Brevet FR2910955A1 — publié le 20080704

VEILLEUSE DE BRULEUR ET SON UTILISATION La présente invention concerne une veilleuse et son procédé d'utilisation, quand elle est associée à un brûleur installé sur tout type de four ou chaudière, notamment dans le domaine du raffinage du pétrole ou de la pétrochimie. Dans une raffinerie de pétrole, plusieurs types de fours sont utilisés pour apporter les températures requises à des charges hydrocarbonées, en amont des étapes des procédés de raffinage. Ces fours, qui peuvent adopter une forme cylindrique ou parallélépipédique, sont généralement équipés de plusieurs brûleurs dont le nombre peut varier de un à plusieurs dizaines pour un même four, avec des puissances calorifiques par brûleur comprises entre 500 à plus de 5000 thermies par heure. Habituellement les brûleurs sont alimentés totalement au gaz ou au fioul, ou encore par un mélange gaz et fioul. Les brûleurs, généralement à flamme ouverte, peuvent être disposés sur une sole ou sur les parois du four, à un seul ou plusieurs niveaux. La charge hydrocarbonée à chauffer circule dans un faisceau de tubes qui s'étend le long de la paroi interne du four, dans la zone de radiation, puis dans la zone de convection située au niveau supérieur du four. Le four constitue un élément essentiel et indispensable dans tout processus industriel, tel le raffinage du pétrole ou l'industrie pétrochimique, et une baisse de puissance par extinction d'un ou plusieurs brûleur(s), ou un arrêt total du four, provoque irrémédiablement une perte de rendement des procédés de traitements situés en aval, entraînant une dégradation de la qualité des produits fabriqués, voire un arrêt total de la production. Il y a donc un intérêt primordial pour l'exploitant à ce que les fours ou chaudières installé(e)s dans différents processus de fabrication, fonctionnent constamment à leur meilleur rendement pour une exploitation optimale. A côté de cet élément clé que représentent la stabilité et le bon fonctionnement d'un four dans un procédé de raffinage du pétrole, l'aspect sécurité pour les personnes et les matériels est également impératif. En effet, une accumulation confinée de quantités importantes de gaz combustibles non brûlées par des brûleurs accidentellement éteints, présente d'importants risques d'explosion lors d'une remise en marche (flamme d'un allumeur, points chauds, ou étincelle électrique) non contrôlée, pouvant provoquer la destruction du four et mettant en danger les personnels d'exploitation. Pour éviter les problèmes ci-dessus énoncés et principalement ceux inhérents à l'aspect sécurité, les exploitants et constructeurs de brûleurs ont associés à chacun des brûleurs, un dispositif dénommé habituellement veilleuse de brûleur, ou pilote de brûleur ou pilot burner en anglais, afin d'assurer la présence au plus près du brûleur d'une flamme permanente et stable qui représente un élément de sécurité, afin d'éviter toute accumulation de combustible non brûlé dans l'enceinte confinée qu'est un four. C'est ainsi que des constructeurs ont proposé des veilleuses associées à un type de brûleur, alimentées par un circuit distinct de combustible, de préférence du gaz, avec un apport d'air situé à l'extérieur du four, les veilleuses étant généralement disposées au plus près des brûleurs. Pour que l'ajout d'une veilleuse à un brûleur apporte un élément de sécurité quant à des éventuelles extinctions non désirées dudit brûleur, il est indispensable que la flamme de la veilleuse soit permanente, quelque soit les évènements, par exemple thermodynamiques, extérieurs. Malheureusement, il s'avère que plusieurs situations en milieu industriel, dont certaines sont indiquées ci-dessous, peuvent favoriser l'extinction non contrôlée de la flamme d'une veilleuse d'un brûleur de four ou de chaudière. Le diamètre de l'orifice calibré du gicleur de gaz combustible, généralement inférieur à 1 mm, combiné à un gaz d'alimentation de qualité industrielle, c'est-à-dire pouvant véhiculer des particules solides de très faibles dimensions, sont deux facteurs pouvant entraîner un bouchage du gicleur et donc l'extinction de la veilleuse. La flamme de la veilleuse étant soumise aux conditions d'exploitation du brûleur, donc du four, celle-ci peut