WO2025032142A1 - Bruleur, notamment pour section de prechauffage a flamme directe de ligne continue de traitement d'une bande metallique - Google Patents

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WO2025032142A1
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burner
combustion chamber
oxidant
fuel injection
internal combustion
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Sébastien CAILLAT
Hassan MOHANNA
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Fives Stein SA
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Fives Stein SA
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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
    • 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
    • F23C2900/03005—Burners with an internal combustion chamber, e.g. for obtaining an increased heat release, a high speed jet flame or being used for starting the combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to industrial burners, intended in particular for continuous lines for annealing or galvanizing metal strips, horizontal or vertical, and more particularly to the direct combustion preheating sections of these lines, sometimes called "NOF sections", NOF being the abbreviation for "Non-Oxidizing Furnace", or "DFF section", DFF being the abbreviation for "Direct Firing Furnace”.
  • the invention is an improvement of the solution described in the applicant's patent FR3114375, for a burner having combustion modes with flame and without flame.
  • the burners In the direct combustion preheating sections of the steel strip processing lines, the burners must be able to operate in reducing mode, i.e. underfed with oxidant, in order to reduce as much as possible the presence of oxygen near the metal strip and thus avoid its oxidation.
  • the ignition of the burners when the furnace is at low temperature, for example during its start-up, is generally facilitated by the application of super-stoichiometric conditions, that is to say by overfeeding the burners with oxidant.
  • the flue gases flow in the opposite direction to the metal strip, from the outlet of the preheating section to its inlet. This exposes the burners in the zones located at the inlet of the section to the flue gases from the burners in the zones located upstream in the direction of flue gas flow.
  • inert gases such as nitrogen are present in the furnace. The burner must therefore be able to ignite and heat up in a highly diluted environment.
  • Flameless mode is achieved at high temperatures, for example above 850°C, by recirculating a significant portion of the combustion gases inside the furnace to achieve a homogeneous and distributed reaction zone compared to an intense zone for flame mode combustion.
  • the burners operate in flame mode.
  • the high recirculation rate and the presence of inert gases such as nitrogen inside the furnace dilute the reaction zone and disturb the flame base.
  • the flame may go out.
  • Premixing of the oxidant with the fuel downstream of the flame stabilizes the flame but leads to an intense reaction zone near the burner. This results in burner overheating and higher emissions of nitrogen oxides.
  • the invention overcomes these problems without requiring a pilot burner.
  • Burners subject to the above requirements are usually equipped with a pilot burner used to ensure ignition of the burner under all conditions.
  • the pilot burner power is limited, typically 5 to 15 kW, because it often operates in premix mode, and it only serves to ignite the burner and help stabilize the flame during the furnace warm-up procedure.
  • Pilot burners are used only until the autoignition temperature of the fuel is reached, after which they are extinguished and sometimes retracted from the burner.
  • Pilot burners that remain in place often require cooling when the furnace is in production, at its nominal operating temperature.
  • Pilot burners represent additional capital expenditure because they require a fuel and oxidizer circuit separate from the main burner circuits, in addition to a dedicated control unit.
  • the zones equipped with pilot burners are used for ignition and warming up, while the other zones are ignited later, one after the other, when their temperature reaches the auto-ignition temperature of the fuel due to the energy provided by the neighbouring zone in operation.
  • This operating system is less flexible because most zones depend on their temperature to be in service.
  • combustion occurs in an oxidant-deficient environment to prevent oxidation of the metal strip.
  • the reaction produces non-oxidized or partially oxidized species such as carbon monoxide and hydrocarbons. They must be further oxidized in the recovery zone of the preheating section or in a dedicated section generally called a post-combustion furnace.
  • the last zones, in the gas flow direction are in operation, so that the combustion gases exit at a relatively high temperature, facilitating the oxidation of unburned species in the recovery zone.
  • a gaseous fuel burner capable of operating in so-called "flameless" mode, having a longitudinal axis at the intersection of two perpendicular planes, and comprising a diffuser crossed by fuel injection ducts for operation in flameless mode and oxidant injection ducts, said oxidant injection ducts emerging from the diffuser closer to the axis of the burner than said fuel injection ducts for operation in flameless mode, the burner further comprising a central fuel injection duct for operation in flame mode which extends in the axial direction of the burner, characterized in that it comprises a combustion chamber internal to the burner into which the central fuel injection duct at least partially opens as well as at least one passage supplying oxidant, the internal combustion chamber further comprising an ignition electrode capable of starting combustion in the internal combustion chamber at least partially of the mixture of fuel and oxidant supplied therein by the duct central fuel injection system and at least one conduit supplying oxidant.
  • the internal combustion chamber creates a volume in which combustion can take place under stable and controlled conditions, independent of the temperature of the oven and its atmosphere.
  • an electrode makes it possible to ensure the ignition of this combustion by a simple and inexpensive device. It can also be used to check the presence of a flame by ionization.
  • the layout of the internal combustion chamber allows the central fuel injection duct to be used to supply fuel to it.
