Brevet FR3017445A1 — publié le 20150814

MODULE DE BRULEUR EN VEINE La présente invention se rapporte à un brûleur en veine d'air utilisé pour le réchauffage direct d'air ou de gaz de combustion issue de turbine ou de moteurs et plus particulièrement au module de brûleur en veine dont la juxtaposition cote à cote sur des rampes constitue le bruleur en veine. Ce type de brûleur fonctionne avec comme comburant les gaz de combustion de turbine (appelé TEG) ou de moteur qui ont un taux d'oxygène (sur fumées humides) inférieur à l'air ambiant, une température supérieure à la température ambiante et généralement, une vitesse au passage du brûleur relativement faible et comme combustible du gaz naturel, gaz de schiste, gaz de pétrole ou gaz issus de procédés industriels. Au cours des dernières années, les turbines à gaz et chaudières de récupération ont évoluées vers une augmentation du rendement énergétique des cycles combinés. En conséquence, les gaz de turbine (TEG) sont caractérisés par des teneurs en oxygène sur fumées humides de plus en plus faibles (entre 9% et 13%) et des températures plus variables et plus élevée (entre 350°C et 700°C). De plus, l'évolution des cycles de production de vapeur est à l'origine du positionnement des brûleurs en aval d'un premier étage d'échangeur, ce qui a pour conséquence à la fois : - d'augmenter la section des gaines dans le plan d'implantation des brûleurs, et donc de diminuer la vitesse des gaz de turbine dans cette section. Cela nécessite, dans la majorité des cas, pour le bon fonctionnement des brûleurs (stabilité de flamme), l'augmentation de la vitesse locale par l'ajout de plaques d'obturations (baffles) coûteuses, et - d'abaisser la température initiale des gaz de turbine à des températures comprises entre 350°C et 550°C. L'évolution de l'ensemble de ces paramètres rend plus difficiles les conditions de bonne combustion, et plus particulièrement la stabilité des flammes et la maîtrise des émissions de monoxyde de carbone (CO). D'autre part, la maîtrise des longueurs de flamme est un enjeu majeur puisque qu'il permet de maîtriser le profil de température aval tout en minimisant les longueurs de gaines, très coûteuses. Les modules de brûleurs en veine connus n'assurent pas le mélange et les dépressions locales nécessaires pour assurer la maîtrise des émissions de monoxyde de carbone (CO) et la stabilité des flammes dans ces conditions difficiles, notamment à vitesses de TEG faibles. L'objet de l'invention est de proposer un nouveau module de brûleur en veine permettant de répondre à ces problèmes et notamment d'assurer: - la stabilité des flammes avec des teneurs en 02 faibles, - le fonctionnement avec de très faibles émissions de CO, - le fonctionnement avec des vitesses de TEG faibles permettant de diminuer, voire de supprimer les plaques d'obturation, - le fonctionnement avec des puissances linéaires élevées, - le fonctionnement avec des flammes courtes, grâce à de nouvelles dispositions qui augmentent la vitesse du mélange TEG/gaz du module de brûleur et les zones de dépressions locales par un aérodynamisme nouveau et optimisé. Ainsi le module de brûleur en veine d'air selon l'invention comprend un conduit d'alimentation présentant une section sensiblement circulaire et un axe, des orifices d'injection de combustible situés sur le conduit et destinés à produire une flamme, des orifices d'injection de comburant et des ailettes, ou casquettes, formant une structure appelée module ou bloc) et disposées symétriquement par rapport à un plan d'écoulement du combustible en amont du module de brûleur et latéralement sur le conduit de chaque coté des orifices d'injection de combustible, il est caractérisé en ce qu'il y a au moins deux orifices d'injection de combustible dans une section du conduit et qu'ils ont un axe qui fait un angle a avec le plan d'écoulement du combustible. Ainsi l'injection du gaz se fait en plusieurs orifices situés dans au moins deux plans divergents. Ces deux plans délimitent un espace sans apport de combustible et sans apport de comburant ce qui est favorable à la recirculation interne des gaz de combustion à l'intérieur de la flamme et ramene vers le centre une grande partie des gaz brûlés. Ce qui permet aussi un mélange du gaz avec les TEG plus rapide qu'un écoulement co-courant. Cette injection angulaire et les recirculations induites assurent, à la fois, la stabilité de