FR2969515A1

FR2969515A1 - Pulverisateurs et procedes de pulverisation hybrides

Info

Publication number: FR2969515A1
Application number: FR1061251A
Authority: FR
Inventors: Dorothee Chaillou; Xavier Paubel; Mohand Amirat; Vincent Alaterre
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2012-06-29
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: FR2969515B1

Abstract

Procédé et dispositif pour la pulvérisation hybride, c'est-à-dire mécanique et assisté, d'un liquide combustible, dans lequel un jet de liquide combustible est transformé en une dont l'écoulement est rotationnel autour de la direction d'écoulement globale et dans lequel un jet de gaz de pulvérisation est injecté autour de la nappe turbulente de manière à ce que le jet de gaz de pulvérisation contacte la nappe turbulente et forme un spray du combustible liquide dans le gaz de pulvérisation.

Description

Pulvérisateurs et procédés de pulvérisation hybrides De nombreux procédés utilisent des brûleurs à combustible liquide pour répondre à leur besoin énergétique. Les combustibles liquides tels que les fiouls lourds ou les résidus pétroliers de raffinage sont appréciés par les industriels pour leur coût relativement faible par rapport à des combustibles gazeux, ceci malgré le fait que les combustibles gazeux sont plus aisés à brûler. En effet, la combustion d'un combustible liquide requière d'abord sa pulvérisation en fines gouttes qui vont s'évaporer et ensuite brûler avec un oxydant. L'étape de pulvérisation est primordiale car la qualité et les propriétés du jet pulvérisé, (taille de goutte, angle, longueur de pénétration ou de rupture) vont contrôler les propriétés de la flamme résultante. Le jet pulvérisé est désigné ci-après par le terme technique courant « spray ». La pulvérisation du liquide en spray a aussi un coût énergétique non négligeable. L'efficacité de la pulvérisation intervient donc dans le rendement énergétique global d'une installation thermique faisant appel à la combustion d'un liquide combustible. La majorité des pulvérisateurs de fioul fonctionne à la pulvérisation assistée. Dans ce cas, la pulvérisation du fioul en gouttes est produite par l'action d'un gaz, dit gaz de pulvérisation. Ce gaz de pulvérisation peut par exemple être de l'air, de la vapeur ou de l'oxygène. Les pulvérisateurs assistés produisent une pulvérisation fine mais nécessitent une grande consommation de gaz de pulvérisation pouvant atteindre jusqu'à 700g de gaz de pulvérisation par kg de fioul, typiquement de 300 à 700 g de gaz par kg de fioul. Dans le cas d'un gaz de pulvérisation, tel que la vapeur ou l'air, qui est totalement ou majoritairement inerte au niveau de la combustion, le rendement énergétique du four est réduit puisque ce gaz de pulvérisation va capter une partie de l'énergie libérée par la combustion. Da n s le cas de la pulvérisation assistée à l'air, un inconvénient supplémentaire est une production de NOX additionnelle, spécialement l'oxydant de 30 combustion est riche en oxygène.

