Brevet FR2786555A1 — publié le 20000602

La présente invention concerne les systèmes de combustion à combustible liquide et à comburant comportant d'environ 20% jusqu'à 100% en volume d'oxygène (air, air enrichi en oxygène, oxygène industriellement pur). Dans ce type de brûleur, la stabilité de la flamme est une condition sine qua non de fonctionnement. La présente invention permet de définir la géométrie des brûleurs de ce type pour assurer la stabilité de la flamme ainsi qu'un positionnement correct de la flamme engendrée par ledit brûleur. De nombreux procédés à haute-température (four à verre, four de réchauffage, four d'incinération, etc.) utilisent la combustion et en particulier la combustion à l'aide de combustibles liquides. Une des étapes clés dans la combustion de combustible liquide est la pulvérisation: le jet de liquide doit d'abord être transformé en gouttes qui vont se vaporiser puis brûler. Plusieurs moyens sont disponibles pour fabriquer ces gouttes. Un premier exemple est la pulvérisation mécanique dans l'air ambiant essentiellement constituée par l'impact du liquide sur un gaz au repos. Un autre exemple consiste à utiliser l'intervention d'un gaz de pulvérisation en mouvement, tel que l'air, l'oxygène, la vapeur, ou tout autre gaz disponible. Pour plus de détails sur les différentes catégories de pulvérisateur, on pourra se reporter à l'ouvrage de A. Lefebvre intitulé: "Atomization and Sprays", 1989, publié chez Taylor & Francis, p. 136 et suivantes. Le pulvérisateur est en général placé dans un ouvreau (typiquement en matériau réfractaire) dans lequel s'écoule un gaz comburant. Si rien ne s'oppose en théorie à ce que le pulvérisateur soit positionné en retrait du plan de sortie de l'ouvreau, personne n'a pu jusqu'à présent mettre en évidence une relation quelconque entre la stabilité de la flamme et le positionnement de cet injecteur dans ledit ouvreau. Par flamme stable, on entend selon la présente invention, une flamme dont la position moyenne de sa racine ne varie pas sensiblement dans le temps. Cette position sera typiquement repérée par rapport à l'injecteur. En combustion gazeuse, la stabilité de la flamme est gouvernée par les structures de recirculation formées à la frontière du jet gazeux (voir l'article de JE Broadwell, WJA Dahm et MG Mungal, "Blowout of turbulent diffusionflames" publié dans le 20th Symposium (International)on Combustion; par The Combustion Institute, pp 303-310, année 1984). La combustion qui a lieu au coeur de ces zones de recirculation va fournir l'énergie nécessaire à la stabilisation de la flamme. On a constaté que le problème de la stabilité est plus délicat dans le cas d'une flamme à combustible liquide que dans le cas d'une flamme à combustible gazeux. En effet la 2 2786555 vaporisation des gouttes va consommer de l'énergie. Cette énergie ne sera plus disponible pour entretenir la combustion et stabiliser la flamme. On a donc mis en évidence qu'il fallait tenir compte, pour ce type de flamme, d'un facteur supplémentaire pour la stabilité: les gouttes de petites tailles. En effet, celles-ci répondent à deux critères. D'abord elles ont la capacité de suivre l'écoulement gazeux. Il est alors possible de les piéger dans les zones de recirculation. Ensuite, elles s'évaporent rapidement et peuvent donc alimenter en combustible gazeux ces zones de recirculation et ainsi permettre l'accrochage de la flamme selon les mêmes mécanismes que pour les flammes gazeuses. Un moyen de s'assurer de la stabilité d'une flamme est de créer des zones de recirculation additionnelles (différentes des zones de recirculation "naturellement" créées le long du jet). En combustion gazeuse, il est connu de US 5645413 de créer une recirculation interne, tandis qu'il est connu de US 4536152 et US 5791893 d'ajouter au brûleur un accroche flamme. Les pulvérisateurs à combustible liquide munis d'un accroche flamme (ou stabilisateur) sont décrits par exemple dans US 4203719 ("disk-shapped baffle") et US 4836772, ("stabilizing ring"). Toutefois, l'utilisation de pièces accroche-flamme dans les flammes à l'air enrichi ou à l'oxygène pur est généralement impossible car la tenue en température de ce type de pièce dans ce type de flamme serait fortement compromise. Selon l'invention, on détermine le retrait nécessaire de l'extrémité de l'injecteur par rapport à l'extrémité avale de l'ouvreau dans le sens de l'écoulement des gaz, pour obtenir la stabilité et un positionnement viable de la flamme, en fonction de caractéristiques génériques du système combustible, comburant, pulvérisateur, ouvreau. D'une manière générale, on sait qu'il est possible d'analyser la stabilité d'une flamme diphasique (liquide et gaz) à l'aide de trois temps caractéristiques. Ces temps sont un temps chimique, un temps de vaporisation et un temps caractéristique du mélange. On peut trouver des définitions de ces termes dans l'article de D. Stepowski, A. Cessou et P. Goix ("Flame stabilization and OH fluorescence mapping of the combustion structures in the nearfield of a spray jet", Combustion and Flame, volume 99, page 516-522, année 1994). Dans le cadre dé la présente invention, deux paramètres sont définis, un paramètre de stabilité ("S") et un paramètre d'attachement ("A"'). Ces nombres correspondent respectivement au rapport entre un temps de vaporisation et un temps de mélange et au rapport entre un temps chimique et un temps de mélange. 