EP0435735B1 - Brûleur industriel à combustible liquide à faible émission d'oxydes d'azote, ledit brûleur générant plusieurs flammes élémentaires et son utilisation - Google Patents

Brûleur industriel à combustible liquide à faible émission d'oxydes d'azote, ledit brûleur générant plusieurs flammes élémentaires et son utilisation Download PDF

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EP0435735B1
EP0435735B1 EP90403641A EP90403641A EP0435735B1 EP 0435735 B1 EP0435735 B1 EP 0435735B1 EP 90403641 A EP90403641 A EP 90403641A EP 90403641 A EP90403641 A EP 90403641A EP 0435735 B1 EP0435735 B1 EP 0435735B1
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EP
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burner
accordance
injection means
fuel
boss
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EP90403641A
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German (de)
English (en)
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Inventor
Patrick Flament
Frédéric Bury
Gérard Martin
Jean-Claude Pillard
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Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F23C7/004—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion using vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads

Definitions

  • the present invention relates to a parallel flow liquid fuel burner according to the preamble of claim 1.
  • the present invention relates to the latter type of burners, which comprise an air flow parallel to the axis of a cylindrical or conical body, and a flame trap, generally composed of a rosette with inclined blades serving to give a rotational movement to a part of the supply air, and taking a part of the outlet section of the cylindrical or conical body.
  • patent FR-2,122,820 in the name of the Pillard Company
  • patent FR-2,564,182 in the name of the French Petroleum Institute.
  • the need to reduce the nitrogen oxides (NOx) generated in the flames has long demonstrated the advantage of reducing the content of free oxygen (02) which combines with the nitrogen in the fuel, of staging combustion to reduce peak temperatures, and to increase the rate of burnt gases recycled in the flame for the same purpose.
  • the present invention provides a device which enables nitrogen oxides to be reduced appreciably while maintaining good quality combustion.
  • the present invention relates to a liquid fuel parallel flow burner with the features of claim 1.
  • the diameter of the hub relative to the diameter of the stabilizer may be greater than 45% and preferably between 45% and 60%.
  • the fuel injection means can be adapted to produce a number of elementary flames at most equal to 6. Similarly, they can be adapted to generate a number of elementary flames greater than or equal to 4.
  • the injection means may comprise several injection orifices, the axes of which may be distributed over at least one conical surface whose angle at the top may be between 70 ° and 110 °.
  • the injection means may include several orifices, the axes of which may be distributed over two coaxial conical surfaces of angle with different vertices, and the orifices may be angularly offset.
  • the auxiliary fluid may be steam or a compressed gas forming a mixture or an emulsion between the auxiliary fluid and the fuel.
  • the hub may include a disc-shaped part comprising radial slots supplied with combustion air, these slots delivering a jet of combustion air substantially parallel to the surface of the disc.
  • the burner according to the invention can be used in an industrial application, in particular for powers between 3 and 75 MW per burner.
  • the reference 1 designates a hearth supplied by a burner 2 of the parallel flow type comprising a cylinder 3 which can optionally be replaced by a cone.
  • This cylinder 3, of axis 4 is conventionally supplied with air.
  • the overall direction of the air is substantially axial and is represented by the arrows 5.
  • Reference 6 designates the stabilizer as a whole which is centered substantially around the end of the injection nozzle 7 for liquid fuel.
  • the axis of the injection rod coincides with the axis 4 of the cylinder 3.
  • the fuel injection rod may preferably be of the fluid spray type auxiliary, such as steam, compressed air, or compressed gas.
  • the auxiliary fluid sprays or atomizes the liquid fuel, mixes with it and can form an emulsion with the latter.
  • the injection pipe 7 has, at the terminal part 8 of its end 9, several orifices 10, 11 serving for the introduction of the auxiliary fluid / fuel mixture into the hearth 1.
  • the injection ports have injection axes 12, 13.
  • the axes of the injection ports are located on a conical surface with an apex angle ⁇ (Alpha) of between 60 ° and 110 °.
  • the stabilizer 6 comprises a rosette 14 comprising inclined blades 15, 16 relative to the axial plane. These blades which surround the central hub 17 can be flat or curvilinear.
  • the stabilizer further comprises an outer shroud 15a and an inner shroud 15b.
  • the hub 17 has a central opening 18 providing passage to the injection rod 7.