être soufflée, c'est-à-dire détachée (ou décrochée) du dispositif porte flamme de la veilleuse (aussi appelé dans la profession nez de la veilleuse ), par un apport d'air ou plus précisément par une vitesse de déplacement de cet air trop importante. Cet apport d'air se produit généralement, pour un four fonctionnant avec un tirage d'air naturel, en cas de déréglage du registre des fumées, provoquant ainsi un changement brutal dans le gradient des dépressions de gaz à l'intérieur du four. Une autre source d'apport d'air non contrôlé pouvant provoquer le soufflage de la flamme de la veilleuse, peut provenir des ventilateurs de brûleurs fonctionnant à air pulsé. La composition moléculaire du gaz combustible du réseau industriel local peut être aléatoire, avec par exemple des teneurs en hydrogène pouvant varier dans des proportions importantes (20 à 100 % en volume) entraînant ainsi des changements de vitesse de propagation de la flamme, avec un risque majeur de décrochage et donc d'extinction de ladite flamme de la veilleuse. Des solutions existent aujourd'hui dans l'art pour palier à ces types de risques d'extinction, par exemple le changement du nez de la veilleuse en fonction de la composition du gaz combustible, mais leur efficacité n'est pas totale et, de plus, comme ci-dessus indiqué, non universelle. La Demanderesse a donc remédié aux inconvénients cités plus avant par des améliorations de la géométrie générale des veilleuses en vue de disposer d'un élément de sécurité fiable et constant, associé à chaque brûleur de four ou de chaudière. Les recherches de la Demanderesse ont eu ainsi pour principal objet une modification de la chambre de pré-mélange air/gaz de la veilleuse, ainsi qu'un nouveau profil pour le nez de ladite veilleuse. La présente invention a par conséquent pour objet une veilleuse pour brûleur de four industriel comportant à l'une de ses extrémités une chambre annulaire de pré-mélange d'au moins un combustible et d'air, et à l'autre extrémité un dispositif porte-flamme, les deux extrémités étant reliées par une partie centrale creuse, caractérisée en ce que - le profil interne de la chambre annulaire de pré-mélange, située de préférence à l'extérieur de la zone de combustion du four, est du type convergent en direction de la partie centrale creuse pour permettre l'aspiration requise à au moins une partie de l'air nécessaire à la combustion de la flamme de la veilleuse, - le dispositif porte-flamme, situé à l'intérieur de la zone de combustion du four près d'un brûleur, comporte un moyen d'entrée d'air complémentaire, et en ce que, - ledit dispositif porte-flamme comporte un moyen d'accrochage de la flamme constitué d'un élément métallique porté à haute température par la flamme de la veilleuse. Avantageusement, la chambre annulaire de pré-mélange comporte une alimentation centrale pour combustible, constituée d'un tube se terminant par un gicleur dont l'axe est situé dans l'axe X'X de ladite chambre, et un moyen d'alimentation en air constitué de lumières situées sur la paroi de ladite chambre, de préférence à débit réglable. L'orifice calibré du gicleur équipant la veilleuse, objet de la présente invention, est disposé perpendiculairement à l'axe de la chambre de pré-mélange. Le diamètre de cet orifice calibré est compris entre 1 et 4 mm, de préférence compris entre 2 et 3 mm, permettant ainsi, par ses dimensions importantes, de limiter les risques de bouchages les plus courants de ce type de gicleur. De plus, afin d'éliminer au maximum toute possibilité d'obstruction du gicleur, une filtration du gaz combustible est réalisée de préférence en amont du gicleur. Le tube d'alimentation en gaz combustible se terminant par le gicleur, adopte au niveau dudit gicleur, un profil interne de type convergent vers l'orifice calibré. Le gicleur étant disposé sur l'axe de la chambre de pré-mélange et celle-ci adoptant également un profil de type convergent en direction de la partie centrale creuse qui peut être, dans une version préférée de la présente invention, un tube central creux reliant les deux extrémités de la veilleuse, ladite chambre de prémélange se comporte comme la partie amont d'une tuyère, ou d'un venturi sans sa partie divergente, provoquant une augmentation