Domaine technique

La présente invention se rapporte aux brûleurs industriels à gaz. Ces brûleurs émettent des oxydes d'azote (NOx) qui sont des sources de pollution.

La réduction des oxydes d'azote issus de la combustion est donc un enjeu de développement des brûleurs industriels. La combustion du gaz (naturel ou autre gaz) génère des oxydes d'azote par oxydation de l'azote de l'air à haute température. Ces oxydes d'azote sont généralement appelés oxydes d'azote d'origine thermique.

• Les vitesses de formation des oxydes d'azote, répondent aux lois d'Arrhenius sont très dépendantes : de la teneur locale en oxygène, · de la teneur locale en azote,

• de la température locale (notamment au delà de 1500 °C).

Aujourd'hui les brûleurs industriels à gaz sont essentiellement des brûleurs à flamme de diffusion, c'est-à-dire des brûleurs où le mélange comburant et carburant est réalisé intégralement dans la chambre de combustion. Pour ces brûleurs à flamme de diffusion, les techniques de réduction des oxydes d'azote d'origine thermique les plus largement utilisées sont généralement basées sur des variations locales des teneurs en oxygène et combustible, soit par étagement de l'air ou par étagement du combustible.

Dans le cas d'une combustion à flamme avec prémélange du comburant et du combustible, la température au cœur de la flamme est plus homogène et dépend très fortement du ratio comburant/combustible. Par conséquence directe, les émissions d'oxyde d'azote sont donc également extrêmement sensibles à ce ratio.

Le procédé et le brûleur objets de la présente invention concernent un brûleur gaz bas NOx basé sur la technologie de prémélange. L'expérience montre que les oxydes d'azote peuvent varier dans un rapport de plus de 10 en fonction du ratio comburant/combustible. Par exemple, lorsque le comburant est de l'air ambiant, et que le gaz carburant est un gaz riche (Pouvoir Calorifique Inférieur > 6 kWh par Nm ³ ) la quantité de comburant nécessaire à une combustion complète du gaz et une faible génération d'oxyde d'azote est comprise entre 140 et 170% de la quantité de comburant stœchiométrique. Dans ces conditions, les émissions d'oxyde d'azote issues de la combustion en prémélange deviennent extrêmement faibles comparées à celles obtenues avec une flamme de diffusion.

Cependant, cet excès de comburant est un obstacle à l'utilisation de cette technique de prémélange dans des procédés tels que chaudières, fours industriels, etc.. où un large excès de comburant au delà des 100% de la stœchiométrie nécessaire à la combustion génère des pertes thermiques supplémentaires lors de son rejet à la cheminée à température élevée (> 100°).

Le brûleur objet de la présente invention utilise la technique de prémélange pour sa performance bas NOx, et un dispositif complémentaire afin de réduire cet excès d'air global au brûleur sans pour autant augmenter les émissions d'oxydes d'azote d'origine thermique.

Dans ce brûleur, les essais ont démontré que pour assurer à la fois une température suffisante à la combustion mais également une très faible production d'oxydes d'azote d'origine thermique, le ratio comburant/carburant dans le prémélange ou plus précisément le ratio (R) avait une grande importance.

p-j_ Débit. Combustible Pr emelange x PCI combustible

l000x(DébitCombustible Pr emelange.CP combustible + DébitComburant.CP comburant)

PCI étant le pouvoir calorifique inférieur, c'est-à-dire le pouvoir calorifique sans tenir compte de l'énergie de la condensation.

CP étant la capacité thermique en kJ/kg.

Les débits étant en kg/h. Le procédé de combustion selon l'invention comprend un brûleur à prémélange constitué d'un ensemble de buses de prémélange disposées circulairement selon un diamètre DB autour d'une buse centrale disposée sur un axe central au brûleur et destinée à créer une flamme radiale caractérisée en ce que l'ensemble des buses a un ratio comburant/carburant (R) compris entre 1 ,3 et 1 ,75.