Dans le cas de la pulvérisation assistée à la vapeur, un inconvénient supplémentaire est une consommation de vapeur significatif et donc un coût important. Dans le cas d'une pulvérisation assistée à l'oxygène, le rendement énergétique du four n'est pas affecté, mais la flamme a tendance à s'accrocher sur la nappe liquide de fioul au nez de l'injecteur et à causer des problèmes de cokéfaction au nez de l'injecteur et de bouchage. Il est également connu d'utiliser un pulvérisateur de fioul purement mécanique. Le principe de fonctionnement de la pulvérisation mécanique consiste à injecter le fioul à une pression suffisamment importante pour casser le jet liquide en gouttes grâce aux instabilités et aux gradients de vitesses créés entre le fioul et l'environnement dans lequel il est injecté. Le principal inconvénient de la pulvérisation mécanique est la faible flexibilité de l'injecteur (en termes de gamme de fonctionnement ou « turndown ratio » faible). En effet, ce principe de fonctionnement de la pulvérisation mécanique lie (i) la pression, (ii) le débit de combustible passant dans l'injecteur ainsi que (iii) la qualité de pulvérisation : plus la pression est faible, plus les gouttes obtenues sont grosses et la qualité de pulvérisation faible. La taille des gouttes est caractérisée par le diamètre moyen de Sauter ou DMS (en anglais : « Sauter Mean Diameter » ou « SMD »). Ce diamètre moyen représente le diamètre d'une goutte ayant le même rapport volume/surface que le spray entier. L'impact de la pression sur le DMS dans le cas d'une pulvérisation mécanique est illustré dans l'article "Influence of geometric features on the performance of pressure-swirl atomizers" de Chen, S. K., Lefebvre, A. H. and Rollbuhler, J. publié dans le Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, October 1990, Vol. 112, pp. 579-584. Une figure dans cet article montre l'évolution du DMS en fonction de la pression des pulvérisateurs mécaniques connus du type Simplex. Il est constaté que la performance d'un pulvérisateur mécanique ne s'adapte pas ou peu aux variations de pression et donc au débit de combustible. Une diminution de la pression entraîne une augmentation du DMS. Cette dégradation de la qualité de la pulvérisation mécanique promeut l'apparition de problèmes d'instabilités de combustion ou de gouttes imbrûlées réduisant ainsi l'efficacité du brûleur et favorisant la formation d'émissions polluantes. Par conséquent, la pulvérisation mécanique nécessite pour chaque modification significative de la puissance de fonctionnement du brûleur, un changement de l'injecteur. Il est aussi montré dans cet article que, dans le cas d'une pulvérisation mécanique, le DMS diminue très significativement avec l'augmentation de la pression d'injection jusqu'à un seuil (d'environ 12 bar dans le cas illustré). Au-delà de ce seuil de pression, le gain en finesse de pulvérisation est significativement plus faible par rapport à l'augmentation de pression requise. De plus, les pulvérisateurs mécaniques sont très sensibles à la viscosité du combustible. Dans le cas de combustible très visqueux, le spray est constitué de grosses gouttes pouvant conduire à la dégradation des performances du brûleur. Par ailleurs, l'utilisation de pulvérisateurs mécaniques dans des oxy-brûleurs entraîne souvent des problèmes de cokéfaction au nez du pulvérisateur et de bouchage. En effet, les pulvérisateurs mécaniques forment une nappe de fioul liquide très développée dont les vitesses sont plus faibles que celles des gaz de pulvérisation des pulvérisateurs assistés. Ainsi, étant donné la forte réactivité de l'oxygène à concentration élevée, l'oxy-flamme a tendance à s'accrocher sur la nappe liquide de fioul au nez du pulvérisateur mécanique et de cokéfier le fioul jusqu'au bouchage et voire jusqu'à la dégradation du pulvérisateur. Enfin, les pulvérisateurs mécaniques sont souvent constitués d'un empilement de pastilles susceptible de générer des fuites de liquide combustible au niveau du bloc brûleur dégradant ainsi la combustion et le brûleur, surtout dans le cas de l'oxy-combustion. La présente invention a pour but de permettre une pulvérisation à haute efficacité. La présente invention a également pour but de proposer un procédé et un dispositif de pulvérisation aptes à être utilisés de manière efficace et fiable pour la pulvérisation et la combustion d'un liquide combustible et remédiant au moins partiellement aux problèmes des procédés et dispositifs connus décrits ci-dessus.

La présente invention concerne en particulier un procédé hybride de pulvérisation, c'est-à-dire un procédé de pulvérisation mécanique et assisté. Le procédé comprend les étapes suivantes : a. fourniture d'un jet de liquide combustible qui s'écoule selon une direction d'écoulement X-X, b. transformation du jet de liquide combustible en une nappe turbulente, ladite nappe turbulente présentant un écoulement qui est rotationnel autour de la direction d'écoulement X-X susmentionnée, c. injection de la nappe turbulente dans une zone de pulvérisation, et d. injection dans cette zone de pulvérisation d'un jet de gaz de pulvérisation autour de la nappe turbulente de manière à ce que le jet de gaz de pulvérisation contacte la nappe turbulente et forme, avec le liquide combustible un spray dudit liquide combustible dans le gaz de pulvérisation.

Ainsi, le procédé hybride comporte une étape mécanique conduisant à la formation d'une nappe turbulente du liquide combustible (étape pouvant être qualifiée de pré-pulvérisation) et, après cette étape mécanique intervient une étape de pulvérisation assistée au moyen du jet de gaz de pulvérisation. Suivant une forme de réalisation, le jet de gaz de pulvérisation est injecté autour de la nappe turbulente de manière à ce que le jet de gaz de pulvérisation impacte la nappe turbulente selon un angle (>0°) de manière à créer le spray. Suivant une forme de réalisation préférée, le jet de gaz de pulvérisation est injecté autour de la nappe turbulente selon la direction d'écoulement X-X. Dans ce cas, la pulvérisation assistée de la nappe turbulente découle notamment d'un effet de cisaillement entre les deux phases. Le liquide combustible est avantageusement injecté sous une pression de 1 à 20 bar, de préférence sous une pression de 3 à 10 bar. Le rapport des densités de flux de quantité de mouvement entre le gaz de pulvérisation et le combustible liquide (noté J) est un paramètre important pour l'efficacité de la rupture de la nappe du liquide par le gaz de pulvérisation.

