Brevet FR3087363A1 — publié le 20200424

Description Titre de l'invention : Buse d'atomisation assistée, atomiseur et brûleur le contenant et leur utilisation [0001] La présente invention concerne l'atomisation assistée de liquides et en particulier l'atomisation assistée de combustibles liquides en vue de leur combustion. [0002] De nombreux procédés utilisent des brûleurs à combustibles liquides pour répondre au moins partiellement à leur besoin énergétique. [0003] Par rapport à la combustion d'un combustible gazeux, la combustion d'un com- bustible liquide présente toutefois l'inconvénient de nécessiter d'abord une atomisation du liquide en fines gouttelettes qui s'évaporent avant de brûler avec l'oxydant, [0004] L'étape d'atomisation du combustible liquide est primordiale, car les propriétés du spray de combustible liquide (taille (diamètre) et distribution de taille des gouttelettes, forme, orientation, longueur de rupture (longueur intacte du jet liquide), etc.) déterminent en grande partie les propriétés de la flamme résultante et l'efficacité de la combustion. [0005] Du fait que l'atomisation d'un liquide en spray présente également un coût énergétique non-négligeable, l'efficacité d'atomisation détermine non seulement les propriétés de la flamme résultante, mais influence également le rendement énergétique de la combustion et donc du brûleur ainsi que de l'installation et du procédé de combustion. [0006] Une partie importante des atomiseurs de combustibles liquides fonctionnent à l'atomisation dite assistée. Dans ce cas, l'atomisation du liquide en gouttelettes est produite par l'action sur un jet ou courant de liquide d'un gaz dit d'atomisation à vitesse élevée qui provoque la rupture du jet liquide en un spray de gouttelettes. [0007] Par rapport à l'atomisation non-assistée, l'atomisation assistée permet une plus grande flexibilité en ce qui concerne le débit et/ou la viscosité du liquide à atomiser. Elle permet également l'atomisation de liquides contenant des particules solides susceptibles de bloquer un atomiseur pour atomisation non-assistée. [0008] L'atomisation assistée permet de réaliser une atomisation fine du liquide et donc une combustion efficace et rapide du combustible liquide. [0009] Elle nécessite toutefois des débits de gaz d'atomisation non négligeables. [0010] Les gaz d'atomisation les plus courants sont Fair et la vapeur d'eau. [0011] L'utilisation d'un gaz inerte comme la vapeur d'eau ou d'un gaz majoritairement inerte comme de l'air dilue la flamme générée, puisque le gaz inerte capte une partie de l'énergie libérée par la combustion sans participer à la réaction. Ce qui plus est, quand le gaz d'atomisation contient de l'azote, comme c'est le cas pour l'air d'atomisation, son emploi peut entraîner une production de NOx additionnels. [0012] Finalement, il y a également un coût lié à la génération de jets de gaz d'atomisation, notamment, mais pas uniquement, quand il s'agit de jets de vapeur d'eau. [0013] L'atomisation assistée avec de l'oxygène comme à la fois gaz d'atomisation et oxydant, telle que proposée dans EP-A-1696176 AI, ou encore avec un gaz combustible (par exemple du gaz naturel) pour éviter la dilution de la flamme et la production de NOx additionnels, n'apporte pas une solution satisfaisante, car elle entraîne des problèmes de cokéfaction et de bouchage au nez de l'atomiseur. [0014] La présente invention a pour but de permettre une atomisation assistée hautement efficace et peu énergivore d'un liquide, et en particulier d'un combustible liquide, avec une quantité relativement faible de gaz d'atomisation. Elle a également pour but d'améliorer l'efficacité énergétique du procédé et de l'installation de combustion dans lesquels au moins une partie du besoin énergétique est fournie par la combustion d'un combustible liquide ainsi atomisé. [0015] A cette fin, la présente invention propose de réaliser, par atomisation assistée, un spray en forme d'éventail. [0016] En effet, le rendement énergétique d'un nombre important de procédés de combustion se trouve amélioré en limitant la génération de chaleur par combustion à la zone de l'installation nécessitant un tel apport de chaleur. Par exemple, le rendement énergétique d'un four de fusion peut être amélioré en limitant la zone de