Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02033366 1999-06-16
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La présente invention concerne un brûleur à écoule-
ment parallèle à combustible liquide comprenant des moyens
d'injection dudit combustible dans une zone de combustion d'une
chaudière, ledit moyen d'injection incluant une pipe
d'injection s'étendant le long d'un axe longitudinal dudit
brûleur et un stabilisateur de flammes central entourant ladite
pipe d'injection; ledit stabilisateur comprenant une rosace à
pales située autour d'un moyeu central, ledit moyeu étant
positionné autour de la pipe d'injection et comprenant une
partie en forme de disque, ladite partie comportant des fentes
radiales alimentées en air comburant, lesdites fentes délivrant
un jet d'air comburant sensiblement parallèle à la surface du
disque; lesdits moyens d'injection comprenant en plus quelques
orifices d'injection du combustible à une extrémité de ladite
pipe d'injection, lesdits orifices étant adaptés pour former
des flammes élémentaires séparées.
La présente invention se rapport à ce dernier type
de brûleurs, qui comprennent un écoulement d'air parallèle à
l'axe d'un corps cylindrique ou conique, et un accrocheur de
flamme, généralement composé d'une rosace à pales inclinées
servant à donner un mouvement de rotation à une partie de
l'air d'alimentation, et prenant une partie de la section de
sortie du corps cylindrique ou conique.
La nécessité de réduire les oxydes d'azote (NOx)
générés dans les flammes a mis en évidence depuis longtemps
l'intérêt de réduire la teneur en oxygène (02) libre qui se
combine avec l'azote du combustible, d'étager la combustion
pour réduire les températures de pointe, et d'augmenter le taux
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de gaz brûlés recyclés dans la flamme dans le même but.
La présente invention propose un dispositif qui
permet de réduire de manière sensible les oxydes d'azote tout
en gardant une combustion de bonne qualité.
De plus, le dispositif selon l'invention est d'une
mise en oeuvre aisée.
Le brûleur mis en oeuvre selon l'invention permet de
réduire d'environ 30~ ou davantage les émissions de No de la
flamme.
D'une manière plus générale, la présente invention
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concerne un brûleur à écoulement parallèle à combustible
liquide comportant des moyens d'injection dudit combustible
et un stabilisateur de flamme central. Ce brûleur se
caractérise en ce qu'en combinaison:
- ledit stabilisateur comporte une rosace à pâles située
autour d'un moyeu central situé lui-même autour de
moyens d'injection, et en ce que
- lesdits moyens d'injection comportent plusieurs
orifices d'injection du combustible adaptés à réaliser
des flammes élémentaires séparées.
Le stabilisateur de flamme pourra être
cylindrique, occuper une partie de la section de sortie du
brûleur, le moyeu pourra avoir la forme d'un disque ou d'un
cône dont le plan de sortie est situé dans le plan de
sortie des pales ou en retrait de celui-ci et dont le
diamètre pourra être supérieur ou égal à 35% du diamètre du
stabilisateur, et enfin, les moyens d'injection pourront
être de type à pulvérisation par fluide auxiliaire.
Le diamètre du moyeu rapporté au diamètre du
stabilisateur pourra être supérieur à 45% et de préférence
compris entre 45% et 60%.
Les moyens d'injection du combustible pourront
être adaptés à réaliser un nombre de flammes élémentaires
au plus égal à 6. De même, qu'ils pourront être adaptés à
générer un nombre de flammes élémentaires supérieur ou égal
à 4.
Les moyens d'-injection pourront comporter
plusieurs orifices d' inj ection dont les axes pourront être
répartis sur au moins une surface conique dont l'angle au
sommet pourra être compris entre 70° et 110°.
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Les moyens d'injection pourront comporter
plusieurs orifices dont les axes pourront être répartis sur
deux surfaces coniques coaxiales d'angles aux sommets
différents et les orifices pourront être décalés
angulairement.
Le fluide auxiliaire pourra être de la vapeur
d'eau ou un gaz comprimé formant un mélange ou une émulsion
entre le fluide auxiliaire et le combustible.
Le moyeu pourra comporter une partie en forme de
disque comportant des fentes radiales alimentées en air
comburant, ces fentes délivrant un jet d'air comburant
sensiblement parallèle à la surface du disque.
Le fluide éventuellement multiphasique, tel une
émulsion sortant des moyens d'injection, pourra posséder
une vitesse moyenne comprise entre 40 et 100 m/s.
Le brûleur selon l'invention peut être utilisé
dans une application industrielle, notamment pour des
puissances comprises entre 3 et 75 MW par brûleur.
