WO2013093289A2 - Dispositif et procédé de pulvérisation de liquide combustible - Google Patents

Dispositif et procédé de pulvérisation de liquide combustible Download PDF

Info

Publication number
WO2013093289A2
WO2013093289A2 PCT/FR2012/052875 FR2012052875W WO2013093289A2 WO 2013093289 A2 WO2013093289 A2 WO 2013093289A2 FR 2012052875 W FR2012052875 W FR 2012052875W WO 2013093289 A2 WO2013093289 A2 WO 2013093289A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid
spray
gas
chamber
combustible liquid
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/052875
Other languages
English (en)
Other versions
WO2013093289A3 (fr
Inventor
Xavier Paubel
Rémi Tsiava
Dorothée Chaillou
Vincent ALATERRE
Original Assignee
L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude filed Critical L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Priority to EP12812296.7A priority Critical patent/EP2795191A2/fr
Priority to US14/367,412 priority patent/US20140329187A1/en
Priority to CA2857562A priority patent/CA2857562A1/fr
Publication of WO2013093289A2 publication Critical patent/WO2013093289A2/fr
Publication of WO2013093289A3 publication Critical patent/WO2013093289A3/fr

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
    • F23D11/101—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet
    • F23D11/102—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber
    • F23D11/103—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber with means creating a swirl inside the mixing chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • F23D11/383—Nozzles; Cleaning devices therefor with swirl means