de la vitesse des gaz qui se déplacent du gicleur vers l'entrée du tube creux en direction du nez de la veilleuse. A cette augmentation de la vitesse des gaz et en application du principe de la dynamique des fluides (équation de Bernoulli) est créée une dépression permettant ainsi d'aspirer l'air nécessaire à la combustion de la veilleuse par l'intermédiaire d'un moyen d'alimentation en air débouchant dans la chambre de pré-mélange. De préférence, ce moyen d'alimentation en air comporte un moyen de réglage du débit, donc de l'aspiration en air, qui peut être manuel ou automatique, ou encore commandé à distance dans un processus de régulation automatique des conditions de combustion des veilleuses, par exemple d'un four ou d'une chaudière. Le moyen d'alimentation peut être une couronne mobile percée de plusieurs lumières, par exemple trois lumières en regard de mêmes lumières disposées sur la paroi de la chambre de pré-mélange. Le rapport du plus grand sur le plus petit diamètre de la chambre annulaire de pré-mélange est compris entre 2 et 6 et de préférence entre 2,5 et 4. La longueur de ladite chambre est égale à environ 4 à 8 fois son plus petit diamètre, de préférence 5 à 7 fois. Le débit du gaz combustible est compris entre 2 et 15 Nm3/H et de préférence entre 3 et 8 Nm3/H. La pression du gaz combustible est régulée entre 0,1 et 2 bars et de préférence entre 0,3 et 0,8 bars. Selon une variante préférée de l'invention, la partie centrale creuse est de forme sensiblement cylindrique. Selon un mode de réalisation préféré, la veilleuse est sensiblement longitudinale d'axe (X'X), mais la partie centrale creuse reliant les deux extrémités peut adopter un angle de courbure afin de faciliter l'installation de ladite veilleuse dans, ou au plus près d'un brûleur. Afin d'éviter un décrochement de la flamme de la veilleuse, pouvant aller jusqu'à son extinction, le dispositif porte flamme, comporte de préférence un moyen d'accrochage de la flamme situé à l'autre extrémité de celle supportant la chambre de pré-mélange. Différents types d'accroches flammes peuvent être constitués par tout type d'éléments métalliques, tels des tubes, des plaques, installés seuls ou en combinaisons les uns avec les autres. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré de l'invention, ce moyen est constitué d'un croisillon réalisé par deux plaques disposées perpendiculairement se croisant selon une ligne sensiblement parallèle à la direction de la flamme. C'est ce croisillon, disposé directement dans la flamme qui, monté en température, constitue un point chaud ou plus exactement une plus grande surface chaude que les nez de veilleuses de l'art, surface chaude qui demeure facilitatrice du maintien de la flamme à la sortie du nez de la veilleuse. Pour améliorer la stabilité de la combustion du mélange air/ gaz de la veilleuse et éviter ainsi des extinctions de la flamme de ladite veilleuse en cas, par exemple, de variations importantes de la composition moléculaire du gaz combustible, la Demanderesse a ajouté un moyen d'entrée d'air complémentaire au niveau du nez de la veilleuse. De préférence, ce moyen, qui est un orifice annulaire permettant une entrée d'air complémentaire, est situé selon un mode de réalisation préféré de l'invention, du côté d'une extrémité d'entrée dudit dispositif porte-flamme, dans le sens de circulation du mélange air et combustible, plus précisément du côté opposé à celui du moyen d'accrochage de la flamme. L'air complémentaire provient de l'air d'alimentation des brûleurs qui peut être selon les cas, l'air primaire ou l'air secondaire distribué par un système de registre, les dits registres étant généralement non étanches, ou par l'air présent dans la chambre de combustion du four, ou encore par les ventilateurs d'air des brûleurs fonctionnant à air pulsé. La dépression interne du four, déterminée par l'ouverture du registre des fumées, permet une aspiration de cet air complémentaire au niveau du nez de la veilleuse. Avantageusement, des chicanes, disposées sur le parcours d'entrée de l'air complémentaire et en aval de l'extrémité de la partie centrale creuse véhiculant le mélange air/gaz, permettent d'assurer un brassage et une homogénéisation du mélange combustible avec