FR2706592A1

FR2706592A1 - Boiler with a furnace capable of reducing the content of pollutant compounds in the combustion products

Info

Publication number: FR2706592A1
Application number: FR9307066A
Authority: FR
Inventors: Esposito Emile; Nocturne Philippe
Original assignee: CTD TECHNOLOGIE
Current assignee: CTD TECHNOLOGIE
Priority date: 1993-06-11
Filing date: 1993-06-11
Publication date: 1994-12-23
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: FR2706592B1

Abstract

The invention relates to a boiler containing a heat transfer fluid (2), a furnace immersed in the heat transfer fluid and comprising a burner (4) fed with fuel on a hydrocarbon base and a means of removal of the combustion products. According to the invention, this boiler comprises, arranged in prolongation one of the other following the axis of the burner (4) and in mutual communication, an essentially cylindrical primary furnace (3) into which the burner opens, and a secondary furnace (5) which is likewise of essentially cylindrical shape but has a cross-section which is smaller than that of the primary furnace (3).

Description

CHAUDIERE A FOYER APTE A REDUIRE LA TENEUR EN COMPOSES
POLLUANTS DES PRODUITS DE COMBUSTION.FIREPLACE BOILER CAPABLE OF REDUCING THE COMPONENT
POLLUTANTS OF COMBUSTION PRODUCTS.

La présente invention concerne une chaudière à foyer apte à réduire la teneur en composés polluants des produits de la combustion d'un combustible à base d' hydrocarbures. The present invention relates to a hearth boiler capable of reducing the content of polluting compounds in the products of combustion of a fuel based on hydrocarbons.

On sait que la combustion des hydrocarbures produit divers composés indésirables, que l'on qualifie de polluants. Parmi ceux-ci, le monoxyde de carbone CO et les oxydes d'azote, NO et N02, qu'il est usuel de désigner par la formule NOx, sont les plus répandus. We know that the combustion of hydrocarbons produces various undesirable compounds, which we qualify as pollutants. Among these, carbon monoxide CO and nitrogen oxides, NO and N02, which it is usual to denote by the formula NOx, are the most widespread.

Le monoxyde de carbone résulte d'une combustion incomplète du combustible, tandis que les oxydes d'azote proviennent d'une oxydation de l'azote dans la flamme à haute température, notamment à une température supérieure à i 4000C. L'azote peut provenir soit du combustible, soit de l'air comburant. Carbon monoxide results from incomplete combustion of the fuel, while nitrogen oxides come from oxidation of nitrogen in the flame at high temperature, especially at a temperature above i 4000C. Nitrogen can come either from fuel or from combustion air.

On se trouve donc en présence de deux phénomènes ayant des effets inverses. Si la flamme est très chaude, la combustion du combustible est complète, il ne se forme pas de monoxyde de carbone, mais des oxydes d'azote sont présents dans les produits de la combustion. La formation des oxydes d'azote est réduite soit par une flamme modérément chaude, dont la stabilité peut devenir aléatoire, soit par un refroidissement rapide de la flamme, mais il y a alors un risque accru de formation de monoxyde de carbone. We therefore find ourselves in the presence of two phenomena having opposite effects. If the flame is very hot, the combustion of the fuel is complete, no carbon monoxide is formed, but nitrogen oxides are present in the products of combustion. The formation of nitrogen oxides is reduced either by a moderately hot flame, the stability of which can become random, or by rapid cooling of the flame, but there is then an increased risk of carbon monoxide formation.

On ajoutera qu'en dehors d'une température élevée, la formation des oxydes d'azote dépend de la durée de séjour de l'azote à la température de combustion. It will be added that apart from a high temperature, the formation of nitrogen oxides depends on the length of time the nitrogen stays at the combustion temperature.

Les administrations nationales ont édicté dans la plupart des pays des réglementations très strictes sur la présence de composés polluants dans les effluents des chaudières. In most countries, national administrations have enacted very strict regulations on the presence of polluting compounds in boiler effluents.

Les fabricants de chaudières ont donc recherché les moyens d'obtenir une combustion complète des combustibles, pour ne pas produire de monoxyde de carbone, et une température de flamme peu élevée, pour éviter la formation d'oxydes d'azote. Boiler manufacturers have therefore sought means of obtaining complete combustion of the fuels, so as not to produce carbon monoxide, and a low flame temperature, to avoid the formation of nitrogen oxides.

