FR2984995A1

FR2984995A1 - Dispositif et procede de pulverisation de liquide combustible

Info

Publication number: FR2984995A1
Application number: FR1162173A
Authority: FR
Inventors: Xavier Paubel; Remi Tsiava; Dorothee Chaillou; 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: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-28
Also published as: WO2013093289A2; EP2795191A2; US20140329187A1; WO2013093289A3; CA2857562A1

Abstract

Dispositifs et procédés pour la pulvérisation assistée interne d'un liquide combustible, dans lequel le liquide combustible est injecté dans une zone de combustion (100) à travers un passage (30) qui se termine en une ouverture de sortie (50) et dans lequel le gaz de pulvérisation est injecté à travers une multitude de canalisations (20), le passage (30) comprenant une partie étroite (31) et une chambre (10) de pré-pulvérisation plus large mais relativement court en aval de la partie étroite (31), les canalisations (20) comprenant des sections terminales (21) de petits diamètres débouchant de manière tangentielle dans la partie étroite (31) de du passage (30) à proximité de l'ouverture d'entrée de la chambre (10) de manière à ce que le gaz de pulvérisation impacte le liquide combustible et confère au liquide combustible un mouvement hélicoïdal.

Description

Dispositif et procédé de pulvérisation de liquide combustible La présente invention concerne des dispositifs et des procédés pour la pulvérisation assistée interne d'un liquide combustible.

La combustion efficace d'un liquide dans un foyer thermique requiert sa pulvérisation en fines gouttes qui s'évaporent sous l'effet de la chaleur qui règne dans le foyer. Le liquide évaporé brûle ensuite avec un oxydant à l'intérieur du foyer. Dans le cas de la pulvérisation assistée, la pulvérisation est réalisée par le déchirement d'un jet du liquide par un écoulement gazeux à grande vitesse de manière à former un jet pulvérisé (en anglais : « spray ») de gouttes du liquide dispersées dans la phase gazeuse. L'étape de pulvérisation est primordiale car les propriétés de la flamme obtenue en sortie du dispositif de pulvérisation dépendent fortement de la qualité et des propriétés du jet pulvérisé formé, comme la taille moyenne des gouttes, la distribution de taille des gouttes, la longueur de pénétration du jet pulvérisé, l'angle du jet pulvérisé et sa vitesse d'éjection. Ainsi, par exemple, l'émission de particules imbrûlées dépend fortement de la taille des gouttes. Des imbrûlés peuvent être contenus dans des suies formées par la combustion incomplète des fractions légères du liquide combustible dans une zone localement chaude et en manque d'oxygène. Des imbrûlés peuvent également être présents sous forme de particules solides carbonées creuses de gros diamètres, appelées cénosphères, qui résultent de la combustion incomplète des plus grosses gouttes.

Dans ce qui suit, les termes « léger » et « lourd » sont utilisés en rapport avec le liquide combustible dans le sens de combustible léger et combustible lourd selon la terminologie courante dans le domaine de la combustion. Les imbrûlés, une fois sortis des zones chaudes de la flamme, limitent le rendement énergétique du foyer et constituent une partie importante des polluants émis par l'installation et dont la nature et la quantité sont réglementées de plus en plus sévèrement.