combustion au voisinage de la charge à fondre et au voisinage de la surface de la matière fondue. [0017] Par rapport à un spray avec section essentiellement circulaire, un spray et, par conséquent, une flamme en forme d'éventail permet de concentrer la combustion au voisinage d'une telle charge et d'éviter une combustion importante du combustible à une position éloignée de la charge. [0018] La présente invention concerne en premier lieu une buse permettant de réaliser un spray en t'imite d'éventail. [0019] L'invention concerne plus particulièrement une buse pour l'atomisation assistée d'un liquide et pour l'injection du liquide atomisé dans une zone aval, typiquement une zone de combustion aval. [0020] La buse suivant l'invention présente une multitude de canaux (deux ou plus) pour le liquide à atomiser. Chaque canal présente un axe longitudinal et se termine en une ouverture d'injection donnant sur la zone aval. La multitude de canaux est positionnée en forme d'éventail s'évasant vers la zone aval. En d'autres termes, les canaux de cette multitude de canaux sont positionnés comme les lames ou bâtons rayonnant d'un éventail ouvert. [0021] Suivant la présente invention un ou deux passages de gaz d'atomisation sont associés à chacun des canaux. Chaque passage de gaz d'atomisation présente un axe Ion- gitudinal et se termine en un orifice de sortie qui débouche dans le canal auquel le passage en question est associé et ceci en amont de l'ouverture d'injection dudit canal. L'axe longitudinal du passage définit avec l'axe longitudinal du canal auquel il est associé un plan formant un angle u entre 80° et 100° avec (le plan de) la forme d'éventail. Chaque passage forme dans ledit plan un angle aigu [3 entre 10° et 60° avec l'axe longitudinal du canal auquel il est associé, l'angle I étant définit par le passage et la partie du canal associé en amont de l'orifice de sortie du passage. [0022] Une telle buse permet de réaliser un spray en éventail dans la zone en aval de la buse avec un minimum de gaz d'atomisation. [0023] Suivant une forme de réalisation particulièrement efficace, le rapport entre, d'une pan, la distance L entre l'orifice de sortie d'un passage dans un canal et l'ouverture d'injection dudit canal et, d'autre part, le diamètre d de ladite ouverture d'injection est supérieur à 1 et inférieur à 4. Ce rapport est de préférence inférieur ou égal à 2,5. [0024] Suivant une forme de réalisation simple de la buse, un seul passage est associé à chaque canal. Dans ce cas, ces passages peuvent tous être situés d'un même côté de la forme d'éventail de la multitude de canaux, ce qui permet une forme particulièrement compacte de la buse. Suivant une autre forme de réalisation, les passages peuvent être situés des deux côtés de la forme d'éventail, [0025] Suivant une forme de réalisation plus performante, au moins un canal présente deux passages associés, les deux passages associés étant situés d'un côté et de l'autre de la forme d'éventail. Suivant une forme de réalisation particulière chaque canal présente deux passages associés, les deux passages associés à chacun des canaux étant situés de côté et autre de la forme d'éventail. [0026] L'angle y entre les axes longitudinaux de cieux canaux successifs de la forme d'éventail est typiquement choisi de manière à ne pas trop éloignés l'un de l'autre les jets injectés dans la zone aval par ces deux canaux successifs et d'assurer un spray et une flamme indivisés. Par deux canaux successifs on comprend deux canaux de la multitude de canaux qui sont positionnés comme des lames ou bâtons voisins de la forme d'éventail. [0027] Ce qui plus est, pour certaines applications, il convient de choisir l'angle total b de la forme d'éventail, angle total qui correspond à la somme des angles y de la forme d'éventail, de manière à éviter que le spray en éventail et donc également la flan-nue générée par la combustion du spray se rapproche trop de la paroi dans laquelle la buse est montée, voire de sprays ou flammes adjacents avec lesquels le spray ou la flamme pourrait interférer. [0028] On choisira de manière avantageuse un angle y entre les axes longitudinaux de cieux canaux successifs de la. forme d'éventail entre 6° et 32°, de préférence entre 10° et 20°, et encore de préférence entre 12° et 