Brevet FR2727745A1 — publié le 19960607

La présente invention se rapporte à un brûleur à air soufflé et à combustible liquide émulsionné, notamment à partir de mazout léger ou lourd appelé fioul pour chaudière industrielle et domestique. Elle se rapporte également au procédé de préparation, d'alimentation et de fonctionnement d'un tel brûleur en vue d'une combustion optimale. Outre le rendement purement thermique, les constructeurs de brûleurs à air soufflé et à fioul cherchent non seulement à améliorer les performances de leurs brûleurs dans des domaines comme celui des économies d'énergie mais aussi, en plus, dans ceux non liés à des économies immédiates. Les performances techniques des brûleurs de dernière génération sont considérées comme maximales actuellement sur un plan technico-économique. Il est donc estimé chez les constructeurs que des performances supplémentaires en rendement, possibles techniquement, n'apporteraient qu'un surcroît démesuré du prix de vente difficilement justifiable commercialement. Les efforts d'innovation se sont donc portés dans des domaines ou sur des caractéristiques considérées préalablement comme secondaires tels que l'entretien des chaudières, la propreté des échangeurs et la réduction des composants polluants dans les fumées et gaz de combustion. Ainsi, les brûleurs ont été rendus moins polluants, c'est-a-dire moins productifs en composés d'oxydes d'azote et d'oxydes de soufre. Diverses techniques existent. Il s'agit d'abord d'obtenir une meilleure combustion, c'est-à-dire de réduire la quantité des imbrûlés en diminuant le volume de la chambre de combustion. Par ailleurs, en jouant sur la quantité d'excès d'air et sur la température de la flamme, on peut fixer le point de fonctionnement dans une zone de compromis dans laquelle les courbes de pente inverse des taux d'oxydes d'azote et de soufre se croisent, permettant ainsi de bénéficier pour ces deux produits de valeurs d'émission égales acceptables. On connais par ailleurs les brûleurs à émulsion, c'est-à-dire les brûleurs utilisant une émulsion eau-combustible liquide comme combustible. Or, si ces brûleurs offrent des performances intéressantes en ce qui concerne le rendement et la propreté de la chambre de combustion et celle des échangeurs, ils se caractérisent par un manque de fiabilité chronique provenant des difficultés répétitives à l'allumage dues à un mélange insuffisamment intime eau-fioul. Les avantages typiques propres à la combustion d'une émulsion eau dans combustible liquide sont cités ci-après meilleure gazéification de la flamme résidus et sous-produits de combustion moins dangereux pour l'environnement et moins corrosifs et incrustants pour les chaudières, notamment en ce qui concerne le soufre et ses dérivés transformés chimiques inertes et pulvérulents ; . meilleur rendement énergétique. On sait par ailleurs que la combustion d'une pulvérisation de fioul est nettement améliorée en injectant dans l'air comburant un complexe gazeux catalytique et correcteur de combustion. Cette addition gazeuse à l'air comburant présentant des propriétés principales catalytiques permet d'augmenter la température de la flamme mais aussi d'obtenir un meilleur transfert calorifique, notamment par un autonettoyage des surfaces d'échange, et d'annihiler en partie les anhydrides sulfureux et d'azote et de réduire notablement les imbrûlés pour une combustion de meilleure qualité et plus complète. Ce procédé ne permet cependant pas d'atteindre un taux d'excès d'air aussi faible que celui possible par une combustion avec une émulsion eau-fioul. Or, la combustion avec émulsion n'apporte pas que des avantages. En effet, le caractère hydrogéné de cette émulsion provoque, plus ou moins selon les réglages, la libération de radicaux d'hydrogène et d'oxygène qui favorisent la formation d'anhydride carbonique C02, d'acides sulfurique et nitrique, d'hydrogène sulfuré H2S, ainsi que divers composés chimiques agressifs, polluants et incrustants, particulièrement nocifs pour la santé et corrosifs pour les chaudières, qu'il faudrait réduire fortement ou neutraliser. Or, de plus, les propriétés et les avantages propres à la