Brevet FR2737138A1 — publié le 19970131

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de pulvérisation d'un produit liquide, notam- ment d'un combustible liquide, dans un espace de travail. Elle s'applique en particulier aux brûleurs pour fours de fusion de verre. Les pressions dont il est question ci-dessous sont des pressions relatives. L'invention concerne notamment un procédé de pul- vérisation d'un produit liquide dans un espace de travail du type dans lequel on réalise une prépulvérisation du produit liquide à l'intérieur d'un espace de prépulvéri- sation différent de l'espace de travail et on réalise une pulvérisation du mélange prépulvérisé par mise en oeuvre d'un flux gazeux de pulvérisation. L'invention concerne également notamment un dis- positif de pulvérisation d'un produit liquide dans un espace de travail extérieur audit dispositif, du type comportant des moyens de prépulvérisation du produit liquide, des moyens d'alimentation des moyens de prépul- vérisation en produit liquide à pulvériser et des moyens de pulvérisation du mélange prépulvérisé. On connaît des procédés et des dispositifs per- mettant de pulvériser ou atomiser un combustible liquide, notamment du fuel lourd, en fines gouttelettes. Ces dernières, mises en présence d'un comburant, de l'oxygène par exemple, permettent d'entretenir une flamme. Les caractéristiques de la flamme obtenue en sortie du dispositif de pulvérisation dépendent de la qualité de la pulvérisation du liquide, en particulier de la taille des gouttelettes obtenues et de la répartition statistique des diamètres de celles-ci. Par ailleurs, la nature de la flamme obtenue dépend également de la vites- se d'éjection du fluide pulvérisé à la sortie du disposi- tif de pulvérisation. En fonction des caractéristiques de la pulvérisa- tion, les flammes obtenues peuvent être molles ou dures, et accrochées à l'extrémité du dispositif de pulvérisa- tion ou encore décrochées. Par ailleurs, dans l'application aux fours de fusion de verre, un dispositif de pulvérisation d'un combustible liquide doit être adapté pour résister aux hautes températures de l'ordre de 1400 à 1700 C régnant dans le four. En particulier, un tel dispositif doit être capable de supporter ces températures pendant un certain temps alors qu'il n'est pas en fonctionnement. Les procédés et dispositifs de pulvérisation connus ne satisfont les conditions décrites précédemment que de manière imparfaite ou partielle. Par exemple, on connait un dispositif de pulvéri- sation à double atomisation comportant une première chambre de prépulvérisation, dans laquelle sont intro- duits un fluide de prépulvérisation et un combustible liquide. La sortie de cette chambre de prépulvérisation débouche dans une seconde chambre de pulvérisation, comportant des ouvertures d'arrivée d'un flux gazeux de pulvérisation. La sortie de cette seconde chambre de pulvérisation débouche dans l'espace de travail dans lequel le combustible pulvérisé est enflammé. Un tel dispositif présente un risque d'explosion dû à la pré- sence de combustible pulvérisé dans les deux chambres de pulvérisation interne consécutives, et dont la dernière est en communication avec l'espace de travail o est établie la flamme. Par ailleurs, ce dispositif est très mal protégé des agressions thermiques. La présente invention a pour but de proposer un procédé et un dispositif de pulvérisation d'un produit liquide, notamment d'un combustible liquide, permettant pour un débit donné de combustible, d'autoriser le réglage des uaractéristiques de la flamme et en particu- lier d'obtenir une flamme accrochée, longue et molle, tout en résistant aux températures élevées régnant dans un four. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de pulvérisation d'un produit liquide, notamment d'un combustible liquide, dans un espace de travail, du type précité, caractérisé en ce qu'on éjecte directement le mélange prépulvérisé dudit espace de prépulvérisation dans ledit espace de travail, ladite pulvérisation étant effectuée dans cet espace de travail. Le procédé peut présenter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la prépulvérisation du liquide est obtenue par mise en oeuvre d'un flux gazeux de prépulvérisation; - la prépulvérisation du liquide est réalisée dans une chambre de confinement, munie d'une sortie d'éjection du mélange prépulvérisé débouchant dans ledit espace de travail et dans laquelle sont introduits cen- tralement le flux gazeux de prépulvérisation et annulai- rement le produit liquide; - la pulvérisation du mélange prépulvérisé est réalisée immédiatement en sortie de ladite chambre de confinement; - la pression régnant à l'intérieur de la chambre de confinement est de 1 à 5 bars supérieure à la pression régnant dans l'espace de travail; - le rapport du débit du flux gazeux de prépulvé- risation au débit du flux gazeux de pulvérisation est compris entre 1 et 5; - les compositions gazeuses des flux de prépulvé- risation et de pulvérisation sont identiques; et - la vitesse du flux gazeux de pulvérisation in- troduit dans l'espace de travail est comprise entre 5 m/s et 120 m/s. L'invention a également pour objet un dispositif de pulvérisation d'un produit liquide, notamment d'un combustible liquide, dans un espace de travail extérieur audit dispositif, du type précité, caractérisé en ce que lesdits moyens de prévulvérisation comportent une sortie d'éjection du mélange prépulvérisé débouchant directement dans l'espace de travail, et en ce que les moyens de pulvérisation comprennent des moyens d'éjection d'un flux gazeux de pulvérisation dans le mélange prépulvérisé à l'intérieur de l'espace de travail, en sortie des moyens de prépulvérisation. Le dispositif peut présenter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens d'éjection du flux de pulvérisation débouchent radialement à l'extérieur de ladite sortie d'éjection; - la sortie des moyens d'éjection du flux de pulvérisation est répartie annulairement autour de ladite sortie d'éjection; - les moyens d'éjection du flux de pulvérisation comportent un tube d'alimentation en flux gazeux de pul- vérisation débouchant dans l'espace de travail et dans lequel sont reçus les moyens de prépulvérisation; - les sorties des moyens de prépulvérisation et des moyens d'éjection du flux de pulvérisation sont dis- posées sensiblement dans un même plan sensiblement per- pendiculaire à la direction d'écoulement du flux du mélange pulvérisé; les moyens de prépulvérisation comportent une buse d'éjection d'un flux gazeux de prépulvérisation et des moyens d'établissement dudit flux gazeux de prépulvé- risation; - les moyens d'alimentation en produit liquide comportent un tube débouchant, à l'intérieur duquel est disposée Iadite buse d'éjection du flux gazeux de prépul- vérisation, laquelle buse a son extrémité d'éjection disposée en retrait de l'extrémité du tube qui forme la sortie d'éjection des moyens de prépulvérisation; - le tube d'alimentation en produit liquide est de diamètre décroissant vers ladite sortie d'éjection, délimitant ainsi une chambre de confinement dans laquelle est réalisée la prépulvérisation; le diamètre de sortie de ladite buse est compris entre le quart et le quadruple du diamètre de sortie desdits moyens de prépulvérisation; ladite buse comporte une extrémité de sortie de diamètre réduit s'opposant au remplissage en retour de celle-ci, en cas d'interruption de l'alimentation en fluide de prépulvérisation; et - il comporte des moyens de réglage des débits des flux gazeux de prépulvérisation et de pulvérisation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant à la figure unique qui est une vue schématique partielle en coupe longitudinale d'un dispositif de pulvérisation selon l'invention. Le dispositif de pulvérisation de fuel représenté sur la figure unique est généralement de révolution d'axe X-X. Il est adapté pour produire en sortie un mélange pulvérisé ayant des gouttelettes d'un diamètre moyen d'environ 100 pm réparties suivant une gamme étendue de diamètres autour de cette valeur moyenne. Il est adapté pour être associé à des moyens d'alimentation complémen- taire en comburant, de l'oxygène