16'. La somme des angles y constitue l'angle total 4 b de l'éventail. [0029] La multitude de canaux comprend un minimum de deux canaux. Dans ce cas, les deux canaux sont positionnés suivant les jambes de la lettre "V" s'évasant vers la zone aval. Cette multitude de canaux comporte de préférence au moins trois canaux. En général un spray liquide en éventail de bonne qualité peut être obtenu avec pas plus que 5 canaux, voire pas plus que 4. Il est évident qu'un nombre limité de canaux et de passages rend la fabrication de la buse plus aisée. [0030] L'angle a entre le plan définit par l'axe longitudinal d'un passage avec l'axe lon- gitudinal du canal associé audit passage et la forme d'éventail est de préférence de 85° à 95°, de préférence en substance égal à 90°. [0031] L'angle aigu (3 entre l'axe longitudinal d'un passage et l'axe longitudinal du canal auquel le passage est associé est de préférence entre 25° et 45°. [0032] La buse peut comporter, à l'opposé des ouvertures d'injection des canaux, une entrée pour liquide à atomiser qui est fluidiquement reliée à l'ensemble des canaux de la multitude de canaux. Autrement dit, ladite entrée est reliée à chacun desdits canaux de manière à pouvoir alimenter chaque canal en liquide à atomiser. [0033] 11 est également possible de prévoir, à l'opposé des ouvertures d'injection, une entrée par canal, c'est-à-dire pour chacun des canaux une entrée distincte pour liquide à atomiser qui est fluidiquement reliée audit canal. [0034] La présente invention concerne également un atomiseur pour l'atomisation assistée d'un liquide et pour l'injection du liquide atomisé dans une zone aval comportant une buse suivant l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus. Ledit atomiseur comporte également : un premier conduit d'alimentation pour l'alimentation de la buse en liquide à atomiser, le premier conduit étant directement ou indirectement fluidiquement relié à chacun des canaux, un deuxième conduit d'alimentation pour l'alimentation de la buse en gaz d'atomisation, le deuxième conduit étant directement ou indirectement fluidiquement relié à chacun des passages. [0035] Dans le présent contexte un conduit est directement fluidiquement relié à un canal ou à un passage, quand le conduit est directement, c'est-à-dire sans élément intermédiaire, fluidiquement connecté au dit canal ou passage. Un conduit est indirectement fluidiquement relié à un canal ou à un passage, quand le conduit est fluidiquement connecté audit canal ou passage à travers une pièce intermédiaire, comme par exemple une chambre de distribution de fluide, située entre le conduit et le canal ou passage et à travers laquelle le fluide est transporté du conduit vers le canal ou passage. [0036] Suivant une forme de réalisation avantageuse permettant un accouplement aisé des deux conduits à la buse, le deuxième conduit pour le gaz d'atomisation entoure le premier conduit pour le liquide à atomiser en amont de la buse. Il est à noter que, dans cette forme de réalisation, il n'est pas nécessaire que le deuxième conduit entoure le premier conduit sur toute sa longueur. Il suffit que le deuxième conduit entoure le premier directement en amont de la buse. [0037] Les joints entre les conduits d'alimentation et la buse sont avantageusement situés à une distance de la buse de manière à ce que quand l'atomiseur suivant l'invention est utilisé pour injecter un spray de combustible liquide dans une zone de combustion aval. On note que quand le deuxième conduit d'alimentation entoure le premier conduit d'alimentation en amont de la buse, le deuxième conduit d'alimentation et le gaz d'atomisation s'écoulant à l'intérieur du deuxième conduit protège le premier conduit d'alimentation et le liquide s'écoulant à l'intérieur contre une surchauffe par la chaleur générée dans la zone de combustion aval. [0038] La présente invention concerne également un brûleur pour l'atomisation assistée et pour l'injection d'un combustible liquide dans une zone de combustion aval. Ce brûleur comporte une buse suivant l'une quelconque des formes de réalisation décrites ou un atomiseur suivant l'une quelconque des formes de réalisation décrites. Ledit brûleur comporte également au moins un injecteur pour l'injection d'un comburant dans la zone de