EP1907754B1 - Procédé et installation de combustion de gaz combustible pauvre, sans soutien, à l'aide d'un brûleur et brûleur associé - Google Patents

Procédé et installation de combustion de gaz combustible pauvre, sans soutien, à l'aide d'un brûleur et brûleur associé Download PDF

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EP1907754B1
EP1907754B1 EP06794220.1A EP06794220A EP1907754B1 EP 1907754 B1 EP1907754 B1 EP 1907754B1 EP 06794220 A EP06794220 A EP 06794220A EP 1907754 B1 EP1907754 B1 EP 1907754B1
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EP
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mixture
flow
air
combustion
burner
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Jean-Claude Dieuloufet
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Optimise a Responsabilite Ltee Ste
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/045—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F23D14/64—Mixing devices; Mixing tubes with injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2201/00—Staged combustion
    • F23C2201/20—Burner staging
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06043—Burner staging, i.e. radially stratified flame core burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14002—Special features of gas burners of premix or non premix types, specially adapted for the combustion of low heating value [LHV] gas

Definitions

  • the invention relates to a method for producing the combustion of a lean fuel gas without auxiliary support flame, by means of a burner comprising a combustion nose on a central axis, in which a mixture of combustible gas is created and of combustion air rotating around the central axis, in front of the combustion nose.
  • It also relates to a burner structure, in particular of high power, for the implementation of the method and any gas combustion installation using this burner.
  • poor gas means any gas of low heating value (ICP) less than 138 kJ (3000 Kcal) per m 3 and in particular any very poor gas which has a PCI less than 4200 kJ (1000 Kcal) and which relates more particularly to the subject of the present invention.
  • ICP low heating value
  • the poor or residual gas burners generally comprise different fuel fluid supply ducts at the nose of the burner, the ducts being configured, in particular in coaxial form, so as to produce one or more fuel rings centered on the axis of the burner.
  • combustible fluids are generally distributed in a flow of combustion air or in the periphery of the latter.
  • combustion air is generally distributed from a box common to the different burners and rotated by adjustable shutters of the outside by means of return organs and connecting rods.
  • This combustion air is generally brought to the nose of the burner (so-called combustion thereafter) in one flow, or two.
  • These burners generally comprise gas distribution pipes rich in peripheral ring and accessory tubes (ignition burner, flame control tube, ...) which disturb the rotation of the air flow.
  • the instability of the flames produced causes significant pressure variations in the furnace, which generates vibrations of the structure of the boilers or installations concerned.
  • the burners always require a support flame, representing 10 to 20% of the total power of the burner, to ensure the stability of the main flame and ensure the safety of the installation.
  • EN 746-2 operating standards require supporting flame systems in the burners.
  • the object of the invention is to solve the above disadvantages.
  • a preferred basic principle of the process is to fragment as much as possible the amount of air required for combustion and to incorporate it as soon as possible and as closely as possible into the combustible gas stream (or vice versa), improving the mixing by jets impacts at high speed, creating turbulence and setting the mixture in maximum rotation to reduce the axial speed of the mixture and ensure the compactness and continuity of combustion.
  • the lean gas is rotated by fins and the particular flow of the combustion air fraction brought to the periphery at the outlet of the burner.
  • the invention consists of breaking up the combustion air and progressively incorporating selected quantities into the lean gas stream according to a method as described in claim 1.
  • the method therefore consists in producing an air-fuel premix (outside the flammability limit), preferably in the burner body and supplying the burner nozzle with only the additional air on either side of the burner. this mixture by the very high velocity jets (greater than 80 m / s) by taking the sandwich gas.
  • the invention also relates to a burner for lean fuel gas according to the subject of claim 9.
  • the burner is configured to split a stream of air into at least one pre-mix air stream, and a complementary air stream comprising at least one central complementary air stream and / or or an additional peripheral air flow.
  • the invention also relates to a combustion plant of a fuel gas implementing the method or comprising at least one burner according to the invention.
  • the installation uses or comprises at least two burners configured so as to mesh in a common sense with the overall rotational movement resulting from their mixing flow in front of the combustion nose.
  • FIG. 1 To the figure 1 is shown a plant 1 for the combustion of lean fuel gas using a burner 2 arranged between four main parts ZA, ZB, ZC, ZD separated by three walls 3, 4, 5.
  • the parts represent, respectively, a combustion zone ZA where combustion is carried out, a zone ZB containing or in communication with the combustible lean gas, a zone ZC containing or in communication with combustion air, a zone ZD external to the combustion zone. installation accessible to people.
  • the flammability of this gas occurs when there is 35% to 73% of gas in the mixture.
  • the burner comprises a combustion nose 6 opening into zone A of the hearth; the nose is centered on a central axis X which is in this case, the main axis of the burner to the extent that it has a general shape of revolution around this axis.
  • the burner also comprises supply means for this nose, which are able to eject a flow of air and fuel gas in rotation about a central axis centered on the combustion nose.
  • This nose constituting the front end of the burner, is intended to receive in front of or on it, on the left of the figure, a flow of combustible gas and air combustion which is rotated about the central axis, with supply means of this nose provided for this purpose, which is described later.
  • the burner also comprises a central box 7 connected to the nose and upstream of it (with respect to the direction of flow flow), arranged in the zone ZB between the walls 3 and 4, and having at least one opening 8 opening in this zone ZB.
  • zone ZC In the zone ZC is a rear end 7B of the burner connected to the box 7, upstream thereof, and having at least one access for at least one combustion air inlet of the zone ZC.
  • the method may comprise a first step in which a flow of air for combustion is split into at least one pre-mix air stream and a complementary air stream.
  • the complementary air consists of at least one central air flow and / or a peripheral air flow.
  • both the central and peripheral air flow are used for greater efficiency and flexibility of use and the split is effected by different air inlets at the rear of the burner or flow path. the air in the burner.
  • the burner is configured to divide the air coming from the space ZC into several streams. It comprises several arrivals or access on its rear end: a central access 9 to receive a central air flow inlet, a peripheral access 10 to receive a peripheral air inlet, and at least a main access 10A to receive an arrival premix air. Other accesses can be added as indicated later.
  • this division step could be done differently, for example by external pipes outside the burner, and each of the air flows could be brought by these independent and external pipes.
  • a premix flow containing a mixture of premix air and fuel gas, rotating around the central axis, is ejected in front of the combustion nose.
  • the premix stream being non-flammable to the extent that it is mixed at a rate remote from the flammability ranges, for example greater than a flammability threshold.
  • a 100% lean gas rate is increased to a rate of 80-85% of gas (in the gas + air mixture) while the flammability limits are 30 to 73%. % of gas in the mixture.
  • the burner in the example described, is configured to carry out premixing beforehand inside itself, in this case in a space 16 called pre-mixing of the box 7.
  • This rotation is preferably also carried out in the box upstream of the combustion nose.
  • the pre-mixing air accesses 10A mentioned above open into the caisson as well as the access ports 8 of fuel gas so that a premix can be carried out with the aid of mixing means 11 described later.
  • the mixture is carried out at a level 5 to 20% higher than the flammability threshold with an insufficient air ratio (proportions ranging from 78 to 95% of gas in the mixture) .
  • the process could be implemented by performing a premix with an insufficient fuel gas content in the same proportions of 5 to 20% or with different proportions for particular applications of bio gas or VOC burns.
  • the complementary flow is ejected at the center of the premix flow through the central complementary air flow and / or around the pre-mix flow via the air flow. additional peripheral, so as to reach the flammability threshold at the combustion nose.
  • the ejection of the complementary flow takes place both at the center and at the periphery so as to achieve a better final mixture.
  • the burner is configured to open the crown-shaped pre-mix flow 12 located between a central pipe 13 and the periphery 14 of the front end of the box.
  • the pre-mix flow is obtained by incorporating premix air into combustible gas.
  • the burner comprises the incorporation means 11 mentioned above which inject air into the fuel gas.
  • the incorporation is carried out directly in a chamber of the box having a premix space 16 ( figure 2 ) delimited between a central pipe 13 and an inner wall 31 of the box.
  • the burner may comprise injection means comprising nozzles 17 or high-flow directional calibrated orifices arranged in the profiled means of incorporation 11 and oriented towards the premix space 16 at the level of the openings 8.
