du gaz (hors des buses) et le disque est alors usuellement comprise entre 2 et 10 cm. Enfin, l'invention propose une forme de réalisation du brûleur à gaz, dans laquelle le tube de brûleur de nouveau observé dans la direction de l'écoulement du gaz présente derrière les buses (le point de sortie du gaz) un effilement de la section transversale, auquel se raccorde un tronçon du tube de brûleur ayant une section transversale d'aire supérieure De cette manière, le mélange d'air de combustion et de gaz de combustion est guidé radialement vers l'intérieur, faisant que l'on obtient une meilleure qualité de mélange Simultanément le brûleur luimême est protégé vis-à-vis de l'espace intérieur du four, au moyen du tube de brûleur allant en s'effilant Ceci est particulièrement important concernant des applications o règnent en particulier, dans l'espace de four ou d'incinération, des températures élevées, par exemple supérieures à 2 0000 C, du fait que les différentes parties de brûleur, telles que le tube d'amenée de gaz, le disque, ou les buses sont fabriqués en des matériaux métalliques et, ce faisant, thermiquement sensibles Dans la mesure o il a été parlé ci-dessus d'un tube de brûleur, celui-ci peut être remplacé également partiellement par un ouvreau en briques. Dans la mesure o ceci est souhaité, le tronçon située côté sortie du gaz du tube d'amenée de gaz, ainsi que, le cas échéant le disque ou le tronçon avant du tube de brûleur, peuvent être fabriqués en matériaux céramiques, particulièrement résistants à la température, tels qu'en nitrure de silicium Il est alors possible de configurer la pointe située du côté de la sortie du gaz, du tube d'amenée de gaz, et le disque sous forme d'un élément de construction monobloc. L'invention est décrite plus en détails ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation. Dans le dessin: La figure 1 représente une coupe longitudinale verticale dans le tronçon avant, dans la direction de l'écoulement, d'un brûleur à gaz selon l'invention, la figure 2 représente une vue de dessus du brûleur de la figure 1, dans la zone de la ligne de coupe 2-2 de la figure 1. Il est représenté un tube d'amenée de gaz 10 central. Le tube d'amenée de gaz 10 se referme sur lui-même dans la direction d'écoulement du gaz (flèche S), à l'extrémité avant, et présente à cet endroit, un total de six ouvertures 12, dans lesquelles sont insérées des buses 14 s'étendant radialement vers l'extérieur. Les différentes buses 14 sont comme on le voit sur la figure 2 disposées à égale distance sur un anneau circulaire. Les buses 14 font saillie en direction radiale au- dessus de la surface périphérique du tube d'amenée de gaz La justification et le but de cet agencement géométrique sont décrits plus en détail ci-après. La figure 1 représente encore, le fait que dans la direction de la flèche S devant la couronne de buses 14 est placé sur le tube d'amenée de gaz 10 un disque 16 annulaire, délimité en périphérie par un tube de brûleur 18 s'étendant concentriquement par rapport au tube d'amenée de gaz 10. De cette manière est créé entre le tube d'amenée de gaz et le tube de brûleur 18 un espace annulaire 20, à travers lequel l'air de combustion est amené concentriquement au gaz de combustion dans la direction de la flèche S. A partir de la confrontation entre les figures 1, 2, on voit en outre que le disque 16 présente une pluralité (ici ) de passages 22, réalisés également en forme de couronnes et disposés selon un espacement régulier les uns par rapport aux autres, sur le disque 16, en répondant à une rotation de symétrie Les passages 20 sont ouverts vers l'extérieur et y sont recouverts par le tube de brûleur 18 Il est ici disposé en outre des passages 24 axiaux, dans le disque 16 (ici un total de huit passages). Un ouvreau de brûleur 18 ', considéré du point de vue de la construction comme faisant partie du tube de brûleur 18, s'étend concentriquement par rapport au tube de brûleur 18. L'ouvreau de brûleur 18 ' s'étend depuis l'extrémité libre du tube de brûleur 18, en s'effilant de façon conique vers l'intérieur, en suivant ensuite une section cylindrique Ensuite, la section transversale ouverte de l'ouvreau 18 ' s'agrandit de nouveau de façon conique, avant que suive une autre section finale supplémentaire cylindrique. Le mode de fonctionnement du brûleur est le suivant Lors du démarrage à froid, on guide du gaz de combustion dans la direction de la flèche S, à travers le tube d'amenée de gaz, gaz qui sort alors par les buses 14 disposées en forme de couronne et faisant ici un angle a d'à peu près 450 par rapport à l'axe longitudinal M. Simultanément, de l'air de combustion est dirigé à travers l'espace annulaire 20, dans la direction de la flèche S, concentriquement par rapport aux courants de gaz L'air de combustion parcourt les passages 22 et les passages 24 orientés légèrement obliquement par rapport à la direction d'entrée d'écoulement de l'air de combustion comme on le voit sur la figure 2 et ensuite du fait de l'allure effilée de façon conique de l'ouvreau 18 ' -, o s'effectue une mise en contact directe et un mélange avec le gaz de combustion sortant des buses 14. Du fait que les buses 14 sont guidées jusque dans le courant de l'air de combustion, il se produit, selon l'invention, un