Sans précautions particulières, le problème des imbrûlés est accru dans le cas de l'oxy-combustion où le volume de flamme est normalement plus faible. De plus, dans les foyers à parois froides, comme les chaudières de production de vapeur, les grosses gouttes risquent de ne pas brûler suffisamment vite pour être complètement consumées avant d'atteindre les parois froides, telles que les tubes de vapeur. Le liquide, au contact des parois froides, donne naissance à des résidus carbonés sur ces parois froides par effet de trempe. Cela a pour conséquence une réduction de rendement et un endommagement prématuré de l'installation. La formation de résidus carbonés sur les parois froides est d'autant plus importante que le liquide combustible est lourd, que les parois sont froides et que le foyer est confiné. Afin de réaliser une combustion aussi complète que possible, de réduire la formation d'imbrûlés, tels que les suies et les cénosphères, et de limiter la dégradation des foyers à parois froides, il est nécessaire de limiter la taille des plus grosses gouttes ainsi que la taille moyenne des gouttes générées par les moyens de pulvérisation. Sans mesures particulières, dans le cadre d'une oxy-combustion, les taux de dégagement de chaleur de la racine de flamme sont extrêmement élevés avec des températures pouvant atteindre des niveaux de l'ordre de 3.000°C. Ceci peut entraîner la surchauffe des brûleurs et notamment des dispositifs de pulvérisation, avec comme conséquence la cokéfaction du liquide combustible, pouvant entraîner le bouchage et la dégradation des performances et de l'intégrité mécanique des brûleurs et dispositifs de pulvérisation ainsi que du foyer en cas de déviation ou d'extinction de la flamme. On fait la distinction entre la pulvérisation assistée interne et la pulvérisation assistée externe. Les pulvérisateurs assistés externes de type coaxiaux pour combustible liquide, comme ceux décrits dans la littérature (Technique de l'ingénieur « équipement de combustion pour combustible liquide et gazeux », « Atomization & Sprays » - A.H Lefebvre), sont des systèmes robustes et de haute qualité de pulvérisation. Ces injecteurs produisent des jets pulvérisés très fins grâce à l'utilisation d'une grande quantité de gaz de pulvérisation à grande vitesse. Typiquement, les rapports massiques de débit de gaz de pulvérisation sur le débit de combustible liquide (A/F) mis en jeu sont de l'ordre de 20 à 40% et jusqu'à 70% dans le cas décrit dans EP-A-0687858. La grande quantité de gaz de pulvérisation circulant autour de l'injection du combustible liquide permet de plus une isolation et un tampon thermique limitant l'élévation de la température du combustible liquide et sa cokéfaction sur ou à l'intérieur du pulvérisateur. La contrepartie est la dégradation de l'efficacité énergétique due à l'introduction dans le foyer d'une quantité importante de gaz généralement totalement ou majoritairement inerte (au niveau de la combustion) par le gaz de pulvérisation. Par exemple, il est connu, dans le cas d'une chaudière, d'utiliser une partie significative de la vapeur produite pour la pulvérisation du combustible liquide, ce qui entraîne une réduction du rendement globale. Des systèmes performants de pulvérisation assistée interne sont décrits dans FR-A- 9509199 et FR-A-9907030. Ceux-ci sont constitués d'un empilement de plusieurs pastilles successives : - buse primaire et secondaire dans le cas de FR-A-9509199. - atomiseur, buse de pulvérisation et manchon dans le cas de FR- A-9907030. Ces technologies mettent en jeu une pulvérisation du liquide assistée par un gaz sous pression à l'intérieur du dispositif de pulvérisation et produisent des jets pulvérisés constitués de très fines gouttes. Le principal inconvénient de ces technologies de pulvérisation assistée interne réside dans leur forte sensibilité au bouchage par cokéfaction du combustible liquide et les détériorations qui en résultent, notamment dans le cas d'oxy-combustion. En effet, lorsque le système d'empilement de pastilles est soumis à un flux de chaleur important généré par la flamme issue du jet pulvérisé, les pièces constitutives du pulvérisateur se dilatent de manière différente et n'assurent plus l'étanchéité métal-métal. Les fuites de combustible liquide ainsi générées vers le circuit de gaz de pulvérisation et vers l'extérieur du système de pulvérisation vont progressivement dégrader l'efficacité de la pulvérisation ainsi que les performances du brûleur (augmentation des émissions polluantes, baisse du rendement énergétique) jusqu'à la dégradation complète de la pulvérisation par cokéfaction du combustible liquide sous l'action de la chaleur de la flamme. Ces phénomènes sont en règle générale d'autant plus importants que la combustion est enrichie à l'oxygène en raison de la température plus élevée de la flamme.

Les dispositifs de pulvérisation assistée interne de type Y sont généralement constitués d'une seule pastille. Ils sont ainsi plus robustes vis-à-vis des flux de chaleur. Largement décrits dans la littérature (Technique de l'ingénieur « équipement de combustion pour combustible liquide et gazeux », « Atomization & Sprays » - A.H Lefebvre), ou dans EP-A-0676244, leur inconvénient principal reste leur performance limitée. En effet, ces injecteurs produisent des jets pulvérisés caractérisés par une taille moyenne des gouttes plus élevée et une plus grande proportion de grosses gouttes, qui seront responsables de formation d'imbrûlés et de limitation de rendement énergétique. Le concept de ces pulvérisateurs est basé sur un canal annulaire guidant le combustible liquide dans le canal central de gaz de pulvérisation afin de créer de fines gouttes. La résistance thermique de ces concepts est relativement limitée, notamment dans le cas de combustion à l'oxygène, puisqu'à l'intérieur du pulvérisateur avant le mélange avec le gaz de pulvérisation, le combustible liquide est soumis aux flux de chaleur de la flamme sans protection thermique par le circuit de gaz de pulvérisation, comme c'est le cas pour les pulvérisateurs assistés externes. Un pulvérisateur assisté interne particulier est décrit dans EP-A-263250. Ce pulvérisateur pour brûleur de post-mélange comprend : (1) un passage de combustible liquide ayant un premier tronçon de section transversale relativement petite, un deuxième tronçon de section transversale augmentant en forme de cône et un troisième tronçon de section transversale relativement grande, ce troisième tronçon communiquant avec une zone de four et (2) trois à sept passages de fluide gazeux pulvérisateur, lesdits passages ayant une extrémité d'injection en communication suivant un angle de 45° à 75° avec le passage de combustible. Les passages de fluide pulvérisateur se terminent près de l'entrée du deuxième tronçon en forme de cône de manière à diriger le fluide pulvérisateur dans ce deuxième tronçon à proximité du début du cône. Ce pulvérisateur peut être constitué d'un monobloc. Par un « monobloc » on comprend une pièce intégralement formée, contrairement à une pièce assemblée.

