EP0718552A1 - Brûleur du type à mélange externe - Google Patents

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EP0718552A1 EP95402760A EP95402760A EP0718552A1 EP 0718552 A1 EP0718552 A1 EP 0718552A1 EP 95402760 A EP95402760 A EP 95402760A EP 95402760 A EP95402760 A EP 95402760A EP 0718552 A1 EP0718552 A1 EP 0718552A1
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nose
fluid
holes
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burner
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Dominique Robillard
Michel Inizan
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • 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
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other

Definitions

  • the present invention relates to a burner of the external mixture type.
  • the treatment of certain industrial waste by incineration with oxygen is currently considered to be a very promising avenue.
  • the waste in the form of a gas, a liquid, or a foam, possibly containing suitable additives, is sent to a burner supplied with two pure oxygen, or at least of high content.
  • a process which has been developed for treating certain aqueous effluents originating from the leaching of steam generators from nuclear power plants, but which can have many other applications.
  • This process consists in dispersing the waste to be incinerated in an aqueous solution containing a surfactant as well as, if necessary, a fuel, in converting this solution into a slightly pressurized foam, and in transferring this foam into a cyclone oven by passing it in an oxygen burner.
  • the object of the present invention is to provide a burner having improved performance compared to the device of the prior art, a homogeneous flame which can occur at a short distance, substantially constant despite variations in the fuel, from the burner nose.
  • the burner of the invention can be used in all fields, without being limited to the incineration of waste.
  • the invention provides a burner of the external mixture type, comprising a nose pierced with a passage for supplying a first fluid, and a passage for supplying a second fluid capable of form a flame when it is in contact with the first, the burner operating by formation of the flame at a short distance from the nose, this burner having the particularity that the nose consists of a part having an outer face pierced with holes, some of these holes opening into a chamber supplied with the first fluid, this chamber being delimited by the nose, a side wall pierced with orifices for the arrival of the first fluid, and a bottom, transverse to the side wall, the side wall being in tight connection with the nose and with the bottom, and certain other holes of the nose each containing a tube fixed to the nose in a leaktight manner, and crossing the bottom also in a leaktight manner, to lead into a core duct born of the second fluid, all of the holes opening into the chamber and all of the holes containing tubes, each having a regular and
  • the first fluid can be fuel, in the form of foam or gas or liquid, and the second fluid can be oxygen.
  • the number and the respective diameters of the holes opening into the chamber and of the tubes is obviously a function of the desired combustion, and in particular of the nature of the fuel and of the fuel.
  • the body C comprises several concentric tubes, namely, starting from the axis, a first tube 2 which is connected to an oxygen inlet inlet 3, and which, on the opposite side, leads to the head T.
  • a second tube 4 defines with tube 2 an annular conduit 5 which serves to bring the fuel from a fuel inlet 6 to the head T.
  • a third and a fourth concentric tubes 7, 8 define between them two annular spaces intended for the circulation of a cooling fluid, which enters the outer annular space 9 through an inlet 10, and leaves the inner annular space 11 through an outlet 12.
  • the two annular spaces 9 and 11 communicate with each other at the level of the burner head T.
  • the burner head comprises a part called "nose", which has the general shape of a disc 13, pierced, in its central part, with a multitude of orifices 14, 15.
  • the outer face 16 of the nose 13 is flat , while its opposite face 17 carries a first external projection 18 intended for its connection with the external tube 8, and another annular projection 19 which serves to delimit, with the face 17, a chamber 20.
  • a sealing piece 21 has the general shape of a cylinder open at one end and closed at the other end by a perforated disc 22.
  • the cylindrical part 23 of the piece 21 is welded at its ends to the cylindrical relief 19 of the nose.
  • a number of radial orifices 24, arranged in two radial planes, are provided in the cylindrical part 23, a short distance from the disc 22.
  • FIG. 3 shows their regular distribution. A number of these holes 14 are in axial alignment with holes 25 of the closure piece 21, and a tube 26 is crimped in each hole 14 and each corresponding hole 25. All the holes 25 of the disc 22 are connected to a corresponding bore 14 of the nose, so that there is no communication between the chamber 20 and the space 27 which is on the opposite face of the disc 22, and which extends the oxygen supply duct .
  • FIG 3 there is shown in dark tubes 14 which are provided with tubes 26, and therefore communicate with the holes 25 and with the space 27, and in light the tubes 15 which communicate with the chamber 20. It can be seen that the holes 14 and the holes 15 are evenly distributed. The ratio of the number of holes 14 to the number of holes 15 is obviously adapted according to the problem posed.
  • Chamber 20 also constitutes a buffer chamber which homogenizes variations in the composition of the fuel.
  • the conduits 26, and the holes 14 route the oxygen directly from the space 27, without putting it in contact with the fuel in the chamber 20. Again the distribution of the holes 14 ensures a regular distribution.
  • the structure of the burner thus makes it possible to obtain a particularly homogeneous and constant flame.
  • the double-walled cooling circuit 9, 11 extends practically to the level of the disc 13. It therefore arrives closer to the external face 16 of the nose than the weld connecting the shoulder 28 to the tube 4. This weld is therefore cooled effectively, which is a guarantee of duration.

