EP1834131A1 - Procede de combustion d'un combustible liquide par atomisation a vitesse variable - Google Patents

Procede de combustion d'un combustible liquide par atomisation a vitesse variable

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EP1834131A1
EP1834131A1 EP05825841A EP05825841A EP1834131A1 EP 1834131 A1 EP1834131 A1 EP 1834131A1 EP 05825841 A EP05825841 A EP 05825841A EP 05825841 A EP05825841 A EP 05825841A EP 1834131 A1 EP1834131 A1 EP 1834131A1
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EP
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speed
liquid fuel
combustion
atomizing gas
fuel
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Withdrawn
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EP05825841A
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Rémi Tsiava
Patrick Recourt
Bertrand Leroux
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • 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
    • F23D11/101—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 medium and fuel meeting before the burner outlet
    • F23D11/102—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 medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber
    • 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 
    • F23C2205/00—Pulsating combustion
    • F23C2205/10—Pulsating combustion with pulsating fuel supply
    • 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 
    • F23C2205/00—Pulsating combustion
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03281—Intermittent fuel injection or supply with plunger pump or other means therefor

Definitions

  • NOx nitrogen oxides are one of the most environmentally polluted pollutants, and minimizing their emission is a major technical problem.
  • Several solutions can be considered to limit NOx emissions, namely primary type measures to reduce NOx formation during the combustion itself, and secondary type measures to remove NOx from post-combustion effluents. . It should be noted that the secondary type of measurements generally require the installation of extremely expensive means, and all the more so that the rate of NOx released to reach is low.
  • Patents EP 0 524 880 and US Pat. No. 5,522,721 describe another process for reducing NOx called oscillating combustion.
  • Such a process consists in oscillating the speed of the oxidant or fuel so that the stoichiometry of the reagents deviates from 1, thus leading to a decrease in the flame temperature and therefore to a reduction in the formation of NOx.
  • the frequency, amplitude, and oscillation phases can be adjusted to also limit the formation of carbon monoxide.
  • the oscillating combustion processes involve the combustion of a gaseous fuel and are not directly applicable to the combustion of a liquid fuel.
  • variable speed varying around a nominal value of speed for which the combustion of the fuel is complete
  • the increase in the speed of the atomization gas ensures the formation of a fuel spray having a smaller drop size, and therefore a better combustion, while the decrease in the speed of the atomizing gas will cause the formation of a spray having a larger drop size, and therefore a less efficient combustion.
  • it is possible to control the physical properties of the fuel spray so as to vary the local combustion conditions, especially the flame length, and thus influence the NOx formation conditions.
  • the variation of the flame length makes it possible to increase the transfer area to the heated load by avoiding creating zones of high temperature, generating NOx.
  • the atomizing gas is injected at a speed varying around a nominal value of speed for which the combustion of the fuel is complete.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a method according to a first embodiment of the invention wherein the speed of the atomizing gas varies during the combustion.
  • FIG. 2 is a curve showing the variation of the flame length as a function of the flow rate of the atomizing gas in the process of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a method according to a second embodiment in which the speed of the liquid fuel varies in phase with the speed of the atomization gas during the combustion.
  • the flame length varies accordingly between a value L 1 max and a value L 1 min .
  • the variation of flame length increases the surface of the thermal transfers and avoids the formation of high temperature zones.
  • the speed of the atomization gas is oscillated between a lower limit U 9 min set at 0.7 times the nominal speed and an upper terminal U 9 max fixed at 1, 2 times the nominal speed.
  • FIG. 2 represents the flame length variation L f as a function of the flow rate of the atomization gas m g for the case where the atomization gas used is air and the liquid fuel has a speed of 2.3 m. s "1.
  • the nominal value of velocity of the atomizing gas to obtain a stable flame and full combustion was determined as being equal to 99 ms" 1.
  • the speed of the atomizing gas thus varies between 69 ms -1 and 118 ms -1 .
  • the flame length varies between 3.2 m and 4.8 m, for a nominal flame length of 4 m. This range of flame lengths allows the coverage of a large area, thus ensuring increased heat transfer, and therefore greater energy efficiency while avoiding high temperature zones generating NOx.
  • minimum and maximum values of flow and velocity for the fuel are defined.
  • the speed of the liquid fuel is oscillated between a minimum speed equal to 0.3 times the nominal speed and a maximum speed equal to 1. 7 times the rated speed.
  • the flame length variation L f as a function of the liquid fuel flow is shown in FIG. 4.