Le pulvérisateur selon EP-A-0263250 permet ainsi d'éviter les problèmes liés à des pulvérisateurs comportant plusieurs pastilles. La performance du pulvérisateur selon EP-A-263250 reste toutefois limitée avec, comme c'est le cas pour les pulvérisateurs de type Y, des jets pulvérisés caractérisés par des tailles moyennes de gouttes relativement grosses et une quantité importante de grosses gouttes. La présente invention a pour but de permettre la pulvérisation d'un liquide combustible par pulvérisation interne assistée avec une quantité réduite de gaz de pulvérisation, avec obtention d'un jet pulvérisé de bonne qualité, c'est-à-dire : (a) dont les gouttes ont une taille moyenne (souvent exprimé en « Diamètre moyen de Sauter » ou « DMS », en anglais : « Sauter Mean Diameter » ou « SMD ») suffisamment basse et (b) en comportant un faible pourcentage de grosses gouttes. La présente invention concerne notamment un injecteur pour l'injection d'un jet pulvérisé d'un liquide combustible. Le jet pulvérisé est plus particulièrement injecté dans une zone de combustion à travers une ouverture de sortie de l'injecteur, la zone de combustion se situant en aval de cette ouverture de sortie. L'injecteur comprend un bloc de pulvérisation assistée interne. Le bloc de pulvérisation comprend une face d'injection aval qui comporte l'ouverture de sortie. Le bloc comporte également un passage de liquide combustible et deux à six canalisations de gaz de pulvérisation. Le passage de liquide combustible traverse le bloc et se termine par l'ouverture de sortie. Le passage comprend une partie étroite et une chambre de pré- pulvérisation. Le passage présente un axe longitudinal de symétrie et une section transversale variable en substance circulaire, de préférence circulaire. Une section transversale variable en substance circulaire est une section en substance circulaire de diamètre variable. L'axe longitudinal du passage définit une direction d'écoulement Df du liquide combustible. Une section transversale circulaire ou en substance circulaire se distingue notamment d'une section transversale annulaire en ce que, dans le cas d'une section circulaire ou en substance, toute la superficie du cercle défini par la section transversale est disponible pour l'écoulement d'un fluide à travers le passage dans la direction Df. La partie étroite du passage a un diamètre Of.

La chambre de pré-pulvérisation est dans la prolongation et en aval de la partie étroite. Elle est de diamètre supérieur au diamètre Of de la partie étroite. Cette chambre présente une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie à l'opposé de l'ouverture d'entrée. La chambre présente une longueur Lc dans la direction Df entre son ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie et un diamètre moyen Oc. La partie étroite du passage débouche dans la chambre par l'ouverture d'entrée. Le passage se termine par l'ouverture de sortie de la chambre. Les canalisations de gaz de pulvérisation comprennent des sections terminales de diamètre (I)g, avec (1)g < Of. Chaque section terminale débouche dans la partie étroite du passage à proximité de l'ouverture d'entrée de la chambre. Chaque section terminale définit une direction d'écoulement Dg du gaz de pulvérisation. Les sections terminales débouchent dans la partie étroite de manière à ce que les directions d'écoulement Dg du gaz de pulvérisation forment des angles ûgf entre 30° et 90° avec la direction d'écoulement Df du liquide combustible. De plus, les sections terminales débouchent dans la partie étroite de manière tangentielle à la partie étroite. De cette manière le gaz de pulvérisation impacte le liquide combustible et confère audit liquide combustible un mouvement hélicoïdal. Il est à noter que, quand une canalisation débouche dans une autre canalisation « de manière tangentielle », les axes médians des deux canalisations ne se coupent pas. Ainsi, dans le cas présent et afin de conférer au liquide combustible un mouvement hélicoïdal, les sections terminales des canalisations de gaz de pulvérisation sont orientées par rapport à la partie étroite du passage de liquide combustible, de manière à ce que les axes médians des sections terminales ne coupent pas l'axe médian de la partie étroite. Selon un autre aspect de l'invention, la longueur Lc de la chambre de pré-pulvérisation est inférieure ou égale au diamètre moyen Oc de cette chambre.