mélange de degré optimal entre le gaz de combustion et l'air de combustion et ainsi, déjà, dans cette phase de démarrage du brûleur, on obtient une combustion complète en évitant toute formation de coque. Lors de l'allumage initial du mélange air de combustion/gaz de combustion comme on le voit sur la figure 2 un allumeur 26 est disposé dans la zone du premier tronçon conique de l'ouvreau 18. Il se produit ainsi une flamme de combustion qui se constitue le long de l'ouvreau 18, dans la direction de la flèche S. Dans la partie gauche de la figure 2 est visible en outre une électrode 28, par l'intermédiaire de laquelle la flamme du brûleur est surveillée Une telle électrode appartient également, tout comme l'allumeur, à l'état de la technique Ces deux éléments ne seront pas de ce fait ici l'objet d'une description détaillée. Lorsque continue le fonctionnement du brûleur, au lieu de l'air de combustion utilisé froid initialement, on peut amener de l'air de combustion chaud, ou de manière identique à ce qui a été décrit cidessus, un mélange optimal s'effectue entre l'air de combustion et le gaz de combustion O An peut minimiser la vitesse d'écoulement de l'air de combustion et ainsi minimiser le bruit, au moyen des passages 22 relativement grands ménagés dans le disque 16. De cette manière le brûleur travaille sur tout l'intervalle de combustion, dans des conditions identiques, de sorte qu'il peut être utilisé sans problème également dans le cadre d'un fonctionnement périodique. Une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait que le disque 16 est disposé réglable dans la direction de la flèche S, de sorte que la distance entre le disque 16 et la couronne de buses 14 peut être réglée de façon spécifique à l'application. 1 1 REVENDICATIONS - 1 Brûleur à gaz pour fours et installations d'inciné- ration, caractérisé en ce qu'il présente les caractéristiques suivantes: 1.1 un tube d'amenée de gaz ( 10) central, 1.2 autour duquel s'étend, à distance, un tube de brû- leur ( 18) 1.3 un disque ( 16), s'étendant radialement par rapport au tube d'amenée de gaz ( 10), disposé dans l'espace annulaire ( 20) créé entre le tube d'amenée de gaz ( 10) et le tube de brûleur ( 18), en vue d'amener de l'air de combustion, 1.4 le disque ( 16) présente une pluralité de passages ( 22,24) orientés dans la direction de l'écoulement de l'air de combustion, 1.5 l'aire de la section transversale des passages ( 22, 24) est d'au moins 50 % de l'aire de la section transversale du disque ( 16), 1 6 l'extrémité située côté sortie gaz du tube d'amenée de gaz ( 10) est réalisée de telle manière que le gaz sortant par une pluralité d'ouvertures de sortie de gaz ( 12) est guidé dans le courant de l'air de com- bustion. 2 Brûleur à gaz selon la revendication 1, dans lequel les ouvertures de sortie de gaz ( 12) sont disposées sur un anneau circulaire imaginaire. 3 Brûleur à gaz selon les revendications 1 ou 2, carac- térisé en ce que les ouvertures de sortie de gaz ( 12) sont réalisées sous forme de buses ( 14) s'écartant radialement vers l'extérieur, du tube d'amenée de gaz ( 10). 4 Brûleur à gaz selon la revendication 3, dans lequel les buses ( 14) observées dans la direction de l'écoulement des gaz s'étendent sous un angle compris entre 200 et 900. 5 Brûleur à gaz selon l'une des revendications 1 à 4,dans lequel les buses ( 14) sont prolongées jusque dans la zone de la section transversale des passages ( 22, 24) ménagés dans le disque ( 16). 6 Brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le point de sortie du gaz, hors des buses ( 14), se situe entre 2 et 10 cm derrière le disque ( 16), en observant dans la direction d'écoulement du gaz. 7 Brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les passages ( 22) sont disposés dans le disque, en faisant un angle par rapport à la direction d'é- coulement de l'air de combustion, tel qu'il arrive devant le disque ( 16). 8 Brûleur à gaz selon la revendication 7, dans lequel l'angle est compris dans la plage allant de 1 à 30 . 9 Brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le tube de brûleur ( 18) (l'ouvreau de brû- leur ( 18 ')) dépasse du tube d'amenée de gaz ( 10) dans la di- rection d'écoulement du gaz (S). Brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le tube de brûleur ( 18) (l'ouvreau de br - leur ( 18 ')) -en observant dans la direction de l'écoulement du gaz présente derrière les buses ( 14) un effilement de la section transversale, auquel se raccorde un tronçon du tube de brûleur ( 18) (ouvreau de brûleur ( 18 ')) à section trans- versale de plus grande aire. 11 Brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la configuration géométrique du disque ( 16), de l'extrémité située côté sortie du gaz du tube d'ame- née de gaz ( 10) et/ou du tube de brûleur ( 18) (de l'ouvreau ( 18 ')) répond à une symétrie de rotation. 12 Brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le disque ( 16) est disposé réglable en direction axiale sur le tube d'amenée de gaz. 13 Brûleur à gaz selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 12, dans lequel l'extrémité située côté sortie du gaz du tube d'amenée de gaz ( 10) et/ou le disque ( 16) est (sont) réalisé (s) en un matériau céramique résistant à des températures élevées, tel que le nitrure de silicium.