Brevet FR2788838A1 — publié le 20000728

Procédé de chauffage utilisant un brûleur à combustible liquide La présente invention est relative à un brûleur à combustible liquide et à un procédé de chauffage utilisant ce brûleur. Le secteur technique de l'invention est le domaine de la fabrication de brûleurs. La présente invention s'applique particulièrement aux fours utilisés dans l'industrie chimique et pétrochimique; dans de telles installations, le chauffage du four est obtenu par la combustion d'un combustible liquide lourd; le four est équipé d'un ou plusieurs brûleurs s'étendant au travers d'une paroi délimitant le four; le brûleur à combustible liquide comporte un premier conduit de transport de combustible liquide - dit principal muni d'au moins un premier orifice (ou buse) central (axial) de pulvérisation de gouttelettes du combustible liquide pour la formation d'au moins une première flamme, et peut comporter (comme décrit dans le brevet FR 2.122.820) des seconds orifices d'injection d'un combustible gazeux - dit secondaire - pour la formation d'au moins une deuxième flamme secondaire, et qui comporte au moins une paroi (déflectrice) s'étendant autour dudit premier conduit; le conduit (et/ou le brûleur) s'étend au travers d'un orifice percé dans une paroi (telle que la sole) du four. Le but poursuivi par l'invention est de limiter ou d'éviter la formation de dépôts sur la tête d'un brûleur fonctionnant avec des combustibles liquides lourds. La combustion de produits liquides lourds (fioul lourds, huiles, combustibles de haute viscosité,...) conduit à des dépôts sur les pièces constituant la tête du brûleur (côté foyer). Ces dépôts soumis au rayonnement de la flamme se pyrolisent et forment un résidu (le " coke ") qui peut boucher les passages de l'air de combustion et/ou qui peut perturber les jets de combustible, et donc provoquer un mauvais fonctionnement du brûleur nécessitant son arrêt pour nettoyage. L'origine des dépôts provient du combustible pulvérisé: une partie des gouttelettes échappent du (ou des) jet(s) principal(-aux) et se collent sur les parties métalliques, en particulier sur les parois déflectrices du nez du brûleur. Ceci se produit en particulier lorsque le brûleur est disposé verticalement, la flamme se développant de bas en haut: les gouttelettes ont alors tendance à retomber sur la tête du brûleur par gravité et les dépôts sont dans ce cas inévitables; cette disposition de brûleur de sole (à axe vertical) est celle couramment utilisée dans les fours de raffinerie et de pétrochimie. De plus, dans ce type d'installation industrielle à feu continu, les brûleurs ne doivent jamais être arrêtés pendant de longues périodes et leur nettoyage n'est pas possible pendant les périodes de production. Divers procédés sont employés pour minimiser ces dépôts - la suppression de pièces (ou parois) déflectrices horizontales du flux de comburant: cette solution conduit à un manque de stabilité de la flamme principale d'o un brûleur peu performant; de plus, les gouttes non brûlées peuvent tomber à l'intérieur du corps du brûleur et s'y accumuler avec un risque d'inflammation conduisant à la destruction de l'équipement; l'utilisation de moyens aérodynamiques tels que plaques perforées ou rosaces permettant de réduire la quantité de gouttelettes qui ne sont pas entraînées par le flux d'air comburant; la salissure est réduite, mais non supprimée. Le brevet FR 2.122.820 décrit un brûleur dans lequel la forme de la tête de combustion permet la formation d'un remous enflammé de forme torique circulant en partie à l'arrière du nez du brûleur; ce document décrit notamment (figure 5) un brûleur mixte à combustible liquide ou gazeux qui comporte: -un conduit central de distribution de combustible terminé par un gicleur, qui est disposé dans un tube coaxial au conduit et terminé par une buse; - un moyeu cylindrique portant des ailettes périphériques radiales formant une rosace coaxiale au tube et au conduit; - un conduit cylindrique de transport d'air dans lequel sont placés ces éléments, et qui comporte une double paroi pour le transport d'un gaz combustible injecté par des orifices placés en avant de la rosace, qui alimente le remous torique afin qu'il reste enflammé. L'air comburant, après traversée