Les oxydes d'azote et l'oxyde de carbone sont
des matières polluantes gazeuses formées par la combustion des combustibles hydrocarbonés. Comme les normes
de lutte contre la pollution sont de plus en plus sévères,
la réduction ou l'élimination de ces produits pose un
problème important.
L'invention concerne la réduction de la pollution
<EMI ID=1.1>
les gaz des brûleurs de combustibles carbones et hydrocarbonés, l'émission de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures
non brûlés étant minimale. Un dispositif purificateur fait
réagir NOx avec les hydrocarbures non brûlés, formant ainsi
de l'azote et du gaz carbonique qui ne sont pas nuisibles,
et les hydrocarbures résiduels sont 'totalement oxydés
ou brûlés par un second étage de combustion, et forment
du gaz carbonique qui peut être évacué dans l'atmosphère
avec l'azote. Des conditions réglées de combustion per- .
mettent la production d'une quantité pratiquement nulle
<EMI ID=2.1>
Les dispositifs de l'invention s'adaptent facilement à
toutes sortes de chaudières et autres dispositifs de
combustion.
'Plus précisément., l'invention concerne la sépa-
ration d'une chambre de combustion en' deux étages. Dans
le premier, le combustible hydrocarboné est brûlé'avec
une quantité d'air insuffisante pour l'oxydation complète de la totalité du carbone-du combustible, si bien
qu'une quantité importante d'hydrocarbures non brûlés est
intentionnellement formée dans les produits gazeux de combustion'. Certains oxydes d'azote nuisibles sont aussi produits, mais en quantité relativement faible car la production de ces oxydes est inhibée par la présence d'hydrocarbures non brûlés et de quantités notables d'oxyde
de carbone.. En pratique, la zone primaire reçoit 75 ou 80 %
<EMI ID=3.1>
ture au-dessus de laquelle se forment des quantités no- <EMI ID=4.1>
Dans un premier mode.de réalisation de l'invention, les gaz produits dans la zone primaire-de combustion passent dans un réseau poreux ou un lit de matières réfractaires relativement inertes. Les gaz sont dispersés dans le lit
<EMI ID=5.1>
drocarbures non brûlés réagissent et forment C02 et N2. De préférence, un catalyseur présent dans le réseau favorise cette réaction. Les gaz de combustion, contenant
<EMI ID=6.1>
bustion où une matière contenant de l'oxygène, par exemple de l'air, est introduite de manière convenable, par exemple par injection dans le courant de gaz. L'oxygène oxyde les hydrocarbures résiduels non brûlés et la ma-
<EMI ID=7.1>
tiellement formés de C02 et de N2 qui ne sont pas nuisibles et qui peuvent être évacués sans l'atmosphère,
sans créer de pollution. Le lit de dispersion ou le réseau" et l'é.tage de combustion secondaire sont disposés dans
la chambr'e de combustion de manière à ne pas nuire à la combustion et à permettre l'extraction d'un grand pourcentage de la chaleur disponible dans les gaz de combustion, de manière utile. _
Dans un second mode de réalisation de l'invention, tous les gaz chauds provenant de la zone primaire' passent dans une zone secondaire.de 'combustion où de l'air est injecté dans le courant gazeux et oxyde l'oxyde de carbone, les hydrocarbures non brûlés et les matières carbonées,
<EMI ID=8.1>
que la température ne dépasse jamais celle à laquelle
<EMI ID=9.1>
en quantité importante. La zone de combustion secondaire comprend plusieurs tubes perforés sur lesquels doivent passer les produits gazeux de combustion sortant de la zone primaire. L'air à une pression positive passe dans les tubes en provenance d'une réserve convenable. Les tubes ont des
<EMI ID=10.1> combustion. L'air secondaire se mélange avec les gaz et favorise une combustion à basse température qui oxyde
<EMI ID=11.1>
Ce mode de réalisation de l'invention peut être aussi caractérisé par le réglage de la quantité totale d'air nécessaire à la combustion du combustible à .des débits prépondérants, de manière habituelle. Plus précisément, un registre primaire peut régler le débit d'air introduit dans la zone de combustion primaire.
Ce registre primaire travaille en coordination avec la commande d'alimentation en combustible, en fonction de
la chaleur demandée au système. Un registre secondaire règle automatiquement le débit d'air secondaire en fonction de la teneur en CO des gaz de cheminées.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite' en référence aux dessins annexés sur lesquels :
'- la figure 1 est une élévation latérale, en coupe verticale partielle, d'une chaudière selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; <EMI ID=12.1>
de la figure 1 ;
- la figure- 3 est une vue partielle d'une partie du dispositif de purification de gaz des figures 1 et 2 ;
- la figure 4 est une coupe schématique d'une variante du mode de réalisation de la figure 1 ;
- la figure 5 est une élévation latérale, en coupe verticale partielle, d'une chaudière selon un second mode de réalisation préféré . de l'invention
- la figure 6 est une élévation de la chaudière de la figure 5 ;
- la figure 7 est une élévation du brûleur secondaire, dans la direction des flèches 7 de la figure 5 ; <EMI ID=13.1> daire de la figure 7 ;
- la figure 9 est une élévation d'une variante, de brûleur secondaire selon le second mode de réalisation préféré, avec des parties arrachées, représenté en coupe ;
- la figure 10 est une coupe transversale suivant la ligne 10-10 de la figure 9 ;
et
- la figure 11 est une coupe d'un ensemble à tubes de brûleur suivant la ligne 11-11 de la figure 9. La figure 1 représente une chaudière 10 destinée à former de la vapeur d'eau, dans un-premier mode de réalisatibn préféré de l'invention. La chaudière comprend un réservoir supérieur 11 relié à un réservoir inférieur
12 d'alimentation en eau par plusieurs tubes 13 remplis d'eau. Ces tubes et les réservoirs 11 et 12 délimitent un espace dans lequel la chaleur est échangée entre les gaz chauds de combustion et les tubes et réservoirs. Dans la région inférieure avant de la chaudière est disposée une chambre 14 de brûleur revêtue d'une matière réfrac- <EMI ID=14.1>
une chambre de combustion.
.L'extrémité avant de la chambre 14 comprend un orifice 16 dans lequel est monté un brûleur non représenté. Celui-ci peut être de tout type connu utilisé pour la combustion d'hydrocarbures vaporisés ou d'un combustible gazeux en présence'd'air.
Un ensemble purificateur 17 de gaz comprenant
un support réfractaire 18 destiné à contenir un lit 19
de dispersion ce gaz est disposé transversalement à la chambre de combustion. Le lit 19 peut être en toute matière réfractaire ne réagissant sensiblement pas avec les gaz
de combustion dans la plage prévue de températures des gaz. Le lit 19 doit aussi être suffisamment poreux pour que
les gaz de combustion le traversent sans perte de charge
ou entraînement notable. Par exemple, le lit 19 peut être en matière réfractaire telle que le carbure de silicium
ou l'alumine, sous forme de granulés, de morceaux, de billes ou sous autres formes, de. manière que le lit ait une po-
<EMI ID=15.1>
formé d'agrégats de carbure de silicium dont la dimension moyenne est de l'ordre de 6 mm sur 13 mm, ces agrégats étant simplement disposés les uns sur les autres de façon aléatoire.
Le support 18 peut être en un seul morceau ou, dans le cas d'ensembles de grande dimension, il peut comprendre plusieurs organes comme représenté sur la figure 1. Chaque support 18 comprend des parois latérales et d'extrémité 20 et 21 et un fond 23 destiné à retenir la matière 19. Le fond 23 comporte des perforations 24 permettant le passage des gaz mais retenant la matière 19. Bien que les perforations puissent avoir toute configuration convenable, on les a représentées sous forme de fentes relativement courtes et rapprochées 24. L'ensemble 17 peut être supporté dans la chaudière 10 de toute manière convenable, par exemple par des tubes 26 d'eau disposés longitudinalement de part et d'autre de la chambre de combustion et qui peuvent être inclinés vers le
<EMI ID=16.1>
convenable 27 peut être placée entre les tubes 26 et les
<EMI ID=17.1>
Les parois 21 comprennent plusieurs cavités
courbes 30 destinées au support de plusieurs tubes allongés
31 de répartition de gaz. Ces cavités maintiennent les
tubes 31 au contact de la* partie supérieure du lit 19.
