Le problème de production d'oxydes d'azotes (NOx) dans le cas de toute combustion, ainsi que celui de suie, dans le cas des seuls combustibles liquides, constituent deux sources de préoccupations constantes que posent les chaudières. Ces problèmes sont accompagnés en outre d'une instabilité chronique de la flamme.
La production de suie qu'accompagne la combustion des combustibles liquides semble à première vue contradictoire avec la diminution de la production de NOx, puisque cette combustion souffre justement d'un manque d'oxygène apporté par l'air.
Pour résoudre le problème du NOx, il existe de très nombreux travaux sur la recirculation de gaz de combustion. Cette recirculation a pour but de diminuer l'excès d'air nécessaire à la combustion tout en augmentant le débit massique. Ceci a pour conséquence de permettre une meilleure utilisation de l'oxygène sans augmenter la production d'oxydes d'azote (NOx), qui constitue une source de pollution atmosphérique importante, et conduit, en général, à une combustion dite à flamme bleue .
Parmi les solutions proposées, I'une d'elles consiste en une zone d'injection d'air formée en amont de la zone d'injection du combustible. Cette zone d'injection d'air est reliée, d'une part, à la zone d'injection du combustible et, d'autre part, à la chambre de combustion. L'air injecté dans la zone d'injection d'air crée une dépression, qui aspire des gaz de combustion de la chambre vers cette zone et les réinjecte avec l'air vers la zone d'injection du combustible. Cette solution présente l'inconvénient de nécessiter un délai relativement important pour obtenir une combustion satisfaisante. Compte tenu des arrêts et démarrages fréquents d'une chaudière, ce délai n'est pas tolérable.
D'autres solutions ont été proposées pour améliorer la combustion. L'une d'elles est relative à l'écoulement tourbillonnaire de l'air alimentant les brûleurs et est généralement connu sous le terme anglo-saxon de swirl . Un chapitre est consacré à ce sujet dans l'ouvrage de J.M. Beér et N.A. Chigier, Combustion aerodynamics , édité par Applied Science Publishers Ltd,
Londres (1972). Cet ouvrage montre notamment que l'écoulement tourbillonnaire de l'air autour du cône d'injection du combustible augmente la stabilité de la flamme ainsi que sa luminosité, modifie considérablement la forme de la flamme qui s'étale alors très rapidement à la sortie de la buse d'injection du combustible et provoque un taux de mélange et de turbulence élevé.
Par contre, cette amélioration de la flamme ne conduit pas à une combustion exempte de suie et s'accompagne d'un niveau de bruit élevé dû à la turbulence et à la vitesse de combustion très importante. Ce niveau de bruit peut d'ailleurs dépasser les limites admissibles.
Enfin, on peut encore citer un essai entrepris sur un brûleur à gaz en vue de diminuer la quantité de NOx. Selon cet essai, quatre conduits arrivent tangentiellement dans une chambre tubulaire, concentrique à un conduit d'arrivée de gaz. De l'air et des gaz de combustion sont admis sous pression dans une chambre, puis sont injectés à travers ces quatre conduits de manière à former un swirl autour de la buse. Cependant, ces essais n'ont pas dépassé le stade du laboratoire et semblent avoir posé des problèmes de stabilité. En outre, le prototype de laboratoire décrit ne permet pas d'envisager facilement une application à caractère industriel.
A première vue, les travaux énumérés semblent prouver qu'il devrait être possible de réaliser une combustion à faible taux de
NOx en se rapprochant des conditions d'une combustion stoechio- métrique, grâce à la recirculation des gaz de combustion d'une part, et à l'écoulement tourbillonnaire d'autre part. Or, les solutions proposées ne permettent pas de réaliser pratiquement la propreté et la stabilité de combustion que l'on devrait théoriquement atteindre, en faisant usage des techniques de recirculation et d'écoulement tourbillonnaire.
Les causes de cet insuccès relatif sont sans doute multiples.
Dans le cas de la recirculation interne, le problème essentiel est posé par le délai d'établissement d'une combustion satisfaisante.
La formation d'un écoulement de gaz de combustion en direction de la dépression formée dans la zone d'injection de l'air, en amont de la buse d'injection du combustible, met en effet un certain temps à s'établir du fait que les gaz de combustion situés dans la chambre de combustion se trouvent aspirés, d'une part, par la cheminée et, d'autre part, par la zone d'injection de l'air. Une autre cause de cet insuccès partiel se manifeste par une plus ou moins grande instabilité de la flamme, qui se traduit par un mode de combustion oscillant. Enfin, le bruit produit soit par une combustion à flamme jaune, soit par l'écoulement de type tourbillonnaire peut dépasser le niveau normalement tolérable.
L'instabilité de la flamme est due en bonne partie à un mauvais mélange du carburant et de l'air et à une mauvaise dilution de l'oxygène disponible. Pour obtenir une combustion satisfaisante, en particulier à flamme bleue, il faut que le combustible, s'il est liquide, soit pulvérisé en gouttelettes suffisamment fines. Il est également nécessaire que l'oxygène disponible soit suffisamment dilué dans la masse de gaz formée d'air et de gaz de combustion.
En effet, pour que l'excès d'air soit réduit au minimum, et que la combustion se rapproche ainsi des conditions stoechiométriques, il est nécessaire de faire en sorte que chaque molécule d'oxygène ait une bonne probabilité de rencontrer une molécule de combustible.
