Le problème de production d'oxydes d'azotes (NOx) dans le cas de toute combustion, ainsi que celui de suie, dans le cas des seuls combustibles liquides, constituent deux sources de préoccupations constantes que posent les chaudières. Ces problèmes sont accompagnés en outre d'une instabilité chronique de la flamme.
La production de suie qu'accompagne la combustion des combustibles liquides semble à première vue contradictoire avec la diminution de la production de NOx, puisque cette combustion souffre justement d'un manque d'oxygène apporté par l'air.
Pour résoudre le problème du NOx, il existe de très nombreux travaux sur la recirculation de gaz de combustion. Cette recirculation a pour but de diminuer l'excès d'air nécessaire à la combustion tout en augmentant le débit massique. Ceci a pour conséquence de permettre une meilleure utilisation de l'oxygène sans augmenter la production d'oxydes d'azote (NOx), qui constitue une source de pollution atmosphérique importante, et conduit, en général, à une combustion dite à flamme bleue .
Parmi les solutions proposées, I'une d'elles consiste en une zone d'injection d'air formée en amont de la zone d'injection du combustible. Cette zone d'injection d'air est reliée, d'une part, à la zone d'injection du combustible et, d'autre part, à la chambre de combustion. L'air injecté dans la zone d'injection d'air crée une dépression, qui aspire des gaz de combustion de la chambre vers cette zone et les réinjecte avec l'air vers la zone d'injection du combustible. Cette solution présente l'inconvénient de nécessiter un délai relativement important pour obtenir une combustion satisfaisante. Compte tenu des arrêts et démarrages fréquents d'une chaudière, ce délai n'est pas tolérable.
D'autres solutions ont été proposées pour améliorer la combustion. L'une d'elles est relative à l'écoulement tourbillonnaire de l'air alimentant les brûleurs et est généralement connu sous le terme anglo-saxon de swirl . Un chapitre est consacré à ce sujet dans l'ouvrage de J.M. Beér et N.A. Chigier, Combustion aerodynamics , édité par Applied Science Publishers Ltd,
Londres (1972). Cet ouvrage montre notamment que l'écoulement tourbillonnaire de l'air autour du cône d'injection du combustible augmente la stabilité de la flamme ainsi que sa luminosité, modifie considérablement la forme de la flamme qui s'étale alors très rapidement à la sortie de la buse d'injection du combustible et provoque un taux de mélange et de turbulence élevé.
Par contre, cette amélioration de la flamme ne conduit pas à une combustion exempte de suie et s'accompagne d'un niveau de bruit élevé dû à la turbulence et à la vitesse de combustion très importante. Ce niveau de bruit peut d'ailleurs dépasser les limites admissibles.
Enfin, on peut encore citer un essai entrepris sur un brûleur à gaz en vue de diminuer la quantité de NOx. Selon cet essai, quatre conduits arrivent tangentiellement dans une chambre tubulaire, concentrique à un conduit d'arrivée de gaz. De l'air et des gaz de combustion sont admis sous pression dans une chambre, puis sont injectés à travers ces quatre conduits de manière à former un swirl autour de la buse. Cependant, ces essais n'ont pas dépassé le stade du laboratoire et semblent avoir posé des problèmes de stabilité. En outre, le prototype de laboratoire décrit ne permet pas d'envisager facilement une application à caractère industriel.
A première vue, les travaux énumérés semblent prouver qu'il devrait être possible de réaliser une combustion à faible taux de
NOx en se rapprochant des conditions d'une combustion stoechio- métrique, grâce à la recirculation des gaz de combustion d'une part, et à l'écoulement tourbillonnaire d'autre part. Or, les solutions proposées ne permettent pas de réaliser pratiquement la propreté et la stabilité de combustion que l'on devrait théoriquement atteindre, en faisant usage des techniques de recirculation et d'écoulement tourbillonnaire.
Les causes de cet insuccès relatif sont sans doute multiples.
Dans le cas de la recirculation interne, le problème essentiel est posé par le délai d'établissement d'une combustion satisfaisante.