combustion en vue de la combustion du combustible atomisé avec le comburant dans la zone de combustion aval. [0039] Le au moins un injecteur pour l'injection du comburant du brûleur suivant l'invention peut être positionné de manière à ce que l'ensemble du comburant injecté à travers cet au moins un injecteur est injecté dans la zone aval en contact avec le spray. Suivant une forme de réalisation alternative, le brûleur comporte un ou plusieurs injecteurs pour l'injection de comburant positionné de manière à ce que le comburant injecté par ledit un ou plusieurs injecteurs est injecté dans la zone aval à une distance du spray. Une telle forme de réalisation est notamment utile afin d'effectuer une combustion étagée du combustible. [0040] L'invention couvre également un procédé d'injection dans une zone aval d'un spray obtenu par atomisation assistée d'un liquide, procédé dans lequel : on alimente une buse suivant l'invention ou un atomiseur suivant l'invention ou encore un brûleur suivant l'invention en liquide à atomiser de manière à ce que le liquide à atomiser coule dans les canaux en direction des ouvertures d'injection desdits canaux, et on alimente, selon le cas, la buse en tant que tel, (la buse de) l'atomiseur ou (la buse du) le brûleur en gaz d'atomisation de manière à ce que le gaz d'atomisation s'écoule dans les passages en direction de l'orifice de sortie dudit passage et de l'orifice de sortie dans le canal auquel le passage est associé de manière à procéder à l'atomisation assistée du liquide et l'injection 6 du spray dans la zone aval à travers l'ouverture d'injection du canal associé. [0041] Le liquide à atomiser est avantageusement un combustible liquide, de préférence choisi parmi les liquides suivants : le fioul lourd, le fioul domestique, des déchets combustibles liquides, des solvants, des combustibles liquides issus de la transformation de combustibles solides tels que charbon, biomasse ou déchets, ou des mélanges contenant au moins un, de préférence au moins deux, de ces liquides. [0042] La présente invention présente effectivement l'avantage de permettre une atomisation efficace et, de ce fait, une combustion efficace d'une large gamme de liquides combustibles. [0043] Le gaz d'atomisation est de préférence choisi parmi les gaz suivants : de l'air, de la vapeur, de l'oxygène, de l'air enrichi en oxygène, du dioxyde de carbone, des fumées recyclées, du combustible gazeux tel que le gaz naturel, et les mélanges contenant au moins un desdits gaz, voire les deux gaz. [0011] Chaque gaz de combustion présente ses propres avantages. Par exemple, l'air est toujours disponible à faible coût. La vapeur est notamment utile pour l'atomisation de liquides visqueux. L'air enrichi en oxygène, l'oxygène (dit "oxygène industriel") et le combustible gazeux permettent de promouvoir la combustion du liquide combustible. L'utilisation de fumées recyclées et/ou de dioxyde de carbone (recyclé) permet de réduire les émissions de CO2 et/ou les émissions de NOx. [0045] L'invention concerne également un procédé de combustion dans lequel : - un combustible liquide est atomisé et injecté dans une zone de combustion aval au moyen du procédé d'injection décrit ci-dessus, et un comburant est introduit dans la zone de combustion aval de manière à générer une combustion du combustible avec le comburant dans cette zone de combustion. [0046] Le comburant est de préférence choisi parmi le groupe comprenant de l'air, de l'oxygène, tout mélange de ces deux gaz et les mélanges d'oxygène avec du CO, ou des fumées recyclées, souvent appelés « air artificiel ». [0047] Quand la buse est destinée à être utilisée pour l'injection d'un liquide combustible à brûler et en particulier quand la buse est intégrée dans un brûleur, la buse est avantageusement réalisée en un matériau adapté résistant à des températures élevées, en particulier en présence d'un oxydant, tel que les aciers haute température, les alliages à hase de NiCr, tels que commercialisés sous la dénomination commerciale Inconel®, les alliages type FeCrAl, tels que commercialisés sous la dénomination commerciale Kanthal®, des céramiques, etc. [0048] Quand le gaz d'atomisation utilisé pour l'atomisation assistée du combustible liquide contient de l'oxygène, comme c'est le cas pour