Les tubes 31 ont pour rôle de répartir l'oxygène ou un
gaz en contenant, par exemple de l'air, à la partie supérieure du lit 19. A cet effet,les tubes 31 peuvent être en-'toute matière réfractaire convenable pouvant être perforée ou rendue poreuse. Par exemple, un réfractaire poreux tel que le carbure de silicium ou l'alumine, ou un tube métallique perforé, par exemple en acier inoxydable, convient L'extrémité avant de chaque tube 31 est avantageusement associée à un collecteur 32 lui-même relié à une réserve de gaz contenant de l'oxygène, par exemple d'air.
Plusieurs organes réfractaires distants 34 destinés a dévier le gaz: sont avantageusement disposés parallèlement
<EMI ID=18.1>
ceau ou en plusieurs morceaux bout à bout, de manière qu'ils aient la même longueur que les tubes 31. Comme représenté sur la figure 3, un organe 34 est disposé au-dessus des tubes 31, et entre deux tubes adjacents. De plus, les organes 34 ont une section verticale comportant une sur-face courbe 35 tournée vers les tubes 31 adjacents et distante de ceux-ci de manière qu'il reste un espace
36 entre eux. Un organe 37 destiné à dévier le gaz est
<EMI ID=19.1> figuration correspondant sensiblement à la moitié de celle des organes 34, de manière qu'un espace analogue 36 destiné à diriger le gaz soit disposé sur chacun des côtés.
Les organes 34 et 37 peuvent être en toute matière réfractaire convenable, par exemple en carbure de silicium.
Comme décrit en détail dans la.suite, les espaces 36 coinpris entre les tubes 31 et entre les tubes et les organes
34 et 37 forment une zone de combustion secondaire. L'espace laissé en-dessous des tubes 31 constitue une zone
38 de combustion primaire..
En pratique, on s'efforce habituellement de mélanger 'aux combustibles une quantité d'air suffisante pour que les.constituants combustibles soient totalement oxydés et qu'il se forme si possible des gaz de combustion contenant un pourcentage élevé de C02 et faible en'hydrocarbures non brûlés et en CO. Dans ces conditions de combustion, des quantités notables d'oxydes d'azote polluants se forment aussi du fait que.l'azote et l'oxygène de L'air de combustion se combinent à la température élevée qui règne. On constate qu'une quantité importante d'oxyde
<EMI ID=20.1>
et de CO, à des températures qui dépassent environ 1370[deg.]C. Dans les conditions classiques de combustion, on introduit habituellement un excès d'air pour assurer que l'oxygène
est disponible au moins en quantité stoechiométrique pour l'oxydation du carbone, de l'hydrogène et des autres éléments combustibles, dans tous les points de la zone de combustion. L'oxygène en excès, en particulier l'oxygène atomique,
<EMI ID=21.1>
élevées.
<EMI ID=22.1>
Selon l'invention, la combustion est réglée dans la zone 38 de manière qu'il reste des hydrocarbures non brûlés et/ou que la quantité d'oxygène atomique soit insuffisante. Comme la réaction entre le carbone et l'oxygène a lieu de préférence à celle entre l'oxygène et l'azote, la présence d'hydrocarbures non brûlés inhibe la formation de INOX. A cet effet, la combustion dans la zone 38 est réglée de manière bien connue, par exemple par réglage du rapport combustible-air.
Comme représenté sur les figures 1 et 2, le courant des produits gazeux de combustion, identifié par
<EMI ID=23.1>
19. Ces gaz contiennent une quantité notable d'hydrocarbures non brûlas, de CO et d'oxydes d'azote. Dans le lit, les
<EMI ID=24.1>
<EMI ID=25.1>
mis en oeuvre, on constate qu'une quantité de 2000 ppm de CO donne satisfaction.
Le lit 19,peut aussi comprendre un catalyseur
<EMI ID=26.1>
cen tration optimale du catalyseur dans le lit 19,varie
en fonction des concentrations des divers gaz dans le courant des gaz de combustion, dans un exemple, le catalyseur est sous forme de bandes métalliques ayant une longueur de plusieurs centimètres, une largeur de 3 mm
et une épaisseur d'environ 0,4 mm. Le catalyseur est dispersé dans un lit de carbure de silicium SiC de 9 cm d'épaisseur. Evidemment, l'épaisseur du lit et la quantité de catalyseur dépendent du débit de gaz et diffèrent
d'un cas à l'autre. Des catalyseurs qui conviennent sont le fer, le nickel, le chrome, le cuivre et le platine, sous forme de composés, d'alliages ou de mélanges. Cette liste
<EMI ID=27.1> l'exemple cité, les bandes de métal catalytique sont en
<EMI ID=28.1>
catalyseur car il contient du fer, du nickel et du
chrome au moins. Les catalyseurs peuvent être aussi fondus ou dissous dans le carbure de silicium ou un autre réfractaire qui constitue le lit 19. Certaines qualités de SiC peuvent contenir des impuretés qui jouent le rôle
de catalyseur. Le catalyseur peut être aussi déposé par pulvérisation,par métallisation .ou autrement, à la surface des réfractaires du lit. Dans tous les cas, le
but de l'opération est la dispersion des gaz de combustion dans le lit et le contact intime entre les gaz et l'agent catalytique le cas échéant.
Les gaz de combustion qui quittent le lit 19 com-
<EMI ID=29.1>
que d'hydrocarbures non brûlés. CO résiduel, qui n'a pas
<EMI ID=30.1>
zone 36 entre les tubes 31 et les organes 34. De plus, l'air secondaire, qui pénètre dans la zone 36 par les tubes 31, provoque une oxydation totale des hydrocarbures
<EMI ID=31.1>
coopération des tubes 31 et du lit 19 assure un mélange convenable de l'air de combustion et-des gaz passant dans le lit 19. Comme l'azote de l'air peut'être transformé.'
<EMI ID=32.1>
la température dans la zone 36 est maintenue au-dessous de 1.370[deg.]C. La température de la zone 36 dépend de l'irradiation de chaleur par celle-ci ainsi que de- la température et de la quantité d'air évacuée par les tuyauteries
31. Ces facteurs sont commandés de manière que la température dans la zone 36 soit maintenue au-des sous de la <EMI ID=33.1>
L'irradiation thermique du lit 19 est favorisée par exposition aux surfaces absorbantes de chaleur présentées par les tubes d'eau 13.
Le dispositif destiné.à assurer la réaction entre les hydrocarbures et la matière carbonée non brûlée ainsi
<EMI ID=34.1> condaire assurant l'oxydation des hydrocarbures, de la matière carbonée et de CO en C02, peut être réalisé de sorte qu'il permette éventuellement l'élimination du lit de matières réfractaires. Par exemple, le lit 19 d'agrégats réfractaires peut être remplacé par une éponge métallique à cellules ouvertes, un feutre de matière filamentaire métallique ou réfractaire permettant la transmission des gaz ou un réfractaire poreux monolithique assurant la dispersion des gaz de combustion et la réaction de CO, des hydrocarbures non brûlés et/ou de la matière
<EMI ID=35.1>
lyseur peut être déposé sur la matière formant le feutre, l'éponge ou le réfractaire poreux, ou il peut être incorporé à cette matière. Une chambre réfractaire peut assurer l'oxydation par l'air secondaire de CO et des hydrocarbures non brûlés en C02 et de l'eau peut être introduite à distance du feutre ou de l'éponge de manière que ces éléments^, ne soient pas surchauffés.
. - Comme décrit, l'emplacement, la configuration et la température de travail du dispositif purificateur de gaz de combustion de l'invention d'un appareil particulier de combustion dépendent d'un certain nombre de paramètres, notamment des vitesses de-combustions primaire et secondaire, de la quantité de gaz chauds à traiter, de la température des gaz de combustion primaire et de l'irradiation tolérable à partir du dispositif lui-même. Dans tous les cas, il.est souhaitable que le gaz reste dans le lit 19 et la chambre 36 pendant une période suffisamment longue pour que
<EMI ID=36.1>
<EMI ID=37.1>
lit et dans la zone de combustion secondaire. Le temps de séjour des gaz dans le lit 19 dépend de l'épaisseur, de la porosité et de l'emplacement de ce lit, ainsi que de la vitesse de réaction et de la température.