par exemple. Ces moyens forment, par exemple, une veine annulaire autour du dis- positif de pulvérisation. Ils comportent alors un conduit de section circulaire ménagé directement dans une brique de four, typiquement de four de fusion de verre, à l'in- térieur duquel est disposé axialement le dispositif de pulvérisation. Ces moyens d'alimentation en comburant peuvent également être formés par une lance à oxygène disposée à côté du dispositif de pulvérisation. Le dispositif représenté comporte essentiellement un tube 10 d'alimentation en combustible liquide, ici du fuel, à l'intérieur duquel est disposée co-axialement une buse 12 d'éjection d'un flux gazeux de prépulvérisation, ainsi qu'un tube extérieur 14, disposé co- axialement autour du tube 10 et adapté pour l'éjection à son extré- mité ouverte d'un flux gazeux de pulvérisation. Les gaz de pulvérisation et prépulvérisation sont par exemple de l'air ou de la vapeur d'eau et peuvent provenir d'une même source s'ils sont identiques. Le tube 10 d'alimentation en combustible liquide est formé en laiton et a une épaisseur comprise entre 1 et 6 mm. Il présente vers son extrémité un tronçon de diamètre progressivement décroissant 16 suivant le sens d'écoulement du combustible liquide, depuis un tronçon principal 17 de diamètre nominal D1 jusqu'à un tronçon cylindrique d'extrémité 18 de diamètre réduit D2. Ce tronçon d'extrémité a un diamètre égal à 2 mm et une longueur notée L1 supérieure à 10 mm. L'extrémité amont du tube 10 est reliée à des moyens 19 d'alimentation en combustible liquide, une pompe par exemple, dont la pression de sortie est supé- rieure à 1,5 bar. L'extrémité libre 20 du tube 10 débouche directe- ment à l'intérieur d'un espace de travail 21 extérieur audit dispositif de pulvérisation et dans lequel s'éta- blit la flamme, l'espace interne du four dans l'exemple considéré. La buse 12 est en laiton et comporte un tronçon principal cylindrique 22 d'axe X-X et de grand diamètre D3, prolongé vers la sortie de la buse par un tronçon de diamètre progressivement décroissant 24 suivant le sens d'écoulement du gaz de prépulvérisation. Le tronçon 24 est lui-même prolongé par un tronçon cylindrique d'extré- mité 26 de diamètre D4 inférieur à D3 et de longueur L2 par exemple égale à 2 mm. La buse 12 est disposée à l'intérieur du tube 10 suivant l'axe X-X, et l'extrémité débouchante 28 de celle-ci est dirigée vers la sortie 20 du tube 10. Cette extrémité 28 est disposée en retrait de l'extrémité 20, et est séparée de celle-ci d'une distance notée L3. Une chambre de confinement 30 est ainsi délimitée à l'intérieur du tube 10 entre les sorties d'extrémité 28 et 20 respectivement de la buse 12 et du tube 10. Elle définit un espace de prépulvérisation du combustible liquide. La distance L3 est par exemple égale à 70 mm. Elle doit être suffisamment grande pour assurer une prépulvérisation efficace du combustible liquide par le flux gazeux issu de la buse 12, mais elle doit cependant rester inférieure à 200 mm pour éviter tout phénomène de coalescence des gouttes au sein du mélange. Le tronçon principal 22 est relié en amont à des moyens 31 d'établissement d'un flux gazeux de prépul- vérisation, un compresseur par exemple, qui comprennent des moyens de tout type connu de réglage du débit de ce flux gazeux. Le tube extérieur 14 d'acheminement du flux gazeux de pulvérisation est réalisé par exemple en acier inoxydable et est disposé axialement autour du tube 10. Il comporte un tronçon principal 32 cylindrique de diamè- tre D5 relié par un tronçon 33 de diamètre progressive- ment décroissant suivant le sens de l'écoulement du flux gazeux à un tronçon cylindrique d'extrémité 34 de diamè- tre D6 et de longueur L4. Le tronçon 34 entourant le tronçon 18 délimite avec celui-ci un conduit 38 annulaire de sortie pour le flux gazeux de pulvérisation. L'extré- mité 36 du tronçon d'extrémité débouche directement dans l'espace de travail et est disposée rigoureusement dans un même plan, s'étendant sensiblement perpendiculairement à la direction d'éjection du dispositif de pulvérisation, que