La formation d'un écoulement de gaz de combustion en direction de la dépression formée dans la zone d'injection de l'air, en amont de la buse d'injection du combustible, met en effet un certain temps à s'établir du fait que les gaz de combustion situés dans la chambre de combustion se trouvent aspirés, d'une part, par la cheminée et, d'autre part, par la zone d'injection de l'air. Une autre cause de cet insuccès partiel se manifeste par une plus ou moins grande instabilité de la flamme, qui se traduit par un mode de combustion oscillant. Enfin, le bruit produit soit par une combustion à flamme jaune, soit par l'écoulement de type tourbillonnaire peut dépasser le niveau normalement tolérable.
L'instabilité de la flamme est due en bonne partie à un mauvais mélange du carburant et de l'air et à une mauvaise dilution de l'oxygène disponible. Pour obtenir une combustion satisfaisante, en particulier à flamme bleue, il faut que le combustible, s'il est liquide, soit pulvérisé en gouttelettes suffisamment fines. Il est également nécessaire que l'oxygène disponible soit suffisamment dilué dans la masse de gaz formée d'air et de gaz de combustion.
En effet, pour que l'excès d'air soit réduit au minimum, et que la combustion se rapproche ainsi des conditions stoechiométriques, il est nécessaire de faire en sorte que chaque molécule d'oxygène ait une bonne probabilité de rencontrer une molécule de combustible.
C'est la raison pour laquelle il n'est pas suffisant de recirculer une certaine quantité de gaz de combustion, mais il faut encore que l'oxygène soit dilué de manière homogène dans toute la masse de gaz. Pour obtenir cette dilution, il est bon d'utiliser un gaz dont la pression partielle d'oxygène est plus faible que celle de l'air, de manière à tirer le meilleur parti de l'oxygène disponible, ce ui conduit à une diminution de la production de NOx. Or, les modes de réinjection utilisés dans les solutions connues ne garantissent pas une dilution suffisamment bonne de l'oxygène. Par conséquent, la masse de gaz n'ayant pas une pression partielle d'oxygène constante dans la zone de réaction en fonction du temps, la combustion ne peut pas être régulière.
Même en combinant l'écoulement tourbillonnaire et la recirculation, la stabilité de la flamme ne peut pas être garantie, sans doute pour la même raison, c'est-à-dire en raison d'une dilution incomplète de l'oxygène disponible dans la masse de gaz.
Le but de la présente invention est de remédier, au moins en partie, aux inconvénients des solutions susmentionnées en vue d'assurer une combustion à flamme bleue, stable, à faible taux de
NOx et émettant un bruit réduit.
A cet effet, la présente invention a tout d'abord pour objet un procédé d'alimentation en comburant gazeux d'un brûleur à combustible fluide dans lequel l'ouverture de distribution du comburant débouche dans une chambre de combustion de chaudière. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on crée une zone de dépression en amont du brûleur, que l'on met cette zone en communication d'une part, avec une source de comburant gazeux, d'autre part, avec un conduit d'évacuation des gaz de combustion, que l'on règle le débit massique de gaz de combustion par rapport au débit massique de comburant gazeux, que l'on mélange les gaz de combustion au comburant gazeux pour abaisser la concentration d'oxygène du mélange comburant en la rendant sensiblement uniforme dans tout le mélange,
et que l'on introduit le mélange dans la chambre de combustion par ladite ouverture de distribution en formant un écoulement tourbillonnaire dont l'intensité est choisie pour engendrer une recirculation du mélange en forme de vortex toroïdal à l'intérieur de la chambre.
L'invention a encore pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisé par le fait qu'il comporte une enceinte de mélange présentant deux entrées munies chacune de moyens de réglage de leur section de passage et une sortie, ces entrées étant en communication respectivement avec l'atmosphère et avec un conduit d'évacuation des gaz de combustion, la sortie étant reliée à l'entrée d'un ventilateur dont la sortie communique avec des moyens disposés coaxialement à la buse d'injection du combustible pour imprimer au mélange de gaz un mouvement tourbillonnaire.
