Brevet FR3045782A1 — publié le 20170623

La présente invention se rapporte à un brûleur à combustibles peu volatils et à une installation de production de produits chauds comprenant un tel brûleur. Elle vise plus particulièrement mais non exclusivement une installation plus connue sous le terme de chaudière permettant de chauffer un fluide, comme de l'eau, pour des utilisations en collectivités, tertiaires ou industrielles, voire en utilisations domestiques. Le prix de l'énergie augmentant régulièrement, les consommateurs des utilisations précitées cherchent à exploiter des combustibles qui puissent être utilisés avec des brûleurs, mais à des prix plus bas que ceux des combustibles fossiles conventionnels. En outre, ces consommateurs doivent, pour des raisons réglementaires, ou veulent, pour des raisons éthiques ou d'image, diminuer leurs émissions de gaz à effet de serre ; ce que peuvent permettre certains combustibles alternatifs aux combustibles fossiles traditionnels. A ce titre, les produits liquides qui sont considérés comme des déchets, tels que des huiles alimentaires usagées, ou les produits solides pulvérulents, comme le lignite, les charbons à forte teneur en matières volatiles, ou la biomasse se présentant sous forme finement divisée, par exemple les sciures, offrent un grand potentiel. En matière de combustibles liquides, on distingue les produits légers comme le fuel domestique, qui peuvent être mis en oeuvre à température ambiante, et les produits lourds, comme le fuel lourd, dont la viscosité à température ambiante est trop élevée pour être utilisés directement. Ces derniers doivent être réchauffés afin que leur viscosité soit suffisamment abaissée pour permettre une pulvérisation correcte du combustible, qui est indispensable à une bonne qualité de combustion. Or, les combustibles liquides à base d'huiles alimentaires sont moins lourds que les combustibles liquides tels que les fuels lourds, mais également moins volatils au regard des fuels domestiques. De ce fait, lors de l'utilisation avec des brûleurs prévus pour des combustibles légers, ces huiles sont difficiles à enflammer ; ce qui entraîne des 3045782 2 nuisances environnementales importantes lors du démarrage de la combustion ainsi que des difficultés pour régler les brûleurs de manière optimale. Il est déjà connu, par le document DE 102011104051, une installation avec 5 un dispositif de prévaporisation du combustible liquide par chauffage du mélange combustible/air à l'aide d'une paroi rayonnante et ce, avant que le combustible ne pénètre dans la chambre de combustion. Ce dispositif présente cependant l'inconvénient d'entraîner un risque 10 d'allumage du mélange au niveau de la paroi chaude. De plus, le dispositif ne peut s'appliquer qu'à des combustibles liquides très volatils si la température atteinte par le mélange ne doit pas dépasser la température d'auto-inflammation. 15 Dans le document DE 102006034479, l'installation comprend un évaporateur placé dans la chambre de combustion et destiné à réchauffer un second combustible, plus lourd que le combustible employé dans le brûleur. La (ou les) sortie de l'évaporateur est située sensiblement à proximité immédiate du brûleur. 20 Pendant l'étape de démarrage, l'évaporateur est balayé par un gaz comme de l'air, afin de prévenir toute surchauffe dudit évaporateur. Lorsque l'ensemble est en température, le second combustible est envoyé dans l'évaporateur. L'installation décrite présente l'inconvénient d'utiliser deux combustibles 25 différents, ce qui complique cette installation et augmente de manière non négligeable son coût de réalisation et d'exploitation. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients précités grâce à un brûleur de conception simple, qui ne nécessite pas de combustible 30 auxiliaire, qui permet des démarrages rapides et fiables, qui limite la formation d'imbrûlés pendant lesdits démarrages et qui évite les encrassements du système d'allumage. 3045782 3 A cet effet, l'invention concerne un brûleur à combustible peu volatil comprenant un générateur de comburant pulsé logé dans un carter, une buse tubulaire recevant le comburant pulsé et logeant un moyen d'injection de combustible, et un déflecteur d'air pour le mélange entre le comburant pulsé et le 5 combustible, caractérisé en ce que la buse loge au moins un moyen d'injection de comburant chaud sous pression. Le combustible peut être un combustible liquide à base d'huile alimentaire usagée ou d'huile végétale ou de sous-produits visqueux de synthèses organiques 10 ou minérales ou de solvant ou d'alcool lourd. Le combustible liquide peut comprendre une viscosité à 20 °C comprise entre 5 et 10 000 mm2/s et de préférence entre 15 et 500 mm2/s. 15 Le combustible peut être un combustible solide pulvérulent d'une granulométrie inférieure à 1000 microns et de préférence inférieure à 100 microns. Le combustible solide pulvérulent peut être un combustible comprenant des charbons à bas rang ou de rang intermédiaire ou des flambants ou des charbons 20 gras ou des tourbes ou des sciures ou des fines de ponçage. Le combustible solide pulvérulent peut comprendre une teneur en matières volatiles comprise entre 20 et 99 % et de préférence entre 40 et 90 %. 