EP0893651B1 - Brûleurs à combustible liquide et gazeux à faible émission d'oxyde d'azote - Google Patents
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- F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
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- F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
- F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
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- F23C2202/00—Fluegas recirculation
- F23C2202/20—Premixing fluegas with fuel
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- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
- F23C2900/09002—Specific devices inducing or forcing flue gas recirculation
Definitions
- Such a burner comprises in a known manner as described in patent application EP774620, a conduit with a central orifice supply of primary air 4, injection means 8 of liquid fuel in the hearth 2 and arranged inside said orifice 4 central in the axis of the latter, a flame stabilizer 5 disposed coaxially inside this central opening 4, and at least one opening 13 secondary air supply located outside the means 8 for injecting liquid fuel and the central primary air port 4; means 7 for injecting gaseous fuel are furthermore, arranged, but here without being optional since necessary, in a crown between the injection means 8 of liquid fuel and the at least orifice 13 for supplying secondary air.
- these can have multiple orifices thus creating several independent flames in the hearth 2 which can be either directed parallel to the axis XX 'of the burner, either divergent and oriented towards the secondary air supply orifices 13 for improve the combustion of said liquid fuel after a first combustion phase with primary air; such a divergence of flames, being less necessary in terms of fuel gaseous.
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Description
La présente invention a pour objet des brûleurs à combustibles
liquides et gazeux à faible émission d'oxydes d'azote.
L'application principale de l'invention est son utilisation pour
brûler à la fois un combustible liquide et un combustible gazeux tout en
diminuant la formation d'oxydes d'azote pour chacun de ces
combustibles, lequel brûleur étant destiné à être monté dans la paroi
d'une enceinte telle que la chambre de combustion ou foyer d'un four
ou d'une chaudière.
On connaít certes divers types de brûleurs dans lesquels la
disposition des différents circuits d'alimentation et d'injection sont
conçus pour diminuer au maximum la formation d'oxydes d'azote
NO, NO2, mais qui sont en général conçus pour brûler essentiellement
un seul combustible de base soit liquide soit gazeux.
On peut citer pour cela par exemple, les demandes de brevet
déposées par le même présent demandeur telles que, pour ce qui
concerne un brûleur à combustible gazeux, la demande de brevet
FR2718222 publiée le 6 octobre 1995 sur "des perfectionnements de
brûleurs à combustible gazeux à très faible émission d'oxydes d'azote" ;
dans l'introduction de cette demande de brevet, on rappelle, comme
pour la présente invention, que les oxydes d'azote sont dûs à deux
origines différentes qui sont, l'une basée sur l'oxydation de l'azote de
l'air de combustion lui-même (appelé oxyde d'azote thermique) qui est
celui essentiellement produit avec les combustibles gazeux, et l'autre
due à l'oxydation des composés azotés existant dans le combustible au
cours de la pyrolyse à l'intérieur de la flamme (appelé oxyde d'azote
combustible) et qui concerne essentiellement les combustibles liquides.
Ainsi dans le cas de la demande de brevet rappelée ci-dessus qui
s'applique à des combustibles gazeux, il a été principalement recherché
de diminuer l'oxyde d'azote thermique, d'une part en diminuant la
température de la flamme par un étagement de la combustion grâce à des
arrivées séparées de combustible et d'autre part, en réduisant la teneur
en oxygène de la flamme en recombinant et recirculant les fumées
produites dans le foyer avec l'air de combustion suivant une disposition
particulière des orifices d'injection.
Le document EP-A-229 231 décrit un brûleur à combustible sous
forme liquide et/ou gazeuse, qui comporte un conduit central d'air
entourant des lances à fioul et à gaz, une hélice mobile sur la lance à fioul,
plusieurs conduits d'air secondaire disposés à l'extérieur du conduit central
d'air, ainsi qu'un tube de recirculation des fumées aspirées à l'extérieur des
conduits d'air secondaire.
Dans d'autres demandes de brevet telles que la demande EP774620
intitulée "Brûleur à combustible liquide ou gazeux à très faible émission
d'oxydes d'azote", l'objectif principal est de réduire l'oxyde d'azote
combustible surtout pour une utilisation avec du combustible fluide en
utilisant, d'une part des dispositifs d'étagement d'alimentation en air, et
d'autre part en séparant l'injection du combustible en plusieurs flammes
indépendantes et divergentes pour qu'elles reçoivent un flux d'air
additionnel après une première phase de combustion grâce à l'étagement
d'alimentation de l'air ; dans cette demande de brevet, il est certes
mentionné qu'on peut rajouter également des cannes de combustible
gazeux, mais le brûleur ne comporte pas de dispositif spécifique pour
réduire l'oxyde d'azote thermique, ce qui rend un tel dispositif moins
efficace dans une utilisation mixte.
