CA2925737A1 - Bruleur de gaz pauvre - Google Patents
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Abstract
Les brûleurs de gaz industriel sont complexes, difficiles à régler et à faire fonctionner, et généralement sujets à encrassement. Le brûleur comprend une conception qui lui permet de réaliser un bon mélange air-combustible sans obstacle à l'écoulement pour éviter l'encrassement desdits obstacles. Le brûleur comprend également une conception telle que l'on peut régler la longueur et/ou le diamètre de flamme en fonction de la géométrie de la chambre de combustion existante à laquelle il est associé. En outre, cette conception comprend une fente annulaire d'introduction d'air dans la zone de combustion ayant une forme telle que l'air est apporté dans la zone de combustion sous forme d'une lame d'air conique, et crée une zone de compression où la zone de compression vient au contact du flux de gaz pour permettre un bon mélange air-combustible.
Description
BRULEUR DE GAZ PAUVRE
Domaine de l'invention L'invention appartient au domaine des brûleurs à gaz industriels, plus particulièrement les brûleurs à gaz adaptés à la combustion des gaz pauvres.
État de la technique Il existe un besoin de brûler des gaz à faible pouvoir calorifique. Il s'agit le plus souvent de gaz de récupération issus de procédés industriels (haut fourneau, bio-gaz, gaz des décharges, gaz issus de procédés de gazéification divers, gaz d'étuves chargés en COV
etc) dont le pouvoir calorifique est faible à cause de leur concentration élevée en gaz inerte. C'est le cas de certains types de gaz de synthèse. On appelle gaz de synthèse (ou syngaz ) un mélange CO / H2 issu de la gazéification de produits carbonés en présence de vapeur d'eau et/ou d'air, éventuellement enrichi en oxygène. En particulier, le gaz de synthèse obtenu à partir de la conversion de biomasse dans un gazéifieur sans enrichissement en oxygène, a un pouvoir calorifique plus bas que celui des combustibles fossiles (notamment les gaz propane et butane) ; c'est un gaz à faible pouvoir calorifique .
On appelle gaz pauvre ou gaz à faible pouvoir calorifique un gaz dont le pouvoir calorifique (PCI) est inférieur à 3000 Kcal / m3.
D'autre part, ces gaz d'origines diverses, tel que le gaz de synthèse issu de biomasse, sont souvent chargés en goudrons et en particules. De ce fait, leur utilisation dans les brûleurs habituellement utilisés pour les combustibles fossiles n'est généralement pas possible, et il est nécessaire de développer des brûleurs spécifiques pour le gaz de synthèse (ou autres gaz pauvres). De tels brûleurs spécifiques existent, mais sont de conception complexe.
Particulièrement le brevet FR 2 889 292 décrit un brûleur pour gaz combustible pauvre du type comprenant un nez de combustion sur un axe central et des moyens d'alimentation d'un mélange de gaz combustible et d'air de combustion en rotation autour de l'axe central du brûleur. Le brûleur se distingue en ce qu'il est configuré de manière à éjecter devant le nez de combustion un flux de pré-mélange non inflammable contenant un mélange d'air de pré-mélange et de gaz combustible, un flux complémentaire de manière
Domaine de l'invention L'invention appartient au domaine des brûleurs à gaz industriels, plus particulièrement les brûleurs à gaz adaptés à la combustion des gaz pauvres.
État de la technique Il existe un besoin de brûler des gaz à faible pouvoir calorifique. Il s'agit le plus souvent de gaz de récupération issus de procédés industriels (haut fourneau, bio-gaz, gaz des décharges, gaz issus de procédés de gazéification divers, gaz d'étuves chargés en COV
etc) dont le pouvoir calorifique est faible à cause de leur concentration élevée en gaz inerte. C'est le cas de certains types de gaz de synthèse. On appelle gaz de synthèse (ou syngaz ) un mélange CO / H2 issu de la gazéification de produits carbonés en présence de vapeur d'eau et/ou d'air, éventuellement enrichi en oxygène. En particulier, le gaz de synthèse obtenu à partir de la conversion de biomasse dans un gazéifieur sans enrichissement en oxygène, a un pouvoir calorifique plus bas que celui des combustibles fossiles (notamment les gaz propane et butane) ; c'est un gaz à faible pouvoir calorifique .
On appelle gaz pauvre ou gaz à faible pouvoir calorifique un gaz dont le pouvoir calorifique (PCI) est inférieur à 3000 Kcal / m3.
D'autre part, ces gaz d'origines diverses, tel que le gaz de synthèse issu de biomasse, sont souvent chargés en goudrons et en particules. De ce fait, leur utilisation dans les brûleurs habituellement utilisés pour les combustibles fossiles n'est généralement pas possible, et il est nécessaire de développer des brûleurs spécifiques pour le gaz de synthèse (ou autres gaz pauvres). De tels brûleurs spécifiques existent, mais sont de conception complexe.
Particulièrement le brevet FR 2 889 292 décrit un brûleur pour gaz combustible pauvre du type comprenant un nez de combustion sur un axe central et des moyens d'alimentation d'un mélange de gaz combustible et d'air de combustion en rotation autour de l'axe central du brûleur. Le brûleur se distingue en ce qu'il est configuré de manière à éjecter devant le nez de combustion un flux de pré-mélange non inflammable contenant un mélange d'air de pré-mélange et de gaz combustible, un flux complémentaire de manière
- 2 -à atteindre un seuil d'inflammabilité du mélange devant le nez de combustion, ledit flux étant éjecté au centre du flux de pré-mélange par le biais d'un flux d'air complémentaire central et/ou autour du flux de pré-mélange par le biais d'un flux d'air complémentaire périphérique. Cette configuration présente une complexité de montage et de réglage des moyens mis en oeuvre avec comme inconvénient complémentaire si le gaz pauvre est chargé en goudrons et en particules un encrassement progressif des équipements, notamment dans la zone de pré-mélange avant inflammation du combustible.
Le brevet EP 1 800 062 décrit un brûleur pour la combustion d'un gaz à faible pouvoir calorifique, comprenant un canal s'étendant le long d'un axe du brûleur, pour l'apport d'air de combustion, et un canal pour le gaz combustible, qui est conçu pour un grand courant en volume de gaz combustible à faible pouvoir calorifique, le canal pour le gaz et le canal pour l'air débouchant dans une zone de mélange. Le canal pour l'air a une zone d'embouchure voisine immédiatement (en technique d'écoulement) de la zone de mélange et un élément de tourbillonnement, pour la production d'air de combustion turbulent, est prévu dans la zone d'embouchure et des ailettes de tourbillonnement sont disposées dans le canal pour l'air en amont de l'élément de tourbillonnement.
Du fait de sa configuration, ce brûleur ne minimise pas la production d'oxydes d'azote, et il existe des risques de pulsations de la flamme. De plus, il n'est pas adapté aux gaz pauvres contenant des goudrons car les goudrons sont susceptibles de se condenser sur la paroi froide du conduit et le conduit d'introduction du gaz pauvre est sensible à
l'encrassement (zone annulaire). Le mélange air-gaz pauvre est sans doute assez peu uniforme.
Le brevet US 7,003,957 a pour objet un brûleur de gaz de synthèse. Le gaz combustible est injecté à travers des trous inclinés en direction radiale vers le centre de la chambre de combustion, et ayant un diamètre D et un angle d'injection alpha. Ces trous sont placés à
la sortie du brûleur, à savoir à la fin de l'espace de tourbillonnement. Le diamètre D et l'angle alpha sont des paramètres spécifiques qui sont choisis de manière appropriée par l'homme du métier en fonction de différentes variables (composition de gaz spécifique, émissions, etc.). Ce brûleur est très sensible à l'encrassement car l'injection du gaz pauvre se fait par des trous, de ce fait le brûleur n'est pas adapté à la présence de goudrons dans le gaz pauvre. Il s'agit d'un brûleur sans flamme pilote, ce qui pose problème pour assurer la stabilité de combustion. Du fait de sa configuration, ce brûleur produit certainement beaucoup d'oxydes d'azote, et il existe des risques de pulsations de la flamme.