Le diamètre moyen Oc de la chambre correspond à la valeur moyenne du diamètre de la chambre sur toute la longueur Lc de la chambre. Ainsi, quand la chambre de pré-pulvérisation est entièrement cylindrique, le diamètre moyen Oc de la chambre correspond au diamètre du cylindre. Quand la chambre de pré-pulvérisation est un cône tronqué évasant entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie, le diamètre moyen Oc de la chambre sera le moyen du diamètre de l'ouverture d'entrée et du diamètre de l'ouverture de sortie. Il est à noter que, quand le diamètre de la chambre de pré-pulvérisation n'est pas constant, il est préférable que le diamètre augmente vers l'ouverture de sortie, de manière à éviter une coalescence de gouttes du liquide. Suivant une forme de réalisation particulière, les sections terminales débouchent dans la partie étroite en amont de la chambre de pré-pulvérisation de manière à ce que le gaz de pulvérisation confère au liquide combustible un mouvement hélicoïdal à l'intérieur de la partie étroite du passage. Le bloc de pulvérisation comprend avantageusement trois à cinq canalisations de gaz de pulvérisation. Un bloc avec trois canalisations de gaz de pulvérisation est préféré, car efficace et simple à réaliser.

Le bloc de pulvérisation est de préférence un monobloc, ce qui permet de mieux assurer l'étanchéité du bloc de pulvérisation. De manière avantageuse, la longueur Lc de la chambre est de 0,2 à 1 fois le diamètre moyen Oc de la chambre, c'est-à-dire : 0,2x0c < Lc Oc, de préférence : 0,2x0c < Lc 0,5x0c. Quand la longueur de la chambre est trop importante, la probabilité de coalescence augmente et on observe un nombre plus important de grosses gouttes dans le jet pulvérisé et une augmentation du DMS. La chambre de pré-pulvérisation comporte avantageusement au moins un tronçon en substance cylindrique. Suivant une forme de réalisation préférée, la chambre est entièrement en substance cylindrique.

Dans le présent contexte, on considère que la chambre ou un tronçon de la chambre est en substance cylindrique quand les parois de la chambre/du tronçon présentent un angle ac avec la direction d'écoulement Df du liquide combustible de 0° à 7° (dans le sens dudit écoulement). Le tronçon en substance cylindrique peut notamment constituer la section avale de la chambre. Dans ce cas, le tronçon en substance cylindrique se termine directement par l'ouverture de sortie. Il est également possible que le tronçon en substance cylindrique débouche dans un tronçon tronconique s'évasant vers l'ouverture de sortie, c'est-à-dire un tronçon tronconique dont les parois forment un angle supérieur à 7° avec la direction d'écoulement Df du liquide combustible (dans le sens dudit écoulement).

La chambre de pré-pulvérisation peut aussi comporter un tronçon transitoire tronconique (s'évasant vers l'ouverture de sortie) reliant l'ouverture d'entrée de la chambre avec le tronçon en substance cylindrique, le tronçon transitoire formant ainsi la transition entre la partie étroite du passage de combustible liquide et le tronçon en substance cylindrique de la chambre. Le tronçon transitoire a avantageusement une longueur Ltr < 1/4 x Lc, de préférence < 1/8 x Lc et encore de préférence < 1/10 x Lc. De préférence, le tronçon transitoire présente un angle de cône etr assez large, par exemple supérieur à 60° et inférieur à 90° (dans le sens de l'écoulement du liquide combustible).

Suivant une forme de réalisation avantageuse de l'invention, les directions d'écoulement Dg du gaz de pulvérisation forment des angles ûgf entre 35° et 85° avec la direction d'écoulement Df du fluide combustible, de préférence entre 40° et 80°. Pour une meilleure efficacité de pulvérisation de l'injecteur, le rapport entre le diamètre Oc de la chambre de pré-pulvérisation et le diamètre Of de la partie étroite du passage de liquide combustible en amont de la chambre est de préférence inférieur à 3, c'est-à-dire l< (1)c/(Pf <3, de préférence 1,1 < (1)c/(Pf < 2. Le rapport entre le diamètre (1)g des sections terminales des canalisations de gaz de pulvérisation et le diamètre Of de la partie étroite du passage de liquide combustible, dans laquelle les canalisations de gaz de pulvérisation débouchent, est de manière utile entre 0,1 et 1, c'est-à-dire : 0,1< (1)g/Of <1,0 ; et de préférence entre 0,2 et 0,8, c'est-à-dire 0,2 < (1)g/Of < 0,8. La présente invention concerne également un brûleur pour la combustion d'un liquide combustible comprenant un injecteur selon l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus. Le brûleur n'est pas limité à un type particulier. Ainsi, le brûleur peut notamment être un brûleur pour combustion étagée ou pour combustion non-étagée. Il peut comporter un bloc réfractaire qui entoure l'injecteur suivant l'invention. L'invention concerne également un four pour la combustion d'un liquide 30 combustible comprenant un foyer thermique équipé d'au moins un injecteur et/ou d'au moins un brûleur suivant l'une quelconque des formes de réalisations décrites ci- dessus. Ce four comporte une zone de combustion en aval de l'ouverture de sortie dudit injecteur. L'invention est intéressante pour une grande gamme de fours, tels que les fours suivants : les fours pour combustion d'un déchet liquide, les chaudières de production de vapeur, les fours de fusion, les fours de réchauffage, les fours de clinkérisation, les installations de précalcination, les fours de cokéfaction, etc. L'invention présente toutefois un intérêt particulier pour les fours destinés à la combustion de déchets liquides, qui sont souvent difficiles à brûler et pour lesquels les règlements environnementaux sont souvent très stricts.

