Brevet FR3075931A1 — publié le 20190628

BRÛLEUR ET ENSEMBLE DE BRÛLEURS COMPACTS La présente invention se rapporte à un brûleur et un ensemble de brûleurs industriels à gaz. Ces brûleurs émettent des oxydes d'azote (NOx) qui sont des sources de pollution. L'obtention d'une flamme stable à faible émission d'oxydes d'azote est un enjeu majeur de développement des brûleurs industriels. Il existe un besoin d'équipements faciles à intégrer au sein des installations existantes, ces installations n'ont souvent qu'une seule arrivée gaz et sont de taille réduite ce qui nécessite d'avoir un brûleur d'encombrement réduit. Les installations sont de forme variées et le brûleur doit pouvoir s'adapter le plus possible aux géométries des chambres de combustion. On recherche également de la flexibilité et donc des variations de charges importantes afin d'optimiser la consommation de combustible selon les besoins. Il faut malgré tout maintenir des émissions de NOx et CO faibles et des rendements corrects. L'objet de l'invention est un brûleur gaz compact basé sur la technologie de prémélange et constitué d'une seule arrivée de gaz. Ce brûleur constitue d'un module élémentaire développant une flamme basNOx et bas-CO de forme maîtrisée et adaptée à la forme de la chambre de combustion. L'objet de l'invention est également l'association de plusieurs modules élémentaires dans un ensemble qui permet d'obtenir une puissance thermique plus importante tout en conservant un faible niveau d'émissions de NOx et de CO. Elle permet également d'augmenter la variabilité de l'ensemble pour permettre de donner plus de flexibilité dans la gestion de la puissance. Le brûleur à prémélange selon l'invention est constitué d'un tube d'arrivée d'air et d'une injection spécifique de gaz, ladite injection de gaz 2 comprend un injecteur de gaz amont, un mélangeur, une injection de gaz aval et un élément de stabilisation, il est caractérisé en ce que l'injection de gaz constitue un ensemble mécanique monobloc assurant une flamme élémentaire autostable. Le brûleur est ainsi plus compact et plus simple. Avantageusement, le tube d'arrivée d'air a une longueur L et un diamètre Dl, tel que la longueur L est comprise entre trois et six fois le diamètre Dl. Cette dimension permet d'obtenir un brûleur à la fois compact et performant. Avantageusement, l'injecteur de gaz amont est situé à une distance Li o d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air comprise entre 0,5 fois le diamètre Dl et la longueur L. Avantageusement, l'injecteur de gaz amont comprend au moins deux éléments d'axes x et x' disposés radialement au tube d'arrivée d'air, chaque élément comportant des trous d'injections de gaz disposés le long de son 15 axe. Avantageusement, l'injecteur de gaz amont comprend au moins deux éléments mélangeurs d'axe y et y' inclinés par rapport au rayon du tube d'arrivée d'air et reliant le tube d'arrivée d'air et le conduit d'injection gaz et chaque élément mélangeur comporte des trous d'injections de gaz disposés 20 le long de son axe y ou y'. Cela permet simultanément d'assurer une turbulence de nature à favoriser le mélange du gaz et de l'air et de minimiser la perte de charge du côté air. Il est à noter que l'injecteur de gaz amont ci-dessus peut être utilisé dans d'autres types de brûleurs de ceux décrits précédemment. 25 Afin d'obtenir des performances ultra bas-NOx en utilisant la technologie du prémélange, il faut non seulement apporter le gaz et l'air dans des proportions spécifiques mais également assurer un mélange intime entre le gaz et l'air sur la distance la plus courte possible. L'état de l'art actuel consiste _à assurer la fonction d'injection gaz par 30 un injecteur et la fonction de mélange par une pièce mécanique spécifique (mélangeur, rosace...) placée en amont ou en aval de l'injecteur gaz. Le 3 problème majeur de cette mise en oeuvre réside dans la perte de charge importante générée par le mélangeur, incompatible avec les préconisations de l'utilisateur car impliquant le choix de ventilateurs d'air plus puissants (coût, consommation électrique). 