Comme expliqué plus en détail ci-après, le rapport J entre les densités de flux de quantité de mouvement du gaz de pulvérisation et du liquide combustible est un paramètre important pour l'efficacité de la pulvérisation hybride. Ce paramètre répond à la formule suivante : z J = PgUg pi U1z

Avec : pg= masse volumique du gaz de pulvérisation, p, = masse volumique du liquide combustible, Ug = vitesse d'injection du gaz de pulvérisation et 10 U, = vitesse d'injection du liquide combustible. De manière utile le paramètre J est compris entre 0,5 et 15,0 (0,5 < J < 15,0), de préférence entre 0,5 et 10,0 (0,5 < J < 10,0) et encore de préférence entre 0,5 et 5,0 (1,0 < J < 5,0). Le procédé hybride permet une pulvérisation et une combustion efficace

15 quand le liquide combustible et le gaz de pulvérisation sont injectés avec un rapport entre le débit massique de gaz de pulvérisation et le débit massique de liquide combustible entre 20/0 et 200/0, de préférence entre 50/0 et 150/0. La transformation du jet liquide en nappe turbulente est avantageusement réalisée à l'intérieur d'une chambre de giration qui s'étend selon la direction

20 d'écoulement X-X. La chambre de giration est munie d'une ouverture de sortie à travers laquelle la nappe turbulente quitte la chambre et est injectée dans la zone de pulvérisation. La transformation du jet liquide en nappe turbulente dans la chambre de giration est typiquement réalisée au moyen d'un élément ou d'un ensemble

25 d'éléments de mise en rotation. De tels éléments sont parfois désignés par le terme technique anglais « swirler ». Un exemple préféré d'un tel élément de mise en rotation est une pièce hélicoïdale positionnée à l'intérieur de la chambre de giration et définissant une hélice autour de la direction d'écoulement X-X.5 Le jet de gaz de pulvérisation peut être injecté autour de la nappe turbulente par une buse de gaz de pulvérisation qui entoure l'ouverture de sortie de la chambre de giration. Cette buse de gaz de pulvérisation est de préférence coaxiale avec l'ouverture de sortie de la chambre de giration. La buse de gaz de pulvérisation peut notamment présenter une ouverture d'injection située en substance dans un même plan perpendiculaire à la direction d'écoulement X-X que l'ouverture de sortie de la chambre de giration. L'ouverture de sortie de la chambre de giration peut également être en retrait (selon la direction d'écoulement X-X) par rapport à l'ouverture d'injection de la buse de gaz de pulvérisation. Dans ce cas, le retrait est généralement faible et ne dépasse, par exemple, pas le diamètre interne de l'ouverture d'injection de la buse de gaz de pulvérisation. La chambre de giration comporte avantageusement une section cylindrique autour de la direction d'écoulement X-X. Dans ce cas, l'élément de mise en rotation, tel que la pièce hélicoïdale, ou l'ensemble d'éléments de mise en rotation est de manière utile positionné à l'intérieur de cette section cylindrique. Pour une efficacité optimisée, la section cylindrique peut présenter une longueur L et un diamètre D tel que le rapport L/D est compris entre 1 et 4 et préférentiellement entre 2 et 3. La chambre de giration peut se prolonger par un convergent en aval de la section cylindrique. Ce convergent présente typiquement un angle a avec la direction d'écoulement X-X entre 30° et 90°, ou encore entre 45° et 75°. La chambre de giration peut également comporter, comme buse d'injection pour la nappe turbulente, un tube cylindrique aval s'étendant selon la direction d'écoulement X-X et définissant l'ouverture de sortie de la chambre de giration. Ce tube cylindrique présente de manière utile une longueur 1 et un diamètre interne d tel que le rapport I/d est compris entre 0,25 et 3,00 et préférentiellement entre 0,50 et 1,50. Quand la chambre de giration comporte une section cylindrique autour de la direction d'écoulement X-X et un tube cylindrique aval, tels que décrits ci-dessus, s'étendant selon la direction d'écoulement X-X, il est préférable que le rapport entre le diamètre D de la section cylindrique et le diamètre interne d du tube cylindrique aval soit compris entre 1 et 10, encore de préférence entre 2 et 5.