combustion d'une émulsion eau-fioul obtenue mécaniquement sont pour certains contraires à ceux de la combustion avec complexe gazeux additionnel. En effet, si la combustion avec correction catalytique a tendance à élever la température de la flamme avec augmentation corrélative d'oxydes d'azote, mais d'un meilleur rendement thermique, la combustion d'une émulsion eau-fioul a tendance par contre à diminuer la température de la flamme et produit des gaz nocifs acides en quantités significatives. L'invention a pour but, tout en gardant un bon rendement thermique de la combustion, de réduire les inconvénients des deux types de combustion et d'en augmenter encore les performances générales et les avantages en surmontant les difficultés liées à la conjonction des effets apparemment contraires de chaque type de combustion avec catalyse gazeuse d'une part et émulsion d'autre part. A cet effet, l'invention se rapporte à des brûleurs à air soufflé pour chaudière industrielle ou domestique utilisant comme combustible une émulsion d'un combustible liquide complété d'un additif liquide ou gazeux et au procédé de combustion du combustible et d'alimentation et de fonctionnement de ces brûleurs. Le procédé se caractérise en ce que l'on alimente le brûleur simultanément, d'une part sur sa voie d'air comburant par un complexe gazeux catalytique correcteur de la combustion et neutralisant pour les rejets nocifs et d'autre part sur sa voie de combustible liquide par une émulsion à partir d'eau et de fioul avec au moins un additif liquide ou gazeux. Le combustible apporté au brûleur se présente sous la forme d'une émulsion finement divisée eau dans fioul qui renferme des micelles de taille microscopique pratiquement identiques les unes aux autres. Les avantages de cette émulsion dans le cadre de la politique de protection de l'environnement et des économies d'énergie sont nombreux. Les micelles de taille microscopique composant l'émulsion sont le résultat de fractionnements et de divisions multiples leur conférant un caractère parfaitement homogène permettant une meilleure combustion au niveau de la flamme du brûleur. Cette amélioration de la combustion entraine une forte diminution dépassant 50% des gaz nocifs et des imbrûlés rejetés dans l'atmosphère. Selon un autre de ses avantages, l'émulsion permet d'offrir un débouché à des déchets industriels. A titre d'exemple, on peut citer l'acide lactique, produit de rebut des industries laitière et agroalimentaire qui peut se substituer, partiellement ou totalement, à l'eau en tant que composant aqueux de l'émulsion. D'autre additifs, du type déchets liquides de toute sorte, peuvent être ajoutés à cette émulsion. Les additifs liquides à tendance basique permettront de neutraliser l'acide lactique. On prévoit également à titre d'additifs une injection d'air ou d'air enrichi de différents gaz. En ce qui concerne le combustible liquide, on peut envisager d'utiliser, après dilution et préchauffage adaptés, les huiles usagées de toute sorte, notamment les huiles de vidange. La proportion d'eau dans le mélange, classiquement comprise entre 15 et 25 % en masse du mélange total pour une application de chauffage utilisant du fioul, peut atteindre des valeurs situées entre 45 % et 55 % pour des installations thermiques à caractère spécifique. L'émulsion présente encore d'autres avantages, parmi lesquels on pourra citer une diminution très sensible de la teneur des gaz de fumées en oxydes d'azote de formule générale NOx, ou x représente le nombre d'atomes d'oxygène de la molécule d'oxyde, une diminution de la formation d'oxydes de soufre S03, et un rendement optimal de combustion. Enfin, la présence d'une émulsion par de l'eau assure en permanence un autonettoyage des diverses surfaces de la chambre de combustion et des échangeurs. Néanmoins, une émulsion eau dans fioul se caractérise également par la présence de radicaux libres d'hydrogène et d'oxygène qui, par recombinaison, conduisent à une production d'anhydride carbonique et d'anhydrides sulfureux, par exemple de l'hydrogène sulfureux H2S, dont les effets néfastes amoindrissent, au moins partiellement, ceux obtenus lors d'une combustion par addition d'un complexe gazeux dans l'entrée d'air d'un brûleur à air soufflé. Le procédé selon la présente invention a pour but de limiter ces inconvénients dans le cadre d'une combustion mixte à catalyse gazeuse et à émulsion eaufioul. Il permet, en optimisant la composition du complexe gazeux et en corrigeant l'émulsion par des additifs, de réduire fortement les effets contraires induits par l'addition d'un émulsionneur sur le circuit d'alimentation en combustible liquide d'un brûleur alimenté sur sa voie d'air comburant par un complexe gazeux additionnel pour chaudière industrielle et domestique. 