  • the internal combustion chamber forms a tunnel whose inlet diameter is greater than the outlet diameter, depending on the direction of flow of the fluids.
  • the internal combustion chamber is a converging tunnel, with a progressive reduction in size to reach a diameter smaller than that of the oxidizer disk.
  • the average diameter of the internal combustion chamber depends on the power desired in it. A larger combustion chamber allows for higher power. However, the internal combustion chamber must not disturb the flow of oxidant to the oxidant injection ducts of the diffuser.
  • the size of the combustion chamber is also limited by its pressure drop. It must be large enough to limit the amount of oxidant entering the combustion chamber so as to ensure that enough oxidant passes through the oxidant injection ducts of the diffuser. This maintains the aerodynamics of the flameless mode of operation of the burner.
  • downstream end of the internal combustion chamber in the direction of flow of the fluids, is located in an axial duct of the diffuser opening into a flame tunnel.
  • the axial duct to the burner allows the downstream end of the combustion chamber to be mechanically held. It also allows the outlet diameter of the combustion chamber to be substantially maintained over an additional length, that of the axial duct which is located beyond the internal combustion chamber. This additional length contributes to the holding of the flame coming from the internal combustion chamber.
  • the central fuel injection duct comprises fuel injection passages arranged at two levels along the duct.
  • the first level of radially injected fuel is intended to mix with oxidant to form the base of the flame in the internal combustion chamber.
  • the second level of fuel injected later is mainly intended to mix with oxidant brought out of the internal combustion chamber by the oxidant injection ducts of the diffuser. It aims to give the flame a good boost to protect it from the diluting environment.
  • the central fuel injection conduit comprises fuel injection passages which open into the combustion chamber internal to the burner.
  • This arrangement makes it possible to simply supply the fuel necessary to achieve combustion in the internal combustion chamber.
  • the fuel injection passages can be axial and/or radial and/or inclined at an angle of between 0 and 90°% relative to the axis of the burner.
  • the arrangement of the fuel injection passages is chosen according to the nature of the gaseous fuel, in particular its calorific value, so that the flow of fuel into the internal combustion chamber leads to a stable flame of sufficient intensity.
  • the central fuel injection conduit comprises at least one fuel injection passage which opens downstream of the internal combustion chamber to the burner, in the direction of flow of the fluids.
  • the supply of fuel downstream of the chamber limits the power released in it. This has the effect of limiting the temperature of the walls of the internal combustion chamber and thus increasing its durability over time.
  • the burner comprises an oxidizer disk linked to the central fuel injection conduit, the disk forming an annular passage with the internal combustion chamber in which oxidizer can circulate.
  • the injection of oxidant into the combustion chamber is carried out in such a way as to confine the flame away from the wall of the internal combustion chamber.
  • the peripheral flow of oxidant makes it possible to cool the internal combustion chamber and confine the reaction zone.
  • the oxidant disk comprises passages through which oxidant can circulate.
  • passages allow the oxidant to be optimally distributed in the internal combustion chamber. They are arranged axisymmetrically around the central fuel injection duct.
  • passages of the oxidizer disk form grooves having a radial component and a tangential component to generate a swirling flow of the oxidizer downstream of the oxidizer disk.
  • the swirling flow resulting from the grooves promotes the mixing of the oxidizer and the fuel.
  • the oxidizer disk comprises circular openings adjoining the ends of the proximal grooves of the burner axis.
  • the oxidizer disk comprises cylindrical passages converging towards the axis of the burner, in the direction of flow of the oxidizer.
  • the injection angle is determined to form a stable flame base.
  • the combustion chamber internal to the burner has a silicon carbide wall.
  • silicon carbide allows very good resistance over time of the internal combustion chamber. It also allows more intense combustion in the combustion chamber due to the higher temperature resistance of silicon carbide compared to that of refractory steels.
  • FIG. 1 is a schematic front view of the diffuser of a burner according to the state of the art
  • FIG. 1 is a schematic enlargement and longitudinal section of an internal part of a burner according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 1 is a schematic front view of the injector of the central fuel injection duct and the oxidizer disk for a fifth exemplary embodiment of the invention.
  • variants of the invention comprising only a selection of the features described, subsequently isolated from the other features described, if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one feature, preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
  • FIG. 1 there is partially and schematically shown a burner 1 according to the state of the art, as described in the applicant's patent FR3114375, seen from the front, and oriented according to a vertical plane P1 and a horizontal plane P2.
  • This figure illustrates the orientation of the burner when it is positioned in a vertical preheating section of a continuous line, with a strip circulating vertically.
  • the fuel passes through two converging conduits 3, arranged on the plane P1.
  • the oxidant passes through four conduits 4, 5, the conduits 4 arranged on the plane P1 being divergent and the conduits 5 arranged on the plane P2 being convergent.
  • the burner also includes a central fuel injection duct 6 for operation of the burner at a lower temperature, in flame mode.
  • An annular passage around this duct 6 allows an oxidant supply.