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Abstract

La tête de ce brûleur comprend, juste au-dessous d'une plaque perforée (13) formant nez, une chambre d'homogénéisation (20) dans laquelle un des composants de la flamme pénètre radialement par des orifices (24). L'autre composant traverse cette chambre par une série de tubes axiaux (26) débouchant sur la face avant (16) de la plaque perforée (13). Application notamment à l'incinération à l'oxygène de déchets industriels. <IMAGE>

Description

  • La présente invention est relative à un brûleur du type à mélange externe.
  • Le traitement de certains déchets industriels par incinération à l'oxygène est actuellement considéré comme une voie très prometteuse. Les déchets, sous forme d'un gaz, d'un liquide, ou d'une mousse, contenant éventuellement des additifs convenables, sont envoyés dans un brûleur alimenté par deux l'oxygène pur, ou du moins à teneur élevée.
  • On connaît par exemple un procédé mis au point pour traiter certains effluents aqueux provenant du lessivage de générateurs de vapeurs de centrales nucléaires, mais qui peut avoir bien d'autres applications. Ce procédé consiste à disperser le déchet à incinérer dans une solution aqueuse contenant un agent tensioactif ainsi que, le cas échéant, un carburant, à transformer cette solution en une mousse légèrement pressurisée, et à transférer cette mousse dans un four cyclone en la faisant passer dans un brûleur à oxygène.
  • Les avantages de l'emploi de l'oxygène dans un brûleur sont connus : possibilité d'obtenir des températures élevées, bon accrochage de la flamme au nez du brûleur, même avec des pouvoirs calorifiques faibles, diminution du volume des fumées, et, par suite, de l'encombrement des installations, réduction de la production d'oxydes d'azote.
  • Pour limiter les inconvénients qui résultent des variations de composition de la matière à traiter, qui sont la règle dans le cas de déchets, il est préférable d'utiliser un brûleur à mélange externe. Cependant, les études ont montré que les brûleurs de ce type, actuellement disponibles, ne permettent pas d'obtenir une stabilité de flamme suffisante en cas de fortes variations de la matière à traiter.
  • Le but de la présente invention est de fournir un brûleur présentant des performances améliorées par rapport au dispositif de l'art antérieur, une flamme homogène pouvant se produire à une faible distance, sensiblement constante malgré les variations du combustible, du nez du brûleur.
  • Il va de soi cependant que le brûleur de l'invention est utilisable dans tous les domaines, sans se limiter à l'incinération des déchets.
  • Pour obtenir le résultat désiré, l'invention fournit un brûleur du type à mélange externe, comportant un nez percé d'un passage d'amenée d'un premier fluide, et d'un passage d'amenée d'un second fluide susceptible de former une flamme lorsqu'il est au contact du premier, le brûleur fonctionnant par formation de la flamme à faible distance du nez, ce brûleur présentant pour particularité que le nez est constitué d'une pièce présentant une face extérieure percée de trous, certains de ces trous débouchant dans une chambre alimentée avec le premier fluide, cette chambre étant délimitée par le nez, une paroi latérale percée d'orifices pour l'arriver du premier fluide, et un fond, transversal à la paroi latérale, la paroi latérale étant en liaison étanche avec le nez et avec le fond, et certains autres trous du nez contenant chacun un tube fixé au nez de façon étanche, et traversant le fond également de façon étanche, pour déboucher dans un conduit d'amenée du second fluide, l'ensemble des trous débouchant dans la chambre et l'ensemble des trous contenant des tubes ayant chacun une répartition régulière et uniforme sur la face extérieure du nez.
  • La présence d'une chambre, dans laquelle s'homogénéise le flux du premier fluide, assure que celui-ci débouche à la face extérieure du brûleur avec un débit sensiblement constant, quelle que soit la position du trou. Il en est de même pour le deuxième fluide. On arrive ainsi à un ensemble régulièrement réparti de jet du premier fluide et de jet du second fluide, gage d'une combustion régulière.
  • Ce résultat est obtenu au mieux si la face extérieure du nez est plane, et/ou les trous sont parallèles, spécialement quand ces deux particularités sont réunies.