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'une installation à trois brûleurs la figure 2 est le schéma fonctionnel du bloc d'émulsion. La présente invention utilise un groupe émulsionneur, par exemple à vibrations mécaniques ultrasoniques, ayant pour but de mélanger en continu, de façon aussi intime que possible, au moins deux composants dont l'un est le combustible liquide, par exemple du fioul, et dont l'autre est de l'eau additionnée éventuellement d'un autre liquide et/ou d'un additif gazeux simple ou composé. L'eau et le fioul sont normalement miscibles en raison de leurs caractéristiques physiques différentes au niveau de leur différence importante de densité. Pour constituer un nouveau combustible performant, l'émulsion doit être finement fractionnée et divisée pour arriver à des micelles de taille microscopique pratiquement homogènes. Ce nouveau combustible alimente sur la voie combustible un ou plusieurs brûleur(s) à catalyse gazeuse dont un exemple est représenté par celui fonctionnant avec le procédé de combustion optimale déjà décrit dans un dépôt antérieur au nom du même déposant. Ce brûleur antérieur et le procédé de combustion associé visant à améliorer la combustion, à diminuer les rejets polluants et à apporter des effets d'anticorrosion et d'autonettoyage présentent les caractéristiques générales suivantes. On enrichit l'air comburant par un complexe gazeux de correction de combustion à caractère catalytique et on fait varier le débit d'air comburant pour adapter la combustion par un excès d'air juste endessous de la formation de suies et d'oxydes de carbone à partir des principaux paramètres gouvernant la combustion. Selon un exemple de réalisation, on règle et on fait varier le débit d'air comburant par la modification du régime de la turbine d'admission d'air dans le brûleur qui projette la flamme le long de la chambre de combustion. Le complexe gazeux de correction de combustion arrivant dans l'entrée d'air à débit variable du brûleur est formé, d'une part d'un composant catalytique provoquant une réaction principale exothermique destinée à augmenter la température de la flamme et d'autre part, de différents composants lui conférant des propriétés d'anticorrosion et d'autonettoyage des surfaces d'échange et de neutralisation par rapport aux rejets nocifs. Le complexe gazeux contient, en effet, un composant de neutralisation visant à transformer en partie les produits toxiques contenus dans les gaz de combustion et fumées en composés neutres, sans danger pour les surfaces d'échange de la chaudière et les pièces de son ensemble d'évacuation et sans caractère nocif pour l'environnement. Le complexe gazeux contient, enfin, un composant de décrassage ayant pour effet de désagréger les croûtes des produits incrustants. Il peut s'agir du complexe gazeux tel que décrit dans le brevet antérieur FR 2.667.134, mais aussi de tout autre complexe gazeux présentant les mêmes propriétés. L'idée inventive consiste tout d'abord à rendre possible la combustion mixte en optimisant la composition du complexe gazeux de correction -de combustion pour arriver à surmonter les difficultés liées à la combustion mixte. Il s'agit notamment de corriger les effets néfastes de chaque type de combustion avec gaz correcteur de combustion d'une part et avec émulsion d'autre part. L'invention consiste ensuite à prévoir un mélange multicomposants à base d'eau et de fioul qui donnera naissance à une émulsion rendant la combustion mixte exempte de ses défauts majeurs. L'invention consiste aussi