Une autre application pour laquelle l'invention est d'un intérêt particulier, sont les fours dont le foyer (zone de combustion) est de dimensions relativement faibles au niveau des flammes, tels que les fours courts et/ou étroits. L'invention est ainsi notamment intéressante pour les fours à paroi froide. Un exemple des fours à paroi froide sont les chaudières. Dans une chaudière, l'énergie thermique générée par la combustion est utilisée pour chauffer un fluide caloporteur, typiquement de l'eau ou de la vapeur, qui coule à travers une ou des canalisations. L'énergie thermique est transférée au fluide caloporteur à travers la ou les parois de la ou des canalisations. Du fait que lesdites parois sont en contact direct avec le liquide caloporteur à chauffer, leur température reste nettement inférieure à la température qui règne dans la zone de combustion. Des fours analogues à paroi froide sont utilisés pour le traitement thermique de liquides ou phases gazeuses, tel que le « cracking » ou « reforming » de produits pétrochimiques. La présente invention concerne également un procédé de pulvérisation assistée interne d'un liquide combustible au moyen d'un injecteur suivant l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus. Selon le procédé suivant l'invention : a. on alimente le passage de liquide combustible avec du liquide combustible et b. on alimente les canalisations de gaz de pulvérisation avec du gaz de pulvérisation sous pression, et ceci de manière à ce que le liquide combustible présente une vitesse d'écoulement Vf dans la partie étroite du passage et de manière à ce que le gaz de pulvérisation présente une vitesse d'écoulement Vg dans les sections terminales des canalisations, avec Vg > Vf.

Le liquide combustible pulvérisé ainsi obtenu est injecté dans une zone de combustion à travers l'ouverture de sortie de l'injecteur. Comme indiqué ci-dessus, le gaz de pulvérisation impacte le liquide combustible et confère au liquide combustible un mouvement hélicoïdal.

Il a été constaté que, notamment grâce à ce mouvement hélicoïdal du liquide combustible, il est possible de réaliser, avec un même rapport de gaz de pulvérisation/liquide combustible un jet pulvérisé constitué de gouttes de taille moyenne plus basse et avec un pourcentage plus faible de grosses gouttes ou encore de réaliser un jet pulvérisé constitué de gouttes avec une même taille moyenne et avec un pourcentage similaire de grosses gouttes, mais avec un rapport de gaz de pulvérisation/liquide combustible réduit. Suivant une forme de réalisation, les sections terminales des canalisations de gaz de pulvérisation débouchent dans la partie étroite du passage de liquide combustible en amont de la chambre de pré-pulvérisation de manière à ce que le gaz de pulvérisation confère au liquide combustible un mouvement hélicoïdal à l'intérieur de la partie étroite du passage. De préférence, on alimente les canalisations avec du gaz de pulvérisation sous pression de manière à ce que la vitesse d'écoulement Vg du gaz de pulvérisation dans les sections terminales des canalisations soit supérieure à 80 m/s et de préférence inférieure à 600 m/s. Ainsi, la vitesse d'écoulement Vg du gaz de pulvérisation dans les sections terminales peut se situer entre 80 m/s et la vitesse du son, ou, quand les sections terminales comportent des tuyères appropriées pour une injection supersonique, entre la vitesse du son et 600 m/s. De manière avantageuse, on alimente le passage avec du liquide combustible et on alimente les canalisations avec du gaz de pulvérisation sous pression de manière à obtenir un jet pulvérisé du liquide combustible dans le gaz de pulvérisation qui sort de la chambre de pré-pulvérisation avec une vitesse d'éjection comprise entre 1 et 400 m/s, préférentiellement entre 100 et 350 m/s. Dans le présent contexte, on considérera que la vitesse d'éjection correspond au rapport entre le débit volumétrique du gaz de pulvérisation et la section moyenne de la chambre de pré- pulvérisation. Ainsi, dans le cas où la chambre de pré-pulvérisation présente une symétrie axiale, ce qui est le plus souvent le cas, la vitesse d'éjection correspond au rapport entre le débit volumétrique du gaz de pulvérisation et (Tr x Oc2)/4. Les canalisations sont de préférence alimentées avec le gaz de pulvérisation sous pression de manière à ce que le gaz de pulvérisation ait une pression entre 1 et 10 bar dans les sections terminales desdites canalisations. 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. Le liquide combustible peut être un déchet liquide. Le liquide combustible peut aussi être un combustible liquide ou un combustible solide en suspension liquide (souvent désigné par le terme anglais « slurry »). Quand le liquide combustible est un combustible liquide, il peut notamment être choisi parmi les fiouls légers, les fiouls lourds et les résidus pétroliers. La qualité des jets pulvérisés pouvant être obtenue grâce à l'invention rend l'invention particulièrement utile pour la pulvérisation assistée interne de fiouls lourds. Dans ce cas, le gaz de pulvérisation est avantageusement de la vapeur. Il est à noter que les combustibles liquides sont très appréciés par les industriels pour leur coût relativement faible par rapport à des combustibles gazeux plus aisés à brûler. Quand le liquide combustible est un combustible solide en suspension liquide, le combustible solide est avantageusement du charbon pulvérulent. La suspension peut en particulier être une suspension aqueuse. L'invention concerne également un procédé de combustion d'un liquide combustible dans un foyer thermique, dans lequel le liquide combustible est : (a) pulvérisé et injecté dans une zone de combustion par un procédé de pulvérisation assistée interne selon l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus, et (b) brûlé avec un oxydant dans cette zone de combustion. Ladite zone de combustion se situe typiquement à l'intérieur d'un foyer thermique.