D'autre part, le brevet EP 0 008 842 décrit un brûleur capable de brûler simultanément plusieurs carburants gazeux de capacités calorifiques différentes. Le brûleur multi-
Le brevet EP 1 800 062 décrit un brûleur pour la combustion d'un gaz à faible pouvoir calorifique, comprenant un canal s'étendant le long d'un axe du brûleur, pour l'apport d'air de combustion, et un canal pour le gaz combustible, qui est conçu pour un grand courant en volume de gaz combustible à faible pouvoir calorifique, le canal pour le gaz et le canal pour l'air débouchant dans une zone de mélange. Le canal pour l'air a une zone d'embouchure voisine immédiatement (en technique d'écoulement) de la zone de mélange et un élément de tourbillonnement, pour la production d'air de combustion turbulent, est prévu dans la zone d'embouchure et des ailettes de tourbillonnement sont disposées dans le canal pour l'air en amont de l'élément de tourbillonnement.
Du fait de sa configuration, ce brûleur ne minimise pas la production d'oxydes d'azote, et il existe des risques de pulsations de la flamme. De plus, il n'est pas adapté aux gaz pauvres contenant des goudrons car les goudrons sont susceptibles de se condenser sur la paroi froide du conduit et le conduit d'introduction du gaz pauvre est sensible à
l'encrassement (zone annulaire). Le mélange air-gaz pauvre est sans doute assez peu uniforme.
Le brevet US 7,003,957 a pour objet un brûleur de gaz de synthèse. Le gaz combustible est injecté à travers des trous inclinés en direction radiale vers le centre de la chambre de combustion, et ayant un diamètre D et un angle d'injection alpha. Ces trous sont placés à
la sortie du brûleur, à savoir à la fin de l'espace de tourbillonnement. Le diamètre D et l'angle alpha sont des paramètres spécifiques qui sont choisis de manière appropriée par l'homme du métier en fonction de différentes variables (composition de gaz spécifique, émissions, etc.). Ce brûleur est très sensible à l'encrassement car l'injection du gaz pauvre se fait par des trous, de ce fait le brûleur n'est pas adapté à la présence de goudrons dans le gaz pauvre. Il s'agit d'un brûleur sans flamme pilote, ce qui pose problème pour assurer la stabilité de combustion. Du fait de sa configuration, ce brûleur produit certainement beaucoup d'oxydes d'azote, et il existe des risques de pulsations de la flamme.
D'autre part, le brevet EP 0 008 842 décrit un brûleur capable de brûler simultanément plusieurs carburants gazeux de capacités calorifiques différentes. Le brûleur multi-
- 3 -combustibles gazeux utilise de l'air préchauffé à tirage forcé, et comprend un tube de brûleur intérieur cylindrique, des moyens étant prévus pour injecter à travers l'extrémité
amont d'air de combustion préchauffé à une température sélectionnée et comprimé à une pression choisie. L'extrémité aval du tube de brûleur intérieur est fermée, et une pluralité
de fentes longitudinales sont espacées de manière circonférentielle dans la paroi du tube au niveau de l'extrémité fermée. Des moyens sont prévus pour injecter un gaz combustible riche sous une pression choisie dans le tube de brûleur intérieur le long de son axe. Un tube de brûleur extérieur entoure axialement le tube de brûleur intérieur et forme un passage annulaire. Des moyens sont également prévus pour faire passer un gaz combustible pauvre à basse pression dans le passage annulaire et à
l'extérieur à
travers une fente périphérique à l'extrémité du tube de brûleur extérieur à
l'intérieur le four. Ce brûleur est très sensible à l'encrassement car l'injection du gaz pauvre se fait par des trous, le brûleur n'est pas adapté à la présence de goudrons dans le gaz pauvre. Il s'agit d'un brûleur sans flamme pilote, ce qui pose problème pour assurer la stabilité de combustion. Du fait de sa configuration, ce brûleur produit certainement beaucoup d'oxydes d'azote, et il existe des risques de pulsations de la flamme. Ce brûleur produit une flamme plate, sans possibilité de l'allonger, ce qui le destine à des fours spécifiques.
Le brevet EP 0 780 630 B1 (Alstom) décrit un brûleur comprenant un tourbillonneur suivi d'un tube, ce tube étant lui-même suivi de la chambre de combustion proprement dite (dans le sens du flux de gaz). La zone de jonction entre le tube et la chambre de combustion (dénommée A dans la description du brevet) possède une forme particulière qui permet la formation d'une arête de détachement dont le rôle est de stabiliser une zone de reflux. Cette zone de reflux joue le rôle d'un accrocheur de flamme . Ce brûleur très sensible à l'encrassement car l'injection du gaz pauvre se fait par des trous, le brûleur n'est pas adapté à la présence de goudrons dans le gaz pauvre.
Il s'agit d'un brûleur sans flamme pilote, ce qui pose problème pour assurer la stabilité de combustion. Du fait de sa configuration, ce brûleur produit certainement beaucoup d'oxydes d'azote, et il existe des risques de pulsations de la flamme.
La demanderesse a constaté que les brûleurs existants adaptés à la combustion du gaz de synthèse sont complexes, difficiles à régler et à faire fonctionner, et généralement sujets à l'encrassement. Il existe donc un besoin pour un brûleur de gaz pauvre de conception simple, facile à fabriquer et de faible coût, fiable, facile à
régler, et ne nécessitant pas ou peu de maintenance.
amont d'air de combustion préchauffé à une température sélectionnée et comprimé à une pression choisie. L'extrémité aval du tube de brûleur intérieur est fermée, et une pluralité
de fentes longitudinales sont espacées de manière circonférentielle dans la paroi du tube au niveau de l'extrémité fermée. Des moyens sont prévus pour injecter un gaz combustible riche sous une pression choisie dans le tube de brûleur intérieur le long de son axe. Un tube de brûleur extérieur entoure axialement le tube de brûleur intérieur et forme un passage annulaire. Des moyens sont également prévus pour faire passer un gaz combustible pauvre à basse pression dans le passage annulaire et à
l'extérieur à
travers une fente périphérique à l'extrémité du tube de brûleur extérieur à
l'intérieur le four. Ce brûleur est très sensible à l'encrassement car l'injection du gaz pauvre se fait par des trous, le brûleur n'est pas adapté à la présence de goudrons dans le gaz pauvre. Il s'agit d'un brûleur sans flamme pilote, ce qui pose problème pour assurer la stabilité de combustion. Du fait de sa configuration, ce brûleur produit certainement beaucoup d'oxydes d'azote, et il existe des risques de pulsations de la flamme. Ce brûleur produit une flamme plate, sans possibilité de l'allonger, ce qui le destine à des fours spécifiques.
Le brevet EP 0 780 630 B1 (Alstom) décrit un brûleur comprenant un tourbillonneur suivi d'un tube, ce tube étant lui-même suivi de la chambre de combustion proprement dite (dans le sens du flux de gaz). La zone de jonction entre le tube et la chambre de combustion (dénommée A dans la description du brevet) possède une forme particulière qui permet la formation d'une arête de détachement dont le rôle est de stabiliser une zone de reflux. Cette zone de reflux joue le rôle d'un accrocheur de flamme . Ce brûleur très sensible à l'encrassement car l'injection du gaz pauvre se fait par des trous, le brûleur n'est pas adapté à la présence de goudrons dans le gaz pauvre.
Il s'agit d'un brûleur sans flamme pilote, ce qui pose problème pour assurer la stabilité de combustion. Du fait de sa configuration, ce brûleur produit certainement beaucoup d'oxydes d'azote, et il existe des risques de pulsations de la flamme.
La demanderesse a constaté que les brûleurs existants adaptés à la combustion du gaz de synthèse sont complexes, difficiles à régler et à faire fonctionner, et généralement sujets à l'encrassement. Il existe donc un besoin pour un brûleur de gaz pauvre de conception simple, facile à fabriquer et de faible coût, fiable, facile à
régler, et ne nécessitant pas ou peu de maintenance.
- 4 -Objet de l'invention Un premier but de l'invention est de fournir un brûleur industriel adapté à la combustion de gaz pauvre, c'est-à-dire ayant un PCI (pouvoir calorifique inférieur) faible et dont le PCI
peut être variable en fonction de la composition du gaz d'alimentation. Dans certains cas, ce gaz pauvre est en outre disponible à une température élevée (jusqu'à 600 C). Le gaz pauvre peut de plus être chargé en goudrons et particules solides, il est donc nécessaire d'avoir un brûleur dans lequel on peut réaliser un bon mélange air-combustible sans obstacle à l'écoulement pour éviter l'encrassement desdits obstacles.
Un autre but de l'invention est de fournir un brûleur de gaz pauvre, et en particulier de gaz de synthèse obtenu à partir de la gazéification à l'air de la biomasse, qui puisse remplacer un brûleur déjà existant dans une installation. En particulier, le brûleur de gaz de synthèse doit avoir une conception telle que l'on peut régler la longueur et/ou le diamètre de flamme en fonction de la géométrie de la chambre de combustion existante à
laquelle il est associé.