l'air, l'air enrichi en oxygène et l'oxygène, le gaz d'atomisation contribue à la combustion du combustible. Toutefois, le débit de gaz d'atomisation ne suffit généralement pas afin d'atteindre le niveau de combustion recherché du combustible et le comburant est alors introduit dans la zone de combustion aval afin de compléter la combustion du combustible avec le comburant jusqu'au niveau de combustion recherché. En fonction du procédé global dans lequel la combustion du combustible a lieu, le niveau de combustion recherché peut être une combustion partielle, par exemple pour la production de syngaz, ou une combustion complète du combustible. [0049] Comme indiqué ci-dessus en rapport avec le brûleur suivant l'invention, le comburant peut être injecté dans la zone de combustion aval en contact avec le spray. Suivant une forme de réalisation alternative, le comburant peut entièrement ou partiellement être injecté dans la zone de combustion aval à une distance du spray de manière à ce que la partie correspondante du comburant entre en contact avec le spray de combustible à l'intérieur de la zone de combustion à une distance des ouvertures d'injection de la buse. [0050] Le procédé de combustion suivant l'invention s'avère particulièrement utile pour des applications où la zone de combustion est située à l'intérieur d'une chaudière, à l'intérieur d'un four de fusion, à l'intérieur d'un four de réchauffage etc. Comme déjà indiqué dans l'introduction, l'invention est particulièrement avantageuse pour des procédés et des installations dans lesquels une charge solide et/ou liquide est chauffée dans un four, du fait que l'invention permet de concentrer la combustion à l'intérieur de la zone de combustion, à proximité de la charge. Des exemples de tels procédés et installations sont des procédés et installations de fusion, d'affinage, de fusion/affinage (de métaux, de verre, etc.), de transport d'un écoulement de matière fondue, de réchauffage de produits métalliques et de cuisson. [0051] Les exemples décrits ci-après illustrent la présente invention et ses avantages, référence étant faite aux figures 1 à 4, dans lesquelles : [0052] La figure 1 est une représentation schématique d'une coupe transversale de quatre formes de réalisation, A, B, C et D, d'une buse suivant l'invention à travers le plan de la forme d'éventail des canaux de liquide à atomiser, [0053] La figure 2 est une représentation schématique d'une coupe transversale de trois formes de réalisation E, F et G, à travers un plan formé par un canal de liquide à atomiser et le ou les axes longitudinaux du ou des passages de gaz d'atomisation associés audit canal, [0054] La figure 3 est une représentation schématique d'une vue en perspective montrant les angles a et p. [0055] La figure 4 est une représentation schématique en coupe transversale d'un atomiseur suivant l'invention à travers un plan formé par un canal de liquide à atomiser et le ou les axes longitudinaux du ou des passages de gaz d'atomisation associés audit canal. 100561 Comme illustré dans la figure 1, la buse 10 suivant l'invention présente une multitude de canaux 11 : deux dans la forme de réalisation A. trois dans les formes de réalisation B et C et quatre dans les formes de réalisation D. [00571 Chaque canal 11 présente un axe longitudinal 12 et se termine en une ouverture d'injection 13 avec diamètre d (voir figure 4) donnant sur une zone aval 20. [0058] La multitude de canaux 11 est positionnée en forme d'éventail s'évasant vers la zone aval 20. Ainsi, dans la figure 1A, les deux canaux II sont positionnés selon les jambes d'une lettre V, avec l'ouverture du V dirigée vers la zone aval 20 et dans les figures 1B à D, les canaux 11 sont positionnés selon une succession de telles lettres V. [0059] On comprend par « canaux successifs », deux canaux 12 en position adjacente dans le plan de la forme d'éventail tel qu'illustré dans la figure 1. [0060] Dans les formes de réalisation illustrées, les axes longitudinaux 12 de l'ensemble des canaux 11 se situent entièrement dans le plan de la forme d'éventail. Toutefois, pour la réalisation d'un spray en éventail, ceci n'est pas strictement nécessaire, et lesdites axes 12 peuvent dévier légèrement du plan de la forme d'éventail, par exemple légèrement au-dessus et