Definitions

  • the present invention relates to devices and methods for the internal assisted spraying of a fuel liquid.
  • the efficient combustion of a liquid in a thermal home requires its spraying in fine drops that evaporate under the effect of the heat that prevails in the home.
  • the evaporated liquid then burns with an oxidant inside the fireplace.
  • the spraying is carried out by tearing a jet of the liquid by a gas flow at high speed so as to form a spray ("spray") of drops of liquid dispersed in the gas phase.
  • the spraying step is essential because the properties of the flame obtained at the outlet of the spraying device are highly dependent on the quality and the properties of the spray formed, such as the average size of the drops, the size distribution of the drops, the length of the spray. penetration of the spray, the angle of the spray and its ejection speed.
  • the emission of unburned particles strongly depends on the size of the drops.
  • Unburned can be contained in soot formed by the incomplete combustion of the light fractions of the combustible liquid in a locally hot and oxygen-deficient zone. Unburned can also be present in the form of large hollow carbonaceous solid particles, called cenospheres, which result from the incomplete combustion of the larger drops.
  • the unburnt once removed from the hot areas of the flame, limit the energy efficiency of the home and constitute a significant part of the pollutants emitted by the facility and whose nature and quantity are regulated more and more severely. Without special precautions, the problem of unburnt is increased in the case of oxy-combustion where the flame volume is normally lower.
  • Distinction is made between the internal assisted spray and the external assisted spray.
  • Coaxial type external assisted atomizing sprayers for liquid fuel such as those described in the literature (Engineering Technology - "Combustion Equipment for Liquid and Gaseous Fuels", “Atomization &Sprays” - AH Lefebvre), are robust and high quality spray. These injectors produce very fine sprayed streams through the use of a large amount of high speed spray gas.
  • the mass ratios of spray gas flow rate on the liquid fuel flow (A / F) involved are of the order of 20 to 40% and up to 70% in the case described in EP-A- 0687858.
  • the large amount of spray gas flowing around the fuel injection provides insulation and a thermal buffer which limits the rise in the temperature of the liquid fuel and its coking on or inside the sprayer.
  • the counterpart is the degradation of the energy efficiency due to the introduction into the focus of a large amount of gas that is generally totally or mostly inert (at the level of combustion) by the sputtering gas.
  • inert at the level of combustion
  • FR-A-9509199 and FR-A-9907030 Powerful internal assisted spray systems are described in FR-A-9509199 and FR-A-9907030. These consist of a stack of several successive pellets: primary and secondary nozzle in the case of FR-A-9509199. atomizer, spray nozzle and sleeve in the case of FR-A-9907030. These technologies involve a spraying of the liquid assisted by a gas under pressure inside the spraying device and produce sprayed jets consisting of very fine drops .
  • the main drawback of these internal assisted spray technologies lies in their high sensitivity to coking by coking the liquid fuel and the resulting deteriorations, especially in the case of oxy-combustion.
  • Y-type internal assisted spray devices generally consist of a single pellet. They are thus more robust vis-à-vis the heat flow.
  • Engineing Technique "Combustion Equipment for Liquid and Gaseous Fuel", “Atomization &Sprays” - AH Lefebvre
  • EP-A-0676244 their main disadvantage is their limited performance.
  • these injectors produce spray jets characterized by an average size of the drops and a higher proportion of large drops, which will be responsible for unburnt formation and energy efficiency limitation.
  • the concept of these sprayers is based on an annular channel guiding the liquid fuel in the central channel of spray gas to create fine drops.
  • thermal resistance of these concepts is relatively limited, especially in the case of oxygen combustion, since inside the atomizer before mixing with the sputtering gas, the liquid fuel is subjected to the heat fluxes of the flame. without thermal protection by the spray gas system, as is the case for external power sprayers.
  • This post-mixing burner sprayer comprises: (1) a liquid fuel passage having a first relatively small cross section section, a second cone-shaped cross section section and a relatively large third cross section section; third section communicating with a furnace zone; and (2) three to seven gaseous spray fluid passages, said passages having an injection end in communication at an angle of 45 ° to 75 ° with the fuel passage.
  • the spray fluid passages terminate near the inlet of the second cone-shaped section so as to direct the spray fluid into this second section near the beginning of the cone.
  • This sprayer may consist of a monobloc. By a "monobloc" is understood an integrally formed part, unlike an assembled part.
  • the sprayer according to EP-A-0263250 thus makes it possible to avoid the problems associated with sprayers comprising several pellets.
  • the performance of the sprayer according to EP-A-263250 remains limited with, as is the case with sprayers of the Y type, spray jets characterized by average sizes of relatively large drops and a large quantity of large drops.
  • the present invention aims to allow the spraying of a fuel liquid by assisted internal spraying with a reduced amount of spraying, with a good quality spray pattern, that is to say: (a) whose drops are of medium size (often expressed in "Sauter average diameter” or “DMS", in English: “ Skip Mean Diameter “or” SMD ”) sufficiently low and (b) with a small percentage of large drops.
  • the present invention relates in particular to an injector for injecting a spray of a combustible liquid.
  • the spray is more particularly injected into a combustion zone through an outlet opening of the injector, the combustion zone being located downstream of this outlet opening.
  • the injector includes an internal assisted spray block.
  • the spray block includes a downstream injection face that has the exit aperture.
  • the block also includes an open downstream combustible liquid passage and two to six spray gas lines.
  • the combustible liquid passage passes through the block and ends with the outlet opening.
  • the passage includes a narrow portion and a pre-spray chamber.
  • the passage has a longitudinal axis of symmetry and a variable cross section in circular substance, preferably circular.
  • a cross section variable in circular substance is a substantially circular section of variable diameter.
  • the longitudinal axis of the passage defines a flow direction Df of the combustible liquid.
  • a circular or substantially circular cross section is distinguished in particular from an annular cross section in that, in the case of a circular section or in substance, the entire area of the circle defined by the cross section is available for the flow of a fluid through the passage in the direction Df.
  • the narrow part of the passage has a diameter ⁇ 1
  • the pre-spray chamber is in the extension and downstream of the narrow part. It is of diameter greater than the diameter ⁇ of the narrow part.
  • This pre-spray chamber has an inlet opening. It ends with the outlet opening of the injector which is located opposite the inlet opening of the chamber.
  • the chamber has a length Le in the direction Df between its inlet opening and the outlet opening and a mean diameter ⁇
  • the narrow portion of the passage opens into the pre-spray chamber through the inlet opening.
  • the passage terminates at its downstream end through the outlet opening of the injector.
  • said outlet opening of the injector is also the outlet opening of the pre-spray chamber.
  • the length Le of the pre-spray chamber is less than or equal to the average diameter ⁇ of this chamber.
  • the spray gas pipes comprise end sections of diameter t> g, with t> g ⁇ 1.
  • Each terminal section opens into the narrow part of the passage near the inlet opening of the chamber.
  • Each end section defines a flow direction Dg of the sputtering gas.