Ces buts sont atteints grâce à un brûleur de gaz pour brûler un gaz à faible pouvoir calorifique, tel que du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse, le brûleur étant de forme sensiblement cylindrique, et comprenant une première zone annulaire formée entre la paroi externe du brûleur et une paroi interne du brûleur sensiblement parallèle à la paroi externe, une seconde zone annulaire formée entre la paroi externe du brûleur et la paroi interne en aval de la première zone, et le brûleur comprenant par ailleurs un conduit d'alimentation en gaz à faible pouvoir calorifique sensiblement parallèle à l'axe du brûleur, un conduit d'alimentation en air primaire formé dans la paroi externe et débouchant dans la première zone annulaire, un conduit d'alimentation en air secondaire formé dans la paroi externe et débouchant dans la seconde zone annulaire, une fente annulaire d'introduction de l'air primaire de la première zone annulaire dans la zone de combustion, ladite fente annulaire étant formée entre la paroi externe et l'extrémité amont de la paroi interne, des orifices d'introduction de l'air secondaire de la seconde zone annulaire dans la zone de combustion, lesdits orifices étant percés dans la paroi interne, ledit brûleur se distinguant en outre par le fait que la fente annulaire a une forme telle que l'air primaire est apporté dans la zone de combustion sous forme d'une lame d'air conique, et crée une zone de compression, les orifices sont disposés de manière à
permettre le tourbillonnement ( swirl ) de l'air secondaire. Ce brûleur représente un premier objet de l'invention.
peut être variable en fonction de la composition du gaz d'alimentation. Dans certains cas, ce gaz pauvre est en outre disponible à une température élevée (jusqu'à 600 C). Le gaz pauvre peut de plus être chargé en goudrons et particules solides, il est donc nécessaire d'avoir un brûleur dans lequel on peut réaliser un bon mélange air-combustible sans obstacle à l'écoulement pour éviter l'encrassement desdits obstacles.
Un autre but de l'invention est de fournir un brûleur de gaz pauvre, et en particulier de gaz de synthèse obtenu à partir de la gazéification à l'air de la biomasse, qui puisse remplacer un brûleur déjà existant dans une installation. En particulier, le brûleur de gaz de synthèse doit avoir une conception telle que l'on peut régler la longueur et/ou le diamètre de flamme en fonction de la géométrie de la chambre de combustion existante à
laquelle il est associé.
Ces buts sont atteints grâce à un brûleur de gaz pour brûler un gaz à faible pouvoir calorifique, tel que du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse, le brûleur étant de forme sensiblement cylindrique, et comprenant une première zone annulaire formée entre la paroi externe du brûleur et une paroi interne du brûleur sensiblement parallèle à la paroi externe, une seconde zone annulaire formée entre la paroi externe du brûleur et la paroi interne en aval de la première zone, et le brûleur comprenant par ailleurs un conduit d'alimentation en gaz à faible pouvoir calorifique sensiblement parallèle à l'axe du brûleur, un conduit d'alimentation en air primaire formé dans la paroi externe et débouchant dans la première zone annulaire, un conduit d'alimentation en air secondaire formé dans la paroi externe et débouchant dans la seconde zone annulaire, une fente annulaire d'introduction de l'air primaire de la première zone annulaire dans la zone de combustion, ladite fente annulaire étant formée entre la paroi externe et l'extrémité amont de la paroi interne, des orifices d'introduction de l'air secondaire de la seconde zone annulaire dans la zone de combustion, lesdits orifices étant percés dans la paroi interne, ledit brûleur se distinguant en outre par le fait que la fente annulaire a une forme telle que l'air primaire est apporté dans la zone de combustion sous forme d'une lame d'air conique, et crée une zone de compression, les orifices sont disposés de manière à
permettre le tourbillonnement ( swirl ) de l'air secondaire. Ce brûleur représente un premier objet de l'invention.
- 5 -Dans un mode de réalisation avantageux du brûleur selon l'invention, la fente annulaire est formée grâce à une pièce dite d'introduction d'air située à l'extrémité
amont de la paroi interne du brûleur. Cette pièce d'introduction d'air présente une forme de lèvre ; plus précisément elle présente une partie conique divergente de l'aval vers l'amont formant avec la paroi intérieure du brûleur un angle oc compris entre 20 et 45 , et une partie dite en extrados se terminant sur un bord de fuite qui permet de diriger ladite lame d'air annulaire devenue conique selon le profil souhaité afin de constituer un zone de compression situé sur l'axe du brûleur. La zone de compression vient au contact du flux de gaz pauvre pour permettre un bon mélange air-combustible.
De préférence, la pièce d'introduction d'air présente un bord amont plat perpendiculaire à
l'axe du brûleur et sensiblement parallèle à une surface plane de la paroi externe du brûleur, créant ainsi un flux d'air redressé perpendiculaire à l'axe du brûleur.
Dans un mode de réalisation préféré du brûleur selon l'invention, la partie conique de la pièce d'introduction d'air est suivie d'une partie arrondie selon un rayon de courbure r1, elle-même suivie d'une bord amont plan, et la partie en extrados suit le bord amont plan, et est constituée par une première partie arrondie selon un rayon de courbure r2 suivie d'une seconde partie constituée de trois profils plats successifs formant des angles respectifs 131, 132 et 133 avec le plan du bord amont, les angles 131, 132 et 133 étant respectivement compris entre 30 et 80 .
Dans un mode de réalisation préféré, les orifices d'entrée de l'air secondaire sont de section cylindrique ou oblongue, et sont répartis dans la partie de la paroi interne du brûleur en regard de la zone d'introduction de l'air secondaire et ont un diamètre unitaire compris entre 3 et 15 mm, de manière à permettre l'introduction d'air secondaire à une vitesse comprise entre 10 et 50 m/s.
En outre dans un mode de réalisation préféré, les axes des orifices d'entrée d'air secondaire sont inclinés selon des angles compris entre 15 et 40 , et de préférence sensiblement égal à 25 par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du brûleur. De préférence, les axes des orifices sont en outre inclinés selon des angles compris entre 10 à 25 et de préférence sensiblement égal à 15 , par rapport au rayon du cylindre formé
par le brûleur et passant par l'orifice, de manière à permettre un tourbillonnement optimal de l'air secondaire.
Encore un autre but de l'invention est de pouvoir alimenter le brûleur avec un appoint de combustible fossile pour augmenter le PCI le cas échéant, ou pour augmenter la puissance totale fournie, et/ou pour pouvoir disposer d'une flamme pilote alimentée avec
amont de la paroi interne du brûleur. Cette pièce d'introduction d'air présente une forme de lèvre ; plus précisément elle présente une partie conique divergente de l'aval vers l'amont formant avec la paroi intérieure du brûleur un angle oc compris entre 20 et 45 , et une partie dite en extrados se terminant sur un bord de fuite qui permet de diriger ladite lame d'air annulaire devenue conique selon le profil souhaité afin de constituer un zone de compression situé sur l'axe du brûleur. La zone de compression vient au contact du flux de gaz pauvre pour permettre un bon mélange air-combustible.
De préférence, la pièce d'introduction d'air présente un bord amont plat perpendiculaire à
l'axe du brûleur et sensiblement parallèle à une surface plane de la paroi externe du brûleur, créant ainsi un flux d'air redressé perpendiculaire à l'axe du brûleur.
Dans un mode de réalisation préféré du brûleur selon l'invention, la partie conique de la pièce d'introduction d'air est suivie d'une partie arrondie selon un rayon de courbure r1, elle-même suivie d'une bord amont plan, et la partie en extrados suit le bord amont plan, et est constituée par une première partie arrondie selon un rayon de courbure r2 suivie d'une seconde partie constituée de trois profils plats successifs formant des angles respectifs 131, 132 et 133 avec le plan du bord amont, les angles 131, 132 et 133 étant respectivement compris entre 30 et 80 .
Dans un mode de réalisation préféré, les orifices d'entrée de l'air secondaire sont de section cylindrique ou oblongue, et sont répartis dans la partie de la paroi interne du brûleur en regard de la zone d'introduction de l'air secondaire et ont un diamètre unitaire compris entre 3 et 15 mm, de manière à permettre l'introduction d'air secondaire à une vitesse comprise entre 10 et 50 m/s.