  • the oxidant conduits 4, 5 open into a combustion tunnel 13 for better flame retention.
  • the combustion chamber is substantially cylindrical, with a longitudinal axis coincident with axis A of the burner.
  • the internal combustion chamber comprises a first segment 15 of larger diameter connected by a second conical segment 16 to a third segment 17 of smaller diameter than that of the first segment.
  • the third segment 17 is located in an axial conduit 12 connecting to a flame tunnel 13.
  • the chamber is held in position by the connecting conduit 12 as well as support and guide means not shown.
  • the upstream face 18 of the internal combustion combustion chamber 7 comprises passages 8 allowing oxidant to enter the chamber.
  • passages can be distributed on the upstream face 18, being more or less distant from the axis A of the burner.
  • a clearance between the upstream face 18 and the central fuel injection conduit 6 can form a passage.
  • the central fuel injection duct 6 comprises radial passages 19 for injecting fuel into the internal combustion chamber, for example here four cylindrical holes.
  • An ignition electrode 9 generates an electric arc when energized to initiate combustion in chamber 7.
  • the flame which starts in the internal chamber thus extends outside of it, into conduit 12, into tunnel 13 and then into the oven.
  • the downstream end of the central fuel injection conduit 6 also comprises an axial passage 20 arranged substantially at the entrance to the flame tunnel 13.
  • the supply of fuel via the axial passage 20 makes it possible to obtain a very stable flame of sufficient power to prevent any extinction of the main flame.
  • 60% of the fuel flow supplied by the central fuel injection conduit 6 passes through the radial passages 19 and 40% through the axial passage 20 and the oxidant flow passing through the passages 8 makes it possible to obtain a mixture with this fuel flow having 5% excess air compared to stoichiometric combustion.
  • the central fuel injection duct 6 extends into the flame tunnel 13.
  • the axial passage is replaced by new radial passages 22 arranged at the downstream end of the duct.
  • This arrangement of the passages 22 allows a more intense mixing of the fuel arriving from the passages 22 with the oxidant arriving via the conduits 4 and 5.
  • the main flame present in the tunnel 13 is thus more lively, leading to a shorter and more intense flame, compared to that obtained with an arrangement according to the first example of embodiment of the .
  • a third example of realization is represented schematically in .
  • the internal combustion chamber 7 is open at its upstream end 23 in the direction of flow of the oxidant.
  • the central fuel injection conduit 6 comprises an injector 33 comprising a set of eight passages 24 having a radial component and an axial passage 25, all of these passages opening into the internal combustion chamber 7.
  • the passages 24 are inclined at an angle of 75° relative to the axis A of the burner and the section of the axial passage 25 is here 10% of the total section of the passages 24.
  • the injector 33 carries a disk 26 of oxidant arranged in the internal combustion chamber 7. It forms an annular passage 27 with the internal combustion chamber in which oxidant can circulate.
  • the mixture obtained in the internal combustion chamber of the oxidant and the fuel supplied by the passages 24, 25 and 27 allows an ignition of the latter by the electrode 9.
  • the inclination of the fuel passages 24 promotes a rapid mixing with the oxidant in the internal combustion chamber, advantageous for the reliability of the ignition of the internal combustion and the maintenance of the latter.
  • the axial passage 25 allows an elongation of the flame favorable to the main combustion, in the tunnel 13 and in the furnace.
  • a fourth example of realization is represented schematically in , close to that of the . It is distinguished from the latter by a larger diameter oxidizer disc 26, hence the absence of any notable flow on the outside of the oxidizer disc.
  • the profile of the internal combustion chamber 7 is also slightly different.
  • the oxidizer disc has passages 28 for the entry of the oxidizer into the internal combustion chamber, conducive to good ignition and good flame retention.
  • a fifth example of realization is represented in . Only the central fuel injection conduit 6 and the oxidizer disk 26 are shown in front view and in section at the level of radial fuel passages 19.
  • the oxidizer disk 26 comprises four circular passages 32 for supplying oxidizer into the internal combustion chamber 7 of the burner. These passages are inclined and they converge towards the axis A of the burner. They are arranged opposite passages 19 for injecting fuel into the internal combustion chamber 7.
  • the passage 34 is intended to receive the ignition electrode 9.
  • the innovation lies in the procedure for igniting and heating the burner using a central fuel injector ignited by an electrode instead of a pilot burner.
  • the gas injector design is a coaxial burner with an output that can be more than half of the total output of the main burner.
  • the fuel injector design is not limited to a coaxial configuration.

