EP0099828A2 - Dispositif pour la combustion de fluides combustibles avec induction d'air - Google Patents

Dispositif pour la combustion de fluides combustibles avec induction d'air Download PDF

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EP0099828A2
EP0099828A2 EP83401472A EP83401472A EP0099828A2 EP 0099828 A2 EP0099828 A2 EP 0099828A2 EP 83401472 A EP83401472 A EP 83401472A EP 83401472 A EP83401472 A EP 83401472A EP 0099828 A2 EP0099828 A2 EP 0099828A2
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gas
annular
burner
angle
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Michel Georges Toussaint
Gérard Mougey
Pierre Crespin
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Compagnie Francaise de Raffinage SA
Compagnie de Raffinage et de Distribution Total France SA
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    • C10J2300/0959—Oxygen

Definitions

  • the present invention relates to a fluid mixture combustion device, which makes it possible to obtain a high dilution ratio between an inducing fluid and one or more induced fluids; this device is particularly suitable as burners-torches industrial burnable fuels or residual gases in the best condi- TIOR s, and burners which can work with a high discharge pressure (combustion in a submerged position of the burner, for example).
  • the invention aims to improve such induction burners in order to allow in particular their application in large dimensions such as torch burners intended to burn combustible fluids such as coal or finely atomized fuel oil in air or l oxygen, or residual gases in industrial units - petroleum refineries, steel factories (blast furnace gas) - or in order to burn gases from the gasification of coal.
  • torch burners intended to burn combustible fluids such as coal or finely atomized fuel oil in air or l oxygen, or residual gases in industrial units - petroleum refineries, steel factories (blast furnace gas) - or in order to burn gases from the gasification of coal.
  • the combustion device In such applications as burners: industrial torches, the combustion device must be able to operate efficiently, that is to say ensure complete combustion of combustible materials, with a wide variety of gases, ranging from the heaviest ( butane) to the lighter (methane, refinery gas with a high hydrogen content) or ranging from the poorest gases (poor or medium gas from the gasification of coal) to the richest gases.
  • gases ranging from the heaviest ( butane) to the lighter (methane, refinery gas with a high hydrogen content) or ranging from the poorest gases (poor or medium gas from the gasification of coal) to the richest gases.
  • the ratio between the induced air flow and the flow of gas to be burned, acting as the driving gas, must at all times be greater than or equal to the stoichiometric ratio, so that the burner can operate completely independently , without additional external air supply, even if the flow and pressure of the engine gas vary suddenly in large proportions, as occurs frequently in industry.
  • the burner must, moreover, be able to work efficiently with a discharge overpressure, which, naturally, reduces the induction of atmospheric air. However, this remains sufficient to ensure combustion with excess air in many operating cases.
  • the burner can therefore find application when one wants to carry out a submerged combustion, in which it is necessary to overcome a significant pressure drop.
  • the burner must be equipped with a flame catching device which is effective for a large range of excess air and a wide variety of combustible gases and which does not cause excessive pressure drops additional to the burner nose.
  • the device according to the invention can also be used with steam as the working fluid; the induced fluids are then in principle atmospheric air, and the gas to be burned.
  • This device can then operate as a particularly efficient torch burner insofar as the introduction of steam under pressure makes it possible to considerably increase the induction of air, and to catalyze the combustion reaction.
  • the device according to the invention can finally be used with air or oxygen as the working fluid; the induced fluid or fluids are then combustible fluids.
  • This device can then operate in a manner known per se as a gasifier.
  • the device according to the invention aims to satisfy these various requirements.
  • the subject of the invention is a combustion method according to which a gaseous working fluid is injected at one end of a profiled body open to the atmosphere at its two ends and forming a venturi, so that said gaseous working fluid driven by induction of one or more fluids induced in said body, the resulting mixture being burned at the other end of said body, this process being characterized in that the injection of said working fluid is carried out in said body at least a ply of annular cross section.
  • the Applicant has, in fact, established that such an injection of gaseous fluid in the form of at least one ply or of a veil with annular section, has the effect of considerably increasing the contact surface with the induced fluid, which results in a very high training rate.
  • the induced fluid will be entrained not only at the periphery of the ply of annular cross section, but also along its internal surface, at least one inlet being provided for this purpose in the central part of the injection ring, which will double the exchange surface between fluids.
  • each annular injector is dimensioned, positioned and profiled so as to constitute a body of the tube for the injection nozzle which is located upstream in the flow.
  • the profiled body of the device according to the invention may comprise, in a known manner in the evening, an inlet for induced gaseous fluid, preferably circular, but which may be a simple frustoconical cone converging in the direction of flow of the gas flow, a cylindrical mixer coaxial with said inlet and connected thereto, a truncated cone diverging in the direction of flow in gas flow, this divergent being coaxial with said mixer and connected to it.
  • the diverging part of the body of said device will have the shape of a frustoconical corner with an apex substantially equal to 7 ° relative to the central axis.
  • the Applicant has observed, in fact, that the efficiency of the diffuser (ratio of potential energy recovered to kinetic energy lost) is maximum for an angle at the top of 7 ° relative to the central axis.
  • the diverging part can end in a flared profile, which makes it possible to reduce the size of the burner and to further increase the efficiency.
  • the exit angle of the divergent in this case, is at most 20 °.
  • the means for injecting the pressurized gaseous fluid will comprise one or more annular injectors disposed at the upstream end of the body of the burner.