Selon le procédé hybride, la buse de gaz de pulvérisation est typiquement alimentée en gaz de pulvérisation par un passage de gaz, tandis qu'un canal de liquide combustible amène le jet liquide vers la chambre de giration. Dans ce cas, il est préféré que le passage de gaz entoure le canal de liquide combustible en amont de la chambre de giration, refroidissant ainsi le liquide combustible en amont de son injection sous forme de nappe turbulente. Le liquide combustible peut notamment être choisi parmi les déchets liquides combustibles, les combustibles liquides et les combustibles solides en suspension liquide (souvent désigné par le terme technique anglais « slurry »). Quand le liquide combustible est un déchet liquide ou un slurry et la transformation du jet liquide en nappe turbulente est réalisée dans une chambre de giration au moyen d'un élément de mise en rotation ou d'un ensemble d'éléments de mise en rotation, on veillera à ce que le liquide combustible ne contienne pas de particules d'une taille ou avec une concentration telles qu'elles risquent de gêner ou de bloquer le mécanisme de transformation. Par exemple, quand la transformation en nappe turbulente se réalise au moyen d'une pièce hélicoïdale, on veillera à ce que le liquide combustible ne soit pas susceptible de bloquer le chemin en forme d'hélice à parcourir par le liquide dans la chambre de giration. Quand le liquide combustible est un combustible liquide, il peut être choisi parmi les fiouls légers, les fiouls lourds et les résidus pétroliers. Le gaz de pulvérisation peut notamment être choisi parmi de la vapeur, de l'air, de l'air enrichi en oxygène, de l'oxygène, des fumées recyclées et du CO2. L'invention concerne également un procédé de combustion. Dans le procédé de combustion suivant l'invention, on pulvérise un liquide combustible par l'une des formes de réalisation du procédé hybride décrites ci-dessus et on brûle le liquide pulvérisé en forme de spray avec un oxydant. L'oxydant peut être en particulier de l'air, de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène. Au vue des propriétés spécifiques de l'oxy-combustion, l'invention est particulièrement intéressante quand l'oxydant est de l'oxygène ou de l'air enrichi ayant une teneur en oxygène d'au moins 80%vol et jusqu'à 100%vol. L'oxydant peut aussi avantageusement être un gaz contenant entre 21 %vol et 100%vol en oxygène et entre 20%vol et 0%vol azote, par exemple : un mélange d'oxygène et de CO2 ou un mélange d'oxygène avec des fumées recyclées. Quand le gaz de pulvérisation est un oxydant, ce gaz de pulvérisation peut constituer au moins une partie et jusqu'à la totalité de l'oxydant utilisé pour la combustion du liquide combustible. La présente invention couvre également l'utilisation d'un procédé de combustion suivant l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus pour le chauffage d'un foyer thermique, tel que, par exemple, pour le chauffage d'un foyer thermique d'une installation choisie parmi les fours de fusion, les fours de réchauffage, les fours de clinkérisation, etc. L'invention concerne également un pulvérisateur hybride, c'est-à-dire un pulvérisateur mécanique et assisté. Le pulvérisateur hybride définit un axe d'écoulement X-X et comprend un canal d'alimentation de liquide combustible. Le canal d'alimentation débouche dans une chambre de giration qui a une ouverture de sortie. Le canal et la chambre de giration s'étendent selon l'axe d'écoulement X-X. Ledit axe d'écoulement X-X correspond à la direction d'écoulement X-X des procédés suivant l'invention décrites ci-dessus.

Le pulvérisateur hybride comprend également un élément ou un ensemble d'éléments de mise en rotation positionné à l'intérieur de la chambre de giration, ledit élément ou ensemble d'éléments de mise en rotation étant apte à transformer un jet de liquide alimenté par le canal en une nappe turbulente de liquide dont l'écoulement est rotationnel autour de l'axe d'écoulement et dirigé vers l'ouverture de sortie de la chambre de giration. Le pulvérisateur hybride comprend aussi une buse de gaz de pulvérisation positionnée autour de l'ouverture de sortie de la chambre de giration. La buse de gaz de pulvérisation est positionnée de manière à pouvoir diriger un jet annulaire de gaz de pulvérisation autour de la nappe turbulente quand celle-ci quitte la chambre de giration par l'ouverture de sortie et ceci de manière à ce que le jet de gaz de pulvérisation contacte la nappe turbulente en aval de la buse.

Un exemple préféré d'un élément de mise en rotation est une pièce hélicoïdale positionnée dans la chambre de giration et définissant une hélice autour de l'axe d'écoulement X-X. La pièce hélicoïdale est apte à transformer un jet de liquide alimenté par le canal en une nappe turbulente de liquide dont l'écoulement est rotationnel autour de l'axe d'écoulement X-X et dirigé vers l'ouverture de sortie de la chambre de giration. La buse de gaz de pulvérisation est de préférence coaxiale avec l'ouverture de sortie de la chambre de giration. La buse de gaz de pulvérisation peut notamment présenter une ouverture d'injection située en substance dans un même plan perpendiculaire à l'axe d'écoulement X-X que l'ouverture de sortie de la chambre de giration. L'ouverture de sortie de la chambre de giration peut également être en retrait par rapport à l'ouverture d'injection de la buse de gaz de pulvérisation. Dans ce cas, le retrait est généralement faible et ne dépasse, par exemple, pas le diamètre interne de l'ouverture d'injection de la buse de gaz de pulvérisation. La buse de gaz de pulvérisation peut être conçue de manière à ce que le jet de gaz de pulvérisation impacte la nappe turbulente selon un angle (>0°). Suivant une forme de réalisation préférée, la buse de gaz de pulvérisation est conçue pour injecter le jet de gaz de pulvérisation autour de la nappe turbulente dans une direction parallèle à l'axe d'écoulement X-X, c'est-à-dire dans la direction d'écoulement X-X telle que définit dans la description du procédé hybride. Dans ce cas, la pulvérisation assistée de la nappe turbulente découle notamment d'un effet de cisaillement entre les deux phases. La chambre de giration comporte avantageusement une section cylindrique autour de l'axe d'écoulement X-X. Dans ce cas, l'élément de mise en rotation, tel que la pièce hélicoïdale, ou l'ensemble d'éléments de mise en rotation sont de manière utile positionnés à l'intérieur de cette section cylindrique. Pour une efficacité optimisée, la section cylindrique peut présenter une longueur L (selon l'axe d'écoulement X-X) et un diamètre D (perpendiculaire à l'axe d'écoulement X-X) tels que le rapport L/D t compris entre 1 et 4 et préférentiellement entre 2 et 3.