La quantité d'air injectée dans la seconde étape de combustion dépend.des hydrocarbures non brûlés provenant de la zone 38 et disponibles pour- la combustion dans la
<EMI ID=38.1> condaire nécessaire est de l'ordre de 10 % de la quantité stoechiométrique d'air nécessaire à .la combustion totale du combustible. En d'autres termes, 90 % de la totalité de l'air nécessaire à une combustion totale sont utilisés dans l'étage primaire et les 10 % restants sont injectés dans l'étage secondaire, de manière qu'ils transforment
<EMI ID=39.1>
une quantité d'air supérieure à la quantité stoechiométrique nécessaire, car l'oxygène de l'air ne se mélange pas en totalité de façon suffisamment poussée avec les gaz de combustion secondaire pour que l'oxydation soit totale.
On va maintenant décrire l'efficacité de l'invention
<EMI ID=40.1>
cas, le dispositif 50 de combustion comprend une chambre
51 délimitée par une enceinte métallique 52 munie d'un
<EMI ID=41.1>
<EMI ID=42.1>
cheminée,54 d'évacuation est associée à l'extrémité supérieure. Un lit 57 dé dispersion de gaz est placé entre les extrémités de la chambre 51 et comprend un support réfractaire
58 destiné à contenir des agrégats réfractaires. 60 en
<EMI ID=43.1>
comprend plusieurs orifices convenables 61 permettant le passage des gaz.
De l'air secondaire de combustion peut être introduit par une tuyauterie réfractaire poreuse 62 placée au-dessous de la face supérieure du lit 62.
Dans l'appareil expérimental, on brûle un fuel oil n[deg.] 2 avec une quantité d'air inférieure à la quantité stoechiométrique. On mesure les teneurs en oxyde de carbone, en gaz carbonique et en oxygène, au-dessus et au-dessous
du lit 57, et on mesure aussi les teneurs en NOx auxpointsA à K et 0, et la température aux points A à L, comme représenté sur la figure 4. On note aussi les indices de Bacharach qui est- une mesure de la concentration en suie, au-dessus et au-dessous du lit 57. On obtient les résultats qui suivent.
<EMI ID=44.1>
<EMI ID=45.1>
<EMI ID=46.1>
d'évacuation est de l'ordre de 70 ppm. Un tel chiffre est satisfaisant en ce qui concerne les normes de lutte contre la pollution, qui permettent des teneurs de l'ordre de 100
<EMI ID=47.1>
est maintenue dans les limites acceptables, sans détection d'oxyde de carbone.
Les figures 5 et 6 représentent une chaudière selon un second mode de réalisation préféré du dispositif de réduction de teneur en polluants de l'invention. La chaudière comprend un boîtier 210 dans lequel un réservoir
<EMI ID=48.1>
est relié à un réservoir 212 d'eau d'alimentation placé à
<EMI ID=49.1>
d'eau. Les tubes ont des plaques 214 -soudées entre eux de manière que la surface d'absorption de chaleur soit agrandie et que les gaz suivent un trajet prédétermine.
Les tubes 213 placés de l'autre côté de la chaudière sont aussi disposés entre le réservoir supérieur 211 et le réservoir inférieur 212. Ces tubes et ces réservoirs délimitent un espace dans lequel la chaleur est absorbée par radiation à partir des dispositifs de combustion et des gaz chauds qui circulent dans la chaudière. Enfin,
les gaz de combustion atteignent un raccord 215 à partir duquel des gaz passent dans une cheminée non représentée et sont évacués dans l'atmosphère.
La chaudière comprend une chambre 220 de combustion primaire formée d'une enveloppe réfractaire cylindrique 221 qui se poursuit par un prolongement conique
222 et qui délimite un volume interne 224 qui forme la zone de combustion primaire dans ce mode de réalisation.
Le combustible est injecté par une buse 225 comportant une -tuyauterie 226 revenant à un bloc 227 formant_ brûleur et comportant un raccord 228 et'une canalisation de combustible. La buse 225 est supportée par la tuyauterie
226 au centre, dans un élément cylindrique creux 229 qui comporte plusieurs orifices 230 constituant un diffuseur d'air destiné à la combustion dans la zone primaire 224.
Un moteur 231 est supporté à l'avant de la chaudière et son arbre 232 porte un ventilateur 233. De manière classique, la rotation du ventilateur 233 provoque la création d'air sous pression dans un compartiment 234.
L'air sous pression parvient à la fois à la zone primaire
224 et à la zone secondaire 261 et, dans certaines variantes de ce mode de.réalisation, dans une zone de combustion tertiaire non représentée, comme décrit en détail dans la suite.
Sur les dessins, un conduit principal 235 dirige .l'air de combustion dans deux conduits qui se subdivisent, un conduit 241 d'air primaire et un conduit 240 d'air secondaire. Le conduit 241 comprend un registre 246 destiné
-à-tourner sur un arbre 247. Le registre 246 peut être tourné et régule alors le débit d'air parvenant par le conduit 241.. L'arbre 247 est entraîné'par un moteur 239 comme indiqué en traits interrompus en 238. Le moteur 239 entraine aussi, corame l'indique la ligne 238' en traits interrompes, une
<EMI ID=50.1>
vanne de combustible non représentée. Un dispositif classique non représenté assure 1 ' entraînement du moteur 239 dans
les deux sens, ce moteur commandant le registre 246 et
le débit d'air primaire en fonction de paramètres de travail de la chaudière, notamment de la vapeur d'eau ou de l'eau
<EMI ID=51.1>
et la came 236 fonctionnent de façon coordonnée de manière à maintenir un rapport voulu combustible-air dans la zone
224, dans toute la plage des conditions de travail de la chaudière . Selon l'invention, la zone 224 reçoit une quantité d'air inférieure à celle qui permet la combustion totale .
En général, 75 à 80 % environ de l'air fourni
<EMI ID=52.1>
le reste parvient dans le dispositif 242 qui est placé dans une zone secondaire 261. Le conduit 241 parvient à
un compartiment 243 à partir duquel l'air passe par les orifices 230 du diffuseur dans la zone 224 où l'air assure la combustion incomplète du combustible injecté par
la buse 225, selon.l' invention, car le rapport combustible-
<EMI ID=53.1>
des conditions de fonctionnement de la chaudière!
Le conduit 240 a uri registre 244 qui tourne sur
<EMI ID=54.1>
uri moteur 249 en fonction d'un paramètre, par exemple à teneur en CO dans la cheminée 215 partant de la chaudière. Le moteur 249 est commandé par un dispositif asservi 250 qui est lui-même sensible à la teneur en CO dans la cheminée, transmis par un détecteur convenable 251. Les variations de la teneur en CO provoquent la variation du débit d'air transmis au dispositif 242 par le conduit 240 sous la commande du registre 244.
<EMI ID=55.1> grand ouvert lors du démarrage de la chaudière. En conséquence, la combustion dans la zone 261 des matières solides
T
<EMI ID=56.1>
Le registre 244 peut alors être fermé progressivement jusqu'à la détection de la présence de CO dans les gaz de cheminée. Le système fonctionne alors-automatiquement
<EMI ID=57.1>
ou à une valeur inférieure à une valeur minimale prédéterminée, par commande du débit d'air secondaire, grâce à la régulation par le registre 244. Le débit d'air primaire, lors
du fonctionnement normal de la chaudière, est réglé en fonction du rapport combustible-air convenable, suivant
la charge thermique de la chaudière ou d'autres paramètres.
La quantité totale d'air fournie dans les zones primaire et secondaire est en général légèrement supérieure
à la quantité stoechiomé trique nécessaire à la combustion totale des constituants combustibles, mais il faut noter.
<EMI ID=58.1>
satisfaites dans la zone 224, selon l'invention, car la température dans la zone primaire dans ces conditions peut atteindre 1480[deg.]C et peut provoquer la production d'une
<EMI ID=59.1>
à éviter -selon l'invention. Selon celle-ci, la chaudière fonctionne de manière que les gaz dans la zone primaire soient maintenus à une température inférieure à 1480[deg.]C,
si bien que les produits formés sont seulement partiellement oxydés.
