Brevet FR2706592A1 — publié le 19941223

CHAUDIERE A FOYER APTE A REDUIRE LA TENEUR EN COMPOSES POLLUANTS DES PRODUITS DE COMBUSTION. La présente invention concerne une chaudière à foyer apte à réduire la teneur en composés polluants des produits de la combustion d'un combustible à base d' hydrocarbures. On sait que la combustion des hydrocarbures produit divers composés indésirables, que l'on qualifie de polluants. Parmi ceux-ci, le monoxyde de carbone CO et les oxydes d'azote, NO et N02, qu'il est usuel de désigner par la formule NOx, sont les plus répandus. Le monoxyde de carbone résulte d'une combustion incomplète du combustible, tandis que les oxydes d'azote proviennent d'une oxydation de l'azote dans la flamme à haute température, notamment à une température supérieure à i 4000C. L'azote peut provenir soit du combustible, soit de l'air comburant. On se trouve donc en présence de deux phénomènes ayant des effets inverses. Si la flamme est très chaude, la combustion du combustible est complète, il ne se forme pas de monoxyde de carbone, mais des oxydes d'azote sont présents dans les produits de la combustion. La formation des oxydes d'azote est réduite soit par une flamme modérément chaude, dont la stabilité peut devenir aléatoire, soit par un refroidissement rapide de la flamme, mais il y a alors un risque accru de formation de monoxyde de carbone. On ajoutera qu'en dehors d'une température élevée, la formation des oxydes d'azote dépend de la durée de séjour de l'azote à la température de combustion. Les administrations nationales ont édicté dans la plupart des pays des réglementations très strictes sur la présence de composés polluants dans les effluents des chaudières. Les fabricants de chaudières ont donc recherché les moyens d'obtenir une combustion complète des combustibles, pour ne pas produire de monoxyde de carbone, et une température de flamme peu élevée, pour éviter la formation d'oxydes d'azote. Les recherches ont surtout porté sur les brûleurs et l'on a notamment proposé d'utiliser: - une flamme à prémélange total développée sur une surface d'accrochage importante; - une injection étagée d'air ou de gaz dans la flamme; - une recirculation, externe ou interne, de produits de la combustion dans la flamme - le remplacement de brûleurs à flamme libre par des brûleurs à rayonnement infrarouge. La présente invention vise elle aussi à réduire la teneur en polluants des produits de la combustion d'hydrocarbures, mais en jouant non plus sur la structure des brûleurs, mais sur la géométrie du foyer des chaudières, ce qui présente l'avantage de permettre de continuer à utiliser des brûleurs disponibles dans le commerce, de coût modéré et d'une fiabilité éprouvée. En outre, l'invention vise également à ne pas diminuer 11 efficacité de l'échange de chaleur dans le foyer, comme le font les brûleurs à rayonnement infrarouge, qui exigent donc de grands foyers. A cet effet, l'invention a pour objet une chaudière contenant un fluide caloporteur, un foyer noyé dans le fluide caloporteur et comprenant un brûleur alimenté en combustible à base d'hydrocarbures et un moyen d'évacuation des produits de la combustion, cette chaudière étant caractérisée en ce qu'elle comporte, disposés dans le prolongement l'un de l'autre suivant l'axe du brûleur et en communication mutuelle, un foyer primaire sensiblement cylindrique dans lequel débouche le brûleur et un foyer secondaire également de forme sensiblement cylindrique, mais de section transversale inférieure à celle du foyer primaire. De préférence, un élément de liaison de forme sensiblement cylindrique, mais de section transversale inférieure à celles des foyers primaire et secondaire, réunira ces deux foyers et les mettra en communication, en vue de provoquer une turbulence des produits passant du foyer primaire au foyer secondaire. Dans cette structure, le foyer primaire a pour but de permettre le développement de la flamme du brûleur et la stabilité de celle-ci. Dans ce but, il aura une forme enveloppante, afin de favoriser la recirculation interne des produits de la combustion. En outre, afin d'éviter que la température à l'intérieur de ce foyer primaire ne s 'élève trop, ce foyer aura une surface de contact avec l'eau de la chaudière aussi importante que possible, afin de favoriser les échanges de chaleur. Ce foyer primaire sera de volume réduit. On sait qu'il est courant de définir le volume du foyer par le biais du taux de combustion, qui est le rapport de