3 2786555 Il existe deux grandes catégories de pulvérisateur à combustible liquide. Pour chacune de ces deux catégories, on définit une vitesse équivalente Véquivaent représentative de la vitesse moyenne du brouillard de goutte. Pour les pulvérisateurs dits assistés, il est possible d'associer une vitesse de pulvérisation, notée ci-après, Vpuivérisation. Cette vitesse est la vitesse de l'écoulement gazeux qui assure la pulvérisation. Typiquement, les pulvérisateurs internes ont des vitesses de pulvérisation faibles (mini 50 m/s) et les pulvérisateurs externes ont des vitesses de pulvérisation élevées (maxi 250 m/s). La vitesse équivalente est alors reliée à la vitesse de pulvérisation pour la relation: Véquivalent = 0.5 * Vpuvérisation Dans le cas des pulvérisateurs dits mécaniques, la vitesse équivalente du brouillard en fonction du diamètre "d" (défini Fig. 1) et du débit de liquide (noté m, en kg/s) est donné par la formule: Véquivaient = 2,4 m/(p7:d2) Un ordre de grandeur typique pour les pulvérisateurs mécaniques est une vitesse équivalente de50 m/s.. Il est possible d'introduire une composante tangentielle dans la vitesse d'injection du liquide ("swirl") ce qui tend à réduire la vitesse équivalente. Selon l'invention, le procédé de combustion à l'aide d'un combustible liquide et d'un comburant gazeux comportant de 20% à 100% vol. d'oxygène dans lequel le combustible est injecté à l'aide d'un injecteur (2) de hauteur interne d placé à l'intérieur d'un ouvreau (1) de hauteur interne D à son extrémité correspondant à l'éjection du mélange gazeux vers la zône de chauffage d'une charge est caractérisé en ce que l'on maintient le coefficient S défini par la relation: alVéquivalent -a2L a, = 2.5 10-" S =LIO avec a3d(2 - e-L/lD) avec a = 21- 3 -\ a, = 2.10-9 a3 = 0.00875y + 0.525 à une valeur inférieure ou égale à 1 pendant sensiblement toute la durée de la combustion, de manière à assurer la stabilité de la flamme, L étant défini comme la distance entre l'extrémité de l'injecteur de combustible liquide et l'extrémité avale dans le sens d'écoulement des fluides de l'ouvreau (1), Véquivaient étant définie comme la vitesse équivalente représentative de la vitesse moyenne du brouillard de gouttes de combustible liquide et étant égale à 2,4 m/(p7cd2), 4 2786555 yétant défini comme le pourcentage global (volumique) en oxygène des gaz à la sortie de l'ouvreau (1). De manière générale, une flamme stable peut être: 1. attachée au nez de l'injecteur, 2. détachée, mais stable dans l'ouvreau, 3. détachée à l'extérieur de l'ouvreau La flamme détachée (cas 2 et 3) va se stabiliser à une certaine distance de l'injecteur. Si cette distance augmente, les risques de souffler la flamme augmentent également, mettant en cause l'intégrité de l'installation. Le procédé selon l'invention, pour maintenir une flamme attachée au nez de l'injecteur ou détachée mais stable, sans risque que cette flamme soit soufflée est caractérisé en ce que le paramètre défini par la formule A r ÀVquivalent avecr = 4.5 6 d (2 - e - L110 D (4r _ 50)2 min(Di,, D) est inférieur àAm, avec Amax = 2. d d Afin d'obtenir pendant sensiblement toute la combustion une flamme attachée au nez de l'injecteur, on maintiendra le paramètre A à une valeur inférieur ou égale à 1. Dans le cas o la flamme est utilisée dans un environnement chaud, c'est à dire un four de température > 1100 C environ, on pourra utiliser un système de combustion avec un coefficient A compris entre 1 et Amax. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivant, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent: La figure 1, une coupe verticale d'un système (ouvreau/pulvérisateur). Les figures 2 à 7, différentes courbes définissant les zônes de stabilité du brûleur. Sur la figure 1, le pulvérisateur (2) est confiné dans l'ouvreau (1). La figure 1 représente aussi bien le cas d'une géométrie axysymétrique que le cas d'un ouvreau/pulvérisateur parallélepipédique. Quatre longueurs géométriques sont définies de manière intrinsèque: d, L, D et Dt. Le diamètre "d" est mesuré à la sortie du pulvérisateur. La longueur "L" est la distance qui sépare le plan d'injection du pulvérisateur (2) et le plan de sortie de l'ouvreau (1). Di,,t et D sont respectivement les distances caractéristiques en entrée et sortie d'ouvreau (diamètre, pour une géométrie axysymétrique). 