la flamme, une flamme courte et la recombustion du CO par augmentation du temps de séjour. Il est possible de réaliser un brûleur comprenant plusieurs modules de brûleurs ou blocs avec ces caractéristiques. Avantageusement, l'angle a est compris entre 10° et 30°. Selon une caractéristique particulière, les deux orifices d'injection de combustible ont un axe qui se croise sur l'axe du conduit. Selon une autre caractéristique, au moins deux autres orifices secondaires d'injection de combustible font un angle avec le plan d'écoulement du combustible et que l'angle est supérieur à l'angle a. Ceci permet une arrivée de TEG étagée qui favorise les recirculations et assure un ratio combustible/comburant optimal. Avantageusement, les orifices secondaires d'injection de combustible d'angle ont une section représentant 5% à 20% de la section totale des orifices d'injections de combustible. Par cette injection étagée du gaz avec un ratio d'étagement de 5 à 20%, on obtient de très faibles émissions de NOx (fonctionnement bas-NOx). Cette injection complémentaire s'effectue entre les plans d'injection des orifices de combustible et les ailettes. Selon une disposition particulière, il comprend des ailettes formant un angle 13 avec le plan d'écoulement du combustible tel que l'angle 13 est compris entre 2a et 3a. On obtient ainsi une grande taille de module (bloc) qui protège le développement évasé de la flamme et les recirculations internes liées à l'injection angulaire. Ceci permet de maintenir une zone chaude qui limite la formation de CO. On a ainsi la création d'une dépression locale de stabilisation importante même lors de fonctionnement avec des faibles vitesses de TEG. L'angle des casquettes égal à 2 à 3 fois l'angle d'injection du gaz permet à la fois de générer les espaces nécessaires à la bonne l'introduction des TEG et leur mélange aux des jets gaz dans la zone de combustion et au développement du remous principal. Avantageusement, les ailettes ont une section présentant des ouvertures d'injection de comburant. Une arrivée de TEG étagée favorise les recirculations et assure un ratio combustible/comburant optimal, elle est réalisée grâce aux ouvertures qui sont de préférence en forme de fentes et dont le nombre et la section sont déterminés de manière à obtenir, un faible % du débit d'air stoechiométrique (de l'ordre de 5 à 25 %). Selon une caractéristique particulière, les ouvertures présentent une section comprise entre 3 à 15% de la section des ailettes. La section de passage de ces ouvertures peut varier en fonction des caractéristiques de vitesse et d'oxygène des TEG. Selon une autre caractéristique, les ouvertures comportent des éléments de déviations faisant un angle 0 avec le plan d'écoulement du combustible. Avantageusement, l'angle 0 est sensiblement égal à l'angle a. Les 2 0 éléments de déviation confèrent aux ouvertures de passage un angle sensiblement identique de l'angle d'injection du gaz. Avantageusement, la section des ouvertures augmente avec l'éloignement des orifices pour optimiser l'introduction progressive de l'air dans la flamme et diminuer la formation de CO. 25 Selon une disposition particulière, il comprend un bouclier placé entre le conduit et la flamme, ledit bouclier présentant des trous situés au droit des orifices d'injection. Un prémélange partiel inductif du jet gaz avec le comburant au niveau du bouclier d'accrochage. Cette disposition accélère le mélange TEG/gaz et améliore la stabilité de la flamme. La section de 30 l'orifice de prémélange située dans le bouclier représente 15 à 40 fois la section de l'orifice de sortie du gaz. L'orifice de prémélange est situé à une distance de l'orifice gaz comprise entre 0.1 et 0.3 fois le diamètre du tube. Avantageusement, les trous sont situés sur une paroi du bouclier qui présente un angle 8 par rapport à l'axe des orifices d'injection. Cette disposition favorise l'aspiration du comburant par le jet de gaz. Avantageusement, l'angle 8 est sensiblement égal à 90°. Cette disposition favorise les turbulences locales et par conséquent la stabilité de la flamme malgré les faibles niveaux d'oxygène, de température et de vitesse des TEG. Selon une caractéristique particulière, le module de brûleur comprend des baffles situées dans une partie extérieure du module de brûleur et que les dites baffles ont un rebord qui a un angle égal et opposé à celui de l'élément de déviation