La chambre de giration peut se prolonger par un convergent en aval de la section cylindrique. Ce convergent présente typiquement un angle a avec l'axe direction d'écoulement X-X entre 30° et 90°, ou encore entre 45° et 75°. La chambre de giration peut également comporter, comme buse d'injection pour la nappe turbulente, un tube cylindrique aval parallèle à l'axe d'écoulement X-X, (c'est-à-dire : s'étendant selon la direction d'écoulement X-X) et définissant l'ouverture de sortie de la chambre de giration. Ce tube cylindrique présente de manière utile une longueur 1 (selon l'axe d'écoulement X-X) et un diamètre interne d (perpendiculaire à l'axe d'écoulement X-X) tels que le rapport I/d est compris entre 0,25 et 3,00 et préférentiellement entre 0,50 et 1,50. Quand la chambre de giration comporte une section cylindrique autour de l'axe d'écoulement X-X et un tube cylindrique aval parallèle à l'axe d'écoulement X-X, tels que décrits ci-dessus, il est préférable que le rapport entre le diamètre D de la section cylindrique et le diamètre interne d du tube cylindrique aval soit compris entre 1 et 10, encore de préférence entre 2 et 5. Le pulvérisateur hybride peut comprendre un passage de gaz apte à alimenter la buse de gaz de pulvérisation en gaz de pulvérisation et un canal de liquide combustible apte à amener un jet de liquide combustible vers la chambre de giration. Pour la raison indiquée ci-dessus, le passage de gaz entoure alors de préférence le canal de liquide combustible en amont de la chambre de giration. Le canal de liquide et le passage de gaz peuvent notamment s'étendre substantiellement selon l'axe/la direction d'écoulement X-X. La présente invention concerne également un brûleur pour la combustion d'un liquide combustible. Le brûleur suivant l'invention comporte un pulvérisateur hybride suivant l'une des formes de réalisation décrites ci-dessus et au moins un injecteur pour l'injection d'un oxydant de combustion. Dans certains cas, quand le gaz de pulvérisation est un oxydant, tel que par exemple de l'air ou en particulier de l'oxygène ou un gaz riche en oxygène, ce gaz de pulvérisation peut agir en tant qu'oxydant pour la combustion du liquide combustible et la buse de gaz de pulvérisation constitue alors de facto un injecteur du brûleur suivant l'invention pour l'injection d'un oxydant pour la combustion.

C'est-à-dire, le brûleur comporte alors un injecteur pour l'injection d'un oxydant de combustion qui correspond à la buse de gaz de pulvérisation. Le plus souvent, le brûleur suivant l'invention comporte au moins un injecteur pour l'injection d'un oxydant de combustion qui ne correspond pas à la buse de gaz de pulvérisation.

L'invention concerne également un foyer thermique comportant ou étant équipé d'au moins un brûleur selon l'invention suivant l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus, ainsi qu'un four comprenant un tel foyer, ce four pouvant notamment être choisi parmi les fours de fusion, les fours de réchauffage, les fours de clinkérisation, etc.