  • these injectors will be arranged along the axis of said body and the injectors of increasing section will be offset from upstream to downstream along said axis.
  • the annular injector or injectors preferably have a restriction or neck upstream of their orifice and their dimensions are such that the speed of the working fluid at the neck is equal to that of the sound in this fluid. If it is desired to obtain high dilution rates and if there is fluid under high pressure, this is injected into the body of the device with a largely supersonic expansion rate.
  • the annular section of the injector will thus have a convergent-divergent profile and the Applicant has established that it is desirable that the exit angle of the divergent from the injector is equal to approximately 24 °.
  • the outlet section of the injector is then equal to its section at the neck.
  • the ratio R between the section at the annular neck of each injector and the section of each mixer should be very low (0.0033, ⁇ R ⁇ 0.033).
  • an additional induced fluid inlet will be present in the central part of each injector, in order to double the exchange surfaces.
  • the flame catcher will therefore be of the aerodynamic type with opening and it will include for this purpose two coaxial cylinders of unequal length joined by an annular part, the shortest cylinder, open at its two ends, being connected to the end of the diffuser. , preferably by means of a cylindrical element forming stabilizer of the speed of the fluids, the annular part joining the two cylinders being perpendicular to the axis of the burners.
  • the longer outer cylinder promotes the establishment of a stable flow regime. It is connected to a conical opening angle at the top between 10 and 35 °.
  • the profile of the flue can be scalable with a cylindrical radius of curvature, so that the angle at the final apex of the flue is equal to 180 °.
  • the flame adheres to the wall of the refractory pipe, by Coanda effect.
  • This workpiece, heated at high temperature, radiates towards the charge to be heated.
  • the ignition of the fluids takes place at the end of the internal cylinder thereof, while a recirculation of the fumes occurs between the two cylinders and brings the combustible mixture to a temperature above its ignition temperature.
  • Two or more passages can advantageously be provided in the internal cylinder of the flame catcher, so as to supply a combustible mixture to the smoke recirculation zone.
  • one or more fresh air intake orifices may be provided in the external cylinder.
  • the quantity of fluid induced in such a burner is such that the dilution rate, that is to say the ratio of the mass flow of induced fluid to the mass flow of working fluid, is clearly greater than unity and can reach values greater than 50, whatever the supply pressure, while obtaining a perfectly stable flame.
  • the injectors of annular sections can be produced in a manner known per se: they can also be advantageously replaced for reasons of simplicity of construction by one or more bundles of cylindrical tubes arranged in rings on the outer surface a metallic or refractory skirt which fulfills the function of the body of the horn described above.
  • the device according to the invention can be advantageously used in industry in all techniques using industrial burners or gasifiers, for example in heat treatment furnaces, in refinery furnaces or flares, glassworks, furnaces ceramic, in processes with submerged combustion or when the burnt gases must overcome a high pressure drop, as well as in the gasification processes of coal or petroleum residues.
  • the burner shown in FIG. 1 comprises two induced fluid inlets 1, arranged upstream in the direction of flow of the gas and delimited by a converging profile, which may possibly be frustoconical. Each profile is connected to a cylindrical portion 2, forming a mixer, extending by a divergent 3, in the form of a truncated cone forming a diffuser.
  • the diverging portion of the burner body may have a profile 3a which widens regularly downstream in the manner of a trumpet, which increases the efficiency of the diffuser.
  • the exit angle 0 ′ of the divergent 3a is at most equal to 20 °.
  • a cylindrical chamber 4 serve as a stabilizer intended to homogenize the speed of the gases.
  • the chamber 4 is provided, at its downstream end, with an aerodynamic type flame catcher, which will be described in more detail below.
  • the inlet of the working fluid is effected by a nozzle 6 with annular section.
  • the nozzles 6 are pierced along the axis of a conduit 8, open at their two ends and which communicate with the atmosphere through their downstream end.
  • the air supply is carried out in the usual way by entrainment by the combustible gas, which acts as a driving agent, but, the gas being injected under pressure and at high speed in the form of a sheet cylindrical or conical, in contact with the air both by its external part and by its internal part, diffusion and mixing with the air occur very quickly, with a minimum pressure drop in contact with the walls.
  • a variant of this gas burner type application consists in supplying the device shown in FIG. 1 with a working fluid consisting of pressurized steam in place of the combustible gas.
  • the induced fluids are then the combustible fluid and the atmospheric air which can be introduced as a mixture or separately.
  • the flame catch 5 disposed at the downstream end of the stabilizer 4 is of the aerodynamic type and comprises two coaxial cylinders 5a, 5b, joined by an annular part 9 perpendicular to the axis of the stabilizer 4.
  • the cylinder 5a open at its two ends, is arranged in the extension of the stabilizer 4. Its walls are pierced with orifices 10, allowing the passage of the combustible mixture in the interval separating the cylinder 5a from the cylinder 5b.
  • the latter is longer than the cylinder 5a.
  • It is extended by a frustoconical opening 11 which diverges in the direction of flow, with an apex angle p of between 10 and 35 °.
  • the profile of the opening 12 can be evolving cylindrical with an angle at the final vertex of 90 ° relative to the axis.
  • the initial ignition of the air-gas mixture arriving through the stabilizer 4 and the continuous re-ignition of the flame are ensured by the recirculation, in the space separating the two cylinders, of high temperature fumes, which bring the combustible mixture to a temperature higher than its ignition temperature. Because no material obstacle is placed on the path of the gas mixture, it does not undergo significant pressure drops.