En outre dans un mode de réalisation préféré, les axes des orifices d'entrée d'air secondaire sont inclinés selon des angles compris entre 15 et 40 , et de préférence sensiblement égal à 25 par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du brûleur. De préférence, les axes des orifices sont en outre inclinés selon des angles compris entre 10 à 25 et de préférence sensiblement égal à 15 , par rapport au rayon du cylindre formé
par le brûleur et passant par l'orifice, de manière à permettre un tourbillonnement optimal de l'air secondaire.
Encore un autre but de l'invention est de pouvoir alimenter le brûleur avec un appoint de combustible fossile pour augmenter le PCI le cas échéant, ou pour augmenter la puissance totale fournie, et/ou pour pouvoir disposer d'une flamme pilote alimentée avec
6 PCT/FR2014/052523 un combustible fossile. Ces buts sont atteints grâce à la présence d'au moins un conduit d'introduction de combustible fossile. En outre, la flamme pilote assure la sécurité de la flamme principale.
Encore un autre but de l'invention est de permettre le fonctionnement avec un combustible fossile de substitution à 100% de la puissance nominale. Le brûleur peut en effet fonctionner uniquement avec une alimentation en combustible fossile. Ce mode de fonctionnement pouvant être utile en cas de rupture de l'approvisionnement en gaz pauvre.
Dans un mode de réalisation préféré, le brûleur selon l'invention comprend un moyen de commande comprenant une mémoire et régulant le débit d'air introduit pour chaque allure et chaque ratio gaz pauvre / combustible fossile, en fonction de points de fonctionnement paramétrés et mis en mémoire.
Un autre but de l'invention est de réduire la température de la paroi interne du brûleur de manière à limiter sa fatigue thermique. Encore un autre but de l'invention est de réduire la température de la paroi externe du brûleur de manière à limiter le besoin en isolation thermique. Encore un autre but de l'invention est de préchauffer l'air primaire et l'air secondaire de combustion, de manière à améliorer la qualité de la combustion.
Ces buts sont atteints grâce au brûleur selon l'invention, du fait de la présence des première et seconde zones annulaires formées entre la paroi externe et la paroi interne du brûleur et qui permettent la circulation de l'air primaire et de l'air secondaire dans l'air entrant étant à
température ambiante, à savoir de l'ordre de 20 C.
Un autre objet de l'invention est l'utilisation du brûleur selon l'inventions dan es fours, chaudières ou séchoirs.
Encore un autre objet de l'invention est une installation comprenant un brûleur selon l'invention, associé à un gazéifieur de biomasse.
Description de l'invention Le brûleur selon l'invention a été développé pour la combustion de gaz pauvre, et notamment du gaz de synthèse (ou syngaz) issu de la gazéification de la biomasse.
Le brûleur selon l'invention conjugue deux flux d'air pour une combustion étagée. La combustion étagée consiste à introduire, soit l'air de combustion soit le combustible dans la flamme à différentes étapes. Lors de la combustion étagée par étagement de l'air, une partie de l'air de combustion, typiquement de l'ordre de 5 à 50%, est fournie à une zone
Encore un autre but de l'invention est de permettre le fonctionnement avec un combustible fossile de substitution à 100% de la puissance nominale. Le brûleur peut en effet fonctionner uniquement avec une alimentation en combustible fossile. Ce mode de fonctionnement pouvant être utile en cas de rupture de l'approvisionnement en gaz pauvre.
Dans un mode de réalisation préféré, le brûleur selon l'invention comprend un moyen de commande comprenant une mémoire et régulant le débit d'air introduit pour chaque allure et chaque ratio gaz pauvre / combustible fossile, en fonction de points de fonctionnement paramétrés et mis en mémoire.
Un autre but de l'invention est de réduire la température de la paroi interne du brûleur de manière à limiter sa fatigue thermique. Encore un autre but de l'invention est de réduire la température de la paroi externe du brûleur de manière à limiter le besoin en isolation thermique. Encore un autre but de l'invention est de préchauffer l'air primaire et l'air secondaire de combustion, de manière à améliorer la qualité de la combustion.
Ces buts sont atteints grâce au brûleur selon l'invention, du fait de la présence des première et seconde zones annulaires formées entre la paroi externe et la paroi interne du brûleur et qui permettent la circulation de l'air primaire et de l'air secondaire dans l'air entrant étant à
température ambiante, à savoir de l'ordre de 20 C.
Un autre objet de l'invention est l'utilisation du brûleur selon l'inventions dan es fours, chaudières ou séchoirs.
Encore un autre objet de l'invention est une installation comprenant un brûleur selon l'invention, associé à un gazéifieur de biomasse.
Description de l'invention Le brûleur selon l'invention a été développé pour la combustion de gaz pauvre, et notamment du gaz de synthèse (ou syngaz) issu de la gazéification de la biomasse.
Le brûleur selon l'invention conjugue deux flux d'air pour une combustion étagée. La combustion étagée consiste à introduire, soit l'air de combustion soit le combustible dans la flamme à différentes étapes. Lors de la combustion étagée par étagement de l'air, une partie de l'air de combustion, typiquement de l'ordre de 5 à 50%, est fournie à une zone
- 7 -de combustion primaire avec la totalité du carburant. On obtient ainsi une zone riche en combustible et la formation des oxydes d'azote est diminuée. Le reste de l'air est injecté
plus en aval, formant une zone de flamme secondaire, où la combustion est achevée.
Dans le brûleur selon l'invention, les flux d'air primaire et secondaire sont formés comme suit :
- un flux d'air primaire axial qui permet d'accrocher la flamme pour tout type de combustible gazeux : gaz de synthèse, gaz naturel et propane.
- un flux d'air secondaire rotatif qui stabilise la flamme sans avoir recours à un équipement complémentaire sujet à l'encrassement.
Ainsi, la stabilité de la flamme dans le brûleur selon l'invention est effective à toutes les allures de combustion grâce à la combinaison des modes axial et rotatif des flux d'air comburants primaire et secondaire respectivement.
En outre, ce mode de combustion permet de faire varier l'apport relatif des différents combustibles, notamment le gaz de synthèse, le gaz naturel et le propane, en fonction de la puissance recherchée et de la disponibilité desdits combustibles. Le brûleur peut prendre en charge un apport mixte gaz pauvre / combustible fossile dans des proportions variables de 100% gaz pauvre à 100% combustible fossile.
On sait que la qualité de la combustion, mesurée en particulier par la quantité d'imbrûlés et de polluants émis, dépend de la qualité du mélange air-combustible. Plus précisément, il est important de réaliser un mélange air-combustible le plus uniforme possible pour limiter les points chauds et ainsi minimiser la formation des oxydes d'azote.
En outre, la combustion étagée utilisée dans le brûleur selon l'invention nécessite également un mélange rapide du carburant et de l'air. Différents dispositifs sont employés dans les brûleurs existants pour améliorer la qualité du mélange, tels que les déflecteurs, les ailettes, les plaques perforées ou les plaques d'impact (on entend par plaque d'impact un écran placé perpendiculairement à l'écoulement dans sa partie axiale). Tous ces dispositifs ont pour inconvénient de créer un obstacle à l'écoulement et sont par conséquent sensibles à l'encrassement. Un avantage du brûleur selon l'invention est qu'il permet un mélange air-combustible optimal tout en ne présentant aucun obstacle à
l'écoulement. La qualité du mélange est assurée en particulier par la forme particulière du flux d'air primaire. La fente annulaire a une forme telle que l'air primaire est apporté dans la zone de combustion sous forme d'une lame d'air conique venant prendre en charge ou entraîner les flux de combustible (gaz pauvre et combustible fossile).
plus en aval, formant une zone de flamme secondaire, où la combustion est achevée.
Dans le brûleur selon l'invention, les flux d'air primaire et secondaire sont formés comme suit :
- un flux d'air primaire axial qui permet d'accrocher la flamme pour tout type de combustible gazeux : gaz de synthèse, gaz naturel et propane.
- un flux d'air secondaire rotatif qui stabilise la flamme sans avoir recours à un équipement complémentaire sujet à l'encrassement.
Ainsi, la stabilité de la flamme dans le brûleur selon l'invention est effective à toutes les allures de combustion grâce à la combinaison des modes axial et rotatif des flux d'air comburants primaire et secondaire respectivement.
En outre, ce mode de combustion permet de faire varier l'apport relatif des différents combustibles, notamment le gaz de synthèse, le gaz naturel et le propane, en fonction de la puissance recherchée et de la disponibilité desdits combustibles. Le brûleur peut prendre en charge un apport mixte gaz pauvre / combustible fossile dans des proportions variables de 100% gaz pauvre à 100% combustible fossile.