  • the atomization gas used is air and the liquid fuel has a nominal speed 2.3 ms "1.
  • the liquid velocity of the fuel thus varies between 0.7 ms" 1 and 3.9 ms "1.
  • the nominal speed value of the atomizing gas to obtain a stable flame and complete combustion was determined to be 99 ms -1 .
  • the speed of the atomizing gas thus varies between 67 ms -1 and 118 m / s, in which case the flame length varies between 1.7 m and 6 m, for a nominal flame length of 4 m.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé de combustion d'un combustible liquide comprenant les étapes visant à produire un spray (4) du combustible liquide par injection d'un gaz d'atomisation au contact du combustible liquide, puis mettre le spray ainsi produit en contact avec un comburant (7) de manière à procéder à la combustion du spray, ledit procédé étant caractérisé en ce que le gaz d'atomisation est injecté avec une vitesse variable.

Description

Procédé de combustion d'un combustible liquide par atomisation à vitesse variable
La présente invention se rapporte à un procédé de combustion d'un combustible liquide.
Lors de la mise en place d'un système de combustion pour four industriel par exemple, une des préoccupations majeures est de diminuer au maximum les rejets de polluants atmosphériques de manière à répondre aux normes environnementales en vigueur, tout en respectant les besoins du procédé chauffé en terme de transferts thermiques. Les oxydes d'azote NOx sont l'un des polluants les plus visés par les normes environnementales, et la minimisation de leur émission constitue un problème technique majeur. Plusieurs solutions peuvent être envisagées pour limiter les émissions de NOx, à savoir des mesures de type primaire visant à réduire la formation des NOx lors de la combustion elle-même, et des mesures de type secondaire visant à éliminer les NOx des effluents post-combustion. Il convient de noter que les mesures de type secondaires nécessitent généralement la mise en place de moyens extrêmement coûteux, et ce d'autant plus que le taux de NOx rejetés à atteindre est faible. Les mesures primaires visent principalement à réduire la formation de monoxyde d'azote NO, constituant majoritaire des NOx, dont le principal mécanisme de formation est un mécanisme thermique radicalaire dépendant principalement des pressions partielles d'oxygène et d'azote, de la température du milieu et du temps de séjour des réactifs en zone de combustion. Le cas de l'oxycombustion, c'est-à-dire une combustion dans laquelle le comburant est l'oxygène, est donc particulièrement problématique, ce type de combustion étant très répandue dans l'industrie. Selon le mécanisme thermique proposé par Zel'dovich en 1947, la vitesse de formation du NO s'écrit :
avec k une constante d'activation, R la constante des gaz parfaits, E3 l'énergie d'activation de la réaction, T la température locale, [OJ et [NJ étant les concentrations locales en oxygène et azote. Pour minimiser la vitesse de formation de NO et, par conséquent, la quantité de NO formé, il est connu de diminuer les concentrations locales en azote en utilisant comme comburant de l'air enrichi en oxygène, voire de l'oxygène pur. Cependant, la présence d'azote ne peut être totalement exclue du procédé de combustion, celui-ci pouvant être également introduit dans le milieu par des infiltrations d'air ou par le combustible lui-même. De plus, les températures atteintes par certains procédés peuvent conduire à une formation non négligeable de NO, malgré une faible concentration d'azote dans le milieu.
Des solutions supplémentaires ont donc été développées et notamment des solutions consistant à diluer les réactifs, principalement l'oxydant, avec un gaz peu réactif tel que du CO2 ou en permettant la recirculation des gaz d'échappement dans la zone de combustion, par exemple. La recirculation des gaz d'échappement est plus précisément mise en œuvre en injectant la majorité du comburant à une distance relativement importante du combustible, une faible quantité de comburant étant toutefois injectée à proximité de ce dernier pour assurer notamment la stabilisation de la flamme. Ce concept de forte séparation des jets de combustible et de comburant est toutefois limité à une combustion air / combustible gazeux.
Les brevets EP 0 524 880 et US 5 522 721 décrivent un autre procédé de réduction des NOx appelé combustion oscillante. Un tel procédé consiste à faire osciller la vitesse du comburant ou de combustible de manière à ce que la stœchiométrie des réactifs s'écarte de 1 , conduisant ainsi à une diminution de la température de flamme et donc à une réduction de la formation des NOx. De plus, la fréquence, l'amplitude et les phases d'oscillation peuvent être réglées de manière à également limiter la formation de monoxyde de carbone. Il convient toutefois de noter que les procédés de combustion oscillante concernent la combustion d'un combustible gazeux et ne sont pas directement applicables à la combustion d'un combustible liquide.
