FR2951525A1 - METHOD FOR OPERATING A BOILER - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fonctionnement d'une chaudière industrielle (1) qui comprend au moins un brûleur (4) à combustible liquide et/ou gazeux disposé dans la partie basse du foyer (2) et un système d'injection d'air additionnel (5) à plusieurs buses d'injection (6) disposé en aval de l'ensemble des brûleurs (4). Selon l'invention, l'ensemble des brûleurs (4) fonctionne en stoechiométrie ou en excès d'air d'au plus 5 % et en ce que l'air introduit par l'ensemble des brûleurs (4) et le système d'injection (5) représente un excès d'air d'au plus 15 %.The invention relates to a method of operating an industrial boiler (1) which comprises at least one burner (4) with liquid and / or gaseous fuel arranged in the lower part of the hearth (2) and an injection system of additional air (5) to a plurality of injection nozzles (6) arranged downstream of the set of burners (4). According to the invention, all the burners (4) operate in stoichiometry or in excess of air of at most 5% and in that the air introduced by all the burners (4) and the system of injection (5) represents an excess of air of at most 15%.
Description
PROCEDE DE FONCTIONNEMENT D'UNE CHAUDIERE METHOD FOR OPERATING A BOILER
La présente invention concerne un procédé de fonctionnement d'une chaudière ainsi qu'une chaudière conformée de façon à fonctionner, notamment en régime nominal, selon ce procédé. On connaît une chaudière industrielle du type qui comporte au moins un brûleur à combustible liquide et/ou gazeux disposé dans la partie basse du foyer et un système d'injection d'air additionnel à plusieurs buses d'injection disposé en aval du brûleur. Le fonctionnement nominal d'une telle chaudière est le suivant. Afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote sous un seuil acceptable (aujourd'hui, la réglementation européenne impose un maximum de 400 ou 450 mg/Nm3 à 3% d'02 avec un combustible du type fuel-oil lourd), le brûleur fonctionne en manque d'air (typiquement un manque d'air de 10 à 35%, ce qui correspond à un ratio air sur combustible compris entre 0,9 et 0,65) et de l'air additionnel est injecté par les buses du système d'injection d'air additionnel (appelé « OFA » pour « Over Firing Air »). Ce défaut d'air entraînant corrélativement un excès de combustible, les taux d'imbrûlés carbonés et de CO sont particulièrement élevés, malgré l'emploi du système d'injection d'air additionnel permettant de poursuivre l'oxydation. Vu la quantité importante d'imbrûlés, la quantité d'air introduite dans cette zone de post combustion correspond à un excès d'air de 25% à 35% (pourcentage d'excès d'air dans la chaudière par rapport à un rapport air (provenant du brûleur et du système additionnel) sur combustible égal à 1). Si le taux de CO est fortement réduit grâce à l'injection d'air additionnel du fait de sa grande réactivité, celui des imbrûlés ne l'est que faiblement, ce qui conduit, en fin de compte à une grande production de poussières carbonées (en général comprise entre 150 et 500 mg/Nm3 à 3% d'02), bien au-dessus de la réglementation européenne (50 mg/Nm3 à 3% d' 02) . D'où la nécessité d'employer un dépoussiéreur, ce qui est forcément coûteux. En outre, vu la très grande quantité d'air introduite par le système d'injection d'air additionnel, la quantité d'oxygène rejeté est très importante (3 à 5% - par rapport à la stoechiométrie) et le rendement de la chaudière est diminué. La présente invention vise à optimiser, voire réduire, le taux d'oxydes d'azote émis, tout en diminuant les émissions de CO et d'imbrûlés carbonés, et à augmenter le rendement de la chaudière, c'est-à-dire diminuer l'« empreinte carbone » (le rejet de CO2). Selon l'invention, l'ensemble des brûleurs fonctionnent globalement en stoechiométrie ou en excès d'air d'au plus 5% et l'air introduit par le brûleur et le système d'injection représente un excès d'air d'au plus 15%. Ainsi, en utilisant un brûleur à basse émission d'oxydes d'azote fonctionnant avec un léger excès d'air, la production des oxydes d'azote reste dans les normes imposées par la réglementation, et évidemment, les quantités de CO et d'imbrûlés sont réduites : ces quantités ne sont dues qu'à l'imperfection du brûleur (dont le rendement ne peut être de 100%), et l'excès de combustible par rapport à l'air ayant disparu, les 100% de cet excès ne se retrouvent plus dans les imbrûlés. Vu la chute de production d'imbrûlés et de CO par les brûleurs, la quantité d'air devant être introduit par le système d'injection d'air additionnel est moindre, ce qui permet d'avoir des taux de CO et d'imbrûlés carbonés faibles sans avoir à recourir à l'utilisation d'un dépoussiéreur. Evidemment, la quantité globale d'air introduit dans la chaudière ayant également diminuée, le rendement de cette dernière s'en trouve amélioré. Enfin, le fait d'avoir un meilleur rendement énergétique de la chaudière et le fait de se passer d'un dépoussiéreur permettent de réduire la consommation énergétique de la chaudière et donc de réduire le rejet de CO2. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans le mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins mis en annexe dans lesquels : La figure 1 est une vue schématique en coupe d'une chaudière conforme à la présente invention, La figure 2 est une vue en perspective d'un brûleur de la 10 chaudière de la figure 1, La figure 3 est une vue en coupe simplifiée du brûleur de la figure 2, prise selon un plan passant par son axe, La figure 4 est une vue schématique d'une répartition des buses du système d'injection d'air additionnel, prise selon le 15 plan d'injection de ce système, La figure 5 est une vue schématique d'une répartition des buses d'un système supplémentaire d'injection d'air additionnel, prise selon le plan d'injection de ce système, et La figure 6 est une vue en coupe simplifiée d'une buse du 20 système d'injection d'air additionnel de la chaudière de la figure 1, prise selon un plan passant par son axe central. La figure 1 illustre une chaudière 1 comprenant un foyer 2 délimité