  • the gas located near and around the lights 8 is driven by the depression generated by the air jets at the outlet of the nozzles directed by the orientation of the jets and mixed by the turbulence of the jets.
  • a rotation of the mixing is also initiated at this level in the premix space by the orientation of the air jets.
  • These injection means preferably have a steady state.
  • the incorporating means comprises pre-mixing air injection means arranged to realize air incorporation parallel to the central axis and directing the pre-mix flow towards the combustion nose.
  • These injection means have a progressive regime according to the power level used and can be formed, as in the illustrated example, of tubes 21 around orifices 22 in the wall 23 of the rear end of the burner ( Fig. 3 , 10, 11 ). These tubes preferably have different lengths and are five in the example. They extend inside the premix space from air inlets or orifices 22 disposed on the wall 23 or rear face of the burner.
  • the orifices 22 are preferably closed by valves (not shown) operable by calibrated springs or electrical controls.
  • the valves can be arranged on the orifices with or without tubes.
  • the tubes make it possible, on the one hand, to prevent the respective flows from being disturbed and, on the other hand, to bring air to different points with a guarantee of its distribution.
  • the orifices have a size determined so as to avoid being too massively within the flammability limits, and that there are locally favorable conditions for combustion that would deteriorate the burner.
  • the central complementary air flow is ejected in rotation in front of the combustion nose and in divergent flow to penetrate the premix flow and the peripheral complementary air flow is ejected in convergent flow and in strong spiral rotation.
  • the burner is configured in the example with a conical deflector 18 at the outlet of the central pipe 13 and fins 19 in the pipe which put the central air flow in rotation.
  • Other equivalent means may also be suitable, for example, calibrated directional or oriented openings in a partition wall.
  • the central air is divergent with an apex angle of 60 to 180 ° or 30 to 90 ° with respect to the burner axis.
  • This ejection thus produced makes it possible to obtain good penetration of the air into the premix so as to best complete the missing air ratio.
  • the central air flow of the example has previously penetrated the inlet 9 in the inner pipe of the pipe 13, in the annular space around the central pole 51.
  • this central air may have another function explained later, which is to supply its ejection base a rich gas which would be distributed in a ring around the central air during its use during starts.
  • the burner is configured with injection nozzles 20a, 20b disposed on a ring 14 of the end or front face of the box 26a.
  • the nozzles are oriented both tangentially to a circle centered on the central axis and facing forward. The spiral rotation is obtained by this double inclination of the nozzles.
  • peripheral air envelops the flow of lean gas and accentuates the rotation. It is distributed at high speed and optimizes the mixture.
  • the nozzles 20a, 20b are fed by the peripheral pre-ejection space 30 located in a double wall of the box at the front of the box, itself fed by the arrival means 10A formed in the vicinity of the rear end 26b of the box.
  • the burner box is a burner box
  • nozzles are in fact exit holes formed in the ring, one of whose functions is to close the front end of the double wall of the box; the other rear end of the double wall being closed by a wall 23B.
  • These holes communicate with the pre-ejection space 30 of the double wall and open out through an inner wall of the box; the nozzles are disposed on the ring being offset with respect to the radial axis R of the box and inclined forwardly relative to a plane perpendicular to the box.
  • the nozzles are offset and inclined in different ways alternately.
  • the proposed angles are specific to this burner power, but would inevitably be modified for another size of burner. These angles are determined so that the jets of the consecutive orifices do not disturb, and they do not come to strike the end of the tube 13 nor hinder the flow of fluids leaving the gas ring contained between 13 and 56, nor the complementary central air diverges.
  • This diverging cone must almost "mesh" with the convergent peripheral complementary jet whose angle is the most closed (here 15 °). The angle of the next orifice is more open in order to continue the work of the previous orifice further in the rotation.
  • a first series of nozzles (20a) can be inclined from 5 ° to 45 ° forwards, (15 ° preferred in the embodiment) and from 30 to 65 ° with respect to the radial axis (R), (44 ° preferred in the example) and a second series of nozzles (20b) inclined 25 to 65 ° forward (45 ° preferred in the example), and 30 to 70 ° relative to the axis radial (53 ° preferred in the example).
  • the box may also include orifices 55 disposed on the inner wall 25 at the pre-ejection chamber 30. These orifices make it possible to feed the fin device 37 from the chamber 30 to improve the poor air / gas mixture. between the fins.
  • the central tube is a central tube
  • a central tube 13 intended to be mounted centered on the central axis, is dimensioned to extend longitudinally between the two ends of the box and put them in communication.
  • the central pole The central pole:
  • the central pole 51 is intended to be disposed in the central tube 13 and centered on the central axis.
  • the burner also has a second fin device 19 disposed within and adjacent the front of the central tube.
  • the fins are fixed in the example on the central pole 51 which passes through the central tube; they are intended to extend from the surface of the pole 50 to the inner wall 52 of the central tube.
  • the burner may also comprise a "burning cone" 18 forming a deflector located downstream of the central tube and spaced from it so as to effect a exhaust diverging from the central air flow.
  • the burning cone is disposed at the front end of the axial pole 51.
  • the gas is ejected at the end of the pole at a divergent angle defined by a series of calibrated orifices 54 arranged in a ring around the conical baffle 18 which allows ejection of this gas on a maximum circumference.
  • the conical baffle may be a deflector 18b having a peripheral serration 52, and having central orifices 53 opening into the conduit of the central pole.
  • the burner is sized to receive, in normal operation, a complementary flow ejection at a very high speed greater than 100 m / s while the premix flow is ejected at a speed of 40 to 80 m / s.
  • the burner may comprise a rich gas supply.
  • the rich gas is pressurized at the periphery of the central tube directly into the premix space.
  • the rich gas is distributed around the central tube so as to mix intimately with the premix.
  • the tube portion 56 may extend to the end of the central tube 13 forming a central double wall 56B so as to eject the rich gas directly to the combustion nose around the central air.
  • the rich gas is always brought under pressure but in the central pole. It is ejected, at a defined divergent angle, by a series of calibrated orifices 53 arranged in a ring around a particular device (deflector with peripheral serrations 52) which makes it possible to eject this gas on a maximum circumference, so that the jets Rich gas originates as close to the combustion air, and have a maximum pulse by striking the poor gas flow.
  • An ignition flame is provided in front of the nose of the burner via a guide tube of the ignition burner 60 ( Fig. 1 ).
  • the permanent air circuit is then activated by a pump (not shown) which blows combustion air at the rear of the burner by putting the air supply box ZC under pressure.
  • a fraction of the combustion air enters the double wall 27 of the box ( Fig. 6 ) through the inlet orifices 10 for example rectangular and formed in the annular wall 23B closing the double wall on the back; while another fraction directly enters the double box to the nozzles 20a, 20b.
  • the beams are pressurized and combustion air escapes from the nozzles tangentially ( Fig. 7 ) to a circle centered on the central axis and towards the fins of the first device for rotating.
  • the flue gas which may be under slight pressure (generally less than (0.02 bar (200 mm CE)) enters transversely into the box under a driving effect of the air jets at the openings 8 between the beams 11 the turbulence effects premixing or stirring in the pre-mixing space 16 of the box at the inlet of the fin device ( Fig. 7 ) in particular by inflection against the inflection wall 31.
  • the beams also open into the pre-ejection chamber 30 of peripheral air, they contribute to conduct air in addition to that conveyed by the interior of the double wall inflection or guide 24, 25.
  • the combustion air also enters through the inlet 9 of the central tube 13 ( Fig. 10, 11 ) and opens directly at the nose 6 after having passed into the space between the fins of the second fin device 19 ( Fig. 2 ) where he takes a turning motion.
  • This air spring in front of the nose divergently through the conical deflector 18 placed in front.
  • the peripheral air is ejected from the chamber 30 ( fig.9 , 14-16 ) in the form of two vortices via the peripheral nozzles 20a, 20b in front of the combustion nose
  • the directions of rotation of the different air flows may be contrary to that of the pre-mix flow but preferably in the same direction.
  • Air can also come from the back of the box 36 through orifices 10A2 and enrich the premix.
  • air can escape from the box from the pre-ejection chamber 30 through orifices 55 formed in the bottom wall of the box and penetrates radially into the fin device 37 between the fins. This improves the mixing of the gas mixture with the air.