l'air complémentaire. Le rapport des surfaces de l'orifice annulaire d'entrée d'air complémentaire sur l'extrémité de la partie centrale creuse est compris entre 2 et 4, de préférence entre 2,5 et 3,5. De préférence, selon l'invention, le dispositif porte-flamme comporte au moins une partie cylindrique creuse percée d'au moins un orifice et couvrant en partie le moyen d'accrochage de la flamme afin de renforcer la stabilité de la combustion de la flamme. De préférence, la veilleuse est réalisée en un acier inox réfractaire. L'invention concerne également un procédé d'utilisation de la veilleuse telle que décrite dans la présente invention, le procédé étant tel que l'on procède à un l'allumage de la flamme : - soit manuellement par un allumeur portable, - soit par une électrode reliée à un circuit électrique haute tension. Le procédé d'utilisation de la veilleuse selon l'invention peut être tel que l'on procède à l'arrivée du combustible et d'air. La présente invention est expliquée plus en détail à l'aide des figures 1 à 5, représentant différents modes de représentation et différentes pièces d'une forme de réalisation d'une veilleuse d'un four de raffinerie selon la présente invention. Diverses formes de mise en oeuvre de l'invention vont être décrites ci-après à titre d'exemples. Dans cette description, on se référera aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue générale schématique d'une veilleuse selon l'invention. La figure 2 est une vue de détail de la figure 1, en particulier de l'extrémité supérieure de la veilleuse selon l'invention. La figure 3 est une vue en coupe de la figure 2. La figure 4 est une vue de détail en coupe de la figure 1, en particulier de l'extrémité inférieure de la veilleuse selon l'invention. La figure 5 est une vue partielle en coupe d'un détail de la figure 3 suivant la ligne W. La figure 1 est une vue générale schématique d'une veilleuse selon l'invention. La veilleuse 1 est sensiblement longitudinale d'axe X 'X, et généralement positionnée parallèlement à l'axe du brûleur. Elle est entièrement constituée en acier inox réfractaire de qualités 310 s pour le nez et 304 L pour le reste de la veilleuse. Elle comporte, en partie inférieure et basse, une alimentation centrale 4, équipée d'un moyen de raccordement 17 à un tube d'alimentation pour le combustible, et une alimentation en air 16 qui est formée d'ouvertures pratiquées dans une bague mobile 26, dont les différentes positions permettent un réglage de débit. L'alimentation centrale 4 est décrite en détail et en coupe sur la figure 4. La veilleuse comporte, en partie supérieure et haute, un dispositif porte-flamme 2, destiné à porter la flamme générée par le brûlage d'air et d'au moins un combustible. Une partie centrale creuse 3 relie la partie d'alimentation centrale 4 et le dispositif porte-flamme 2. La partie centrale creuse 3 est sensiblement cylindrique d'axe X 'X, mais peut adopter un profil coudé ou courbé suivant les nécessités d'installation dans le four ou la chaudière. Un dispositif de support ou plaque annulaire plate 5, qui peut être amovible ou soudé sur la partie centrale creuse 3, est prévu pour fixer la veilleuse dans un brûleur (non représenté). La figure 2 est une vue de détail de la figure 1, en particulier de l'extrémité supérieure comportant le dispositif porte-flamme 2 de la veilleuse selon l'invention, la figure 3 étant une vue en coupe de la figure 2 et la figure 5 étant une vue partielle en coupe d'un détail de la figure 3. Le dispositif porte-flamme 2 comporte un cylindre 8 d'axe X'X percé d'orifices 9, entourant un socle 14 sur lequel sont soudés, de préférence, deux plaques 10 et 11 formant moyen d'accrochage de la flamme, chacune de ces deux plaques 10 et 11 étant également soudée sur la partie interne du cylindre 8. Le socle 14 est une couronne soudée sur la face interne du cylindre 8, perpendiculairement à l'axe X'X. Les deux plaques 10 et 11 sont disposées perpendiculairement l'une à l'autre et se croisent selon une ligne sur l'axe X'X de la figure 2. Une représentation de la disposition de ces deux plaques 10 et 11 est indiquée à la figue 5 qui est une vue en coupe suivant la ligne W de la figure 3. De l'air A arrive (voir flèches sur la figure 2) par