Le problème posé est en effet de pouvoir réaliser un brûleur qui
soit vraiement mixte c'est à dire à la fois à combustible liquide et à
combustible gazeux, pouvant fonctionner séparément ou en même
temps, et dans lequel la formation d'oxydes d'azote aussi bien d'origine
thermique que combustible pour le gaz et pour le liquide, soit
minimisée avec des performances que l'on n'obtient avec aucun
dispositif connu à ce jour.
Une solution au problème posé est un brûleur à combustible
liquide et gazeux comprenant un conduit et orifice central
d'alimentation en air primaire, des moyens d'injection de combustible
liquide dans un foyer et disposés à l'intérieur dudit orifice central dans
l'axe de ce dernier, un stabilisateur de flammes disposé coaxialement à
l'intérieur de cet orifice central, au moins un orifice d'alimentation en
air secondaire situé à l'extérieur des moyens d'injection de combustibles
liquides et de l'orifice central d'air primaire, et des moyens d'injection
de combustibles gazeux disposés en couronne entre les moyens
d'injection de combustibles liquides et le au moins orifice en
alimentation en air secondaire ; selon l'invention ce brûleur comporte
un circuit de recirculation des fumées du foyer par aspiration de celles-ci
à l'extérieur du au moins orifice d'alimentation en air secondaire et
réinjection dans le foyer au niveau des moyens d'injection du
combustible gazeux.
On remarquera qu'une telle solution emprunte une partie des
éléments décrits et connus dans la demande de brevet EP774620 qui peut
être considéré comme l'art antérieur le plus proche, et dans lequel on a
combiné un circuit de recirculation des fumées du foyer qui était connu
par ailleurs tel que la demande de brevet FR2718222 mais suivant une
disposition spécifique permettant d'obtenir un véritable brûleur mixte,
alors que les dispositifs précédents, utilisant la recirculation des fumées,
étaient dédiés aux seuls brûleurs à combustibles gazeux. En particulier,
on notera dans les modes de réalisation décrits ci-après, que l'aspiration
des fumées est réalisée extérieurement à tout conduit d'injection de
combustible et d'air. De plus, suivant un mode de réalisation
préférentiel, le circuit de recirculation des fumées du foyer suivant la
présente invention comporte au moins une paroi commune d'échange
thermique avec le circuit d'alimentation et de distribution en air
secondaire, ce qui permet de refroidir de telles fumées avant qu'elles ne
soient réinjectées dans le foyer et donc améliore les performances du
brûleur.
Le résultat est de nouveaux brûleurs mixtes à combustibles
liquides et gazeux, et non pas liquides ou gazeux, qui offrent des
caractéristiques de réduction d'oxyde d'azote à la fois thermique et
combustible, combinant ainsi les effets de l'ensemble des demandes de
brevet telles que celles citées ci-dessus, avec de plus un effet résultant
supplémentaire puisque permettant de faire fonctionner un tel brûleur,
non seulement avec l'un des combustibles gazeux ou liquides, mais
également avec les deux en même temps, tout en limitant la production
d'azote des deux sources de combustible. De tels brûleurs sont
également utilisables avec une seule des deux sources de combustible en
faisant alors bénéficier à celle-ci des dispositions d'alimentation qui
sont destinées à l'origine à l'autre combustible mais qui ne peuvent être
que bénéfique également pour l'autre. En particulier, pour un usage en
brûleur de gaz seul, l'étagement de l'air en plus de celui de
l'alimentation en gaz, bien que non spécifiquement nécessaire pour un
tel combustible, en améliore cependant la performance : en effet on
réduit également la production d'oxyde d'azote combustible en plus de
celui d'origine thermique, dont la production est diminuée par ailleurs
grâce à la recirculation des fumées et par l'étagement de l'injection du
combustible lui-même.
On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention mais
ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en prouver la
nouveauté et l'intérêt.
La description et les figures ci-après représentent un exemple de
réalisation de l'invention mais n'ont aucun caractère limitatif : d'autres
réalisations sont possibles dans le cadre de la portée de l'étendue de
cette invention, en particulier en utilisant des systèmes d'alimentation
en air primaire ainsi qu'en combustibles gazeux etc... différents.