situé le plus éloigné du conduit. Cette forme spécialement étudiée des baffles ou extrémités des plaques d'obturation permet d'obtenir un écoulement des TEG autour des modules, parallèle ou quasi parallèle au plan d'écoulement du gaz afin de limiter la formation de CO par effet de trempe. Cette forme se caractérise par une symétrie entre l'extrémité des modules et l'extrémité des blocs. Avantageusement, le module de brûleur présente une surface projetée sur un plan perpendiculaire à l'écoulement des TEG est comprise entre 0,1 et 0,3 m2/MW. La taille du module est définie par sa surface projetée sur un plan perpendiculaire à l'écoulement des TEG et cette taille est particulièrement avantageuse pour un taux d'oxygène amont compris entre 9% et 14% sur fumées humides. Le procédé de combustion selon l'invention comprenant un module de brûleur en veine avec au moins une des caractéristiques précédentes, tel que le comburant a une teneur en oxygène inférieure à 21%. Avantageusement, un prémélange est fait dans l'espace entre le conduit et le bouclier. D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre illustratif. Brève description des figures - La figure 1 est une vue d'un module de brûleur selon l'invention montrant le flux du combustible, - La figure 2 est une vue du module brûleur de la figure 1 montrant le flux du comburant, - La figure 3 est un détail du conduit du module de brûleur, - La figure 4 est une variante du conduit de la figure 3, - La figure 5 est une vue d'un coté des ailettes, - La figure 6 est une vue en coupe d'un bruleur en veine constitué d'un ensemble de module de brûleurs - La figure 7 est une vue de derrière de la figure 6. Les ensembles de brûleurs en veine, visibles sur la figure 7, sont constitués de plusieurs modules de brûleurs en veine 1 disposés les uns à coté des autres, chaque module de brûleur en veine comprend un conduit 2 constituant un conduit d'alimentation en combustible. Chaque module de 2 0 brûleur 1 comprend des ailettes 3 disposées de part et d'autre du conduit 2 de façon symétrique par rapport à un plan P dans lequel s'écoule le combustible 4, d'un angle 13. Le combustible s'écoule par des orifices d'injection 20 disposés de part et d'autre du plan P de façon symétrique. Le conduit 2 est recouvert d'un bouclier 5 percé de trous 50 placés en 25 vis-à-vis des orifices 20. Les ailettes 3 d'un des cotés sont disposées plus ou moins éloignées du conduit 2. L'ailette 30 est la plus proche, l'ailette 31 est située de façon intermédiaire tandis que l'ailette 32 est disposée le plus à l'extérieur soit le plus éloignée du conduit 2. Les ailettes 30, 31, 32 sont séparées les unes 3 0 des autres par des ouvertures 33. Il est bien entendu possible d'avoir plus ou moins de trois ailettes. Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement du module de brûleur. Le combustible 4 arrive par le conduit 2, il est injecté dans la chambre de combustion 6 par des orifices 20. Ces orifices 20 sont orientés avec un angle a par rapport au plan P d'écoulement du combustible. Cet angle permet de délimiter un espace sans apport de combustible et sans apport de comburant ce qui est favorable à la recirculation interne des gaz de combustion 4 à l'intérieur de la flamme comme illustré figure 1 en, créant un remous principal et qui ramène vers le centre une grande partie des gaz brûlés. L'angle 13 des ailettes est sensiblement compris entre 2a et 3a. La figure 3 montre la circulation des TEG 7 ou gaz de turbine qui entrent par les ouvertures 33 avec un angle 0 grâce aux éléments de déviation 34. Ceci permet de créer une zone de stabilisation 70. Comme illustré figure 5, les baffles 8 ont une extrémité présentant un rebord 80 qui coopèrent avec l'élément de déviation 34 de l'ailette 32 pour permettre un écoulement des TEG 7 autour des module de brûleurs 1 parallèlement ou quasi parallèlement au plan P. L'espace entre l'élément de déviation 34 de l'ailette 32 et le rebord 80 est plus important que la taille des ouvertures 33. Entre le conduit 2 et le bouclier 5 circule des TEG (cf. figure 3) qui sont aspirés par l'orifice 20, dont le diamètre est de préférence plus grand que celui des trous 50, vers la chambre de combustion 6 et permet ainsi un prémélange du combustible 4. Le bouclier 5 présente des parois 52 planes qui sont plus favorables à la création de remous. Les trous 50 permettent l'injection du gaz avec un angle 