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Description

  • L'invention concerne un procédé pour réaliser la combustion d'un gaz combustible pauvre sans flamme auxiliaire de soutien, à l'aide d'un brûleur comprenant un nez de combustion sur un axe central, dans lequel on crée un mélange de gaz combustible et d'air de combustion en rotation autour de l'axe central, devant le nez de combustion.
  • Elle concerne également une structure de brûleur, notamment de grande puissance, pour la mise en oeuvre du procédé et toute installation de combustion de gaz utilisant ce brûleur.
  • L'invention trouve application, en particulier, dans les différentes installations suivantes :
    • Chaudières à gaz de très faibles pouvoirs calorifiques, gaz de récupération (gaz de haut fourneau....), bio-gaz et gaz de décharges, gaz provenant de divers procédés;
    • Tours de brûlages et torchères de gaz pauvres, résiduels et bio-gaz;
    • Fours et étuves de chauffages et séchages de matériaux et produits divers;
    • Fours et dispositifs de séchages et traitements de boues résiduelles de procédés divers;
    • Installation de brûlage de composés organiques volatils "COV". Ces composés sont issus de séchages ou de cuissons dans différents procédés; ce sont souvent des vapeurs de solvants ou d'huiles et se trouvent sous des concentrations très faibles (quelques % à quelques ppm ou traces) dans des gaz vecteurs neutres ou dans de l'air. Ils peuvent être bloqués par des filtres dédiés ou détruits par voies thermiques. La faible concentration ne permet pas de les brûler directement et le grand volume d'air qui les contient perturbe fortement la combustion des brûleurs « classiques ».
  • En entend par gaz pauvre tout gaz de faible pouvoir calorifique (PCI) inférieur à 138 kJ (3000 Kcal) par m3 et en particulier tout gaz très pauvre qui possède un PCI inférieur à 4200 kJ (1000 Kcal) et qui concerne plus particulièrement l'objet de la présente invention.
  • Les brûleurs de gaz pauvres ou résiduels comprennent généralement différents conduits d'alimentation de fluides combustibles au nez du brûleur, les conduits étant configurés, notamment sous forme coaxiale, de manière à réaliser une ou des couronnes de combustibles centrées sur l'axe du brûleur.
  • Un tel brûleur est décrit par le document US 6 019 595
  • Ces fluides combustibles sont généralement distribués dans un flux d'air de combustion ou en périphérie de ce dernier.
  • Les dispositions ci-dessus ont pour finalité de réaliser un mélange air/combustible suffisant permettant une combustion localisée et stabilisée au nez du brûleur.
  • Sur les chaudières de grandes puissances (>100 MW) qui comportent plusieurs brûleurs (>4 brûleurs), l'air de combustion est généralement distribué à partir d'un caisson commun aux différents brûleurs et mis en rotation par des volets réglables de l'extérieur par le biais d'organes de renvois et de biellettes.
  • Cet air de combustion est généralement amené au nez du brûleur (dit de combustion par la suite) en un flux, voire deux.
  • Ces brûleurs comprennent généralement des tubes de distribution de gaz riche en couronne périphérique et des tubes accessoires (brûleur allumage, tube de contrôle de présence de flamme,...) qui perturbent la rotation du flux d'air.
  • La majorité des brûleurs de gaz pauvres ou résiduels sont de conceptions complexes et nécessitent des réglages et ajustements aléatoires et des conditions d'exploitation très rigides avec une part importante d'incidents dûs à l'instabilité de la combustion, de l'accrochage de la flamme engendrant des arrêts intempestifs de l'installation.
  • Ces brûleurs nécessitent le réchauffage du combustible et surtout de l'air de combustion à des températures élevées (250 à 350°C) pour améliorer la combustion, ce qui suppose plus de matériel adapté et des coûts supplémentaires.
  • Les combustibles pauvres sont généralement très difficilement combustibles car constitués en majorité de gaz neutres, et se présentent distribués en grands volumes et sous faibles pressions.
  • Leurs mélanges avec l'air de combustion sont très difficiles à obtenir dans des proportions adéquates compte tenu des volumes mis en jeux, ce qui gêne considérablement la combustion et ne favorise pas la stabilité et la structure des flammes obtenues.
  • L'instabilité des flammes produites provoque des variations de pressions importantes dans le foyer, ce qui génère des vibrations de la structure des chaudières ou installations concernées.
  • De ce fait, les brûleurs nécessitent toujours une flamme de soutien, représentant 10 à 20 % de la puissance totale du brûleur, pour assurer la stabilité de la flamme principale et garantir la sécurité de l'installation. Des normes de fonctionnement EN 746-2 imposent d'avoir des systèmes de flamme de soutien dans les brûleurs.
  • Ces flammes de soutien sont obtenues avec des gaz riches (gaz naturel, Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL) : Butane et Propane.
  • Cette obligation aggrave la complexité du brûleur et engendre fatalement des surcoûts d'exploitation très importants compte tenu du prix des gaz riches.
  • Ces brûleurs nécessitent souvent une exploitation avec un excès d'air important afin que toutes les fractions combustibles puissent rencontrer de l'oxygène pour brûler en totalité et assurer la qualité des produits de combustion, ce qui fait chuter fortement le rendement, augmente la consommation spécifique de gaz riche et donc le coût d'exploitation et aggrave fatalement le niveau des émissions polluantes.
  • L'invention a pour objectif de résoudre les inconvénients ci-dessus.
  • Elle vise en particulier une conception de brûleur qui permette :
    • la suppression d'un soutien en gaz riche;
    • la suppression du réchauffage du gaz ou de l'air de combustion;
    • la réduction de la teneur en oxygène des fumées; .
    • la suppression des vibrations;
    • la réduction de la consommation électrique des ventilateurs d'airs et fumées.
  • Un principe de base préféré du procédé est de parcelliser au maximum la quantité d'air nécessaire à la combustion et à l'incorporer le plus tôt possible et le plus intimement possible dans le flux gazeux combustible (ou l'inverse), en améliorant le mélange par des impacts de jets à grande vitesse, en créant des turbulences et en mettant le mélange en rotation maximale pour réduire la vitesse axiale du mélange et assurer la compacité et la continuité de la combustion.
  • Pour réduire la vitesse axiale et augmenter la surface de la flamme, le gaz pauvre est mis en rotation par des ailettes et l'écoulement particulier de la fraction d'air de combustion apportée en périphérie en sortie du brûleur.
  • Les gaz pauvres ayant un grand volume, il est difficile de mélanger intimement les éléments combustibles de ce gaz avec l'oxygène de l'air de combustion. Pour pallier cette difficulté, l'invention consiste à fragmenter l'air de combustion et d'en incorporer progressivement des quantités choisies dans le flux de gaz pauvre suivant un procédé tel que décrit dans la revendication 1.
  • Le procédé consiste donc à réaliser un pré-mélange air-combustible (hors limite d'inflammabilité), de préférence dans le corps du brûleur et de n'apporter au nez du brûleur que le complément d'air de part et d'autre de ce mélange par le biais de jets à très grande vitesse (supérieure à 80 m/s) en prenant le gaz en "sandwich".
  • L'air de combustion amené au nez du brûleur a des écoulements spécifiques à grande vitesse :
    • l'air central est éjecté en rotation et en écoulement divergent pour pénétrer le gaz pauvre;
    • l'air périphérique est convergent et en forte rotation.
  • Ces deux écoulements d'air ont chacun également pour fonction de réaliser un barrage à d'éventuelles "rentrées de flamme" à faible régime ou lors d'un arrêt de l'installation.
  • Selon des modes particuliers de mise en oeuvre du procédé :
    • le flux complémentaire est un flux d'air;
    • le flux de pré-mélange est obtenu par incorporation d'air de pré-mélange dans du gaz combustible;
    • l'incorporation est obtenue dans un caisson relié au brûleur;
    • l'incorporation est réalisée, à une entrée du gaz combustible dans le brûleur par injection d'air de pré-mélange dans le gaz combustible de manière à entraîner le gaz combustible dans un espace de pré-mélange, réaliser le pré-mélange par des turbulences résultant de l'injection et diriger le pré-mélange en direction du nez de combustion tout en initiant une rotation autour de l'axe central;
    • le mélange de gaz combustible et d'air de combustion est réalisé par incorporation d'une quantité nécessaire parcellisée de l'un dans l'autre par de nombreux jets orientés.
  • Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé :
    1. a) le flux d'air complémentaire central est éjecté en rotation devant le nez de combustion et en écoulement divergent pour pénétrer le flux de pré-mélange,
    2. b) le flux d'air complémentaire périphérique est éjecté en écoulement convergeant et en forte rotation spiralée.
  • L'invention a également pour objet un brûleur pour gaz combustible pauvre selon l'objet de la revendication 9.
  • Le brûleur se distingue principalement en ce qu'il est configuré de manière à éjecter devant le nez de combustion :
    • un flux de pré-mélange non inflammable contenant un mélange d'air de pré-mélange et de gaz combustible,
    • un flux complémentaire de manière à atteindre un seuil d'inflammabilité du mélange devant le nez de combustion, ledit flux étant éjecté au centre du flux de pré-mélange par le biais d'un flux d'air complémentaire central et/ou autour du flux de pré-mélange par le biais d'un flux d'air complémentaire périphérique.
  • Selon l'invention, le brûleur est configuré de manière à scinder un flux d'air en au moins un flux d'air de pré-mélange, et un flux d'air complémentaire comprenant au moins un flux d'air complémentaire central et/ou un flux d'air complémentaire périphérique.
  • L'invention a également pour objet une installation de combustion d'un gaz combustible mettant en oeuvre le procédé ou comportant au moins un brûleur conforme à l'invention.
  • Selon une caractéristique avantageuse, l'installation met en oeuvre ou comporte au moins deux brûleurs configurés de manière à engrener dans un sens commun le mouvement de rotation global résultant de leur flux de mélange devant le nez de combustion.
  • D'autres particularités et nombreux avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et faite en référence aux figures annexées pour lesquelles :
    • la figure 1 illustre une installation de combustion de gaz pauvre munie d'un brûleur conforme à un mode de réalisation de l'invention;
    • la figure 2 illustre une vue en coupe selon l'axe AA de la figure 1;
    • la figure 3 illustre l'arrière du brûleur selon une vue de droite B de la figure 1;
    • la figure 4 illustre une vue en coupe partielle d'une poutre selon la coupe CC de la figure 2;
    • la figure 5 illustre une vue de dessous partielle selon D-D de la figure 4;
    • la figure 6 illustre une vue principale isolée du caisson 7 du brûleur de la figure 1;
    • les figures 7, 8, 9 illustrent respectivement différentes vues de la figure 6 : une vue en coupe selon E-E, une vue de droite selon F, et une vue de gauche selon G;
    • les figures 10, 11 et 11A illustrent respectivement une vue principale isolée du tube central 13 du brûleur de la figure 1, une vue de gauche selon H et une vue de droite; la figure 10 comprenant des éléments (36,56,57) liés à l'utilisation de gaz riche ne faisant pas partie de l'invention;
    • la figure 12 illustre une vue principale isolée de la perche centrale 50 selon la figure 1;
    • la figure 13 illustre une vue d'une variante de réalisation ne faisant pas partie de l'invention d'un cône de brûlage de la perche centrale;
    • la figure 14 illustre un détail 1 de la figure 9;
    • les figures 15, 16 illustrent respectivement les coupes selon L-L et K-K de la figure 14;
  • A la figure 1, est montrée une installation 1 pour la combustion de gaz combustible pauvre utilisant un brûleur 2 disposé entre quatre parties principales ZA, ZB, ZC, ZD séparées par trois parois 3, 4, 5.
  • Les parties représentent respectivement, une zone ZA foyer où se réalise la combustion, une zone ZB contenant ou en communication avec le gaz pauvre combustible, une zone ZC contenant ou en communication avec de l'air de combustion, une zone ZD extérieure à l'installation accessible aux personnes.
  • L'installation est par exemple une installation de production de vapeur surchauffée de 40 T/heure dans laquelle il faut brûler du gaz de hauts fourneaux, à température ambiante, (humidité= 2,5% d'H2O en volume) alimenté sous faible pression (<0,029 bars (300mm CE) en pression relative) et d'une composition moyenne sur gaz sec: N2=58%, H2=1,7%, CO2=20,3%, CO=20% (PCi = 2760 kJ/m3n (660 kcal/m3n)). Les produits de combustion devant contenir moins de 50 ppm de CO avec moins de 1% d'oxygène dans ces fumées.
  • L'inflammabilité de ce gaz intervient lorsqu'il y a 35 % à 73 % de gaz dans le mélange.
  • Le brûleur comprend un nez de combustion 6 débouchant dans la zone A du foyer; le nez est centré sur un axe central X qui se trouve être en l'occurrence, l'axe principal du brûleur dans la mesure où celui-ci possède une forme générale de révolution autour de cet axe.
  • Le brûleur comporte également des moyens d'alimentation de ce nez, qui sont aptes à éjecter un flux d'air et de gaz combustible en rotation autour d'un axe central centré sur le nez de combustion.
  • Ce nez, constituant l'extrémité avant du brûleur, est destiné à recevoir devant ou sur lui, à gauche de la figure, un flux de gaz combustible et d'air de combustion qui est mis en rotation autour de l'axe central, avec des moyens d'alimentation de ce nez prévus à cet effet, que l'on décrit ultérieurement.
  • Le brûleur comprend également un caisson central 7 relié au nez et en amont de lui (par rapport au sens d'écoulement des flux), disposé dans la zone ZB entre les parois 3 et 4, et ayant au moins une lumière 8 débouchant dans cette zone ZB.
  • Dans la zone ZC se trouve une extrémité arrière 7B du brûleur reliée au caisson 7, en amont de celui-ci, et présentant au moins un accès pour au moins une arrivée d'air de combustion de la zone ZC.
  • L'alimentation en air dans l'exemple préféré s'effectue totalement par la face arrière du brûleur pour plusieurs avantages :
    • garantir l'étanchéité de l'ensemble,
    • faciliter l'accès aux commandes d'air de pré-mélange,
    • pouvoir installer le brûleur en caisson d'air,
    • pouvoir, selon l'application, réaliser des alimentations séparées de différents airs de combustion.
  • Selon l'invention, le procédé peut comprendre une première étape dans laquelle on scinde un flux d'air destiné à la combustion en au moins un flux d'air de pré-mélange et un flux d'air complémentaire. L'air complémentaire est constitué d'au moins un flux d'air central et/ou d'un flux d'air périphérique.
  • Dans l'exemple illustré, on utilise à la fois le flux d'air central et périphérique pour une meilleure efficacité et souplesse d'utilisation et la scission s'effectue par différentes entrées de l'air à l'arrière du brûleur ou cheminement de l'air dans le brûleur.
  • A cet effet, dans l'exemple de réalisation illustré, le brûleur est configuré pour diviser l'air provenant de l'espace ZC en plusieurs flux. Il comprend plusieurs arrivées ou accès sur son extrémité arrière : un accès central 9 pour recevoir une arrivée de flux d'air central, un accès 10 périphérique pour recevoir une arrivée d'air périphérique, et au moins un accès principal 10A pour recevoir une arrivée d'air de pré-mélange. D'autres accès peuvent être ajoutés comme indiqué ultérieurement.
  • Dans une variante de mise en oeuvre, cette étape de division pourrait s'effectuer autrement, par exemple par des tuyaux externes à l'extérieur du brûleur, et chacun des flux d'air pourrait être amené par ces tuyaux indépendants et externes.
  • Dans une seconde étape de ce mode de mise en oeuvre, on éjecte devant le nez de combustion un flux de pré-mélange, contenant un mélange d'air de pré-mélange et de gaz combustible, en rotation autour de l'axe central, le flux de pré-mélange étant non inflammable dans la mesure où il est mélangé à un taux éloigné des plages d'inflammabilité, par exemple supérieur à un seuil d'inflammabilité. En effet dans l'exemple décrit, on passe d'un taux de gaz pauvre de 100% à un taux de 80-85% de gaz (dans le mélange gaz+air) alors que les limites d'inflammabilité sont de 30 à 73% de gaz dans le mélange.
  • Cela suppose que le pré-mélange et la mise en rotation de ce dernier soient effectués au préalable, comme exposé ci-après.