Ce procédé et son dispositif de mise en oeuvre présentent plusieurs avantages par rapport aux solutions connues. Tout d'abord, le mélange est réalisé en amont du ventilateur de sorte qu'en plus du mélange proprement dit, la masse de gaz subit encore un brassage efficace dans le ventilateur. La dépression exercée par le ventilateur sur les gaz de combustion est très supérieure à celle qui se produit dans le cas d'une recirculation interne de sorte que l'établissement d'une combustion à flamme bleue est beaucoup plus rapide.
D'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description illustrée par le dessin annexé qui représente, schématiquement et à titre d'exemple, deux formes d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre de la présente invention.
La fig. I est une vue en coupe selon l'axe longitudinal de la chaudière.
La fig. 2 est une vue en élévation avec arrachement selon les flèches II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue de détail, en coupe et à plus grande échelle selon la ligne III-III de la fig. 2.
La fig. 4 est une vue en coupe semblable à celle de la fig. 1, illustrant la seconde forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue partielle d'un détail du ventilateur.
La fig. 6 est un diagramme explicatif du mode de réglage du ventilateur.
Le dispositif d'alimentation d'un brûleur de combustible fluide en un mélange d'air et de gaz de combustion, illustré par les fig. 1 et 2, est associé à une buse d'injection de mazout 1, disposée coaxialement dans un conduit d'alimentation 2 d'un mélange d'air et de gaz de combustion. Ce conduit 2 constitue la sortie d'une bâche spirale 3 fixée au couvercle 4 de la chaudière et se termine dans la chambre de combustion 5 par un pot 6 dont on expliquera le rôle par la suite. Un aubage fixe 7 formant une couronne est disposé à la sortie de la bâche spirale 3 et présente une inclinaison destinée à imprimer au mélange de gaz introduit dans la chambre de combustion 5 un mouvement hélicoïdal.
L'entrée de cette bâche spirale 3 communique avec la sortie d'une seconde bâche spirale 8 dans laquelle est montée une roue de ventilateur 9 entraînée par un moteur 10, par l'intermédiaire de deux pignons à denture hélicoïdale 11 et 12 solidaires respectivement des arbres de la roue 9 et du moteur 10.
On ne décrira pas la chaudière en détail, étant donné qu'elle sort du cadre de l'invention. Il suffit, pour comprendre l'invention, de savoir que la chaudière présente, dans cet exemple, deux collecteurs de gaz de combustion, dont l'un 13, est en communica- tion avec une première entrée 15 (fig. 2 et 3) d'une enceinte de mélange de gaz 16 (fig. 3) dont la seconde entrée 17 communique avec l'atmosphère, tandis que la sortie 18 est branchée à l'entrée de la secnde bâche spirale 8 du ventilateur contrôlée par une bague de réglage du débit 14 à déplacement axial.
La première entrée 15 de l'enceinte communique avec une zone annulaire 19 formée entre l'enveloppe tubulaire externe de l'enceinte 16 et une paroi intérieure 20 située dans le prolongement de sortie 18. Un anneau de réglge 21, porte un manchon perforé 22 qui s'évase en direction de la sortie 18 pour s'appuyer contre la paroi intérieure 20. Cet anneau de réglge 21 est solidaire d'une bague cylindrique 23 montée coulissante à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire de l'enceinte 16. La bague 23 porte un tenon 24 qui fait saillie hors de cette enceinte 16, à travers une rainure hélicoïdale 25. Le déplacement angulaire de la bague 23 à l'aide du tenon 24 permet de modifier la position axiale de la bague 23 et de régler la section de passage entre cette bague et l'extrémité voisine de la paroi intérieure 20.
La paroi tubulaire perforée 22 sert à diviser l'écoulement de gaz de combustion provenant du collecteur 13, dans le but que l'on expliquera par la suite.