à former une émulsion homogène colloïdale dont les micelles ne dépassent pas une taille microscopique. Selon une autre de ses caractéristiques, le procédé selon l'invention se rapporte à un cycle optimisé de conduite d'allures de chauffe d'une chaudière industrielle ou domestique et de pilotage de la combustion en vue d'un rendement optimal global maximal. Une installation à plusieurs brûleurs est illustrée par la figure 1. Bien entendu, l'invention s'applique de la même façon à un brûleur isolé. Les trois brûleurs BRLR représentés comportent chacun une entrée d'air séparée 1 ou sont alimentés sur leur entrée d'air 1 par une conduite commune d'alimentation 2 en air comburant préchauffé AC provenant d'un échangeur inséré dans le conduit d'évacuation des fumées ou préchauffé autrement. Les brûleurs BRLR sont alimentés sur leur entrée d'air 1 par une conduite d'arrivée 3 d'un complexe gazeux CG à effet catalytique préparé de façon connue en amont d'une unité SPC de commande et de pilotage de la combustion. I1 faut entendre par complexe gazeux CG un complexe correcteur de combustion présentant des propriétés principales catalytiques, mais aussi des propriétés neutralisantes à l'égard des rejets nocifs ainsi que des propriétés inhibitrices de corrosion et d'autonettoyage. Il peut s'agir du complexe gazeux tel que décrit dans le brevet antérieur FR 2.667.134, mais aussi de tout autre complexe gazeux présentant les mêmes propriétés. Cette unité SPC gère l'ensemble des paramètres relatifs à la combustion des brûleurs BRLR, mais aussi à leur marche, c'est-à-dire à l'allure de chauffe des chaudières en fonction des besoins et des économies d'énergie possibles à partir des cycles de chauffe. Les brûleurs sont alimentés sur leur pompe à combustible P par un groupe émulsionneur GRMU produisant une émulsion à partir de fioul et d'eau mélangés à des additifs divers liquides et/ou gazeux d'amélioration de la combustion ou des propriétés physiques de l'émulsion telles que sa tenue et sa fluidité. Comme déjà indiqué, on peut mentionner à titre d'additifs liquides ou gazeux tout produit de faible valeur commerciale tels que certains produits naturels : air, biogaz, mélange air-gaz... ou des déchets liquides : acide lactique, huiles usagées, eaux grasses, rejets industriels... Le groupe émulsionneur GRMU est relié d'une part aux différentes arrivées de produits composant l'émulsion et d'autre part à la pompe P du brûleur BRLR dont le retour d'émulsion 4 à la cuve de combustible est raccordée à une des entrées du groupe émulsionneur GRMU. Plus particulièrement en référence à la figure 2, le groupe émulsionneur GRMU se compose d'un module de prémelange ou prémélangeur PRLR présentant cinq entrées et une sortie pour le mélange primaire des produits avant leur mise en pression dans une pompe émulsionneuse PE, par exemple à engrenages. Les cinq entrées sont prévues pour les différents fluides entrant dans la composition de l'émulsion dont tout d'abord les principaux, à savoir le fioul FL, l'eau H20 et l'émulsion en retour du brûleur BRLR par le conduit de retour d'émulsion 4 et par une boucle de décharge 5, ensuite une entrée d'additifs liquides AL et une entrée d'additifs gazeux AG. Le mélange de ces produits, après brassage et mise en pression par la pompe émulsionneuse PE, traverse un émulsionneur EML, par exemple mécanique ultrasonique, pour sortir vers la pompe P du brûleur BRLR sur une conduite d'alimentation 6 du brûleur BRLR. A l'entrée de la pompe P du brûleur BRLR, une dérivation de décharge 7 dans laquelle est monté un régulateur-limiteur de pression 8 constitue la naissance d'une boucle de retour 9 de l'émulsion vers le prémélangeur PRLR. Cette boucle de retour 9 reçoit le conduit de retour d'émulsion 4 du brûleur BRLR apportant l'émulsion en excès au prémélangeur BRLR. Après le passage dans un pot PT de décantation, de purge ou de stabilisation, l'émulsion en excès revient vers le prémélangeur PRLR pour se mélanger aux différents composants de l'émulsion. Divers filtres et purges assurent la bonne circulation hydraulique de l'émulsion. Le bon fonctionnement réclame une émulsion de tenue suffisante, c'est-à-dire