  • the end sections open into the narrow portion so that the flow directions Dg of the sputtering gas form angles Qgf between 30 ° and 90 ° with the flow direction Df of the fuel liquid.
  • the end sections open into the narrow portion tangentially to the narrow portion. In this manner, the sputtering gas impacts the combustible liquid and imparts a helical motion to the combustible liquid.
  • the average diameter of the chamber corresponds to the average value of the diameter of the chamber over the entire length of the chamber.
  • the average diameter ⁇ of the chamber corresponds to the diameter of the cylinder.
  • the average diameter ⁇ of the chamber will be the means of the diameter of the inlet opening and the diameter of the 'exit opening. It should be noted that, when the diameter of the pre-spraying chamber is not constant, it is preferable for the diameter to increase towards the outlet opening, so as to avoid coalescence of drops of the liquid.
  • the passage of the injector according to the invention is an open downstream end passage, whose outlet opening is therefore not provided with such a cover, such a cover or such hat.
  • the spray block advantageously comprises three to five spray gas lines.
  • a block with three pipes of spray gas is preferred because efficient and simple to achieve.
  • the spray block is preferably a monoblock, which makes it possible to better seal the spray block.
  • the length Le of the chamber is 0.2 to 1 times the mean diameter ⁇ of the chamber, that is to say: 0.2 ⁇ ( t> c ⁇ Le ⁇ ⁇ , preferably: 0 , 2x ( t> c ⁇ The ⁇ ⁇ , ⁇
  • the probability of coalescence increases and we observe a larger number of large drops in the spray and an increase in the DMS.
  • the pre-spraying chamber advantageously comprises at least one substantially cylindrical section. According to a preferred embodiment, the chamber is entirely substantially cylindrical.
  • the chamber or a section of the chamber is substantially cylindrical when the walls of the chamber / section have an angle ac with the flow direction Df of the fuel liquid from 0 ° to 7 ° ( in the direction of said flow).
  • the substantially cylindrical section may in particular constitute the downstream section of the chamber.
  • the substantially cylindrical section ends directly with the exit opening. It is also possible that the substantially cylindrical section opens into a frustoconical section flaring towards the outlet opening, that is to say a frustoconical section whose walls form a higher angle at 7 ° with the direction of flow Df of the combustible liquid (in the direction of said flow).
  • the pre-spraying chamber may also comprise a frustoconical transient section (flaring towards the outlet opening) connecting the inlet opening of the chamber with the substantially cylindrical section, the transient section thereby forming the transition between the narrow portion of the liquid fuel passage and the substantially cylindrical section of the chamber.
  • the transient section advantageously has a length Ltr ⁇ 1 ⁇ 4 x Le, preferably ⁇ 1/8 x Le and more preferably ⁇ 1/10 x Le.
  • the transient section has a fairly wide cone angle Otr, for example greater than 60 ° and less than 90 ° (in the direction of flow of the combustible liquid).
  • the flow directions Dg of the sputtering gas form angles Qgf between 35 ° and 85 ° with the flow direction Df of the fuel fluid, preferably between 40 ° and 80 °. .
  • the ratio between the diameter ⁇ of the pre-spray chamber and the diameter ⁇ of the narrow portion of the fuel liquid passage upstream of the chamber is preferably less than 3 ° C. i.e. 1 ⁇ / ⁇ ⁇ 3, preferably 1, 1 ⁇ / ⁇ ⁇ 2.
  • the ratio between the diameter ⁇ g of the end sections of the spray gas pipes and the diameter ⁇ of the narrow portion of the fuel liquid passage, in which the spray gas pipes open, is desirably between 0.1 and 1, that is to say: 0.1 ⁇ g / ⁇ f ⁇ 1, 0; and preferably between 0.2 and 0.8, i.e., 0.2 ⁇ g / ⁇ f ⁇ 0.8.
  • the present invention also relates to a burner for the combustion of a combustible liquid comprising an injector according to any one of the embodiments described above.
  • the burner is not limited to a particular type.
  • the burner may in particular be a burner for staged combustion or for non-staged combustion. It may comprise a refractory block which surrounds the injector according to the invention.
  • the invention also relates to an oven for the combustion of a combustible liquid comprising a thermal hearth equipped with at least one injector and / or at least one burner according to any one of the embodiments described above. above.
  • This furnace comprises a combustion zone downstream of the outlet opening of said injector.
  • the invention is of interest for a wide range of furnaces, such as the following ovens: furnaces for combustion of liquid waste, steam production boilers, melting furnaces, reheating furnaces, clinker furnaces, precalcination plants, coking ovens, etc.
  • the invention is however of particular interest for furnaces for the combustion of liquid waste, which are often difficult to burn and for which environmental regulations are often very strict.
  • the invention is thus particularly interesting for cold wall furnaces.
  • An example of cold wall furnaces are boilers.
  • the thermal energy generated by combustion is used to heat a coolant, typically water or steam, flowing through one or more pipes.
  • the thermal energy is transferred to the heat transfer fluid through the wall or walls of the pipe or pipes. Since said walls are in direct contact with the heat transfer liquid to be heated, their temperature remains well below the temperature prevailing in the combustion zone.
  • Cold-walled similar furnaces are used for the heat treatment of liquids or gaseous phases, such as the "cracking" or "reforming" of petrochemicals.
  • the present invention also relates to an internal assisted sputtering method of a fuel liquid by means of an injector according to any one of the embodiments described above.
  • the fuel liquid passage is fed with fuel liquid and b. the spray gas lines are fed with pressurized spray gas, and this so that the combustible liquid has a flow velocity Vf in the narrow part of the passage and so that the spray gas has a flow velocity Vg in the terminal sections of the pipes, with Vg> vf.
  • the pulverized fuel liquid thus obtained is injected into a combustion zone through the outlet opening of the injector.
  • the sputtering gas impacts the combustible liquid and imparts a helical movement to the combustible liquid. It has been found that, in particular by virtue of this helical movement of the combustible liquid, it is possible to produce, with the same ratio of spraying gas / liquid fuel, a pulverized jet consisting of drops of medium size which are lower and with a lower percentage. large drops or to achieve a spray jet consisting of drops with the same average size and with a similar percentage of large drops, but with a ratio of reduced fuel gas / liquid fuel.
  • the end sections of the spray gas pipes open into the narrow portion of the fuel liquid passage upstream of the pre-spray chamber so that the sputtering gas imparts a helical motion to the fuel liquid. inside the narrow part of the passage.
  • the pipes are fed with pressurized spraying gas so that the flow velocity Vg of the sputtering gas in the terminal sections of the pipes is greater than 80 m / s and preferably less than 600 m / sec. s.
  • the flow velocity Vg of the sputtering gas in the end sections can be between 80 m / s and the speed of sound, or, when the end sections have appropriate nozzles for supersonic injection, between the velocity of the sound. and 600 m / s.
  • the passage is supplied with combustible liquid and the pipes are fed with pressurized spray gas so as to obtain a spray of the combustible liquid in the spraying gas coming out of the fuel.
  • the pre-spraying chamber with an ejection speed of between 1 and 400 m / s, preferably between 100 and 350 m / s.
  • the ejection rate corresponds to the ratio between the volumetric flow rate of the spray gas and the average section of the pre-spray chamber.
  • the ejection speed corresponds to the ratio between the volumetric flow rate of the spray gas and ( ⁇ x d> c 2 ) / 4.
  • the pipes are preferably fed with the pressurized spray gas so that the spray gas has a pressure between 1 and 10 bar in the end sections of said pipes.