  • Pour améliorer la combustion et assurer un bon accrochage de flamme, il est intéressant et important de réaliser un pré-mélange le plus important possible et le plus tôt possible.
  • Pour cette seconde étape, le brûleur, dans l'exemple décrit, est configuré pour réaliser le pré-mélange au préalable à l'intérieur de lui-même, en l'occurrence dans un espace 16 dit de pré-mélange du caisson 7.
  • Il est également configuré pour mettre le pré-mélange en rotation. Cette rotation, dans l'exemple illustré, est réalisée de préférence également dans le caisson en amont du nez de combustion.
  • A cet effet, les accès d'air de pré-mélange 10A mentionnés ci-dessus débouchent dans le caisson au même titre que les lumières d'accès 8 de gaz combustible pour qu'un pré-mélange y soit effectué à l'aide de moyens de mélange 11 décrits ultérieurement.
  • Pour le gaz concerné de l'exemple, le mélange s'effectue à un taux supérieur de 5 à 20 % au seuil d'inflammabilité avec un taux d'air insuffisant (des proportions allant de 78 à 95% de gaz dans le mélange).
  • Pour des raisons de sécurité et d'efficacité, on préfère adopter un taux inférieur de 10 à 20% de l'air total à fournir.
  • Dans une variante, pour certaines applications, on pourrait mettre en oeuvre le procédé en réalisant un pré-mélange avec un taux de gaz combustible insuffisant dans les mêmes proportions de 5 à 20% ou avec des proportions différentes pour des applications particulières de bio gaz ou de brûlages de COV.
  • Dans une troisième étape de mise en oeuvre, on éjecte le flux complémentaire au centre du flux de pré-mélange par le biais du flux d'air complémentaire central et/ou autour du flux de pré-mélange par le biais du flux d'air complémentaire périphérique, de manière à atteindre le seuil d'inflammabilité au nez de combustion.
  • Dans l'exemple décrit, l'éjection du flux complémentaire s'effectue à la fois au centre et en périphérie de manière à atteindre un meilleur mélange final.
  • A cet effet, le brûleur est configuré pour faire déboucher le flux de pré-mélange en forme de couronne 12 situé entre un tuyau central 13 et la périphérie 14 de l'extrémité avant du caisson.
  • Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, le flux de pré-mélange est obtenu par incorporation d'air de pré-mélange dans du gaz combustible.
  • En effet, les combustibles pauvres, généralement résiduels, sont distribués sous très faibles pressions et compte tenu des volumes importants souvent mis en jeu, il est important de faciliter l'écoulement de ces gaz par des effets d'entraînements mécaniques.
  • Pour cette mise en oeuvre, le brûleur comporte les moyens d'incorporation 11 mentionnés précédemment qui injectent de l'air dans le gaz combustible.
  • L'incorporation est effectuée directement dans une enceinte du caisson ayant un espace de pré-mélange 16 (figure 2) délimité entre un tuyau central 13 et une paroi interne 31 du caisson.
  • Selon un mode de mise en oeuvre, l'incorporation est réalisée par injection d'air de pré-mélange, à une entrée du gaz combustible dans le brûleur de manière à:
    • entraîner le gaz combustible dans un espace de pré-mélange 16,
    • réaliser le pré-mélange par des turbulences résultant de l'injection,
    • et diriger le pré-mélange en direction du nez de combustion tout en initiant une rotation autour de l'axe central.
  • A cet effet, le brûleur peut comporter des moyens d'injection comprenant des buses 17 ou orifices calibrés directionnels à fort débit disposés dans les moyens d'incorporation 11 profilés et orientés vers l'espace de pré-mélange 16 au niveau des lumières 8.
  • Le gaz situé à proximité et autour des lumières 8 est entraîné par la dépression générée par les jets d'air en sortie des buses dirigées par l'orientation des jets et mélangés par les turbulences des jets. Un mouvement de rotation du mélange est également initié à ce niveau dans l'espace de pré-mélange par l'orientation des jets d'air.
  • Ces moyens d'injection ont de préférence un régime permanent.
  • Les moyens d'incorporation comprennent des moyens d'injection d'air de pré-mélange disposés de manière à réaliser une incorporation d'air parallèlement à l'axe central et en dirigeant le flux de pré-mélange en direction du nez de combustion. Ces moyens d'injection ont un régime progressif selon le niveau de puissance utilisée et peuvent être formés, comme dans l'exemple illustré, de tubes 21 autour d'orifices 22 dans la paroi 23 de l'extrémité arrière du brûleur (fig. 3, 10, 11). Ces tubes ont de préférence des longueurs différentes et sont au nombre de cinq dans l'exemple. Ils s'étendent à l'intérieur de l'espace de pré-mélange à partir d'arrivées d'air ou d'orifices 22 disposées sur la paroi 23 ou face arrière du brûleur.
  • Les orifices 22 sont de préférence obturés par des clapets (non illustrés) manoeuvrables par des ressorts tarés ou des commandes électriques.
  • Les clapets peuvent être disposés sur les orifices avec ou sans tubes. Les tubes permettent, d'une part, d'éviter que les écoulements respectifs ne se perturbent et, d'autre part, d'amener de l'air en des points différents avec une garantie de sa distribution.
  • Les orifices ont une taille déterminée de manière à éviter de se trouver trop massivement dans les limites d'inflammabilité, et qu'il y ait localement des conditions favorables à une combustion qui détériorerait le brûleur.
  • Selon un mode de mise en oeuvre, le flux d'air complémentaire central est éjecté en rotation devant le nez de combustion et en écoulement divergent pour pénétrer le flux de pré-mélange et le flux d'air complémentaire périphérique est éjecté en écoulement convergeant et en forte rotation spiralée.
  • A cet effet, le brûleur est configuré dans l'exemple avec un déflecteur conique 18 en sortie du tuyau central 13 et des ailettes 19 dans le tuyau qui mettent le flux d'air central en rotation. D'autres moyens équivalents peuvent également convenir, comme par exemple, des orifices calibrés directionnels ou des lumières orientées dans une paroi de séparation.
  • De préférence, l'air central est divergent avec un angle au sommet de 60 à 180° ou de 30 à 90° par rapport à l'axe du brûleur.
  • Cette éjection ainsi produite permet d'obtenir une bonne pénétration de l'air dans le pré-mélange de manière à compléter au mieux le taux d'air manquant.
  • Le flux d'air central de l'exemple a préalablement pénétré l'entrée 9 dans le conduit interne du tuyau 13, dans l'espace annulaire autour de la perche centrale 51.
  • Le cas échéant, cet air central peut avoir une autre fonction expliquée ultérieurement, qui est de venir alimenter à sa base d'éjection un gaz riche qui serait distribué en couronne autour de l'air central lors de son utilisation lors de démarrages.
  • Quant à l'air complémentaire périphérique, le brûleur est configuré avec des buses d'injection 20a, 20b disposées sur une couronne 14 de l'extrémité ou face avant du caisson 26a. Les buses sont orientées à la fois tangentiellement à un cercle centré sur l'axe central et orientées vers l'avant. La rotation spiralée est obtenue par cette double inclinaison des buses.
  • L'air périphérique enveloppe le flux de gaz pauvre et en accentue la rotation. Il est distribué à grande vitesse et optimise le mélange.
  • Les buses 20a, 20b sont alimentées par l'espace de pré-éjection périphérique 30 situé dans une double paroi du caisson à l'avant du caisson, lui-même alimenté par les moyens d'arrivée 10A ménagés au voisinage de l'extrémité arrière 26b du caisson.
  • On va décrire ci-après des sous-parties du brûleur, en référence aux figures correspondantes, à savoir, le caisson, le tube central et la perche centrale.
    • Le caisson du brûleur :
    • En référence aux figures 6 à 9, le caisson 7 a une forme générale de révolution et comporte :
      • une double paroi périphérique formée d'une paroi externe 24 et interne 25,
      • une extrémité ou face avant 26a, formée d'une couronne 14 comportant les moyens d'injection périphérique 20a, 20b;
      • une extrémité ou face arrière 7B comportant des différentes arrivées ou alimentations 10, 10A au moins en flux d'air périphérique et de pré-mélange,
      • un espace 27 de circulation d'air délimité par la double paroi permettant de mettre les deux extrémités 26a et 26b en communication,
      • des lumières d'admission 8 sur la double paroi périphérique, ces lumières étant destinées à s'interfacer entre un espace interne 16 dans le caisson dit espace de pré-mélange et l'extérieur.