C'est la raison pour laquelle il n'est pas suffisant de recirculer une certaine quantité de gaz de combustion, mais il faut encore que l'oxygène soit dilué de manière homogène dans toute la masse de gaz. Pour obtenir cette dilution, il est bon d'utiliser un gaz dont la pression partielle d'oxygène est plus faible que celle de l'air, de manière à tirer le meilleur parti de l'oxygène disponible, ce ui conduit à une diminution de la production de NOx. Or, les modes de réinjection utilisés dans les solutions connues ne garantissent pas une dilution suffisamment bonne de l'oxygène. Par conséquent, la masse de gaz n'ayant pas une pression partielle d'oxygène constante dans la zone de réaction en fonction du temps, la combustion ne peut pas être régulière.
Même en combinant l'écoulement tourbillonnaire et la recirculation, la stabilité de la flamme ne peut pas être garantie, sans doute pour la même raison, c'est-à-dire en raison d'une dilution incomplète de l'oxygène disponible dans la masse de gaz.
Le but de la présente invention est de remédier, au moins en partie, aux inconvénients des solutions susmentionnées en vue d'assurer une combustion à flamme bleue, stable, à faible taux de
NOx et émettant un bruit réduit.
A cet effet, la présente invention a tout d'abord pour objet un procédé d'alimentation en comburant gazeux d'un brûleur à combustible fluide dans lequel l'ouverture de distribution du comburant débouche dans une chambre de combustion de chaudière. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on crée une zone de dépression en amont du brûleur, que l'on met cette zone en communication d'une part, avec une source de comburant gazeux, d'autre part, avec un conduit d'évacuation des gaz de combustion, que l'on règle le débit massique de gaz de combustion par rapport au débit massique de comburant gazeux, que l'on mélange les gaz de combustion au comburant gazeux pour abaisser la concentration d'oxygène du mélange comburant en la rendant sensiblement uniforme dans tout le mélange,
et que l'on introduit le mélange dans la chambre de combustion par ladite ouverture de distribution en formant un écoulement tourbillonnaire dont l'intensité est choisie pour engendrer une recirculation du mélange en forme de vortex toroïdal à l'intérieur de la chambre.
L'invention a encore pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisé par le fait qu'il comporte une enceinte de mélange présentant deux entrées munies chacune de moyens de réglage de leur section de passage et une sortie, ces entrées étant en communication respectivement avec l'atmosphère et avec un conduit d'évacuation des gaz de combustion, la sortie étant reliée à l'entrée d'un ventilateur dont la sortie communique avec des moyens disposés coaxialement à la buse d'injection du combustible pour imprimer au mélange de gaz un mouvement tourbillonnaire.
Ce procédé et son dispositif de mise en oeuvre présentent plusieurs avantages par rapport aux solutions connues. Tout d'abord, le mélange est réalisé en amont du ventilateur de sorte qu'en plus du mélange proprement dit, la masse de gaz subit encore un brassage efficace dans le ventilateur. La dépression exercée par le ventilateur sur les gaz de combustion est très supérieure à celle qui se produit dans le cas d'une recirculation interne de sorte que l'établissement d'une combustion à flamme bleue est beaucoup plus rapide.
D'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description illustrée par le dessin annexé qui représente, schématiquement et à titre d'exemple, deux formes d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre de la présente invention.
La fig. I est une vue en coupe selon l'axe longitudinal de la chaudière.
La fig. 2 est une vue en élévation avec arrachement selon les flèches II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue de détail, en coupe et à plus grande échelle selon la ligne III-III de la fig. 2.
La fig. 4 est une vue en coupe semblable à celle de la fig. 1, illustrant la seconde forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue partielle d'un détail du ventilateur.
La fig. 6 est un diagramme explicatif du mode de réglage du ventilateur.
Le dispositif d'alimentation d'un brûleur de combustible fluide en un mélange d'air et de gaz de combustion, illustré par les fig. 1 et 2, est associé à une buse d'injection de mazout 1, disposée coaxialement dans un conduit d'alimentation 2 d'un mélange d'air et de gaz de combustion. Ce conduit 2 constitue la sortie d'une bâche spirale 3 fixée au couvercle 4 de la chaudière et se termine dans la chambre de combustion 5 par un pot 6 dont on expliquera le rôle par la suite. Un aubage fixe 7 formant une couronne est disposé à la sortie de la bâche spirale 3 et présente une inclinaison destinée à imprimer au mélange de gaz introduit dans la chambre de combustion 5 un mouvement hélicoïdal.
L'entrée de cette bâche spirale 3 communique avec la sortie d'une seconde bâche spirale 8 dans laquelle est montée une roue de ventilateur 9 entraînée par un moteur 10, par l'intermédiaire de deux pignons à denture hélicoïdale 11 et 12 solidaires respectivement des arbres de la roue 9 et du moteur 10.