  • the sputtering gas may especially be selected from steam, air, oxygen-enriched air, oxygen, recycled fumes and CO2.
  • the combustible liquid may be a liquid waste.
  • the fuel liquid can also be a liquid fuel or a solid fuel in liquid suspension (often referred to as "slurry").
  • the fuel liquid is a liquid fuel
  • it can be chosen in particular from light fuel oils, heavy fuel oils and petroleum residues.
  • the quality of the spray jets that can be obtained by virtue of the invention makes the invention particularly useful for the internal assisted spraying of heavy fuel oils.
  • the spraying gas is advantageously steam. It should be noted that liquid fuels are highly appreciated by manufacturers for their relatively low cost compared to gaseous fuels easier to burn.
  • the solid fuel is advantageously pulverulent coal.
  • the suspension may in particular be an aqueous suspension.
  • the invention also relates to a method of burning a combustible liquid in a thermal furnace, wherein the combustible liquid is: (a) pulverized and injected into a combustion zone by an internal assisted sputtering method according to any one of embodiments described above, and (b) burned with an oxidant in this combustion zone.
  • Said combustion zone is typically located inside a thermal focus.
  • the oxidant may in particular be air, air enriched with oxygen or oxygen.
  • the invention is particularly advantageous when the oxidant is oxygen or enriched air having an oxygen content of at least 80. % vol and up to 100% vol.
  • the oxidant may also advantageously be a gas containing between 21% vol and 100% vol of oxygen and between 20% vol and 0% vol nitrogen, for example: a mixture of oxygen and CO2 or a mixture of oxygen with recycled fumes.
  • this sputtering gas may constitute at least a portion of the oxidant used for combustion of the combustible liquid.
  • FIGS. 1 to 4 in which:
  • FIG. 1 is a partial schematic perspective and transparent representation of a spray block of an injector according to the invention with a cylindrical pre-spray chamber and three spray gas lines, and
  • FIGS. 2a, 2b and 2c are partial schematic representations in section of a spray block of an injector according to the invention with a cylindrical pre-spray chamber and three spray gas lines, FIG. transverse section at the level of the prepulverisation chamber, FIG. 2a being a longitudinal section along the plane AA through the axis of one of said conduits and FIG. 2b being a longitudinal section along the plane BB through the axis of the passage. , and
  • FIGS. 3a, 3b and 3c are diagrammatic representations similar to FIGS. 2a, 2b and 2c, but showing a spray block with a pre-spray chamber whose main part is a first frustoconical section and which also comprises a second section. frustoconical downstream of the first, and
  • the injector spray block 1 comprises (i) a liquid fuel passage 30 having a narrow portion 31 of diameter ⁇ , (ii) three pressurized spray gas lines 20 having end sections 21 of diameters t> g tangential to said narrow portion 31 of the liquid fuel passage 30 and a mixing chamber of the two phases, said pre-spray chamber 10, of average diameter ⁇ and length Le.
  • the diameter of the chamber 10 is greater than that of the narrow portion 31 of the fuel liquid passage 30, the latter diameter being itself greater than the diameter of the end sections 21 of the spray gas lines 20.
  • the length Le of the pre-spraying chamber is short: less than or equal to its mean diameter ⁇ This characteristic avoids degrading the sputtering by the confinement and coalescence of the ligament structures and limits the rise in temperature of the sputtering / liquid gas mixture fuel thus avoiding coking of the combustible liquid and clogging of the injector.
  • the liquid fuel is pulverized into fine ligamentous structures and in fine drops under the effect of pressurized spray gas injected at high speed via the terminal sections 21 of the pipes 20.
  • Said end sections 21 being tangential in the flow of fuel in the narrow portion 31 of the passage 30, the injection of the sputtering gas gives the mixture of sputtering gas / liquid fuel a helical movement (schematically represented by the arrows 40 in Figure 4). This promotes the spraying of the liquid.
  • the spraying of the liquid is thus carried out by several phenomena: ⁇ the high speed of the sputtering gas creates high shear rates,
  • the spray gas being injected under high pressure typically greater than 2 or 3 bar
  • its expansion is accompanied by a shock wave in the pre-spraying chamber 10 further promoting the bursting of the liquid in fine structures.
  • the fuel oil injected at low speed is sprayed into fine drops and fine ligament structures at the inlet of the pre-spray chamber 10 by the three tangential injections of pressurized spray gas.
  • This is possible in particular thanks to the high three-dimensional shear rates created with the high gas injection speeds (> 80 m / s for a pressure greater than 2 bar), the helical flow of the gas / liquid mixture.
  • the chamber 10 is characterized by a length less than or equal to its diameter ⁇ (Le ⁇ ) thus avoiding the coalescence of the drops and ligaments in larger structures and the rise in temperature of the liquid fuel.
  • the length Le of the chamber 10 corresponds to the distance, measured in the direction D f , between the inlet opening of the chamber 10 and the outlet opening 50 of the injector.
  • the mean diameter ⁇ of the chamber is defined such that the ejection speed of the dispersed liquid / gas mixture in the combustion zone 100 downstream of the outlet opening 50 is between 1 and 400 m / s, preferably between 100 and and 350 m / s.
  • the angle of attack Qgf of the tangential spray air injections on the liquid fuel flow can vary from 30 ° to 90 ° depending on the desired penetration length. Indeed, the higher the angle of attack Qgf, the more the spray will be short and vice versa. This sizing parameter allows the device to be adjusted to different burners or processes depending on the desired flame length.
  • the injector according to the invention is a highly efficient spraying tool. It achieves spray performance at least equivalent to the best sprayers of the prior art especially in terms of low spraying gas flow rates (ratio between the flow rates of sputtering gas and combustible liquid).
  • the injector is very reliable thanks to a simple design allowing a monobloc construction highly resistant to the high temperatures of the spray block. It allows a very fine spraying of the combustible liquid and to limit the rise in temperature of the pre-atomized fuel gas / spray mixture prior to ejection into the furnace through the outlet opening.
  • the injector according to the invention with a monobloc sprayer makes it possible to avoid fuel liquid leaks and thus the degradation of the spray and the clogging of the sprayer by formation of coke.
  • this injector and the burner according to the invention have a particularly low risk of clogging, this injector and this burner are particularly suitable for being used for spraying a combustible liquid in a combustion zone whose atmosphere is highly charged with condensable material (s) and / or pulverulent solid material (s).
  • the injector according to the invention makes it possible to obtain a spray jet consisting of very fine drops for low relative flow rates of sputtering gas (low sputtering gas (air) / liquid fuel (fuel oil) mass ratio) right out of the 'injector.
  • sputtering gas low sputtering gas (air) / liquid fuel (fuel oil) mass ratio
  • this improved internal spraying process produces a dispersed mixture of liquid in the spray gas as soon as it is released without forming a real liquid core.
  • the drop size distributions obtained with this device belong to a particularly fine spray, since for mass ratios of spray gas flow rate on the liquid fuel flow rate of 5 to 15%, the DMS values change from 80 ⁇ to less than 60 ⁇ when the spraying gas is air and the fuel liquid is heavy fuel No. 2 at 1 10 ° C.
  • the pulverized jet formed is also very homogeneous, since the measured drop sizes are similar to the center and the periphery of the spray.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nozzles For Spraying Of Liquid Fuel (AREA)
  • Nozzles (AREA)