par des parois 3. Cette chaudière 1 comprend au moins un brûleur 4 et un système d'injection d'air additionnel 5 à 25 plusieurs buses d'injection 6. Dans le présent exemple, la chaudière 1 comprend aussi un système supplémentaire d'injection d'air additionnel 7 qui comprend également plusieurs buses d'injection 6. La chaudière 1 peut comprendre plusieurs étages de 30 brûleurs 4, chaque étage pouvant comprendre plusieurs brûleurs 4. Les brûleurs 4 utilisent des combustibles liquides et/ou gazeux. Chaque brûleur 4 peut être alimenté en air indépendamment les uns des autres ou par un caisson d'air commun pour les brûleurs 4. The present invention relates to a method of operating a boiler and a boiler shaped to operate, particularly in rated speed, according to this method. An industrial boiler of the type is known which comprises at least one liquid and / or gaseous fuel burner disposed in the lower part of the furnace and an additional air injection system with several injection nozzles arranged downstream of the burner. The nominal operation of such a boiler is as follows. In order to reduce the emissions of nitrogen oxides below an acceptable threshold (today the European regulation imposes a maximum of 400 or 450 mg / Nm3 at 3% of 02 with a fuel of the heavy fuel oil type), the burner operates in lack of air (typically a lack of air of 10 to 35%, which corresponds to an air-to-fuel ratio between 0.9 and 0.65) and additional air is injected by the additional air injection system nozzles (called "OFA" for "Over Firing Air"). This air defect resulting in correlative excess fuel, unburned carbon and CO rates are particularly high, despite the use of the additional air injection system to continue oxidation. Given the large amount of unburnt, the quantity of air introduced into this post-combustion zone corresponds to an excess of air of 25% to 35% (percentage of excess air in the boiler compared to an air ratio (from the burner and the additional system) on fuel equal to 1). Although the CO rate is greatly reduced by the additional air injection because of its high reactivity, that of unburnt is only weakly, which ultimately leads to a large production of carbonaceous dust ( in general between 150 and 500 mg / Nm3 at 3% of O2), well above the European regulation (50 mg / Nm3 at 3% of O2). Hence the need to use a dust collector, which is necessarily expensive. In addition, given the very large amount of air introduced by the additional air injection system, the quantity of oxygen released is very important (3 to 5% - relative to the stoichiometry) and the efficiency of the boiler is decreased. The present invention aims to optimize, or even reduce, the rate of nitrogen oxides emitted, while reducing the CO and unburned carbon emissions, and to increase the efficiency of the boiler, that is to say to decrease the "carbon footprint" (the release of CO2). According to the invention, all the burners generally operate in stoichiometry or in excess of air of at most 5% and the air introduced by the burner and the injection system represents an excess of air of at most 15%. Thus, by using a low nitrogen oxide burner operating with a slight excess of air, the production of nitrogen oxides remains within the standards imposed by the regulations, and obviously, the amounts of CO and unburnt are reduced: these quantities are due only to the imperfection of the burner (whose efficiency can not be 100%), and the excess fuel compared to the air having disappeared, the 100% of this excess no longer find themselves in the unburned. Given the drop in production of unburnt and CO by the burners, the amount of air to be introduced by the additional air injection system is lower, which allows for CO and unburnt levels. carbonaceous fats without having to resort to the use of a dust collector. Obviously, the overall amount of air introduced into the boiler has also decreased, the yield of the latter is improved. Finally, having a better energy efficiency of the boiler and the fact of avoiding a dust collector can reduce the energy consumption of the boiler and thus reduce the release of CO2. Other features and advantages of the present invention will become apparent in the embodiment given by way of non-limiting example and illustrated by the appended drawings in which: FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a boiler conforming to FIG. FIG. 2 is a perspective view of a burner of the boiler of FIG. 1; FIG. 3 is a simplified sectional view of the burner of FIG. 2, taken along a plane passing through its axis; FIG. 4 is a schematic view of a distribution of the nozzles of the additional air injection system, taken along the injection plane of this system. FIG. 5 is a schematic view of a distribution of the nozzles of FIG. an additional additional air injection system, taken according to the injection plane of this system, and FIG. 6 is a simplified sectional view of a nozzle of the additional air injection system of the boiler of FIG. Figure 1, taken according to a plan passing through its central axis. FIG. 1 illustrates a boiler 1 comprising a fireplace 2 delimited by walls 3. This boiler 1 comprises at least one burner 4 and an additional air injection system 5 with a plurality of injection nozzles 6. In the present example the boiler 1 also comprises an additional additional air injection system 7 which also comprises a plurality of injection nozzles 6. The boiler 1 may comprise several stages of 30 burners 4, each stage may comprise several burners 4. The burners 4 use liquid and / or gaseous fuels. Each burner 4 can be supplied with air independently of one another or with a common air box for the burners 4.
Comme illustré à la figure 2, les brûleurs 4 utilisés sont des brûleurs à basse émission d'oxydes d'azote, tels que, par exemple, ceux décrits dans les brevets européens EP 774 620, EP 893 651 et EP 1 058 052. As illustrated in FIG. 2, the burners 4 used are burners with a low nitrogen oxide emission, such as, for example, those described in European patents EP 774 620, EP 893 651 and EP 1 058 052.