25 Le moyen d'injection de comburant chaud sous pression peut produire un jet de comburant sous la forme d'un cône d'angle d'ouverture compris entre 5 et 25°. Le moyen d'injection de comburant chaud sous pression peut produire un jet de comburant avec une vitesse comprise entre 20 et 100 m/s. 30 Le moyen d'injection de comburant chaud sous pression peut produire un jet de comburant représentant 0,1 à 10 % du débit du combustible. 3045782 4 Le moyen d'injection de comburant chaud sous pression peut produire un jet de comburant avec une température comprise entre 400 et 1500 °C. Le moyen d'injection de comburant chaud sous pression peut comprendre 5 des moyens de chauffage du comburant. Le moyen d'injection de comburant chaud sous pression peut comprendre des moyens de chauffage électrique du comburant. 10 La buse peut loger de 2 à 8 moyens d'injection de comburant chaud sous pression entourant le moyen d'injection de combustible. L'invention concerne aussi un procédé d'utilisation d'un brûleur dans lequel le moyen d'injection de combustible produit un jet de combustible sous le forme d'un 15 cône de combustible, le moyen d'injection de comburant chaud sous pression produit un jet de comburant sous le forme d'un cône de comburant chaud et le cône de comburant chaud intercepte le cône de combustible pour volatiliser au moins une partie des gouttelettes de combustible présentes dans le cône de combustible. 20 L'invention concerne aussi une installation de production de produits chauds comprenant une chambre de combustion alimentée par un brûleur tel que mentionné précédemment. 25 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui illustre une installation avec un brûleur selon l'invention ; - la figure 2 qui montre un détail du brûleur selon l'invention et 30 - la figure 3 qui est une variante de la figure 2. Sur la figure 1, il est illustré un exemple d'une installation de production de produits chauds 10, plus connue sous le terme de chaudière. 3045782 5 Bien entendu, cela n'écarte en rien d'autres types d'installation, comme des fours, des générateurs d'air chaud ou de gaz chauds, etc. La chaudière 10 comprend une chambre de combustion 12 dans laquelle se 5 produit la combustion d'un mélange combustible/comburant provenant d'un brûleur 14. La chambre de combustion 12, ici de forme sensiblement cylindrique, comprend une paroi tubulaire 16 et deux flasques d'extrémité 18 et 20. La paroi tubulaire 16 porte une jaquette tubulaire creuse 22 dans laquelle 10 circule un fluide, comme de l'eau. Pour ce faire, la jaquette comprend une entrée de fluide à chauffer 24 et une sortie de fluide chaud 26. L'un 18 des flasques comprend une ouverture 28, ici circulaire, pour l'évacuation des fumées résultant de la combustion, vers tous moyens connus, comme une cheminée (non représentée). 15 L'autre 20 des flasques porte un orifice 30, ici également circulaire, pour la réception du brûleur 14, cet orifice étant coaxial à l'axe de la chambre de combustion. Ce brûleur a la particularité de comprendre une alimentation en combustible, 20 une alimentation en comburant, et une alimentation en comburant comprimé préchauffé. Par comburant, il est entendu dans la suite de la description de l'air ou de l'air enrichi en oxygène, voire de l'oxygène pur, ou encore des produits de combustion ayant une teneur en oxygène résiduelle importante, typiquement 25 supérieure à 15 % en volume, ainsi que tout mélange des gaz précités. En se rapportant aux figures 1 et 2, le brûleur comprend un carter 32 logeant un générateur d'air pulsé sous la forme d'un ventilateur d'air à sortie radiale 34 et une buse tubulaire 36 recevant l'air pulsé du ventilateur. La buse est raccordée 30 par tous moyen connus, directement ou indirectement, à l'orifice 30 du flasque 20 et arrive par sa bouche ouverte 38 dans la chambre de combustion 12. La buse porte un moyen d'injection de combustible 40, par exemple sous la forme d'une lance d'injection 42 alimentée en combustible par des conduites 44. 3045782 6 Cette lance est placée de manière sensiblement coaxiale à la bouche 38 et dirige le jet de combustible en forme d'un cône 46 vers la chambre de combustion. Ce cône a un angle d'ouverture compris entre 30 et 150°, et préférentiellement entre 60 et 120°. 