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 à extrémité aval ouverte 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 Φ1
La chambre de pré-pulvérisation est dans la prolongation et en aval de la partie étroite. Elle est de diamètre supérieur au diamètre Φί de la partie étroite. Cette chambre de pré-pulvérisation présente une ouverture d'entrée. Elle se termine par l'ouverture de sortie de l'injecteur qui est située à l'opposé de l'ouverture d'entrée de la chambre. La chambre présente une longueur Le dans la direction Df entre son ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie et un diamètre moyen Φα La partie étroite du passage débouche dans la chambre de pré-pulvérisation par l'ouverture d'entrée. Le passage se termine à son extrémité aval par l'ouverture de sortie de l'injecteur. Comme indiqué ci-dessus, la dite ouverture de sortie de l'injecteur est également l'ouverture de sortie de la chambre de pré-pulvérisation. La longueur Le de la chambre de pré-pulvérisation est inférieure ou égale au diamètre moyen Φο de cette chambre.
Les canalisations de gaz de pulvérisation comprennent des sections terminales de diamètre t>g, avec t>g < Φ1 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 Qgf 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.
Le diamètre moyen Φο de la chambre correspond à la valeur moyenne du diamètre de la chambre sur toute la longueur Le de la chambre. Ainsi, quand la chambre de pré-pulvérisation est entièrement cylindrique, le diamètre moyen Φο 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 Φο 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. Il est connu de couvrir l'ouverture de sortie du passage principal d'un dispositif d'injection d'une coiffe, d'un couvercle ou d'un chapeau perforé, et d'injecter le liquide dans la zone de combustion à travers une ou des perforations de ladite coiffe, dudit couvercle ou dudit chapeau. De tels dispositifs d'injection sont décrits dans, par exemple, EP-A-0248539, US-A-4708293, DE-A-19904395 et EP-A-01 17472.
Le passage de l'injecteur suivant l'invention, par contre, est un passage à extrémité aval ouverte, dont l'ouverture de sortie n'est donc pas munie d'une telle coiffe, d'un tel couvercle ou d'un tel chapeau.
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 Le de la chambre est de 0,2 à 1 fois le diamètre moyen ο de la chambre, c'est-à-dire : 0,2x(t>c < Le≤ Φε, de préférence : 0,2x(t>c < Le ≤ Ο,δχΦα 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 < ¼ x Le, de préférence < 1/8 x Le et encore de préférence < 1/10 x Le. De préférence, le tronçon transitoire présente un angle de cône Otr 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 Qgf 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 ο de la chambre de pré-pulvérisation et le diamètre Φί de la partie étroite du passage de liquide combustible en amont de la chambre est de préférence inférieur à 3, c'est-à-dire 1 < Φΰ/Φί <3, de préférence 1 ,1 < Φΰ/Φί < 2.
Le rapport entre le diamètre Φg des sections terminales des canalisations de gaz de pulvérisation et le diamètre Φί 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 < Φg/Φf <1 ,0 ; et de préférence entre 0,2 et 0,8, c'est-à-dire 0,2 < Φg/Φf < 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 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. II 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, préférentiel lement 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 (π x d>c2)/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 prépulvérisation, 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 Φί, (ii) trois canalisations 20 de gaz de pulvérisation sous pression ayant des sections terminales 21 de diamètres t>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 ο et de longueur Le.
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 Le de la chambre de pré-pulvérisation est courte : inférieure ou égale à son diamètre moyen Φα 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 Le inférieure ou égale à son diamètre ο (Le < Φε) 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 Le 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 ο 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 Qgf 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 Qgf 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 cœur 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 μιτι à moins de 60 μιτι quand le gaz de pulvérisation est de l'air et le liquide combustible est du fioul lourd N°2 à 1 10°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