L'oxydant peut en particulier être de l'air, de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène. Au vue des propriétés spécifiques de l'oxy-combustion, telles que mentionnées ci-dessus, 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 d'oxygène et entre 20%vol et 0%vol d'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 de l'oxydant utilisé pour la combustion du liquide combustible. La présente invention et ses avantages seront mieux compris à la lumière de l'exemple ci-après, référence étant faites aux figures 1 à 4, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique partielle en perspective et transparente d'un bloc de pulvérisation d'un injecteur suivant l'invention avec une chambre de pré-pulvérisation cylindrique et trois canalisations de gaz de pulvérisation, et - les figures 2a, 2b et 2c sont des représentations schématiques partielles en coupe d'un bloc de pulvérisation d'un injecteur suivant l'invention avec une chambre de pré-pulvérisation cylindrique et trois canalisations de gaz de pulvérisation, la figure 2c étant une coupe transversale au niveau de la chambre de pré-pulvérisation, la figure 2a étant une coupe longitudinale selon le plan A-A à travers l'axe d'une desdites canalisations et la figure 2b étant une coupe longitudinale selon le plan B-B à travers l'axe du passage, et - les figures 3a, 3b et 3c sont des représentations schématiques analogues aux figures 2a, 2b et 2c, mais montrant un bloc de pulvérisation avec une chambre de pré-pulvérisation dont la partie principale est un premier tronçon tronconique et qui comporte également un deuxième tronçon tronconique en aval du premier, et - la figure 4 est une représentation schématique en coupe transversale de l'intersection entre la partie étroite du passage de liquide combustible et les sections terminales des canalisations de gaz de pulvérisation et dans lequel les trois canalisations de gaz de pulvérisation s'étendent dans un plan perpendiculaire à la section étroite du passage (Qgf = 90°). Le bloc de pulvérisation 1 de l'injecteur comporte (i) un passage 30 de combustible liquide comportant une portion étroite 31 de diamètre Of, (ii) trois canalisations 20 de gaz de pulvérisation sous pression ayant des sections terminales 21 de diamètres (1)g tangentielles à ladite portion étroite 31 du passage 30 de combustible liquide et d'une chambre de mélange des deux phases, dite chambre de pré-pulvérisation 10, de diamètre moyen Oc et de longueur Lc. Le diamètre de la chambre 10 est supérieur à celui de la partie étroite 31 du passage 30 de liquide combustible, ce dernier diamètre étant lui-même supérieur au diamètre des sections terminales 21 des canalisations 20 de gaz de pulvérisation. La longueur Lc de la chambre de pré-pulvérisation est courte : inférieure ou égale à son diamètre moyen Oc. Cette caractéristique évite de dégrader la pulvérisation par le confinement et la coalescence des structures ligamentaires et limite la montée en température du mélange gaz de pulvérisation/liquide combustible permettant ainsi d'éviter la cokéfaction du liquide combustible et le bouchage de l'injecteur. Dans la chambre de pré-pulvérisation 10, le combustible liquide est pulvérisé en fines structures ligamentaires et en fines gouttes sous l'effet du gaz de pulvérisation pressurisé injecté à haute vitesse via les sections terminales 21 des canalisations 20. Lesdites sections terminales 21 étant tangentielles à l'écoulement du combustible dans la partie étroite 31 du passage 30, l'injection du gaz de pulvérisation donne au mélange gaz de pulvérisation/ combustible liquide un mouvement hélicoïdal (schématiquement représenté par les flèches 40 dans la figure 4). Ceci favorise la pulvérisation du liquide. La pulvérisation du liquide est ainsi réalisée par plusieurs phénomènes : - la vitesse élevée du gaz de pulvérisation crée des taux de cisaillement élevés, - les injections tangentielles du gaz de pulvérisation créent des forces de cisaillement dans les trois dimensions, et - le gaz de pulvérisation étant injecté sous haute pression (typiquement supérieure à 2 ou 3 bar), sa détente s'accompagne d'onde de choc dans la chambre de pré-pulvérisation 10 favorisant encore l'éclatement du liquide en fines structures.