En effet, en combustion diphasique, il est tout d'abord nécessaire de procéder à l'atomisation du combustible liquide au moyen d'un gaz d'atomisation injecté de manière à déstabiliser le flux de combustible liquide et former un spray de combustible présentant une surface de contact accrue avec le comburant, favorisant ainsi la combustion. Il est ensuite nécessaire que les gouttes de combustible liquide ainsi formées s'évaporent avant que celui-ci ne brûle avec le comburant. Le mélange des réactifs dépend par conséquent des caractéristiques du spray de combustible, notamment de la taille des gouttes de combustible formées. Il a été constaté que l'application des principes de combustion oscillante précédemment décrits pour des combustibles gazeux ne conduit pas à des résultats satisfaisants dans le cas d'un combustible liquide : en effet, l'oscillation du débit de comburant nécessite la mise en place de dispositifs extrêmement coûteux et relativement peu efficaces et la mise en place d'une oscillation du débit de combustible liquide ne permet pas un contrôle suffisamment précis du spray formé.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédemment évoqués, et plus particulièrement de permettre l'application du principe de combustion oscillante à un combustible liquide, et consiste pour cela en un procédé de combustion d'un combustible liquide comprenant les étapes visant à produire un spray du combustible liquide par injection d'un gaz d'atomisation au ∞ntact du combustible liquide, puis à mettre le spray ainsi produit en contact avec un comburant de manière à procéder à la combustion du spray, le gaz d'atomisation étant injecté :
- avec une vitesse variable variant autour d'une valeur nominale de vitesse pour laquelle la combustion du combustible est complète, et
- à une vitesse maximale inférieure à 1,2 fois la valeur nominale de vitesse du gaz d'atomisation. Le terme vitesse variable doit être compris comme signifiant que la vitesse à laquelle le gaz d'atomisation est injecté oscille entre deux valeurs extrêmes de manière régulière au cours du temps. La courbe de la vitesse d'injection en fonction du temps peut présenter un profil sinusoïdal ou en créneaux, par exemple. Ainsi, en faisant varier la vitesse du gaz d'atomisation, le spray résultant présente des caractéristiques physiques variables, notamment en termes de taille des gouttes formées, et par conséquent des propriétés de combustion également modifiées. Plus précisément, l'augmentation de la vitesse du gaz d'atomisation assure la formation d'un spray de combustible présentant une taille de gouttes plus faible, et donc une meilleure combustion, tandis que la diminution de la vitesse du gaz d'atomisation entraînera la formation d'un spray présentant une taille de gouttes plus importante, et donc une combustion moins efficace. De cette manière, il est possible de contrôler les propriétés physiques du spray de combustible de manière à faire varier les conditions locales de combustion, notamment la longueur de flamme, et donc influer sur les conditions de formation des NOx. En effet, la variation de la longueur de flamme permet d'augmenter la surface de transfert à la charge chauffée en évitant de créer des zones de haute température, génératrices de NOx. Le gaz d'atomisation est injecté à une vitesse variant autour d'une valeur nominale de vitesse pour laquelle la combustion du combustible est complète. Plus précisément, la vitesse nominale du gaz d'atomisation est déterminée pour un débit de combustible liquide donné. Ainsi, la variation de la vitesse du gaz d'atomisation autour d'une valeur nominale assurant une combustion complète permet d'optimiser la consommation de combustible et de faire varier les propriétés de combustion autour de cette valeur optimale. Pour une géométrie de brûleur donnée, la vitesse du combustible se déduit de la puissance requise et du pouvoir calorifique inférieur (PCI) du combustible. La vitesse nominale du gaz d'atomisation est généralement choisie de manière à ce que le débit massique du gaz d'atomisation soit égal à 0,3 fois le débit massique du combustible. Selon l'invention, le gaz d'atomisation est injecté à une vitesse maximale inférieure à 1 ,2 fois la valeur nominale de vitesse du gaz d'atomisation. Ainsi, les risques de décrochement de la flamme sont réduits. Préférentiellement, le gaz d'atomisation est injecté à une vitesse minimale supérieure à 0,7 fois la valeur nominale de vitesse du gaz d'atomisation. Ainsi, les risques d'une mauvaise combustion sont réduits. De manière avantageuse le gaz d'atomisation est injecté avec une vitesse dont la fréquence de variation est comprise entre 0,1 et 10 Hz. De manière préférentielle, la variation de la vitesse d'injection du gaz d'atomisation est obtenue par pilotage d'une vanne de régulation de débit.