De façon plus précise, ces brûleurs 4 à combustibles liquides et/ou gazeux comprennent une conduite centrale d'alimentation en air primaire 8, des moyens d'injection de combustible 9, 9a disposés dans la conduite centrale 8, un stabilisateur de flamme 10 disposé à l'extrémité aval de la conduite centrale d'alimentation en air 8, et plusieurs conduites d'alimentation en air secondaire 11. L'utilisation d'atomiseurs de fuel-oil en métal fritté tels que ceux décrits dans les brevets FR 2 894 854, FR 2 902 350 et EP 1 797 963 permet d'avoir des gouttelettes de combustibles dont le diamètre moyen est réduit, ce qui permet une combustion plus rapide du fuel-oil et donc une plus faible émission d'imbrûlés carbonés et notamment de cénosphères carbonées. Par ailleurs, notamment afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote, il est préférable que le circuit d'air primaire représente au maximum 60% de l'air introduit par le brûleur (corrélativement, le circuit d'air secondaire représente donc au minimum 40%). La conduite centrale d'amenée d'air 8 forme le circuit 25 d'air primaire. De préférence la conduite centrale 8 a une section droite circulaire. Egalement de préférence elle a un profil conique convergent dans le sens de la circulation de l'air (demi-angle au sommet inférieur à 5°). Cette légère conicité améliore la 30 qualité du jet d'air 8a pour faciliter le changement de direction des fumées 12. De préférence, cette conduite centrale 8 fait saillie dans le foyer d'une distance d'au moins 5 cm par rapport à la paroi 3 de la chaudière 1 portant le brûleur 4. Le fait d'introduire l'air primaire dans le foyer à distance de la paroi permet de faciliter le changement de direction des fumées 12 se situant contre cette paroi 3, donc de réduire les remous au niveau de cette dernière et d'augmenter le débit de fumées recirculées dans la flamme. More specifically, these burners 4 to liquid and / or gaseous fuels comprise a central primary air supply pipe 8, fuel injection means 9, 9a disposed in the central pipe 8, a flame stabilizer 10 disposed at the downstream end of the central air supply duct 8, and several secondary air supply ducts 11. The use of sintered fuel oil atomizers such as those described in patents FR 2 894 854, FR 2 902 350 and EP 1 797 963 makes it possible to have droplets of fuels whose average diameter is reduced, which allows a faster combustion of the fuel oil and therefore a lower emission of unburnt carbonaceous and especially carbonaceous cenospheres. Moreover, in particular in order to reduce the emissions of nitrogen oxides, it is preferable that the primary air circuit represents at most 60% of the air introduced by the burner (correlatively, the secondary air circuit therefore represents at least 40%). The central air supply duct 8 forms the primary air circuit. Preferably the central pipe 8 has a circular cross section. Also preferably it has a conical profile converging in the direction of the air flow (half-angle at the summit less than 5 °). This slight taper improves the quality of the air jet 8a to facilitate the change of direction of the fumes 12. Preferably, this central duct 8 projects into the hearth a distance of at least 5 cm from the wall 3 of the boiler 1 carrying the burner 4. The fact of introducing the primary air into the furnace at a distance from the wall makes it possible to facilitate the change of direction of the fumes 12 situated against this wall 3, thus to reduce the swirls at level of the latter and increase the flow of recirculated flue gases into the flame.
Cependant, afin de pouvoir refroidir correctement la conduite centrale 8 quand le brûleur 4 est à l'arrêt (par un flux d'air minimal correspondant à une fuite d'air volontaire), il est préférable que la saille soit d'au plus 50 cm. Combinée à la conicité, cette saillie permet de réduire le taux d'oxygène des fumées en recirculation. Le circuit d'air secondaire est formé par les différentes conduites d'alimentation en air secondaire 11 qui sont disposées à la périphérie de la conduite centrale d'alimentation en air 8 et qui sont réparties de façon à avoir une répartition angulaire homogène. De préférence, les conduites d'alimentation en air secondaire 11 sont regroupées deux à deux (de façon non jointive). Cet appariement permet, d'une part, d'améliorer de façon importante la surface de contact entre l'air secondaire et les fumées 12 et, d'autre part, d'avoir une recirculation des fumées dans la flamme par les deux jets d'air 13 provenant des deux conduites d'alimentation en air secondaire provenant d'une même paire. De ce fait, la recirculation des fumées 12 est améliorée, le taux d'oxygène dans la flamme est réduit comme l'est l'émission d'oxydes d'azote. De préférence, un brûleur 4 comprend entre quatre et douze paires de conduites secondaires 11. Dans le présent exemple, tel qu'illustré à la figure 2, le brûleur 4 en comprend six paires. De préférence, chaque conduite d'alimentation en air secondaire 11 a une section droite circulaire. Egalement de préférence, chacune de ces conduites 11 a un profil conique convergent dans le sens de circulation de l'air (demi-angle au sommet inférieur à 5°). Cette légère conicité améliore la qualité du jet d'air 13. Tout comme la conduite centrale d'alimentation en air primaire 8, et de préférence à cette dernière, chaque conduite d'alimentation en air secondaire 11 fait saillie dans le foyer d'une distance d'au moins 5 cm par rapport à la paroi 3 de la chaudière 1 portant le brûleur 2. However, in order to be able to properly cool the central pipe 8 when the burner 4 is stopped (by a minimum air flow corresponding to a voluntary air leak), it is preferable that the seam is at most 50 cm. Combined with the conicity, this projection reduces the oxygen content of the fumes in recirculation. The secondary air circuit is formed by the different secondary air supply lines 11 which are arranged at the periphery of the central air supply pipe 8 and which are distributed so as to have a homogeneous angular distribution. Preferably, the secondary air supply lines 11 are grouped in pairs (non-contiguous). This pairing makes it possible, on the one hand, to significantly improve the contact surface between the secondary air and the fumes 12 and, on the other hand, to have recirculation of the fumes in the flame by the two jets d air 13 from the two secondary air supply lines from the same pair. As a result, the flue gas recirculation 12 is improved, the oxygen content in the flame is reduced as is the emission of nitrogen oxides. Preferably, a burner 4 comprises between four and twelve pairs of secondary lines 11. In the present example, as shown in Figure 2, the burner 4 comprises six pairs. Preferably, each secondary air supply line 11 has a circular cross section. Also preferably, each of these pipes 11 has a conical profile converging in the direction of air flow (half-angle at the summit less than 5 °). This slight taper improves the quality of the air jet 13. Like the central air supply pipe 8, and preferably to the latter, each secondary air supply pipe 11 projects into the hearth of a distance of at least 5 cm from the wall 3 of the boiler 1 carrying the burner 2.
Le fait d'introduire l'air secondaire dans le foyer 2 à distance de la paroi 3 permet de faciliter le changement de direction des fumées 12 se situant contre cette paroi 3, donc de réduire les remous au niveau de cette dernière et d'augmenter le débit de fumées recirculées dans la flamme. The fact of introducing the secondary air into the hearth 2 away from the wall 3 makes it easier to change the direction of the fumes 12 located against this wall 3, thus reducing the swirls at the latter and increasing the flue gas flow recirculated into the flame.