5 L'objet de l'injecteur gaz amont décrit ci-dessus consiste à assurer les deux fonctions d'injection de gaz et de mélange par l'intermédiaire d'une seule pièce mécanique. L'injection de gaz amont permet de minimiser les pertes de charge par une forme aérodynamique et de créer de la turbulence par une forme torsionnée et inclinée par rapport au rayon du tube d'arrivée 10 d'air. Avantageusement, le diffuseur est situé à une distance L4 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air comprise entre L et L - Dl. Avantageusement, le diffuseur a une section inférieure ou égale à 0,5 fois la section du tube d'arrivée d'air. 15 Avantageusement, le diffuseur comprend un élément de stabilisation de diamètre 05 et un concentrateur de diamètre D8 et de longueur L7, le élément de stabilisation est percé de trous répartis sur deux cercles concentriques de diamètre D6 et D7, que D7 Dl. L'injection de gaz dans l'espace annulaire entre le tube 6 d'arrivée d'air et le second tube, permet d'aspirer par effet venturi une partie du débit d'air nécessaire à la combustion en prémélange, permettant ainsi de réduire la perte de charge totale du brûleur et permet d'augmenter la puissance du brûleur. Avantageusement, une injection de gaz intermédiaire est située à une distance L8 de l'extrémité amont du tube d'arrivée d'air telle que L8 > O. L'ensemble selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un nombre Nmax de brûleurs, lesdits brûleurs ayant au moins une des caractéristiques précédentes. On peut choisir un mode de réalisation adapté 10 à la chambre de combustion et permettre d'obtenir un ensemble de puissance plus importante. Les brûleurs sont de préférence juxtaposés dans le foyer et peuvent avoir plusieurs arrivées de gaz ou une arrivée unique pour tous. Avantageusement, le nombre Nmax de brûleurs développent une 15 puissance comprise entre Pmax et Pmin, l'ensemble est apte à fonctionner avec un nombre Nmin de brûleurs et sa puissance est variable selon le nombre N de brûleurs en fonctionnement, tel que sa variation de puissance Vp = (Nmax x Pmax) / (Nmin x Pmin). La variation de puissance (ou de charge) d'un ensemble de brûleurs est un paramètre important pour 20 l'utilisateur car elle permet de donner de la flexibilité de fonctionnement à l'installation. La puissance maximale est définie en fonction du besoin tandis que la puissance minimale est définie en accord avec les possibilités techniques atteignables. Pour une puissance maximale donnée, plus le minimum de charge sera faible, plus la variation de puissance sera 25 importante et plus l'installation sera flexible. Par exemple, en période estivale dans les chaufferies urbaines, un minimum de charge faible permet d'éviter des cycles de marche/arrêt intempestifs du brûleur et donc de faire des économies d'énergie. La variation de puissance Vp est définie par le ratio de la puissance 30 maximale Pmax sur la puissance minimale Pmin telle que Vp = Pmax/Pmin. 7 Dans le cas d'une installation comprenant plusieurs brûleurs de puissance équivalente P pouvant varier de Pmin à Pmax, la variation de puissance Vp de l'ensemble dépend également du nombre maximal de brûleurs en service Nmax et du nombre minimal de brûleurs en service 5 Nmin, telle que Vp = (Nmax x Pmax) / (Nmin x Pmin). Avantageusement, l'ensemble de brûleurs comprend m injections de gaz périphérique, tel que m> 1. Cela permet d'obtenir un ensemble avec une puissance plus importante pour un même encombrement. L'injection de gaz associée à l'ensemble de brûleurs a pour but de réduire l'excès d'air 10 dans des