  • FIG. 3 A preferred embodiment of an annular injection nozzle appears in FIG. 3.
  • the wall of each injector closest to the axis X'X, is substantially cylindrical and ends in a diverging angle of angle e substantially equal to 7 °.
  • the other wall has a protuberance defining with the adjacent wall a neck 7 separating a convergent from a diverging angle of angle ⁇ 2 between 0 and 24 ° (0 ° in the case where the gas pressure is low, and the flow is subsonic, and 24 ° in the case of a sonic flow at the neck and largely supersonic in the divergent).
  • the values to be adopted vary according to the gas considered, its temperature and its pressure, and it is therefore desirable to be able to easily replace one or more injectors of the same burner.
  • Figure 4 shows a detailed view of the entire fluid injection section here comprising three injectors.
  • Example 1 illustrates the dilution effect which can be obtained on gas burners fitted with injectors described above.
  • FIG. 5 relates to the injection of methane with an annular injector having a slit width of 0.1 mm.
  • the dilution rate Q "/ Q ' is very high and clearly higher than the stoichiometric ratio. It is however necessary to operate under an injection pressure of at least 3 bars relative, because, at lower pressure, the quantity of induced air is too high, which results in mixing conditions between methane and air, such that one is outside the flammable boundary conditions, in which case the latter must be artificially reduced the induced air flow by means of an adjustable intake window.
  • FIG. 6 reports tests carried out with ethane and an annular injector with a slit width equal to 0.1 mm.
  • the dilution rate is equal to or greater than the stoichiometric ratio and there is an excellent adaptation of this ratio to the injection pressure.
  • the flame is perfectly stable throughout the pressure range.
  • FIG. 7 relates to propane tests with an annular injection slit of 0.1 mm. of width.
  • Q also, the dilution ratio is generally higher to the stoichiometric ratio, although it tends to decrease at high pressures.
  • FIG. 8 relates to similar tests carried out with butane and an annular injector with a slit width equal to 0.1 mm. These tests show that the dilution ratio is very close to the stoichiometric ratio.
  • FIG. 9 relates to other tests carried out with methane and an annular injector with a slit width equal to 0.2 mm. This figure is therefore to be compared with FIG. 5, which relates to similar tests carried out with an injection slot of width equal to 0.1 mm. In this case, too, the report adapts well to pressure variations and remains close to the stoichiometric ratio. The flame is perfectly stable throughout the supply pressure range.
  • Example 2 illustrates the advantage of the device according to the present invention when using a working fluid consisting of steam under pressure.
  • Curve A in FIG. 10 relates to the injection of steam as a working fluid with an annular injector having a slit width of 0.1 mm.
  • the combustible gas is induced in the axis of the device, and the induced air arrives at the periphery of the annular injector.
  • This curve A shows that the dilution rate obtained is very high and can commonly reach values from 30 to 50.
  • annular injection of example 2 was replaced by a bundle of 8 tubes of 2mm diameter at the neck arranged in a ring on a metal skirt of diameter equivalent to that of example 2.
  • Curve B of FIG. 10 relates to the results obtained with this type of injector by annular bundles of tubes. These results show the equivalence of the results with those of the previous example.

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Abstract

Le procédé de combustion selon l'invention consiste à injecter le gaz à une extrémité d'une tête de combustion (1, 2, 3, 4) ouverte à l'atmosphère à ses deux extrémités et formant venturi, de manière à ce que ledit gaz combustible entraîne par induction de l'air atmosphérique dans ladite tête, le mélange résultant d'air et de gaz étant brûlé à l'autre extrémité de ladite tête. L'injection du gaz dans ladite tête s'effectue suivant au moins une nappe à section transversale annulaire.
L'invention s'applique notamment aux brûleurs industriels à gaz.

Description

  • La présente invention concerne un dispositif de combustion de mélange de fluides, qui permet d'obtenir un fort rapport de dilution entre un fluide inducteur et un ou plusieurs fluides induits; ce dispositif convient particulièrement en tant que brûleurs-torches industriels pouvant brûler des combustibles ou des gaz résiduels dans les meilleures condi- tiors, et brûleurs pouvant travailler avec une forte surpression de refoulement (combustion en position immergée du brûleur, par exemple).
  • On connaît, dans la technique, divers types de brûleurs industriels à gaz avec induction d'air atmosphérique. Dans ces brûleurs, un jet de gaz sous forte pression est dirigé par un injecteur eh direction d'une tête de brûleur, dont une partie formant venturi est ouverte à ses deux extrémités, de manière que le gaz entrant à une extrémité entraîne lui-même l'air nécessaire à sa combustion, sans nécessiter d'organes de ventilation auxiliaires, et se mélange intimement à cet air dans le venturi, le mélange brûlant à l'autre extrémité de la tête du brûleur..
  • Une étude détaillée de tels brûleurs, tant sur le plan théorique que sur le plan technique, est donnée dans la référence suivante: "Les brûleurs industriels à gaz" de Pierre HOSTALIER, Edition Eyrolles.
  • L'invention vise à perfectionner de tels brûleurs à induction en vue de permettre notamment leur application sous de grandes dimensions comme les brûleurs-torches destinés à brûler des fluides combustibles tels que du charbon ou du fuel finement pulvérisé dans de l'air ou de l'oxygène, ou des gaz résiduels dans les unités industrielles - raffineries de pétrole, usines sidérurgiques (gaz de hauts-fourneaux) - ou afin de brûler les gaz issus de la gazéification du charbon.