Selon une variante de réalisation, le combustible liquide est puisé avec une vitesse variable. En effet, la variation du débit de combustible liquide associée à une variation du gaz d'atomisation permet de mieux contrôler les caractéristiques physiques du spray de combustible liquide. Avantageusement, le combustible liquide est puisé avec une vitesse variant en phase avec la vitesse d'injection du gaz d'atomisation. L'objectif de cette double variation est de maintenir une taille de gouttes du spray de combustible sensiblement constante. La quantité de combustible liquide délivré s'en trouve néanmoins modifiée, ce qui affecte la stœchiométrie de la combustion en plus de la longueur de flamme. Dans le cas d'une variation autour d'une valeur nominale pour laquelle la combustion est complète et répond au besoin du procédé chauffé, ces conditions seront maintenues lors des variations. De manière préférentielle, la variation de vitesse du combustible liquide est obtenue par pilotage d'une vanne de régulation de débit.
La mise en œuvre de l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui est exposée ci-dessous en regard du dessin annexé dans lequel :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel la vitesse du gaz d'atomisation varie au cours de la combustion.
- la figure 2 est une courbe de représentation de la variation de la longueur de flamme en fonction du débit du gaz d'atomisation dans le procédé de la figure 1.
- la figure 3 est une représentation schématique d'un procédé selon un deuxième mode de réalisation dans lequel la vitesse du combustible liquide varie en phase avec la vitesse du gaz d'atomisation au cours de la combustion.
- la figure 4 est une courbe de représentation de la variation de longueur de flamme en fonction du débit de combustible liquide dans le procédé de la figure 3.
Un procédé de combustion, tel que représenté sur la figure 1, met en œuvre un atomiseur 1 à pulvérisation avec mélange externe (également appelé atomiseur assisté). Cet atomiseur 1 comprend une alimentation en combustible liquide 2 et une alimentation en gaz d'atomisation 3 et délivre un spray 4 de combustible liquide. Plus précisément, l'alimentation en gaz d'atomisation 3 est équipée d'une vanne de régulation 5 pilotée par un contrôleur 6 et apte à modifier le débit, et par conséquent la vitesse, du gaz d'atomisation. Ce spray 4 est ensuite mis en contact avec de l'oxygène 7 amené par une alimentation en comburant 8 pour procéder à la combustion du combustible. Initialement, le débit du gaz d'atomisation est réglé de manière à obtenir une flamme stable et une combustion complète pour un débit de combustible liquide donné. Ce débit nominal mg nom du gaz d'atomisation correspond à une vitesse nominale U9 nom. Pour ces valeurs, la flamme issue de la combustion possède une longueur de flamme nominale Lf nom. Lors de la mise en œuvre du procédé selon l'invention, le contrôleur 6 commande la vanne de régulation 5, de manière à ce que la variation de débit du gaz d'atomisation en fonction du temps présente une allure sinusoïdale de période T représentée sur la courbe 9, le débit oscillant entre une valeur de débit maximum mg mgχ et une valeur de débit minimal mg min, correspondant respectivement à des vitesses Ug max et Ug mindu gaz d'atomisation. Le débit mf, et par conséquent la vitesse U1, du combustible liquide sont supposés constants. Lors de l'oscillation du débit de gaz d'atomisation, la longueur de flamme varie en conséquence entre une valeur L1 max et une valeur L1 min. La variation de longueur de flamme augmente la surface des transferts thermiques et évite la formation de zones hautes températures. Il convient cependant de s'assurer de la stabilité de la flamme et de la qualité de la combustion lors de la variation du débit du gaz d'atomisation. Afin d'éviter le décrochement de la flamme et son extinction et d'assurer une vaporisation suffisante des gouttes de combustible, on fait osciller la vitesse du gaz d'atomisation entre une borne inférieure U9 min fixée à 0,7 fois la vitesse nominale et une borne supérieure U9 max fixée à 1 ,2 fois la vitesse nominale. La vanne est actionnée par le contrôleur 6 de manière à modifier le débit entre les valeurs mg min et mg max correspondantes. La variation du débit du gaz d'atomisation en fonction du temps est représentée par la courbe 9 possédant un profil sinusoïdal de période T.