On sait que la qualité de la combustion, mesurée en particulier par la quantité d'imbrûlés et de polluants émis, dépend de la qualité du mélange air-combustible. Plus précisément, il est important de réaliser un mélange air-combustible le plus uniforme possible pour limiter les points chauds et ainsi minimiser la formation des oxydes d'azote.
En outre, la combustion étagée utilisée dans le brûleur selon l'invention nécessite également un mélange rapide du carburant et de l'air. Différents dispositifs sont employés dans les brûleurs existants pour améliorer la qualité du mélange, tels que les déflecteurs, les ailettes, les plaques perforées ou les plaques d'impact (on entend par plaque d'impact un écran placé perpendiculairement à l'écoulement dans sa partie axiale). Tous ces dispositifs ont pour inconvénient de créer un obstacle à l'écoulement et sont par conséquent sensibles à l'encrassement. Un avantage du brûleur selon l'invention est qu'il permet un mélange air-combustible optimal tout en ne présentant aucun obstacle à
l'écoulement. La qualité du mélange est assurée en particulier par la forme particulière du flux d'air primaire. La fente annulaire a une forme telle que l'air primaire est apporté dans la zone de combustion sous forme d'une lame d'air conique venant prendre en charge ou entraîner les flux de combustible (gaz pauvre et combustible fossile).
- 8 -Le brûleur selon l'invention a été conçu pour pouvoir brûler principalement un gaz pauvre et plus particulièrement du gaz de synthèse issu de la gazéification de la biomasse.
Cependant, dans un mode de réalisation avantageux, le brûleur selon l'invention est également apte à brûler un combustible traditionnel tel que du gaz naturel, du propane, voire du fioul domestique. Le brûleur selon l'invention est donc un brûleur mixte qui peut fonctionner indifféremment au gaz de synthèse, au gaz naturel ou au propane ou encore avec un mélange de ces différents combustibles (surtout avec un mélange de gaz de synthèse et de combustibles fossiles). En outre, sa conception particulière lui confère une grande souplesse d'utilisation, avec une modulation possible d'un fonctionnement avec 100% de combustible fossile à un fonctionnement avec 100% de gaz pauvre, en particulier de gaz issu de la conversion de la biomasse.
A toutes les allures la quantité d'air comburant est ajustée au mélange de combustibles qui est pris en charge par le brûleur. Avantageusement cet ajustement est réalisé grâce à
un moyen de commande, tel qu'un automate de contrôle, qui permet d'alimenter un débit d'air calculé pour chaque allure et pour chaque ratio gaz pauvre/combustible fossile, en fonction de points de fonctionnement paramétrés et mis en mémoire. Dans un mode de réalisation, une sonde lambda mesure en outre la teneur en oxygène des fumées de combustion, ce qui permet d'affiner le réglage du débit d'air comburant. De préférence, le réglage du débit d'air se fait de manière globale (flux total air primaire et air secondaire),.
Avantageusement, le brûleur selon l'invention est équipé d'un brûleur pilote pour l'allumage et la sécurité de flamme. La flamme pilote est obligatoire dans certains cas pour des raisons de sécurité (norme EN 746-2).
Les figures 1, 2 et 3 illustrent un mode de réalisation du brûleur selon l'invention.
La figure 1 est une vue de face du brûleur selon l'invention.
La figure 2 est une vue du brûleur selon l'invention en coupe selon le plan A -A de la figure 1.
La figure 3 est une vue agrandie du détail B de la figure 2.
Les repères suivants sont utilisés sur les figures :
1 Conduit d'introduction du gaz pauvre 2 Conduit d'introduction du combustible fossile 3 Conduit d'entrée d'air primaire 4 Conduit d'entrée d'air secondaire
Cependant, dans un mode de réalisation avantageux, le brûleur selon l'invention est également apte à brûler un combustible traditionnel tel que du gaz naturel, du propane, voire du fioul domestique. Le brûleur selon l'invention est donc un brûleur mixte qui peut fonctionner indifféremment au gaz de synthèse, au gaz naturel ou au propane ou encore avec un mélange de ces différents combustibles (surtout avec un mélange de gaz de synthèse et de combustibles fossiles). En outre, sa conception particulière lui confère une grande souplesse d'utilisation, avec une modulation possible d'un fonctionnement avec 100% de combustible fossile à un fonctionnement avec 100% de gaz pauvre, en particulier de gaz issu de la conversion de la biomasse.
A toutes les allures la quantité d'air comburant est ajustée au mélange de combustibles qui est pris en charge par le brûleur. Avantageusement cet ajustement est réalisé grâce à
un moyen de commande, tel qu'un automate de contrôle, qui permet d'alimenter un débit d'air calculé pour chaque allure et pour chaque ratio gaz pauvre/combustible fossile, en fonction de points de fonctionnement paramétrés et mis en mémoire. Dans un mode de réalisation, une sonde lambda mesure en outre la teneur en oxygène des fumées de combustion, ce qui permet d'affiner le réglage du débit d'air comburant. De préférence, le réglage du débit d'air se fait de manière globale (flux total air primaire et air secondaire),.
Avantageusement, le brûleur selon l'invention est équipé d'un brûleur pilote pour l'allumage et la sécurité de flamme. La flamme pilote est obligatoire dans certains cas pour des raisons de sécurité (norme EN 746-2).
Les figures 1, 2 et 3 illustrent un mode de réalisation du brûleur selon l'invention.
La figure 1 est une vue de face du brûleur selon l'invention.
La figure 2 est une vue du brûleur selon l'invention en coupe selon le plan A -A de la figure 1.
La figure 3 est une vue agrandie du détail B de la figure 2.
Les repères suivants sont utilisés sur les figures :
1 Conduit d'introduction du gaz pauvre 2 Conduit d'introduction du combustible fossile 3 Conduit d'entrée d'air primaire 4 Conduit d'entrée d'air secondaire
-9-Zone annulaire pour l'air primaire 6 Fente 7 Chambre de combustion 8 Zone annulaire pour l'air secondaire 9 Orifices d'injection de l'air secondaire
10,11,12 Passages supplémentaires permettant l'implantation d'un organe d'allumage ou d'une entrée de combustible fossile 13 Forme en extrados de la fente 6 (entrée d'air primaire dans le brûleur) 14 Pièce d'introduction d'air primaire Partie conique de la pièce 14 16 Paroi externe cylindrique du brûleur 17 Paroi interne du brûleur 18 Partie arrondie selon un rayon de courbure r1 de la pièce 14 19 Bord amont plan de la pièce 14 (formant la fente annulaire en coopération avec la paroi 16) Séparation entre les zones d'entrée d'air primaire 5 et d'air secondaire 8 21 Partie arrondie selon T2 22,23,24 Profils plats successifs formant un angle respectif 131,132, 03 avec la partie Extrémité amont de la paroi interne 17 26 Base du cylindre formé par la paroi externe Un mode de réalisation du brûleur selon l'invention est décrit ci-après en relation avec les figures 1, 2 et 3. Le brûleur selon l'invention a une forme sensiblement cylindrique. Il a une paroi extérieure 16, et une paroi interne 17 séparée de la paroi 16 pour former des 5 zones annulaires 5 et 8. Ces zones 5 et 8 sont séparées l'une de l'autre par une cloison 20. La première zone annulaire 5 est utilisée pour l'introduction de l'air primaire dans la zone de combustion 7. La seconde zone annulaire 8 est utilisée pour l'introduction de l'air secondaire dans la zone de combustion 7.
En référence aux figures 1 et 2, un conduit 1 permet l'introduction de gaz pauvre dans le 10 brûleur. De préférence, le conduit d'introduction du gaz pauvre 1 est cylindrique, et son diamètre est calculé en fonction de la quantité de gaz pauvre à prendre en charge. La vitesse d'introduction du gaz pauvre dans le brûleur est généralement comprise entre 5 et m/s, et de préférence entre 15 et 25 m/s.
Un conduit 2 permet l'introduction de combustible fossile (gaz naturel, propane ou fioul 15 domestique notamment). Le conduit d'introduction du combustible fossile 2 est de préférence cylindrique. Son diamètre est calculé en fonction de la quantité de gaz combustible à prendre en charge. La vitesse d'introduction du combustible fossile dans le brûleur est comprise entre 5 et 30 m/s (de préférence entre 15 et 25 m/s).
Dans le cas d'un combustible liquide (fioul domestique) celui-ci est pulvérisé par un injecteur spécifique (non représenté).
Un conduit 3 permet l'introduction d'air primaire dans la zone annulaire 5.
