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 bas- NOx 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 de longueur L et d’une injection spécifique de gaz, ladite injection de gaz comprend un injecteur de gaz amont, un mélangeur, une injection de gaz aval située à une distance L3 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air 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 D1 , tel que la longueur L est comprise entre trois et six fois le diamètre D1. Cette dimension permet d'obtenir un brûleur à la fois compact et performant.

Avantageusement, l’injecteur de gaz amont est situé à une distance L1 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air comprise entre 0,5 fois le diamètre D1 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 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 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.

II est à noter que l'injecteur de gaz amont ci-dessus peut être utilisé dans d'autres types de brûleurs de ceux décrits précédemment.

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 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 problème majeur de cette mise en œuvre 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).

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 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 - D1.

Avantageusement, le diffuseur a une section inférieure ou égale à 0,5 fois la section du tube d’arrivée d’air.

Avantageusement, le diffuseur comprend un élément de stabilisation de diamètre D5 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 < D8 < D6 et que la longueur L7 est comprise entre 0 et D5.

La combinaison du diffuseur et du concentrateur ci-dessus pourra être utilisée pour d'autres types de brûleurs que ceux décrits dans la présente description.

Afin d’obtenir des performances ultra bas-NOx en utilisant la technologie du prémélange, il faut apporter le gaz et l’air dans des proportions spécifiques tout en restant dans la plage d’inflammabilité du gaz à brûler. Par exemple, la plage d’inflammabilité du méthane, constituant principal du gaz naturel, est comprise entre 5% et 15%.

Si on définit le facteur d’air R par la formule suivante : R = (Qair) / (Qgaz x PCO) avec PCO = pouvoir comburivore

La plage d’inflammabilité du méthane est alors définie par : 0,66 < R < 2

Le fonctionnement d'un brûleur avec un facteur d’air supérieur à 2 qui permet d’obtenir des valeurs de NOx encore plus faibles, n’est pas possible avec les brûleurs classiques car la flamme ne bénéficierait pas d’une stabilité suffisante.

La mise en œuvre d’une injection de gaz aval combinée à une combinaison d'un élément de stabilisation d'un concentrateur tel que décrit ci-dessus, permet de créer une flamme pilote par enrichissement local en gaz, laquelle flamme pilote assure la stabilité de la flamme principale, permettant ainsi l’augmentation du facteur d’air au-delà de R=2 pour diminuer davantage les NOx.

Le élément de stabilisation présente la forme d'un disque cylindrique et comporte plusieurs trous de section calibrée et disposés sur des diamètres différents et d’un concentrateur relié mécaniquement au élément de stabilisation en amont de celui-ci.

Avantageusement, l’injection de gaz aval est située à une distance L3 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air comprise entre L4 - (0,5 x D1 ) et L4.

Avantageusement, le tube d’arrivée d’air est prolongé de parois de protection mécanique de la flamme.

Dans certaines applications industrielles, des brûleurs de post combustion sont montés en aval des turbines gaz (cogénération). Lorsque la turbine est à l’arrêt, les brûleurs doivent pouvoir fonctionner en mode air frais tout en respectant la réglementation environnementale en vigueur (NOx et CO). Dans ce mode de fonctionnement, les brûleurs ont pour fonction de réchauffer des grands volumes d’air. L’ensemble de brûleurs, objet de la présente invention, permet d’obtenir des valeurs de NOx faibles grâce à la technologie de prémélange. Dans le même temps, afin de limiter les émissions de CO en dessous des valeurs réglementaires, les flammes de prémélange doivent être protégées de l’écoulement d’air frais provenant de la gaine, afin d’éviter les phénomènes de refroidissement rapide de la flamme (trempe), à l’origine de la formation des imbrûlés gazeux (CO).

La mise en oeuvre de parois de protection mécanique de la flamme permet de retarder le mélange entre les grands volumes d’air frais et la flamme, limitant ainsi la formation de CO.

Avantageusement, les parois de protection mécanique de la flamme ont un diamètre D2 compris entre le diamètre D1 du tube d'arrivée d'air et 5 x D1.

Avantageusement, les parois de protection mécanique de la flamme ont un angle d’inclinaison a2 par rapport à l’axe du brûleur compris entre 0° et 20°.

Avantageusement, une injection de gaz périphérique est située à une distance L6 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air tel que :

0 £ (L - L6) < 2 x D1.

En complément de la technologie de prémélange et pour réduire l’excès d’air dans des proportions exploitables, une injection de gaz est disposée à la périphérie du tube d’arrivée d’air. Cette injection de gaz périphérique, nécessaire dans certaines applications industrielles, est réalisée de manière à :

- contenir la remontée des émissions d'oxydes d'azote en dessous des valeurs réglementaires.

- limiter l’allongement de la flamme dans la chambre de combustion.

La possibilité de décaler l’injection de gaz périphérique en retrait par rapport au tube d’arrivée d’air permet de limiter l’action des deux phénomènes décrits ci-dessus.

Avantageusement, le mélangeur est situé à une distance L2 d'une extrémité amont du tube d'arrivée d'air telle que :

(L - L3) < (L - L2) < L.

Avantageusement, le mélangeur a une section inférieure ou égale à 0,5 fois la section du tube d’arrivée d’air. Avantageusement, l'ensemble de brûleurs comprend un second tube d’air secondaire de diamètre D4 concentrique au tube d’air de diamètre D1 tel que D4 > D1. L’injection de gaz dans l’espace annulaire entre le tube 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 > 0.

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 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 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 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 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 maximale Pmax sur la puissance minimale Pmin telle que Vp = Pmax/Pmin.

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 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 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 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 chimiques complexes schématisés comme suit :

CH4 -> radicaux CHi (en zone réductrice)

CHi + NO -> HCN

HCN +NO -> N2

- en créant une flamme courte et parfaitement accrochée au nez du 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, donnés à titre d’exemple :

La figure 1 représente une coupe d'un brûleur selon l'invention, - La figure 1 a 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 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, 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 dans un ensemble de brûleurs selon l'invention,

- La figure 9 est ensemble de brûleurs avec des injections gaz,

Les figures 10 et 1 1 montrent différents exemples de réglages possibles de brûleurs utilisés dans les applications de l’industrie des minéraux,

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. 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,

^■ une injection gaz amont 4 située dans le tube d’arrivée d’air 2, à 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,

^■ 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 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 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 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 5a et 5b. Il est constitué d'un disque 71 , de diamètre D5, percé de trous 72 et d'un concentrateur 73. Le 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 D7. 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 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.

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 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 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 1 1 sont disposées dans un espace annulaire 23 définit par les deux tubes 2 et 22. Ces injections de gaz intermédiaires 1 1 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.

Les figures 10 et 1 1 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 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 I l

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 1 1 , le prémélange est réglé avec un facteur d’air R compris 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 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 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 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.

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 = 1 MW et une puissance min Pmin = 0,2 MW, sa variation de puissance est

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 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

Vp = 9/0,4 = 22,5.

Exemples pour un brûleur de 32MW ultra bas NOx:

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

L1 - 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 aq du tube d'arrivée d'air 2 du 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

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 de gaz intermédiaire 1 1 , si l'injection de gaz intermédiaire 1 1 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.

(valeurs en mm)