Cependant, afin de pouvoir refroidir correctement la conduite quand le brûleur est à l'arrêt (par un flux d'air minimal correspondant à une fuite d'air volontaire), il est préférable que la saille soit d'au plus 50 cm. Combinée à la conicité, cette saillie permet de réduire le taux d'oxygène des fumées en recirculation. L'alimentation en air d'un brûleur 4, tel qu'illustré à la figure 3, permet de réduire les pertes de charge internes du brûleur 4. Le brûleur 4 est relié au caisson 14 (ou à la gaine individuelle d'alimentation) par une entrée d'air 15 à laquelle est associée une virole principale 16 mobile coulissante entre une position de fermeture et une position d'ouverture. En position d'ouverture, l'entrée d'air 15 est dégagée et les circuits d'air primaire et secondaire sont alimentés. En position de fermeture, l'entrée d'air 15 est obstruée mais permet le passage de la fuite volontaire d'air utilisé pour le refroidissement des deux circuits. Le brûleur 4 comprend également une virole de séparation 17 qui est associée à un orifice 18 réalisé dans la conduite centrale d'alimentation en air primaire 8. Cette virole de séparation 17 est montée coulissante et permet de séparer et d'ajuster le rapport d'alimentation des deux circuits d'air. Le circuit primaire est alimenté par la partie de l'air ayant traversée l'orifice 18, et le circuit secondaire par la partie complémentaire. Cette partie complémentaire d'air est alors guidée par une conduite annulaire 19 puis par plusieurs boîtes 20 (éventuellement démontables) alimentant chaque paire de conduites d'air secondaire 11 (ou chaque conduite 11 si les conduites d'air secondaire 11 ne sont pas appariées). Les différentes boîtes 20 pourraient être replacées par une boîte unique formant espace annulaire conique sur toute la périphérie et alimentant toutes les conduites d'alimentation en air secondaire 11. La limitation des pertes de charges internes (principalement du circuit d'air secondaire) découlant de cette configuration permet d'une part, d'augmenter la vitesse de sortie de l'air secondaire (et donc d'améliorer les performances du brûleur 4), et, d'autre part, de réduire la consommation énergétique du ventilateur d'air de combustion (et donc de réduire la quantité de CO2 émis). Conformément à la présente invention, le brûleur 4 à basse émission d'oxydes d'azote fonctionne en stoechiométrie ou, de préférence, en excès d'air d'au plus 5%. Ainsi, les taux d'imbrûlés et de CO sont particulièrement faibles et ne proviennent pas d'un excès de combustible. Pour améliorer encore davantage les performances de la chaudière 1, dans le cas où elle comporte plusieurs étages de brûleurs 4, les brûleurs fonctionnant en stoechiométrie ou en excès d'air d'au plus 5%, il est préférable d'avoir un décalage de débit combustible entre les étages de brûleurs, le débit de combustible étant d'autant plus important que le brûleur 4 est à un étage inférieur. Cette disposition permet d'obtenir un rebrûlage optimum des imbrûlés produits à l'étage le plus bas du fait, d'une part, que le temps de séjour des imbrûlés produits en zone à haute température est le plus élevé, et, d'autre part, que l'étage le plus élevé fonctionne en assez fort excès d'air favorisant le rebrûlage de ces imbrûlés produits plus bas. Ainsi, par rapport à un débit nominal pour les brûleurs d'étages intermédiaires, celui des brûleurs de l'étage le plus bas est augmenté de 2 à 6%, et celui des brûleurs de l'étage le plus haut est diminué de 2 à 6%. Il s'en suit au global un gain sur les émissions d'oxydes d'azote et une absence d'augmentation notables d'imbrûlés, et ce pour des conditions de stoechiométrie globalement inchangées au niveau des brûleurs. En outre, vu la faiblesse du taux d'imbrûlés carbonés, il est possible de réintroduire une partie des fumées (environ 10%) dans le foyer 2 par un circuit de fumées 21 débouchant à la base de ce dernier, dans l'axe de la zone la plus chaude des flammes (dans le plan médian de la chaudière quand celle-ci comporte des brûleurs sur deux parois 3 opposées). Cette réintroduction des fumées permet de réduire l'émission thermique des oxydes d'azote à l'intersection des flammes et des fumées réintroduites, et de régler le débit et la température des fumées à l'entrée du surchauffeur. Le système d'injection d'air additionnel 5 (usuellement appelé « OFA » pour « Over Firing Air ») est disposé au-dessus de l'ensemble des brûleurs 4, à une distance telle que l'air ne provoque pas de flamme. Selon l'invention, l'air introduit dans la chaudière 1 par les brûleurs 4 et le système d'injection d'air additionnel 5 représente un excès d'air d'au plus 15% par rapport à la stoechiométrie pour la combustion du combustible introduit par les brûleurs 4. Ainsi, l'air introduit par ce système 5 représente entre 10 et 15% de l'air par rapport à la stoechiométrie, selon la valeur d'excès d'air introduit par les brûleurs 4. Le système d'injection d'air additionnel 5 est configuré de sorte que la quantité de mouvement axiale de l'air sortant de ce système (c'est-à-dire la composante prise selon l'axe de sortie de l'air) est supérieure ou égale à la valeur de la quantité de mouvement des fumées ascendantes 22 produites par l'ensemble des brûleurs 4. However, in order to be able to properly cool the pipe when the burner is stopped (with a minimum air flow corresponding to a voluntary air leak), it is preferable that the mesh is not more than 50 cm. Combined with the conicity, this projection reduces the oxygen content of the fumes in recirculation. The supply of air to a burner 4, as illustrated in FIG. 3, makes it possible to reduce the internal pressure drops of the burner 4. The burner 4 is connected to the box 14 (or to the individual supply sheath) by an air inlet 15 to which is associated a main ferrule 16 movable sliding between a closed position and an open position. In the open position, the air inlet 15 is disengaged and the primary and secondary air circuits are powered. In the closed position, the air inlet 15 is obstructed but allows the passage of the voluntary air leak used for cooling the two circuits. The burner 4 also comprises a separation ferrule 17 which is associated with an orifice 18 made in the primary central air supply pipe 8. This separation ferrule 17 is slidably mounted and allows the ratio of the airfoil to be separated and adjusted. supply of the two air circuits. The primary circuit is fed by the portion of the air having passed through the orifice 18, and the secondary circuit by the complementary part. This complementary portion of air is then guided by an annular pipe 19 and then by several boxes 20 (possibly removable) feeding