de la rosace, est animé d'une vitesse transversale; le moyeu formant écran provoque la formation d'un remous dans une zone de dépression, qui entraîne des particules de combustible incomplètement brûlées; la combustion de ces particules se poursuit dans le remous enflammé grâce à de l'air entraîné périphériquement ou injecté par des trous percés au travers du moyeu. Dans le cas d'un brûleur disposé verticalement de bas en haut, o10 même avec ce type de brûleur perfectionné, il est extrêmement difficile d'éviter les dépôts et la formation de coke il faudrait pour cela disposer d'air comburant pressurise a une pression suffisante pour créer l'effet aérodynamique conduisant au remous, d'o une dépense d'énergie, et il faudrait disposer d'air haute pression (nécessitant un ventilateur séparé augmentant le coût) pour alimenter la zone du remous et balayer suffisamment les surfaces exposées pour éviter les dépôts. Un objectif de l'invention est de proposer un procédé amélioré de chauffage par combustion d'un combustible liquide lourd et un brûleur permettant sa mise en oeuvre. Un objectif de l'invention est de proposer de tels procédés et dispositifs qui ne nécessitent pas l'utilisation d'air comburant pressurisé, et qui puissent donc fonctionner par " tirage naturel ". Selon un premier aspect l'invention consiste en un procédé de chauffage d'une enceinte telle qu'un four par combustion d'un combustible liquide lourd, dans lequel on dégrade thermiquement (on brûle) les particules (ou résidus) imbrûlés de combustible liquide par combustion d'un combustible gazeux. Selon un mode préféré de mise en application, l'invention propose, non pas d'éviter la salissure, mais de brûler de façon continue les dépôts cokéfiés (constitués principalement de carbone) grâce à la création d'une ou plusieurs petite(s) flamme(s) de gaz, de forme allongée et/ou aplatie, recouvrant sensiblement la totalité de la surface des parois (métalliques) du nez du brûleur, à la manière d'un réchaud à gaz chauffant une casserole. Ce procédé est parfaitement efficace dans tous les cas d'application: le dispositif de turbulence faisant partie de la tête du brûleur peut être l'un quelconque des dispositifs connus, à savoir - rondelles déflectrices à orifice central, - déflecteurs coniques, - boîtes à flammes. Ces dispositifs peuvent être ou non entourés d'ailettes de mise en rotation de l'air de combustion. Selon des caractéristiques préférées de réalisation du procédé: - on apporte l'air comburant par tirage naturel; - on forme plusieurs jets de combustible gazeux, de forme allongée et/ou aplatie, autour et à la base du (ou des) jet(s) de combustible liquide, et en regard de parois déflectrices pour l'air comburant; - on utilise de l'air comburant délivré par un seul conduit pour la combustion de deux combustibles; - on utilise la combustion du combustible gazeux injecté en continu pour éviter l'arrêt de la combustion du combustible liquide, en faisant office de pilote, et/ou pour stabiliser la flamme principale; - on maintient le rapport du débit calorifique d'alimentation en combustible gazeux au débit calorifique d'alimentation en combustible liquide dans une plage allant de 0,1 % à 10 %, de préférence dans une plage allant de 0,5 % à 5 %, en particulier dans une plage allant de 1 % à 3%. Selon un deuxième aspect, l'invention consiste à proposer un brûleur comportant un conduit de transport de combustible liquide - dit principal - muni d'au moins un premier orifice (buse ou nez) central (axial) de pulvérisation de gouttelettes du combustible liquide pour la formation d'au moins une première flamme (principale), qui comporte des seconds orifices d'injection d'un combustible gazeux - dit secondaire - pour la formation autour dudit premier orifice d'au moins une Ti -1 deuxième flamme secondaire, et qui comporte au moins une paroi (déflectrice) s'étendant autour dudit conduit; les seconds orifices sont conformés de manière à ce que la (les) flamme(s) secondaires soi(en)t de forme aplatie et sont disposés de manière à ce que la (les) flamme(s) secondaire(s) s'étende(nt) en regard de ladite paroi (déflectrice) de façon à limiter ou éviter l'accumulation sur cette paroi de résidus de combustion du combustible liquide. Selon des caractéristiques