      • des conduites, en forme de poutres creuses 11, situées dans l'épaisseur de la double paroi. Ces conduites s'étendent entre les lumières 8, entre un espace de réception de flux d'air 10A ou arrivée disposé à l'extrémité arrière 7B et un espace de pré-éjection 30 de l'air périphérique situé à l'extrémité avant.
      • des buses d'injection d'air de pré-mélange 17 disposées sous les conduites. Ces buses sont configurées de manière à réaliser ladite première injection permanente d'air de pré-mélange; ces conduites et les buses font parties des moyens d'incorporation mentionnés précédemment.
  • Ces buses sont en fait des perçages de sortie ménagés dans la couronne dont une des fonctions est de fermer l'extrémité avant de la double paroi du caisson; l'autre extrémité arrière de la double paroi étant fermée par une paroi 23B.
  • Ces perçages communiquent avec l'espace de pré-éjection 30 de la double paroi et débouchent à l'extérieur à travers une paroi interne du caisson; les buses sont disposées sur la couronne en étant décalées par rapport à l'axe radial R du caisson et inclinées vers l'avant par rapport à un plan perpendiculaire au caisson.
  • Les buses sont décalées et inclinées de différentes manières selon une alternance. Les angles proposés sont spécifiques à cette puissance de brûleur, mais seraient fatalement modifiés pour une autre taille de brûleur. Ces angles sont déterminés pour que les jets des orifices consécutifs ne se perturbent pas, et qu'ils ne viennent pas percuter l'extrémité du tube 13 ni gêner l'écoulement des fluides sortant de la couronne de gaz contenue entre 13 et 56, ni l'air complémentaire central divergent. Ce cône divergent doit quasiment « s'engrener » avec le jet complémentaire périphérique convergent dont l'angle est le plus fermé (ici 15°). L'angle de l'orifice suivant est plus ouvert afin de continuer plus loin dans la rotation le travail de l'orifice précédent.
  • Une première série de buses (20a) peut être inclinée de 5° à 45 ° vers l'avant, (15° préféré dans l'exemple de réalisation) et de 30 à 65° par rapport à l'axe radial (R), (44° préféré dans l'exemple) et une seconde série de buses (20b) inclinées de 25 à 65° vers l'avant (45° préféré dans l'exemple), et de 30 à 70 ° par rapport à l'axe radial (53° préféré dans l'exemple).
  • Le caisson peut comporter également des orifices 55 disposés sur la paroi interne 25 au niveau de la chambre de pré-éjection 30. Ces orifices permettent d'alimenter le dispositif à ailettes 37 à partir de la chambre 30 pour améliorer le mélange air /gaz pauvre entre les ailettes.
    • Le tube central :
  • En référence aux figures 10 et 11, un tube central 13, destiné à être monté centré sur l'axe central, est dimensionné pour s'étendre longitudinalement entre les deux extrémités du caisson et les mettre en communication.
  • Ce tube comporte :
    • une surface externe 35 destinée à délimiter l'espace de pré-mélange avec la paroi interne 25 ou face interne 31 de la double paroi du caisson, et une surface interne 52;
    • des moyens de fixation au caisson et de réception d'un caisson 36 à air ou à gaz disposé(s) à l'arrière du tube;
    • un premier dispositif à ailettes 37, disposé à l'avant du tube; lesdites ailettes 37 s'étendant dans l'espace d'écoulement du pré-mélange entre la paroi externe 35 du tube et la paroi interne du caisson 25 ou face interne 31; elles sont profilées de manière à créer une rotation du flux de pré-mélange lors de son écoulement vers la sortie du caisson ; un espace entre le caisson et le tube forme un conduit 38 (fig. 1) en forme de couronne destiné à véhiculer le flux d'air de prémélange ;
    • une paroi 23 formant un épaulement radial du tube central, ladite paroi séparant l'espace de pré-mélange avec l'arrière du tube central lui-même en communication avec le caisson à air.
    La perche centrale:
  • En référence à la figure 12, la perche centrale 51 est destinée à être disposée dans le tube central 13 et centrée sur l'axe central.
  • Le brûleur comporte également un second dispositif à ailettes 19 disposé à l'intérieur et au voisinage de l'avant du tube central.
  • Les ailettes sont fixées dans l'exemple, sur la perche centrale 51 qui traverse le tube central; elles sont destinées à s'étendre de la surface de la perche 50 jusqu'à la paroi interne 52 du tube central.
  • Le brûleur peut comporter également un "cône de brûlage" 18 formant déflecteur situé en aval du tube central et espacé de lui de manière à effectuer un échappement divergent du flux d'air central. Dans l'exemple illustré, le cône de brûlage est disposé à l'extrémité avant de la perche axiale 51.
  • Le gaz est éjecté à l'extrémité de la perche, selon un angle divergent défini par une série d'orifices calibrés 54 disposés en couronne autour du déflecteur conique 18 qui permet d'éjecter ce gaz sur une circonférence maximale.
  • De préférence, pour de meilleurs résultats, le déflecteur conique peut être un déflecteur 18b comportant une dentelure périphérique 52, et ayant des orifices centraux 53 débouchant à l'intérieur du conduit de la perche centrale.
  • D'une manière générale, le brûleur est dimensionné pour recevoir, en régime normal de fonctionnement, une éjection de flux complémentaire à une très grande vitesse supérieure à 100 m/s tandis que le flux de pré-mélange est éjecté à une vitesse comprise de 40 à 80 m/s.
  • Dans une variante ne faisant pas partie de l'invention, le brûleur peut comprendre une alimentation en gaz riche. Dans l'exemple, le gaz riche est amené sous pression en périphérie du tube central directement dans l'espace de pré-mélange.
  • De préférence, pour des brûleurs de très grandes puissances (supérieure à 20 Méga watt), le gaz riche est distribué autour du tube central de manière à se mélanger intimement avec le pré-mélange.
  • A cet effet, le tube central peut comporter :
    • un caisson annulaire 36 de réception et de distribution du gaz autour de plusieurs orifices traversant la paroi arrière 23 en forme d'épaulement annulaire du tube central;
    • une portion de tube 56 disposée en double paroi partielle autour du tube central de manière à véhiculer le flux entrant dans la chambre de pré-mélange jusqu'à sensiblement une mi-distance de la chambre;
    • et un cône de raccordement 57 de la double paroi au caisson par l'intermédiaire de l'épaulement de manière à collecter le gaz riche;
    • accessoirement, un déflecteur annulaire 58 placé à distance de l'extrémité de la double paroi de manière à faire diverger le gaz riche et favoriser un brassage avec l'air;
    • alternativement ou en complément au déflecteur ci-dessus, une série d'orifices, 59 calibrés et ménagés à travers le tube central, est disposé en couronne juste en amont du déflecteur 58 de manière à permettre à l'air complémentaire central d'être éjecté dans le flux de gaz riche et contribuer ainsi à le faire diverger.
    Selon une variante de réalisation ne faisant pas partie de l'invention, le caisson 36 peut être relié à un tube d'alimentation en gaz riche (les orifices 10A2 étant obturés) ou un autre caisson 36B (non représenté) enveloppant le caisson 36 et étant relié au tube d'alimentation. Des orifices calibrés disposés selon un angle divergent peuvent être ménagés dans une bague reliant les deux tubes 13 et 56B à l'extrémité avant.
  • Eventuellement, la portion de tube 56 (double paroi) peut s'étendre jusqu'à l'extrémité du tube central 13 formant une double paroi centrale 56B de manière à éjecter le gaz riche directement au nez de combustion autour de l'air central.
  • Par contre pour des brûleurs de moindre puissance ne faisant pas partie de l'invention (par exemple inférieur à 20 Méga Watt), le gaz riche est amené toujours sous pression mais dans la perche centrale. Il est éjecté, selon un angle divergeant défini, par une série d'orifices calibrés 53 disposés en couronne autour d'un dispositif particulier (déflecteur à dentelures périphériques 52) qui permet d'éjecter ce gaz sur une circonférence maximale, afin que les jets de gaz riche prennent naissance au plus près de l'air de combustion, et aient une impulsion maximale en percutant l'écoulement de gaz pauvre.