La seconde entrée 17 de l'enceinte 16, qui communique avec l'atmosphère est également pourvue d'un dispositif de réglage de la section de passage, formé par un cône 26 fixé à une tige 27, dont une extrémité filetée est vissée dans un écrou 28, solidaire d'un couvercle ajouré 29, et dont l'autre extrémité est guidée dans un disque ajouré 30. Ce cône 26 délimite, avec l'anneau de réglage 21, un passage annulaire.
On peut encore mentionner que la buse d'injection de mazout 1 est alimentée par une pompe 31 et qu'une électrode d'allumage 32 est disposée à proximité de la buse 1.
Lors du fonctionnement de la chaudière, les gaz de combustion sont recueillis dans les collecteurs (dont seul le collecteur 13 est visible) situés à la sortie des canaux de convection de la chaudière et non représentés, le long desquels ces gaz se refroidissent en cédant de la chaleur à l'eau de la chaudière. Outre la dépression exercée par le tirage de la cheminée à laquelle les collecteurs sont branchés, une seconde dépression, plus forte que celle de la cheminée, est exercée dans l'enceinte de mélange de gaz 16 par le ventilateur 8, 9. Comme cette enceinte 16 communique, par son entrée 15 avec le collecteur de fumée 13, les gaz de combustion sont attirés dans cette enceinte 16 en même temps que l'air qui est attiré par l'entrée 17.
Le volume total de gaz (air plus gaz de combustin) aspiré dans l'enceinte 16 ainsi que le rapport d'air et de gaz de combustion sont déterminés, par un débit préalablement fixé du ventilateur 8, 9, par les moyens de réglage constitués par l'anneau de réglage 21 et par le cône 26. Ce dernier permet de régler le volume total de gaz aspiré tandis que l'anneau 21 permet de régler la proportion d'air et de gaz de combustion admis dans l'enceinte 16.
Comme on l'a dit précédemment, I'écoulement de gaz de combustion pénétrant dans l'enceinte 16 par la première entrée 15 est divisé en pluralité d'écoulements lors de son passage au travers de la paroi du manchon perforé 22. Cette pluralité d'écoulements pénètre dans l'écoulement d'air qui résulte également de la dépression créée par le ventilateur 8, 9. La formation de la pluralité d'écoulements augmente très considérablement l'interface air-gaz de combustion et favorise le brassage et la turbulence de cette pluralité d'écoulements. On évite ainsi la réunion de deux masses compactes de gaz qui ne se mélangent que très partiellement de sorte que la masse de gaz résultante a une teneur en oxygène hétérogène, constituant un facteur d'instabilité de la combustion.
Au contraire, la pénétration d'une pluralité d'écoulements de gaz de combustion dans l'écoulement d'air favorise la dissolution de l'oxygène dans toute la masse de gaz, de sorte que la pression partielle d'oxygène du mélange de gaz est sensiblement uniforme.
Cette dissolution uniforme de l'oxygène garantit une utilisation maximum de l'oxygène disponible et permet de réduire la quantité d'air pour la rapprocher de la valeur stoechiométrique. On a constaté qu'avec des mêmes masses d'air et de gaz recirculés, la stabilité de la combustion s'améliorait considérablement suivant l'homogénéité du mélange de gaz.
Ce mélange, formé dans l'enceinte 16, est aspiré par le ventilateur 8, 9 qui le comprime et l'envoie dans la bâche spirale 3, de laquelle il ressort dans le conduit d'alimentation 2 après avoir traversé l'aubage fixe 7 qui lui imprime un mouvement hélicoïdal autour de l'axe du brûleur. Cet écoulement tourbillonnaire swirl arrive dans le pot dans lequel le combustible est pulvérisé par la buse 1.