La figure 1 est une vue en coupe simplifiée suivant II' de la figure
2 et passant par l'axe XX' longitudinal du brûleur suivant l'invention.
La figure 2 est une vue de face du brûleur de la figure 1 depuis
l'intérieur du foyer.
Un tel brûleur comprend d'une manière connue telle que décrite
dans la demande de brevet EP774620, un conduit à orifice central
d'alimentation 4 en air primaire, des moyens d'injection 8 de
combustible liquide dans le foyer 2 et disposés à l'intérieur dudit orifice
4 central dans l'axe de ce dernier, un stabilisateur de flamme 5 disposé
coaxialement à l'intérieur de cet orifice central 4, et au moins un orifice
13 d'alimentation en air secondaire situé à l'extérieur des moyens
d'injection 8 de combustible liquide et de l'orifice central d'air primaire
4 ; des moyens d'injection 7 de combustible gazeux sont en outre,
disposés, mais ici sans être en option puisque nécessaires, en couronne
entre les moyens d'injection 8 de combustible liquide et le au moins
orifice 13 d'alimentation en air secondaire.
Ledit orifice 13 d'alimentation en air secondaire peut-être
constitué par un passage annulaire unique ou constitué de plusieurs
conduits d'alimentation également disposés suivant un même diamètre
en couronne, à l'extérieur desdits moyens d'injection 7, 8,
respectivement des combustibles gazeux et liquides.
Tel que représenté sur les figures 1 et 2, le dit brûleur à
combustible liquide et gazeux suivant l'invention, comporte un anneau
31 en matériau réfractaire comprenant l'ensemble des orifices
d'alimentation en air, d'injection de combustible et de recirculation des
fumées, celui-ci est monté à travers la paroi réfractaire 1 du foyer 2 de
telle façon que sa face avant, à travers laquelle débouchent lesdits
orifices, soit en saillie par rapport à celle-ci.
Suivant les figures jointes, l'alimentation en air secondaire est
réalisée par des orifices multiples 13 qui sont placés périphériquement
en quinconce entre les orifices 14 d'aspiration des fumées dans le foyer
2 ; ces orifices 14 d'aspiration peuvent être eux-mêmes remplacés par un
seul passage annulaire périphérique, mais la disposition en orifices
multiples placés en quinconce permet d'éviter de réaspirer l'air
secondaire dans lesdits orifices d'aspiration de fumées et
réciproquement d'éviter que cette alimentation d'air secondaire
empêche lesdites fumées d'être aspirées pour être recirculées dans la tête
du brûleur.
Par contre, suivant l'invention, ces deux fluides s'échangent leurs
calories, mais à l'intérieur du brûleur, grâce en particulier à au moins
une paroi 101 commune séparant :
- d'une part un caisson 10 de distribution des dites fumées recirculées, alimenté d'un côté par les orifices d'aspiration 11 desdites fumées dans le foyer 2, et réinjectant celles-ci, après donc refroidissement, dans des conduits 9 de réinjection dans le foyer, à travers lesquels débouchent également les moyens d'injection 7 du combustible gazeux,
- d'autre part, un caisson de distribution 14 de l'air secondaire, qui d'un côté est alimenté par un conduit d'alimentation 12 et d'un autre côté, après donc réchauffement de cet air secondaire, injecte celui-ci dans le foyer par les orifices 13 tels que définis précédemment.
Lesdits moyens d'injection 7 de combustible gazeux et lesdits
moyens de réinjection des fumées qui de manière préférentielle sont
donc coaxiaux et ont leurs orifices 9 confondus, sont situés en couronne
périphérique autour du stabilisateur de flammes 5 du combustible
liquide.
Pour créer un étagement de l'arrivée d'air par rapport à la flamme
du combustible liquide, l'ensemble des orifices d'injection de ce
combustible ainsi que de ceux du combustible gazeux, et d'alimentation
en air primaire débouche au fond d'une cuvette 6 ; celle-ci est disposée
en creux par rapport à la paroi réfractaire 3 qui l'entoure et à travers
laquelle débouchent lesdits orifices 13 d'alimentation en air secondaire
et sont aspirées également les fumées du foyer 2. Ladite cuvette peut
être de différentes formes, telle qu'en coupe suivant la figure 1 en tronc
de cône, et tel que du reste ceci est décrit dans la demande de brevet
EP774620.