  • Ces configurations ci-dessus permettent d'obtenir une flamme consistante et de structure continue et de surface maximale (optimisation des transferts thermiques dans le foyer). Le gaz riche est ainsi alimenté en air de combustion à sa base quelle que soit la composition/ proportion des combustibles : gaz unique et pur ou gaz en mélanges.
  • Le brûleur est conçu en modules mécano- soudés permettant un maximum de souplesse et de facilité de conception, d'adaptation, de construction, d'installation et d'entretien, sachant que :
    • l'air de combustion peut être plus ou moins chaud,
    • pour des installations à brûleurs multiples disposés côte à côte, les sens de rotation des fluides doivent s'engrener pour ne pas perturber la combustion et les écoulements dans le foyer,
    • il permet de remplacer facilement des brûleurs existants.
  • On va maintenant décrire les écoulements possibles des différents flux selon un mode de fonctionnement du brûleur.
  • Une flamme d'allumage est apportée devant le nez du brûleur par l'intermédiaire d'un tube de guidage du brûleur d'allumage 60 (fig. 1). Le circuit d'air permanent est alors activé par une pompe (non représentée) qui insuffle de l'air de combustion à l'arrière du brûleur en mettant le caisson d'alimentation d'air ZC en pression.
  • Une fraction de l'air de combustion pénètre dans la double paroi 27 du caisson (fig. 6) à travers les orifices d'entrée 10 par exemple rectangulaires et ménagés dans la paroi annulaire 23B fermant la double paroi sur l'arrière; tandis qu'une autre fraction pénètre directement le double caisson vers les buses 20a, 20b.
  • Une partie de cette fraction pénètre dans les poutres 11 (fig. 8) tandis que l'autre partie alimente directement une chambre de pré-éjection d'air périphérique 30 via une double paroi partielle du caisson (fig.7) dite d'inflexion qui est exempte de lumières et qui s'étend sur un angle environ de 90° entre des parois radiales 32 et 33.
  • Les poutres sont mises sous pression et de l'air de combustion s'échappe des buses en direction tangentielle(fig. 7) à un cercle centré sur l'axe central et vers les ailettes du premier dispositif de mise en rotation.
  • Le gaz de combustion qui peut être sous légère pression (généralement inférieure à (0,02 bars (200 mm CE)) rentre transversalement dans le caisson sous un effet d'entraînement des jets d'air au niveau des ouvertures 8 entre les poutres 11; les turbulences effectuent un pré-mélange ou brassage dans l'espace de pré-mélange 16 du caisson à l'entrée du dispositif à ailettes (fig. 7) notamment par inflexion contre la paroi d'inflexion 31.
  • Comme les poutres débouchent également dans la chambre de pré-éjection 30 d'air périphérique, elles contribuent à y conduire de l'air en plus de celui véhiculé par l'intérieur de la double paroi d'inflexion ou de guidage 24, 25.
  • De l'air de combustion pénètre également par l'entrée 9 du tube central 13 (fig. 10, 11) et débouche directement au niveau du nez 6 après être passé dans l'espace entre les ailettes du second dispositif à ailettes 19 (fig. 2) où il prend un mouvement de rotation. Cet air ressort devant le nez de manière divergente par le biais du déflecteur conique 18 placé devant.
  • Pendant ce temps, l'air périphérique est éjecté de la chambre 30 (fig.9, 14-16) sous forme de deux tourbillons via les buses périphériques 20a, 20b au devant du nez de combustion
  • Quand le pré-mélange arrive à la sortie avant du brûleur où il est éjecté en un tourbillon annulaire, il est pris en tenaille et brassé par les deux flux d'air central et périphérique qui le pénètrent intimement.
  • Les sens de rotation des différents flux d'air peuvent être contraires à celui du flux de pré-mélange mais de préférence dans le même sens.
  • Le cas échéant de l'air supplémentaire peut rentrer dans la chambre de pré-mélange par les tubes 21 ou clapets (fig.10, 11) disposés sur une paroi annulaire 23 venant en épaulement du tube central et enrichir le mélange en air.
  • De l'air peut aussi provenir de l'arrière du caisson 36 par des orifices 10A2 et enrichir le pré-mélange.
  • Le cas échéant (fig. 6), de l'air peut s'échapper du caisson à partir de la chambre de pré-éjection 30 à travers des orifices 55 ménagés dans la paroi inférieure du caisson et pénètre radialement dans le dispositif à ailettes 37 entre les ailettes. Cela permet d'améliorer le brassage du mélange de gaz avec l'air.
  • En cas d'utilisation de plusieurs brûleurs disposés à proximité l'un de l'autre dans une chambre de combustion d'une installation, il faut veiller à ce que les différents tourbillons s'engrènent. A cet effet, l'orientation de différentes buses et d'ailettes doit être adaptée. Par exemple, les tourbillons périphériques doivent être contraires entre deux brûleurs.
  • Ainsi, l'invention procure les avantages ci-après :
    • La flamme est stable et bien accrochée, et on élimine toutes les vibrations dues aux instabilités de la combustion;
    • Aucun réglage n'est requis;
    • Une parcellisation de l'air de combustion est possible en plus de deux, voire plus de trois fractions;
    • Aucune nécessité de combustible de soutien pour compenser des irrégularités de mélange ou pauvreté du gaz combustible, ni des dispositifs ou équipements associés ce qui autorise une économie de combustible riche en cas de pénurie de gaz pauvre;
    • Suppression du réchauffage de gaz ou de l'air de combustion résultant de la capacité du brûleur à brûler correctement des gaz à très faibles PCl (< 3140 kJ/m3 (750 Kcal/m3)) en gaz froid et air froid; Généralement, le réchauffage de l'air de combustion d'un brûleur de 20 MW s'effectuait à 200°C;
    • Réduction de la teneur en oxygène des fumées du fait d'une très bonne combustion grâce à un mélange air-combustible optimisé. La teneur en oxygène des fumées a été réduite à 0,6 - 1 % au lieu de 2 %;
    • Il y a une augmentation de la température de flamme de 60 à 80°C, provoquant un fort accroissement des transferts thermiques dans les foyers (+15%). La productivité de la chaudière s'en trouve de fait améliorée si la resurchauffe peut suivre;
    • Il y a réduction importante des pertes aux fumées (à température constante) car le volume de fumées baisse dans la même proportion que le facteur d'air, soit de 10 à 15 %. Le rendement de la chaudière s'en trouve de ce fait amélioré d'au moins 1 point. Pour une chaudière de 100 MW, cela représente plus de 10 GWh/an de combustible;
    • Réduction de la consommation électrique des ventilateurs d'air et fumées à brasser dans la mesure où les volumes d'air et de fumées à brasser étant plus réduits, il en résulte également une diminution de la taille des ventilateurs de soufflage et de tirage de l'ordre de 15 à 20 % et une réduction de leur consommation de plus de 10 %.

Claims (23)

  1. Procédé pour réaliser la combustion d'un gaz combustible pauvre à l'aide d'au moins un brûleur comprenant un nez de combustion sur un axe central (x), caractérisé en ce que l'on crée un pré-mélange non inflammable contenant de l'air de pré-mélange et un gaz combustible pauvre et en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes selon lesquelles on éjecte devant le nez de combustion:
    - le pré-mélange non inflammable en un flux de pré-mélange en rotation autour de l'axe central,
    - un flux complémentaire de manière à atteindre un seuil d'inflammabilité du mélange devant le nez de combustion, le flux étant éjecté au centre du flux de pré-mélange par le biais d'un flux complémentaire central et/ou autour du flux de pré-mélange par le biais d'un flux complémentaire périphérique,
    cette combustion étant réalisée sans flamme de soutien.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux complémentaire est un flux d'air.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le flux de pré-mélange est obtenu par une incorporation d'air de pré-mélange dans du gaz combustible.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'incorporation est effectuée dans un caisson relié au brûleur.