Revendications
1 . 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 à extrémité aval ouverte 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) traversant le bloc et comportant : i. une partie étroite (31 ) ayant un diamètre Φί et, ii. une chambre (10) de pré-pulvérisation de diamètre supérieure à Φί 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 Le dans la direction Df entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie et un diamètre moyen ο, la partie étroite (31 ) débouchant dans la chambre (10) par l'ouverture d'entrée, le passage (30) se terminant à son extrémité aval par l'ouverture de sortie de l'injecteur, les canalisations (20) comprenant des sections terminales (21 ) de diamètrest>g, avec t>g < Φί, 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 Qgf 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 de pulvérisation impacte le liquide combustible et confère au liquide combustible un mouvement hélicoïdal, et la longueur Le de la chambre (10) est inférieure ou égale au diamètre moyen ο 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 0,2x<X>c < Le <<X>c, de préférence 0,2χΦε < Le≤0,5χΦα
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 Qgf 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 < Φΰ/Φί <3,0 ; de préférence 1 ,1 < Φΰ/Φί < 2,0.
7. Injecteur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel 0,1 < Φg Φf <1 ,0 ; de préférence 0,2 < Φg/Φf < 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.
1 1 . 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 1 1 , 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 1 1 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 1 1 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 1 1 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.
PCT/FR2012/052875 2011-12-21 2012-12-11 Dispositif et procédé de pulvérisation de liquide combustible WO2013093289A2 (fr)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12812296.7A EP2795191A2 (fr) 2011-12-21 2012-12-11 Dispositif et procédé de pulvérisation de liquide combustible
US14/367,412 US20140329187A1 (en) 2011-12-21 2012-12-11 Device and method for spraying a combustible liquid
CA2857562A CA2857562A1 (fr) 2011-12-21 2012-12-11 Dispositif et procede de pulverisation de liquide combustible