  • Dans de telles applications en brûleurs:torches industriels, le dispositif de combustion doit être apte à fonctionner de façon efficace, c'est-à-dire assurer une combustion complète des matières combustibles, avec une grande variété de gaz, allant des plus lourds (butane) aux plus légers (méthane, gaz de raffinerie à forte teneur en hydrogène) ou bien allant des gaz les plus pauvres (gaz pauvre ou moyen issus de la gazéification du charbon) jusqu'aux gaz les plus riches.
  • Dans l'application brûleur, le rapport entre le débit d'air induit et le débit de gaz à brûler, agissant comme gaz moteur, doit à tout moment être supérieur ou égal au rapport stoechiométrique, afin que le brûleur puisse opérer de façon entièrement autonome, sans apport d'air extérieur complémentaire, même si le débit et la pression du gaz moteur varient brusquement dans de grandes proportions, comme cela se-produit fré- quemment dans l'industrie.
  • Le brûleur doit, par ailleurs, pouvoir travailler efficacement avec une surpression de refoulement, laquelle, naturellement, réduit l'induction d'air atmosphérique. Celle-ci reste toutefois suffisante pour assurer une combustion avec excès d'air dans de nombreux cas de fonctionnement. Le brûleur peut donc trouver application lorsque l'on veut effectuer une combustion immergée, dans laquelle il est nécessaire de vaincre une perte de charge importante.
  • Enfin, pour stabiliser la flamme, le brûleur doit être équipé d'un dispositif accroche-flamme qui soit efficace pour une grande gamme d'excès d'air et une grande diversité de gaz combustibles et qui n'entraîne pas de pertes de charge excessives supplémentaires au nez du brûleur.
  • Le dispositif selon l'invention peut également être utilisé avec de la vapeur comme fluide moteur; les fluides induits sont alors en principe l'air atmosphérique, et le gaz à brûler. Ce dispositif peut alors fonctionner en brûleur torche particulièrement efficace dans la-mesure où l'introduction de vapeur sous pression permet d'augmenter considérablement l'induction d'air, et de catalyser la réaction de combustion.
  • Le dispositif selon l'invention peut enfin être utilisé avec de l'air ou de l'oxygène comme fluide moteur; le ou les fluides induits sont alors des fluides combustibles. Ce dispositif peut alors fonctionner de façon connue en soi comme gazéifieur.
  • Le dispositif conforme à l'invention vise à satisfaire ces divers impératifs.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de combustion selon lequel on injecte un fluide gazeux moteur à une extrémité d'un corps profilé ouvert à l'atmosphère à ses deux extrémités et formant venturi, de manière que ledit fluide gazeux moteur entraîné par induction d'un ou de plusieurs fluides induits dans ledit corps, le mélange résultant étant brûlé à l'autre extrémité dudit corps, ce procédé étant caractérisé en ce que l'injection dudit fluide moteur s'effectue dans ledit corps suivant au moins une nappe à section transversale annulaire.
  • La Demanderesse a, en effet, établi qu'une telle injection de fluide gazeux sous la forme d'au moins une nappe ou d'un voile à section annulaire, a pour effet d'accroître considérablement la surface de contact avec le fluide induit, ce qui se traduit par un taux d'entraînement très élevé.
  • Avantageusement, le fluide induit sera entraîné non seulement à la périphérie de la nappe à section transversale annulaire, mais également suivant sa surface interne, au moins une entrée étant prévue dans ce but dans la partie centrale de l'anneau d'injection, ce qui doublera la surface d'échange entre fluides.
  • Lorsque cela sera possible technologiquement, on pourra avantageusement utiliser deux, trois ou même davantage de voiles annulaires, de manière à ce que chacun d'eux produise son propre effet d'entraînement.
  • Pour ce faire, les nappes ou voiles de fluides à section annulaire seront disposés de préférence suivant un même axe d'injection, les orifices d'injection des nappes à section annulaire croissante étant décalés d'amont en aval en direction du corps de combustion: chaque injecteur annulaire est dimensionné, positionné et profilé de façon à constituer un corps de trompe pour la buse d'injection qui est située en amont dans l'écoulement. Ainsi, les effets successifs de chacune des trompes induisent un débit de fluide supérieur à ce qui serait obtenu avec des injecteurs annulaires placés concentriquement dans une même zone.
  • Le corps profilé du dispositif conforme à l'invention pourra comprendre, de façon connue en soir une entrée de fluide gazeux induit, de préférence circulaire, mais qui peut être un simple tronc de cône convergent dans le sens de l'écoulement du flux gazeux, un mélangeur de forme cylindrique coaxial à ladite entrée et raccordé à celle-ci, un tronc de cône divergent dans le sens d'écoulement en flux gazeux, ce divergent étant coaxial audit mélangeur et raccordé à celui-ci.
  • Conformément à l'invention, le divergent du corps dudit dispositif aura la forme d'un tronc de cône d'angle au sommet sensiblement égal à 7° par rapport à l'axe central. La Demanderesse a remarqué, en effet, que le rendement du diffuseur (rapport de l'énergie potentielle récupérée à l'énergie cinétique perdue) est maximal pour un angle au sommet de 7° par rapport à l'axe central. Toutefois, lorsque cela est possible économiquement et technologiquement, le divergent peut se terminer par un profil évasé, ce qui permet de réduire l'encombrement du brûleur et d'augmenter encore le rendement. L'angle de sortie du divergent, dans ce cas, est au maximum de 20°.