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Abstract

Brûleur (1) à combustible gazeux « sans flamme », présentant un axe (A) longitudinal à l'intersection de deux plans perpendiculaires (P1, P2), comprenant un diffuseur (2) traversé par des conduits d'injection de combustible (3) et des conduits d'injection de comburant (4, 5), lesdits conduits d'injection de comburant (4, 5) débouchant du diffuseur plus près de l'axe du brûleur que lesdits conduits d'injection de combustible (3) pour un fonctionnement en mode sans flamme, et comprenant en outre un conduit (6) central d'injection de combustible pour un fonctionnement en mode flamme qui s'étend selon la direction axiale (A) du brûleur, comprenant en outre une chambre (7) de combustion interne dans laquelle débouche le conduit (6) central d'injection de combustible ainsi qu'un passage (8, 27, 28) apportant du comburant, la chambre de combustion interne comprenant une électrode (9) d'allumage pour démarrer une combustion dans la chambre (7) de combustion interne au du mélange de combustible et de comburant apporté dans celle-ci par le conduit (6) central d'injection de combustible et le au moins un conduit (8, 27, 28) apportant du comburant.

Description

BRULEUR, NOTAMMENT POUR SECTION DE PRECHAUFFAGE A FLAMME DIRECTE DE LIGNE CONTINUE DE TRAITEMENT D’UNE BANDE METALLIQUE Désignation du domaine technique concerné
L’invention se rapporte à des brûleurs industriels, destinés en particulier à des lignes continues de recuit ou de galvanisation de bandes métalliques, horizontales ou verticales, et plus particulièrement aux sections de préchauffage à combustion directe de ces lignes, parfois appelées « sections NOF », NOF étant l'abréviation de « Non-Oxidizing Furnace » (four non oxydant), ou « section DFF », DFF étant l'abréviation de « Direct Firing Furnace » (four à chauffe directe).
L'invention est un perfectionnement de la solution décrite dans le brevet FR3114375 de la demanderesse, pour un brûleur ayant des modes de combustion avec flamme et sans flamme.
Problèmes techniques auxquels répond l’invention
Dans les sections de préchauffage à combustion directe des lignes de traitement de bandes en acier, les brûleurs doivent être capables de fonctionner en mode réducteur, c'est-à-dire en étant sous-alimentés en comburant, afin de réduire autant que possible la présence d'oxygène près de la bande métallique et ainsi éviter son oxydation.
L'allumage des brûleurs lorsque le four est à basse température, par exemple lors de son démarrage, est généralement facilité par l’application de conditions sur-stœchiométriques, c'est-à-dire en suralimentant les brûleurs en comburant.
Cependant, pour simplifier l’installation et éviter un mode de fonctionnement différent en excès d’air pour les phases de fonctionnement à basse température, il est avantageux que les brûleurs puissent démarrer en mode réducteur.
Dans la section de préchauffage, les gaz de combustion circulent dans le sens opposé à la bande métallique, depuis la sortie de la section de préchauffage vers son entrée. Cela expose les brûleurs des zones disposées en entrée de section aux gaz de combustion des brûleurs des zones disposées en amont dans le sens d’écoulement des fumées. De plus, des gaz inertes tels que l'azote sont présents dans le four. Le brûleur doit donc pouvoir s'allumer et monter en température dans un environnement fortement dilué.
Le mode sans flamme est obtenu à des températures élevées, par exemple supérieure à 850 °C, en recirculant une partie importante des gaz de combustion à l'intérieur du four pour obtenir une zone de réaction homogène et distribuée par rapport à une zone intense pour une combustion en mode flamme.
Pendant le démarrage et à basse température, les brûleurs fonctionnent en mode flamme. Le taux élevé de recirculation et la présence de gaz inertes comme l'azote à l'intérieur du four diluent la zone de réaction et perturbent la base de la flamme.
Sans un mécanisme de stabilisation continu, comme par exemple un brûleur pilote à prémélange, la flamme risque de s'éteindre.
Un prémélange du comburant avec le combustible en aval de la flamme stabilise la flamme mais conduit à une zone de réaction intense près du brûleur. Cela entraîne une surchauffe du brûleur et des émissions plus élevées d'oxydes d'azote.
Dans ces conditions, il est difficile de maintenir une flamme forte et stable, ce qui a également pour effet de rendre difficile la détection de la flamme via une cellule UV.
Les solutions existantes ne permettent pas de combiner toutes ces exigences sans brûleur pilote.
L'invention permet de surmonter ces problèmes sans nécessiter de brûleur pilote.
Arrière-plan technique
Les brûleurs exposés aux exigences susmentionnées sont généralement équipés d’un brûleur pilote utilisé pour garantir l'allumage du brûleur dans toutes les conditions.
La puissance du brûleur pilote est limitée, typiquement de 5 à 15 kW, car il fonctionne souvent en mode de prémélange, et il sert uniquement à allumer le brûleur et à aider à stabiliser la flamme pendant la procédure de montée en température du four.
Les brûleurs pilotes ne sont utilisés que jusqu'à ce que la température d'auto-inflammation du combustible soit atteinte, après quoi ils sont éteints et parfois rétractés du brûleur.
Les brûleurs pilotes qui restent en place nécessitent souvent un refroidissement lorsque le four est en production, à sa température nominale de fonctionnement.
Les brûleurs pilotes représentent des dépenses en capital supplémentaires car ils nécessitent un circuit de combustible et de comburant séparé des circuits principaux du brûleur, en plus d'une unité de contrôle dédiée.