L'air primaire introduit dans la zone annulaire 5 par le conduit 3 est ensuite dirigé vers une fente annulaire 6 qui est de forme telle qu'elle crée une lame d'air conique et une zone de compression dans la zone 7. C'est cette configuration spécifique du brûleur selon l'invention qui permet un bon mélange de l'air primaire avec le combustible.
La vitesse de l'air primaire est de 20 à 200 m/s au niveau de la lèvre ou de la fente annulaire 6. L'écoulement de l'air primaire se fait en régime laminaire.
De préférence, la pièce d'introduction d'air 14 présente un bord amont plat 19 perpendiculaire à l'axe du brûleur et sensiblement parallèle à une surface plane de la paroi externe 16 du brûleur, créant ainsi un flux d'air redressé
perpendiculaire à l'axe du brûleur. Le profil de la pièce d'introduction d'air 14 prend en charge l'écoulement d'air pour le diriger, sans modification de son régime laminaire, vers une zone située sensiblement sur l'axe du brûleur.
La lame d'air conique est destinée principalement à réaliser un bon mélange air-combustible, mais elle permet en outre de protéger la paroi interne du brûleur, en particulier dans le cas où le gaz pauvre est chargé en goudrons et en particules.
Un conduit 4 permet l'introduction d'air secondaire dans la zone annulaire 8.
L'air secondaire introduit dans la zone annulaire 8 par le conduit 4 est dirigé vers un ensemble d'orifices d'injection 9 permettant de mettre l'air secondaire en rotation ou en tourbillon (swirl). La mise en rotation de l'air secondaire permet en particulier d'éviter le décrochage de la flamme à forte puissance. Elle contribue également à éviter les pulsations de la flamme responsables de phénomènes vibratoires qui sinon pourraient se produire à
certaines puissances et pour certain ratios air/combustible.
Les orifices 9 sont des orifices de section cylindrique ou oblongue. Les orifices 9 d'introduction d'air secondaire percés dans la paroi interne 17 du brûleur ont de préférence un diamètre unitaire de 3 à 15 mm, permettant ainsi l'injection d'air secondaire à des vitesses comprises entre 10 et 50 m/s et de préférence comprises entre 20 et 40 m/s..
En référence aux figures 1 et 2, un conduit 1 permet l'introduction de gaz pauvre dans le 10 brûleur. De préférence, le conduit d'introduction du gaz pauvre 1 est cylindrique, et son diamètre est calculé en fonction de la quantité de gaz pauvre à prendre en charge. La vitesse d'introduction du gaz pauvre dans le brûleur est généralement comprise entre 5 et m/s, et de préférence entre 15 et 25 m/s.
Un conduit 2 permet l'introduction de combustible fossile (gaz naturel, propane ou fioul 15 domestique notamment). Le conduit d'introduction du combustible fossile 2 est de préférence cylindrique. Son diamètre est calculé en fonction de la quantité de gaz combustible à prendre en charge. La vitesse d'introduction du combustible fossile dans le brûleur est comprise entre 5 et 30 m/s (de préférence entre 15 et 25 m/s).
Dans le cas d'un combustible liquide (fioul domestique) celui-ci est pulvérisé par un injecteur spécifique (non représenté).
Un conduit 3 permet l'introduction d'air primaire dans la zone annulaire 5.
L'air primaire introduit dans la zone annulaire 5 par le conduit 3 est ensuite dirigé vers une fente annulaire 6 qui est de forme telle qu'elle crée une lame d'air conique et une zone de compression dans la zone 7. C'est cette configuration spécifique du brûleur selon l'invention qui permet un bon mélange de l'air primaire avec le combustible.
La vitesse de l'air primaire est de 20 à 200 m/s au niveau de la lèvre ou de la fente annulaire 6. L'écoulement de l'air primaire se fait en régime laminaire.
De préférence, la pièce d'introduction d'air 14 présente un bord amont plat 19 perpendiculaire à l'axe du brûleur et sensiblement parallèle à une surface plane de la paroi externe 16 du brûleur, créant ainsi un flux d'air redressé
perpendiculaire à l'axe du brûleur. Le profil de la pièce d'introduction d'air 14 prend en charge l'écoulement d'air pour le diriger, sans modification de son régime laminaire, vers une zone située sensiblement sur l'axe du brûleur.
La lame d'air conique est destinée principalement à réaliser un bon mélange air-combustible, mais elle permet en outre de protéger la paroi interne du brûleur, en particulier dans le cas où le gaz pauvre est chargé en goudrons et en particules.
Un conduit 4 permet l'introduction d'air secondaire dans la zone annulaire 8.
L'air secondaire introduit dans la zone annulaire 8 par le conduit 4 est dirigé vers un ensemble d'orifices d'injection 9 permettant de mettre l'air secondaire en rotation ou en tourbillon (swirl). La mise en rotation de l'air secondaire permet en particulier d'éviter le décrochage de la flamme à forte puissance. Elle contribue également à éviter les pulsations de la flamme responsables de phénomènes vibratoires qui sinon pourraient se produire à
certaines puissances et pour certain ratios air/combustible.
Les orifices 9 sont des orifices de section cylindrique ou oblongue. Les orifices 9 d'introduction d'air secondaire percés dans la paroi interne 17 du brûleur ont de préférence un diamètre unitaire de 3 à 15 mm, permettant ainsi l'injection d'air secondaire à des vitesses comprises entre 10 et 50 m/s et de préférence comprises entre 20 et 40 m/s..
- 11 -De préférence, la paroi interne 17 du brûleur présente une forme conique divergente (i.e.
s'élargissant vers l'aval) dans sa partie avale, au niveau de la zone d'introduction de l'air secondaire. Les orifices 9 sont répartis dans la partie conique de la paroi interne 17 du brûleur. De préférence, les axes des orifices 9 sont inclinés selon des angles compris entre 15 et 40 , et de préférence sensiblement égal à 25 par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du brûleur. De préférence, les axes des orifices 9 sont en outre inclinés selon des angles compris entre 10 à 25 et de préférence sensiblement égal à
, par rapport au rayon du cylindre formé par le brûleur et passant par l'orifice , de manière à permettre un tourbillonnement optimal de l'air secondaire.
10 La zone de compression est généralement constituée par un segment de droite situé
sensiblement sur l'axe du brûleur.
La zone de compression est obtenue par l'écoulement de l'air en régime laminaire dont la trajectoire est redressée par le profil de la lèvre ( en extrados ). La lame d'air annulaire redressée forme un cône dont l'épaisseur croît en se rapprochant du sommet.
15 Les passages 10, 11 et 12 représentés sur la figure 2 permettent l'implantation d'un organe d'allumage classique tel qu'une sonde d'ionisation ou un brûleur créant une flamme pilote (non représenté) ou encore un détecteur de flamme. Les passages 10, 11 et 12 peuvent également servir à implanter une ou plusieurs arrivées supplémentaires de combustible fossile pour permettre un fonctionnement du brûleur selon l'invention avec ce type de combustible sur une large gamme de puissance. Ces passages ne sont pas limités en nombre. Suivant la puissance du brûleur, on peut imaginer plus de passages pour l'apport de combustibles fossiles, une flamme pilote et/ou un détecteur de flamme.
Le détail B de la figure 1 est présenté en détail sur la figure 3. Il représente une forme particulière de la fente annulaire 6 permettant l'introduction de l'air primaire dans la zone de combustion sous forme d'une lame conique. La forme de la fente annulaire 6 représentée sur la figure 3 a été conçue de façon à minimiser les pertes de charge.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, la fente annulaire 6 proprement dite est formée par l'espace entre une pièce 14 dite d'introduction d'air primaire dans le brûleur, et le fond de la paroi externe 16 du brûleur. La pièce d'introduction d'air primaire 14 est positionnée à l'extrémité amont 25 de la paroi interne 17 du brûleur. La pièce d'introduction d'air primaire 14 est de préférence formée d'une seule pièce avec la paroi interne 17.
La pièce d'introduction d'air primaire 14 présente une partie conique divergente de l'aval vers l'amont 15 formant avec la paroi intérieure 17 du brûleur un angle oc, la partie
s'élargissant vers l'aval) dans sa partie avale, au niveau de la zone d'introduction de l'air secondaire. Les orifices 9 sont répartis dans la partie conique de la paroi interne 17 du brûleur. De préférence, les axes des orifices 9 sont inclinés selon des angles compris entre 15 et 40 , et de préférence sensiblement égal à 25 par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du brûleur. De préférence, les axes des orifices 9 sont en outre inclinés selon des angles compris entre 10 à 25 et de préférence sensiblement égal à
, par rapport au rayon du cylindre formé par le brûleur et passant par l'orifice , de manière à permettre un tourbillonnement optimal de l'air secondaire.