  • Le premier fluide peut être le combustible, sous forme de mousse ou de gaz ou de liquide, et le deuxième fluide peut être de l'oxygène. Cependant, la situation inverse est possible. Le nombre et les diamètres respectifs des trous débouchant dans la chambre et des tubes est évidemment fonction de la combustion désirée, et notamment de la nature du combustible et du carburant.
  • L'invention va maintenant être exposée de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple pratique illustré avec les dessins, parmi lesquels :
    • Figure 1 est une coupe axiale d'ensemble d'un brûleur selon l'invention,
    • Figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1, relative à la tête du brûleur, et
    • Figure 3 est une vue de face du brûleur prise le long de la flèche III de la figure 2.
    • Le brûleur, dans son ensemble, comprend un corps tubulaire C visible à la figure 1, et une tête T, visible plus précisément aux figures 2 et 3.
  • Le corps C comprend plusieurs tubes concentriques, à savoir, en partant de l'axe, un premier tube 2 qui est raccordé à une entrée d'admission d'oxygène 3, et qui, du côté opposé, aboutit à la tête T. Un deuxième tube 4 délimite avec le tube 2 un conduit annulaire 5 qui sert à amener le combustible depuis une entrée de combustible 6 jusqu'à la tête T. Un troisième et un quatrième tubes concentriques 7, 8 définissent entre eux deux espaces annulaires destinés à la circulation d'un fluide de refroidissement, qui pénètre dans l'espace annulaire extérieur 9 par une entrée 10, et ressort de l'espace annulaire intérieur 11 par une sortie 12. Les deux espaces annulaires 9 et 11 communiquent entre eux au niveau de la tête T du brûleur.
  • La tête de brûleur comprend une pièce dite "nez", qui a la forme générale d'un disque 13, percé, dans sa partie centrale, d'une multitude d'orifices 14, 15. La face extérieure 16 du nez 13 est plane, alors que sa face opposée 17 porte un premier saillant extérieur 18 destiné à sa liaison avec le tube extérieur 8, et un autre saillant annulaire 19 qui sert à délimiter, avec la face 17, une chambre 20. Une pièce d'obturation 21 a la forme générale d'un cylindre ouvert à une extrémité et fermé à l'autre extrémité par un disque perforé 22. La partie cylindrique 23 de la pièce 21 est soudée par ses extrémités au relief cylindrique 19 du nez. Un certain nombre d'orifices radiaux 24, disposés dans deux plans radiaux, sont prévus dans la partie cylindrique 23, à faible distance du disque 22.
  • Les perçages 14 et 15 du nez de brûleur 13 débouchent tous dans la chambre 20. La figure 3 montre leur répartition régulière. Un certain nombre de ces perçages 14 se trouvent en alignement axial avec des perçages 25 de la pièce d'obturation 21, et un tube 26 est serti dans chaque perçage 14 et chaque perçage correspondant 25. Tous les perçages 25 du disque 22 sont reliés à un perçage correspondant 14 du nez, si bien qu'il n'y a pas de communication entre la chambre 20 et l'espace 27 qui se trouve sur la face opposée du disque 22, et qui prolonge le conduit d'arrivée d'oxygène. Sur la figure 3, on a représenté en foncé les tubes 14 qui sont pourvus de tubes 26, et communiquent donc avec les perçages 25 et avec l'espace 27, et en clair les tubes 15 qui communiquent avec la chambre 20. On peut constater que les perçages 14 et les perçages 15 sont répartis de façon régulière. Le rapport du nombre de perçages 14 au nombre de perçages 15 est évidemment adapté en fonction du problème posé.
  • L'extrémité du tube 4 est soudée sur un épaulement extérieur 28 porté par la paroi cylindrique 23 de la pièce d'obturation 21. Cet épaulement est plus proche de la face extérieure du nez que les perçages 25. Le combustible pénètre donc radialement dans la chambre 20. Les courants de combustible sortant des perçages 25 viennent frapper les tubes 26 avant de sortir par les orifices 15 du nez. Il en résulte un brassage qui assure que les débits de chacun des perçages 15 sont les mêmes. La chambre 20 constitue également une chambre-tampon qui homogénéise les variations de composition du combustible.
  • Les conduits 26, et les perçages 14 acheminent l'oxygène directement depuis l'espace 27, sans le mettre en contact avec le combustible dans la chambre 20. Là aussi la répartition des perçages 14 assure une répartition régulière.
  • La structure du brûleur permet ainsi d'obtenir une flamme particulièrement homogène et constante.
  • Le circuit de refroidissement 9, 11 à double paroi se prolonge pratiquement jusqu'au niveau du disque 13. Il arrive donc plus près de la face extérieure 16 du nez que la soudure reliant l'épaulement 28 au tube 4. Cette soudure est donc refroidie efficacement, ce qui est une garantie de durée.