Les moyens d'injection 7 du combustible gazeux peuvent être,
d'une part des cannes d'alimentation séparées disposées en couronne
autour des moyens d'injection 8 du combustible liquide telles que
représentées sur la figure 1 ; lesdites cannes d'injection 7 peuvent être
situées dans le conduit 4 d'alimentation en air primaire, ou être
remplacées par des buses montées sur un seul anneau disposé également
périphériquement en couronne autour du moyen d'injection 8 du
combustible liquide, et alimentées par une seule canne d'alimentation 7.
En ce qui concerne les moyens d'injection 8 du combustible
liquide, ceux-ci peuvent comporter des orifices multiples créant ainsi
plusieurs flammes indépendantes dans le foyer 2 qui peuvent être soit
dirigées parallèlement à l'axe XX' du brûleur, soit divergentes et
orientées vers les orifices d'alimentation 13 en air secondaire pour
améliorer la combustion dudit combustible liquide après une première
phase de combustion avec l'air primaire ; une telle divergence de
flammes, étant moins nécessaire en ce qui concerne le combustible
gazeux.
D'autres améliorations et dispositifs complémentaires pourraient
être rajoutés sur un tel brûleur suivant l'invention, en utilisant des
caractéristiques déjà décrites dans les demandes de brevet précédentes
du même demandeur telles que celles citées en introduction : de tels
compléments de caractéristiques étant déjà décrits dans ces demandes de
brevet, n'ont pas besoin d'être repris dans la présente description mais
ne pourraient en aucun cas être considérés comme étant des
perfectionnements brevetables, puisque tout homme du métier
connaissant l'ensemble de cet art antérieur, pourrait apporter de telles
améliorations sans sortir du cadre de la présente demande de brevet et
sans faire preuve d'activité inventive.
Claims (9)
- Brûleur à combustible liquide et gazeux comprenant un conduit et orifice central d'alimentation (4) en air primaire, des moyens d'injection (8) de combustible liquide dans un foyer (2) et disposés à l'intérieur dudit orifice (4) central dans l'axe de ce dernier, un stabilisateur de flammes (5) disposé coaxialement à l'intérieur de cet orifice (4) central, au moins un orifice (13) d'alimentation en air secondaire situé à l'extérieur des moyens d'injection(8) de combustible liquide et de l'orifice central d'air primaire (4), et des moyens d'injection (7) de combustible gazeux disposés en couronne entre les moyens d'injection (8) de combustible liquide et le au moins orifice (13) d'alimentation en air secondaire, lequel brûleur comporte un circuit de recirculation (9, 10, 11) des fumées du foyer (2) par aspiration de celles-ci à l'extérieur du au moins orifice d'alimentation en air secondaire (13), caractérisé par une réinjection des fumées dans le foyer par des orifices (9) du circuit de recirculation dans lesquels débouchent les moyens d'injection (7) du combustible gazeux.
- Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices (9) de recirculation des fumées sont situés en couronne périphérique autour du stabilisateur de flammes (5).
- Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'ensemble des orifices d'injection des combustibles liquides et gazeux, et d'alimentation en air primaire débouchent au fond d'une cavité (6) disposée en creux par rapport à la paroi réfractaire (3) qui l'entoure et à travers laquelle débouchent les orifices (13) d'alimentation en air secondaire et sont aspirées les fumées du foyer (2).
- Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'injection (8) de combustible liquide comportent des orifices multiples créant plusieurs flammes indépendantes dans le foyer (2).
- Brûleur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les dites flammes indépendantes sont divergentes et orientées vers les orifices d'alimentation (13) en air secondaire.
- Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens d'injection (7) du combustible gazeux comportent des cannes d'alimentation séparées disposées en couronne autour des moyens d'injection (8) du combustible liquide.
- Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit de recirculation des fumées du foyer (2) comporte au moins une paroi commune (101) d'échange thermique avec le circuit d'alimentation et de distribution (4) en air secondaire.
- Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les orifices (13) d'alimentation en air secondaire sont placés périphériquement en quinconce entre les orifices (14) d'aspiration des fumées dans le foyer (2).
- Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un anneau (31), en matériau réfractaire comprenant l'ensemble des orifices d'alimentation en air, d'injection de combustibles et de recirculation des fumées, lequel anneau (31), étant monté à travers la paroi réfractaire du foyer (2) de telle façon que sa face avant soit en saillie par rapport à celle-ci.
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