La présente invention concerne ainsi un procédé de pulvérisation et un pulvérisateur hybrides combinant de manière optimisée les deux principes de pulvérisation : pulvérisation mécanique et pulvérisation assistée. Elle permet de réaliser une pulvérisation fine à très bas débit de gaz de pulvérisation et avec une pression de liquide combustible moyenne et ainsi d'obtenir une meilleure efficacité énergétique que les pulvérisateurs assistés classiques. L'invention combine les deux principes de pulvérisation via deux parties : 1. une (pré-)pulvérisation mécanique amont de manière à créer une fine nappe turbulente de liquide combustible éjectée avec un écoulement rotationnel, par exemple, sous une pression minimum de 1 bar et maximale de 20 bar, préférentiellement entre 3 et 10 bar, et 2. une pulvérisation assistée aval au moyen d'un gaz de pulvérisation à grande vitesse venant pulvériser la nappe liquide de combustible, le gaz de pulvérisation pouvant être injecté en une quantité relativement faible par rapport à la pulvérisation purement assistée de l'état de l'art. L'écoulement du liquide combustible sous forme d'une fine nappe turbulente permet, grâce aux instabilités développées, de diviser en petites structures le 30 liquide et ainsi faciliter sa pulvérisation assistée par le gaz de pulvérisation. 25 L'invention permet de fonctionner à des rapports massiques (débit massique gaz de pulvérisation sur débit massique de combustible liquide) compris entre 20/0 et 200/0, préférentiellement entre 5 et 100/0 et d'obtenir, par exemple, quand le liquide combustible est du fioul lourd N°2 à 110°C et le gaz de pulvérisation est de l'air à température ambiante : - une distribution de tailles de goutte ayant un DMS compris entre 40pm et 120pm, voire entre 60pm et 80pm, - un angle de spray supérieur à 20° et avantageusement inférieur à 40°, et, - une flamme longue et large à haute efficacité énergétique., Un tel pulvérisateur hybride, semi-assisté et semi-mécanique, permet de diminuer la consommation de gaz de pulvérisation en augmentant la pression d'injection du liquide combustible, tout en conservant la flexibilité des pulvérisateurs assistés connus (large gamme de fonctionnement, haute qualité de pulvérisation). De plus, le pulvérisateur hybride peut présenter une géométrie simple et robuste et permet d'éviter les problèmes de fuites. L'utilisation de vitesses élevées de gaz de pulvérisation permet aussi de réaliser un refroidissement du pulvérisateur et d'éviter l'accrochage de la racine de flamme sur le pulvérisateur, limitant, voire éradiquant, ainsi les risques de cokéfaction et de bouchage rencontrés avec les pulvérisateurs mécaniques purs connus. De plus, l'invention combine l'effet positif de la pulvérisation mécanique avec celui de la pulvérisation assistée tout en évitant que ces deux effets s'annulent. En effet, avec l'invention, il n'y a aucun intérêt d'excessivement augmenter la pression d'injection du combustible liquide afin de réaliser une injection à très grande vitesse, car dans ce cas la pulvérisation serait dégradée du fait que le gradient de vitesse entre le liquide combustible et le gaz de pulvérisation devient trop faible pour casser les structures de la nappe liquide de fioul. L'invention vise une pulvérisation à une pression d'injection du liquide combustible optimale couplée à un faible pourcentage de gaz de pulvérisation.30 Exemple L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lumière de l'exemple ci-après, référence étant faite aux figures 1 à 6, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique en section longitudinale selon la direction d'écoulement de la partie aval d'un pulvérisateur hybride suivant l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique en section longitudinale de la partie de (pré-)pulvérisation mécanique du pulvérisateur selon la figure 1, - la figure 3 est une représentation schématique en section longitudinale de la chambre de giration du pulvérisateur selon la figure 1, - la figure 4 est une représentation schématique de deux ailettes formant, après assemblage, une pièce hélicoïdale de mise en rotation, - la figure 5 est un graphique montrant le DMS en fonction du ratio gaz de pulvérisation (air)/liquide combustible (fioul) d'un pulvérisateur hybride et d'un pulvérisateur assisté connu, - la figure 6 est un graphique montrant le paramètre DV90 en fonction du ratio gaz de pulvérisation (air)/liquide combustible (fioul) d'un pulvérisateur hybride et d'un pulvérisateur assisté connu, DV90 étant la valeur qui correspond au diamètre de goutte telle que 900/0 en volume du spray consiste en des gouttes ayant un diamètre inférieur à cette valeur. Le pulvérisateur suivant l'invention comporte deux parties : (i) un pulvérisateur mécanique 100 et (ii) une pièce périphérique 200 comportant une buse d'injection 220 pour l'injection du gaz de pulvérisation dans la zone de pulvérisation 10. Le pulvérisateur hybride de combustible liquide, et plus particulièrement son pulvérisateur mécanique 100 comporte un canal central 110 pour le combustible liquide et une chambre de giration 130. Le pulvérisateur mécanique 100 comporte également une pièce hélicoïdale 120 positionnée au centre d'une section cylindrique 131 de la chambre de giration 130, à travers laquelle le liquide combustible prend la forme d'une nappe liquide fine turbulente en rotation autour de l'axe X-X du pulvérisateur qui correspond à la direction d'écoulement. Un 13 écoulement turbulent du liquide combustible permet de créer des instabilités et donc de casser la nappe liquide ainsi formée en structure de plus petite taille au moyen du gaz de pulvérisation. En aval de la section cylindrique 131, la chambre de giration 130 comporte un convergent 132 et un tube cylindrique droit 140, correspondant à la sortie de la nappe liquide turbulente de la chambre de giration 130 et définissant l'ouverture de sortie 141 de la chambre de giration 130. Dans un mode de réalisation préférée, pour ne pas reformer un jet plein, le rapport longueur f sur diamètre d du tube cylindrique 140 est compris entre 0,25 et 3,00 et préférentiellement entre 0,50 et 1,50. Le rapport longueur L sur diamètre D de la section cylindrique 131 de la chambre de giration 130 du pulvérisateur mécanique 100 est avantageusement compris entre 1 et 4 et préférentiellement compris entre 2 et 3. Le rapport D/d entre le diamètre interne D de la section cylindrique 131 et le diamètre interne d du tube cylindrique 140 est de préférence compris entre 1 et 10 et préférentiellement compris entre 2 et 5. L'angle a du convergent 132, qui relie la section cylindrique 131 à l'entrée du tube de sortie 140, est compris entre 30° et 90°, ou encore entre 45° et 75°, ledit angle a étant l'angle entre la paroi du convergent 132 et l'axe X-X. Comme illustré plus clairement dans la figure 4, la pièce hélicoïdale 120 peut notamment être constituée de deux ailettes (montrées respectivement dans les volets a et b de la figure 4) en forme d'hélice, chaque ailette étant constituée de deux pales. Dans la pièce hélicoïdale assemblée, les deux pales sont tournées de 90° l'une par rapport à l'autre. La pièce périphérique 200 pour la pulvérisation assistée du liquide comporte un manteau 230 périphérique. La pièce périphérique 200 comporte également la buse 220 pour l'injection du gaz de pulvérisation dans la zone de pulvérisation 10 à travers l'ouverture d'injection 221. Le manteau périphérique 230 forme avec la surface extérieure du pulvérisateur mécanique 100 un passage coaxial 210 pour le gaz de pulvérisation autour dudit injecteur mécanique 100, ledit passage 210 entourant ainsi également le canal central 110 et la chambre de giration 130.