Cela limite actuellement leur utilisation à quelques zones du four, généralement les premières zones dans le sens d'écoulement du gaz.
Les zones équipées de brûleurs pilotes sont utilisées pour l'allumage et le réchauffement, tandis que les autres zones sont allumées ultérieurement, les unes après les autres, lorsque leur température atteint la température d'auto-inflammation du combustible du fait de l’énergie apportée par la zone voisine en fonctionnement.
Ce système de fonctionnement est moins flexible car la plupart des zones dépendent de leur température pour être en service.
Dans un four non oxydant, la combustion se produit dans un environnement déficitaire en comburant pour éviter l'oxydation de la bande métallique. La réaction produit des espèces non-oxydées ou partiellement oxydées telles que du monoxyde de carbone et des hydrocarbures. Ils doivent être ultérieurement oxydés dans la zone de récupération de la section de préchauffage ou dans une section dédiée généralement appelée four de postcombustion.
À faible charge et basse température du four, il est préférable que les dernières zones, dans le sens d'écoulement du gaz, soient en service, de sorte que les gaz de combustion sortent à une température relativement élevée, facilitant l'oxydation des espèces non brûlées dans la zone de récupération.
Travailler avec quelques zones équipées de brûleurs pilotes, qui sont généralement éloignées de la sortie des gaz de combustion, nécessite un four de postcombustion plus important pour réchauffer les gaz de combustion à une température plus élevée adaptée à l'oxydation des espèces non brûlées.
Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un brûleur à combustible gazeux apte à fonctionner en mode dit « sans flamme », présentant un axe longitudinal à l’intersection de deux plans perpendiculaires, et comprenant un diffuseur traversé par des conduits d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode sans flamme et des conduits d’injection de comburant, lesdits conduits d’injection de comburant débouchant du diffuseur plus près de l’axe du brûleur que lesdits conduits d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode sans flamme, le brûleur comprenant en outre un conduit central d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode flamme qui s’étend selon la direction axiale du brûleur, caractérisé en ce qu’il comprend une chambre de combustion interne au brûleur dans laquelle débouche au moins partiellement le conduit central d’injection de combustible ainsi qu’au moins un passage apportant du comburant, la chambre de combustion interne comprenant en outre une électrode d’allumage apte à démarrer une combustion dans la chambre de combustion interne au moins partielle du mélange de combustible et de comburant apporté dans celle-ci par le conduit central d’injection de combustible et au moins un conduit apportant du comburant.
La chambre de combustion interne permet de créer un volume dans lequel une combustion peut s’établir dans des conditions stables et contrôlées, indépendantes de la température du four et de son atmosphère.
L’utilisation d’une électrode permet d’assurer l’allumage de cette combustion par un dispositif simple et peu coûteux. Elle peut également être utilisée pour vérifier la présence d’une flamme par ionisation.
La disposition de la chambre de combustion interne permet de tirer profit du conduit central d’injection de combustible pour l’apport en combustible dans celle-ci.
Selon l’invention, la chambre de combustion interne forme un tunnel dont le diamètre d’entrée est supérieur au diamètre de sortie, selon le sens d’écoulement des fluides.
La chambre de combustion interne est un tunnel convergent, avec une réduction progressive de taille pour atteindre un diamètre inférieur à celui du disque de comburant.
Cette réduction de diamètre permet d’augmenter l’impulsion des gaz en sortie de la chambre de combustion interne. Il en résulte une flamme plus intense et plus longue, plus apte à maintenir la combustion principale du brûleur.
Le diamètre moyen de la chambre de combustion interne est fonction de la puissance souhaitée dans celle-ci. Une chambre de combustion plus grande permet une puissance plus élevée. Cependant, la chambre de combustion interne ne doit pas perturber l'écoulement du comburant vers les conduits d'injection de comburant du diffuseur.
La taille de la chambre de combustion est également limitée par sa perte de charge. Elle doit être suffisamment élevée pour limiter la quantité de comburant entrant dans la chambre de combustion de sorte de garantir que suffisamment de comburant passe à travers les conduits d’injection de comburant du diffuseur. On conserve ainsi l'aérodynamique du mode de fonctionnement sans flamme du brûleur.
Avantageusement selon l’invention, l’extrémité aval de la chambre de combustion interne, dans le sens d’écoulement des fluides, est située placée dans un conduit axial du diffuseur débouchant dans un tunnel de flamme.
Le conduit axial au brûleur permet de tenir mécaniquement l’extrémité avale de la chambre de combustion. Il permet également de conserver sensiblement le diamètre de sortie de la chambre de combustion sur une longueur supplémentaire, celle du conduit axial qui de se trouve au-delà de la chambre de combustion interne. Cette longueur complémentaire contribue à la tenue de la flamme venant de la chambre de combustion interne.
Selon l’invention, le conduit central d’injection de combustible comprend des passages d’injection de combustible disposés à deux niveaux le long du conduit.
Le premier niveau de combustible injecté radialement est destiné à se mélanger avec du comburant pour former la base de la flamme dans la chambre de combustion interne.
