Brevet FR2804748A1 — publié le 20010810

I PERFECTIONNEMENT AUX BRULEURS A GAZ POUR LE CHAUFFAGE D'UN GAZ CIRCULANT DANS UN CONDUIT La présente invention a pour objet un S perfectionnement aux brûleurs à gaz pour le chauffage d'un gaz circulant dans un conduit. Le secteur technique est la réalisation de brûleurs dits " en veine " car placés directement à l'intérieur du conduit de circulation du gaz, lesquels brûleurs étant disposés en rampes composées en général de blocs élémentaires et disposées transversalement par rapport à la direction de circulation du gaz. Dans la présente description on désignera par brûleurs indifféremment l'ensemble d'une rampe composée de plusieurs blocs élémentaires ou un bloc élémentaire en lui-même. Les applications principales de l'invention sont le réchauffage des gaz de turbines dans les installations de co-génération. Ce brûleur dit de post combustion permet d'améliorer le rendement global de l'installation, de moduler la production de vapeur en fonction des besoins et accessoirement de maintenir cette production en cas d'arrêt de la turbine à gaz. Dans ce cas, un ventilateur aspirant de l'air ambiant fournit le comburant nécessaire aux brûleurs en lieu et place des gaz d'échappement de la turbine. De tels brûleurs doivent pouvoir fonctionner avec une flamme stable dans des conditions très différentes soit avec du gaz de turbine à la température de 300 à 600 C et composé de 11 à 15% d'oxygène, soit avec de l'air ambiant. Un exemple de ce type de brûleur est décrit dans le brevet européen 313 469 publié le 23 Avril 1989 au nom de la société MECANIQUE GENERALE FOYERS TURBINE. La réglementation française concernant les émissions de ce type d'installation a été récemment complétée par l'arrêté du Ministère de l'Aménagement du Territoire et de l'Environnement français du 11 Août 1999 qui limite les émissions d'oxydes d'azote et d'oxydes de carbone en particulier pour les chaudières J utilisées en post combustion à des valeurs données qui sont un maximum de production de 200 mg/Nm3 pour le NOx et 250 mg/Nm3 pour les oxydes de carbone CO. Les brûleurs tels que décrits dans le brevet européen cité ci-dessus permettent de respecter cet arrêté lors du fonctionnement avec du gaz de turbine; cependant, et bien que certains dispositifs soient décrits dans ce brevet pour réduire les émissions d'oxydes d'azote, ils ne permettent pas dans la plupart des cas d'obtenir les valeurs réglementaires lors du fonctionnement de la post combustion seulement en air ambiant. Le problème posé est donc de pouvoir réaliser et de faire fonctionner un brûleur dit " en veine " en respectant les valeurs réglementaires ci- dessus tout en préservant une bonne stabilité de flamme. Un solution au problème posé est un brûleur de type connu destiné à être placé dans un conduit pour chauffer un gaz circulant dans ce conduit et comportant un tube apte à être disposé transversalement par rapport à la direction de circulation dudit gaz, alimenté en gaz combustible et percé d'au moins deux trous alignés sur une même génératrice, éventuellement munis d'injecteurs, et permettant d'émettre des jets de gaz combustible dirigés vers l'aval; un stabilisateur de flamme formé par deux ailes divergentes formant déflecteur de part et d'autre de ladite génératrice, est fixé sur ledit tube et sert à dévier le courant de gaz comburant pour créer en aval de la rampe de brûleurs une zone protégée o la flamme peut se développer. Selon l'invention au moins un desdits trous est prolongé par une tubulure s'étendant au-delà des bords extérieurs des ailes et percée d'au moins un orifice d'éjection du gaz combustible à son extrémité distale. Une telle tubulure injecte ainsi une partie du gaz combustible à par exemple au moins 200 mm en aval des autres orifices ne portant pas de tubulure, permettant l'étagement de l'injection de ce gaz et des flammes de combustion obtenues, et donc la réduction du pourcentage d'oxydes d'azote NOx produit: en effet, la flamme principale ainsi obtenue par cette injection étagée, et qui est donc plus éloignée du stabilisateur déflecteur, est plus aérée; la combustion se produit à plus fort excès d'air donc à température plus basse, ce qui produit une forte réduction de la formation des oxydes d'azote d'origine essentiellement thermique, et plus l'étagement est important, plus les oxydes d'azote sont réduits. Une telle méthode de réduction d'oxydes d'azote NOx par étalement du gaz est certes déjà enseignée dans la demande de brevet précitée EP 313 469 mais