la puissance du brûleur au volume du foyer. Dans des chaudières de 100 à 500 kW, ce rapport est de l'ordre de 600 à 1 500 kW/m3. Dans le cas de l'invention, le foyer primaire aura un taux de combustion égal au moins à 2 000 kW/m3 et pouvant dépasser 3 000 kW/m3. Un volume de foyer primaire aussi faible a comme intérêt principal de réduire la durée de séjour des produits de la combustion dans ce foyer primaire, dans lequel la flamme est à une température assez élevée. La surface refroidie de ce foyer primaire devra être aussi importante que possible et, dans ce but, on lui donnera une forme enveloppante laissant seulement libres les sections d'entrées du gueulard du brûleur et de passage vers le foyer secondaire des produits de la combustion. Les surfaces de la paroi latérale de ce foyer primaire en contact avec le fluide caloporteur pourront aussi présenter des ondulations ou des ailettes pour augmenter la surface d'échange thermique avec ce fluide. Le foyer secondaire a pour fonctions, lui, d'achever la combustion des hydrocarbures, afin de ne pas produire de monoxyde de carbone, et de refroidir efficacement les produits de la combustion, afin de ne pas former d'oxydes d'azote autres que ceux provenant du foyer primaire. Il aura donc un volume relativement faible, afin d'obtenir un temps de séjour très court des produits de la combustion, au moins dans la zone ou la température est susceptible de dépasser 1 4000 C, ou même seulement 1 2000 C, température au-dessous de laquelle il ne se forme presque plus d'oxydes d'azote. En vue d'obtenir un refroidissement efficace du foyer secondaire, celui-ci pourra présenter des parois latérales à surface ondulée, accroissant la surface d'échange thermique avec le fluide caloporteur. Des tubes dans lesquels circule un liquide de refroidissement tel que de l'eau pourront également être disposés dans ce foyer secondaire, soit traversalement à l'axe du foyer, soit parallèlement à celui-ci. Dans le même but, on pourra aussi prévoir un foyer secondaire remplacé par plusieurs tubes de fumées en parallèles. Le foyer secondaire aura de façon caractéristique un taux de combustion élevé, d'au moins 3 000 kW/m3 et pouvant dépasser 6 000 kW/m3. Pour obtenir un mélange efficace des produits de la combustion et abaisser leur température le plus rapidement possible au-dessous de 1 4000C et même au-dessous de 1 2000 C, le foyer secondaire présentera de préférence un confinement thermique (rapport de la puissance du brûleur à la section droite du foyer) d'au moins 3 000 kW/m2, pouvant atteindre et même dépasser 4 000 kW/m2. Afin d'augmenter l'efficacité de la combustion à la sortie du foyer primaire et d'intensifier l'échange de chaleur avec le fluide caloporteur à l'entrée du foyer secondaire, un élément de liaison se présentant sous la forme d'une virole de courte longueur, coaxiale au foyer primaire et au foyer secondaire, mais de section transversale inférieure à celles de ces deux foyers, sera avantageusement interposé entre ceux-ci, en vue de les mettre en communication, tout en produisant une turbulence à l'entrée du foyer secondaire. Une forme de mise en oeuvre de l'invention va être décrite ci-après, en référence à la figure unique du dessin schématique annexé, qui est une vue en élévation d'une chaudière conforme à l'invention. Sur ce dessin, on voit une chaudière 1, contenant un liquide caloporteur 2, dans lequel est noyé un foyer de chaudière comprenant - un foyer primaire 3, disposé à la base de la chaudière et alimenté par un brûleur 4 - un foyer secondaire 5, disposé au-dessus du foyer primaire 3; - et un anneau de liaison constitué par une virole 6 réunissant le foyer primaire 3 et le foyer secondaire 5 et les mettant en communication mutuelle. Le foyer 3, le foyer 5 et la virole 6 sont disposés coaxialement au brûleur 4 et ont des formes sensiblement cylindriques, mais le foyer primaire 3 a une section transversale supérieure à celle du foyer secondaire 5, lequel a lui-même une section transversale supérieure à celle de la virole 6. Comme il a été indiqué, il en résulte un effet de turbulence à l'entrée du foyer secondaire 5. Comme on le voit, le foyer primaire 3 a une forme enveloppante, favorisant les courants de recirculation des produits de la combustion. La paroi latérale de ce foyer peut avantageusement comporter des ondulations pour favoriser et accroître les échanges thermiques avec le fluide caloporteur 2. La virole 6 a une très courte longueur parallèlement