capable de rester à l'état d'émulsion entre deux périodes successives de fonctionnement du brûleur. Le groupe émulsionneur GRMU est commandé sur une ligne d'information de commande 10 par l'unité SPC à partir des informations sur les paramètres surveillés IP qui gouvernent la combustion et la bonne marche des chaudières. On précise que la commande de la combustion et son contrôle s'effectuent à partir de l'unité SPC qui, selon une variante préférée, agit sur le débit du combustible et sur la vitesse de rotation de la turbine du ventilateur du brûleur par l'intermédiaire d'une ligne de commande 11 de la vitesse des moteurs N en fonction des paramètres de combustion tels que : la température de la flamme, la température des fumées, le taux d'oxygène et de gaz carbonique, la production des composés NOx et SOx et éventuellement la température de l'air. 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 améliorée pour brûleur à air soufflé et à combustible liquide, notamment fioul, caractérisé en ce que l'on alimente le brûleur (BRLR) simultanément, d'une part sur sa voie (1) d'air comburant (AC) par un complexe gazeux catalytique (CG), correcteur de la combustion et neutralisant pour les rejets nocifs et d'autre part sur sa voie de combustible liquide (6) par une émulsion eau-fioul du type eau dans huile obtenue par un groupe émulsionneur (GRMU). 2. Procédé selon la revendication l caractérisé en ce que le groupe émulsionneur (GRMU) comprend un émulsionneur mécanique ultrasonique (EML). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'émulsion est de type colloïdale. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'émulsion de type colloïdale formée à partir d'eau et de fioul (FL) est complétee par des additifs liquides (AL) et/ou gazeux (AG). 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'eau est mélangée à des additifs liquides (AL) et/ou gazeux (AG) améliorant la combustion et les qualités et propriétés physiques de l'émulsion. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce qu'au moins un des additifs est de l'acide lactique. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 4 à 6 caractérisé en ce qu'au moins un des additifs liquides est à tendance basique. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la vitesse de rotation de la turbine du brûleur (BRLR) est variable en fonction des paramètres de combustion. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les composants du mélange sont mélangés entre eux et au retour de l'émulsion en excès provenant du brûleur (BRLR) dans un prémélangeur (PRLR) avant d'alimenter 1'émulsionneur (EML) à travers une pompe émulsionneuse (PE). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le complexe gazeux (CG) renferme un inhibiteur de corrosion et un produit d'autonettoyage. 11. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le ou les brûleurs (BRLR) est ou sont alimenté(s) séparément et simultanément sur leur entrée d'air (1) par l'air comburant (AC) d'une part et par le complexe catalytique gazeux (CG) d'autre part, en ce que la pompe (P) de chaque brûleur (BRLR) est alimentée en émulsion colloïdale par un groupe émulsionneur (GRMU) à partir du combustible liquide (CBLE), d'eau et de différents additifs ainsi que de l'émulsion en retour du brûleur (BRLR) et en ce que l'ensemble est géré par une unité (SPC) assurant la maltaise de la combustion et la conduite d'allure des chaudières. 12. Installation selon la revendication 11 caractérisée en ce que la commande et le contrôle de la combustion s'effectuent par la commande de la vitesse du ventilateur du brûleur (BRLR). 13. Installation selon la revendication 11 caractérisée en ce que le groupe émulsionneur (GRMU) alimentant la pompe (P) du brûleur (BRLR) en émulsion comporte un prémélangeur (PRLR) recevant sur ses entrées les composants de l'émulsion dont le fioul (FL) et l'eau et les additifs (AG,AL) ainsi qu'une branche de retour (4) provenant du retour du brûleur (BRLR) et d'une dérivation de décharge (7) présente à l'entrée de la pompe (P) du brûleur (BRLR), la sortie du prémélangeur (PRLR) étant reliée à un émulsionneur (EML) à travers une pompe (PE).