Afin d'éviter les pulsations du débit d'air frais, ce qui aurait pour effet l'entretien d'un régime de pulsations dans l'ensemble de la chaudière, la pression créée dans l'enceinte 16 par le ventilateur 8, 9 est inférieure à - 10 mm de colonne d'eau. Le nombre de swirl qui est donné par le rapport entre la vitesse angulaire communiquée au gaz et sa vitesse de déplacement axial est choisi de préférence entre 0,5 et 1,2. La limite inférieure doit être au moins suffisante à l'apparition d'un vortex toroïdal, tandis que la limite supérieure est fixée par l'importance du retour de la flamme qui ne doit pas atteindre la buse 1.
Parmi les autres facteurs qui contribuent à la qualité de la combustion, on peut encore mentionner le pot 6, qui contribue à la fixation de la flamme dans l'espace et augmente, par sa forme divergente, le volume toroïdal du vortex créé par l'écoulement tourbillonnaire en l'allongeant, de sorte que les particules de combustible pulvérisées dans ce vortex traversent une plus grande zone du mélange de gaz de combustion et d'air augmentant la probabilité d'une combinaison entre les molécules d'oxygène et de combustible. Le pot sert encore d'écran de radiation entre la base de la flamme et la paroi froide de la chaudière maintenant une température suffisante à cet endroit de la flamme pour favoriser la gazéification du combustible et sa bonne combustion.
On peut cependant remarquer qu'avec le couvercle de chaudière 4 illustré,
I'existence du pot, notamment en ce qui concerne l'accrochage de la flamme et l'augmentation de volume du vortex toroïdal, n'est pas absolument indispensable.
Il faut encore signaler deux particularités du ventilateur 8, 9.
Comme illustré par la fig. 5, la forme de l'aubage 9a de la roue 9 du ventilateur est choisie de manière à produire une accélération du fluide au fur et à mesure que celui-ci avance radialement vers la bâche spirale 8 de manière qu'à l'allumage de la chaudière, les particules de suie qui peuvent être recirculées avec les gaz de combustion soient balayées de la surface des aubes 9a et ne s'y accumulent pas.
L'autre particularité, connue en elle-même, résulte du système de réglage du débit par pénétration de la bague 14 dans la roue 9 et non par étranglement. La pénétration de cette bague a pour effet de modifier la caractéristique du ventilateur, c'est-à-dire la courbe de variation de pression Ap en fonction du débit q. Or, la stabilité du ventilateur, et par conséquent celle de la flamme, est fonction de l'inclinaison de la tangente à cette courbe. Plus cette inclinaison est forte, meilleure est la stabilité. En variant le débit à l'aide de l'anneau 14, cela revient à travailler avec une autre roue de ventilateur dont les caractéristiques Ap/q sont sensiblement parallèles (fig. 6) de sorte que pour un même Ap, la pente de la tangente est sensiblement constante. Ceci est évidemment très important pour la stabilité de la combustion.
Les essais effectués à l'aide du dispositif décrit ont permis d'obtenir une combustion à flamme bleue stable, presque instantanément, en utilisant un taux d'excès d'air très faible par rapport aux conditions stoechiométriques, soit de l'ordre de 5% à 10% seulement, conduisant, d'une part, à une combustion pratiquement exempte de suie et, d'autre part, à une production très faible de NOx. Enfin, la recirculation de gaz de combustion permet d'abaisser le niveau du bruit émis par la combustion. Cette recirculation est, par rapport à la masse d'air, comprise entre 50% et 70% de gaz de combustion pour un rapport massique d'air et de combustible proche des conditions stoechiomètrîques.
La seconde forme d'exécution illustrée par la fig. 4 se différencie principalement de la première forme d'exécution par le fait que le ventilateur et le générateur de tourbillon sont montés dans la même bâche 34 qui renferme, d'une part, un aubage fixe 35 situé du côté de la sortie de la bâche et fixé au porte-buse 36, et, d'autre part, une roue de ventilateur 37 coaxiale à l'aubage fixe 35 et fixée à un manchon 38, reliée à un moteur d'entraînement (non représenté) par une courroie de transmission 41. Cette bâche 34 est alimentée axialement en mélange de gaz, par la dépression créée par le ventilateur 37, grâce à la liaison entre cette bâche 34 et le dispositif de mélange 42, qui se différencie quelque peu du dispositif précédemment décrit.