On ne décrira pas la chaudière en détail, étant donné qu'elle sort du cadre de l'invention. Il suffit, pour comprendre l'invention, de savoir que la chaudière présente, dans cet exemple, deux collecteurs de gaz de combustion, dont l'un 13, est en communica- tion avec une première entrée 15 (fig. 2 et 3) d'une enceinte de mélange de gaz 16 (fig. 3) dont la seconde entrée 17 communique avec l'atmosphère, tandis que la sortie 18 est branchée à l'entrée de la secnde bâche spirale 8 du ventilateur contrôlée par une bague de réglage du débit 14 à déplacement axial.
La première entrée 15 de l'enceinte communique avec une zone annulaire 19 formée entre l'enveloppe tubulaire externe de l'enceinte 16 et une paroi intérieure 20 située dans le prolongement de sortie 18. Un anneau de réglge 21, porte un manchon perforé 22 qui s'évase en direction de la sortie 18 pour s'appuyer contre la paroi intérieure 20. Cet anneau de réglge 21 est solidaire d'une bague cylindrique 23 montée coulissante à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire de l'enceinte 16. La bague 23 porte un tenon 24 qui fait saillie hors de cette enceinte 16, à travers une rainure hélicoïdale 25. Le déplacement angulaire de la bague 23 à l'aide du tenon 24 permet de modifier la position axiale de la bague 23 et de régler la section de passage entre cette bague et l'extrémité voisine de la paroi intérieure 20.
La paroi tubulaire perforée 22 sert à diviser l'écoulement de gaz de combustion provenant du collecteur 13, dans le but que l'on expliquera par la suite.
La seconde entrée 17 de l'enceinte 16, qui communique avec l'atmosphère est également pourvue d'un dispositif de réglage de la section de passage, formé par un cône 26 fixé à une tige 27, dont une extrémité filetée est vissée dans un écrou 28, solidaire d'un couvercle ajouré 29, et dont l'autre extrémité est guidée dans un disque ajouré 30. Ce cône 26 délimite, avec l'anneau de réglage 21, un passage annulaire.
On peut encore mentionner que la buse d'injection de mazout 1 est alimentée par une pompe 31 et qu'une électrode d'allumage 32 est disposée à proximité de la buse 1.
Lors du fonctionnement de la chaudière, les gaz de combustion sont recueillis dans les collecteurs (dont seul le collecteur 13 est visible) situés à la sortie des canaux de convection de la chaudière et non représentés, le long desquels ces gaz se refroidissent en cédant de la chaleur à l'eau de la chaudière. Outre la dépression exercée par le tirage de la cheminée à laquelle les collecteurs sont branchés, une seconde dépression, plus forte que celle de la cheminée, est exercée dans l'enceinte de mélange de gaz 16 par le ventilateur 8, 9. Comme cette enceinte 16 communique, par son entrée 15 avec le collecteur de fumée 13, les gaz de combustion sont attirés dans cette enceinte 16 en même temps que l'air qui est attiré par l'entrée 17.
Le volume total de gaz (air plus gaz de combustin) aspiré dans l'enceinte 16 ainsi que le rapport d'air et de gaz de combustion sont déterminés, par un débit préalablement fixé du ventilateur 8, 9, par les moyens de réglage constitués par l'anneau de réglage 21 et par le cône 26. Ce dernier permet de régler le volume total de gaz aspiré tandis que l'anneau 21 permet de régler la proportion d'air et de gaz de combustion admis dans l'enceinte 16.
Comme on l'a dit précédemment, I'écoulement de gaz de combustion pénétrant dans l'enceinte 16 par la première entrée 15 est divisé en pluralité d'écoulements lors de son passage au travers de la paroi du manchon perforé 22. Cette pluralité d'écoulements pénètre dans l'écoulement d'air qui résulte également de la dépression créée par le ventilateur 8, 9. La formation de la pluralité d'écoulements augmente très considérablement l'interface air-gaz de combustion et favorise le brassage et la turbulence de cette pluralité d'écoulements. On évite ainsi la réunion de deux masses compactes de gaz qui ne se mélangent que très partiellement de sorte que la masse de gaz résultante a une teneur en oxygène hétérogène, constituant un facteur d'instabilité de la combustion.
Au contraire, la pénétration d'une pluralité d'écoulements de gaz de combustion dans l'écoulement d'air favorise la dissolution de l'oxygène dans toute la masse de gaz, de sorte que la pression partielle d'oxygène du mélange de gaz est sensiblement uniforme.
Cette dissolution uniforme de l'oxygène garantit une utilisation maximum de l'oxygène disponible et permet de réduire la quantité d'air pour la rapprocher de la valeur stoechiométrique. On a constaté qu'avec des mêmes masses d'air et de gaz recirculés, la stabilité de la combustion s'améliorait considérablement suivant l'homogénéité du mélange de gaz.
Ce mélange, formé dans l'enceinte 16, est aspiré par le ventilateur 8, 9 qui le comprime et l'envoie dans la bâche spirale 3, de laquelle il ressort dans le conduit d'alimentation 2 après avoir traversé l'aubage fixe 7 qui lui imprime un mouvement hélicoïdal autour de l'axe du brûleur. Cet écoulement tourbillonnaire swirl arrive dans le pot dans lequel le combustible est pulvérisé par la buse 1.