légèrement en-dessous dudit plan. Ce qui importe est que le spray de liquide atomisée, voire la flamme qui résulte de sa combustion, ait une forme en substance en forme d'éventail. [0061] L'angle y entre les axes longitudinaux 12 de deux canaux 11 successifs de l'éventail varie de 11° dans la forme de réalisation D de la figure 1 et 45° dans la forme de réalisation A de la figure I . L'angle total S de l'éventail, qui correspond à la somme des angles y, est environ 30°. [0062] Dans les formes de réalisation illustrées dans les figures 1 A, 1C et 1 D, la buse 10 comporte, à l'opposé des ouvertures d'injection 13 une seule entrée 21 pour le liquide à atomiser qui est fluidiquement reliée à l'ensemble des canaux 11. Dans le cas de la figure 1B, la buse 10 comporte, à l'opposé des ouvertures d'injection 13, une entrée 21 par canal 11. [0063] Dans la forme de réalisation illustrée dans les figures 2G et 4, un seul passage 15 de gaz d'atomisation est associé au canal 12 avec un angle P de 45° entre l'axe longitudinal 16 du passage 15 et l'axe longitudinal 12 du canal 11. Le passage 15 se termine dans le canal 11 par l'orifice de sortie 17. Comme illustré dans la figure 4, l'orifice 17 se trouve à une distance L de l'ouverture d'injection 13 du canal 11. [0064] L'angle a est mieux illustré dans la figure 3 qui montre schématiquement, d'une part le plan I de la forme d'éventail et, d'autre part, le plan II définit par l'axe longitudinal 12 du canal 11 et l'axe longitudinal 16 du canal 15 associé audit canal I l . Dans la forme de réalisation illustrée dans la figure 3, les plans I et II sont perpendiculaires (angle a = 90°). [0065] Dans les formes de réalisation F et G de la figure 2, deux passages 15 sont associés au canal 11, lesdits passages 15 étant situés de part et d'autre du plan de la forme d'éventail. [00661 La figure 4 montre un atomiseur 30 comportant une buse 10 suivant l'invention. L'atomiseur 30 comporte un premier conduit d'alimentation 31 destiné à alimenter la buse 10, et plus particulièrement les canaux 11 de la buse 10 en liquide à atomiser, ainsi qu'un deuxième conduit 35 destiné à alimenter la buse 10 et plus particulièrement les passages 15 de la buse 10, en gaz d'atomisation. [0067] Dans la forme de réalisation illustrée, le premier conduit d'alimentation 31 est di- rectement (c'est-à-dire sans élément intermédiaire) relié aux canaux 11 et le deuxième conduit est directement relié aux passages 15 (voir également figure 1B). Egalement suivant cette forme de réalisation illustrée, le premier conduit 31 est entouré du deuxième conduit 35, le premier conduit 31 et le deuxième conduit 35 étant plus particulièrement concentriques. [0068] Suivant une forme de réalisation alternative, le liquide à atomiser fourni par le premier conduit 31 et/ou le gaz d'atomisation fourni par le deuxième conduit 35 peu(ven)t être introduits dans les canaux 11, respectivement dans les passages 15 à travers une pièce intermédiaire, comme par exemple une chambre de distribution qui divise le flux global fournit par le conduit 31 et/ou le conduit 35 en plusieurs fractions, chaque canal 11, respectivement passage 15 recevant une fraction du flux global. Une telle chambre de distribution en amont des canaux I l est montrée dans les figures 1 A, Cet D. [0069] L'atomiseur suivant la présente invention permet de réaliser un spray en éventail dans la zone en aval de la buse avec un minimum de gaz d'atomisation. Il permet ainsi une atomisation hautement efficace et peu énergivore d'un combustible liquide, et une combustion optimisée du spray en forme d'éventail du combustible liquide ainsi obtenu. [0070] Comme expliqué plus en détail ci-après, le rapport J entre les flux de quantité de mouvement du le gaz d'atomisation et du liquide est un paramètre important pour l'efficacité de l'atomisation assistée, en particulier pour l'atomisation assistée d'un liquide combustible. [0071] Ce paramètre est donné par la formule suivante : p ,,U PIU)2 100721 Avec : [0073] p,= masse volumique du gaz d'atomisation, [00741 pi = masse volumique du liquide combustible, 100751 1J, = vitesse d'injection du gaz d'atomisation et IO [00761 U[ = vitesse d'injection du liquide combustible. [0077] De manière utile le paramètre J est compris entre 0,5 et 25,0 (0,5