each pair of secondary air ducts 11 (or each pipe 11 if the secondary air ducts 11 are not matched). ). The different boxes 20 could be replaced by a single box forming a conical annular space over the entire periphery and supplying all the secondary air supply lines 11. The limitation of the internal pressure losses (mainly of the secondary air circuit) resulting from this configuration makes it possible, on the one hand, to increase the output speed of the secondary air (and thus to improve the performance of the burner 4), and, on the other hand, to reduce the energy consumption of the air fan of combustion (and thus reduce the amount of CO2 emitted). According to the present invention, the low nitrogen oxide emission burner 4 operates in stoichiometry or, preferably, in excess of air of at most 5%. Thus, the unburned and CO levels are particularly low and do not come from an excess of fuel. To further improve the performance of the boiler 1, in the case where it comprises several stages of burners 4, the burners operating in stoichiometry or in excess of air of at most 5%, it is preferable to have an offset of fuel flow between the stages of burners, the fuel flow being all the more important that the burner 4 is at a lower floor. This arrangement makes it possible to obtain optimum reburning of the unburnt products produced in the lowest stage because, on the one hand, the residence time of unburnt products produced in the high temperature zone is the highest, and, on the other hand, On the other hand, the highest stage works in a fairly high excess of air, which encourages the re-burning of these unburnt products produced below. Thus, compared to a nominal flow rate for the intermediate stage burners, that of the burners of the lowest stage is increased by 2 to 6%, and that of the burners of the highest stage is decreased by 2 to 6%. It follows overall a gain on nitrogen oxide emissions and a significant increase in unburnt, and for stoichiometric conditions generally unchanged at the burners. In addition, given the low rate of unburnt carbon, it is possible to reintroduce a portion of the fumes (about 10%) in the furnace 2 by a flue system 21 opening at the base of the latter, in the axis of the hottest area of the flames (in the middle plane of the boiler when it has burners on two opposite walls 3). This reintroduction of the fumes makes it possible to reduce the thermal emission of the nitrogen oxides at the intersection of the flames and the reintroduced fumes, and to regulate the flow rate and the temperature of the fumes at the inlet of the superheater. The additional air injection system 5 (usually called "OFA" for "Over Firing Air") is disposed above all the burners 4, at a distance such that the air does not cause a flame. According to the invention, the air introduced into the boiler 1 by the burners 4 and the additional air injection system 5 represents an excess of air of at most 15% relative to the stoichiometry for the combustion of the fuel 4. Thus, the air introduced by this system 5 represents between 10 and 15% of the air with respect to the stoichiometry, depending on the excess air value introduced by the burners 4. The system additional air injection 5 is configured so that the amount of axial movement of the air leaving this system (i.e. the component taken along the air outlet axis) is greater than or equal to equal to the value of the amount of movement of the rising fumes 22 produced by the set of burners 4.
Le système d'injection d'air additionnel 5 comprend plusieurs buses d'injection 6 qui sont toutes alimentées en air par un même caisson d'alimentation en air. De préférence, les buses d'injection 6 sont disposées, orientées et configurées de façon à avoir une répartition homogène de l'air additionnel dans la gaine 23 dans laquelle circulent les fumées produites par les brûleurs 4. De préférence, les buses d'injection 6 sont toutes disposées à un même niveau, un niveau étant constitué d'une tranche horizontale d'épaisseur de 1 à 2 mètres, de sorte que l'air soit injecté dans un même niveau. Les buses 6 peuvent être orientées selon un axe perpendiculaire aux parois 3 de la chaudière 1 ou situées au travers des quatre coins du foyer et dirigées vers l'axe vertical du foyer. Ceci est notamment le cas quand la chaudière 1 est du type à chauffe tangentielle avec les brûleurs situés à proximité des angles du foyer et orientées de façon à générer un flux rotatif. Dans ce cas, les buses 6 sont portées par les parois, à proximité des angles du foyer, et orientées vers l'axe vertical du foyer tout en étant décalées, de façon à favoriser la rotation des flammes engendrées par les brûleurs 4. De préférence, les buses d'injection 6 sont disposées sur deux parois 3 se faisant face, ces parois étant soit celles portant les brûleurs 4, soit perpendiculaires à ces dernières. The additional air injection system 5 comprises a plurality of injection nozzles 6 which are all supplied with air by the same air supply box. Preferably, the injection nozzles 6 are arranged, oriented and configured so as to have a homogeneous distribution of the additional air in the sheath 23 in which the fumes produced by the burners 4 flow. Preferably, the injection nozzles 6 are all arranged at the same level, a level consisting of a horizontal slice of thickness of 1 to 2 meters, so that the air is injected into the same level. The nozzles 6 may be oriented along an axis perpendicular to the walls 3 of the boiler 1 or located through the four corners of the hearth and directed towards the vertical axis of the hearth. This is particularly the case when the boiler 1 is of the tangential heating type with the burners located near the corners of the furnace and oriented so as to generate a rotary flow. In this case, the nozzles 6 are carried by the walls, near the corners of the hearth, and oriented towards the vertical axis of the hearth while being offset, so as to promote the rotation of the flames generated by the burners 4. Preferably , the injection nozzles 6 are arranged on two walls 3 facing each other, these walls being either those carrying the burners 4 or perpendicular thereto.
Afin d'optimiser la répartition de l'air introduit par les buses 6 dans le foyer 23, le système d'injection d'air 5 comprend au moins deux types de buse 6, chaque type de buse étant caractérisé par la section de sortie des buses 6 de ce type. In order to optimize the distribution of the air introduced by the nozzles 6 into the hearth 23, the air injection system 5 comprises at least two types of nozzle 6, each type of nozzle being characterized by the exit section of the nozzles 6 of this type.