Afin d'éviter les pulsations du débit d'air frais, ce qui aurait pour effet l'entretien d'un régime de pulsations dans l'ensemble de la chaudière, la pression créée dans l'enceinte 16 par le ventilateur 8, 9 est inférieure à - 10 mm de colonne d'eau. Le nombre de swirl qui est donné par le rapport entre la vitesse angulaire communiquée au gaz et sa vitesse de déplacement axial est choisi de préférence entre 0,5 et 1,2. La limite inférieure doit être au moins suffisante à l'apparition d'un vortex toroïdal, tandis que la limite supérieure est fixée par l'importance du retour de la flamme qui ne doit pas atteindre la buse 1.
Parmi les autres facteurs qui contribuent à la qualité de la combustion, on peut encore mentionner le pot 6, qui contribue à la fixation de la flamme dans l'espace et augmente, par sa forme divergente, le volume toroïdal du vortex créé par l'écoulement tourbillonnaire en l'allongeant, de sorte que les particules de combustible pulvérisées dans ce vortex traversent une plus grande zone du mélange de gaz de combustion et d'air augmentant la probabilité d'une combinaison entre les molécules d'oxygène et de combustible. Le pot sert encore d'écran de radiation entre la base de la flamme et la paroi froide de la chaudière maintenant une température suffisante à cet endroit de la flamme pour favoriser la gazéification du combustible et sa bonne combustion.
On peut cependant remarquer qu'avec le couvercle de chaudière 4 illustré,
I'existence du pot, notamment en ce qui concerne l'accrochage de la flamme et l'augmentation de volume du vortex toroïdal, n'est pas absolument indispensable.
Il faut encore signaler deux particularités du ventilateur 8, 9.
Comme illustré par la fig. 5, la forme de l'aubage 9a de la roue 9 du ventilateur est choisie de manière à produire une accélération du fluide au fur et à mesure que celui-ci avance radialement vers la bâche spirale 8 de manière qu'à l'allumage de la chaudière, les particules de suie qui peuvent être recirculées avec les gaz de combustion soient balayées de la surface des aubes 9a et ne s'y accumulent pas.
L'autre particularité, connue en elle-même, résulte du système de réglage du débit par pénétration de la bague 14 dans la roue 9 et non par étranglement. La pénétration de cette bague a pour effet de modifier la caractéristique du ventilateur, c'est-à-dire la courbe de variation de pression Ap en fonction du débit q. Or, la stabilité du ventilateur, et par conséquent celle de la flamme, est fonction de l'inclinaison de la tangente à cette courbe. Plus cette inclinaison est forte, meilleure est la stabilité. En variant le débit à l'aide de l'anneau 14, cela revient à travailler avec une autre roue de ventilateur dont les caractéristiques Ap/q sont sensiblement parallèles (fig. 6) de sorte que pour un même Ap, la pente de la tangente est sensiblement constante. Ceci est évidemment très important pour la stabilité de la combustion.
Les essais effectués à l'aide du dispositif décrit ont permis d'obtenir une combustion à flamme bleue stable, presque instantanément, en utilisant un taux d'excès d'air très faible par rapport aux conditions stoechiométriques, soit de l'ordre de 5% à 10% seulement, conduisant, d'une part, à une combustion pratiquement exempte de suie et, d'autre part, à une production très faible de NOx. Enfin, la recirculation de gaz de combustion permet d'abaisser le niveau du bruit émis par la combustion. Cette recirculation est, par rapport à la masse d'air, comprise entre 50% et 70% de gaz de combustion pour un rapport massique d'air et de combustible proche des conditions stoechiomètrîques.
La seconde forme d'exécution illustrée par la fig. 4 se différencie principalement de la première forme d'exécution par le fait que le ventilateur et le générateur de tourbillon sont montés dans la même bâche 34 qui renferme, d'une part, un aubage fixe 35 situé du côté de la sortie de la bâche et fixé au porte-buse 36, et, d'autre part, une roue de ventilateur 37 coaxiale à l'aubage fixe 35 et fixée à un manchon 38, reliée à un moteur d'entraînement (non représenté) par une courroie de transmission 41. Cette bâche 34 est alimentée axialement en mélange de gaz, par la dépression créée par le ventilateur 37, grâce à la liaison entre cette bâche 34 et le dispositif de mélange 42, qui se différencie quelque peu du dispositif précédemment décrit.
Ce dispositif comprend une première ouverture d'admission 43, reliée au collecteur 13 de gaz de combustion, et des secondes ouvertures d'admission 44, communiquant avec l'atmosphère. La section de passage de l'ouverture 43 est contrôlée par un disque 45, déplaçable axialement et monté à cet effet, sur une tige 46 guidée par un tube 47. Une vis de réglage 48 sert à déterminer la position axiale de cette tige 46 dans le tube 47. Ce tube est solidaire d'un manchon 49 fixé à une de ses extrémités, tandis qu'il est monté coulissant à travers une douille 50 à son autre extrémité, cette douille étant elle-même solidaire de l'enceinte renfermant le dispositif 42.
Le manchon 49 comporte deux parties, l'une de grand diamètre, dans laquelle est ménagée la première ouverture 43, montée coulissante dans un élément tubulaire 51 ménageant la seconde ouverture 44, et Pautre, de plus petit diamètre, à laquelle est fixé un cylindre perforé 52, entouré par une nervure hélicoïdale 53.
L'air aspiré par la dépression créée par le ventilateur 37 et qui pénètre dans le dispositif de mélange 42 par les ouvertures 44, est soumis à un mouvement hélicoïdal imprimé par la nervure 53.