  • the hub 17 has the shape of a disc having radial slots.
  • the hub can be manufactured by foundry or stamping.
  • the radial slots 19 (FIG. 3) are supplied with combustion air and make it possible to cool and sweep the surface of the hub in order to avoid deposits therein. Air comes out of the slots substantially tangentially to the surface of the disc.
  • the blades 15, 16 have a leading edge included in a radial plane.
  • the central hub has a conical shape or has a conical portion 20 (Fig. 2).
  • the blades 25 shown in FIGS. 2 and 3 have a leading edge 26 inclined rearward relative to a radial plane and inclined relative to an axial plane.
  • the disc of the hub 28 is situated in the radial plane carrying this point 27.
  • FIG. 4 represents the end part 29 of an injection rod viewed from the front.
  • This terminal part has six injection holes, 3 of which referenced 30, 31, 32 have injection axes distributed over a conical surface making an apex angle of 70 °, and three others 33, 34, 35, surrounding the previous ones , have injection axes distributed over a conical surface having an apex angle of 110 °.
  • the orifices whose axes are placed on the same cone successively have an angular difference of 120 ° between them.
  • the angular difference between the successive orifices whether they are on one cone or on the other is 60 °.
  • the end portion 29 of the injection rod may have a frustoconical shape (case of Figure 2) or partially spherical.
  • the diameter of the stabilizer is designated by the letter D and the diameter of the central hub by the letter d.
  • d D is greater than or equal to 35%, d D may be between 45% and 60%.
  • the "flame” generated by the burner is a multi-flame composed of several flames independent elementaries 37, 38 (Fig. 1) or 39 to 43 (Fig. 2) separated by small diameters that do not combine into a single large flame.
  • the rosette with inclined blades is designed to achieve a high rate of recirculation "R" of burnt gases to the elementary flames.
  • R rate of recirculation
  • the presence of the hub 28 makes it possible to produce and ignite a "pilot" eddy for stabilizing the flame, which makes it possible to avoid the unhooking of the elementary flames, to ensure their stabilization.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nozzles For Spraying Of Liquid Fuel (AREA)
  • Pre-Mixing And Non-Premixing Gas Burner (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un brûleur à combustible liquide à écoulement parallèle selon le préambule de la revendication 1.
  • L'ensemble des brûleurs industriels de chaudières et foyers refroidis (ou à parois chaudes) correspond sensiblement à deux types essentiels de technologies:
    • les brûleurs à turbulence (ou à ventelles de turbulence),
    • les brûleurs à écoulement parallèle.
  • La présente invention se rapport à ce dernier type de brûleurs, qui comprennent un écoulement d'air parallèle à l'axe d'un corps cylindrique ou conique, et un accrocheur de flamme, généralement composé d'une rosace à pales inclinées servant à donner un mouvement de rotation à une partie de l'air d'alimentation, et prenant une partie de la section de sortie du corps cylindrique ou conique.
  • L'art antérieur peut être illustré par le brevet FR-2.122.820 au nom de la Société Pillard et le brevet FR-2.564.182 au nom de l'Institut Français du Pétrole.
  • La nécessité de réduire les oxydes d'azote (NOx) générés dans les flammes a mis en évidence depuis longtemps l'intérêt de réduire la teneur en oxygène (0₂) libre qui se combine avec l'azote du combustible, d'étager la combustion pour réduire les températures de pointe, et d'augmenter le taux de gaz brûlés recyclés dans la flamme dans le même but.
  • La présente invention propose un dispositif qui permet de réduire de manière sensible les oxydes d'azote tout en gardant une combustion de bonne qualité.
  • De plus, le dispositif selon l'invention est d'une mise en oeuvre aisée.
  • L'idée maitresse de la présente invention réside dans la combinaison des caractéristiques suivantes:
    • brûleur à écoulement parallèle comportant un stabilisateur de flamme à rosace unique à pales inclinées,
    • brûleur à écoulement parallèle dont la rosace à pales inclinées comprend un moyeu central ou disque ou cône de dimension relative suffisante en diamètre, et
    • injecteur à pulvérisation, par fluide auxiliaire, ayant plusieurs orifices de sortie mais en un nombre n suffisamment faible relativement à l'angle du cône sur lequel sont situés les axes des orifices d'injection de telle façon que le brûleur génère n flammes séparées sur sa plage de fonctionnement ou sur toute la plage de fonctionnement (jusqu'à sa marche nominale).
  • Comme cela a été dit, une telle combinaison permet, à partir d'un injecteur de combustible liquide, de créer plusieurs flammes indépendantes qui réalisent une combustion étagée du fait qu'une quantité d'air pénètre plus loin dans la zone de combustion avant de rencontrer le combustible. Cette quantité d'air correspond à celle qui est passée entre des jets de combustibles voisins.