10 La zone de compression est généralement constituée par un segment de droite situé
sensiblement sur l'axe du brûleur.
La zone de compression est obtenue par l'écoulement de l'air en régime laminaire dont la trajectoire est redressée par le profil de la lèvre ( en extrados ). La lame d'air annulaire redressée forme un cône dont l'épaisseur croît en se rapprochant du sommet.
15 Les passages 10, 11 et 12 représentés sur la figure 2 permettent l'implantation d'un organe d'allumage classique tel qu'une sonde d'ionisation ou un brûleur créant une flamme pilote (non représenté) ou encore un détecteur de flamme. Les passages 10, 11 et 12 peuvent également servir à implanter une ou plusieurs arrivées supplémentaires de combustible fossile pour permettre un fonctionnement du brûleur selon l'invention avec ce type de combustible sur une large gamme de puissance. Ces passages ne sont pas limités en nombre. Suivant la puissance du brûleur, on peut imaginer plus de passages pour l'apport de combustibles fossiles, une flamme pilote et/ou un détecteur de flamme.
Le détail B de la figure 1 est présenté en détail sur la figure 3. Il représente une forme particulière de la fente annulaire 6 permettant l'introduction de l'air primaire dans la zone de combustion sous forme d'une lame conique. La forme de la fente annulaire 6 représentée sur la figure 3 a été conçue de façon à minimiser les pertes de charge.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, la fente annulaire 6 proprement dite est formée par l'espace entre une pièce 14 dite d'introduction d'air primaire dans le brûleur, et le fond de la paroi externe 16 du brûleur. La pièce d'introduction d'air primaire 14 est positionnée à l'extrémité amont 25 de la paroi interne 17 du brûleur. La pièce d'introduction d'air primaire 14 est de préférence formée d'une seule pièce avec la paroi interne 17.
La pièce d'introduction d'air primaire 14 présente une partie conique divergente de l'aval vers l'amont 15 formant avec la paroi intérieure 17 du brûleur un angle oc, la partie
- 12 -conique 15 permettant de créer une lame d'air. L'angle a est compris entre 20 et 45 . La partie conique 15 permet d'éviter une importante recirculation de l'air dans la zone annulaire et de limiter ainsi la perte de charge. La partie conique 15 est suivie d'une partie arrondie 18 selon un rayon de courbure ri, compris de préférence entre 3 et 15 mm. La partie arrondie 18 permet elle aussi de limiter les recirculations de l'air à
l'intérieur de la zone annulaire 5. De plus, les angles vifs perturbent la circulation de l'air par la création de micro-zones de turbulence qui augmentent la perte de charge, c'est pourquoi on préfère utiliser une partie arrondie 18 plutôt qu'un angle droit.
La partie arrondie 18 est elle-même suivie d'un bord amont plan 19 sensiblement parallèle au fond de la paroi externe 16 du brûleur. Ce bord amont plan est ensuite suivi d'une partie 13 ayant une forme dite en extrados qui permet de diriger la lame d'air selon le profil souhaité, afin de constituer une zone de compression sur l'axe du brûleur. La partie en extrados 13 est constituée par une première partie 21 arrondie selon un rayon de courbure T2, compris de préférence entre 8 et 30 mm, suivie d'une seconde partie constituée de trois profils plats successifs 22, 23, 24 formant des angles respectifs 131, 132 et P3 avec le plan du bord amont plan 19, les angles 131, 132 et P3 étant de préférence respectivement compris entre 30 et 80 . Ces profils plats successifs permettent d'augmenter progressivement le rayon de l'extrados, de façon à obtenir un décrochement de la veine d'air au bout du profil de la lèvre, ou pièce d'introduction d'air 14. L'angle [33 est supérieur à l'angle 132 qui est supérieur à l'angle 131.
Le brûleur selon l'invention, en association avec un gazéifieur et notamment en association avec un gazéifieur de biomasse, permet la substitution totale ou partielle d'un combustible fossile (fioul, gaz naturel, propane) par de la biomasse solide pour la production de chaleur. Les combustibles utilisables à titre de biomasse comprennent notamment les plaquettes forestières, les palettes broyées, les granulés de bois et de co-produits agricoles.
Le gazéifieur à lit fixe à co-courant décrit dans la demande de brevet WO
2013/098525 au nom de Cogebio est particulièrement approprié pour fonctionner en association avec le brûleur selon l'invention. Ce gazéifieur à lit fixe à co-courant comporte un corps de réacteur, ledit corps de réacteur comprenant une partie supérieure et une partie inférieure, et la biomasse est introduite par un conduit d'entrée situé dans le haut de la partie supérieure du corps du gazéifieur, le gaz de synthèse est évacué par un conduit d'évacuation du gaz de synthèse, et les cendres sont évacuées dans la partie basse de la partie inférieure du corps de réacteur à travers un conduit d'évacuation des cendres ; ledit
l'intérieur de la zone annulaire 5. De plus, les angles vifs perturbent la circulation de l'air par la création de micro-zones de turbulence qui augmentent la perte de charge, c'est pourquoi on préfère utiliser une partie arrondie 18 plutôt qu'un angle droit.
La partie arrondie 18 est elle-même suivie d'un bord amont plan 19 sensiblement parallèle au fond de la paroi externe 16 du brûleur. Ce bord amont plan est ensuite suivi d'une partie 13 ayant une forme dite en extrados qui permet de diriger la lame d'air selon le profil souhaité, afin de constituer une zone de compression sur l'axe du brûleur. La partie en extrados 13 est constituée par une première partie 21 arrondie selon un rayon de courbure T2, compris de préférence entre 8 et 30 mm, suivie d'une seconde partie constituée de trois profils plats successifs 22, 23, 24 formant des angles respectifs 131, 132 et P3 avec le plan du bord amont plan 19, les angles 131, 132 et P3 étant de préférence respectivement compris entre 30 et 80 . Ces profils plats successifs permettent d'augmenter progressivement le rayon de l'extrados, de façon à obtenir un décrochement de la veine d'air au bout du profil de la lèvre, ou pièce d'introduction d'air 14. L'angle [33 est supérieur à l'angle 132 qui est supérieur à l'angle 131.
Le brûleur selon l'invention, en association avec un gazéifieur et notamment en association avec un gazéifieur de biomasse, permet la substitution totale ou partielle d'un combustible fossile (fioul, gaz naturel, propane) par de la biomasse solide pour la production de chaleur. Les combustibles utilisables à titre de biomasse comprennent notamment les plaquettes forestières, les palettes broyées, les granulés de bois et de co-produits agricoles.
Le gazéifieur à lit fixe à co-courant décrit dans la demande de brevet WO
2013/098525 au nom de Cogebio est particulièrement approprié pour fonctionner en association avec le brûleur selon l'invention. Ce gazéifieur à lit fixe à co-courant comporte un corps de réacteur, ledit corps de réacteur comprenant une partie supérieure et une partie inférieure, et la biomasse est introduite par un conduit d'entrée situé dans le haut de la partie supérieure du corps du gazéifieur, le gaz de synthèse est évacué par un conduit d'évacuation du gaz de synthèse, et les cendres sont évacuées dans la partie basse de la partie inférieure du corps de réacteur à travers un conduit d'évacuation des cendres ; ledit
- 13 -gazéifieur comporte, de haut en bas: une zone de pyrolyse de la biomasse, une zone d'oxydation de la biomasse, une zone de réduction, une grille comportant une pluralité
d'ouvertures à travers lesquelles passent les cendres pour être évacuées, et ledit gazéifieur comporte également des moyens d'introduction d'un agent de gazéification, tel que de l'air ou de l'oxygène, et ledit gazéifieur étant caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction de l'agent de gazéification comprennent : un cône de diffusion de l'agent de gazéification situé en haut de la zone d'oxydation du gazéifieur ou au-dessus de ladite zone d'oxydation, et des moyens d'injection de l'agent de gazéification situés dans la zone d'oxydation du gazéifieur.
En outre, la plupart des brûleurs industriels intégrés à des fours, chaudières ou séchoirs peuvent être remplacés par un brûleur selon l'invention dans une gamme de puissance allant de 500 à 2000 kW.
d'ouvertures à travers lesquelles passent les cendres pour être évacuées, et ledit gazéifieur comporte également des moyens d'introduction d'un agent de gazéification, tel que de l'air ou de l'oxygène, et ledit gazéifieur étant caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction de l'agent de gazéification comprennent : un cône de diffusion de l'agent de gazéification situé en haut de la zone d'oxydation du gazéifieur ou au-dessus de ladite zone d'oxydation, et des moyens d'injection de l'agent de gazéification situés dans la zone d'oxydation du gazéifieur.