proportions exploitables et de limiter l'allongement de la flamme dans la chambre de combustion. Cette injection de gaz est disposée à la périphérie de l'ensemble de brûleurs et peut être décalée en retrait amont par rapport au tube d'arrivée d'air. Dans certaines applications de l'industrie des minéraux, l'utilisation de 15 ce type de brûleur utilisant la technologie de prémélange avec des facteurs d'air R compris entre 0,25 et 1 permet de réduire les oxydes d'azote par deux phénomènes : - en générant une flamme dans laquelle les NOx produits sont convertis en azote moléculaire par effet « reburning » via des mécanismes 20 chimiques complexes schématisés comme suit : CH4 radicaux CHi (en zone réductrice) CHi + NO -> FICN HCN +NO N2 - en créant une flamme courte et parfaitement accrochée au nez du 25 brûleur sans distance d'inflammation du mélange. L'absence de zone d'inflammation du mélange empêche l'air secondaire de participer à la combustion dans la zone primaire, et limite la formation de NOx. D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, 30 donnés à titre d'exemple : - La figure 1 représente une coupe d'un brûleur selon l'invention, 8 - La figure la est une vue de face du brûleur de la figure 1, - La figure 2 est une coupe d'un brûleur avec des parois de protection mécanique de la flamme, - La figure 3 est une coupe d'un brûleur avec des injections 5 périphérique de gaz, - La figure 4 est une coupe d'un brûleur avec un second tube concentrique d'air, - La figure 5a est une coupe du diffuseur, - La figure 5b est une vue de face de le diffuseur de la figure 5a, 10 - La figure 6 est une vue de face de l'arrivée d'air avec des injections gaz selon un premier mode de réalisation, - La figure 7 est une vue de face de l'arrivée d'air avec des injections gaz selon un deuxième mode de réalisation, - Les figures 8a et 8b montrent différentes dispositions de brûleurs 15 dans un ensemble de brûleurs selon l'invention, - La figure 9 est ensemble de brûleurs avec des injections gaz, - Les figures 10 et 11 montrent différents exemples de réglages possibles de brûleurs utilisés dans les applications de l'industrie des minéraux, 20 - Les figures et 12a, 12b et 12c sont des exemples de diffuseurs. Dans la suite de la description on appellera amont la partie du brûleur située plus avant par rapport au flux de gaz ou au flux d'air, et aval la partie située plus loin dans le sens dudit flux. 25 Le brûleur 1 illustré figure 1 comprend un tube d'arrivée d'air 2 de longueur L et d'axe X, un système spécifique d'injection gaz 3 monobloc et composé de plusieurs éléments : - un conduit d'arrivé de gaz 31 situé dans le tube d'arrivée d'air 2, 9 - une injection gaz amont 4 située dans le tube d'arrivée d'air 2, une distance L1 de l'extrémité amont 20 dudit tube 2, - une injection gaz aval 6 située à une distance L3 de l'extrémité amont 20 du tube d'arrivée d'air 2 et à l'intérieur de celui-ci, 5 - un élément mélangeur air/gaz 5 situé à l'intérieur du tube d'arrivée d'air 2, à une distance L2 de l'extrémité amont dudit tube 2, - un élément de stabilisation tel qu'un diffuseur air/gaz 7 situé à une distance L4 de l'extrémité du tube d'arrivée d'air 2. Le gaz arrive selon la flèche G et l'air selon la flèche A et l'air secondaire 10 selon la flèche A2. Le gaz arrive par le système spécifique d'injection gaz 3 en passant par le conduit 31 pour sortir par l'injection gaz amont 4 et l'injection gaz aval 6. L'air quant à lui, circule dans le tube d'arrivée d'air 2. L'injection gaz amont 4 est détaillé figures 6 et 7. Dans l'exemple illustré figure 6, il comprend deux éléments 40 15 disposés radialement. Ils partent chacun du conduit d'arrivée de gaz 31 et s'étendent jusqu'au tube d'arrivée d'air 2. Ces éléments 40 sont perforés de trous 400 disposés en partie aval. Les trous 400 sont soit