Simultanément, les gaz de combustion aspirés à travers l'ouverture 43 sont fractionnés par les perforations du cylindre 52 et cette multitude de jets pénètre dans l'écoulement hélicoïdal d'air, provoquant un mélange homogène. Ce mélange est ensuite comprimé par le ventilateur 37 et les aubes fixes 35 lui communiquent un écoulement tourbillonnaire, dans les mêmes conditions que pour la première forme d'exécution.
REVENDICATION I
Procédé d'alimentation en comburant gazeux d'un brûleur à combustion fluide dans lequel l'ouverture de distribution du comburant débouche dans une chambre de combustion de chaudière, caractérisé en ce que l'on crée une zone de dépression en amont du brûleur, que l'on met cette zone en communication d'une part, avec une source de comburant gazeux, d'autre part, avec un conduit d'évacuation des gaz de combustion, que l'on règle le débit massique de gaz de combustion par rapport au débit massique de comburant gazeux, que l'on mélange les gaz de combustion au comburant gazeux pour abaisser la concentration d'oxygène du mélange comburant en la rendant sensiblement uniforme dans tout le mélange,
et que l'on introduit le mélange dans la chambre de combustion par ladite ouverture de distribution en formant un écoulement tourbillonnaire dont l'intensité est choisie pour engendrer une recirculation du mélange en forme de vortex toroïdal à l'intérieur de la chambre.
SOUS-REVENDICATION
1. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que pour mélanger le comburant gazeux et le gaz de combustion, on fractionne l'écoulement de l'un de ces gaz en une pluralité d'écoulements et que l'on dirige cette pluralité d'écoulements dans l'écoulement de l'autre de ces gaz.
REVENDICATION II
Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait qu'il comporte une enceinte de mélange présentant deux entrées munies chacune de moyens de réglage de leur section de passage et une sortie, ces entrées étant en communication respectivement avec l'atmosphère et avec un conduit d'évacuation des gaz de combustion, la sortie étant reliée à l'entrée d'un ventilateur dont la sortie communique avec des moyens disposés coaxialement à la buse d'injection du combustible pour imprimer au mélange de gaz un mouvement tourbillonnaire.
SOUS-REVENDICATION
2. Dispositif selon la revendication II, caractérisé par le fait qu'une bâche munie de deux ouvertures axiales est montée coaxialement à la buse d'injection du combustible, l'ouverture de cette bâche opposée à la buse étant en communication avec
I'enceinte de mélange, le côté amont de la bâche renfermant la roue du ventilateur, le côté aval de la bâche renfermant un aubage fixe conformé pour imprimer au mélange le mouvement tourbillonnaire.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
The problem of nitrogen oxides (NOx) production in any combustion, as well as that of soot, in the case of liquid fuels alone, are two constant sources of concern with boilers. These problems are further accompanied by chronic instability of the flame.
The production of soot that accompanies the combustion of liquid fuels seems at first sight contradictory with the reduction in the production of NOx, since this combustion suffers precisely from a lack of oxygen supplied by the air.
To solve the problem of NOx, there is a great deal of work on the recirculation of combustion gases. The purpose of this recirculation is to reduce the excess air required for combustion while increasing the mass flow rate. The consequence of this is to allow better use of oxygen without increasing the production of nitrogen oxides (NOx), which constitutes a significant source of atmospheric pollution, and generally leads to so-called blue flame combustion.
Among the solutions proposed, one of them consists of an air injection zone formed upstream of the fuel injection zone. This air injection zone is connected, on the one hand, to the fuel injection zone and, on the other hand, to the combustion chamber. The air injected into the air injection zone creates a vacuum, which sucks combustion gases from the chamber towards this zone and reinjects them with the air towards the fuel injection zone. This solution has the drawback of requiring a relatively long time to obtain satisfactory combustion. Taking into account the frequent stops and starts of a boiler, this delay is not tolerable.
Other solutions have been proposed to improve combustion. One of them relates to the swirling flow of air supplying the burners and is generally known by the Anglo-Saxon term of swirl. A chapter is devoted to this subject in the work by J.M. Beér and N.A. Chigier, Combustion aerodynamics, edited by Applied Science Publishers Ltd,
London (1972). This work shows in particular that the vortex flow of air around the fuel injection cone increases the stability of the flame as well as its luminosity, considerably modifies the shape of the flame which then spreads out very quickly at the outlet of the flame. the fuel injection nozzle and causes high mixing and turbulence rate.
On the other hand, this improvement of the flame does not lead to a combustion free of soot and is accompanied by a high noise level due to the turbulence and to the very high combustion speed. This noise level can also exceed the permissible limits.
Finally, there may also be mentioned a test undertaken on a gas burner with a view to reducing the quantity of NOx. According to this test, four ducts arrive tangentially in a tubular chamber, concentric with a gas inlet duct. Air and combustion gases are admitted under pressure into a chamber, then are injected through these four ducts so as to form a swirl around the nozzle. However, these tests did not go beyond the laboratory stage and appear to have posed stability problems. In addition, the laboratory prototype described does not easily allow an industrial application to be envisaged.
At first glance, the works listed seem to prove that it should be possible to achieve low-rate combustion.