un orifice annulaire 29 formant moyen d'entrée d'air complémentaire et situé du côté de l'extrémité d'entrée du dispositif porte-flamme 2, dans le sens de circulation du mélange air et combustible, plus précisément du côté opposé à celui du moyen d'accrochage de la flamme. La veilleuse étant disposée dans une enceinte (le four) mise en dépression par tirage naturel et l'air complémentaire provenant de l'extérieur (brûleur et son registre), l'air sera aspiré à travers l'orifice annulaire 29 puis sera ajouté, puis mélangé, au pré-mélange air/gaz arrivant par l'extrémité 12 de la partie centrale creuse. Cette extrémité 12 débouche en amont de l'orifice annulaire 29 à l'intérieur du cylindre 8, dans le sens de circulation du mélange air et combustible. Le socle 14 en forme de couronne est disposé entre l'arrivée du pré-mélange air/gaz (extrémité 12) et les deux plaques 10 et 11 formant moyen d'accrochage de la flamme, et se comporte comme une chicane favorisant ainsi le mélange air complémentaire et air/gaz. Plus précisément, le socle 14 en forme de couronne est disposé entre l'extrémité 12 de la partie creuse et les orifices 9 d'entrée d'air. L'homme du métier saura adapter les dimensions de la couronne afin d'obtenir un meilleur brassage des différents fluides en fonction des valeurs de pressions et débits du brûleur, ainsi que celle de la dépression du four. Le cylindre 8 est maintenu sur la partie centrale creuse 3 par au moins trois supports 15 formant ailettes soudées sur celle-ci et situées à 120 l'une de l'autre par rapport à la base du cylindre 8. La figure 4 est une vue de détail en coupe de la figure 1, en particulier de la partie inférieure ou alimentation centrale 4 de la veilleuse selon l'invention. L'alimentation centrale 4 comporte un moyen de réglage de débit de l'air associé aux entrées d'air 16. Le combustible arrive par un conduit cylindrique creux 17 formant moyen de raccordement à une alimentation dudit gaz, et débouche par une conduite cylindrique creuse 18, taillée dans une partie 19 conique, pointe en haut, et métallique, de l'alimentation centrale 4, dans un gicleur 20. Ce gicleur 20 est situé sensiblement à la hauteur des entrées d'air 16. L'alimentation centrale 4 comprend également une chambre de pré-mélange 21, annulaire, d'axe X'X, dont le profil interne converge en direction de la partie centrale creuse 3. L'air, aspiré au travers des entrées d'air 16_par la dépression créée dans la chambre 21, est mélangé au combustible sortant du gicleur 20, et arrive par une partie convergente, dans la chambre de pré-mélange 21. Le mélange air et combustible ainsi créé poursuit son cheminement par une conduite 22 puis une conduite 23, ces deux conduites étant taillées dans la partie haute 25 de l'alimentation centrale 4. La bague mobile 26 formée d'une partie cylindrique pivotante autour de la pièce 25, selon l'axe X'X, permet le réglage du débit d'arrivée d'air par les orifices 16. La veilleuse pour brûleur, objet de la présente invention, s'adapte sur tout type de brûleurs pour fours ou chaudières. D'un faible encombrement, la stabilité de la flamme est assurée par une performance optimale du mélange air/gaz au niveau de la chambre de pré-mélange et du nez de combustion, permettant ainsi d'obtenir des régimes de fonctionnements sans pulsation, ni rétro combustion. De plus, elle présente une très grande résistance au décrochage de la flamme, elle accepte tout type de combustibles présents dans une raffinerie de pétrole avec une large rangeabilité de pressions de gaz, tout en étant adaptée à différentes conditions de tirage de four. C'est par l'amélioration de sa fiabilité, rendue possible par sa nouvelle géométrie, que la veilleuse objet de la présente invention, quand elle est associée à un brûleur installé sur un four ou une chaudière, permet d'augmenter et d'améliorer la sécurité des personnes et des matériels dans le périmètre des installations de chauffage, notamment de tout type de produit. REVENDICATIONS 1. Veilleuse (1) pour brûleur de four industriel comportant à l'une de ses extrémités une chambre annulaire (21) de pré-mélange d'au moins un combustible et d'air, et à l'autre extrémité un dispositif porte-flamme (2), les deux extrémités étant reliées par une