les tubulures n'y sont mentionnées qu'en option et sont situées à l'extérieur des blocs constituant le brûleur, l'extrémité de ces tubes étant située approximativement dans le même plan que le bord avant des ailes du stabilisateur et à l'extérieur de celui-ci. L'inconvénient majeur de cette disposition est une formation importante d'oxyde de carbone CO bien supérieure à la limite admise par l'arrêté rappelé ci- dessus. Cette formation est due à la trop grande distance entre la flamme qui se développe à l'abri des ailes du stabilisateur et de l'injection de gaz secondaires dont une partie fortement diluée par l'air ne brûle pas ou de façon incomplète. La présente invention permet entre autres de remédier à ce défaut: le principe de réduction des NOx est toujours l'étalement du gaz mais cet étagement est réalisé de façon axiale au lieu de radiale. Pour éviter la formation de CO il suffit de conserver par les orifices classiques sans tubulure un débit suffisant (moins de 30% du débit global de gaz combustible) pour créer une flamme pilote assurant l'allumage et la stabilité de la flamme principale provenant de l'injection étagée. Dans un mode préférentiel de réalisation pour améliorer l'aération de la flamme principale étagée, l'extrémité distale de la tubulure comporte au moins quatre orifices d'éjection différents et le gaz peut alors être éjecté par ces divers trous d'angles différents au lieu d'un seul trou dans l'axe du tube. Dans l'exemple de réalisation représenté et décrit dans les figures jointes, et qui donne de bons résultats, les axes d'éjection des orifices sont inclinés deux par deux d'un angle P d'environ 40 de part et d'autre du plan défini par la génératrice d'alignement des trous et l'axe du tube est d'environ 20 de part et d'autre du plan perpendiculaire au précédent et passant par le trou prolongé par ladite tubulure. De plus, afin de pouvoir augmenter encore cet effet d'étagement en réduisant le débit primaire, il est possible de conserver la stabilité de la flamme pilote avec seulement 10% du gaz dans les orifices primaires ne comportant donc pas de tubulure: on rajoute selon l'invention au moins un obstacle disposé en face d'au. moins un jet de gaz éjecté par un de ces trous non prolongés par une tubulure, ce qui favorise leur éclatement et élargit la flamme primaire dite également pilote pour y conférer une meilleure efficacité. Différentes formes peuvent être données à cet obstacle telles que préférentiellement cylindrique mais d'autres formes peuvent être utilisées avec un effet similaire. Les autres caractéristiques des brûleurs ou rampes décrites dans le brevet précité EP 313 469 peuvent être également combinées avec celles décrites ci-dessus et ci-dessous de la présente invention pour obtenir un brûleur assurant également un taux d'aération pratiquement constant du mélange air combustible en dépit des variations du débit de combustible et/ou de la vitesse du gaz à réchauffer. De telles caractéristiques additionnelles sont décrites ci- après et représentées sur certaines figures. Le résultat est de nouveaux brûleurs à gaz pour le chauffage d'un gaz circulant dans un conduit et qui comportent des perfectionnements aux brûleurs connus actuels car répondant au problème posé, qui est de respecter les valeurs réglementaires d'émission d'oxydes d'azote NOx et d'oxydes de carbone CO tout en assurant une bonne stabilité de flamme et un taux d'aération pratiquement constant du mélange air combustible quelles que soient les variations du débit de combustible et/ou de la vitesse du gaz à réchauffer. De tels résultats montrent la nouveauté et l'intérêt de la présente invention sans qu'il soit nécessaire d'en citer d'autres avantages. La description et les dessins ci-joints représentent des exemples de réalisation de l'invention n'ayant aucun caractère limitatif: d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de cette invention, en particulier en changeant la forme du tube d'alimentation du combustible ainsi que celle du déflecteur stabilisateur ainsi, le nombre d'orifices ou trous d'injection du combustible qui peuvent être par exemple compris entre 2 et 10. - la figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un brûleur selon l'invention perpendiculairement à l'axe de son tube d'alimentation en gaz combustible; - la figure 2 est une vue en coupe suivant II- II' de la figure 3 d'un autre exemple de réalisation d'un brûleur suivant l'invention; - la figure 3 est une vue frontale, face à l'écoulement du gaz à chauffer, du