Le fioul injecté à faible vitesse est pulvérisé en fines gouttes et en fines structures ligamentaires à l'entrée de la chambre de pré-pulvérisation 10 par les trois injections tangentielles de gaz de pulvérisation pressurisé. Cela est possible notamment grâce aux taux de cisaillement tridimensionnels élevés créés avec les hautes vitesses d'injection des gaz (> 80 m/s pour une pression supérieure à 2 bar), à l'écoulement hélicoïdal du mélange gaz/liquide. La chambre 10 est caractérisée par une longueur Lc inférieure ou égale à son diamètre Oc (Lc Oc) évitant ainsi la coalescence des gouttes et ligaments en structures de plus grande taille ainsi que la montée en température du combustible liquide. La longueur Lc de la chambre 10 correspond à la distance, mesurée selon la direction Df, entre l'ouverture d'entrée de la chambre 10 et l'ouverture de sortie 50 de l'injecteur. Le diamètre moyen Oc de la chambre est défini tel que la vitesse d'éjection du mélange dispersé liquide/gaz dans la zone de combustion 100 en aval de l'ouverture de sortie 50 soit comprise entre 1 et 400 m/s, préférentiellement entre 100 et 350 m/s. L'angle d'attaque ûgf des injections d'air de pulvérisation tangentielles sur l'écoulement de combustible liquide peut varier de 30° à 90° en fonction de la longueur de pénétration souhaitée. En effet, plus l'angle d'attaque ûgf est élevé, plus le jet pulvérisé sera court et inversement. Ce paramètre de dimensionnement permet d'ajuster le dispositif à différents brûleurs ou procédés suivant la longueur de flamme désirée. L'injecteur suivant l'invention est un outil de pulvérisation hautement efficace. Il permet d'atteindre des performances de pulvérisation au moins équivalentes aux meilleurs pulvérisateurs de l'art antérieur notamment en termes de faibles débits de gaz de pulvérisation (rapport entre les débits de gaz de pulvérisation et de liquide combustible). De plus, l'injecteur est très fiable grâce à un design simple permettant une construction monobloc hautement résistante aux hautes températures du bloc de pulvérisation. Il permet de réaliser une pulvérisation très fine du liquide combustible et de limiter la montée en température du mélange gaz de pulvérisation/liquide combustible pré-pulvérisé avant son éjection dans le foyer par l'ouverture de sortie. A la différence des injecteurs multi-pastilles, l'injecteur suivant l'invention à pulvérisateur monobloc permet d'éviter les fuites de liquide combustible et ainsi la dégradation de la pulvérisation et le bouchage du pulvérisateur par formation de coke. Du fait que l'injecteur et le brûleur suivant l'invention présentent un risque particulièrement faible de bouchage, cet injecteur et ce brûleur sont particulièrement aptes à être utilisés pour la pulvérisation d'un liquide combustible dans une zone de combustion dont l'atmosphère est fortement chargée de matière(s) condensable(s) et/ou de matière(s) solide(s) pulvérulente(s). L'injecteur suivant l'invention permet d'obtenir un jet pulvérisé constitué de gouttes très fines pour des faibles débits relatifs de gaz de pulvérisation (faible gaz de pulvérisation (air)/liquide combustible (fioul) ratio massique) dès la sortie de l'injecteur. En effet, ce procédé de pulvérisation interne perfectionné produit un mélange dispersé de liquide dans le gaz de pulvérisation dès sa sortie sans formation de réel coeur liquide. Les distributions de taille de goutte obtenues avec ce dispositif relèvent d'une pulvérisation particulièrement fine, puisque pour des ratios massiques de débit de gaz de pulvérisation sur le débit de liquide combustible de 5 à 15% les valeurs de DMS évoluent de 80 pm à moins de 60 pm quand le gaz de pulvérisation est de l'air et le liquide combustible est du fioul lourd N°2 à 110°C. Le jet pulvérisé formé est d'ailleurs très homogène, puisque les tailles de gouttes mesurées sont similaires au centre et en périphérie du jet pulvérisé.