  • Cette combinaison permet, également, de limiter la température de pointe des différentes flammes grâce à un fort taux de recirculation des gaz résultant de la combustion dans les différentes flammes, cela tout en maintenant une stabilisation de la flamme et en évitant le dépôt de gouttes de combustible imbrûlé sur le stabilisateur.
  • Toutes choses égales par ailleurs, le brûleur mis en oeuvre selon l'invention permet de réduire d'environ 30 % ou davantage les émissions de NO de la flamme.
  • D'une manière plus générale, la présente invention concerne un brûleur à écoulement parallèle à combustible liquide avec les caractéristiques de la revendication 1.
  • Le diamètre du moyeu rapporté au diamètre du stabilisateur pourra être supérieur à 45 % et de préférence compris entre 45 % et 60 %.
  • Les moyens d'injection du combustible pourront être adaptés à réaliser un nombre de flammes élémentaires au plus égal à 6. De même, qu'ils pourront être adaptés à générer un nombre de flammes élémentaires supérieur ou égal à 4.
  • Les moyens d'injection pourront comporter plusieurs orifices d'injection dont les axes pourront être répartis sur au moins une surface conique dont l'angle au sommet pourra être compris entre 70° et 110°.
  • Les moyens d'injection pourront comporter plusieurs orifices dont les axes pourront être répartis sur deux surface coniques coaxiales d'angle aux sommets différents et les orifices pourront être décalés angulairement.
  • Le fluide auxiliaire pourra être de la vapeur d'eau ou un gaz comprimé formant un mélange ou une émulsion entre le fluide auxiliaire et le combustible.
  • Le moyeu pourra comporter une partie en forme de disque comportant des fentes radiales alimentées en air comburant, ces fentes délivrant un jet d'air comburant sensiblement parallèle à la surface du disque.
  • Le fluide éventuellement multiphasique, tel une émulsion sortant des moyens d'injection, pourra posséder une vitesse moyenne comprise entre 40 et 100 m/s.
  • Le brûleur selon l'invention peut être utilisé dans une application industrielle, notamment pour des puissances comprises entre 3 et 75 MW par brûleur.
  • La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaitront plus clairement à la description qui suit d'exemples particuliers, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles:
    • la figure 1 illustre schématiquement en coupe un brûleur selon l'invention,
    • la figure 2 montre une variante de brûleur selon l'invention, comportant notamment un moyeu ayant une partie tronconique,
    • la figure 3 représente le stabilisateur de la figure 2, vu de face, et
    • la figure 4 représente un mode de répartition des orifices d'injection du combustible sur les moyens d'injection du combustible.
  • Sur la figure 1, la référence 1 désigne un foyer alimenté par un brûleur 2 du type à écoulement parallèle comportant un cylindre 3 qui peut être remplacé éventuellement par un cône. Ce cylindre 3, d'axe 4, est alimenté de manière classique en air. La direction globale de l'air est sensiblement axiale et est représentée par les flèches 5.
  • La référence 6 désigne le stabilisateur dans son ensemble qui est centré sensiblement autour de l'extrémité de la canne d'injection 7 de combustible liquide. L'axe de la canne d'injection est confondu avec l'axe 4 du cylindre 3. La canne d'injection du combustible peut être de préférence du type à pulvérisation par fluide auxiliaire, tel de la vapeur d'eau, de l'air comprimé, ou un gaz comprimé.
  • Le fluide auxilaire réalise la pulvérisation ou l'atomisation du combustible liquide, s'y mélange et peut former une émulsion avec ce dernier.
  • Pour améliorer l'injection et réaliser une atomisation ultra-fine de combustible, on peut utiliser le système décrit dans la demande de brevet français au nom de la Société Pillard EN. 88/17.591. Ce système réalise une double atomisation qui supprime les gouttelettes de gros diamètre généralement formées au contact du film liquide avec des parois solides, telles celles de l'orifice de sortie.
  • La canne d'injection 7 comporte à la partie terminale 8 de son extrémité 9 plusieurs orifices 10, 11 servant à l'introduction du mélange fluide auxiliaire/combustible dans le foyer 1.
  • Les orifices d'injection possèdent des axes d'injection 12, 13. De préférence, selon la présente invention, les axes des orifices d'injection sont situés sur une surface conique d'angle au sommet α (Alpha) compris entre 60° et 110°.
  • Le stabilisateur 6 comporte une rosace 14 comportant des pales inclinées 15, 16 par rapport au plan axial. Ces pales qui entourent le moyeu central 17 peuvent être planes ou curvilignes.
  • Le stabilisateur comporte de plus une virole extérieure 15a et une virole intérieure 15b.
  • Le moyeu 17 comporte une ouverture centrale 18 livrant passage à la canne d'injection 7.
  • Sur la figure 1, le moyeu 17 a la forme d'un disque comportant des fentes radiales. Le moyeu peut être fabriqué par fonderie ou par emboutissage. Les fentes radiales 19 (Fig. 3) sont alimentées en air comburant et permettent de refroidir et de balayer la surface du moyeu afin d'y éviter les dépôts. L'air sort des fentes sensiblement tangentiellement à la surface du disque.