Dans une variante du second mode de réalisation, un registre principal non représenté est monté dans un
<EMI ID=60.1>
Ce registre peut.être commandé par un moteur-239 qui entraine aussi une came 236 de commande de. combustible et
un registre 246 en fonction de la charge de la chaudière, comme dans le mode de réalisation représenté. Le registre
245 de petite dimension qui commande l'air secondaire assure un réglage fin en fonction de la teneur en CO des gaz de cheminée. La commande de la composition'des produits de combustion peut aussi être assurée dans une autre variante ..
par un ventilateur principal non représenté placé dans
le conduit 235 et la came 236 commandée par un moteur 239 en fonction de la charge de la chaudière, le registre primaire 246 du conduit 241 et le registre secondaire 245
du conduit 240 étant commandés tous deux en fonction du moteur 249 commandé en fonction de la teneur en CO.
On se réfère maintenant aux figures 5, 7 et 8 qui décrivent'de façon détaillée le dispositif 242 de-combustion secondaire. Comme décrit précédemment, ce dispositif est placé dans une zone 261 de combustion secondaire à la sortie de la chambre 220, si bien que tous les gaz
de combustion doivent passer dans ce dispositif 242 ou
à son voisinage. Le dispositif 242 comprend essentiellement deux rangées parallèles de tubes perforés, les tubes d'une rangée portant la référence 254 et ceux de l'autre la référence'253. Le rôle des tubes est de diffuser ou d'injecter de l'air de combustion secondaire de façon uniformedans le courant des gaz de combustion provenant de la chambre 220, de manière que le mélange soit favorisé et que la combustion soit complète, sans que la quantité d'air secondaire soit excessive. Ainsi, dans ce mode de réalisation, un tube 254 comprend deux rangées longitudinales de petits trous 255-et 256 par lesquels l'air peut passer dans le courant des gaz de combustion. Dans ce cas, les tubes sont
<EMI ID=61.1>
empêche le dégagement de l'air non dispersé aux extrémités des tubes, dans le courant gazeux. Les extrémités inférieures des tubes sont aussi associées à un distributeur 259, mais les extrémités inférieures des tubes communiquent avec le conduit 240 qui est sous la commande d'un petit registre
244. L'air quittant les tubes 253 et 254 par les rangées .de petits trous 255 et 156 assure la combustion de CO et des imbrûlés, par exemple des hydrocarbures provenant de 'la chambre de combustion primaire. Ces tubes sont montés dans un support 260 qui maintient la position dans le courant des gaz. La température dans la zone secondaire dépend de
-la température et de la quantité d'air fourni par les tubes -
253 et 254 ainsi que de l'irradiation thermique de cette' zone. Les tubes de la chaudière auxquels le dispositif
242 est exposé assurent le maintien de la température
<EMI ID=62.1>
à une valeur, suffisamment faible pour que l'azote du carburant de l'air de combustion soit oxydé de façon minimale en oxydes d'azote. Dans ce mode-de réaliaation, les tubes 253 et 254 peuvent être en réfractaire convenable ou en acier inoxydable ou en toute autre matière qui convient et qui ne se dégrade pas aux température qui règnent.
<EMI ID=63.1>
manière qu'il puisse irradier la chaleur vers les tubes
de la chaudière, si bien que l'air de combustion secondaire circulant dans les tubes perforés n'est pas notablement préchauffé avant son introduction.
Sur la figure 8, les rangées de trous 255 et 256 sont distantes circonf érentiell ement, de manière à recouvrir
<EMI ID=64.1>
moins, dans le cadre de l'invention. Cependant, un angle de
120[deg.] est 'souhaitable car il favorise la turbulence et
le mélange de l'air injecté des gaz de combustion, si bien que la combustion totale est favorisée. Avec un.tel angle, la turbulence et un mélange soigneux sont assurés car l'air émis par les petits trous au voisinage du point où le courant gazeux circule le long des tubes commence à
se séparer de ceux-ci en formant des tourbillons.
Les tubes perforés 253 et 254 peuvent être remplacés par divers dispositifs creux de dispersion d'air. Par exemple, le dispositif peut être en céramique, en autres réfractaires ou en métal fritté, perforé ou poreux, partiellement ou en totalité à la périphérie. Le dispositif peut aussi comprendre des fentes étroites et continues, disposées longitudinalement et interrompues et destinées
à l'émission d'air, à la place de petits trous ou pores. Les tubes peuvent être en toute matière qui résiste aux conditions régnant au voisinage du__dispositif 242. Une. rangée peut aussi comprendre un nombre de tubes variable, et le nombre de rangées peut être différent de deux, en
T
<EMI ID=65.1>
fonction de l'application.
Les figures 9 à 11 représentent une variante du dispositif de combustion secondaire, Dans ce mode de réalisation, un dispositif maintient les tubes qui émettent de l'air à une faible température, et refroidit ou au moins empêche le préchauffage de l'air secondaire introduit.
Sur la figure 9, le dispositif porte la référence
270 et comprend un châssis 271 supportant un distributeur
272 d'eau d'alimentation et un distributeur 273 d'évacuation d'eau. Au-dessous du distributeur 272 est placé
un distributeur 274 d'alimentation en air secondaire relié au conduit 240 qui est sous la commande d'un registre
244. Comme le montre la figure 10, dans ce mode de réalisation, deux rangées de tubes chassant de l'air et refroidis par de l'eau portent les références 275 et 276,
à l'arrière et à l'avant respectivement. Comme dans l'exemple précédent, le nombre de tubes de chaque rangée . ainsi que leur dimension et leur disposition dépendent
des quantités de gaz traitées en fonction de la dimension de la chaudière.
On va décrire un des tubes 275, bien qu'ils puissent tous être semblables. Sur la figure 9, le tube 275 comprend un tube central 280 destiné à conduire l'air secondaire
et ^comportant deux rangées longitudinales de petits trous
281 et 282 par lesquels peut passer l'air secondaire qui pénètre dans le courant des gaz de combustion. Comme le montre la courbe du tube 275 sur la figure 11, les rangées
<EMI ID=66.1>
creuses 283, 284 qui divergent et qui sont disposées longitudinalement. Les deux saillies ont la même forme. Par exemple, la saillie 284 est disposée radialement par rapport au tube 280 et a sa fente longitudinale ouverte
285 destinée au passage de l'air secondaire émis par les trous 282 vers le courant des gaz de combustion entourant
<EMI ID=67.1>
des saillies sont coupés en biais, de manière que les fentes
285 débouchent sensiblement sous le vent des gaz' de com- bustion.
<EMI ID=68.1> <EMI ID=69.1>
Dans cet exemple, le tube central est fermé à son extrémité supérieure 286 de manière que tout l'air secondaire passe par les trous 281 et 282'. Les extrémités inférieures des tubes 280 sont associées au distributeur
<EMI ID=70.1>
<EMI ID=71.1>
Le tube interne est entouré par un tube concentrique externe 287 qui délimite une chemise 289 de circulation d'eau autour du tube interne. L'eau circule axialement dans la chemise entre les saillies 283 et 284. Cette circulation est due à la liaison d'extrémité inférieure
288 du tube 287 avec le distributeur 272 d'alimentation, comme représenté sur la figure 9, dans la partie inférieure arrachée. Les tubes internes et externes sont soudés ou associés de façon étanche d'une autre manière à l'emplacement où ils pénètrent dans les distributeurs ou
<EMI ID=72.1>
à s'écouler par une cavité 290 et un trou 291 de manière qu'elle pénètre dans le distributeur 273. Evidemment, le tube 280 peut être disposé sur toute la longueur du distributeur 273, vers un autre distributeur d'air se-
<EMI ID=73.1>
est disposé de manière à alimenter les tubes 280 par le haut et non pas par le bas, ou même deux distributeurs indépendants d'air peuvent alimenter des tubes par le haut et par le bas. La disposition retenue dépend de la quantité des produits gazeux de combustion à brûler, et du respect de la condition selon laquelle la combustion secondaire
<EMI ID=74.1>
'forme.pas.
Sur la figure 11, un filament gazeux est repéré par la flèche 295. Il faut noter que le courant est dévié de- la périphérie du tube 287 et forme un-angle -Gel_que le.. courant recoupe le courant d'air secondaire sortant des fentes 283, 284, si bien que la turbulence est maximale.