alignés au milieu ou sur les côtés, soit répartis en quinconce comme sur la figure 6. Dans l'exemple de la figure 7, les éléments 41 sont inclinés par rapport 20 au rayon du tube d'arrivé d'air 2 et partent chacun du conduit d'arrivée de gaz 31 et s'étendent jusqu'au tube d'arrivée d'air 2. Ils peuvent avoir une forme aérodynamique. Le diffuseur 7 est détaillé aux figures Sa et 5b. Il est constitué d'un disque 71, de diamètre D5, percé de trous 72 et d'un concentrateur 73. Le 25 concentrateur 73 est de forme cylindrique de diamètre D8 et de longueur L7. Les trous 72 sont disposés sur des diamètres concentriques différents: D6 et 07. Une série de trous 720 de diamètre D6 est disposée à l'extérieur du concentrateur 73 et une série de trous 721 de diamètre D7 est disposée à l'intérieur du concentrateur 73. L'injection de gaz aval 6 est placée à 30 l'intérieur du concentrateur 73. Dans l'exemple illustré il n'y a que deux séries de trous 720 et 721, mais il pourrait y en avoir plus. 10 On voit sur la figure 2, un système de protection mécanique de la flamme 82 situé à l'intérieur du foyer 8, il est constitué d'une paroi 9 de forme conique de longueur L5, de diamètre intérieur minimum D2 et située à l'extrémité aval 21 du tube d'arrivée d'air 2. Le cône fait un angle a2 par 5 rapport à l'axe X du tube 2. Les injections de gaz n'ont pas été représentées dans cette figure 2. Des injections de gaz périphériques 10 sont disposées sur la périphérie extérieure directe du tube d'arrivée d'air 2 dans l'exemple de la figure 3. Ils sont alimentés par le système spécifique d'injection de gaz 3 du brûleur 1. Il 10 vaut mieux prévoir de préférence deux injections symétriques par rapport à l'axe X afin d'équilibrer la flamme 82. Selon la variante de la figure 4, le tube d'arrivée d'air 2 est entouré d'un second tube d'arrivée d'air secondaire 22 concentrique et de même longueur, des injections de gaz intermédiaires 11 sont disposées dans un 15 espace annulaire 23 définit par les deux tubes 2 et 22. Ces injections de gaz intermédiaires 11 entrent dans l'espace annulaire 23 d'une longueur L8. La longueur L8 doit être non nulle pour éviter que le gaz soit envoyé ailleurs que dans l'espace annulaire. Des éléments stabilisateurs, comme des diffuseurs 70, sont placés à la sortie de l'espace annulaire 23. 20 Les figures 10 et 11 illustrent différents réglages de brûleurs selon l'invention que l'on peut utiliser dans l'industrie des minéraux avec la technologie de prémélange avec des facteurs d'air R. Les injections de gaz n'ont pas été représentées dans ces deux figures. A la figure 10, le prémélange_est réglé avec un facteur d'air R compris 25 entre 1 et 2. On constate que dans ce cas la flamme 82 est longue et de ce fait l'air secondaire s'introduit directement dans la flamme 82 ce qui entraîne une combustion en excès d'air et une quantité de NOx faible dans la zone primaire 80 et une quantité élevée dans la zone secondaire 81. A la figure 11, le prérnélange est réglé avec un facteur d'air R compris 30 entre 0,25 et 1. Dans ce cas, la flamme 82 est courte et, de ce fait, l'introduction de l'air secondaire est retardée après la flamme 82 ce qui 11 entraîne une combustion en défaut d'air et une quantité de NOx faible à la fois dans la zone primaire 80 et la zone secondaire 81, on a alors un effet de "reburning". Les figures 12a, 12b et 12c montrent différentes variantes de diffuseurs 7. Les brûleurs 1 sont disposés dans un foyer 8 selon différentes dispositions pour constituer un ensemble 12 de brûleurs 1 tels que ceux illustrés aux figures 8a, 8b ou 9. Le nombre et la disposition des brûleurs dans l'ensemble dépendent du type d'application concernée et de la 10 puissance recherchée. A la figure 8a, les brûleurs 1 sont alignés verticalement selon deux lignes verticales de 5 brûleurs et deux brûleurs supplémentaires sont disposées de chaque côté au milieu afin de concentrer la flamme 82. A la figure 8b, les brûleurs 1 sont alignés horizontalement selon une 15 seule ligne. A la figure 9, les brûleurs 1 sont alignés verticalement selon plusieurs lignes verticales et des injections de gaz périphériques 10 sont placées sur la périphérie du foyer 8. Il est possible de disposer d'autres injections périphériques à d'autres endroits du foyer 8. 