préférées du brûleur selon l'invention - les seconds orifices sont disposés selon une symétrie de io révolution autour de l'axe longitudinal du premier conduit, parallèlement à la face interne (côté flamme principale) de la paroi déflectrice, à faible distance de cette paroi ou affleurante à celle-ci - lesdits seconds orifices sont prévus dans la paroi périphérique d'un deuxième conduit entourant le premier conduit; - lesdits seconds orifices sont disposés dans une zone s'étendant entre (par référence au sens d'écoulement des produits combustibles et comburants) la paroi déflectrice et le(s) premier(s) orifice(s); - ledit brûleur selon l'invention comporte une pluralité (au moins six, en particulier de l'ordre de six à vingt) de seconds orifices régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal du premier conduit; les seconds orifices sont de forme circulaire ou bien en forme de fente; -le brûleur selon l'invention comporte * un premier conduit d'alimentation en combustible liquide terminé par au moins un premier orifice de sortie pour la production d'au moins un jet de combustible liquide, * un second conduit d'alimentation en combustible gazeux terminé par le(s)dit(s) second(s) orifice(s) de sortie pour la production d'au moins un jet de combustible gazeux, F un troisième conduit d'alimentation en air comburant à l'intérieur duquel s'étend ledit premier conduit, * un organe déflecteur de comburant disposé à l'intérieur du troisième conduit et autour du premier conduit, en amont du premier orifice, lesdits conduits s'étendant selon un axe vertical, le deuxième conduit s'étendant à l'intérieur du troisième conduit, le troisième conduit communiquant directement, c'est-à-dire sans organe actif de pressurisation avec l'atmosphère entourant l'appareil de traitement thermique, par l'intermédiaire d'un volet de réglage de débit d'air aspiré, qui est de préférence monté coulissant selon l'axe desdits conduits, le(s)dit(s) second(s) orifice(s) étant conformé(s) et/ou disposé(s) selon une symétrie de révolution autour de l'axe du jet de combustible liquide et/ou de l'axe longitudinal du premier conduit, le(s)dit(s) second(s) orifice(s) étant disposé(s) dans une zone située entre ledit organe déflecteur et ledit premier orifice. Les caractéristiques de l'invention, notamment la présence de petits trous multiples (ou fentes) favorise une répartition homogène du gaz éjecté (et par conséquent des flammes secondaires) sur (en regard de) toute la surface de la paroi déflectrice. Les avantages procures par l'invention seront compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés et qui illustre sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent, sauf indication contraire, les mêmes références d'une figure à l'autre. Les figures 1 et 3 à 5 illustrent en vue en coupe transversale schématique selon l'axe longitudinal commun des conduits de combustible et de comburant, quatre variantes de réalisation de brûleurs selon l'invention: le brûleur des figures 1 et 5 comporte un déflecteur tronconique (évasé) tandis que celui des figures 3 et 4 est plan; la figure 3 est une vue à échelle agrandie par rapport à celle des figures 1 et 3, du nez du brûleur; le déflecteur de la figure 4 est muni d'ailettes périphériques pour la formation d'un remous enflammé décrit dans le brevet FR 2.122.820; cette figure illustre également le système d'aspiration d'air par tirage naturel; le brûleur figure 5 comporte des conduits périphériques supplémentaires de transport de combustible gazeux pour la production de flammes principales complémentaires, comme décrit dans le brevet FR 94/04136. La figure 2 est une vue selon II de la figure 1. Dans les exemples de réalisation illustrés figures 1 à 5, le brûleur 8 comporte: une canne 3 centrale d'injection selon l'axe 9 du combustible liquide, qui est munie d'une buse 10 disposée à l'extrémité de la canne 3 o10 pour la formation d'un jet de combustible pulvérisé et de la flamme principale 5, - un conduit 2 de section annulaire entourant le conduit 3, destiné à l'alimentation en gaz d'appoint pour la formation de flammes plates 4 de protection recouvrant (c'est-à-dire s'étendant en vis-à-vis de) un dispositif de turbulence ou déflecteur 1. Les gouttelettes 6 de liquide échappant