La pénétration du jet d'air provenant d'une buse d'injection 6 dépendant de la quantité de mouvement axiale de l'air en question (et cette quantité de mouvement étant égale au produit de la vitesse axiale par le débit axial), la répartition de l'air dans la gaine 23 est réalisée par la position respective des buses des différents types. Ainsi, il existe des buses d'injection à forte quantité de mouvement axiale et d'autres à faible quantité, et éventuellement des buses à quantité de mouvement intermédiaire. The penetration of the jet of air from an injection nozzle 6 depending on the amount of axial movement of the air in question (and this amount of movement being equal to the product of the axial speed by the axial flow), the distribution of the air in the sheath 23 is performed by the respective position of the nozzles of different types. Thus, there are injection nozzles with a large amount of axial movement and others with a small quantity, and possibly nozzles with an intermediate momentum.
De préférence, dans le but d'avoir une bonne répartition de l'air dans le niveau d'injection, la somme des quantités de mouvement axiale de l'air injecté par deux buses portées par deux parois 3 se faisant face est sensiblement constante le long de ces parois 3 (les buses se faisant face peuvent être coaxiales ou légèrement décalées). Dans le mode de réalisation illustré à la figure 4 où le système 5 ne comprend que deux types de buse, une buse 6a d'un type fait face à une buse 6b d'un second type. La quantité de mouvement axiale de l'air injecté par une buse 6a d'un premier type (buse à forte quantité de mouvement) permet à cet air d'atteindre le plan médian 24 séparant les deux parois 3 opposées portant des buses 6. Ainsi, la quantité de mouvement axiale de l'air injecté par une buse 6a de ce type est comprise entre 500 et 1000 kg.m/s2). La quantité de mouvement axiale de l'air injecté par une buse 6b du second type (buse à faible quantité de mouvement) limite la pénétration de cet air dans l'espace délimité par la paroi portant la buse et un plan situé sensiblement à mi-chemin de cette paroi 3 et du plan médian 24. Ce type de buse 6b permet d'introduire de l'air à proximité des parois 3. De préférence, dans le même but, l'injection de l'air se fait de sorte que, sur une même paroi 3, il y a une alternance des buses 6a, 6b selon leur type. Cette alternance peut être une buse d'un type puis une buse d'un autre type, deux buses d'un type puis deux buses d'un autre type, ou encore une buse d'un type puis deux buses d'un autre type. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 4, l'alternance est 1 pour 1. De préférence, si la sortie 40 du foyer est située de façon dissymétrique par rapport au plan médian 24 (comme représenté sur la figure 1), la quantité de mouvement des buses 6 situées d'un côté du plan médian 24, diffère légèrement de celle des buses 6 situées de l'autre côté, ceci pour améliorer la répartition de l'air injecté dans la section de sortie 40. Preferably, in order to have a good distribution of the air in the injection level, the sum of the amounts of axial movement of the air injected by two nozzles carried by two walls 3 facing each other is substantially constant on the along these walls 3 (the nozzles facing each other may be coaxial or slightly offset). In the embodiment illustrated in Figure 4 where the system 5 comprises only two types of nozzle, a nozzle 6a of a type faces a nozzle 6b of a second type. The amount of axial movement of the air injected by a nozzle 6a of a first type (nozzle with a large momentum) allows this air to reach the median plane 24 separating the two opposite walls 3 carrying nozzles 6. the amount of axial movement of the air injected by a nozzle 6a of this type is between 500 and 1000 kg.m / s2). The amount of axial movement of the air injected by a nozzle 6b of the second type (low-momentum nozzle) limits the penetration of this air into the space defined by the wall carrying the nozzle and a plane situated substantially at mid-air. path of this wall 3 and the median plane 24. This type of nozzle 6b allows to introduce air near the walls 3. Preferably, for the same purpose, the injection of air is done so that , on the same wall 3, there is an alternation of the nozzles 6a, 6b according to their type. This alternation can be a nozzle of a type then a nozzle of another type, two nozzles of one type then two nozzles of another type, or a nozzle of one type then two nozzles of another type . In the embodiment illustrated in FIG. 4, the alternation is 1 to 1. Preferably, if the outlet 40 of the hearth is located asymmetrically with respect to the median plane 24 (as represented in FIG. 1), the quantity the movement of the nozzles 6 located on one side of the median plane 24, differs slightly from that of the nozzles 6 located on the other side, this to improve the distribution of the air injected into the outlet section 40.
Cette quantité de mouvement est légèrement plus forte pour les situées du côté ou la section de sortie est la plus proche de la paroi du foyer. La conception du système 5 respecte ainsi l'exigence d'une quantité de mouvement axiale totale d'air additionnel égale ou supérieure à la quantité de mouvement des fumées ascendantes 22, l'exigence de présence d'au moins deux types de buse avec une quantité de mouvement axiale propre à chaque type de buse permettant une pénétration d'air propre à chaque type permettant d'atteindre un plan déterminé (la paroi opposée si une seule paroi porte des buses, le plan médian si les deux parois opposées portent des buses, un plan décalé par rapport au plan médian si la sortie du foyer de la chaudière est décentrée par rapport au plan médian 24 du foyer au niveau des brûleurs 4). This amount of movement is slightly greater for those on the side where the outlet section is closest to the fireplace wall. The design of the system 5 thus complies with the requirement of a total amount of axial axial movement of additional air equal to or greater than the amount of movement of the ascending fumes 22, the requirement of presence of at least two types of nozzle with a amount of axial movement specific to each type of nozzle allowing a clean air penetration for each type to reach a specific plane (the opposite wall if a single wall carries nozzles, the median plane if the two opposite walls carry nozzles , a plane offset from the median plane if the outlet of the furnace of the boiler is off-center with respect to the median plane 24 of the hearth at the burners 4).
Le rapport des quantités de mouvement d'air axiales de chaque type de buse, le nombre de buses propre à chaque type, la distance inter-buse et la distance séparant les deux buses extrêmes des parois perpendiculaires à celle portant les buses sont déterminés afin d'avoir une répartition d'air la plus homogène en aval du niveau d'injection. Ainsi, l'air introduit par le système d'injection additionnel 5 permet de réduire de façon très importante le taux de CO émis par la chaudière 1, et dans une proportion moindre, le taux d'imbrûlés carbonés. The ratio of the axial air movement quantities of each nozzle type, the number of nozzles specific to each type, the inter-nozzle distance and the distance separating the two extreme nozzles of the walls perpendicular to that carrying the nozzles are determined in order to have the most homogeneous air distribution downstream of the injection level. Thus, the air introduced by the additional injection system 5 makes it possible to very significantly reduce the level of CO emitted by the boiler 1, and to a lesser extent the rate of unburnt carbonaceous.