La présente invention sera mieux comprise et ses
avantages apparaîtront plus clairement â la description qui
suit d'exemples particuliers, nullement limitatifs,
illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre schématiquement en coupe un
brûleur selon l'invention,
- la figure 2 montre une variante de brûleur selon
l'invention, comportant notamment un moyeu ayant une
partie tronconique,
- la figure 3 représente le stabilisateur de la figure
2, vu de face, et
- la figure 4 représente un mode de répartition des
orifices d'injection du combustible sur les moyens
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d'injection du combustible.
Sur la figure 1, la référence 1 désigne un foyer
alimenté par un brûleur. 2 du type à écoulement parallêle
comportant un cylindre 3 qui peut être remplacé
éventuellement par un cône. Ce cylindre 3, d'axe 4, est
alimenté de manière classique en air. La direction globale
de l'air est sensiblement axiale et est représentée par les
flèches 5.
La référence 6 désigne le stabilisateur dans son
ensemble qui est centré sensiblement autour de l'extrémité
de la canne d'injection 7 de combustible liquide. L'axe de
la canne d'injection est confondu avec l'axe 4 du cylindre
3. La canne d'injection du combustible peut être de
préférence du tune à pulvérisation par fluide
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auxiliaire, tel de la vapeur d'eau, de l'air comprimê, ou un
gaz comprimé.
Le fluide auxiliaire réalise la pulvêrisation ou
l'atomisation du combustible liquide, s'y mélange et peut
former une émulsion avec ce dernier.
Pour améliorer l'injection et rêaliser une
atomisation ultra-fine de combustible, on peut utiliser un
système connu. Ce système réalise une double atomisation qui
supprime les gouttelettes de gros diamètre généralement formées
au contact du film liquide avec des parois solides, telles
celles de l'orifice de sortie.
La canne d'injection 7 comporte à la partie terminale
8 de son extrémité 9 plusieurs orifices l0, 11 servant à
l'introduction du mélange fluide auxiliaire/combustible dans le
foyer 1.
Les orifices d'injection possèdent des axes
d'injection 12, 13. De prêférence, selon la présente invention,
les axes des orifices d'injection sont situés sur une surface
conique d'angle au sommet a (Alpha) compris entre 60° et 110°.
Le stabilisateur 6 comporte une rosace 14 comportant
des pales inclinées 15, 16 par rapport au plan axial. Ces pales
qui entourent le moyeu central 17 peuvent être planes ou
curvilignes.
Le stabilisateur comporte de plus une virole
extérieure 15a et une virole intérieure 15b.
Le moyeu 17 comporte une ouverture centrale 18
livrant passage à la canne d'injection 7.
Sur la figure 1, le moyeu 17 a la forme d'un disque
comportant des fentes radiales. Le moyeu peut être fabriqué par
fonderie ou par emboutissage. Les fentes radiales 19 (Fig. 3)
sont alimentées en air comburant et permettent de refroidir et
de balayer la surface du moyeu afin d'y éviter les dépôts.
L'air sort des fentes sensiblement tangentiellement à la
surface du disque.
Sur la figure 1, les pales 15, 16 ont un bord
d'attaque compris dans un plan radial.
Le moyeu 17 représentê â la figure 1 est en retrait
par
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rapport au plan radial comportant le bord d'attaque des
pales 15 et 16.
Sur la figure 1, la référence 39 désigne un
ouvreau qui pourra être conique (cas de la figure) ou
cylindrique.
On ne sortira pas du cadre de la présente
invention si le moyeu central a une forme conique ou
comporte une partie en forme conique 20 (Fig. 2).
On constate sur la figure 1 que le stabilisateur
occupe une partie seulement de la section de passage livrée
à l'air 5 par le cylindre 3. I1 existe un espace annulaire
libre 21 autour du stabilisateur 15, cet espace servant au
passage d' une partie de l' air comburant . La section de cet
espace annulaire peut être égale ou supérieure â 10% de la
section totale de passage du cylindre 3 et elle peut être
comprise, préférentiellement, entre 10 et 50%. De bons
résultats peuvent être obtenus pour des sections de passage
de l'espace annulaire comprises entre 10 et 35% de la
section de passage totale du passage du cylindre 3 et
notamment pour une valeur voisine de 25%.
Sur la figure 2 qui illustre une variante de la
figure 2, l'air alimentant le stabilisateur est guidé en
amont de celui-ci par une jupe 22, éventuellement percée de
passages 23.
Les éléments communs ou semblables aux
différentes figures portent les mêmes références.
Sur la figure 2, l'espace 21 entre le
stabilisateur 14 et le cylindre 3 est alimenté par le
cylindre annulaire 24 délimité par la jupe cylindrique 22
et le cylindre 3.
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Les pales 25 représentées aux figures 2 et 3
possèdent un bord d'attaque 26 incliné vers l'arrière par
rapport â un plan radial et incliné par rapport à un plan
axial.