au jet principal, qui retombent par gravité sur le déflecteur 1 sont brûlées par les flammes 4 secondaires résultant de la combustion du gaz. Le gaz servant à la réalisation des flammes plates est injecté de façon sensiblement radiale (axe 16, figure 3) et centripète par l'intermédiaire de buses ou orifices 14 périphériques percés dans la paroi 15 du conduit 2, concentriques à la canne centrale de combustible liquide. Les axes 16 de ces buses 14 définissent un angle c d'ouverture de valeur adaptée à l'angle d'ouverture de la paroi du déflecteur 1 de façon à ce que les jets de gaz soient sensiblement parallèles à cette paroi. L'angle cc est généralement situé dans une plage allant de 90 à 180 , en particulier de l'ordre de 120 (dans le cas d'un déflecteur tronconique illustré figure 1) à 180 C (dans le cas d'un déflecteur plan illustré figure 2). Sous l'effet de la dépression provoquée par la paroi déflectrice, la (ou les) flamme(s) 4 de gaz se développe(nt) contre cette paroi du déflecteur et brûle(nt) les dépôts qui se produisent sur cette paroi. La flamme gaz est protégée du flux 7 d'air principal par le déflecteur lui- même et se trouve stabilisée par la dépression centrale qu'il crée, de la même façon que la flamme principale de combustible liquide. La flamme gaz est alimentée en air de combustion par des orifices ménagés dans le déflecteur qui peuvent être en particulier des fentes radiales d'axe 18 (figure 2) et/ou des trous 17 centraux (figure 1). En dehors de l'effet de brûlage des particules de combustible liquide, la flamme secondaire 4 de combustion du gaz peut jouer le rôle de flamme pilote pour la flamme principale 5 de combustion du combustible liquide, améliorant la stabilité en phase transitoire et la sécurité générale de l'installation. La consommation de gaz reste très faible par rapport à la puissance du brûleur; à titre d'exemple, pour un brûleur consommant 300 kilogrammes par heure de fioul de PCI égal à 39,5 MJ/kg on injecte kilogrammes par heure de gaz de PCI égal à 49,3 MJ/kg, soit un rapport entre le débit calorifique (débit massique multiplié par PCI) du fioul et celui du gaz qui est voisin de 2 %. Comme illustré figure 1 notamment, les conduits 2 et 3 s'étendent selon l'axe 9 au travers d'un orifice percé dans la paroi 13 délimitant un four 19, à l'intérieur d'un conduit 11 d'alimentation (selon les flèches 7) en air comburant, délimité par une paroi cylindrique 12 d'axe 9; les extrémités (buse et/ou orifice) de sortie des conduits 2 et 3 sont disposés sensiblement affleurants à la face interne 20 de la paroi 13. Les orifices 14 d'injection de gaz peuvent être disposés au voisinage de la partie centrale du moyeu déflecteur 1, comme illustré figures 1 et 4 notamment, ou bien être disposés à la périphérie de celui- ci. Par référence à la figure 4, le moyeu plan 1 perpendiculaire à l'axe 9 est muni à sa périphérie d'ailettes 21 servant à former un tourbillon 22 en aval du moyeu 1, à la base de la flamme principale 5, entre celle- ci et les flammes aplaties 4 produites par la combustion du gaz d'appoint contre la face interne 23 de la paroi 1. Ces ailettes servent également à modifier la forme de la flamme 5. Le conduit 11 de transport d'air aspiré de l'extérieur selon les flèches 24 par un effet de cheminée, est ---T muni d'une virole 25 cylindrique d'axe 9, montée coulissante selon cet axe pour régler la section de libre passage pour l'air comburant afin d'en régler le débit. Par référence à la figure 5, le brûleur mixte 8 comporte des conduits périphériques 29 de transport de gaz combustible pour la production de flammes principales périphériques 5a, 5b ces conduits 29 débouchent dans des tronçons 30 de conduits percés d'un orifice pour la recirculation 28 des fumées de combustion présentes dans l'enceinte 19.10 Le déflecteur tronconique 1 est fixé par des bras 26 à une bague 27 entourant le conduit annulaire 2. Le combustible gazeux utilisé peut être notamment choisi parmi les gaz de procédé, le gaz naturel, le butane, le propane, l'hydrogène, ou un mélange de ceux-ci. REVENDICATIONS 1. Brûleur (8) comportant un premier conduit (3) de transport de combustible liquide muni d'au moins un premier orifice (10) de pulvérisation de gouttelettes du combustible liquide, qui comporte des seconds orifices (14) d'injection d'un combustible gazeux et qui comporte au moins une paroi (1) déflectrice s'étendant autour du conduit (3), caractérisé en ce que les seconds orifices sont conformés de manière a ce que la (les) flamme(s) de combustible gazeux- dites secondaire(s) soi(en)t de forme aplatie, et en ce que les seconds orifices l0 sont disposés de manière à ce que la (les) flamme(s) secondaire(s) s'etende(nt) en regard de ladite paroi déflectrice de façon à limiter ou éviter l'accumulation sur cette paroi de résidus de combustion. 