Le second niveau de combustible injecté ultérieurement est principalement destiné à se mélanger avec du comburant apporté hors de la chambre de combustion interne par les conduits d’injection de comburant du diffuseur. Il vise à donner à la flamme un bon élan pour la protéger de l'environnement diluant.
Selon l’invention, le conduit central d’injection de combustible comprend des passages d’injection de combustible qui débouchent dans la chambre de combustion interne au brûleur.
Cette disposition permet d’apporter de manière simple le combustible nécessaire pour obtenir une combustion dans la chambre de combustion interne.
Avantageusement selon l’invention, les passages d’injection de combustible peuvent être axiaux et/ou radiaux et/ou inclinés selon un angle compris entre 0 et 90°% par rapport à l’axe du brûleur.
La disposition des passages d’injection de combustible est choisie selon la nature du combustible gazeux, notamment son pouvoir calorifique, de sorte que l’écoulement du combustible dans la chambre de combustion interne conduise à une flamme stable et d’une intensité suffisante.
Avantageusement selon l’invention, le conduit central d’injection de combustible comprend au moins un passage d’injection de combustible qui débouche en aval de la chambre de combustion interne au brûleur, dans le sens d’écoulement des fluides.
L’apport de combustible en aval de la chambre permet de limiter la puissance libérée dans celle-ci. Cela a pour effet de limiter la température des parois de la chambre de combustion interne et d’augmenter ainsi sa tenue dans le temps.
Avantageusement selon l’invention, le brûleur comprend un disque de comburant lié au conduit central d’injection de combustible, le disque formant un passage annulaire avec la chambre interne de combustion dans lequel peut circuler du comburant.
L'injection de comburant dans la chambre de combustion est réalisée de manière à confiner la flamme loin de la paroi de la chambre de combustion interne. Le flux de comburant périphérique permet de refroidir la chambre de combustion interne et de confiner la zone de réaction.
Avantageusement selon l’invention, le disque de comburant comprend des passages par lesquels du comburant peut circuler.
Ces passages permettent de distribuer de manière optimale le comburant dans la chambre de combustion interne. Ils sont disposés de manière axisymétrique autour du conduit central d’injection de combustible.
Avantageusement selon l’invention, des passages du disque de comburant forment des rainures ayant une composante radiale et une composante tangentielle pour générer un écoulement tourbillonnant du comburant en aval du disque de comburant.
L’écoulement tourbillonnant qui résulte des rainures favorise le mélange du comburant et du combustible.
Avantageusement selon l’invention, le disque de comburant comprend des ouvertures circulaires jouxtant les extrémités des rainures proximales de l’axe du brûleur.
Avantageusement selon l’invention, le disque de comburant comprend des passages de forme cylindrique convergents vers l’axe du brûleur, dans le sens d’écoulement du comburant.
L'angle d'injection est déterminé pour former une base de flamme stable.
Avantageusement selon l’invention, la chambre de combustion interne au brûleur a une paroi en carbure de silicium.
L’utilisation de carbure de silicium permet une très bonne tenue dans le temps de la chambre de combustion interne. Elle autorise également une combustion plus intense dans la chambre de combustion du fait de la tenue à plus haute température du carbure de silicium comparée à celle des aciers réfractaires.
D’autres matériaux ayant une bonne résistance à la température peuvent être utilisés, comme par exemple des aciers réfractaires.
 Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
est une vue frontale schématique du diffuseur d’un brûleur selon l’état de la technique,
est une vue schématique en coupe et en trois dimensions d’une moitié du diffuseur selon la ,
est un agrandissement schématique et en coupe longitudinale d’une partie interne d’un brûleur selon un premier exemple de réalisation de l’invention,
est une vue similaire à celle de la pour un second exemple de réalisation de l’invention,
est une vue similaire à celle de la pour un troisième exemple de réalisation de l’invention,
est une vue similaire à celle de la pour un quatrième exemple de réalisation de l’invention, et
est une vue frontale schématique de l’injecteur du conduit central d’injection de combustible et du disque de comburant pour un cinquième exemple de réalisation de l’invention.
 Description détaillée de l’invention
Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.
Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par des mêmes références.
En se reportant au schéma de la des dessins annexés, il est représenté partiellement et schématiquement un brûleur 1 selon l’état de la technique, tel que décrit dans le brevet FR3114375 de la demanderesse, vue de face, et orienté selon un plan P1 vertical et un plan P2 horizontal. Cette figure illustre l’orientation du brûleur lorsqu’il est positionné dans une section de préchauffage verticale d’une ligne continue, avec une bande circulant verticalement.
Le combustible passe au travers de deux conduits 3 convergeant, disposés sur le plan P1. Le comburant passe au travers de quatre conduits 4, 5, les conduits 4 disposés sur le plan P1 étant divergeant et les conduits 5 disposés sur le plan P2 étant convergeant.
L’injection du comburant et du combustible par cet ensemble de conduits 3, 4, 5 permet d’obtenir une combustion en mode sans flamme lorsque le four est à une température suffisante.