l'extrémité de sortie 20 de la chambre de confinement 30. L'extrémité amont du tronçon principal 32 est reliée à des moyens 40 d'établissement du flux gazeux de pulvérisation, un compresseur par exemple, qui compren- nent des moyens de tout type connu de réglage du débit de ce flux gazeux. Les moyens de réglage du débit de gaz de pulvérisation peuvent être combinés avec ceux du gaz de pré-pulvérisation, en particulier lorsque ces deux gaz sont identiques et sont issus d'une même source. Par ailleurs, ces moyens de réglage du débit sont adaptés en fonction de la section du conduit 38 de sortie pour obtenir un flux gazeux de pulvérisation ayant une vitesse d'éjection comprise entre 5 m/s et 120 m/s environ. En fonctionnement, les moyens d'établissement des flux gazeux de prépulvérisation et de pulvérisation sont réglés de manière à ce que le rapport du débit du flux gazeux de prépulvérisation au débit du flux gazeux de pulvérisation soit dans une plage de 1 à 5 environ. Le combustible liquide circulant dans l'espace compris entre le tube 10 et la buse 12 est prépulvérisé à l'intérieur de la chambre 30, sous l'effet du flux gazeux de prépulvérisation éjecté en sortie de la buse 12. Afin d'obtenir une prépulvérisation satisfaisante, le diamètre D2 du tronçon 18 est dimensionné afin que la pression à l'intérieur de la chambre de confinement 30 soit supérieure de 1 à 5 bars à la pression régnant dans l'espace de travail 21. Sous l'effet de la pression régnant à l'intérieur de la chambre 30 et de la vitesse du flux gazeux de pré- pulvérisation, le mélange ainsi prépulvérisé est éjecté à la sortie a'extrémité 20 directement à l'intérieur de l'espace de travail 21 suivant un jet central 42 schéma- tisé en pointillés. Le flux gazeux de pulvérisation, éjecté en sortie 36 du tube extérieur 34 directement dans l'espace de tra- vail 21, forme un jet 44 sensiblement annulaire schémati- sé en traits pointillés. Il rencontre le mélange prépul- vérisé issu de la sortie 20 à l'extérieur du dispositif de pulvérisation dans l'espace de travail 21, et complète la pulvérisation de celui-ci. En particulier, le flux gazeux externe de pulvérisation assure un complément d'a- tomisation, qui déplace la répartition granulométrique du mélange prépulvérisé vers les diamètres de gouttelettes plus petits. Dans un tel dispositif de pulvérisation, le combustible liquide est pulvérisé une première fois à l'intérieur de la chambre de confinement 30 formant l'espace de prépulvérisation, et le mélange ainsi prépul- vérisé subit une pulvérisation externe ultérieure à l'intérieur de l'espace de travail 21 dans lequel s'éta- blit la flamme. Les moyens de réglage du débit des flux gazeux de prépulvérisation et de pulvérisation permettent de déter- miner les caractéristiques de la flamme obtenue en sortie du dispositif de pulvérisation. De plus, le flux gazeux de pulvérisation, éjecté en sortie 36 autour du mélange prépulvérisé, assure la protection de l'extrémité du tronçon 18 contre les atta- ques thermiques dues notamment aux transferts par radia- tions. Ainsi, tout risque de cokéfaction sur l'extrémité 38 est écarté, puisque le flux gazeux de pulvérisation assure un refroidissement permanent et forme en aval de cette extrémité une couche protectrice. En outre, la veine gazeuse 44 de pulvérisation, qui entoure le mélange prépulvérisé 42 en sortie du dispositif ce pulvérisation, protège le mélange prépulvé- risé à l'intérieur de la chambre 30 de tout contact avec l'oxygène introduit séparément dans le four. Les risques de mise à feu du mélange prépulvérisé dans la chambre 30 sont ainsi largement réduits. Par ailleurs, le diamètre réduit D4 de l'extré- mité 28 de la buse d'éjection du gaz de prépulvérisation crée une perte de charge permettant de s'opposer au remplissage en retour de la buse 12 par du combustible liquide en cas d'arrêt de l'alimentation du gaz de prépulvérisation. Afin d'assurer une bonne homogénéité spatiale du mélange prépulvérisé à la sortie 20 dans l'espace de travail, le tronçon 18 est choisi d'une longueur Ll suffisante et notamment