  • Sur la figure 1, les pales 15, 16 ont un bord d'attaque compris dans un plan radial.
  • Le moyeu 17 représenté à la figure 1 est en retrait par rapport au plan radial comportant le bord d'attaque des pales 15 et 16.
  • Sur la figure 1, la référence 39 désigne un ouvreau qui pourra être conique (cas de la figure) ou cylindrique.
  • On ne sortira pas du cadre de la présente invention si le moyeu central a une forme conique ou comporte une partie en forme conique 20 (Fig. 2).
  • On constate sur la figure 1 que le stabilisateur occupe une partie seulement de la section de passage livrée à l'air 5 par le cylindre 3. Il existe un espace annulaire libre 21 autour du stabilisateur 15, cet espace servant au passage d'une partie de l'air comburant. La section de cet espace annulaire peut être égal ou supérieure à 10 % de la section totale de passage du cylindre 3 et elle peut être comprise, préférentiellement, entre 10 et 50 %. De bons résultats peuvent être obtenus pour des sections de passage de l'espace annulaire comprises entre 10 et 35 % de la section de passage totale du passage du cylindre 3 et notamment pour une valeur voisine de 25 %.
  • Sur la figure 2 qui illustre une variante de la figure 2, l'air alimentant le stabilisateur est guidé en amont de celui-ci par une jupe 22, éventuellement percée de passages 23.
  • Les éléments communs ou semblables aux différentes figures portent les mêmes références.
  • Sur la figure 2, l'espace 21 entre le stabilisateur 14 et le cylindre 3 est alimenté par le cylindre annulaire 24 délimité par la jupe cylindrique 22 et le cylindre 3.
  • Les pales 25 représentées aux figures 2 et 3 possèdent un bord d'attaque 26 incliné vers l'arrière par rapport à un plan radial et incliné par rapport à un plan axial.
  • Lorsque les pales de la rosace du stabilisateur ont un bord d'attaque incliné vers l'arrière, le moyeu central, ou le disque qu'il comporte, peut être en retrait par rapport au plan radial comportant le point le plus avancé du bord d'attaque orienté vers le foyer 1. Sur la figure 2, ce point porte la référence 27.
  • Sur la figure 2, le disque du moyeu 28 est situé dans le plan radial portant ce point 27.
  • La figure 4 représente la partie terminale 29 d'une canne d'injection vue de face. Cette partie terminale comporte six orifices d'injection, dont 3 référencés 30, 31, 32 ont des axes d'injection répartis sur une surface conique faisant un angle au sommet de 70°, et trois autres 33, 34, 35, entourant les précédents, ont des axes d'injection répartis sur une surface conique ayant un angle au sommet de 110°.
  • Les orifices 30, 31, 32 sont décalés angulairement par rapport aux orifices 33, 34, 35.
  • Sur la figure 4, les orifices dont les axes sont placés sur un même cône présentent successivement entre eux un écart angulaire de 120°. L'écart angulaire entre les orifices successifs qu'ils soient sur un cône ou sur l'autre est de 60°.
  • Ces écarts angulaires sont considérés en faisant tourner un plan sur l'axe 36 de la canne d'injection. Un tel agencement permet de favoriser la séparation des flammes élémentaires.
  • La partie terminale 29 de la canne d'injection pourra avoir une forme tronconique (cas de la figure 2) ou partiellement sphérique.
  • Sur la figure 1, le diamètre du stabilisateur est désigné par la lettre D et le diamètre du moyeu central par la lettre d.
  • Selon la présente invention:
    d D
    Figure imgb0001
     est supérieur ou égal à 35 %,
    d D
    Figure imgb0002
     pourra être compris entre 45 % et 60 %.
  • Sur la figure 1, deux flammes élémentaires 37 et 38 ont été représentées de façon schématique et sur la figure 2, 5 flammes élémentaires 39, 40, 41, 42 et 43 ont été représentées de façon schématique.
  • Selon la présente invention, la "flamme" générée par le brûleur est une multi-flamme composée de plusieurs flammes élémentaires indépendantes 37, 38 (Fig. 1) ou 39 à 43 (Fig. 2) séparées de petit diamètre ne se regroupant pas en une seule flamme de grosse dimension.
  • Entre les flammes élémentaires 39 à 43, qui ne se touchent pas, passe une partie de l'air de combustion A qui participe donc à la combustion en fin de flamme. Ainsi la séparation de flammes élémentaires distinctes permet, en fait, de réaliser une combustion étagée due à l'étagement de l'air, une partie de l'air évitant le combustible au départ. Réciproquement, les flammes élémentaires se trouvent peu oxygénées au départ.
  • La rosace à pales inclinées est conçue pour réaliser un fort taux de recirculation "R" de gaz brûlés vers les flammes élémentaires. Chaque flamme étant de petite dimension, en manque d'air au départ avec une forte recirculation axiale, se trouve donc à une température de pointe limitée.
  • La présence du moyeu 28 (disque, cône) permet la réalisation et l'allumage d'un remous "pilote" de stabilisation de flamme, qui permet d'éviter le décrochement des flammes élémentaires, d'assurer leur stabilisation.