Afin de réduire de façon plus importante le taux d'imbrûlés carbonés, les buses 6 sont conformées de façon à introduire de la vapeur saturée ou surchauffée. Ici, cette vapeur est introduite par les buses du système d'injection d'air additionnel 5. La vapeur a la même pression que celle d'atomisation des brûleurs (typiquement entre 6 et 14 bars, et entre 150 à 300°C). La vapeur favorise le mélange de l'air additionnel avec les fumées par sa vitesse et son expansion en augmentant fortement la turbulence, et réagit avec les imbrûlés carbonés en produisant du monoxyde de carbone et du dihydrogène. A cette fin, il est préférable que la vapeur injectée corresponde à environ entre 3 et 8% du combustible introduit par les brûleurs. Dans le présent exemple, afin d'améliorer la réduction des émissions, un système supplémentaire d'injection d'air additionnel 7 forme un second niveau de buses 6. Ce système supplémentaire 7 comporte un nombre réduit de buses 6c par rapport au système principal 5 (de préférence, au plus égal au nombre de buses à forte quantité de mouvement 6 du système principal 5). Le système supplémentaire 7 peut être mis en fonction sans influer les conditions de fonctionnement du premier étage de buses 6 (de préférence, chacune des buses 6c de ce système peut être sectionnée ou ouverte indépendamment les unes des autres). De préférence, l'air injecté par le système supplémentaire d'injection 7 est injecté au même niveau ou en aval, à un niveau légèrement supérieur (moins de 2,5 m au plan moyen du niveau principal). Le système supplémentaire 7 peut ne comprendre qu'un seul type de buse 6c dont la disposition suit, de préférence, les règles de disposition des buses 6a, 6b du système principal 5. Toutefois, il est préférable que l'axe des buses 6c du second étage soit dans un plan médian défini par deux axes de buses 6a, 6b contigües, comme illustré par les figures 4 et 5 disposées l'une en dessous de l'autre. In order to further reduce the level of unburnt carbon, the nozzles 6 are shaped so as to introduce saturated or superheated steam. Here, this steam is introduced by the nozzles of the additional air injection system 5. The steam has the same pressure as that of atomization of the burners (typically between 6 and 14 bars, and between 150 to 300 ° C). Steam promotes the mixing of additional air with fumes by its velocity and expansion, greatly increasing turbulence, and reacts with unburnt carbon by producing carbon monoxide and dihydrogen. For this purpose, it is preferable that the injected vapor corresponds to approximately between 3 and 8% of the fuel introduced by the burners. In the present example, in order to improve the reduction of emissions, an additional additional air injection system 7 forms a second level of nozzles 6. This additional system 7 comprises a reduced number of nozzles 6c with respect to the main system 5 (Preferably, at most equal to the number of high momentum nozzles 6 of the main system 5). The additional system 7 can be operated without affecting the operating conditions of the first nozzle stage 6 (preferably, each of the nozzles 6c of this system can be sectioned or opened independently of each other). Preferably, the air injected by the additional injection system 7 is injected at the same level or downstream at a slightly higher level (less than 2.5 m in the middle plane of the main level). The additional system 7 may comprise only one type of nozzle 6c, the arrangement of which preferably follows the rules for disposing the nozzles 6a, 6b of the main system 5. However, it is preferable for the nozzle axis 6c of the second stage is in a median plane defined by two axes of nozzles 6a, 6b contiguous, as shown in Figures 4 and 5 arranged one below the other.
La figure 6 représente une buse 6a du système principal 5 d'introduction d'air additionnel du présent mode de réalisation. Une telle buse 6 comprend une conduite d'air additionnel 25 débouchant à la paroi 3 de la chaudière 1 (ici, de façon affleurante). Ici, afin que l'air ait un flux axial en sortie de la buse 6, celle-ci comprend des organes redresseurs 26 (plus précisément, des plaques planes longitudinales). Afin de concentrer la transformation de la différence de pression en vitesse en limitant les pertes de charge, la conduite 25 comprend une zone conique convergente 27 qui est prolongée en aval par une conduite cylindrique d'éjection 28 qui débouche dans le foyer 2 et, en amont par une conduite cylindrique d'admission d'air 29 dans laquelle sont disposés les organes redresseurs 26. Le rapport de diamètre entre la conduite d'admission 29 et la conduite d'éjection 28 est de 2 ou davantage. La conduite d'admission 29 comprend une entrée d'air 30 associée à une virole 31 qui est montée coulissante. Cette virole 31 est mobile entre une position de fermeture dans laquelle l'entrée d'air 30 est obturée tout en permettant de laisser passer une quantité minimale d'air de refroidissement, et une position d'ouverture dans laquelle l'entrée d'air 30 est dégagée. Enfin, dans le présent mode de réalisation, la buse 6 comprend une canne d'introduction de vapeur 32 qui est disposée proche de l'axe de la conduite d'air additionnel 25. Enfin, chaque buse 6 pourrait également comporter un second circuit d'air permettant d'introduire de l'air ayant un flux rotationnel en périphérie de la sortie 28 à flux axial représentée sur la figure 6. Ainsi, le jet d'air provenant d'une buse comporterait un flux d'air central axial (par rapport à l'axe de la buse) provenant de la conduite d'air centrale 25 de la buse 6, et un flux d'air à composante tangentielle (par rapport à l'axe de la buse) provenant d'une seconde conduite d'air annulaire (formant le second circuit d'air de la buse) ceinturant la conduite d'air centrale 25. Les buses 6 sont particulièrement simples. Le seul réglage concerne le débit d'air et il est lié au degré d'ouverture de la virole 31. De préférence, ce degré d'ouverture est réglé en fonction du régime de la chaudière. Fig. 6 shows a nozzle 6a of the main additional air introduction system 5 of the present embodiment. Such a nozzle 6 comprises an additional air duct 25 opening to the wall 3 of the boiler 1 (here, flush). Here, so that the air has an axial flow at the outlet of the nozzle 6, it comprises rectifying members 26 (more precisely, longitudinal flat plates). In order to concentrate the transformation of the pressure difference into velocity by limiting the pressure drops, the pipe 25 comprises a convergent conical zone 27 which is extended downstream by a cylindrical ejection pipe 28 which opens into the hearth 2 and, in upstream by a cylindrical air intake pipe 29 in which the rectifying members 26 are arranged. The diameter ratio between the intake pipe 29 and the ejection pipe 28 is 2 or more. The intake pipe 29 comprises an air inlet 30 associated with a ferrule 31 which is slidably mounted. This shell 31 is movable between a closed position in which the air inlet 30 is closed while allowing to pass a minimum amount of cooling air, and an open position in which the air inlet 30 is cleared. Finally, in the present embodiment, the nozzle 6 comprises a steam introducing rod 32 which is disposed close to the axis of the additional air duct 25. Finally, each nozzle 6 could also comprise a second air duct. air for introducing air having a rotational flow at the periphery of the axial flow outlet 28 shown in FIG. 6. Thus, the jet of air coming from a nozzle would comprise an axial central air flow ( relative to the axis of the nozzle) from the central air duct 25 of the nozzle 6, and a tangential component airflow (relative to the axis of the nozzle) from a second duct annular air (forming the second air circuit of the nozzle) surrounding the central air duct 25. The nozzles 6 are particularly simple. The only adjustment concerns the air flow and it is related to the degree of opening of the shell 31. Preferably, this degree of opening is adjusted according to the speed of the boiler.