supérieure à 10 mm. En variante, d'autres moyens peuvent être utili- sés en remplacement ou en complément du flux gazeux de prépulvérisation issu de la buse 12 pour mettre en oeuvre la prépulvérisation à l'intérieur de l'espace de prépul- vérisation délimité par la chambre 30. Par exemple, il peut être utilisé une coupelle rotative hâchant le combustible liquide, ou encore des moyens de compression du combustible liquide afin de lui conférer une grande énergie cinétique en entrant dans la chambre 30. Avec un dispositif de pulvérisation tel que décrit ici, il a été obtenu en sortie, pour un débit de fuel liquide injecté compris entre 1/20 et 1/10 du débit du flux gazeux de prépulvérisation, des gouttes dont les diamètres s'échelonnent de 10 pm à 1000 pm et dont envi- ron 50 % des gouttes ont un diamètre supérieur à 100 pm. Les essais du dispositif de pulvérisation ont permis de constater l'importance de la vitesse d'éjection du fluide de pulvérisation dans l'espace de travail. Cette vitesse est, en fonctionnement normal, comprise entre 5 m/s et 120 m/s. Plus cette vitesse est élevée, et plus les effets de protection résultant de la veine gazeuse externe 44 sont importants. Cependant, les vitesses élevées nuisent à l'accrochage de la flamme. Il est alors possible d'amé- liorer celui-ci en augmentant la surface offerte en section par le tronçon d'extrémité 34 en contact avec l'espace de travail, en augmentant l'épaisseur du tube par exemple ou en munissant celui-ci d'un rebord rentrant d'extrémité. Ceci permet de créer une recirculation de comburant et de gaz chauds devant l'extrémité du tronçon 34 et ainsi de favoriser l'accrochage de la flamme. On notera que les vitesses élevées d'éjection du flux gazeux de pulvérisation favorisent la protection du dispositif contre les entrées de flamme mais conduisent à une élévation de la température du tronçon 34 d'extré- mité, alors que les vitesses faibles limitent les effets de protection mais réduisent la température du tronçon 34. Le dispositif de pulvérisation décrit ici permet la pulvérisation de tout combustible liquide possédant une viscosité inférieure à 100 cSt. Par ailleurs, il est utilisable dans tout brû- leur, notamment un brûleur de four de fusion de verre, pour produire une flamme accrochée, longue et molle. Le comburant peut avoir une teneur en oxygène comprise entre % et 100%. Ce dispositif autorise une variation de la longueur de flamme et du volume de flamme dans un rapport de 1 à 4 en ajustant les différents débits. De plus, sa plage d'utilisation varie de 30 % à 150 % du débit nominal en combustible liquide. REVENDICATIONS 1.- Procédé de pulvérisation d'un produit liqui- de, notamment d'un combustible liquide dans un espace de travail (21), du type dans lequel on réalise une prépul- vérisation du produit liquide à l'intérieur d'un espace de prépulvérisation (30) différent de l'espace de travail (21) et on réalise une pulvérisation du mélange prépul- vérisé par mise en oeuvre d'un flux gazeux de pulvérisa- tion, caractérisé en ce qu'on éjecte directement le mélange prépulvérisé dudit espace de prépulvérisation (30) dans ledit espace de travail (21), ladite pulvérisa- tion étant effectuée dans cet espace de travail. 2.- Procédé de pulvérisation selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la prépulvérisation du liquide est obtenue par mise en oeuvre d'un flux gazeux de prépulvérisation. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la prépulvérisation du liquide est réalisée dans une chambre de confinement (30), munie d'une sortie (20) d'éjection du mélange prépulvérisé débouchant dans ledit espace de travail (21) et dans laquelle sont intro- duits centralement le flux gazeux de prépulvérisation et annulairement le produit liquide. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pulvérisation du mélange prépulvérisé est réalisée immédiatement en sortie (20) de ladite chambre de confinement (30). 5.- Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la pression régnant à l'intérieur de la chambre de confinement (30) est de 1 à 5 bars supérieure à la pression régnant dans l'espace de travail (21). 