Le brûleur est un brûleur à prémélange constitué de deux types de buses. Un ensemble de buses de prémélange disposées circulairement selon un diamètre DB et destinées à réaliser des flammes principalement axiales. Ces buses périphériques sont positionnées autour d'une buse centrale disposée sur l'axe central du brûleur et destinée à créer une flamme radiale.

La flamme radiale issue de la buse centrale a pour but d'assurer l'inter-allumage entre les différentes buses de prémélange dites « périphériques ». La flamme radiale est également réalisée par une combustion en prémélange avec, au niveau de cette buse, un ratio (R) compris entre 1 ,3 et 1 ,75

Selon une caractéristique particulière, la buse centrale est en prémélange. Ceci qui garantit une meilleure répartition du ratio (R).

Selon une autre caractéristique, la flamme radiale est une flamme de prémélange représentant 3 à 20% du débit total de carburant émis par les buses.

Selon une disposition particulière, la buse centrale et les buses périphériques sont à prémélange et ont chacune un ratio comburant/carburant (R) compris entre 1 ,3 et 1 ,75. Chacune des buses ayant un ratio (R) optimum, la quantité de NOx émise par chaque buse est réduite, et les zone d'intersection entre les flammes des différentes buses émettent également peu de NOx.

Selon une autre disposition, la buse centrale est démontable. La buse centrale est démontable et peut être remplacée facilement par une lance d'injection de combustible liquide, ce qui confère au brûleur la possibilité d'être mixte gaz et liquide.

Selon une caractéristique particulière, les buses de prémélange ont un élément de déviation qui donne un angle de sortie au prémélange compris entre -45° et +45° par rapport à l'axe cenrtal A. Les buses de prémélange ont des sorties axiales ou inclinées par rapport à l'axe du brûleur et l'angle de sortie des buses varie entre -45 et + 45° pour adapter le forme de flamme aux différentes géométries de foyer et en faisant varier les rapports longueur/diamètre de flamme dans un rapport de plus de 4.

Selon une disposition particulière, des injecteurs de gaz sont placés sur la périphérie du brûleur autour des buses périphériques sur un diamètre DL. Pour réduire l'excès d'air/comburant au brûleur sans augmenter les émissions d'oxydes d'azote, une proportion de gaz doit être injectée à l'extérieur des buses de prémélange. , Cette injection complémentaire de gaz est réalisée à l'aide d'injecteurs disposés entre chaque buse ou toutes les deux ou trois buses.

Selon une caractéristique particulière, des injecteurs de gaz sont placés sur la périphérie du brûleur autour des buses périphériques sur un diamètre DL et les injecteurs injectent 20% à 50% du carburant total injecté.

Selon une autre caractéristique, les injecteurs ont un angle de sortie compris entre 0 et 40° par rapport à l'angle de sortie des buses périphériques. Le gaz complémentaire est injecté dans un diamètre DL proche du diamètre extérieur DB des buses à ± 10% et il est injecté avec un angle de 0 à 40° par rapport à l'axe des buses ce prémélange, et de préférence compris entre 10 et 30° . Ceci permet de ne pas augmenter le ratio (R) localement par un mélange trop rapide entre ce complément de gaz injecté et le prémélange issu des buses. Le gaz est injecté de façon à se mélanger d'abord avec les fumées recirculant à la périphérie de flamme. L'avantage de cette configuration est de faciliter son adaptation aux ouvertures des foyers et/ou chaudières, en particulier aux foyers ou chaudières existants.

Selon une caractéristique particulière, le diamètre DL a une dimension en mm inférieure ou égale à : [P (en MW) x20] + 450. P étant la puissance en Mégawatt. Cette dimension permet une optimisation de la taille du brûleur et donc de l'ouverture du foyer et/ou de la chaudière.

Selon une autre disposition, les injecteurs sont équipés d'un système de venturi. Le gaz est injecté avec un système de venturi qui accélère le prémélange de la fumée périphérique à la flamme gaz et le complément de gaz injecté.