Claims (8)

  1. Brûleur du type à mélange externe, comportant un nez (13) percé d'un passage d'amenée d'un premier fluide, et d'un passage d'amenée d'un second fluide susceptible de former une flamme lorsqu'il est au contact du premier, le brûleur fonctionnant par formation de la flamme à faible distance du nez,
       caractérisé en ce que le nez (13) est constitué d'une pièce présentant une face extérieure percée de trous, certains de ces trous (15) débouchant dans une chambre (20) alimentée avec le premier fluide, cette chambre étant délimitée par le nez (13), une paroi latérale (23) percée d'orifices pour l'arrivée du premier fluide, et un fond (22), transversal à la paroi latérale, la paroi latérale étant en liaison étanche avec le nez et avec le fond, et certains autres trous (14) du nez contenant chacun un tube (26) fixé au nez de façon étanche, et traversant le fond (22) également de façon étanche, pour déboucher dans un conduit d'amenée du second fluide, l'ensemble des trous débouchant dans la chambre et l'ensemble des trous contenant des tubes ayant chacun une répartition régulière et uniforme sur la face extérieure du nez.
  2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face extérieure (16) du nez (13) est à peu près plane.
  3. Brûleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les trous (14, 15) sont parallèles.
  4. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nez du brûleur est constitué d'une plaque sensiblement plane, percée desdits trous dans sa partie centrale et présentant, sur son côté opposé à sa face extérieure, une saillie cylindrique (19) qui entoure l'ensemble des trous et constitue une partie de la paroi latérale de la chambre.
  5. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fond de la chambre est constitué comme une plaque plane (22) qui porte un prolongement cylindrique (23) qui constitue au moins une partie de la paroi latérale de la chambre.
  6. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le conduit d'amenée du second fluide est constitué par un premier tube soudé (2) sur le fond, et en ce qu'un deuxième tube (4), coaxial au premier et de plus grand diamètre, est soudé sur un épaulement extérieur (28) de la paroi de la chambre, cet épaulement étant plus proche de la face extérieure du nez que les orifices (24) d'arrivée du premier fluide, ledit premier fluide parvenant à ces orifices en passant à travers l'espace annulaire compris entre le premier et le deuxième tube.
  7. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une double paroi parcourue par un fluide de refroidissement, ce fluide refroidissant non seulement le nez mais encore ledit épaulement (28) de la paroi de la chambre.
  8. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les tubes (26) sont fixés au nez par sertissage.
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