NOx by approaching the conditions of a stoichiometric combustion, thanks to the recirculation of the combustion gases on the one hand, and to the vortex flow on the other hand. However, the solutions proposed do not make it possible to practically achieve the cleanliness and combustion stability that should theoretically be achieved, by making use of recirculation and vortex flow techniques.
The causes of this relative failure are undoubtedly multiple.
In the case of internal recirculation, the essential problem is posed by the delay in establishing satisfactory combustion.
The formation of a flow of combustion gas in the direction of the depression formed in the air injection zone, upstream of the fuel injection nozzle, in fact takes a certain time to be established because that the combustion gases located in the combustion chamber are sucked, on the one hand, by the chimney and, on the other hand, by the air injection zone. Another cause of this partial failure is manifested by a greater or lesser instability of the flame, which results in an oscillating combustion mode. Finally, the noise produced either by combustion with a yellow flame or by the vortex-type flow may exceed the normally tolerable level.
The instability of the flame is largely due to poor mixing of fuel and air and poor dilution of the available oxygen. To obtain satisfactory combustion, in particular with a blue flame, the fuel, if it is liquid, must be sprayed into sufficiently fine droplets. It is also necessary that the available oxygen is sufficiently diluted in the mass of gas formed by air and combustion gases.
Indeed, so that the excess air is reduced to a minimum, and that the combustion thus approaches stoichiometric conditions, it is necessary to ensure that each oxygen molecule has a good probability of encountering a fuel molecule. .
This is the reason why it is not sufficient to recirculate a certain quantity of combustion gas, but it is still necessary for the oxygen to be diluted homogeneously throughout the mass of gas. To obtain this dilution, it is good to use a gas whose partial pressure of oxygen is lower than that of air, so as to make the most of the available oxygen, which leads to a decrease in the production of NOx. However, the reinjection methods used in the known solutions do not guarantee a sufficiently good dilution of the oxygen. Therefore, since the mass of gas does not have a constant partial pressure of oxygen in the reaction zone as a function of time, the combustion cannot be smooth.
Even by combining the vortex flow and recirculation, the stability of the flame cannot be guaranteed, probably for the same reason, i.e. due to incomplete dilution of the oxygen available in the flame. mass of gas.
The aim of the present invention is to remedy, at least in part, the drawbacks of the aforementioned solutions with a view to ensuring a stable, low combustion blue flame combustion.
NOx and emitting reduced noise.
To this end, the present invention firstly relates to a process for supplying a gaseous oxidizer to a fluid fuel burner in which the oxidizer distribution opening opens into a boiler combustion chamber. This process is characterized in that a vacuum zone is created upstream of the burner, that this zone is placed in communication on the one hand, with a source of gaseous oxidizer, on the other hand, with a duct of '' evacuation of the combustion gases, that one regulates the mass flow of combustion gas relative to the mass flow of gaseous oxidant, that one mixes the combustion gases with the gaseous oxidant to lower the oxygen concentration of the oxidant mixture by making it substantially uniform throughout the mixture,
and that the mixture is introduced into the combustion chamber through said distribution opening, forming a vortex flow the intensity of which is chosen to cause recirculation of the mixture in the form of a toroidal vortex inside the chamber.
A further subject of the invention is a device for implementing this method, characterized in that it comprises a mixing chamber having two inlets each provided with means for adjusting their passage section and an outlet, these inlets. being in communication respectively with the atmosphere and with a combustion gas discharge duct, the outlet being connected to the inlet of a fan whose outlet communicates with means arranged coaxially with the fuel injection nozzle for vortex the gas mixture.
This method and its implementation device have several advantages over known solutions. First of all, the mixing is carried out upstream of the fan so that in addition to the actual mixture, the mass of gas still undergoes efficient stirring in the fan. The vacuum exerted by the fan on the combustion gases is much greater than that which occurs in the case of internal recirculation so that the establishment of a blue flame combustion is much faster.
Other advantages will appear on reading the description illustrated by the appended drawing which represents, schematically and by way of example, two embodiments of the device for implementing the present invention.
Fig. I is a sectional view along the longitudinal axis of the boiler.
Fig. 2 is an elevational view with cut away along arrows II-II of FIG. 1.
Fig. 3 is a detail view, in section and on a larger scale along the line III-III of FIG. 2.
Fig. 4 is a sectional view similar to that of FIG. 1, illustrating the second embodiment.
Fig. 5 is a partial view of a detail of the fan.
Fig. 6 is an explanatory diagram of the fan adjustment mode.
The device for supplying a fluid fuel burner with a mixture of air and combustion gas, illustrated in FIGS. 1 and 2, is associated with an oil injection nozzle 1, arranged coaxially in a supply duct 2 of a mixture of air and combustion gas. This duct 2 constitutes the outlet of a spiral sheet 3 fixed to the cover 4 of the boiler and ends in the combustion chamber 5 with a pot 6, the role of which will be explained below. A fixed vane 7 forming a crown is arranged at the outlet of the spiral sheet 3 and has an inclination intended to impart a helical movement to the gas mixture introduced into the combustion chamber 5.
The inlet of this spiral tarpaulin 3 communicates with the outlet of a second spiral tarpaulin 8 in which is mounted a fan wheel 9 driven by a motor 10, via two helical-toothed pinions 11 and 12 secured respectively to the wheel shafts 9 and motor 10.