Lorsque les pales de la rosace du stabilisateur
ont un bord d'attaque incliné vers l'arrière, le moyeu
central, ou le disque qu'il comporte, peut être en retrait
par rapport au plan radial comportant le point le plus
avancé du bord d'attaque orienté vers le foyer 1. Sur la
figure 2, ce point porte la référence 27.
Sur la figure 2, le disque du moyeu 28 est situé
dans le plan radial portant ce point 27.
La figure 4 représente la partie terminale 29
d'une canne d'injection vue de face. Cette partie terminale
comporte six orifices d'injection, dont 3 référencés 30,
31, 32 ont des axes d'injection répartis sur une surface
conique faisant un angle au sommet de 70°, et trois autres
33, 34, 35, entourant les précédents, ont des axes
d'injection répartis sur une surface conique ayant un angle
au sommet de 110°.
Les orifices 30, 31, 32 sont décalés
angulairement par rapport aux orifices 33, 34, 35.
Sur la figure 4, les orifices dont les axes sont
placés sur un même cône présentent successivement entre eux
un écart angulaire de 120°. L'écart angulaire entre les
orifices successifs qu'ils soient sur un cône ou sur
l'autre est de 60°.
Ces écarts angulaires sont considérés en faisant
tourner un plan sur l'axe 36 de la canne d'injection. Un
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tel agencement permet de favoriser la séparation des
flammes élémentaires.
La partie terminale 29 de la canne d'injection
pourra avoir une forme tronconique (cas de la figure 2) ou
partiellement sphérique.
Sur la figure 1, le diamêtre du stabilisateur est
désigné par la lettre D et le diamètre du moyeu central par
la lettre d.
Selon la présente invention:
~ est de préférence supérieur à 35%,
_d
pourra être compris entre 45% et 60%.
D
Sur la figure 1, deux flammes élémentaires 37 et
38 ont été représentées de façon schématique et sur la
figure 2, 5 flammes élémentaires 39, 40, 41, 42 et 43 ont
été représentées de façon schématique.
Selon la présente invention, la "flamme" générée
par le brûleur est une multi-flamme composée de plusieurs
flammac
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élémentaires indépendantes 37, 38 (Fig. 1) ou 39 à 43
(Fig. 2) séparées de petit diamètre ne se regroupant pas en
une seule flamme de grosse dimension.
Entre les flammes élémentaires 39 à 43, qui ne se
touchent pas, passe une partie de l'air de combustion A qui
participe donc à la combustion en fin de flamme. Ainsi la
séparation de flammes élémentaires distinctes permet, en fait,
de réaliser une combustion étagée due à l'étagement de l'air,
une partie de l'air évitant le combustible au départ.
l0 Réciproquement, les flammes élémentaires se trouvent peu oxygé-
nées au départ.
La rosace â pales inclinées est conçue pour réaliser
un fort taux de recirculation "R" de gaz brûlés vers les
flammes élémentaires. Chaque flamme étant de petite dimension,
en manque d'air au départ avec une forte recirculation axiale,
se trouve donc à une température de pointe limitée.
La présence du moyeu 28 (disque, cône) permet la
réalisation et l'allumage d'un remous "pilote" de stabilisation
de flamme, qui permet d'éviter le décrochement des flammes
20 élémentaires, d'assurer leur stabilisation.
La présente invention combine les caractéristiques
suivantes:
- brûleur à écoulement parallèle comportant un
stabilisateur de flamme à rosace unique à pales inclinées,
- brûleur à écoulement parallèle dont la rosace à
pales inclinëes comprend un moyeu central ou disque ou cône de
dimension relative suffisante en diamètre, et
- injecteur à pulvérisation, par fluide auxiliaire,
ayant plusieurs orifices de sortie mais en un nombre n
30 suffisamment faible relativement à l'angle du cône sur lequel
sont situés les axes des orifices d'injection de telle façon
que le brûleur génère n flammes séparées sur sa plage de
fonctionnement ou sur toute la plage de fonctionnement (jusqu'à
sa marche nominale).
Comme cela a été dit, une telle combinaison permet,
à partir d'un injecteur de combustible liquide, de créer
plusieurs flammes indépendantes qui réalisent une combustion
étagée du fait qu'une quantité d'air pénètre plus loin dans la
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zone de combustion avant de rencontrer le combustible. Cette
quantité d'air correspond à celle qui est passée entre des jets
de combustibles voisins.
Cette combinaison permet, également, de limiter la
température de pointe des différentes flammes grâce à un fort
taux de recirculation des gaz résultant de la combustion dans
les différentes flammes, cela tout en maintenant une
stabilisation de la flamme et en évitant le dépôt de gouttes de
combustible imbrGlé sur le stabilisateur.