2786555 Exemple 1 On réalise un dispositif de combustion comportant un injecteur de liquide combustible de diamètre d=2,7mm, dans un ouvreau sensiblement cônique d'ouvrant dans le sens d'écoulement des fluides et ayant un diamètre d'ouverture avale D égale à 86mm. Pour injecter le liquide combustible, on utilise un dispositif de type "pulvérisation interne" tel que défini ciavant. la vitesse de pulvérisation du fluide est de 50m/s ce qui donne une vitesse équivalent (telle que définie ci-avant) de 25m/s. La figure 2 représente deux courbes de variation du coefficient S en fonction du paramètre L/1OD, pour deux valeurs différentes du coefficient y (respectivement 20% et 100%). Lorsqu'on fait varier la position de l'injecteur dans l'ouvreau, de telle manière que le rapport L/10D varie entre 0 et 0,6, le coefficient S conserve une valeur inférieure à 0,35 (y=100%) et à 0,65 (y=20%) respectivement et l'on vérifie en pratique la stabilité correspondante de la flamme. Exemple 2: Toutes conditions par ailleurs étant égales à celles de l'exemple 1, on réalise un système de combustion avec une injection de liquide combustible pour pulvérisation externe avec une vitesse de pulvérisation de liquide égale à 250m/s, soit une vitesse équivalente (définie ci- avant) d'environ 125m/s. On trace les courbes S=f (L/1OD) (figure 3) pour y=20% et y=100% (comme précédemment) et l'on vérifie par l'expérience que la flamme n'est jamais stable par y20% et n'est stable qu'au delà d'une valeur L/l10Dd'environ 0,55 pour y=100%. Exemple 3: Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, à l'aide d'un dispositif de pulvérisation mécanique et une vitesse équivalente de 50m/s, on obtient les résultats représentés sur la figure 4. Si pour y=100%, on ne remarque pas de problème de stabilité, par contre la flamme commence à devenir instable dès que L/10D est inférieur à 0,2. Exemple 4: Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, on a fait varier le pourcentage en oxygène y entre 20% et 100%vol. On constate (figure 5) que pour L/lOD=0, la flamme reste attachée pour une valeur de y comprise entre 100% et environ 88% et pour une valeur de L/10D=l, jusqu'à une valeur 6 2786555 d'environ 65% de y. La flamme est détachée mais dans les limites acceptables de stabilité dans les deux cas. On constate cependant que le système de combustion avec L/1 OD=0 n'est pas acceptable s'il fonctionne avec de l'air. Le dispositif décrit dans le présent exemple est particulièrement bien adapté à l'utilisation d'oxygène provenant d'un appareil à adsorption du type VSA (Vacuum Swing Adsorption) dont la pureté peut varier entre environ 88% d'oxygène jusqu'à 98% 02, le complément étant essentiellement de l'argon, avec un peu d'azote résiduel. Exemple 5 Cet exemple est réalisé dans les mêmes conditions que l'exemple 2. Dans cet exemple, on constate (figure 6) que la flamme n'est jamais attachée mais qu'elle reste dans une zone acceptable avec de l'air enrichi en oxygène (plus de 30% environ). Exemple 6: Les conditions de réalisation de cet exemple sont similaires à celles de l'exemple 3 et les résultats sont représentés sur la figure 7. D'autres variantes appartiennent clairement à l'homme de métier. Ainsi, de préférence on évitera de positionner l'injecteur de liquide combustible trop en retrait par rapport à l'extrémité avale de l'ouvreau, de manière à éviter que le jet de fines goutellettes de combustible liquide viennent au contact direct de parois internes de l'ouvreau. De par la théorie des jets, on sait que l'angle du jet va être de l'ordre de 12 ce qui permet par simple calcul de préférer ainsi un rapport L/1OD 7 2786555 REVENDICATIONS 1. Système de combustion à l'aide d'un combustible liquide et d'un comburant gazeux comportant de 20% à 100% vol. d'oxygène dans lequel le combustible est injecté à l'aide d'un injecteur (2) de hauteur interne d placé à l'intérieur d'un ouvreau (1) de hauteur interne D à son extrémité correspondant à l'éjection du mélange gazeux vers la zône de chauffage d'une charge, caractérisé en ce que l'on maintient le coefficient S défini par la relation: alVéquivalent - a2L al = 2.5 10-" a3d(2 - e-l) avec = 2 10- a3 = 0.00875y + 0.525 à une valeur inférieure ou égale à 1 pendant sensiblement toute la durée de la combustion, de manière à assurer la stabilité de la flamme, L étant défini comme la distance entre l'extrémité de l'injecteur de combustible liquide et l'extrémité avale dans le sens d'écoulement des fluides de l'ouvreau (1), Véquiv,, alent étant définie comme la vitesse équivalente représentative de la vitesse moyenne du brouillard de gouttes de combustible liquide, et étant égale à 2,4 m/(pnd2), étant défini comme le pourcentage global (volumique) en oxygène des gaz à la sortie de l'ouvreau (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre défini par la formule: A- T* Véquivalent 4.56 d (2 - e-L/L oD) (4v - 502 est inférieur à Amx avec Am. = 2. min(D,, D) d 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour maintenir une flamme sensiblement attachée au nez de l'injecteur, on maintient A 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que 1 que la température du four est maintenue à une température > 100 C.