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 5, caractérisé en ce que le rapport du débit du flux gazeux de prépulvérisation au débit du flux gazeux de pulvérisation est compris entre 1 et 5. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 6, caractérisé en ce que les compositions gazeuses des flux de prépulvérisation et de pulvérisation sont identiques. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que la vitesse du flux gazeux de pulvérisation introduit dans l'espace de travail (21) est comprise entre 5 m/s et 120 m/s. 9.- Dispositif de pulvérisation d'un produit liquide, notamment d'un combustible liquide, dans un espace de travail (21) extérieur audit dispositif, comportant des moyens de prépulvérisation (10, 12, 20, 30) du produit liquide, des moyens d'alimentation (10, 19) des moyens de prépulvérisation en produit liquide à pulvériser et des moyens de pulvérisation du mélange prépulvérisé, caractérisé en ce que lesdits moyens de prépulvérisation (10, 12, 20, 30) comportent une sortie (20) d'éjection du mélange prépulvérisé débouchant directement dans l'espace de travail (21), et en ce que les moyens de pulvérisation comprennent des moyens (14, 36) d'éjection d'un flux gazeux de pulvérisation dans le mélange prépulvérisé à l'intérieur de l'espace de travail (21), en sortie des moyens de prépulvérisation (10, 12, , 30). 10.- Dispositif de pulvérisation selon la reven- dication 9, caractérisé en ce que les moyens d'éjection du flux de pulvérisation débouchent radialement à l'exté- rieur de ladite sortie d'éjection (20). 11.- Dispositif de pulvérisation selon la reven- dication 10, caractérisé en ce que la sortie des moyens d'éjection du flux de pulvérisation est répartie annulai- rement autour de ladite sortie d'éjection (20). 12.- Dispositif de pulvérisation selon la reven- dication 11, caractérisé en ce que les moyens d'éjection du flux de pulvérisation comportent un tube (14) d'ali- mentation en flux gazeux de pulvérisation débouchant dans l'espace de travail (21) et dans lequel sont reçus les moyens de prépulvérisation (10, 12, 20, 30). 13.- Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les sorties (20, 36) des moyens de prépulvérisation et des moyens d'éjection du flux de pulvérisation sont disposées sensiblement dans un même plan sensiblement perpendiculaire à la direction (X-X) d'écoulement du flux du mélange pulvérisé. 14.- Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que les moyens de prépulvérisation comportent une buse (12) d'éjection d'un flux gazeux de prépulvérisation et des moyens (31) d'établissement dudit flux gazeux de prépulvérisation. 15.- Dispositif de pulvérisation selon la reven- dication 14, caractérisé en ce que les moyens d'alimenta- tion en produit liquide comportent un tube (10) débou- chant, à l'intérieur duquel est disposée ladite buse (12) d'éjection du flux gazeux de prépulvérisation, laquelle buse (12) a son extrémité (28) d'éjection disposée en retrait de l'extrémité (20) du tube (10) qui forme la sortie (20) d'éjection des moyens de prépulvérisation. 16.- Dispositif de pulvérisation selon la reven- dication 15, caractérisé en ce que le tube (10) d'alimen- tation en produit liquide est de diamètre décroissant vers ladite sortie d'éjection (20), délimitant ainsi une chambre de confinement (30) dans laquelle est réalisée la prépulvérisation. 17.- Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que le diamètre de sortie (28) de ladite buse (12) est compris entre le quart et le quadruple du diamètre de sortie (20) desdits moyens de prépulvérisation. 18.- Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que ladite buse (12) comporte une extrémité (28) de sortie de diamètre réduit s'opposant au remplissage en retour de celle-ci, en cas d'interruption de l'alimenta- tion en fluide de prépulvérisation. 19.- Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 18, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage des débits des flux gazeux de prépulvérisation et de pulvérisation.