En outre, la plupart des brûleurs industriels intégrés à des fours, chaudières ou séchoirs peuvent être remplacés par un brûleur selon l'invention dans une gamme de puissance allant de 500 à 2000 kW.
Claims (15)
1. Brûleur de gaz pour brûler un gaz à faible pouvoir calorifique, tel que du gaz de synthèse issu de la gazéification de biomasse, le brûleur étant de forme sensiblement cylindrique, et comprenant :
.circle. une première zone annulaire (5) formée entre la paroi externe (16) du brûleur et une paroi interne (17) du brûleur sensiblement parallèle à la paroi externe (16), .circle. une seconde zone annulaire (8) formée entre la paroi externe (16) du brûleur et la paroi interne (17) en aval de la première zone, et le brûleur comprenant par ailleurs :
.circle. un conduit (1) d'alimentation en gaz à faible pouvoir calorifique sensiblement parallèle à l'axe du brûleur, .circle. un conduit (3) d'alimentation en air primaire formé dans la paroi externe (16) et débouchant dans la première zone annulaire (5), .circle. un conduit (4) d'alimentation en air secondaire formé dans la paroi externe (16) et débouchant dans la seconde zone annulaire (8), .circle. une fente annulaire (6) d'introduction de l'air primaire de la première zone annulaire (5) dans la zone de combustion (7), ladite fente annulaire (6) étant formée entre la paroi externe (16) et l'extrémité amont (25) de la paroi interne (17), .circle. des orifices (9) d'introduction de l'air secondaire de la seconde zone annulaire (8) dans la zone de combustion (7), lesdits orifices étant percés dans la paroi interne (17), ledit brûleur étant caractérisé en ce que :
.circle. la fente annulaire (6) a une forme telle que l'air primaire est apporté dans la zone de combustion (7) sous forme d'une lame d'air conique, et crée une zone de compression, .circle. les orifices (9) sont disposés de manière à permettre le tourbillonnement ( swirl ) de l'air secondaire.
.circle. une première zone annulaire (5) formée entre la paroi externe (16) du brûleur et une paroi interne (17) du brûleur sensiblement parallèle à la paroi externe (16), .circle. une seconde zone annulaire (8) formée entre la paroi externe (16) du brûleur et la paroi interne (17) en aval de la première zone, et le brûleur comprenant par ailleurs :
.circle. un conduit (1) d'alimentation en gaz à faible pouvoir calorifique sensiblement parallèle à l'axe du brûleur, .circle. un conduit (3) d'alimentation en air primaire formé dans la paroi externe (16) et débouchant dans la première zone annulaire (5), .circle. un conduit (4) d'alimentation en air secondaire formé dans la paroi externe (16) et débouchant dans la seconde zone annulaire (8), .circle. une fente annulaire (6) d'introduction de l'air primaire de la première zone annulaire (5) dans la zone de combustion (7), ladite fente annulaire (6) étant formée entre la paroi externe (16) et l'extrémité amont (25) de la paroi interne (17), .circle. des orifices (9) d'introduction de l'air secondaire de la seconde zone annulaire (8) dans la zone de combustion (7), lesdits orifices étant percés dans la paroi interne (17), ledit brûleur étant caractérisé en ce que :
.circle. la fente annulaire (6) a une forme telle que l'air primaire est apporté dans la zone de combustion (7) sous forme d'une lame d'air conique, et crée une zone de compression, .circle. les orifices (9) sont disposés de manière à permettre le tourbillonnement ( swirl ) de l'air secondaire.
2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente annulaire (6) est formée grâce à une pièce dite d'introduction d'air (14) située à
l'extrémité amont (25) de la paroi interne (17) du brûleur, la pièce (14) présentant une partie conique divergente de l'aval vers l'amont (15) formant avec la paroi intérieure (17) du brûleur un angle a compris entre 20° et 45°, et une partie dite en extrados se terminant sur un bord de fuite (13) qui permet de diriger ladite lame d'air conique selon le profil souhaité afin de constituer une zone de compression située sensiblement sur l'axe du brûleur.
l'extrémité amont (25) de la paroi interne (17) du brûleur, la pièce (14) présentant une partie conique divergente de l'aval vers l'amont (15) formant avec la paroi intérieure (17) du brûleur un angle a compris entre 20° et 45°, et une partie dite en extrados se terminant sur un bord de fuite (13) qui permet de diriger ladite lame d'air conique selon le profil souhaité afin de constituer une zone de compression située sensiblement sur l'axe du brûleur.
3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite pièce d'introduction d'air (14) présente un bord amont plat perpendiculaire à l'axe du brûleur et sensiblement parallèle à une surface plane de la paroi externe du brûleur, créant ainsi un flux d'air redressé perpendiculaire à l'axe du brûleur.
4. Brûleur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la partie conique (15) est suivie d'une partie arrondie (18) selon un rayon de courbure rl , elle-même suivie d'un bord amont plan (19) sensiblement perpendiculaire à la paroi interne (17) du brûleur, et sensiblement parallèle à la base du cylindre formé par la paroi externe du brûleur (16), et en ce que la partie en extrados (13) suit le bord amont plan (19) et est constituée par une première partie arrondie (21) selon un rayon de courbure T2 suivie d'une seconde partie constituée de 3 profils plats successifs (22,23,24) formant des angles respectifs .beta.1 , .beta.2 et .beta.3 avec le plan du bord amont (19), les angles .beta.1, .beta.2 et .beta.3 étant respectivement compris entre 30 et 80°.
5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les orifices (9) d'introduction d'air secondaire percés dans la paroi (17) sont de section cylindrique ou oblongue et ont un diamètre unitaire compris entre 3 et 15 mm.
6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des conduits (2) d'introduction d'un combustible fossile.
7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des passages (10,11,12) destinés à équiper le brûleur d'un brûleur d'allumage, d'une flamme pilote ou d'un détecteur de flamme.
8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de commande comprenant une mémoire et régulant le débit d'air introduit pour chaque allure et chaque ratio gaz pauvre / combustible fossile en fonction de points de fonctionnement paramétrés et mis en mémoire.
9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les axes des orifices d'entrée d'air secondaire (9) sont inclinés selon des angles compris entre 15 et 40°, et de préférence sensiblement égal à
25° par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du brûleur.
25° par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du brûleur.
10. Brûleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les axes des orifices d'entrée d'air secondaire (9) sont en outre inclinés selon des angles compris entre 100 à 25°
et de préférence sensiblement égal à 15°, par rapport au rayon du cylindre formé
par le brûleur et passant par l'orifice, de manière à permettre un tourbillonnement optimal de l'air secondaire.
et de préférence sensiblement égal à 15°, par rapport au rayon du cylindre formé
par le brûleur et passant par l'orifice, de manière à permettre un tourbillonnement optimal de l'air secondaire.
11. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est dimensionné pour une puissance comprise entre 500 et 2000 kW.
12. Utilisation du brûleur selon l'une des revendications 1 à 11 dans des fours, chaudières ou séchoirs.
13. Utilisation selon la revendication 12, dans laquelle la vitesse de l'air primaire est de 20 à 200 m/s au niveau de la lèvre ou de la fente annulaire (5).
14. Utilisation selon la revendication 12 ou 13, dans laquelle la vitesse d'introduction du gaz pauvre dans le brûleur est comprise entre 5 et 30 m/s, et de préférence entre 15 et 25 m/s.
15. Installation comprenant un brûleur selon l'une des revendications 1 à 11, associé à
un gazéifieur de biomasse.
un gazéifieur de biomasse.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1359968 | 2013-10-14 | ||
| FR1359968A FR3011911B1 (fr) | 2013-10-14 | 2013-10-14 | Bruleur de gaz pauvre |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=50023718
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CA2925737A Abandoned CA2925737A1 (fr) | 2013-10-14 | 2014-10-06 | Bruleur de gaz pauvre |
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| FR (1) | FR3011911B1 (fr) |
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| CN105605579A (zh) * | 2016-02-26 | 2016-05-25 | 上海诺特飞博燃烧设备有限公司 | 一种金属纤维低氮燃烧装置的风燃全预混器 |
| CN106524155B (zh) * | 2016-11-28 | 2018-06-05 | 无锡市莱达热工工程有限公司 | 低压涡流式烧嘴 |
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