<EMI ID=75.1> L'oxydation des hydrocarbures résiduels, de l'oxyde de carbone et des matières combustibles des gaz de combustion provenant de la chambre 220 est donc favorisée. Comme
les tubes sont refroidis par de l'eau, non seulement leur dégradation thermique est évitée, mais les produits de combustion sont préalablement refroidis à une température nettement inférieure à 14800C à laquelle les oxydes d'azote peuvent se former. Il est aussi souhaitable que le dispositif de combustion secondaire soit disposé, par rapport aux surfaces d'absorption thermique de la chaudière, de manière que le dispositif soit refroidi par radiation vers les surfaces environnantes . L'existence d'une teneur relativement élevée de CO dans les gaz de combustion
tend aussi à empêcher la formation dès oxydes d'azote, car l'air.réagit préférentiellement avec l'oxyde de carbone plutôt qu'avec l'azote de l'air ou du combustible.
Dans les exemples décrits du second mode de .; réalisation, il existe des zones de combustion primaire et secondaire. Par exemple, dans le dispositif 242
des figures 5, 7 et 8, les rangées d'éléments 253 et 254 sont toutes deux alimentées par le même conduit 240, et dans ce cas il existe en réalité une seule zone-de combustion secondaire -près du dispositif 242. De manière
<EMI ID=76.1>
les tubes tels que 280 sont tous associés à un distributeur commun 274 alimenté par le conduit 240, et dans ce cas, tous les tubes fournissent de l'air à une région unique
de combustion secondaire. Bien qu'on n'ait pas représenté une disposition particulière, les spécialistes peuvent facilement disposer une zone de combustion tertiaire, d'après la description qui précède. Par exemple, das ran-
<EMI ID=77.1>
reliées à une alimentation en air secondaire. L'autre rangée 253 ou 276 peut alors être reliée à une troisième alimentation d'air sous pression, non représentée. Ainsi, il
-se forme des zones de combustion primaire , secondaire et tertiaire. La zone placée en amont des. rangées de tubes 253 ou 276 devient la zone secondaire et la zone placée en
11 avant des rangées de tubes 254 ou 275 devient la zone de combustion tertiaire. Avec une telle disposition, les
gaz de combustion riches en CO et en hydrocarbures imbrûlés, en provenance de la chambre 220, sont brûles dans deux étages supplémentaires, dans les zones de combustion secondaire et tertiaire, si bien que la probabilité d'élévation de la température .du gaz au-dessus de la valeur
<EMI ID=78.1>
réduite. Avec une telle disposition, les tubes sont facilement maintenus à basse température, car la flamme qui
entoure chacune des rangées n'est pas très intense.
Lors du fonctionnement de l'appareil du second
mode de réalisation, les variations de la teneur en CO
des gaz effluents sont détectées et utilisées pour la commande du petit registre 244 du conduit 240. Si la
teneur en CO dans la cheminée augmente, l'air secondaire
a un débit accru, par ouverture automatique du registre
244 et dans ce cas les produits de combustion de la zone primaire sont efficacement oxydés dans la zone socon-
daire, si.bien que la teneur en CO diminue. Une réduction
de la teneur en CO des gaz de cheminée provoque une
action inverse. Le rôle du dispositif est d'assurer l'oxydation des gaz passant dans le dispositif de combustion secondaire tout en rendant minimale l'intensité de la flamme dans la région où la température ne doit pas atteindre
une valeur telle que les oxydes d'azote peuvent se former.
Habituellement, la teneur en CO des gaz de cheminée atteint une valeur constante tant que la charge de la chaudière
est sensiblemqnt cons tante. Cependant, si la charge augmente ou diminue, le combustible et l'air destinés à la zone
de combustion primaire ont des variations en conséquence
et dans ce cas la teneur en CO des gaz de- cheminée peut .varier et commande alors un réglage automatique de l'air secondaire,
Bien qu'on ait décrit le dispositif de purification <EMI ID=79.1> ou à eau chaude, il faut noter que les spécialistes peuvent adapter le dispositif et-ses modes de fonctionnement à di-
T
vers appareils qui brûlent un combustible ou dans lesquels
a lieu une réaction, par exemple dans les fours industriels ou domestiques et dans les dispositifs de chauffage, les chauffe-eau, les incinérateurs, les chaudières de chauffage et de puissance, ainsi que d'autres appareils de combustion qui consomment des combustibles hydrocarbonés ou carbonés liquides ou gazeux.
Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Nitrogen oxides and carbon monoxide are
gaseous pollutants formed by the combustion of hydrocarbon fuels. Like the standards
of pollution control are more and more severe,
the reduction or elimination of these products poses a
significant problem.
The invention relates to pollution reduction
<EMI ID = 1.1>
gases from carbon and hydrocarbon fuel burners, the emission of carbon monoxide and hydrocarbons
unburned being minimal. A purifying device made
react NOx with unburned hydrocarbons, thus forming
nitrogen and carbon dioxide which are not harmful,
and the residual hydrocarbons are fully oxidized
or burnt by a second combustion stage, and form
carbon dioxide that can be vented into the atmosphere
with nitrogen. Regulated combustion conditions per-.
put the production of a practically zero quantity
<EMI ID = 2.1>
The devices of the invention are easily adapted to
all kinds of boilers and other devices
combustion.
More specifically, the invention relates to the separation
ration of a two-stage combustion chamber. In
the first, the hydrocarbon fuel is burnt with
insufficient air for the complete oxidation of all the carbon-fuel, so
that a significant amount of unburned hydrocarbons is
intentionally formed in the gaseous products of combustion. Some harmful nitrogen oxides are also produced, but in relatively small amounts because the production of these oxides is inhibited by the presence of unburned hydrocarbons and significant amounts of oxide.
of carbon .. In practice, the primary zone receives 75 or 80%
<EMI ID = 3.1>
ture above which no- quantities are formed <EMI ID = 4.1>
In a first embodiment of the invention, the gases produced in the primary combustion zone pass through a porous network or a bed of relatively inert refractory materials. The gases are dispersed in the bed
<EMI ID = 5.1>
Unburned hydrocarbons react and form CO2 and N2. Preferably, a catalyst present in the network promotes this reaction. Combustion gases, containing
<EMI ID = 6.1>
bustion where an oxygen-containing material, for example air, is suitably introduced, for example by injection into the gas stream. Oxygen oxidizes residual unburned hydrocarbons and ma-
<EMI ID = 7.1>
fully formed of CO2 and N2 which are not harmful and which can be evacuated without the atmosphere,
without creating pollution. The dispersion bed or network and the secondary combustion stage are arranged in
the combustion chamber so as not to interfere with the combustion and to allow the extraction of a large percentage of the heat available in the combustion gases, in a useful manner. _
In a second embodiment of the invention, all of the hot gases from the primary zone pass into a secondary combustion zone where air is injected into the gas stream and oxidizes carbon monoxide. unburned hydrocarbons and carbonaceous materials,
<EMI ID = 8.1>
that the temperature never exceeds that at which
<EMI ID = 9.1>
in large quantities. The secondary combustion zone comprises several perforated tubes over which the gaseous combustion products leaving the primary zone must pass. Air at positive pressure passes through the tubes from a suitable reserve. The tubes have
<EMI ID = 10.1> combustion. The secondary air mixes with the gases and promotes low temperature combustion which oxidizes
<EMI ID = 11.1>
This embodiment of the invention can also be characterized by the adjustment of the total quantity of air necessary for the combustion of the fuel at predominant flow rates, in the usual manner. More specifically, a primary damper can regulate the flow of air introduced into the primary combustion zone.
This primary damper works in coordination with the fuel supply control, depending on
the heat demanded from the system. A secondary damper automatically adjusts the secondary air flow according to the CO content of the flue gases.
Other characteristics and advantages of the invention will emerge better from the description which follows, given with reference to the appended drawings in which:
- Figure 1 is a side elevation, in partial vertical section, of a boiler according to a preferred embodiment of the invention; <EMI ID = 12.1>
of Figure 1;
- Figure 3 is a partial view of part of the gas purification device of Figures 1 and 2;
- Figure 4 is a schematic section of a variant of the embodiment of Figure 1;
- Figure 5 is a side elevation, in partial vertical section, of a boiler according to a second preferred embodiment. of the invention
- Figure 6 is an elevation of the boiler of Figure 5;
- Figure 7 is an elevation of the secondary burner, in the direction of arrows 7 of Figure 5; <EMI ID = 13.1> daire of Figure 7;
FIG. 9 is an elevation of an alternative secondary burner according to the second preferred embodiment, with parts broken away, shown in section;
- Figure 10 is a cross section taken on line 10-10 of Figure 9;
and
- Figure 11 is a section through a burner tube assembly along line 11-11 of Figure 9. Figure 1 shows a boiler 10 for forming water vapor, in a first embodiment preferred of the invention. The boiler comprises an upper tank 11 connected to a lower tank
12 water supply by several tubes 13 filled with water. These tubes and the tanks 11 and 12 define a space in which the heat is exchanged between the hot combustion gases and the tubes and tanks. In the lower front region of the boiler is arranged a burner chamber 14 coated with a refractory material <EMI ID = 14.1>
a combustion chamber.