Claims (9)

  1. Brûleur à écoulement parallèle à combustible liquide comportant des moyens d'injection (7, 8) dudit combustible et un stabilisateur de flamme central (6) qui est cylindrique, occupe une partie de la section de sortie du brûleur et comporte une rosace (14) à pâles (15, 16, 25) inclinées située autour d'un moyeu central (17, 28) situé lui-même autour des moyens d'injection (7, 8) le plan de sortie du moyeu étant situé dans le plan de sortie des pâles (figure 2) ou en retrait de celui-ci (figure 1) et le diamètre du moyeu étant supérieur ou égal à 35 % du diamètre du stabilisateur, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection comportent plusieurs orifices d'injection (10, 11 ; 30 à 35) du combustible adaptés à réaliser des flammes élémentaires séparées (37, 38 ; 39 à 43), en ce que ledit moyeu (17, 28) a la forme d'un disque ou d'un cône comportant des fentes radiales (19) et en ce que lesdits moyens d'injection (7, 8) sont du type à pulvérisation par fluide auxiliaire, la combinaison permettant de réaliser un brûleur multi-flamme opérant une combustion étagée.
  2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre d du moyeu rapporté au diamètre D du stabilisateur est compris entre 45 % et 60 %.
  3. Brûleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection du combustible sont adaptés à réaliser un nombre de flammes élémentaires au plus égal à 6.
  4. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'injection comportent plusieurs orifices d'injection dont les axes sont répartis sur une surface conique dont l'angle au sommet est compris entre 60° et 110°.
  5. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection comportent plusieurs orifices dont les axes sont répartis sur deux surfaces coniques coaxiales d'angles aux sommets différents et en ce que lesdits orifices sont décalés angulairement.
  6. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire est de la vapeur d'eau ou un gaz comprimé formant un mélange ou une émulsion entre le fluide auxiliaire et le combustible.
  7. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moyeu comporte une partie en forme de disque et en ce que ladite partie comporte des fentes radiales (19) alimentées en air comburant, lesdites fentes délivrant un jet d'air comburant sensiblement parallèle à la surface du disque.
  8. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le fluide multiphasique sortant desdits moyens d'injection possède une vitesse moyenne comprise entre 40 et 100m/s.
  9. Utilisation du brûleur selon l'une des revendications 1 à 8 à une application industrielle pour des puissances comprises entre 3 et 75 MW par brûleur.
EP90403641A 1989-12-28 1990-12-18 Brûleur industriel à combustible liquide à faible émission d'oxydes d'azote, ledit brûleur générant plusieurs flammes élémentaires et son utilisation Expired - Lifetime EP0435735B1 (fr)

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FR8917346 1989-12-28
FR898917346A FR2656676B1 (fr) 1989-12-28 1989-12-28 Bruleur industriel a combustible liquide a faible emission d'oxyde d'azote, ledit bruleur generant plusieurs flammes elementaires et son utilisation.

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Publication Number Publication Date
EP0435735A1 EP0435735A1 (fr) 1991-07-03
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EP90403641A Expired - Lifetime EP0435735B1 (fr) 1989-12-28 1990-12-18 Brûleur industriel à combustible liquide à faible émission d'oxydes d'azote, ledit brûleur générant plusieurs flammes élémentaires et son utilisation

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US (1) US5169304A (fr)
EP (1) EP0435735B1 (fr)
CA (1) CA2033366C (fr)
DE (1) DE69018047T2 (fr)
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