5 Le combustible utilisé est un combustible liquide peu volatil, par exemple de l'huile alimentaire usagée, de l'huile végétale, des sous-produits résultant de synthèses organiques ou minérales, des solvants, des alcools lourds, etc. 10 Ce combustible a avantageusement une viscosité à 20 °C comprise entre 5 et 10000 mm2/s et de préférence entre 15 et 500 mm2/s. Le combustible peut également être un combustible solide volatil sous la forme de solides pulvérulents, comme des charbons à bas rang ou de rang 15 intermédiaire, tels que le lignite, les flambants ou les charbons gras. Ce combustible solide peut aussi être des tourbes, des sciures, des fines de ponçage et d'une manière générale toutes les biomasses broyées. De manière préférentielle, ce solide pulvérulent a une granulométrie 20 inférieure à 1000 microns et de préférence inférieure à 100 microns et une teneur en matières volatiles comprise entre 20 et 99 % et de préférence entre 40 et 90 %. La buse porte également un moyen d'injection de comburant chaud sous pression, ici un canon à air comprimé chaud 48, qui est alimenté en air sous 25 pression par une conduite 49 reliée par tous moyens connus à un compresseur (non représenté) et dont l'extrémité de sortie 50 débouche en regard de la chambre de combustion. Il est à noter que ce compresseur peut être également utilisé pour apporter 30 une assistance à l'injection de combustible par la lance 42 et cela notamment lorsque le combustible contient des particules indésirables. 3045782 7 Le canon permet ainsi d'introduire dans la chambre de combustion un jet d'air comprimé chaud sous la forme d'un cône 52 dont l'angle au sommet est compris entre 5 et 25° de préférence de l'ordre de15°. 5 Avantageusement, le canon 48 est placé sensiblement parallèlement à la lance 42 (voir figure 1) de manière à ce que le cône 52 d'air chaud intercepte au moins en partie le cône de combustible 46. Comme illustré sur la figure 2, le canon 48 peut également avoir une 10 direction inclinée par rapport à la lance. L'essentiel est que, comme précédemment mentionné, le cône 52 d'air chaud intercepte le cône de combustible 46. Le canon comprend également des moyens de chauffage 54 de l'air 15 comprimé qu'il reçoit. A titre d'exemple, ces moyens de chauffage sont des résistances électriques 56 alimentées en courant par une alimentation électrique 57 au travers de conducteurs 58. Le jet d'air comprimé chaud est à une vitesse en sortie de canon comprise 20 entre 20 et 100 m/s et l'air comprimé est à une température comprise entre 400 et 1500 °C. La forme de l'extrémité du canon, le débit d'air chaud, la température de cet air, la position du canon par rapport au cône de combustible seront déterminés par 25 l'homme du métier d'une façon telle que le cône d'air chaud intercepte le cône de combustible pour volatiliser au moins une partie des gouttelettes de combustible présentes dans ce cône. Le mélange combustible/air ainsi formé est à une température supérieure à 30 la température d'auto-inflammation. Le jet d'air chaud représente 0,1 à 10 % du débit d'air introduit dans le brûleur. 3045782 8 Enfin, la buse porte un déflecteur 60 d'air pulsé sous la forme d'aubes radiales inclinées 62 régulièrement réparties angulairement autour de la bouche et portées par une plaque 64. Cette plaque porte aussi un alésage central 66 pour le passage de la lance et du canon. 5 Ce déflecteur a pour rôle essentiel de mettre en rotation radiale tout ou partie de l'air pulsé provenant du ventilateur et circulant dans la buse 36 avant qu'il ne soit introduit dans la chambre de combustion, afin de stabiliser la flamme qui est créée dans la chambre de combustion. D'autres moyens de stabilisation de la 10 flamme peuvent être mis en oeuvre sans sortir du cadre de l'invention. Dans la variante de la figure 3, il est prévu une multiplicité de canons d'air comprimé chaud, ici huit canons 48 régulièrement répartis circonférentiellement, qui entourent la lance 42 d'injection de combustible. 15 Ces canons sont portés par une couronne de distribution 68 alimentée en air comprimé par une tubulure 49. Avantageusement, comme illustré sur cette figure, ces canons sont placés sensiblement parallèlement à la lance 42 mais peuvent être inclinés en direction de la lance. 20 Comme pour le canon des figures 1 et 2, la forme de l'extrémité des canons, le débit d'air chaud sortant de ces canons, la température de cet air, la position de chaque canon par rapport au cône de combustible de la lance 42 seront déterminés par l'homme du métier d'une façon telle que le cône d'air chaud de chaque canon intercepte le cône de combustible pour volatiliser au moins une 25 partie des gouttelettes de combustible présentes dans ce cône de combustible. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, les canons peuvent être remplacés par une fente circulaire localisée sur la couronne. 30 Lors du fonctionnement de l'installation, le fluide circule dans la jaquette entre l'entrée 24 et la sortie 26, le ventilateur 34 est actionné et la lance 42 est opérationnelle. De par la présence des aubes 62, l'air pulsé et le combustible se mélangent en aval de ces aubes. 