.The front end of the chamber 14 comprises an orifice 16 in which is mounted a burner, not shown. This can be of any known type used for the combustion of vaporized hydrocarbons or of a gaseous fuel in the presence of air.
A gas purifier assembly 17 comprising
a refractory support 18 intended to contain a bed 19
dispersion of this gas is arranged transversely to the combustion chamber. The bed 19 can be made of any refractory material which does not substantially react with the gases.
combustion in the expected range of gas temperatures. The bed 19 must also be sufficiently porous so that
the combustion gases pass through it without pressure drop
or notable training. For example, bed 19 can be made of a refractory material such as silicon carbide
or alumina, in the form of granules, pieces, beads or other forms, of. so that the bed has a po-
<EMI ID = 15.1>
formed of silicon carbide aggregates, the average dimension of which is of the order of 6 mm by 13 mm, these aggregates being simply arranged on top of each other in a random manner.
The support 18 can be in one piece or, in the case of large assemblies, it can comprise several members as shown in FIG. 1. Each support 18 comprises side and end walls 20 and 21 and a bottom. 23 for retaining the material 19. The bottom 23 has perforations 24 allowing the passage of gases but retaining the material 19. Although the perforations can have any suitable configuration, they have been shown as relatively short and closely spaced slots 24. The assembly 17 can be supported in the boiler 10 in any suitable manner, for example by water tubes 26 arranged longitudinally on either side of the combustion chamber and which can be inclined towards the bottom.
<EMI ID = 16.1>
suitable 27 can be placed between the tubes 26 and the
<EMI ID = 17.1>
The walls 21 include several cavities
curves 30 intended for the support of several elongated tubes
31 gas distribution. These cavities maintain the
tubes 31 in contact with the * upper part of the bed 19.
The role of the tubes 31 is to distribute the oxygen or a
gas containing it, for example air, at the upper part of the bed 19. For this purpose, the tubes 31 may be of any suitable refractory material capable of being perforated or made porous. For example, a porous refractory such as silicon carbide or alumina, or a perforated metal tube, for example made of stainless steel, is suitable. The front end of each tube 31 is advantageously associated with a manifold 32 which is itself connected to a reserve of gas containing oxygen, for example air.
Several distant refractory members 34 intended to deflect the gas: are advantageously arranged in parallel
<EMI ID = 18.1>
ceau or in several pieces end to end, so that they have the same length as the tubes 31. As shown in FIG. 3, a member 34 is disposed above the tubes 31, and between two adjacent tubes. In addition, the members 34 have a vertical section comprising a curved surface 35 turned towards the adjacent tubes 31 and distant from them so that a space remains.
36 between them. A member 37 intended to deflect the gas is
<EMI ID = 19.1> representation corresponding substantially to half of that of the members 34, so that a similar space 36 intended to direct the gas is arranged on each side.
The members 34 and 37 can be made of any suitable refractory material, for example silicon carbide.
As described in detail in la.suite, the spaces 36 between the tubes 31 and between the tubes and the members
34 and 37 form a secondary combustion zone. The space left below the tubes 31 constitutes a zone
38 primary combustion.
In practice, efforts are usually made to mix a sufficient quantity of air with the fuels so that the fuel constituents are fully oxidized and if possible to form combustion gases containing a high percentage of CO 2 and low. unburned hydrocarbons and CO. Under these combustion conditions, significant amounts of polluting nitrogen oxides are also formed as the nitrogen and oxygen in the combustion air combine at the prevailing high temperature. It is observed that a significant amount of oxide
<EMI ID = 20.1>
and CO, at temperatures above about 1370 [deg.] C. Under conventional combustion conditions, an excess of air is usually introduced to ensure that the oxygen
is available at least in stoichiometric quantity for the oxidation of carbon, hydrogen and other fuel elements, in all points of the combustion zone. Excess oxygen, especially atomic oxygen,
<EMI ID = 21.1>
high.
<EMI ID = 22.1>
According to the invention, the combustion is regulated in zone 38 so that unburned hydrocarbons remain and / or the quantity of atomic oxygen is insufficient. As the reaction between carbon and oxygen takes place in preference to that between oxygen and nitrogen, the presence of unburned hydrocarbons inhibits the formation of INOX. To this end, the combustion in zone 38 is regulated in a well-known manner, for example by adjusting the fuel-air ratio.
As shown in Figures 1 and 2, the stream of gaseous combustion products, identified by
<EMI ID = 23.1>
19. These gases contain a significant amount of unburned hydrocarbons, CO and oxides of nitrogen. In bed, the
<EMI ID = 24.1>
<EMI ID = 25.1>
implemented, it is found that an amount of 2000 ppm of CO is satisfactory.
Bed 19 can also include a catalyst
<EMI ID = 26.1>
Optimal cen tration of the catalyst in bed 19, varies
depending on the concentrations of the various gases in the flue gas stream, in one example, the catalyst is in the form of metal strips having a length of several centimeters, a width of 3 mm
and a thickness of about 0.4 mm. The catalyst is dispersed in a bed of silicon carbide SiC 9 cm thick. Obviously, the thickness of the bed and the amount of catalyst depend on the gas flow and differ
from one case to another. Suitable catalysts are iron, nickel, chromium, copper and platinum, in the form of compounds, alloys or mixtures. This list
<EMI ID = 27.1> the example cited, the catalytic metal bands are in
<EMI ID = 28.1>
catalyst because it contains iron, nickel and
chrome at least. The catalysts can also be melted or dissolved in the silicon carbide or other refractory which constitutes the bed 19. Certain qualities of SiC can contain impurities which play the role.
catalyst. The catalyst can also be deposited by spraying, by metallization, or otherwise, on the surface of the refractories of the bed. In all cases, the
The purpose of the operation is the dispersion of the combustion gases in the bed and the intimate contact between the gases and the catalytic agent if necessary.
The combustion gases which leave the bed 19 com-
<EMI ID = 29.1>
than unburned hydrocarbons. Residual CO, which has no
<EMI ID = 30.1>
zone 36 between the tubes 31 and the members 34. In addition, the secondary air, which enters the zone 36 through the tubes 31, causes total oxidation of the hydrocarbons
<EMI ID = 31.1>
Cooperation of the tubes 31 and the bed 19 ensures a proper mixture of the combustion air and gases passing through the bed 19. As the nitrogen of the air can be converted.
<EMI ID = 32.1>
the temperature in zone 36 is kept below 1.370 [deg.] C. The temperature of zone 36 depends on the irradiation of heat by it as well as on the temperature and the quantity of air evacuated by the pipes.
31. These factors are controlled such that the temperature in zone 36 is kept below <EMI ID = 33.1>
The thermal irradiation of the bed 19 is promoted by exposure to the heat absorbing surfaces presented by the water tubes 13.
The device intended to ensure the reaction between the hydrocarbons and the unburned carbonaceous material thus
<EMI ID = 34.1> condaire ensuring the oxidation of hydrocarbons, carbonaceous matter and CO to C02, can be carried out so that it possibly allows the elimination of the refractory material bed. For example, the bed 19 of refractory aggregates can be replaced by a metal sponge with open cells, a felt of metallic or refractory filament material allowing the transmission of gases or a monolithic porous refractory ensuring the dispersion of the combustion gases and the reaction of CO, unburned hydrocarbons and / or material
<EMI ID = 35.1>
Lyser can be deposited on the material forming the porous felt, sponge or refractory, or it can be incorporated therein. A refractory chamber can ensure the oxidation by secondary air of CO and unburned hydrocarbons to C02 and water can be introduced away from the felt or the sponge so that these elements ^, are not overheated .