  • Dans ce divergent, la pression augmente par conversion de l'énergie cinétique du fluide en décélération régulière. Il a été constaté que l'adjonction d'une section cylindrique à la sortie du diffuseur divergent assure une augmentation supplémentaire de la pression, car l'écoulement est régularisé et ralenti de façon supplémentaire.
  • Les moyens d'injection du fluide gazeux sous pression comprendront un ou plusieurs injecteurs annulaires disposés à l'extrémité amont du corps du brûleur. Dans le cas où le dispositif comprend plusieurs injecteurs annulaires à sections différentes, ces injecteurs seront disposés suivant l'axe dudit corps et les injecteurs de section croissante seront décalés d'amont en aval suivant ledit axe.
  • Le ou les injecteurs annulaires présentent de préférence une restriction ou col en amont de leur orifice et leurs dimensions sont telles que la vitesse du fluide moteur au niveau du col soit égale à celle du son dans ce fluide. Si l'on veut obtenir des taux de dilution élevés et si l'on dispose de fluide sous forte pression, celui-ci est injecté dans le corps du dispositif avec un taux de détente largement supersonique. La section annulaire de l'injecteur aura ainsi un profil convergent-divergent et la Demanderesse a établi qu'il est souhaitable que l'angle de sortie du divergent de l'injecteur soit égal à 24° environ. Par contre, si la pression du fluide moteur disponible est trop faible, le taux de détente critique du fluide n'étant pas atteint, il est souhaitable de réduire au maximum la longueur du divergent de manière à obtenir une meilleure adaptation. La section de sortie de l'injecteur est alors égale à sa section au col.
  • Dans le même but, le rapport R entre la section au col annulaire de chaque injecteur et la section de chaque mélangeur devra être très faible (0,0033 ,< R < 0,033).
  • Dans le même but, une entrée de fluide induit additionnelle sera présente dans la partie centrale de chaque injecteur, afin de doubler les surfaces d'échange.
  • En vue de stabiliser la flamme à l'extrémité de la tête de combustion, celle-ci sera équipée d'un accroche-flamme. Afin de limiter les pertes de charge dues à cet accroche-fJ&mme, celui-ci ne devra pas produire un rétrécissement de la section de passage du mélange des fluides à la sortie du diffuseur. L'accroche-flamme sera donc du type aérodynamique avec ouvreau et il comprendra dans ce but deux cylindres coaxiaux de longueur inégale réunis par une partie annulaire, le cylindre le plus court, ouvert à ses deux extrémités, étant raccordé à l'extrémité du diffuseur, de préférence par l'intermédiaire d'un élément cylindrique formant stabilisateur de la vitesse des fluides, la partie annulaire réunissant les deux cylindres étant perpendiculaire à l'axe des brûleurs. Le cylindre extérieur, plus long, favorise l'établissement d'un régime d'écoulement stable. Il est raccordé à un ouvreau conique d'angle au sommet compris entre 10 et 35°.
  • Dans un ouvreau conique, la vitesse d'écoulement du mélange décroît en même temps que la section augmente et le front de flamme se stabilise dans une zone où il y a égalité des vitesses d'écoulement et de propagation de flamme. Il a été remarqué que plus l'angle au sommet était ouvert, plus la souplesse du brûleur était grande.
  • Optionnellement, pour des applications particulières telles que les brûleurs radiants par exemple, le profil de l'ouvreau peut être évolutif avec un rayon de courbure cylindrique, de façon que l'angle au sommet final de l'ouvreau soit égal à 180°. Dans ce cas, la flamme adhère à la paroi de l'ouvreau réfractaire, par effet Coanda. Cet ouvreau, chauffé à haute température, rayonne vers la charge à chauffer.
  • Avec un tel accroche-flamme, l'inflammation des fluides s'effectue à l'extrémité du cylindre interne de celui-ci, tandis qu'une recirculation des fumées se produit entre les deux cylindres et porte le mélange combustible à une température supérieure à sa température d'inflammation. Deux ou plusieurs passages peuvent être avantageusement ménagés dans le cylindre interne de l'accroche-flamme, de manière à alimenter en mélange combustible la zone de recirculation des fumées. De même, optionnellement, un ou plusieurs orifices d'admission d'air frais pourront être prévus dans le cylindre externe.
  • Des essais effectués par la Demanderesse et qui seront rapportés ci-après, il ressort qu'avec des fluides moteurs très différents, la quantité de fluide induit dans un tel brûleur est telle que le taux de dilution, c'est-à-dire le rapport du débit massique de fluide induit au débit massique de fluide moteur, est nettement supérieur à l'unité et peut atteindre des valeurs supérieures à 50, quelle que soit la pression d'alimentation, tout en obtenant une flamme parfaitement stable.
  • Selon une variante de la présente invention, les injecteurs de sections annulaires peuvent être réalisés de façon connue en soi: ils peuvent être aussi remplacés avantageusement pour des raisons de simplicité de construction par un ou plusieurs faisceaux de tubes cylindriques disposés en anneaux à la surface extérieure d'une jupe métallique ou réfractaire qui remplit la fonction du corps de trompe précédemment décrit.