Selon une autre caractéristique, le diamètre DL est compris entre 1 ,2 et 1 ,6 fois le diamètre DB des buses périphériques. Les injecteurs injectent le gaz dans un diamètre supérieur au diamètre DB des buses. Les injections complémentaires de gaz sont mises en place via des injecteurs droits traversant le mur du foyer et/ou de la chaudière, ou par des injecteurs coudés mis en place par rotation mécanique depuis l'extérieur du foyer pour les foyers dont le mur ne permet pas de traversée de lances droites.

Selon une autre caractéristique, les injecteurs ont un angle de sortie compris entre -20° et +20° par rapport à l'axe du bûleur.

Selon une variante, les buses ont un stabilisateur de flamme qui représente 0,1 à 0,4 fois la section de ladite buse. La stabilité des flammes de prémélange étant sensible aux gradients de vitesses locaux, il est nécessaire d'utiliser un dispositif fiable servant à "accrocher" et stabiliser la flamme. Ceci a nécessité la mise au point d'un dispositif performant d'accrochage et de stabilisation de flamme grâce à un stabilisateur inséré à la sortie de chaque buse qui permet d'étendre la stabilité de la flamme de prémélange pour un ratio (R) plus important, et augmente également la variation de débit du brûleur sans risque de remontée de flamme dans la buse de prémélange. Pour que la variation de charge du brûleur soit supérieure à 6 et que la perte de charge globale du brûleur soit < à 300 DaPa, la surface du stabilisateur de flamme par rapport à la surface de la buse doit être comprise entre 0,1 et 0,4. Le stabilisateur pouvant être mis au centre de la buse, ou à l'extérieur de la buse.

Selon une caractéristique particulière, le stabilisateur de flamme détermine l'angle de sortie du prémélange. L'angle de sortie du prémélange est donné par des éléments de déviation associés ou pas au stabilisateur de flamme.

Selon une autre disposition, les buses périphériques ont un stabilisateur de flamme comportant une partie radiale disposée au centre de chaque buse périphérique. Pour un meilleur accrochage de la flamme au nez de chaque buse de prémélange, le stabilisateur comporte une partie stabilisatrice radiale qui assure une meilleure diffusion de la flamme centrale radiale vers le centre de chaque buse périphérique. Cela assure une inflammation rapide du prémélange à la sortie des buses périphériques au niveau du stabilisateur pour une grande plage de vitesse de la sortie des buses de prémélange et donc une grande plage de variation de puissance du brûleur.

L'invention concerne également un brûleur mis en œuvre par le procédé.

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 d'exemple.

La figure 1 est une coupe d'un brûleur de l'état de la technique, montrant l'implantation des buses périphériques

- La figure 2 représente une vue de face du brûleur de la figure 1 ,

La figure 3 représente une coupe d'un brûleur selon l'invention, montrant la disposition de la buse centrale et la diffusion de la flamme radiale

Le figure 4 est une vue de face du brûleur de la figure 2,

- La figure 5 est le détail d'une buse avec le stabilisateur selon un premier mode de réalisation, La figure 6 est le détail d'un second mode de réalisation d'une buse selon l'invention,

La figure 7 est le détail d'un troisième mode de réalisation d'une buse selon l'invention avec le stabilisateur et les éléments de déviation, - La figure 8 est le détail d'une buse selon un quatrième mode de réalisation,

La figure 9 est le détail d'une buse périphérique avec la buse centrale,

La figure 10 est une vue en coupe d'un brûleur selon un deuxième mode de réalisation, avec l'injection de gaz complémentaire

La figure 1 1 est une vue de face du brûleur de la figure 10, La figure 12 montre le détail d'un injecteur vu de profil, La figure 13 est une vue de face de l'injecteur de la figure 12, La figure 14 est une vue en coupe d'un brûleur selon un troisème mode de réalisation,

La figure 15 est une vue en coupe d'un quatrième de mode réalisation d'un brûleur selon l'invention.