2. Brûleur selon la revendication 1, dans lequel les seconds orifices (14) sont disposés selon une symétrie de révolution autour de l'axe (9) du premier conduit, parallèlement à la face interne (23) de la paroi déflectrice, à faible distance ou affleurante à celle-ci. 3. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel les seconds orifices (14) sont disposés dans une zone s'étendant entre la paroi déflectrice (1) et le(s) premier(s) orifice(s). 4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les seconds orifices (14) sont prévus dans la paroi (15) périphérique d'un deuxième conduit (2) entourant le premier conduit (3). 5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui comporte au moins six seconds orifices régulièrement répartis autour de l'axe (9) longitudinal du premier conduit. 6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les seconds orifices sont de forme circulaire. 7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les seconds orifices sont en forme de fente. 8. Brûleur à tirage naturel pour un appareil de traitement thermique tel qu'un brûleur de sole d'un four d'une installation de production de produit chimique, qui est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, et qui comporte: - ledit premier conduit (3) d'alimentation en combustible liquide terminé par au moins un premier orifice (10) de sortie pour la production d'au moins un jet de combustible liquide, - un second conduit (2) d'alimentation en combustible gazeux terminé par le(s)dit(s) second(s) orifice(s) (14) de sortie pour la production d'au moins un jet de combustible gazeux, - un troisième conduit (11) d'alimentation en air comburant à l'intérieur duquel s'étend ledit premier conduit, - un organe déflecteur (1) de comburant disposé à l'intérieur du troisième conduit et autour du premier conduit, en amont du premier orifice, et dans lequel lesdits conduits (2, 3, 11) s'étendent selon un axe (9) vertical, - le deuxième conduit s'étend à l'intérieur du troisième conduit, - le troisième conduit communique directement, c'est-à-dire sans organe actif de pressurisation, avec l'atmosphère entourant l'appareil de traitement thermique, par l'intermédiaire d'un volet de réglage de débit d'air aspiré, qui est de préférence monté coulissant selon l'axe desdits conduits, - le(s)dit(s) second(s) orifice(s) est (sont) conformé(s) et/ou disposé(s) selon une symétrie de révolution autour de l'axe (9) du jet de combustible liquide et/ou de l'axe longitudinal du premier conduit, le(s)dit(s) second(s) orifice(s) est (sont) disposé(s) dans une zone située entre ledit organe déflecteur et ledit premier orifice. 9. Procédé de chauffage d'une enceinte par combustion d'un combustible liquide lourd, dans lequel on brûle les particules imbrûlées de combustible liquide par combustion d'un combustible gazeux. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel: - on forme plusieurs jets de combustible gazeux, de forme allongée et/ou aplatie, autour et à la base du (ou des) jet(s) de -- -- combustible liquide, et en regard de parois déflectrices pour l'air comburant, - on utilise la combustion du combustible gazeux injecté en continu pour éviter l'arrêt de la combustion du combustible liquide et assurer la stabilité de la flamme principale. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel on maintient le rapport du débit calorifique d'alimentation en combustible gazeux au débit calorifique d'alimentation en combustible liquide dans une plage allant de 0,1 % à 10 %, de préférence dans une plage allant de 0,5 % à 5io %, en particulier dans une plage allant de 1 % à 3 %. 12. Procédé selon la revendication 10, dans lequel on apporte l'air comburant par tirage naturel.