  • Le dispositif conforme à l'invention peut être employé avantageusement dans l'industrie dans toutes les techniques utilisant des brûleurs ou gazéifieurs industriels, par exemple dans les fours de traitement thermique, dans les fours ou les torchères de raffinerie, les verreries, les fours de céramique, dans les procédés avec combustion immergée ou bien lorsque les gaz brûlés doivent vaincre une forte perte de charge, ainsi que dans les procédés de gazéification du charbon ou des résidus pétroliers.
  • Ses performances subsistent en outre lorsqu'il travaille avec une grande diversité de fluide, ce qui permet de l'utiliser comme torchère pour brûler des gaz résiduels dans l'industrie, et en particulier avec injection de vapeur comme fluide moteur. L'invention sera plus complètement décrite ci-après, en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
    • la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un brûleur conforme à l'invention;
    • la figure 2 illustre schématiquement une variante de réalisation du corps du brûleur, de l'accroche-flamme et de l'ouvreau;
    • la figure 3 est une coupe partielle, à plus grande échelle, d'une buse d'injection;
    • la figure 4 est une vue de détail illustrant la section d'injection;
    • les figures 5 à 9 représentent, en application brûleur à gaz, pour différents gaz, des courbes indiquant les débits d'air induit en fonction du débit de gaz combustible, à diverses pressions d'injection, dans le cas d'un brûleur équipé d'un unique injecteur annulaire;
    • la figure 10 représente deux courbes donnant les taux de dilution soit à partir d'un injecteur annulaire, soit à partir d'un injecteur à faisceau annulaire.
  • Le brûleur représenté sur la figure 1 comprend deux entrées de fluide induit 1, disposées en amont dans le sens d'écoulement du gaz et délimitées par un profil convergent, qui peut être éventuellement tronconique. Chaque profil est raccordé à une portion cylindrique 2, formant mélangeur, se prolongeant par un divergent 3, en forme de tronc de cône formant diffuseur.
  • En variante (figure 2), le divergent du corps du brûleur peut avoir un profil 3a s'évasant régulièrement vers l'aval à la manière d'une trompette, ce qui accroît le rendement du diffuseur. Dans ce cas, l'angle de sortie 0' du divergent 3a est au plus égal à 20°.
  • A l'extrémité du divergent 3 du corps du brûleur est fixée une chambre cylindrique 4, servent de stabilisateur destiné à homogénéiser la vitesse des gaz. La chambre 4 est munie, à son extrémité en aval, d'un accroche-flamme de type aérodynamique, qui sera décrit plus en détail ci-après.
  • L'arrivée du fluide moteur s'effectue par une buse 6 à section annulaire.
  • Les buses 6 sont percées suivant l'axe d'un conduit 8, ouvertes à leurs deux extrémités et qui communiquent avec l'atmosphère par leur extrémité aval.
  • Dans une application brûleur à gaz, l'alimentation en air s'effectue de façon usuelle par entraînement par le gaz combustible, qui sert d'agent moteur, mais, le gaz étant injecté sous pression et à grande vitesse sous forme d'une nappe cylindrique ou conique, en contact-avec l'air aussi bien par sa partie externe que par sa partie interne, une diffusion et un mélange avec l'air se produisent très rapidement, avec un minimum de perte de charge au contact des parois. L'échange d'énergie entre les deux flux gazeux, le flux moteur de gaz combustible, d'une part, et le flux d'air induit, d'autre part, d'abord dans les mélangeurs 2, puis dans les divergents 3, conduit à un mélange extrêmement homogène à l'entrée du stabilisateur 4. En outre, du fait de la grande vitesse du gaz d'injection, l'induction d'air multiple, à la périphérie et au centre des nappes du gaz combustible, et de l'importance des surfaces de contact gaz-air, on obtient une très importante dilution du gaz combustible dans tous les cas, supérieure au mélange stoechiométrique.
  • Une variante de cette application de type brûleur à gaz consiste à alimenter le dispositif représenté sur la figure 1 avec un fluide moteur constitué de vapeur sous pression à la place du gaz combustible. Les fluides induits sont alors le fluide combustible et l'air atmosphérique qui peuvent être introduits en mélange ou séparément.
  • L'accroche-flamme 5 disposé à l'extrémité aval du stabilisateur 4 est du type aérodynamique et comprend deux cylindres coaxiaux 5a, 5b, réunis par une partie annulaire 9 perpendiculaire à l'axe du stabilisateur 4. Le cylindre 5a, ouvert à ses deux extrémités, est disposé dans le prolongement du stabilisateur 4. Ses parois sont percées d'orifices 10, permettant le passage du mélange combustible dans l'intervalle séparant le cylindre 5a du cylindre 5b. Ce dernier est plus long que le cylindre 5a. Il est prolongé par un ouvreau 11 tronconique divergent dans le sens de l'écoulement, avec un angle au sommet p compris entre 10 et 35°. Dans certains cas, le profil de l'ouvreau 12 peut être évolutif cylindrique avec un angle au sommet final de 90° par rapport à l'axe.
  • L'inflammation initiale du mélange air-gaz arrivant par le stabilisateur 4 et le réallumage continuel de la flamme sont assurés par la recirculation, dans l'espace séparant les deux cylindres, de fumées à haute température, qui portent le mélange combustible à une température supérieure à sa température d'inflammation. Du fait qu'aucun obstacle matériel n'est disposé sur le trajet du mélange gazeux, celui-ci ne subit pas de pertes de charge notables.