20 Selon la puissance recherchée, le nombre et la disposition des brûleurs 1 pourra varier. Selon les caractéristiques de la chambre de combustion, un nombre minimal de brûleurs est nécessaire. Ainsi si le brûleur 1 a une puissance max Pmax = 1MW et une puissance min Pmin = 0,2 MW, sa variation de puissance est 25 Vp = (1/0,2) = 5. Un ensemble 12 de 9 brûleurs élémentaires aura une puissance max de Pmax = 9x1 = 9 MW. Si le nombre minimal de brûleur 1 en service nécessaire au fonctionnement de la chambre de combustion est -de 2, la puissance 30 minimale de l'ensemble de brûleurs sera de Pmin = 2x0,2 = 0,4 MW La variation de puissance de l'ensemble 12 de brûleurs sera 12 Vp = 9/0,4 = 22,5. Exemples pour un brûleur de 32MW ultra bas NOx: 5 Les mesures ont été faites avec un diamètre D1 de 324mm. Les valeurs mesurées sont les suivantes: D1- diamètre du tube d'arrivée d'air 2 L- longueur du tube d'arrivée d'air 2 10 Ll- distance de l'extrémité amont 20 du tube d'arrivée d'air 2 de l'injection gaz 4 L4- distance de l'extrémité amont 20 du tube d'arrivée d'air 2 du diffuseur 7 D8- diamètre du concentrateur 73 L7- distance de l'extrémité amont a0 du tube d'arrivée d'air 2 du 15 concentrateur 73 L3- distance de l'extrémité amont 20 du tube d'arrivée d'air 2 de l'injection de gaz aval 6 D2- diamètre intérieur de la paroi 9 a2- angle a2 du cône de la paroi 9 par rapport à l'axe X du tube 2 20 L6- distance de l'extrémité amont 20 du tube d'arrivée d'air 2 de l'injection de gaz périphérique 10 L2- distance de l'extrémité amont 20 du tube d'arrivée d'air 2 du mélangeur 5 L8- distance de l'extrémité amont 20 du tube d'arrivée d'air 2 de l'injection 25 de gaz intermédiaire 11, si l'injection de gaz intermédiaire 11 est disposée en amont de l'extrémité 20, alors cette longueur est négative. DeltaP est la différence de pression entre le brûleur 1 et le foyer 8. 30 13 Dimension borne borne valeur Résultat technique inférieure supérieure mesurées L 972 1944 1591 NOx 25 ppm 2500 coût brûleur hors marché il 162 1591 324 NOx 250 mmCE élément 40 d'axe 2 - 3 NOx 25 ppm nb trous par élément 40 d'axe x/x' - 20 NOx 25 ppm 14 1267 1591 1591 NOx 25 ppm et CO 250 mmCE D8 37 78 58 stabilité de flamme avec R> 2 =OUI 30 stabilité de flamme avec R > 2 = NON L7 0 142 50 stabilité de flamme avec R >2 = OUI 200 coût brûleur non-optimisé 13 1429 1591 1571 stabilité de flamme avec R> 2 = OUI 1200 stabilité de flamme avec R> 2 = NON 324 1620 1296 CO 10 ppm mélangeur 14 section _ 39661 31729 DeltaP 250 mmCE 0 50 NOx 250 mmCE et risque injection gaz dans caisson d'air REVENDICATIONS1 Brûleur (1) à prémélange, constitué d'un tube d'arrivée d'air (2) de longueur L et d'une injection spécifique de gaz (3), ladite injection de gaz (3) comprenant un injecteur de gaz amont (4), un mélangeur (5), une injection de gaz aval (6) situé à une distance L3 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air (2) et un diffuseur (7), caractérisé en ce que l'injection de gaz (3) constitue un ensemble mécanique monobloc assurant une flamme (82) élémentaire autostable. 2. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube d'arrivée d'air (2) a une longueur L et un diamètre D1, tel que la longueur L est comprise entre trois et six fois le diamètre D1. 3. Brûleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'injecteur de gaz amont (4) est situé à une distance L1 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air (2) comprise entre 0,5 fois le diamètre D1 et la longueur L. 4. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur de gaz amont (4) comprend au moins deux éléments (40) d'axes x et x' disposés radialement au tube d'arrivée d'air (2), chaque élément comportant des trous d'injections de gaz disposés le long de son axe. 25 5. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur de gaz amont (4) comprend au moins deux éléments mélangeurs (41) d'axe y et y' incliné par rapport au rayon du tube (2) et reliant le tube d'arrivée d'air (2) et le conduit d'injection gaz (31) et que chaque élément mélangeur (41) 30 comporte des trous d'injections de gaz (410) disposés le long de son axe y ou y'. 20 2 6. Brûleur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diffuseur (7) est situé à une distance L4 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air (2) comprise entre L et L - Dl. 5 7. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diffuseur (7) a une section inférieure ou égale à 0,5 fois la section du tube d'arrivée d'air 10 8. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diffuseur (7) comprend un élément de stabilisation (71) de diamètre D5 et un concentrateur (14) de diamètre D8 et de longueur L7, que le élément de staPilisation (71) est percé de trous répartis sur deux cercles concentriques de diamètre D6 et D7, que D7 9. Brûleur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'injection de gaz aval (6) est situé à une distance L3 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air (2) comprise entre L4 - (0,5 x D1) et L4. 10. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube d'arrivée d'air est prolongé de parois (9) de protection mécanique de la flamme (82). 11. Brûleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les parois (9) de protection mécanique de la flamme (82) ont un diamètre D2 compris entre le diamètre Dl du tube d'arrivée d'air (2) et 5 x Dl. 12. Brûleur (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que les parois (9) de protection mécanique de la flamme (82) ont un angle d'inclinaison a2 par rapport à l'axe du brûleur compris entre 00 et 20°. 3 13. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube d'arrivée d'air (2) a un diamètre D1 et qu'une injection de gaz périphérique (10) est située à une distance L6 d'une extrémité amont du tube d'arrivée 5 d'air (2) tel que : 0 - L6) __2*D1 14. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélangeur (5) est situé à une distance L2 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air (2) telle que : (L - L3) - L2) 10 15. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélangeur (5) a une section inférieure ou égale à 0,5 fois la section du tube d'arrivée d'air. 15 16. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un second tube d'air secondaire (22) de diamètre D4 concentrique au tube d'air (2) de diamètre Dl tel que D4> Dl. 17. Brûleur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce 20 qu'une injection de gaz intermédiaire (11) est située à une distance L8 de l'extrémité amont du tube d'arrivée d'air (2) telle que L8 > 0. 18. Ensemble (12) caractérisé en ce qu'il comprend un nombre Nmax de brûleurs (1) selon une des revendications précédentes. 25 19. Ensemble (12) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le nombre Nmax de brûleurs (1) développent une puissance comprise entre Pmax et Pmin, que l'ensemble (12) est apte à fonctionner avec un nombre Nmin de brûleurs (1) et que sa puissance est variable selon le 30 nombre N de brûleurs (1) en fonctionnement, tel que sa variation de puissance Vp = (Nmax x Pmax) / (Nmin x Pmin). 4 20. Ensemble de brûleurs (12) selon une des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce qu'il comprend m injections de gaz périphérique, tel que m > 1. 5