La pulvérisation assistée du liquide combustible via le gaz de pulvérisation se produit à la sortie du pulvérisateur mécanique 100 dans la zone de pulvérisation 10. L'injection du gaz de pulvérisation se fait par la buse 220 dont la sortie 221 est coaxiale et coïncidente à la sortie 141 du pulvérisateur mécanique 100. Le rapport des densités de flux de quantité de mouvement entre le gaz de pulvérisation et le combustible liquide (noté J) est un paramètre important pour l'efficacité de la rupture de la nappe du liquide par le gaz de pulvérisation. z J- PgUg Uz Pi i avec p les masses volumiques (exprimées en en kg/m3) et U les vitesses d'injection (exprimées en m/s) pour le gaz de pulvérisation (indice g) et pour le combustible liquide (indice 1).

Plus J est élevé, plus la pulvérisation par le gaz de pulvérisation est fine, c'est-à-dire que les gouttes sont petites. Cependant, la quantité de gaz de pulvérisation augmente aussi (pour une section de passage fixe). Pour que les pulvérisateurs purement assistés classiques aient une pulvérisation suffisamment fine, leur rapport des impulsions J est compris entre 30 et 300. Le pulvérisateur hybride suivant l'invention présenté ici produit une pulvérisation de finesse équivalente pour des valeurs de J comprises entre 1 et 10, c'est-à-dire pour un débit de gaz de pulvérisation nettement plus faible. La pression d'injection du combustible liquide est au moins 3, voire 4 bar. La pression maximale est de 12 bar. Au-delà de ce seuil maximal, les vitesses d'injection du combustible liquide et du gaz de pulvérisation sont trop proches, diminuant ainsi le taux de cisaillement entre les deux phases et dégradant ainsi l'efficacité de la pulvérisation hybride. Le rapport entre le débit massique de gaz de pulvérisation et le débit massique de combustible liquide (air/fioul ratio) est entre 2 et 200/0 et préférentiellement entre 5 et 100/0. L'angle du spray formé avec le pulvérisateur hybride suivant l'invention peut notamment être supérieur à 20° (et inférieur à 90°), ce qui permet un bon transfert thermique à la charge. Pour garder une flamme longue, y compris dans le cas d'une oxy-combustion, l'angle du spray est préférentiellement entre 20° et 40° pour garder une flamme longue.

Le pulvérisateur hybride suivant l'invention permet d'obtenir une taille de goutte, dans la zone pleinement pulvérisée (à plus de 50 Dg, Dg étant le diamètre de l'écoulement gazeux), entre 120 pm et 40 pm pour un air/fioul (A/F) ratio entre 5 et 300/0 au centre du spray, comme illustré dans la figure 5. Pour comparaison, un pulvérisateur assisté classique a une taille de goutte dans la zone pleinement pulvérisée entre 120pm et 40pm pour un air/fioul ratio entre 20 et 500/0 (voir figure 5). Comme illustré dans la figure 6, un tel pulvérisateur hybride a un DV90 dans la zone pleinement pulvérisée (à plus de 50 Dg) entre 500pm et 200pm pour un air/fioul (A/F) ratio entre 5 et 300/0 au centre du spray. Pour un pulvérisateur assisté classique, le DV90 se situe entre 450pm et 200pm pour un air/fioul ratio entre 20 et 500/0 (voir figure 6).