Le brûleur comprend également un conduit 6 central d’injection de combustible pour un fonctionnement du brûleur à plus basse température, en mode flamme. Un passage annulaire autour de ce conduit 6 permet un apport en comburant.
La , il est représenté partiellement et schématiquement le brûleur de la , en une vue en perspective et en coupe selon le plan P1. Elle permet de mieux visualiser l’inclinaison des conduits 3 d’injection de combustible, et des conduits 4 divergeant de comburant, dans le diffuseur 2.
Les conduits 4, 5 de comburant débouche dans un tunnel 13 de combustion pour un meilleur accrochage de flamme.
En se reportant au schéma de la des dessins annexés, on peut voir un agrandissement d’une partie interne d’un brûleur 1 permettant de visualiser schématiquement une chambre 7 de combustion interne au brûleur selon un premier exemple de réalisation de l’invention.
La chambre de combustion est sensiblement cylindrique, avec un axe longitudinal confondu avec l’axe A du brûleur.
La chambre de combustion interne comprend un premier segment 15 de plus grand diamètre relié par un deuxième segment 16 conique à un troisième segment 17 de diamètre inférieur à celui du premier segment.
Le troisième segment 17 se trouve dans un conduit 12 axial de liaison avec un tunnel 13 de flamme.
La chambre est maintenue en position par le conduit 12 de liaison ainsi que des moyens de support et de guidage non représentés.
Les fluides s’écoulent sensiblement de gauche à droite, comme représenté par la flèche 14.
La face 18 amont de la chambre 7 de combustion de combustion interne comprend des passages 8 permettant une entrée de comburant dans la chambre.
Ces passages peuvent être distribués sur la face 18 amont en étant plus ou moins distant de l’axe A du brûleur. Un jeu entre la face 18 amont et le conduit 6 central d’injection de combustible peu former un passage.
Le conduit 6 central d’injection de combustible comprend des passages 19 radiaux d’injection de combustible dans la chambre de combustion interne, par exemple ici quatre trous cylindriques.
Le comburant entrant dans la chambre 7 interne par les passages 8 et le combustible entrant dans celle-ci par les passages 19 se mélanges dans la chambre 7 de combustion de combustion interne.
Une électrode 9 d’allumage génère un arc électrique lorsqu’elle est sous tension pour lancer une combustion dans la chambre 7.
Les débits de comburant et de combustible entrant dans la chambre de combustion, ainsi que les vitesses d’écoulement dans celle-ci, sont tels que la combustion n’est pas totale dans la chambre interne. Elle se prolonge en dehors de la chambre interne par l’échappement des fluides en dehors de la chambre interne par l’ouverture 21 avale.
La flamme qui prend naissance dans la chambre interne se prolonge ainsi en dehors de celle-ci, dans le conduit 12, dans le tunnel 13 puis dans le four.
Dans cet exemple, l’extrémité aval du conduit 6 central d’injection de combustible comprend également un passage 20 axial disposé sensiblement en entrée du tunnel 13 de flamme. L’apport en combustible par le passage axial 20 permet d’obtenir une flamme bien stable et d’une puissance suffisante pour éviter toute extinction de la flamme principale.
Par exemple, 60% du débit de combustible apporté par le conduit 6 central d’injection de combustible passe par les passages 19 radiaux et 40% par le passage 20 axial et le débit de comburant passant par les passages 8 permet d’obtenir un mélange avec ce débit de combustible ayant 5% d’excès d’air par rapport à une combustion stœchiométrique.
Dans un second exemple de réalisation représenté schématiquement en , le conduit 6 central d’injection de combustible se prolonge dans le tunnel 13 de flamme. De plus, le passage axial est remplacé par de nouveaux passages 22 radiaux disposés à l’extrémité aval du conduit.
Cette disposition des passages 22 permet un mélange plus intense du combustible arrivant des passages 22 avec le comburant arrivant par les conduits 4 et 5.
La flamme principale présente dans le tunnel 13 est ainsi plus vive conduisant à une flamme plus courte et plus intense, comparée à celle obtenue avec une disposition selon le premier exemple de réalisation de la .
Un troisième exemple de réalisation est représenté schématiquement en . Dans celui-ci, la chambre 7 de combustion interne est ouverte sur son extrémité 23 amont dans le sens d’écoulement du comburant.
Le conduit 6 central d’injection de combustible comprend un injecteur 33 comprenant un ensemble de huit passage 24 ayant une composante radiale et un passage 25 axial, tous ces passages débouchant dans la chambre 7 de combustion interne.
Les passages 24 sont inclinés d’un angle de 75° par rapport à l’axe A du brûleur et la section du passage 25 axial est ici de 10% de la section totale des passage 24.
L’injecteur 33 porte un disque 26 de comburant disposé dans la chambre 7 de combustion interne. Il forme un passage 27 annulaire avec la chambre interne de combustion dans lequel peut circuler du comburant.