à l'axe de la chaudière. Cette longueur peut représenter environ 30 mm. Le foyer secondaire 5 peut lui-même avoir une paroi latérale ondulée, afin d'accroître la surface d'échange thermique avec le fluide caloporteur. Dans ce foyer 5 sont logés un ou plusieurs tubes 7 à circulation d'eau, destinés à maintenir la température de ce foyer au-dessous de 1 4O00C et même, de préférence, au-dessous de 1 2000 C, en vue d'éviter ou de limiter la formation d'oxydes d'azote autres que ceux déjà formés dans le foyer primaire 3. Dans le cas présent, les tubes 7 sont parallèles à l'axe du foyer, mais ils pourraient être aussi disposés transversalement à ce tube. On pourrait d'ailleurs, dans le même but, prévoir un faisceau de tubes de fumées à l'intérieur du foyer secondaire. Dans une réalisation pratique d'une chaudière conforme à l'invention, les différents constituants de cette chaudière ont, par exemple, les dimensions suivantes: - diamètre de la chaudière 1 : 700 mm, - dimension de la chaudière 1 parallèlement à l'axe du brûleur : 1 700 mm, - diamètre du foyer primaire 3 : 400 mm, - dimension de ce foyer 3 parallèlement à l'axe du brûleur : 500 mm, - diamètre de la virole 6 : 195 mm, - longueur de cette virole 6 parallèlement à l'axe du brûleur : 30 mm, - diamètre du foyer secondaire 5 : 260 mm, - dimension de ce foyer 5 parallèlement à l'axe du brûleur : 1 000 mm. Dans cette forme de réalisation, le brûleur est alimenté à l'aide de gaz naturel et a une puissance de 1 kW. Le foyer primaire a un taux de combustion égal à 2 400 kW/m3, tandis que le foyer secondaire a un taux de combustion égal à 3 800 kW/m3, et un confinement thermique de 4 200 kW/m2. La durée de séjour des produits de combustion dans le foyer primaire est de 0,18 s et dans le foyer secondaire de 0,14 s. Dans ces conditions, il est possible de ramener à moins de 5 ppm le taux de monoxyde de carbone des effluents de la chaudière et à 30 ppm la teneur en oxydes d'azote de ces effluents. Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur le dessin annexé, les foyers primaire et secondaire sont disposés verticalement. Cette forme de mise en oeuvre est préférée, car elle favorise une bonne homogénéité des températures dans chaque section transversale et élimine les zones de surchauffe susceptibles de favoriser la production d'oxydes d'azote. Cette réalisation n'a toutefois aucun caractère limitatif et la chaudière pourrait être aussi bien réalisée avec des foyers disposés horizontalement. REVENDICATIONS 1- Chaudière contenant un fluide caloporteur (2), un foyer noyé dans le fluide caloporteur et comprenant un brûleur (4) alimenté en combustible à base d'hydrocarbures et un moyen d'évacuation des produits de la combustion, cette chaudière étant caractérisée en ce qu'elle comporte, disposés dans le prolongement l'un de l'autre suivant l'axe du brûleur (4) et en communication mutuelle, un foyer primaire (3) sensiblement cylindrique dans lequel débouche le brûleur (4), et un foyer secondaire (5) également de forme sensiblement cylindrique, mais de section transversale inférieure à celle du foyer primaire (3). 2- Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un élément de liaison (6) de forme sensiblement cylindrique, mais de section transversale inférieure à celles des foyers primaire et secondaire (3,5), réunit ces deux foyers et les met en communication, en vue de provoquer une turbulence des produits passant du foyer primaire au foyer secondaire. 3- Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le foyer primaire (3) a un taux de combustion égal ou supérieur à 2 000 kW/m3. 4- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la surface de la paroi latérale du foyer primaire (3) en contact avec le fluide caloporteur présente des ondulations ou comporte des ailettes. 5- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le foyer secondaire (5) présente un taux de combustion égal ou supérieur à 3 000 kW/m3 et un confinement thermique égal au moins à 3 000 kW/m2. 6- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que, dans le foyer secondaire (5), sont logés des tubes à circulation d'eau (7), disposés parallèlement ou transversalement à l'axe du foyer. 7- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la surface de la paroi latérale du foyer (7) en contact avec le fluide caloporteur présente des ondulations. 8- Chaudière selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les foyers (3 et 5) ont leur axe disposé verticalement.