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1162173A FR2984995A1 (fr) 2011-12-21 2011-12-21 Dispositif et procede de pulverisation de liquide combustible
FR1162173 2011-12-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2013093289A2 true WO2013093289A2 (fr) 2013-06-27
WO2013093289A3 WO2013093289A3 (fr) 2013-10-24

Family

ID=47520130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2012/052875 WO2013093289A2 (fr) 2011-12-21 2012-12-11 Dispositif et procédé de pulvérisation de liquide combustible

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20140329187A1 (fr)
EP (1) EP2795191A2 (fr)
CA (1) CA2857562A1 (fr)
FR (1) FR2984995A1 (fr)
WO (1) WO2013093289A2 (fr)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201600129822A1 (it) * 2016-12-22 2018-06-22 Ecoflam Bruciatori S P A Testa di combustione a bassa emissione di ossidi di azoto con sovraboccaglio munito di mezzi di ricircolo
IT201600129779A1 (it) * 2016-12-22 2018-06-22 Ecoflam Bruciatori S P A Testa di combustione a bassa emissione di ossidi di azoto con mezzi di guida dell’aria
IT201600129792A1 (it) * 2016-12-22 2018-06-22 Ecoflam Bruciatori S P A Testa di combustione a bassa emissione di ossidi di azoto con mezzi di battuta del boccaglio
DE102019122940A1 (de) * 2019-08-27 2021-03-04 Ebner Industrieofenbau Gmbh Regenerativbrenner für stark reduzierte NOx Emissionen

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0117472A2 (fr) 1983-02-24 1984-09-05 Ente Nazionale Per L'energia Elettrica - (Enel) Pulvérisateur pour un brûleur à combustible liquide
US4708293A (en) 1983-02-24 1987-11-24 Enel-Ente Nazionale Per L'energia Elettrica Atomizer for viscous liquid fuels
EP0248539A1 (fr) 1986-05-07 1987-12-09 Hitachi, Ltd. Atomiseur et chaudière à boue de charbon et d'eau comportant un tel atomiseur
EP0263250A1 (fr) 1986-07-25 1988-04-13 Union Carbide Corporation Atomiseur pour brûleur de post-mélange
EP0676244A1 (fr) 1994-03-11 1995-10-11 Total Raffinage Distribution S.A. Procédé et dispositif de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire
EP0687858A1 (fr) 1994-06-13 1995-12-20 Praxair Technology, Inc. Atomiseur à angle de vaporisation étroit pour combustible liquide
DE19904395A1 (de) 1999-02-04 2000-08-17 Steinmueller Gmbh L & C Zerstäuberdüse