8 par rapport à la paroi 52 du bouclier 5. Selon une variante illustrée figure 4, le conduit 2 présente des ouvertures secondaires 21 d'injection qui permet l'injection du combustible 4 avec un angle 3 supérieur à a. Chaque ouverture secondaire 21 est placées en vis-à-vis d'un trou secondaires 51 du bouclier 5. La quantité de combustible 4 injectée est de 80 à 95% par les orifices 20 et les trous 50 et de 5 à 20% par les orifices secondaires 21 et les trous secondaires 51.5 REVENDICATIONS1. Module de brûleur en veine (1) d'air comprenant un conduit d'alimentation (2) présentant une section sensiblement circulaire et un axe, des orifices d'injection (20) de combustible situés sur le conduit et destinés à produire une flamme, des orifices d'injection (34) de comburant et des ailettes (3) disposées symétriquement par rapport à un plan P d'écoulement du combustible en amont du module de brûleur et latéralement sur le conduit (2) de chaque coté des orifices d'injection (20) de combustible, caractérisé en ce qu'il y a au moins deux orifices d'injection (20) de combustible dans une section du conduit (2) et qu'ils ont un axe qui fait un angle a avec le plan d'écoulement P du combustible. 2. Module de brûleur en veine selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle a est compris entre 10° et 30°. 3. Module de brûleur en veine selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins deux orifices secondaires (21) d'injection de combustible font un angle avec le plan P d'écoulement du combustible et que l'angle est supérieur à l'angle a. 4. Module de brûleur en veine selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les orifices secondaires (21) d'injection de combustible d'angle ont une section représentant 5% à 20% de la section totale des orifices d'injections (20) de combustible. 5. Module de brûleur en veine (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des ailettes (3) formant un 3 0 angle 13 avec le plan P d'écoulement du combustible tel que l'angle 13 est compris entre 2a et 3a. 6. Module de brûleur en veine (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les ailettes (3) ont une section présentant des ouvertures d'injection (33) de comburant. 7. Module de brûleur en veine (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les ouvertures (33) présentent une section comprise entre 3 à 15% de la section des ailettes (3). 8. Module de brûleur en veine (1) selon une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les ouvertures (33) comportent des éléments de déviations (34) faisant un angle 0 avec le plan P d'écoulement du combustible. 9. Module de brûleur en veine (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'angle 0 est sensiblement égal à l'angle a. 10. Module de brûleur en veine (1) selon une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la section des ouvertures (33) augmente avec l'éloignement des orifices (20, 21). 11. Module de brûleur en veine (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un bouclier (5) placé entre le conduit (2) et la flamme, ledit bouclier (5) présentant des trous (50, 51) situés au droit des orifices d'injection (20, 21). 12. Module de brûleur en veine (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les trous (50, 51) sont situés sur une paroi (52) du bouclier qui présente un angle 8 par rapport à l'axe des orifices d'injection (20, 21). 13. Module de brûleur en veine (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'angle 8 est sensiblement égal à 90°. 14. Module de brûleur en veine (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des baffles (8) situées dans une partie extérieure du module de brûleur (1) et que lesdites baffles (8) ont un rebord (80) qui a un angle égal et opposé à celui de l'élément de déviation (34) situé le plus éloigné du conduit. 15. Module de brûleur en veine (1) selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il présente une surface projetée sur un plan perpendiculaire à l'écoulement des TEG est comprise entre 0,1 et 0,3 m2/MW. 16. Procédé de combustion comprenant un module de brûleur en veine selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le comburant a une teneur en oxygène inférieure à 21%. 17. Procédé de combustion comprenant un module de brûleur selon une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'un prémélange est fait dans un espace entre le conduit (2) et le bouclier (5). 30