Ainsi aucun autre élément de régulation n'est nécessaire, la vitesse de sortie de l'air est déterminée par la différence de pression entre le foyer et le caisson d'alimentation en air des buses, diminuée des pertes de charge internes qui sont minimisées. Les buses 6 étant alimentées par un même caisson d'air, la vitesse de l'air en sortie de buse est sensiblement identique pour toutes les buses 6 (typiquement, plus de 70 m/s au débit nominal avec air chaud). Le débit de sortie de l'air est imposé par la section de passage de la conduite d'éjection (dépendant toutefois du degré d'ouverture de la virole). Ainsi toutes les buses d'un même type génèrent sensiblement un débit d'air identique. L'équilibrage des débits d'air pour les buses d'un même type se faisant par le degré d'ouverture de la virole 31. Thus no other regulating element is necessary, the air outlet velocity is determined by the pressure difference between the furnace and the air supply box of the nozzles, minus the internal pressure drops that are minimized. The nozzles 6 being fed by the same box of air, the air speed at the nozzle outlet is substantially identical for all the nozzles 6 (typically more than 70 m / s at the nominal flow rate with hot air). The air outlet flow rate is imposed by the passage section of the ejection pipe (depending however on the degree of opening of the ferrule). Thus all the nozzles of the same type generate substantially the same air flow. The balancing of the air flow rates for the nozzles of the same type being done by the degree of opening of the ferrule 31.
Dans le cas de buse injectant de l'air à flux rotationnel, de préférence, l'angle de rotation est fixé et n'est pas réglable. Dans le cas où le caisson d'alimentation en air du système d'injection d'air additionnel 6 est distinct du caisson 14 d'alimentation en air des brûleurs 4, le réglage du débit d'air en sortie des buses peut être réalisé facilement par la virole 31 de chaque buse 6. Dans le cas où le caisson d'alimentation en air est commun pour les buses 6 et pour les brûleurs 4 (typiquement en cas de rénovation de chaudières existantes), le réglage du débit d'air des buses 6 en fonction du régime de la chaudière 1 (et donc des brûleurs 4) est réalisé en tenant compte du débit d'air traversant chaque buse 6 (débit mesuré par un capteur usuel) et en modifiant le rapport entre, d'une part, la somme des débits d'air passant par les différentes buses 6 et, d'autre part, le débit d'air des brûleurs 4 (égal à la différence entre le débit d'air global du caisson et la somme des débits d'air passant par les différentes buses 6). Ce rapport peut être aisément ajusté par le déplacement de la virole principale 16 du brûleur 4. Par ailleurs, dans le cas d'une chaudière ayant plusieurs étages de brûleurs 4, il est possible d'utiliser une partie (de préférence au moins la moitié) ou la totalité des brûleurs de l'étage le plus haut (et éventuellement des étages qui lui sont justes inférieurs) de la même manière qu'une buse 6. A cet effet, de préférence, chaque brûleur 4 de la chaudière est équipé de moyens d'injection de combustible 9, 9a dont le débit maximum est suffisamment élevé pour permettre à la chaudière 1 de fonctionner à son allure nominale avec au moins une partie des brûleurs 4 de l'étage supérieur alimentés uniquement en air (c'est-à-dire, avec l'alimentation en combustible éteint).15 In the case of nozzle injecting air with rotational flow, preferably, the angle of rotation is fixed and is not adjustable. In the case where the air supply box of the additional air injection system 6 is distinct from the air supply box 14 of the burners 4, the adjustment of the air flow at the outlet of the nozzles can be easily achieved. by the ferrule 31 of each nozzle 6. In the case where the air supply box is common for the nozzles 6 and for the burners 4 (typically in case of renovation of existing boilers), the adjustment of the air flow of the nozzles 6 as a function of the speed of the boiler 1 (and therefore of the burners 4) is made taking into account the air flow passing through each nozzle 6 (flow rate measured by a conventional sensor) and by modifying the ratio between, on the one hand , the sum of the air flows passing through the different nozzles 6 and, on the other hand, the air flow rate of the burners 4 (equal to the difference between the overall air flow of the box and the sum of the flow rates of air passing through the different nozzles 6). This ratio can easily be adjusted by the displacement of the main shell 16 of the burner 4. Moreover, in the case of a boiler having several stages of burners 4, it is possible to use a part (preferably at least half ) or all the burners of the highest stage (and possibly stages which are just lower) in the same way as a nozzle 6. For this purpose, preferably, each burner 4 of the boiler is equipped with fuel injection means 9, 9a whose maximum flow rate is sufficiently high to allow the boiler 1 to operate at its nominal speed with at least a portion of the burners 4 of the upper stage fed only with air (that is, that is, with the fuel supply turned off).
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