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2005972C3 (de) * 1970-02-10 1982-06-16 Basf Ag, 6700 Ludwigshafen Zerstäuberkopf
JPS59124828U (ja) * 1983-02-07 1984-08-22 株式会社日立製作所 スラリ燃料噴霧用２流体ノズル
US5281132A (en) * 1992-08-17 1994-01-25 Wymaster Noel A Compact combustor
GB9709205D0 (en) * 1997-05-07 1997-06-25 Boc Group Plc Oxy/oil swirl burner

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0117472A2 (fr) 1983-02-24 1984-09-05 Ente Nazionale Per L'energia Elettrica - (Enel) Pulvérisateur pour un brûleur à combustible liquide
US4708293A (en) 1983-02-24 1987-11-24 Enel-Ente Nazionale Per L'energia Elettrica Atomizer for viscous liquid fuels
EP0248539A1 (fr) 1986-05-07 1987-12-09 Hitachi, Ltd. Atomiseur et chaudière à boue de charbon et d'eau comportant un tel atomiseur
EP0263250A1 (fr) 1986-07-25 1988-04-13 Union Carbide Corporation Atomiseur pour brûleur de post-mélange
EP0676244A1 (fr) 1994-03-11 1995-10-11 Total Raffinage Distribution S.A. Procédé et dispositif de pulvérisation d'un liquide, notamment d'un liquide à haute viscosité, à l'aide d'au moins un gaz auxiliaire
EP0687858A1 (fr) 1994-06-13 1995-12-20 Praxair Technology, Inc. Atomiseur à angle de vaporisation étroit pour combustible liquide
DE19904395A1 (de) 1999-02-04 2000-08-17 Steinmueller Gmbh L & C Zerstäuberdüse

Also Published As

Publication number Publication date
CA2857562A1 (fr) 2013-06-27
EP2795191A2 (fr) 2014-10-29
FR2984995A1 (fr) 2013-06-28
US20140329187A1 (en) 2014-11-06
WO2013093289A3 (fr) 2013-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0755720B1 (fr) Dispositif de pulvérisation d&#39;un produit liquide
FR2468833A1 (fr) Bruleur a recyclage et procede de mise en application de ce bruleur
EP2795191A2 (fr) Dispositif et procédé de pulvérisation de liquide combustible
EP0921349A1 (fr) Procédé de combustion et brûleur à pulverisation de combustible mettant en oeuvre un tel procédé
EP2249968B1 (fr) Appareil et procede pour faire varier les proprietes d&#39;un jet multiphasique
EP0099828B1 (fr) Dispositif pour la combustion de fluides combustibles avec induction d&#39;air
FR2903479A1 (fr) Bruleur a flamme orientable et procede de mise en oeuvre
WO2006013290A1 (fr) Procede de combustion homogene et générateur thermique utilisant un tel procédé.
EP2044367B1 (fr) Bruleur et procede pour la mise en oeuvre alternee d&#39;une oxycombustion et d&#39;une aerocombustion
EP1618334A1 (fr) PROCEDE DE COMBUSTION ETAGEE D UN COMBUSTIBLE LIQUIDE ET D&amp;a pos;UN OXYDANT DANS UN FOUR
EP1247046B1 (fr) Methode et dispositif d&#39;auto-combustion de dechets organiques graisseux comportant un foyer a chauffe tangentielle
CA2530955C (fr) Procede d&#39;oxycombustion d&#39;un combustible liquide
EP3380788B1 (fr) Brûleur
CA2704800A1 (fr) Procede et systeme de combustion
EP2310745B1 (fr) Procede et dispositif de traitement thermique d&#39;au moins un effluent comportant des polluants combustibles
FR2535334A1 (fr) Bruleur a noir de carbone
FR2969515A1 (fr) Pulverisateurs et procedes de pulverisation hybrides
FR3087363A1 (fr) Buse d&#39;atomisation assistee, atomiseur et bruleur le contenant et leur utilisation
BE550737A (fr)
FR2834774A1 (fr) BRULEUR ET PROCEDE POUR LA REDUCTION DE L&#39;EMISSION DES NOx DANS UN FOUR DE VERRERIE
FR2974884A1 (fr) Procede de pulverisation assistee et pulverisateur robuste correspondant
FR2986855A1 (fr) Oxy-bruleur a injections multiples de combustible et procede d&#39;oxy-combustion correspondant
FR2889578A1 (fr) Procede de combustion d&#39;un combustible liquide a atomisation etagee
FR2508602A1 (fr) Procede d&#39;amenee du combustible dans le milieu oxydant lors de la combustion et dispositif pour sa mise en oeuvre
BE550738A (fr)

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12812296

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2857562

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012812296

Country of ref document: EP