Le brûleur 1 de l'état de la technique illustré aux figures 1 comprend des buses 2 de prémélange disposées circulairement autour de l'axe A du brûleur 1 . Chaque buse 2 est de préférence cylindrique, la quasi-totalité du comburant (généralement de l'air) y est introduit. Le combustible est quant à lui injecté dans ces buses 2 via une série d'injecteurs primaires, dont le nombre peut varier de 1 à 16 en fonction de la puissance du brûleur et de la pression gaz disponible.

Chaque injecteur primaire 3 diffuse le gaz à l'aide d'une série de trous

(non représentés) répartis radialement sur l'injecteur primaire 3 et faisant un angle de 90° à 45° par rapport à l'axe de la bue 2. La position des injecteurs primaire 3 dans la buse 2 et la répartition étagée des trous est définie afin de diffuser de manière la plus homogène possible le gaz dans toute la surface de la buse 2, en évitant les zones d'intersection des jets et par conséquent les zones de cumul de gaz et les zones sans gaz dans le prémélange.

Le brûleur 1 selon l'invention représenté aux figures 3 et 4 comprend des buses 2 périphériques et une buse centrale 4. Les buses de prémélange 2 sont disposées de préférence circulairement autour d'une buse centrale 4 créant une flamme radiale 5. Cette flamme radiale 5 a pour mission d'assurer l'inter-allumage entre les différentes buses de prémélange 2. Une flamme radiale est également réalisée par une combustion en prémélange afin de conserver le ratio (R) favorable à la faible production d'oxydes d'azote d'origine thermique à l'intersection de la flamme radiale 5 et des flammes axiales issues des buses 2.

La buse centrale 4 est démontable et peut être remplacée par un autre type de buse ce qui donne une certaine mixité au brûleur 1 .

Les différentes variantes de buses 2 illustrées aux figures 5 à 8 comprennent un stabilisateur 6 disposé :

- au centre de la buse 2 sur la figure 5,

- sur les deux cotés de la buse 2 sur la figure 6,

- au centre avec des ailettes 60 sur la figure 7,

- avec un conduit arrondi 61 au bout duquel est placé le stabilisateur 6 sur la figure 8.

La figure 9 montre une forme de stabilisateur 6 présentant une partie radiale 62 qui permet à la fois de pouvoir disposer le stabilisateur 6 au milieu de la buse 2. Cette partie radiale 62 assure une meilleure diffusion de la flamme centrale radiale 5 vers le centre de chaque buse périphérique 2.

Les figures 10 et 1 1 montrent un deuxième mode de réalisation du brûleur 1 où des injecteurs 7 disposés sur la périphérie du brûleur 1 à l'extérieur du diamètre DB des buses 2 sur un diamètre DL. Les injecteurs 7 sont placés entre deux buses 2 (cf figure 1 1 ) ou toutes les deux buses. Cette position permet un mélange plus aisé des mélanges des buses 2 avec le gaz des injecteurs 7. Dans un mode de réalisation, l'injecteur 7 débouche sur un venturi 70 (cf. figures 12 et 13) qui permet l'accélération du mélange du gaz issu des injecteurs 7 avec les gaz combustion à faible teneur en oxygène circulant en périphérie de la flamme du brûleur. Cette disposition permet une combustion lente de ce gaz additionnel injecté par les injecteurs 7 et limite la formation de NOx liée à cette combustion. Ce venturi 71 a une forme semi circulaire afin d'entourer le bout 71 de l'injecteur 7.

Le brûleur 1 illustré figure 14 est disposé sur un mur 8 et il présente des injecteurs 7 placés à l'extérieur du diamètre DB des buses 2. Les injecteurs 7 sont droits et traversent le mur 8. Lorsqu'il n'est pas possible de traverser le mur 8, les injecteurs 7 longent le brûleur 1 pour traverser le mur 8 puis se poursuivent par une partie coudée 73 qui permet d'injecter le gaz à la distance choisie. Les injecteurs 7 injectent le gaz avec un angle compris entre -20° et +20° , cet angle d'injection st réalisé de façon connu par exemple par des orifices inclinés (non représentés).