Le mélange obtenu dans la chambre de combustion interne du comburant et du combustible apportés par les passages 24, 25 et 27 permet un allumage de celui-ci par l’électrode 9. L’inclinaison des passages 24 de combustible favorise un mélange rapide avec le comburant dans la chambre de combustion interne, avantageux pour la fiabilité de l’allumage de la combustion interne et le maintien de celle-ci. Le passage 25 axial permet un allongement de la flamme favorable à la combustion principale, dans le tunnel 13 et dans le four.
Un quatrième exemple de réalisation est représenté schématiquement en , proche de celui de la . Il se distingue de ce dernier par un disque 26 de comburant de plus grand diamètre d’où l’absence d’écoulement notable sur l’extérieur du disque de comburant. Le profil de la chambre 7 de combustion interne est également un peu différent.
Le disque de comburant comporte des passages 28 pour l’entrée du comburant dans la chambre de combustion interne propices à un bon allumage et à une bonne tenue de flamme.
Un cinquième exemple de réalisation est représenté en . Seul le conduit 6 central d’injection de combustible et le disque 26 de comburant est représenté en vue de face et en coupe au niveau de passages 19 radiaux de combustible. Le disque 26 de comburant comprend quatre passages 32 circulaires pour l’apport en comburant dans la chambre 7 de combustion interne au brûleur. Ces passages sont inclinés et ils convergent vers l’axe A du brûleur. Ils sont disposés en vis-à-vis de passages 19 d’injection de combustible dans la chambre 7 de combustion interne. Le passage 34 est destiné à recevoir l’électrode 9 d’allumage.
L'innovation réside ainsi dans la procédure d'allumage et de mise en chauffe du brûleur au moyen d'un injecteur central de combustible allumé par une électrode au lieu d'un brûleur pilote.
La conception de l'injecteur de gaz est un brûleur coaxial avec une puissance pouvant représenter plus de la moitié de la puissance totale du brûleur principal. La conception de l'injecteur de combustible n'est pas limitée à une configuration coaxiale.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres. 

Claims (11)

  1. Brûleur (1) à combustible gazeux apte à fonctionner en mode dit « sans flamme », présentant un axe (A) longitudinal à l’intersection de deux plans perpendiculaires (P1, P2), et comprenant un diffuseur (2) traversé par des conduits d’injection de combustible (3) pour un fonctionnement en mode sans flamme et des conduits d’injection de comburant (4, 5), lesdits conduits d’injection de comburant (4, 5) débouchant du diffuseur plus près de l’axe du brûleur que lesdits conduits d’injection de combustible (3) pour un fonctionnement en mode sans flamme, le brûleur comprenant en outre un conduit (6) central d’injection de combustible pour un fonctionnement en mode flamme qui s’étend selon la direction axiale (A) du brûleur, caractérisé en ce qu’il comprend une chambre (7) de combustion interne au brûleur dans laquelle débouche au moins partiellement le conduit (6) central d’injection de combustible ainsi qu’au moins un passage (8, 27, 28) apportant du comburant, la chambre de combustion interne comprenant en outre une électrode (9) d’allumage apte à démarrer une combustion dans la chambre (7) de combustion interne au moins partielle du mélange de combustible et de comburant apporté dans celle-ci par le conduit (6) central d’injection de combustible et le au moins un conduit (8, 27, 28) apportant du comburant.
  2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (7) de combustion interne forme un tunnel (10) dont le diamètre d’entrée est supérieur au diamètre de sortie, selon le sens d’écoulement des fluides.
  3. Brûleur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’extrémité (17) aval de la chambre (7) de combustion interne, dans le sens d’écoulement des fluides, est située placée dans un conduit (12) axial du diffuseur débouchant dans un tunnel (13) de flamme.
  4. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit (6) central d’injection de combustible comprend des passages (19) d’injection de combustible disposés à deux niveaux le long du conduit.
  5. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit (6) central d’injection de combustible comprend des passages (19) d’injection de combustible qui débouchent dans la chambre (7) de combustion interne au brûleur.
  6. Brûleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les passages (19) d’injection de combustible peuvent être axiaux et/ou radiaux et/ou inclinés selon un angle compris entre 0 et 90° par rapport à l’axe (A) du brûleur.
  7. Brûleur selon l’une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le conduit (6) central d’injection de combustible comprend au moins un passage (20, 21) d’injection de combustible qui débouche en aval de la chambre (7) de combustion interne au brûleur, dans le sens d’écoulement des fluides.
  8. Brûleur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un disque (26) de comburant lié au conduit (6) central d’injection de combustible, le disque formant un passage (27) annulaire avec la chambre interne de combustion dans lequel peut circuler du comburant.
  9. Brûleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le disque (26) de comburant comprend des passages (28) par lesquels du comburant peut circuler.
  10. Brûleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le disque (26) de comburant comprend des passages (32) de forme cylindrique convergents vers l’axe (A) du brûleur, dans le sens d’écoulement du comburant.
  11. Brûleur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre (7) de combustion interne au brûleur a une paroi (31) en carbure de silicium.
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