partie centrale creuse (3), caractérisée en ce que - le profil interne de la chambre annulaire (21) de pré-mélange, située de préférence à l'extérieur de la zone de combustion du four, est du type convergent en direction de la partie centrale creuse (3) pour permettre l'aspiration requise à au moins une partie de l'air nécessaire à la combustion de la flamme de la veilleuse, - le dispositif porte-flamme (2), situé à l'intérieur de la zone de combustion du four près d'un brûleur, comporte un moyen (29) d'entrée d'air complémentaire, et en ce que, - ledit dispositif porte-flamme (2) comporte un moyen d'accrochage de la flamme (10, 11) constitué d'un élément métallique porté à haute température par la flamme de la veilleuse. 2. Veilleuse (1) selon la revendication 1, telle que la chambre annulaire (21) de pré-mélange comporte une alimentation centrale (4) pour combustible, constituée d'un tube (17) se terminant par un gicleur (20) dont l'axe est situé dans l'axe X'X de ladite chambre, et un moyen d'alimentation en air (16) constitué de lumières situées sur la paroi de ladite chambre, de préférence à débit réglable. 3. Veilleuse (1) selon la revendication précédente, telle que le gicleur (20) présente un orifice calibré dont le diamètre est compris entre 1 et 4 mm et de préférence entre 2 et 3 mm. 4. Veilleuse (1) selon l'une des revendications précédentes, telle que la partie centrale creuse (3) est de forme sensiblement cylindrique. 5. Veilleuse (1) selon l'une des revendications 1 à 4, telle que la partie centrale creuse (3) est courbée ou coudée. 6. Veilleuse (1) selon l'une des revendications 1 à 4, telle que la veilleuse (1) est sensiblement longitudinale d'axe (X'X). 7. Veilleuse (1) selon l'une des revendications précédentes, telle qu'elle comprend un moyen de réglage (26) du moyen d'alimentation en air (16) manuel ou automatique ou commandé à distance. 8. Veilleuse (1) selon l'une des revendications précédentes, telle que le rapport du plus grand diamètre sur le plus petit diamètre de la chambre annulaire 21 est compris entre 2 et 6 et de préférence entre 2,5 et 4. 9. Veilleuse (1) selon l'une des revendications précédentes, telle que la longueur de la chambre annulaire (21) de pré-mélange est égal à environ 4 à 8 fois, de préférence, 5 à 7 fois son plus petit diamètre. 10. Veilleuse (1) selon l'une des revendications précédentes, telle que le moyen d'entrée d'air complémentaire du dispositif porte-flamme (2) est un orifice annulaire (29) situé du côté d'une extrémité d'entrée dudit dispositif porte-flamme (2), dans le sens de circulation du pré-mélange air/combustible. 11. Veilleuse (1) selon la revendication 10, telle que l'air complémentaire provient du registre du brûleur. 12. Veilleuse (1) selon l'une des revendications 10 ou 11, telle que des chicanes sont disposées en aval de ladite extrémité de la partie centrale creuse sur le parcours de l'entrée d'air complémentaire. 13. Veilleuse (1) selon l'une des revendications 10 à 12, telles que le rapport des surfaces de l'orifice annulaire (29) d'entré d'air complémentaire sur ladite extrémité de la partie centrale creuse est compris entre 2 et 4 et de préférence entre 2,5 et 3,5. 14. Veilleuse (1) selon l'une des revendications précédentes, telle que le moyen (10, 11) d'accrochage de la flamme est constitué de tout type d'éléments métalliques tels des tubes, des plaques, seuls ou en combinaisons. 15. Veilleuse (1) selon la revendication 14, telle que le moyen (10, 11) d'accrochage de la flamme est constitué de deux plaques (10, 11) disposées perpendiculairement se croisant selon une ligne sensiblement parallèle à la direction de la flamme. 16. Veilleuse (1) selon l'une des revendications précédentes, telle que le dispositif porte-flamme (2) comporte au moins une partie cylindrique (8) creuse percée d'orifices et couvrant en partie le moyen d'accrochage de la flamme. 17. Veilleuse (1) selon l'une des revendications précédentes, telle que le matériau constituant la veilleuse est un acier inox réfractaire. 18. Procédé d'utilisation d'une veilleuse selon l'une des revendications précédentes, tel que l'on procède à l'arrivée du combustible et d'air, ainsi qu'à l'allumage de la flamme manuellement ou par un dispositif électrique.