  • Une forme de réalisation préférée de buse d'injection annulaire apparaît sur la figure 3. La paroi de chaque injecteur la plus proche de l'axe X'X, est sensiblement cylindrique et se termine par un divergent d'angle e sensiblement égal à 7°. L'autre paroi présente une protubérance définissant avec la paroi adjacente un col 7 séparant un convergent d'un divergent d'angle α2 compris entre 0 et 24° (0° dans le cas où la pression du gaz est faible, et l'écoulement est subsonique, et 24° dans le cas d'un écoulement sonique au col et largement supersonique dans le divergent).
  • Si l'on appelle s la section annulaire au niveau du col de chaque injecteur, si la section de l'injecteur à l'extrémité du convergent d'angle α2 et Sm la section du mélangeur 2a, situé immédiatement en aval dudit injecteur, la Demanderesse a établi que, pour obtenir un rendement optimum du brûleur, ces paramètres doivent répondre aux conditions suivantes:
    Figure imgb0001
    et
    Figure imgb0002
  • Les valeurs à adopter varient en fonction du gaz considéré, de sa température et de sa pression, et il est donc souhaitable de pouvoir remplacer facilement un ou plusieurs injecteurs d'un même brûleur.
  • La figure 4 représente une vue de détail de l'ensemble de la section d'injection des fluides comprenant ici trois injecteurs.
  • L'exemple 1 suivant illustre l'effet de dilution qui peut être obtenu sur des brûleurs à gaz munis d'injecteurs précédemment décrits.
    • E X E M P L E 1
  • On a utilisé un brûleur à un seul injecteur annulaire, présentant les caractéristiques dimensionnelles suivantes:
    • - longueur de mélangeur 2a = 66 mm ;
    • - diamètre du mélangeur 2a = 30 mm ;
    • - angle au sommet du cône divergent du diffuseur: 7° ;
    • - diamètre de sortie du divergent: 70 mm;
    • - diamètre du stabilisateur 4: 70 mm ;
    • - longueur du stabilisateur 4: 145 mm;
    • - diamètre interne du cylindre 5a de l'accroche-flamme: 70 mm ;
    • - longueur du cylindre 5a de l'accroche-flamme: 50 mm ;
    • - diamètre interne du cylindre 5b de l'accroche-flamme: 120 mm ;
    • - longueur du cylindre 5b de l'accroche-flamme: 60 mm ;
    • - angle de révolution du cône de l'ouvreau 11: β = 30°;
    • - longueur de l'ouvreau divergent 11: 50 mm ;
    • - diamètre de sortie du brûleur: 145 mm.;
    • - largeur des fentes annulaires des injecteurs successivement utilisés: 0,1; 0,2; et 0,4 mm.
  • Avec ce brûleur, une série systématique d'essais a été effectuée avec du méthane, de l'éthane, du propane et du butane, à différentes pressions d'alimentation, en utilisant les divers injecteurs annulaires.
  • Les mesures ont porté à chaque fois sur le débit Q' de gaz combustible servant de gaz moteur, le débit Q" d'air induit et la stabilité de la flamme.
  • Les résultats obtenus dans cinq de ces essais apparaissent sur les figures 5, 6, 7, 8 et 9 des dessins annexés.
  • La figure 5 concerne l'injection de méthane avec un injecteur annulaire ayant une largeur de fente de 0,1 mm. Le taux de dilution Q"/Q' est très élevé et nettement supérieur au rapport stoechiométrique. Il est cependant nécessaire d'opérer sous une pression d'injection d'au moins 3 bars relatifs, car, à plus faible pression, la quantité d'air induit est trop élevée, ce qui se traduit par des conditions de mélange, entre le méthane et l'air, telles que l'on est en dehors des conditions limites d'inflammabilité. Il faut, dans ce dernier cas, réduire artificiellement le débit d'air induit au moyen d'une fenêtre d'admission réglable.
  • La figure 6 rapporte des essais effectués avec l'éthane et un injecteur annulaire à largeur de fente égale à 0,1 mm. Le taux de dilution
    Figure imgb0003
    est égal ou supérieur au rapport stoechiométrique et l'on constate une excellente adaptation de ce rapport à la pression d'injection. La flamme est parfaitement stable dans tout le domaine de pression.
  • La figure 7 concerne des essais au propane avec une fente annulaire d'injection de 0,1 mm. de largeur. Dans ce cas, Q également, le rapport de dilution
    Figure imgb0004
    est généralement supérieur au rapport stoechiométrique, bien qu'il ait tendance à baisser aux fortes pressions.
  • La figure 8 concerne des essais similaires effectués avec le butane et un injecteur annulaire de largeur de fente égale à 0,1 mm. Ces essais montrent que le rapport de dilution
    Figure imgb0005
    est très voisin du rapport stoechiométrique.
  • La figure 9 concerne d'autres essais effectués avec du méthane et un injecteur annulaire de largeur de fente égale à 0,2 mm. Cette figure est à rapprocher par conséquent de la figure 5, qui concerne des-essais similaires effectués avec une fente d'injection de largeur égale à 0,1 mm. Dans ce cas, également, le rapport
    Figure imgb0006
    s'adapte bien aux variations de pression et reste voisin du rapport stoechiométrique. La flamme est parfaitement stable dans tout le domaine des pressions d'alimentation.
  • Des essais avantageux conduits avec des injecteurs annulaires de plus grande section ont confirmé ces excellentes performances du brûleur selon l'invention.