. - As described, the location, configuration and working temperature of the combustion gas purifier device of the invention of a particular combustion apparatus depend on a number of parameters, including primary and primary combustion rates. secondary, the quantity of hot gases to be treated, the temperature of the primary combustion gases and the irradiation tolerable from the device itself. In any event, it is desirable that the gas remain in bed 19 and chamber 36 for a period long enough for
<EMI ID = 36.1>
<EMI ID = 37.1>
bed and in the secondary combustion zone. The residence time of the gases in the bed 19 depends on the thickness, the porosity and the location of this bed, as well as the reaction rate and the temperature.
The amount of air injected into the second combustion stage depends on the unburned hydrocarbons coming from zone 38 and available for combustion in the combustion chamber.
<EMI ID = 38.1> required condaire is of the order of 10% of the stoichiometric quantity of air necessary for the total combustion of the fuel. In other words, 90% of all the air required for total combustion is used in the primary stage and the remaining 10% is injected into the secondary stage, so that they transform
<EMI ID = 39.1>
a quantity of air greater than the stoichiometric quantity necessary, because the oxygen in the air does not completely mix sufficiently thoroughly with the secondary combustion gases for the oxidation to be complete.
We will now describe the effectiveness of the invention
<EMI ID = 40.1>
case, the combustion device 50 comprises a chamber
51 delimited by a metal enclosure 52 provided with a
<EMI ID = 41.1>
<EMI ID = 42.1>
chimney, 54 exhaust is associated with the upper end. A gas dispersion bed 57 is placed between the ends of the chamber 51 and includes a refractory support
58 intended to contain refractory aggregates. 60 in
<EMI ID = 43.1>
comprises several suitable orifices 61 allowing the passage of gases.
Secondary combustion air can be introduced through porous refractory piping 62 placed below the upper face of bed 62.
In the experimental apparatus, a fuel oil n [deg.] 2 is burnt with a quantity of air less than the stoichiometric quantity. We measure the contents of carbon monoxide, carbon dioxide and oxygen, above and below
of bed 57, and the NOx contents are also measured at points A to K and 0, and the temperature at points A to L, as shown in FIG. 4. We also note the Bacharach indices which is a measure of the concentration in soot, above and below bed 57. The following results are obtained.
<EMI ID = 44.1>
<EMI ID = 45.1>
<EMI ID = 46.1>
evacuation is of the order of 70 ppm. Such a figure is satisfactory with regard to pollution control standards, which allow levels of the order of 100
<EMI ID = 47.1>
is kept within acceptable limits without detection of carbon monoxide.
FIGS. 5 and 6 represent a boiler according to a second preferred embodiment of the device for reducing the pollutant content of the invention. The boiler comprises a housing 210 in which a tank
<EMI ID = 48.1>
is connected to a feed water tank 212 placed at
<EMI ID = 49.1>
of water. The tubes have plates 214 welded together so that the heat absorbing surface is enlarged and the gases follow a predetermined path.
The tubes 213 placed on the other side of the boiler are also arranged between the upper tank 211 and the lower tank 212. These tubes and these tanks define a space in which the heat is absorbed by radiation from the combustion devices and the heaters. hot gases circulating in the boiler. Finally,
the combustion gases reach a connector 215 from which gases pass into a chimney not shown and are exhausted into the atmosphere.
The boiler comprises a primary combustion chamber 220 formed of a cylindrical refractory casing 221 which continues with a conical extension
222 and which delimits an internal volume 224 which forms the primary combustion zone in this embodiment.
The fuel is injected through a nozzle 225 comprising a -pipe 226 returning to a block 227 forming a burner and comprising a connector 228 and a fuel line. Nozzle 225 is supported by the piping
226 in the center, in a hollow cylindrical element 229 which has several orifices 230 constituting an air diffuser intended for combustion in the primary zone 224.
A motor 231 is supported at the front of the boiler and its shaft 232 carries a fan 233. Conventionally, the rotation of the fan 233 causes the creation of pressurized air in a compartment 234.
The pressurized air reaches both the primary zone
224 and to the secondary zone 261 and, in certain variants of this embodiment, in a tertiary combustion zone not shown, as described in detail below.
In the drawings, a main duct 235 directs the combustion air into two subdividing ducts, a primary air duct 241 and a secondary air duct 240. The duct 241 comprises a register 246 intended
to turn on a shaft 247. The register 246 can be rotated and then regulates the flow of air arriving through the duct 241. The shaft 247 is driven by a motor 239 as indicated in broken lines at 238. The shaft 247 is driven by a motor 239. motor 239 also drives, as indicated by line 238 'in dotted lines, a
<EMI ID = 50.1>
fuel valve not shown. A conventional device, not shown, drives the motor 239 in
both directions, this motor controlling register 246 and
the primary air flow according to the working parameters of the boiler, in particular water vapor or water
<EMI ID = 51.1>
and cam 236 operate in a coordinated fashion to maintain a desired fuel-to-air ratio in the region
224, in the whole range of the working conditions of the boiler. According to the invention, zone 224 receives a quantity of air less than that which allows total combustion.
Typically about 75-80% of the air supplied
<EMI ID = 52.1>
the remainder reaches the device 242 which is placed in a secondary zone 261. The duct 241 arrives at
a compartment 243 from which the air passes through the orifices 230 of the diffuser into the zone 224 where the air ensures the incomplete combustion of the fuel injected by
nozzle 225, according to the invention, since the fuel
<EMI ID = 53.1>
the operating conditions of the boiler!
Conduit 240 has register 244 which runs on
<EMI ID = 54.1>
uri motor 249 as a function of a parameter, for example to the CO content in the chimney 215 starting from the boiler. The motor 249 is controlled by a slave device 250 which is itself sensitive to the CO content in the chimney, transmitted by a suitable detector 251. The variations in the CO content cause the variation of the air flow transmitted to the device. 242 via line 240 under the control of register 244.
<EMI ID = 55.1> wide open when starting the boiler. As a result, combustion in zone 261 of solids
T
<EMI ID = 56.1>
The register 244 can then be closed progressively until the detection of the presence of CO in the flue gases. The system then works automatically
<EMI ID = 57.1>
or to a value less than a predetermined minimum value, by controlling the secondary air flow, thanks to the regulation by the register 244. The primary air flow, during
normal operation of the boiler, is set according to the appropriate fuel-air ratio, according to
the thermal load of the boiler or other parameters.
The total amount of air supplied to the primary and secondary zones is usually slightly higher
to the stoichiometric quantity necessary for the total combustion of the combustible constituents, but it should be noted.
<EMI ID = 58.1>
satisfied in zone 224, according to the invention, because the temperature in the primary zone under these conditions can reach 1480 [deg.] C and can cause the production of a
<EMI ID = 59.1>
to be avoided -according to the invention. According to this, the boiler works so that the gases in the primary zone are kept at a temperature below 1480 [deg.] C,
so that the products formed are only partially oxidized.
In a variant of the second embodiment, a main register, not shown, is mounted in a
<EMI ID = 60.1>
This register can be controlled by a motor 239 which also drives a control cam 236. fuel and
a register 246 according to the load of the boiler, as in the embodiment shown. The register
245 of small dimension which controls the secondary air ensures a fine adjustment according to the CO content of the flue gases. The control of the composition of the combustion products can also be provided in another variation.
by a main fan not shown placed in
the duct 235 and the cam 236 controlled by a motor 239 according to the load of the boiler, the primary register 246 of the duct 241 and the secondary register 245
of the conduit 240 being both controlled as a function of the motor 249 controlled as a function of the CO content.
Reference is now made to FIGS. 5, 7 and 8 which describe the secondary combustion device 242 in detail. As described above, this device is placed in a secondary combustion zone 261 at the outlet of the chamber 220, so that all the gases
combustion must pass through this device 242 or
to its neighborhood. The device 242 essentially comprises two parallel rows of perforated tubes, the tubes of one row bearing the reference 254 and those of the other the reference '253. The role of the tubes is to diffuse or inject secondary combustion air uniformly into the flow of combustion gases from chamber 220, so that mixing is favored and combustion is complete, without the combustion. amount of secondary air is excessive. Thus, in this embodiment, a tube 254 comprises two longitudinal rows of small holes 255 and 256 through which air can pass into the flow of combustion gases. In this case, the tubes are
<EMI ID = 61.1>
prevents the release of non-dispersed air at the ends of the tubes into the gas stream. The lower ends of the tubes are also associated with a distributor 259, but the lower ends of the tubes communicate with the conduit 240 which is under the control of a small register.