  5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite incorporation est réalisée, à une entrée (8) du gaz combustible dans le brûleur, par une injection d'air de pré-mélange de manière que cette injection d'air de pré-mélange entraîne le gaz combustible dans un espace de pré-mélange, réalise le pré-mélange par des turbulences résultant de l'injection et diriger le pré-mélange en direction du nez de combustion tout en initiant une rotation autour de l'axe central.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux complémentaire est éjecté en rotation, selon un même sens de rotation que le flux de pré-mélange.
  7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que :
    a) le flux d'air complémentaire central est éjecté en rotation devant le nez de combustion et en écoulement divergent pour pénétrer le flux de pré-mélange,
    b) le flux d'air complémentaire périphérique est éjecté or écoulement convergeant et en forte rotation spiralée.
  8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange de gaz combustible et d'air de combustion est réalisé par incorporation d'une quantité nécessaire parcellisée de l'un dans l'autre par de nombreux jets orientés.
  9. Brûleur pour gaz combustible, du type comprenant un nez de combustion sur un axe central (x), comportant :
    - des moyens pour créer un flux de pré-mélange non inflammable contenant de l'air de pré-mélange et un gaz combustible pauvre ;
    - des moyens pour la mise en rotation de ce flux de pré-mélange autour dudit axe central (x) ;
    - des moyens pour l'éjection du flux de pré-mélange mis en rotation devant le nez de combustion ;
    - des moyens permettant d'injecter un premier flux complémentaire au centre du flux de pré-mélange de manière à atteindre un seuil d'inflammabilité du mélange devant le nez de combustion ; et
    - des moyens permettant d'injecter un second flux complémentaire périphérique autour du flux de pré-mélange, de manière à atteindre un seuil d'inflammabilité du mélange devant le nez de combustion ;
    caractérisé en ce que ledit brûleur comprend encore des moyens d'incorporation comprenant des moyens d'injection (21) d'air de pré-mélange, lesdits moyens d'injection étant disposés de manière à réaliser une incorporation d'air parallèlement à l'axe central de manière progressive, en fonction du niveau de puissance utilisée, et de manière à diriger le flux de pré-mélange en direction du nez de combustion.
  10. Brûleur pour gaz combustible, selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte :
    - des moyens pour créer un flux de pré-mélange non inflammable contenant de l'air de pré-mêlange et un gaz combustible pauvre, et des moyens pour la mise en rotation de ce flux de pré-mélange autour dudit axe central (x), et des moyens pour l'éjection du flux de pré-mélange mis en rotation devant le nez de combustion, ces moyens comprenant des buses (17) ou orifices calibrés directionnels à fort débit disposés dans des moyens d'incorporation (11) profilés et orientés vers un espace de pré-mélange (16) ;
    - des moyens permettant d'injecter un premier flux complémentaire au centre du flux de pré-mélange devant le nez de combustion, ces moyens comprenant un déflecteur conique (18) en sortie du tuyau central (13) et des ailettes (19) qui mettent le flux d'air central en rotation ; et
    - des moyens permettant d'injecter un second flux complémentaire périphérique autour du flux de pré-mélange, devant le nez de combustion, ces moyens étant constitués par des buses d'injection (20a, 20b) disposées sur une couronne (14) de l'extrémité ou face avant du caisson (26a), lesdites buses étant orientées à la fois tangentiellement à un cercle centré sur l'axe central et orientées vers l'avant,
  11. Brûleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est configuré de manière à scinder un flux d'air en au moins un flux d'air de pré-mélanger, et un flux d'air complémentaire comprenant au moins un flux d'air complémentaire central et/ou un flux d'air complémentaire périphérique.
  12. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il est configuré de manière à éjecter en rotation le flux complémentaire, selon un même sens de rotation que le flux de pré-mélange.
  13. Brûleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'incorporation comprennent également des moyens d'injection (17) pour réaliser, une injection permanente d'air de pré-mélange dans un espace de pré-mélange (16) en amont du nez de combustion, ledit espace étant destiné à être en communication avec une enceinte (ZB) contenant le gaz combustible, ladite injection étant réalisée de manière à entraîner le gaz combustible dans l'espace de pré-mélange (16), réaliser le pré-mélange par des turbulences résultant de l'injection et diriger le pré-mélange en direction du nez de combustion (6) tout en initiant une rotation autour de l'axe central (x).
  14. Brûleur selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un caisson cylindrique (7) ayant:
    - une double paroi périphérique (24, 25), une extrémité avant (26a) configurée pour déboucher en sortie le flux l'air périphérique sur le nez de combustion et une extrémité arrière (26b) configurée pour recevoir au moins des flux d'air, les deux extrémités communiquant entre elles au moins par le biais d'un espace de circulation d'air (27) délimité par la double paroi,
    - des lumières d'admission (8) sur la double paroi périphérique étant destinées à s'interfacer entre un espace interne dans le caisson dit espace de pré-mélange (16) et l'extérieur (ZB) dans une enceinte contenant le gaz,
    - des conduites, en forme de poutres creuses (11), situées dans l'épaisseur de la double paroi et s'étendant entre les lumières (8), entre un espace de réception (10) de flux d'air disposé à l'extrémité arrière (26b) et un espace de pré-éjection (30) de l'air périphérique situé à l'extrémité avant, lesdites conduites comportant des buses d'injection d'air de pré-mélange (17) configurées de manière à réaliser ladite injection permanente d'air de pré-mélange.
  15. Brûleur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte un tube central (13) centré sur l'axe central (x) à l'intérieur du caisson cylindrique (7) et s'étendant entre les deux extrémités du caisson (26a, 26b), ledit tube comportant :
    - une surface externe (35) destinée à délimiter l'espace de pré-mélange (16) avec la paroi interne (31) de la double paroi du caisson,
    - des moyens de fixation au caisson et de réception d'un caisson à air ou à gaz (36) disposé à l'arrière du tube,
    - un premier dispositif à ailettes (37), disposé en avant du tube, lesdites ailettes étant profilées de manière à créer une rotation du flux de pré-mélange lors de son écoulement vers la sortie du caisson, lesdites ailettes s'étendant dans l'espace d'écoulement du pré-mélange entre la paroi externe du tube (35) et la paroi interne (31) du caisson.
  16. Brûleur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte un second dispositif à ailettes (19) disposé à l'intérieur et au voisinage de l'avant du tube central, lesdites ailettes étant fixées sur une perche centrale (51) et s'étendant entre la surface (50) de la perche et la paroi interne (52) du tube central.
  17. Brûleur selon les revendications 1 et 15 ou 16, caractérisé en ce que la deuxième injection d'air s'effectue par l'intermédiaire d'orifices (22) situés sur une paroi (23) en forme d'épaulement du tube central, ladite paroi séparant l'espace de pré-mélange (16) avec l'arrière du tube central en communication avec le caisson à air (ZC), lesdits orifices étant obturés par des clapets manoeuvrables par des ressorts tarés ou des commandes manoeuvrables.
  18. Brûleur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte des perçages de sortie sous forme de buses (20a, 20b) communiquant avec l'espace de pré-éjection (30) dans la double paroi et débouchant vers l'extérieur sur une paroi interne du caisson ou équivalent (25), lesdites buses étant disposées en couronne et décalées par rapport à l'axe radial (R) du caisson et dirigées vers l'avant.
  19. Brûleur selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte une première série de buses (20a) inclinées de 5° à 45 ° vers l'avant et de 30 à 65° par rapport à l'axe radial (R) et une seconde série de buses (20b) inclinées de 25 à 65° vers l'avant et de 30 à 70° par rapport à l'axe radial.
  20. Brûleur selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte un "cône de brûlage" formant déflecteur conique (18) situé en aval du tube central (13) et espacé de lui de manière à effectuer un échappement divergent du flux d'air central.
  21. Brûleur selon la revendication 20, caractère en ce que le déflecteur conique (18) est disposé à l'extrémité de la perche axiale (51) traversant le tube central.
  22. Brûleur selon la revendication 21, caractérisé en ce que le déflecteur conique (18) comporte une dentelure périphérique (52) et des orifices centraux (43) débouchant à l'intérieur du conduit de la perche centrale.
  23. Installation de combustion d'un gaz combustible, caractérisée en ce qu'elle met en oeuvre ou comporte au moins deux brûleurs selon l'une quelconque des revendications 9 à 22, configurés de manière à engrener dans un sens commun le mouvement de rotation global résultant de leur flux de mélange devant le nez de combustion.
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