  • De façon surprenante, ces performances se maintiennent même lorsque le brûleur a des dimensions très importantes, pouvant atteindre des diamètres supérieurs à .200 mm. à la sortie du brûleur (diamètre de sortie du divergent). Il peut donc être utilisé avec avantage comme brûleur-torche pour brûler des gaz résiduels dont la composition, le débit et la pression sont sujets à de fréquentes variations.
  • L'exemple 2 suivant illustre l'intérêt du dispositif selon la présente invention lorsque l'on utilise un fluide moteur constitué par de la vapeur sous pression.
    • E X E M P L E 2
  • On a utilisé le même dispositif que celui décrit dans l'exemple 1. La courbe A de la figure 10 concerne l'injection de vapeur en tant que fluide moteur avec un injecteur annulaire ayant une largeur de fente de 0,1 mm.
  • Le gaz combustible est induit dans l'axe du dispositif, et l'air induit arrive à la périphérie de l'injecteur annulaire.
  • Cette courbe A montre que le taux de dilution obtenu
    Figure imgb0007
    est très élevé et peut atteindre couramment des valeurs de 30 à 50.
    • EXEMPLE 3
  • A titre de variante, l'injection annulaire de l'exemple 2 a été remplacée par un faisceau de 8 tubes de 2mm de diamètre au col disposés en anneau sur une jupe métallique de diamètre équivalent à celui de l'exemple 2.
  • La courbe B de la figure-10 concerne les résultats obtenus avec ce type d'injecteur par faisceaux annulaires de tubes. Ces résultats montrent l'équivalence des résultats avec ceux de l'exemple précédent.

Claims (16)

1. Dispositif pour la combustion de mélange de fluides, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs injecteurs (6) de fluide moteur à section transversale annulaire disposé autour de l'axe central, à la sortie duquel est placé un corps de brûleur formant venturi (1, 2, 3, 4), puis un accroche-flamme (5) de type aérodynamique à ouvreau disposé à l'extrémité dudit corps opposée à l'extrémité (1) de l'injection.
2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une pluralité d'injecteurs annulaires (6) de sections différentes, caractérisé en ce que chaque injecteur est dimensionné de façon à constituer lui-même un corps de trompe pour la buse d'injection située en amont dans l'écoulement des fluides.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le ou lesdits injecteurs (6) présentent une restriction définissant un col (7) d'un convergent-divergent, en amont de leur orifice d'injection.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le divergent suivant ledit col (7) a un angle au sommet (α2) compris entre 0 et 24°.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la paroi de chaque injecteur (6) la plus proche de son axe X'-X comporte une partie parallèle à cet axe se terminant par un divergent d'angle (α1) sensiblement égal à 7°.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la section annulaire s c au niveau du col de chaque injecteur, la section annulaire si au niveau de l'orifice de chaque injecteur et la section S du mélangeur situé immédiatement en aval dudit injecteur répondent aux conditions suivantes:
Figure imgb0008
Figure imgb0009
7. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque injecteur à section annulaire peut être constitué par un faisceau de tubes cylindriques disposés en anneau à la surface extérieure d'une jupe métallique ou réfractaire qui remplit la fonction de corps de trompe.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une entrée d'air additionnelle (8) est ménagée suivant l'axe du ou desdits moyens d'injection (6).
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit corps du brûleur comprend d'amont en aval une entrée d'air (1), de préférence convergente dans le sens d'écoulement du gaz, un mélangeur de forme cylindrique (2), coaxial à ladite entrée d'air (1) et raccordé à celle-ci, et un divergent formant diffuseur de gaz (3), coaxial audit mélangeur et raccordé à celui-ci.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit corps du brûleur a un profil continu, évasé vers l'aval en forme de trompette, l'angle (oC) d'extrémité du divergent (3a) étant au plus égal à 20°.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'ouvreau (11) dudit accroche-flamme (5) a un profil tronconique d'angle au sommet compris entre 10° et 35° ou, éventuellement, un profil évolutif d'angle au sommet égal à 90° par rapport à l'axe.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit accroche-flamme (5) comporte deux parties cylindriques coaxiales (5a, 5b) de longueur inégale, réunies par une partie annulaire, le cylindre le plus court (5a), ouvert à ses deux extrémités, étant raccordé à.l'extrémité aval du diffuseur (3), de préférence par l'intermédiaire d'un élément cylindrique (4) formant stabilisateur de la vitesse des gaz, la partie annulaire (9), réunissant les deux cylindres (5a, 5b), étant perpendiculaire à l'axe du diffuseur (3) à la périphérie de l'extrémité de celle-ci ou du stabilisateur cylindrique qui la prolonge.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite partie cylindrique (5a) de l'accroche-flamme (5) est percée d'ouvertures (10) pour le passage du mélange gazeux combustible et en ce que ladite partie cylindrique (5b) est éventuellement percée d'ouvertures pour le passage d'air lorsque le brûleur fonctionne sans surpression de refoulement.
14. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, selon laquelle le fluide combustible est un gaz contenant du charbon ou du fuel finement pulvérisé, ou un gaz résiduel d'unité industrielle, ou un gaz issu de la gazéification du charbon.
15. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, selon laquelle le fluide moteur injecté est constitué par de la vapeur sous pression, et le ou les fluides induits sont constitués de fluide combustible et d'air ou d'oxygène qui peuvent être introduits en mélange ou séparément.
16. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, selon laquelle le dispositif fonctionne en gazéifieur par introduction d'air ou d'oxygène comme fluide moteur, et de. fluide combustible comme fluide induit.
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