The boiler will not be described in detail, given that it is outside the scope of the invention. In order to understand the invention, it suffices to know that the boiler has, in this example, two combustion gas collectors, one of which 13, is in communication with a first inlet 15 (fig. 2 and 3). a gas mixing chamber 16 (fig. 3) whose second inlet 17 communicates with the atmosphere, while the outlet 18 is connected to the inlet of the second spiral cover 8 of the fan controlled by an adjustment ring of the flow rate 14 with axial displacement.
The first inlet 15 of the enclosure communicates with an annular zone 19 formed between the outer tubular casing of the enclosure 16 and an inner wall 20 situated in the extension of the outlet 18. A regulating ring 21 carries a perforated sleeve 22. which flares in the direction of the outlet 18 to rest against the inner wall 20. This adjustment ring 21 is integral with a cylindrical ring 23 slidably mounted inside the tubular casing of the enclosure 16. The ring 23 carries a tenon 24 which projects out of this enclosure 16, through a helical groove 25. The angular displacement of the ring 23 using the tenon 24 makes it possible to modify the axial position of the ring 23 and to adjust the passage section between this ring and the adjacent end of the inner wall 20.
The perforated tubular wall 22 serves to divide the flow of combustion gas from the manifold 13, for the purpose which will be explained later.
The second inlet 17 of the enclosure 16, which communicates with the atmosphere, is also provided with a device for adjusting the passage section, formed by a cone 26 fixed to a rod 27, one threaded end of which is screwed into a nut 28, integral with a perforated cover 29, and the other end of which is guided in a perforated disc 30. This cone 26 defines, with the adjustment ring 21, an annular passage.
It may also be mentioned that the fuel oil injection nozzle 1 is supplied by a pump 31 and that an ignition electrode 32 is placed near the nozzle 1.
During operation of the boiler, the combustion gases are collected in the collectors (of which only the collector 13 is visible) located at the outlet of the convection channels of the boiler and not shown, along which these gases are cooled by yielding heat to the boiler water. Besides the negative pressure exerted by the draft of the chimney to which the collectors are connected, a second negative pressure, greater than that of the chimney, is exerted in the gas mixing chamber 16 by the fan 8, 9. Like this chamber 16 communicates, through its inlet 15 with the smoke collector 13, the combustion gases are drawn into this chamber 16 at the same time as the air which is drawn in by the inlet 17.
The total volume of gas (air plus fuel gas) sucked into the enclosure 16 as well as the air and combustion gas ratio are determined, by a previously set flow rate of the fan 8, 9, by the adjustment means constituted by the adjustment ring 21 and by the cone 26. The latter makes it possible to adjust the total volume of gas drawn in, while the ring 21 makes it possible to adjust the proportion of air and combustion gas admitted into the chamber 16.
As stated previously, the flow of combustion gas entering the enclosure 16 through the first inlet 15 is divided into a plurality of flows as it passes through the wall of the perforated sleeve 22. This plurality of 'flows enters the air flow which also results from the depression created by the fan 8, 9. The formation of the plurality of flows very considerably increases the air-combustion gas interface and promotes mixing and turbulence of this plurality of flows. This avoids the reunion of two compact masses of gas which mix only very partially so that the resulting mass of gas has a heterogeneous oxygen content, constituting a combustion instability factor.
On the contrary, the penetration of a plurality of flue gas flows into the air flow promotes the dissolution of oxygen throughout the gas mass, so that the partial pressure of oxygen in the gas mixture is substantially uniform.
This uniform oxygen dissolution guarantees maximum use of the available oxygen and allows the quantity of air to be reduced to bring it closer to the stoichiometric value. It has been found that with the same masses of air and recirculated gases, the stability of combustion improves considerably depending on the homogeneity of the gas mixture.
This mixture, formed in the chamber 16, is sucked by the fan 8, 9 which compresses it and sends it into the spiral sheet 3, from which it emerges in the supply duct 2 after having passed through the fixed blade 7. which gives it a helical movement around the axis of the burner. This swirling flow arrives in the pot, where the fuel is sprayed from nozzle 1.
In order to avoid the pulsations of the flow of fresh air, which would have the effect of maintaining a pulsation regime throughout the boiler, the pressure created in the chamber 16 by the fan 8, 9 is less than - 10 mm water column. The number of swirls which is given by the ratio between the angular speed communicated to the gas and its axial displacement speed is preferably chosen between 0.5 and 1.2. The lower limit must be at least sufficient for the appearance of a toroidal vortex, while the upper limit is fixed by the importance of the return of the flame which must not reach the nozzle 1.
Among the other factors that contribute to the quality of combustion, we can still mention the pot 6, which contributes to the fixation of the flame in space and increases, by its divergent shape, the toroidal volume of the vortex created by the vortex flow by lengthening it, so that the fuel particles sprayed in this vortex pass through a larger area of the mixture of combustion gases and air increasing the likelihood of a combination between the oxygen and fuel molecules. The pot also serves as a radiation screen between the base of the flame and the cold wall of the boiler, maintaining a sufficient temperature at this location of the flame to promote gasification of the fuel and its good combustion.
Note, however, that with the boiler cover 4 shown,
The existence of the pot, in particular as regards the attachment of the flame and the increase in volume of the toroidal vortex, is not absolutely essential.