3045782 9 Simultanément, le canon est alimenté en air comprimé et cet air est chauffé à la température souhaitée par les résistances 56. L'air comprimé chaud est introduit dans le mélange air pulsé/combustible pour initier et/ou entretenir la combustion de ce mélange avec la production d'une 5 flamme F dans la chambre de combustion 12. Ce canon est ainsi utilisé au moins en tant que moyen d'allumage du mélange air pulsé/combustible. Une fois cette flamme produite pour le démarrage de l'installation, l'alimentation électrique des résistances est préférentiellement stoppée, tandis que 10 le débit d'air comprimé ou une fraction de ce débit est maintenu, afin de protéger le canon d'éventuelles surchauffes induites par le rayonnement de la flamme. La chaleur dégagée par cette flamme va être transmise au fluide qui circule dans la jaquette 22. Ce fluide ainsi chauffé est ensuite évacué par la sortie 26 vers tous dispositifs appropriés, comme des réseaux d'eau chaude. 15 L'invention permet ainsi d'assurer l'allumage de combustibles liquides difficiles à enflammer, comme les combustibles peu volatils, ou de combustibles dont la composition varie de façon significative au cours du temps De plus, elle permet d'assurer l'allumage de combustibles solides 20 pulvérulents sans l'utilisation d'un combustible auxiliaire. Dans les deux cas d'utilisation précités, l'invention permet d'obtenir un allumage fiable sans risque d'encrassement du système d'allumage. REVENDICATIONS1. Brûleur à combustible peu volatil comprenant un générateur de comburant pulsé (34) logé dans un carter (32), une buse tubulaire (36) recevant le comburant pulsé et logeant un moyen d'injection de combustible (40), et un déflecteur d'air (60) pour le mélange entre le comburant pulsé et le combustible, caractérisé en ce que la buse loge au moins un moyen d'injection de comburant chaud sous pression (48). 2) Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible est un combustible liquide à base d'huile alimentaire usagée ou d'huile végétale ou de sous-produits visqueux de synthèses organiques ou minérales ou de solvant ou d'alcool lourd. 3) Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le combustible liquide comprend une viscosité à 20 °C comprise ente 5 et 10 000 mm2/s et de préférence entre 15 et 500 mm2/s. 4) Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible est un combustible solide pulvérulent d'une granulométrie inférieure à 1000 microns et de préférence inférieure à 100 microns. 5) Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le combustible solide pulvérulent est un combustible comprenant des charbons à bas rang ou de rang intermédiaire ou des flambants ou des charbons gras ou des tourbes ou des sciures ou des fines de ponçage. 6) Brûleur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le combustible solide pulvérulent comprend une teneur en matières volatiles comprise entre 20 et 30 99 % et de préférence entre 40 et 90 %. 7) Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'injection de comburant chaud sous pression (48) produit un jet de 3045782 11 comburant sous le forme d'un cône (52) d'angle d'ouverture compris entre 5 et 25°. 8) Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 5 le moyen d'injection de comburant chaud sous pression (48) produit un jet de comburant avec une vitesse comprise entre 20 et 100 m/s. 9) Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'injection de comburant chaud sous pression (48) produit un jet de 10 comburant représentant 0,1 à 10 % du débit du combustible. 10) Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'injection de comburant chaud sous pression (48) produit un jet de comburant avec une température comprise entre 400 et 1500 °C. 15 11) Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'injection de comburant chaud sous pression (48) comprend des moyens de chauffage (54) du comburant. 20 12) Brûleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen d'injection de comburant chaud sous pression (48) comprend des moyens de chauffage électrique (54) du comburant. 13) Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 25 que la buse (36) loge de 2 à 8 moyens d'injection de comburant chaud sous pression (48) entourant le moyen d'injection de combustible (40). 14) Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'injection de comburant chaud sous pression est un canon à air comprimé (48). 15) Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'injection de combustible est une lance d'injection 3045782 12 16) Procédé d'utilisation d'un brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un moyen d'injection de combustible (40) produit un jet de combustible sous le forme d'un cône de combustible (46), en ce que le moyen d'injection de comburant chaud sous pression (48) produit un jet de 5 comburant sous le forme d'un cône de comburant chaud (52) et en ce que le cône de comburant chaud intercepte le cône de combustible pour volatiliser au moins une partie des gouttelettes de combustible présentes dans le cône de combustible. 10 17) Installation de production de produits chauds comprenant une chambre de combustion (12) alimentée par un brûleur selon l'une des revendications 1 à 15.