244. The air leaving the tubes 253 and 254 through the rows of small holes 255 and 156 ensures the combustion of CO and unburnt materials, for example hydrocarbons from the primary combustion chamber. These tubes are mounted in a support 260 which maintains the position in the gas stream. The temperature in the secondary zone depends on
-the temperature and quantity of air supplied by the tubes -
253 and 254 as well as the thermal irradiation of this area. The tubes of the boiler to which the device
242 is exposed ensure the maintenance of the temperature
<EMI ID = 62.1>
at a value low enough that the nitrogen in the fuel in the combustion air is minimally oxidized to nitrogen oxides. In this embodiment, the tubes 253 and 254 may be of suitable refractory or stainless steel or any other material which is suitable and which does not degrade at the prevailing temperatures.
<EMI ID = 63.1>
so that it can radiate heat to the tubes
of the boiler, so that the secondary combustion air circulating in the perforated tubes is not significantly preheated before its introduction.
In figure 8, the rows of holes 255 and 256 are circumferentially distant, so as to cover
<EMI ID = 64.1>
less, within the scope of the invention. However, an angle of
120 [deg.] Is desirable because it promotes turbulence and
the mixing of the injected air of the combustion gases, so that total combustion is favored. At such an angle, turbulence and careful mixing is ensured because the air emitted from the small holes in the vicinity of the point where the gas stream flows along the tubes begins to flow.
separate from them by forming vortices.
The perforated tubes 253 and 254 can be replaced by various hollow air dispersing devices. For example, the device can be ceramic, other refractories or sintered, perforated or porous metal, partially or totally at the periphery. The device may also include narrow and continuous slots, disposed longitudinally and interrupted and intended for
to the emission of air, instead of small holes or pores. The tubes may be of any material which withstands the conditions prevailing in the vicinity of the device 242. A. row can also include a variable number of tubes, and the number of rows can be different from two, in
T
<EMI ID = 65.1>
depending on the application.
Figures 9 to 11 show a variant of the secondary combustion device, In this embodiment, a device maintains the tubes which emit air at a low temperature, and cools or at least prevents the preheating of the secondary air introduced .
In figure 9, the device bears the reference
270 and includes a frame 271 supporting a dispenser
Feed water 272 and a water discharge distributor 273. Below the distributor 272 is placed
a secondary air supply distributor 274 connected to duct 240 which is under the control of a damper
244. As shown in Figure 10, in this embodiment, two rows of air-expelling and water-cooled tubes bear the references 275 and 276,
at the rear and at the front respectively. As in the previous example, the number of tubes in each row. as well as their size and arrangement depend
quantities of gas treated according to the size of the boiler.
One of the tubes 275 will be described, although they may all be similar. In FIG. 9, the tube 275 comprises a central tube 280 intended to conduct the secondary air
and ^ having two longitudinal rows of small holes
281 and 282 through which can pass the secondary air which enters the stream of combustion gases. As shown by the curve of tube 275 in Figure 11, the rows
<EMI ID = 66.1>
hollow 283, 284 which diverge and which are arranged longitudinally. The two projections have the same shape. For example, protrusion 284 is disposed radially with respect to tube 280 and has its longitudinal slot open.
285 intended for the passage of the secondary air emitted by the holes 282 towards the flow of the surrounding combustion gases
<EMI ID = 67.1>
protrusions are cut at an angle, so that the slits
285 emerge substantially downwind of the combustion gases.
<EMI ID = 68.1> <EMI ID = 69.1>
In this example, the central tube is closed at its upper end 286 so that all secondary air passes through holes 281 and 282 '. The lower ends of the tubes 280 are associated with the distributor
<EMI ID = 70.1>
<EMI ID = 71.1>
The inner tube is surrounded by an outer concentric tube 287 which defines a jacket 289 for circulating water around the inner tube. The water circulates axially in the jacket between the projections 283 and 284. This circulation is due to the lower end connection.
288 of the tube 287 with the feed distributor 272, as shown in FIG. 9, in the cut away lower part. The inner and outer tubes are welded or otherwise sealed in the location where they enter the distributors or
<EMI ID = 72.1>
to flow through a cavity 290 and a hole 291 so that it enters the distributor 273. Obviously, the tube 280 can be disposed along the entire length of the distributor 273, to another separate air distributor.
<EMI ID = 73.1>
is arranged so as to feed the tubes 280 from the top and not from the bottom, or even two independent air distributors can feed the tubes from the top and from the bottom. The arrangement adopted depends on the quantity of gaseous combustion products to be burned, and on compliance with the condition according to which the secondary combustion
<EMI ID = 74.1>
'form.not.
In FIG. 11, a gaseous filament is indicated by the arrow 295. It should be noted that the current is deviated from the periphery of the tube 287 and forms an angle -Gel_ that the current intersects the secondary air flow leaving the slots 283, 284, so that the turbulence is maximum.
<EMI ID = 75.1> The oxidation of the residual hydrocarbons, of carbon monoxide and of the combustible materials of the combustion gases coming from the chamber 220 is therefore favored. As
the tubes are cooled with water, not only their thermal degradation is avoided, but the combustion products are pre-cooled to a temperature well below 14800C at which nitrogen oxides can be formed. It is also desirable that the secondary combustion device be disposed, relative to the heat absorbing surfaces of the boiler, so that the device is cooled by radiation to the surrounding surfaces. The existence of a relatively high content of CO in the flue gases
also tends to prevent the formation of nitrogen oxides, because air reacts preferentially with carbon monoxide rather than with nitrogen from the air or fuel.
In the examples described of the second mode of. realization, there are primary and secondary combustion zones. For example, in device 242
Figures 5, 7 and 8, the rows of elements 253 and 254 are both fed by the same duct 240, and in this case there is in reality a single secondary combustion zone -near device 242. So
<EMI ID = 76.1>
tubes such as 280 are all associated with a common distributor 274 supplied through conduit 240, and in this case all tubes supply air to a single region
secondary combustion. Although no particular arrangement has been shown, those skilled in the art can readily arrange a tertiary combustion zone, from the foregoing description. For example, das ran-
<EMI ID = 77.1>
connected to a secondary air supply. The other row 253 or 276 can then be connected to a third pressurized air supply, not shown. So, he
- forms primary, secondary and tertiary combustion zones. The area placed upstream of. rows of tubes 253 or 276 becomes the secondary zone and the zone placed in
The front 11 of the rows of tubes 254 or 275 becomes the tertiary combustion zone. With such an arrangement,
Combustion gases rich in CO and unburned hydrocarbons, coming from chamber 220, are burned in two additional stages, in the secondary and tertiary combustion zones, so that the probability of the temperature of the gas rising. above value
<EMI ID = 78.1>
scaled down. With such an arrangement, the tubes are easily kept at low temperature, because the flame which
surrounds each of the rows is not very intense.
During operation of the device of the second
embodiment, the variations in the CO content
effluent gases are detected and used for the control of the small register 244 of the duct 240. If the
CO content in the chimney increases, the secondary air
has an increased flow, by automatic opening of the register
244 and in this case the combustion products of the primary zone are effectively oxidized in the socon-
daire, si.although the CO content decreases. A discount
of the CO content of the flue gases causes a
reverse action. The role of the device is to ensure the oxidation of the gases passing through the secondary combustion device while minimizing the intensity of the flame in the region where the temperature must not reach
a value such that nitrogen oxides can be formed.
Usually the CO content of the flue gases reaches a constant value as long as the boiler load is
is sensiblemqnt constant. However, if the load increases or decreases, fuel and air destined for the area
of primary combustion have corresponding variations
and in this case the CO content of the flue gases may vary and then control an automatic adjustment of the secondary air,
Although the <EMI ID = 79.1> or hot water purification device has been described, it should be noted that specialists can adapt the device and its modes of operation to various
T
to appliances that burn fuel or in which
a reaction takes place, for example in industrial or domestic furnaces and in heaters, water heaters, incinerators, heating and power boilers, as well as other combustion devices that consume hydrocarbon fuels or liquid or gaseous carbonaceous substances.
It is understood that the invention has been described and represented only by way of preferred example and that any technical equivalence can be provided in its constituent elements without however departing from the scope of the invention.