Two peculiarities of the fan 8, 9 should also be noted.
As illustrated by fig. 5, the shape of the blade 9a of the impeller 9 of the fan is chosen so as to produce an acceleration of the fluid as it advances radially towards the spiral cover 8 so that on ignition of the fluid. the boiler, the soot particles which can be recirculated with the combustion gases are swept from the surface of the blades 9a and do not accumulate there.
The other feature, known in itself, results from the flow rate adjustment system by penetration of the ring 14 into the wheel 9 and not by throttling. The penetration of this ring has the effect of modifying the characteristic of the fan, that is to say the pressure variation curve Ap as a function of the flow rate q. However, the stability of the fan, and consequently that of the flame, is a function of the inclination of the tangent to this curve. The higher this tilt, the better the stability. By varying the flow rate using the ring 14, this amounts to working with another fan wheel whose characteristics Ap / q are substantially parallel (fig. 6) so that for the same Ap, the slope of the tangent is substantially constant. This is obviously very important for the stability of the combustion.
The tests carried out using the device described made it possible to obtain a stable combustion with a blue flame, almost instantaneously, by using a very low rate of excess air compared to the stoichiometric conditions, i.e. of the order of 5 % to only 10%, leading, on the one hand, to practically soot-free combustion and, on the other hand, to a very low production of NOx. Finally, the recirculation of combustion gases makes it possible to lower the level of noise emitted by combustion. This recirculation is, relative to the mass of air, between 50% and 70% of combustion gas for a mass ratio of air and fuel close to stoichiometric conditions.
The second embodiment illustrated by FIG. 4 differs mainly from the first embodiment in that the fan and the vortex generator are mounted in the same tarpaulin 34 which contains, on the one hand, a fixed blade 35 located on the side of the outlet of the tarpaulin and fixed to the nozzle holder 36, and, on the other hand, a fan wheel 37 coaxial with the fixed blade 35 and fixed to a sleeve 38, connected to a drive motor (not shown) by a transmission belt 41. This tarpaulin 34 is supplied axially with a mixture of gas, by the vacuum created by the fan 37, thanks to the connection between this tarpaulin 34 and the mixing device 42, which differs somewhat from the device described above.
This device comprises a first intake opening 43, connected to the combustion gas manifold 13, and second intake openings 44, communicating with the atmosphere. The passage section of the opening 43 is controlled by a disc 45, movable axially and mounted for this purpose, on a rod 46 guided by a tube 47. An adjusting screw 48 is used to determine the axial position of this rod 46 in the tube 47. This tube is integral with a sleeve 49 fixed at one of its ends, while it is mounted to slide through a sleeve 50 at its other end, this sleeve itself being integral with the enclosure containing the device 42.
The sleeve 49 has two parts, one of large diameter, in which is formed the first opening 43, slidably mounted in a tubular element 51 forming the second opening 44, and the other, of smaller diameter, to which a cylinder is fixed. perforated 52, surrounded by a helical rib 53.
The air sucked in by the vacuum created by the fan 37 and which enters the mixing device 42 through the openings 44, is subjected to a helical movement imparted by the rib 53.
At the same time, the combustion gases sucked through the opening 43 are fractionated by the perforations of the cylinder 52 and this multitude of jets enters the helical flow of air, causing a homogeneous mixture. This mixture is then compressed by the fan 37 and the stationary vanes 35 impart to it a vortex flow, under the same conditions as for the first embodiment.
CLAIM I
Process for supplying a gaseous oxidizer to a fluid combustion burner in which the oxidizer distribution opening opens into a boiler combustion chamber, characterized in that a vacuum zone is created upstream of the burner, which this zone is placed in communication on the one hand, with a source of gaseous oxidizer, on the other hand, with a combustion gas discharge duct, which is regulated by the mass flow rate of combustion gas in relation to to the mass flow rate of gaseous oxidizer, that the combustion gases are mixed with the gaseous oxidizer in order to lower the oxygen concentration of the oxidizer mixture by making it substantially uniform throughout the mixture,
and that the mixture is introduced into the combustion chamber through said distribution opening, forming a vortex flow the intensity of which is chosen to cause recirculation of the mixture in the form of a toroidal vortex inside the chamber.
SUB-CLAIM
1. Method according to claim I, characterized in that to mix the gaseous oxidizer and the combustion gas, the flow of one of these gases is split into a plurality of flows and that this plurality is directed of flows in the flow of the other of these gases.
CLAIM II
Device for implementing the method according to Claim I, characterized in that it comprises a mixing chamber having two inlets each provided with means for adjusting their passage section and an outlet, these inlets being in communication respectively with atmosphere and with a combustion gas discharge duct, the outlet being connected to the inlet of a fan, the outlet of which communicates with means arranged coaxially with the fuel injection nozzle for printing on the gas mixture a whirlwind movement.
SUB-CLAIM
2. Device according to claim II, characterized in that a cover provided with two axial openings is mounted coaxially with the fuel injection nozzle, the opening of this cover opposite the nozzle being in communication with
The mixing chamber, the upstream side of the tarpaulin containing the fan wheel, the downstream side of the tarpaulin containing a fixed vane shaped to impart the swirling movement to the mixture.
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