Ce dispositif comprend une première ouverture d'admission 43, reliée au collecteur 13 de gaz de combustion, et des secondes ouvertures d'admission 44, communiquant avec l'atmosphère. La section de passage de l'ouverture 43 est contrôlée par un disque 45, déplaçable axialement et monté à cet effet, sur une tige 46 guidée par un tube 47. Une vis de réglage 48 sert à déterminer la position axiale de cette tige 46 dans le tube 47. Ce tube est solidaire d'un manchon 49 fixé à une de ses extrémités, tandis qu'il est monté coulissant à travers une douille 50 à son autre extrémité, cette douille étant elle-même solidaire de l'enceinte renfermant le dispositif 42.
Le manchon 49 comporte deux parties, l'une de grand diamètre, dans laquelle est ménagée la première ouverture 43, montée coulissante dans un élément tubulaire 51 ménageant la seconde ouverture 44, et Pautre, de plus petit diamètre, à laquelle est fixé un cylindre perforé 52, entouré par une nervure hélicoïdale 53.
L'air aspiré par la dépression créée par le ventilateur 37 et qui pénètre dans le dispositif de mélange 42 par les ouvertures 44, est soumis à un mouvement hélicoïdal imprimé par la nervure 53.
Simultanément, les gaz de combustion aspirés à travers l'ouverture 43 sont fractionnés par les perforations du cylindre 52 et cette multitude de jets pénètre dans l'écoulement hélicoïdal d'air, provoquant un mélange homogène. Ce mélange est ensuite comprimé par le ventilateur 37 et les aubes fixes 35 lui communiquent un écoulement tourbillonnaire, dans les mêmes conditions que pour la première forme d'exécution.
REVENDICATION I
Procédé d'alimentation en comburant gazeux d'un brûleur à combustion fluide dans lequel l'ouverture de distribution du comburant débouche dans une chambre de combustion de chaudière, caractérisé en ce que l'on crée une zone de dépression en amont du brûleur, que l'on met cette zone en communication d'une part, avec une source de comburant gazeux, d'autre part, avec un conduit d'évacuation des gaz de combustion, que l'on règle le débit massique de gaz de combustion par rapport au débit massique de comburant gazeux, que l'on mélange les gaz de combustion au comburant gazeux pour abaisser la concentration d'oxygène du mélange comburant en la rendant sensiblement uniforme dans tout le mélange,
et que l'on introduit le mélange dans la chambre de combustion par ladite ouverture de distribution en formant un écoulement tourbillonnaire dont l'intensité est choisie pour engendrer une recirculation du mélange en forme de vortex toroïdal à l'intérieur de la chambre.
SOUS-REVENDICATION
1. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que pour mélanger le comburant gazeux et le gaz de combustion, on fractionne l'écoulement de l'un de ces gaz en une pluralité d'écoulements et que l'on dirige cette pluralité d'écoulements dans l'écoulement de l'autre de ces gaz.
REVENDICATION II
Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait qu'il comporte une enceinte de mélange présentant deux entrées munies chacune de moyens de réglage de leur section de passage et une sortie, ces entrées étant en communication respectivement avec l'atmosphère et avec un conduit d'évacuation des gaz de combustion, la sortie étant reliée à l'entrée d'un ventilateur dont la sortie communique avec des moyens disposés coaxialement à la buse d'injection du combustible pour imprimer au mélange de gaz un mouvement tourbillonnaire.
SOUS-REVENDICATION
2. Dispositif selon la revendication II, caractérisé par le fait qu'une bâche munie de deux ouvertures axiales est montée coaxialement à la buse d'injection du combustible, l'ouverture de cette bâche opposée à la buse étant en communication avec
I'enceinte de mélange, le côté amont de la bâche renfermant la roue du ventilateur, le côté aval de la bâche renfermant un aubage fixe conformé pour imprimer au mélange le mouvement tourbillonnaire.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.