brûleur représenté sur la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe suivant IV- IV' de la figure 3 d'un exemple de réalisation d'un brûleur suivant l'invention. Celle-ci concerne un type de brûleur destiné à être placé dans un conduit pour chauffer un gaz circulant dans ce conduit et qui comporte un tube 1 d'axe XX' apte à être disposé transversalement par rapport à la direction A de circulation desdits gaz; ledit tube peut être de section circulaire de diamètre D, tel que représenté sur la figure 2 mais également de section quelconque telle que par exemple celle de la figure 1, et peut porter différents blocs brûleurs disposés côte à côte pour constituer une rampe. Ce tube 1 est alimenté en gaz combustible 10 et est percé d'au moins deux trous 3 par bloc brûleur, alignés sur une même génératrice 18 parallèle donc à l'axe XX' du tube; un stabilisateur de flamme 2 formé par deux ailes 12 divergentes formant déflecteurs de part et d'autre de ladite génératrice 18 est fixé sur ledit tube 1. Selon les modes de représentation des figures 2 à 4, ledit stabilisateur déflecteur 2 peut comporter des parois 131, 132 formant nervures de renforcement aux extrémités des ailes 12 de chaque bloc brûleur, ainsi que des nervures 141, 142 intermédiaires quand le bloc brûleur comporte plusieurs trous 3 et nécessite donc un renforcement intermédiaire des ailes 2. Selon l'invention, au moins un desdits trous 3 est prolongé par une tubulure 11 s'étendant au-delà des bords extérieurs 17 des ailes 12 et percé d'au moins un orifice 9 d'éjection du gaz 10 combustible à son extrémité distale. Ainsi, comme représenté sur la figure 1, au moins un orifice dit classique 3 ne comportant pas de tubulure permet d'obtenir une flamme dite pilote 19 assurant l'allumage et la stabilité d'au moins une flamme principale 20 provenant de l'injection étagée. Comme l'on peut conserver la stabilité de la flamme secondaire 19 avec seulement 10% du gaz combustible dans les orifices primaires 3, en particulier lorsque le brûleur suivant l'invention comporte au moins un obstacle 15 disposé en face d'un desdits trous 3 non prolongé par la tubulure 11 afin de favoriser l'éclatement des jets d'éjection de gaz combustible et élargir ainsi la flamme primaire pour lui conférer une meilleure efficacité, le système de pré- mélange par système Venturi utilisant une tuyère convergente divergente 8 telle que représentée sur la figure 2 et décrite dans la demande de brevet EP 313 469 n'est pas indispensable au bon fonctionnement du brûleur: la présente invention s'applique ainsi à tous types de brûleurs " en veine " comportant un stabilisateur déflecteur, mais incluant ou non un tel dispositif Venturi. De préférence l'extrémité distale de la tubulure 11 comporte au moins quatre orifices 9 d'éjection divergents dont les axes d'éjection sont inclinés deux à deux d'un axe P d'environ 40 de part et d'autre du plan défini par la génératrice 18 d'alignement des trous 3 et l'axe XX' du tube 1, est de ca=20 de part et d'autre du plan perpendiculaire au précédent et passant par le trou 3 prolongé par ladite tubulure 11. Tel que représenté sur les figures 2 à 4, ledit obstacle 15 peut être porté, par un collier ou couronne de fixation 16, sur la tubulure 11 pour ce qui concerne les trous ou orifices 3 d'éjection placés de part et d'autre de celle-ci. Ledit obstacle 15 est par exemple cylindrique et son axe est perpendiculaire à celui du trou 3 en face duquel il est disposé. Dans un type de bloc brûleur donné, celui-ci peut comporter au moins trois trous 3 dont l'un d'entre eux 3' est associé à la tubulure 11, l'obstacle 15 à un autre trou 3' adjacent à celui associé à la tubulure 11 et le dernier trou étant libre. Un bloc brûleur peut avoir un nombre de trous en fait quelconque, compris par exemple entre deux et dix et la tubulure 11 peut être disposée de façon régulière par exemple dans un trou sur deux, un trou sur trois ou un trou sur quatre, etc... Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, à titre d'exemple, le bloc brûleur suivant l'invention comprend cinq trous 3 dans lequel la tubulure 11 est associée au trou central, les deux trous adjacents à celui-ci étant associés à un obstacle 15 et les deux trous d'extrémité étant libres. De tels brûleurs suivant l'invention peuvent également comporter des éléments caractéristiques des brûleurs, tels que décrits dans le brevet EP 313 469, et tels qu'en particulier, devant au moins un trou 32 non prolongé par une tubulure 11 et coaxialement à celui-ci, une tuyère convergente divergente 8 apte à ce que le jet de gaz éjecté par ledit trou 32 crée une dépression à l'entrée de la tuyère 8, telle que représentée sur la figure 4. Ladite entrée communique avec la face extérieure ou extra-dos d'au moins une des ailes 12 du stabilisateur 2 par au moins une ouverture 7. L'espace entre les tuyères 8 et le tube 1 est fermé par deux éléments de paroi 4 fixés sur le tube et disposés quasi parallèles au plan défini par la génératrice 18 d'alignement des trous 3 et l'axe XX' du tube 1 et par une paroi frontale 5 raccordée auxdits éléments de paroi 4 et portant les tuyères; les ouvertures 7 sont percées dans lesdits éléments de paroi 4. A titre d'exemples de réalisation on peut donner quelques indications de dimensions d'un bloc brûleur suivant l'invention dans lequel la longueur Ll, de la tubulure 11 au-delà de l'orifice 3 auquel elle est associée est de l'ordre de 200 mm avec une longueur L au-delà de la sortie des tuyères 8, de 140 à 150 mm environ pour un diamètre dl, de 15 à 20 mm. L'obstacle 15 peut être un tube cylindrique de diamètre d15 de 10 mm environ et disposé à une distance a de l'ordre de 25 mm de la sortie des tuyères 8; la longueur L15 de tels obstacles fixés sur la tubulure 11 peut être de l'ordre de 85 à 90 mm suivant la distance séparant deux trous ou orifices 3 adjacents; le diamètre D1 du tube d'alimentation en combustible est de l'ordre de 85 à 90 mm. REVENDICATIONS 1. Brûleur destiné à être placé dans un conduit pour chauffer un gaz circulant dans ce conduit, et comportant un tube (1) d'axe XX' apte à être disposé transversalement par rapport à la direction A de circulation dudit gaz, alimenté en gaz combustible (10) et perçé d'au moins deux trous (3) alignés sur une même génératrice (18), et un stabilisateur de flamme (2) formé par deux ailes (12) divergentes formant déflecteur de part et d'autre de ladite génératrice (18), caractérisé en ce qu'au moins un desdits trous (3) est prolongé par une tubulure (11) s'étendant au- delà des bords extérieurs (17) des ailes (12) et perçée d'au moins un orifice (9) d'éjection du gaz (10) combustible à son extrémité distale. 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité distale de la tubulure (11) comporte au moins quatre orifices (9) d'éjection divergents. 3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les axes d'éjection des orifices (9) sont inclinés d'un angle P d'environ 40 de part et d'autre du plan défini par la génératrice (18) d'alignement des trous (3) et l'axe XX' du tube (1), et de a = 20 de part et d'autre du plan perpendiculaire au précédent et passant par le trou (3) prolongé par ladite tubulure (11). 4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un obstacle (15) disposé en face d'un des trous (3) non prolongé par la tubulure (11). l 5. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit obstacle (15) est porté par la tubulure (11). 6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit obstacle (15) est cylindrique et son axe est perpendiculaire à celui du trou (3) en face duquel il est disposé. 7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 et comprenant au moins trois trous (3) caractérisé en ce que la tubulure (11) est associé à un des trous (31) et l'obstacle (15) à un trou (32) adjacent à celui associé à la tubulure (11), le dernier trou étant libre. 8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, et comprenant cinq trous (3) caractérisé en ce que la tubulure (11) est associée au trou central, les deux trous adjacents à celui-ci étant associés à un obstacle (15) et les deux trous d'extrémité étant libres. 9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte, devant au moins un trou (32) non prolongé par une tubulure (11) et coaxialement à celui-ci, une tuyère convergente-divergente (8) apte à ce que le jet de gaz éjecté par ledit trou (32) crée une dépression à l'entrée de la tuyère (8), ladite entrée communiquant avec la face extérieure d'au moins une des ailes (12) du stabilisateur (2) par au moins une ouverture (7). 12 2804748 10. Brûleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'espace entre les tuyères (8) et le tube (1) est fermé par deux éléments de paroi (4), fixés sur le tube et disposés quasi parallèles au plan défini par la génératrice (18) d'alignement des trous (3) et l'axe XX' du tube (1), et par une paroi frontale (5) raccordée auxdits éléments de paroi (4) et portant les tuyères (8), et en ce que les ouvertures (7) sont percées dans lesdits éléments de paroi (4).