Claims

REVENDICATIONS1. Injecteur pour l'injection à travers une ouverture de sortie d'un jet pulvérisé d'un liquide combustible dans une zone de combustion située en aval de l'ouverture de sortie de l'injecteur, ledit injecteur comprenant un bloc (1) de pulvérisation assistée interne, ledit bloc comprenant : a. une face d'injection aval comportant l'ouverture de sortie b. un passage (30) de liquide combustible traversant le bloc et se terminant par l'ouverture de sortie et c. deux à six canalisations (20) de gaz de pulvérisation, le passage (30) présentant d'une part, un axe longitudinal de symétrie définissant une direction d'écoulement Df du liquide combustible, et d'autre part, une section transversale en substance circulaire variable, ledit passage (30) comportant : i. une partie étroite (31) ayant un diamètre Of et, ii. une chambre (10) de pré-pulvérisation de diamètre supérieure à Of en aval de la partie étroite (31), cette chambre (10) ayant une ouverture d'entrée et se terminant par l'ouverture de sortie qui est située à l'opposé de l'ouverture d'entrée, une longueur Lc dans la direction Df entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie et un diamètre moyen Oc, la partie étroite (31) débouchant dans la chambre (10) par l'ouverture d'entrée, le passage (30) se terminant par l'ouverture de sortie, les canalisations (20) comprenant des sections terminales (21) de diamètres (I)g, avec (1)g < Of, chaque section terminale (21) définissant une direction d'écoulement Dg du gaz de pulvérisation et débouchant dans la partie étroite (31) du passage (30) à proximité de l'ouverture d'entrée de la chambre (10) de manière à ce que les directions d'écoulement Dg forment des angles ûgf entre 30° et 90° avec la direction d'écoulement Df, caractérisé en ce que : les sections terminales (21) débouchent dans la partie étroite (31) de manière tangentielle à la partie étroite (31), de manière à ce que le gaz depulvérisation impacte le liquide combustible et confère au liquide combustible un mouvement hélicoïdal, et - la longueur Lc de la chambre (10) est inférieure ou égale au diamètre moyen Oc de la chambre (10).
2. Injecteur suivant la revendication 1, dans lequel le bloc (1) est un monobloc.
3. Injecteur suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel 0,2x0c < Lc <_szl)c, de préférence 0,2x0c < Lc 0,5xs:Pc.
4. Injecteur suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel la chambre (1) comporte au moins un tronçon en substance cylindrique.
5. Injecteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les directions d'écoulement Dg forment des angles ûgf entre 35° et 85° avec la direction d'écoulement Df, de préférence entre 40° et 80°.
6. Injecteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel 1,0 < (1)c/(Pf <3,0 ; de préférence 1,1 < (1)c/Of < 2,0.
7. Injecteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel 0,1< (1)g/Of <1,0 ; de préférence 0,2 < (1)g/Of < 0,8.
8. Brûleur pour la combustion d'un liquide combustible comprenant un injecteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
9. Four pour la combustion d'un liquide combustible comprenant un foyer thermique équipé d'au moins un injecteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 et une zone de combustion en aval de l'ouverture de sortie dudit injecteur.
10. Four pour la combustion d'un liquide combustible comprenant un foyer thermique équipé d'au moins un brûleur suivant la revendication 8.
11. Procédé de pulvérisation assistée interne d'un liquide combustible au moyen d'un injecteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel : a. on alimente le passage (30) avec du liquide combustible et b. on alimente les canalisations (20) avec du gaz de pulvérisation sous pression, de manière : i. à ce que le liquide combustible présente une vitesse d'écoulement Vf dans la partie étroite (31) du passage (30), et ii. à ce que le gaz de pulvérisation présente des vitesses d'écoulement Vg dans les sections terminales (21) des canalisations (20), avec Vg > Vf, et iii. à ce que le gaz de pulvérisation impacte le liquide combustible et confère au liquide combustible un mouvement hélicoïdal, et dans lequel on injecte le liquide combustible pulvérisé dans une zone de combustion à travers l'ouverture de sortie de l'injecteur.
12. Procédé de pulvérisation suivant l'une de la revendication 11, dans lequel on alimente les canalisations (20) avec du gaz de pulvérisation sous pression de manière à ce que les vitesses d'écoulement Vg du gaz de pulvérisation dans les sections terminales (21) des canalisations (20) soient supérieures à 80 m/s et de préférence inférieures à 600 m/s.
13. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 11 et 12, dans lequel on alimente le passage (30) avec du liquide combustible et on alimente les canalisations (20) avec du gaz de pulvérisation sous pression de manière à obtenir un jet pulvérisé du liquide combustible dans le gaz qui sort de la chambre (10) avec une vitesse d'éjection comprise entre 1 et 400 m/s, préférentiellement entre 100 et 350 m/s.
14. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel on alimente les canalisations (20) avec le gaz de pulvérisation sous pression de manière à ce que le gaz de pulvérisation est à une pression entre 1 et 10 bar dans les sections terminales (21) des canalisations (20).
15. Procédé de combustion d'un liquide combustible dans un foyer thermique, dans lequel (a) le liquide combustible est pulvérisé et injecté dans une zone de combustion par un procédé de pulvérisation assistée interne selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, et (b) le liquide combustible est brûlé avec un oxydant dans cette zone de combustion, cette zone de combustion se situant à l'intérieur d'un foyer thermique.