La figure 2 représente la variation de longueur de flamme Lf en fonction du débit du gaz d'atomisation mg pour le cas où le gaz d'atomisation employé est de l'air et où le combustible liquide possède une vitesse de 2,3 m. s"1. La valeur nominale de vitesse du gaz d'atomisation permettant d'obtenir une flamme stable et une combustion complète a été déterminée comme étant égale à 99 m.s"1. Compte tenu des équations précédentes, la vitesse du gaz d'atomisation varie donc entre 69 m.s"1 et 118 m.s"1. Dans ces conditions la longueur de flamme varie entre 3,2 m et 4,8 m, pour une longueur de flamme nominale de 4 m. Cette gamme de longueurs de flamme permet la couverture d'une surface importante, assurant ainsi des transferts thermiques accrus, et donc une plus grande efficacité énergétique tout en évitant des zones hautes températures génératrices de NOx.
Selon une variante de l'invention, telle que représentée sur la figure 3, l'atomiseur 1 diffère de l'atomiseur de la figure 1 uniquement par le fait que l'alimentation en combustible liquide est équipée d'une vanne de régulation 50 pilotée par le contrôleur 6. Le contrôleur 6 commande alors la vanne de régulation 50, de manière à ce que la variation de débit du combustible liquide en fonction du temps présente une allure sinusoïdale de période T représentée sur la courbe 11, oscillant entre une valeur de débit maximum mfmgχ et une valeur de débit minimal mfmin, correspondant respectivement à des vitesses Uf max et Uf min du combustible. De plus, le contrôleur assure également la synchronisation des vannes de régulations 5, 50 de manière à ce que les courbes 9, 11 soient en phase. Cette double oscillation en phase permet de maintenir constante la taille des gouttes, et donc la plupart des caractéristiques physiques dont notamment le temps de vaporisation, du spray 4 de combustible. Ainsi la combustion telle qu'obtenue pour les conditions nominales, c'est-à-dire une combustion complète, est maintenue lors des variations de débit.
Comme il a été défini des valeurs minimales et maximales de débit et de vitesse pour le gaz d'atomisation, il est défini des valeurs minimales et maximales de débit et de vitesse pour le combustible. Afin d'assurer une taille de goutte constante et la constance du mode d'atomisation, on fait osciller la vitesse du combustible liquide entre une vitesse minimale égale à 0,3 fois la vitesse nominale et une vitesse maximale égale à 1 ,7 fois la vitesse nominale.
La variation de longueur de flamme Lf en fonction du débit de combustible liquide est représentée sur la figure 4. Comme pour l'exemple représenté sur la figure 2, le gaz d'atomisation employé est de l'air et le combustible liquide possède une vitesse nominale de 2,3 m.s"1. La vitesse du combustible liquide varie donc entre 0,7 m.s"1 et 3,9 m.s"1. La valeur de vitesse nominale du gaz d'atomisation permettant d'obtenir une flamme stable et une combustion complète a été déterminée comme étant égale à 99 m.s"1. Compte tenu des équations précédentes, la vitesse du gaz d'atomisation varie donc entre 67 m.s"1 et 118 m/s. Dans ces conditions la longueur de flamme varie entre 1,7 m et 6 m, pour une longueur de flamme nominale de 4 m.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemples particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de combustion d'un combustible liquide comprenant les étapes visant à produire un spray (4) du combustible liquide par injection d'un gaz d'atomisation au contact du combustible liquide, puis mettre le spray ainsi produit en contact avec un comburant (7) de manière à procéder à la combustion du spray, le gaz d'atomisation étant injecté avec une vitesse variable variant autour d'une valeur nominale de vitesse pour laquelle la combustion du combustible est complète, ledit procédé étant caractérisé en ce que le gaz d'atomisation est injecté à une vitesse maximale inférieure à 1,2 fois la valeur nominale de vitesse du gaz d'atomisation.
2. Procédé de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz d'atomisation est injecté à une vitesse minimale supérieure à 0,7 fois la valeur nominale de vitesse du gaz d'atomisation.
3. Procédé de combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz d'atomisation est injecté avec une vitesse dont la fréquence de variation est comprise entre 0,1 et 10 Hz.
4. Procédé de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la variation de la vitesse d'injection du gaz d'atomisation est obtenue par pilotage d'une vanne de régulation de débit.
5. Procédé de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le combustible liquide est puisé avec une vitesse variable.
6. Procédé de combustion selon la revendication 5, caractérisé en ce que le combustible liquide est puisé avec une vitesse variant en phase avec la vitesse d'injection du gaz d'atomisation.
7. Procédé de combustion selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la variation de vitesse du combustible liquide est obtenue par pilotage d'une vanne de régulation de débit.
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