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de pulvérisation mécanique et assisté, ledit procédé comprenant les étapes de : a. fourniture d'un jet de liquide combustible s'écoulant selon une direction d'écoulement X-X, b. transformation du jet de liquide combustible en une nappe turbulente dont l'écoulement est rotationnel autour de la direction d'écoulement X-X, c. injection de la nappe turbulente dans une zone de pulvérisation, d. injection dans la zone de pulvérisation d'un jet de gaz de pulvérisation autour de la nappe turbulente de manière à ce que le jet de gaz de pulvérisation contacte la nappe turbulente et forme, avec le liquide combustible un spray dudit liquide dans le gaz de pulvérisation..
2. Procédé de pulvérisation suivant la revendication 1, dans lequel le jet de gaz de pulvérisation est injecté autour de la nappe turbulente selon la direction 15 d'écoulement X-X.
3. Procédé de pulvérisation suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel le liquide combustible est injecté sous une pression de 1 à 20 bar, de préférence de 3 à 10 bar.
4. Procédé de pulvérisation suivant l'une quelconque des revendications 20 précédentes, dans lequel 0,5 < J < 15,0 ; de préférence 0,5 < J < 10,0 et encore de préférence 0,5 < J < 5,0 ; avec : pi U1Z pg= masse volumique du gaz de pulvérisation, 25 p, = masse volumique du liquide combustible, Ug = vitesse d'injection du gaz de pulvérisation et U, = vitesse d'injection du liquide combustible. pgUgz J= ,
5. Procédé de pulvérisation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liquide combustible et le gaz de pulvérisation sont injectés avec un rapport entre le débit massique de gaz de pulvérisation et le débit massique de liquide combustible entre 20/0 et 200/0, de préférence entre 50/0 et 150/0.
6. Procédé de pulvérisation suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel la transformation du jet liquide en nappe turbulente est réalisée à l'intérieur d'une chambre de giration (130) s'étendant selon la direction d'écoulement X-X, ladite chambre de giration (130) ayant une ouverture de sortie (141) à travers laquelle la nappe turbulente est injectée dans la zone de pulvérisation (10).
7. Procédé de pulvérisation suivant la revendication 6, dans lequel la transformation du jet liquide en nappe turbulente est réalisée au moyen d'un élément (120) ou un ensemble d'éléments de mise en rotation positionné à l'intérieur de la chambre de giration (130).
8. Procédé de pulvérisation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liquide combustible est choisi parmi les déchets liquides combustibles, les combustibles liquides et les combustibles solides en suspension liquide et le gaz de pulvérisation est choisi parmi de la vapeur, de l'air, de l'air enrichi en oxygène, de l'oxygène, des fumées recyclées et du CO2.
9. Procédé de combustion dans lequel : a. on pulvérise un liquide combustible par un procédé de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications précédentes et b. on brûle le liquide pulvérisé avec un oxydant.
10. Procédé de combustion suivant la revendication 9, dans lequel l'oxydant est choisi parmi de l'air, de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène, de préférence de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène.
11. Procédé de combustion suivant la revendication 9, dans lequel l'oxydant est un gaz ayant une teneur en oxygène d'au moins 80%vol et jusqu'à 100%vol et/ou un gaz contenant entre 21 %vol et 100%vol en oxygène et entre 20%vol et 0%vol en azote.
12. Utilisation d'un procédé de combustion suivant l'une des revendications 9 à 11 pour le chauffage d'un foyer thermique.
13. Pulvérisateur mécanique et assisté, ledit pulvérisateur définissant un axe d'écoulement X-X et comprenant : a. un canal d'alimentation de liquide combustible (110), ledit canal (110) débouchant dans une chambre de giration (130) ayant une ouverture de sortie (141), ledit canal (110) et ladite chambre de giration (130) s'étendant selon l'axe d'écoulement X-X, b. un élément (120) ou un ensemble d'éléments de mise en rotation positionné à l'intérieur de la chambre de giration (130), ledit élément (120) ou ensemble d'éléments de mise en rotation étant apte à transformer un jet de liquide alimenté par le canal (110) en une nappe turbulente de liquide dont l'écoulement est rotationnel autour de l'axe d'écoulement X-X et dirigé vers l'ouverture de sortie (141) de la chambre de giration (130), c. une buse de gaz de pulvérisation (220) positionnée autour de l'ouverture de sortie (141) de la chambre de giration (130), ladite buse de gaz (220) étant positionnée de manière à pouvoir diriger un jet annulaire de gaz de pulvérisation autour de la nappe turbulente quand celle-ci quitte la chambre de giration (130) par l'ouverture de sortie (141), de manière à ce que le jet de gaz de pulvérisation contacte la nappe turbulente en aval de la buse de gaz de pulvérisation (220).
14. Pulvérisateur mécanique et assisté suivant la revendication 13, comportant une pièce hélicoïdale (120) positionné à l'intérieur de la chambre de giration (130) et définissant une hélice autour de l'axe d'écoulement X-X, ladite pièce hélicoïdale (130) étant apte à transformer un jet de liquide alimenté par le canal en une nappe turbulente de liquide dont l'écoulement est rotationnel autour de l'axe d'écoulement X-X et dirigé vers l'ouverture de sortie (141) de la chambre de giration (130).
15. Brûleur pour la combustion d'un liquide combustible, ledit brûleur comportant un pulvérisateur suivant l'une des revendications 13 et 14 et au moins un injecteur pour l'injection d'un oxydant de combustion.
16. Four comportant un foyer thermique équipé d'au moins un brûleur suivant la revendication 15.