Les recherches ont surtout porté sur les brûleurs et l'on a notamment proposé d'utiliser:
- une flamme à prémélange total développée sur une surface d'accrochage importante;
- une injection étagée d'air ou de gaz dans la flamme;
- une recirculation, externe ou interne, de produits de la combustion dans la flamme
- le remplacement de brûleurs à flamme libre par des brûleurs à rayonnement infrarouge.Research has mainly focused on burners and it has been proposed in particular to use:
- a flame with total premix developed on a large attachment surface;
- a staged injection of air or gas into the flame;
- recirculation, external or internal, of combustion products in the flame
- replacement of free flame burners with infrared radiation burners.

La présente invention vise elle aussi à réduire la teneur en polluants des produits de la combustion d'hydrocarbures, mais en jouant non plus sur la structure des brûleurs, mais sur la géométrie du foyer des chaudières, ce qui présente l'avantage de permettre de continuer à utiliser des brûleurs disponibles dans le commerce, de coût modéré et d'une fiabilité éprouvée. The present invention also aims to reduce the pollutant content of the products of the combustion of hydrocarbons, but by no longer acting on the structure of the burners, but on the geometry of the furnace hearth, which has the advantage of making it possible to continue to use commercially available burners of moderate cost and proven reliability.

En outre, l'invention vise également à ne pas diminuer 11 efficacité de l'échange de chaleur dans le foyer, comme le font les brûleurs à rayonnement infrarouge, qui exigent donc de grands foyers. Furthermore, the invention also aims not to decrease the efficiency of heat exchange in the home, as do infrared radiation burners, which therefore require large homes.

A cet effet, l'invention a pour objet une chaudière contenant un fluide caloporteur, un foyer noyé dans le fluide caloporteur et comprenant un brûleur alimenté en combustible à base d'hydrocarbures et un moyen d'évacuation des produits de la combustion, cette chaudière étant caractérisée en ce qu'elle comporte, disposés dans le prolongement l'un de l'autre suivant l'axe du brûleur et en communication mutuelle, un foyer primaire sensiblement cylindrique dans lequel débouche le brûleur et un foyer secondaire également de forme sensiblement cylindrique, mais de section transversale inférieure à celle du foyer primaire. To this end, the subject of the invention is a boiler containing a heat transfer fluid, a hearth embedded in the heat transfer fluid and comprising a burner supplied with fuel based on hydrocarbons and a means of evacuation of the products of combustion, this boiler being characterized in that it comprises, arranged in the extension of one another along the axis of the burner and in mutual communication, a substantially cylindrical primary hearth into which the burner opens and a secondary hearth also of substantially cylindrical shape , but with a smaller cross section than that of the primary hearth.

De préférence, un élément de liaison de forme sensiblement cylindrique, mais de section transversale inférieure à celles des foyers primaire et secondaire, réunira ces deux foyers et les mettra en communication, en vue de provoquer une turbulence des produits passant du foyer primaire au foyer secondaire. Preferably, a connecting element of substantially cylindrical shape, but of cross section smaller than that of the primary and secondary hearths, will bring these two hearths together and will put them in communication, with a view to causing turbulence of the products passing from the primary hearth to the secondary hearth .

Dans cette structure, le foyer primaire a pour but de permettre le développement de la flamme du brûleur et la stabilité de celle-ci. Dans ce but, il aura une forme enveloppante, afin de favoriser la recirculation interne des produits de la combustion. En outre, afin d'éviter que la température à l'intérieur de ce foyer primaire ne s 'élève trop, ce foyer aura une surface de contact avec l'eau de la chaudière aussi importante que possible, afin de favoriser les échanges de chaleur. In this structure, the primary focus is to allow the development of the burner flame and the stability thereof. For this purpose, it will have an enveloping shape, in order to promote the internal recirculation of the products of combustion. In addition, in order to prevent the temperature inside this primary hearth from rising too high, this hearth will have as large a contact surface with the boiler water as possible, in order to promote heat exchange. .

Ce foyer primaire sera de volume réduit. On sait qu'il est courant de définir le volume du foyer par le biais du taux de combustion, qui est le rapport de la puissance du brûleur au volume du foyer. Dans des chaudières de 100 à 500 kW, ce rapport est de l'ordre de 600 à 1 500 kW/m3. Dans le cas de l'invention, le foyer primaire aura un taux de combustion égal au moins à 2 000 kW/m3 et pouvant dépasser 3 000 kW/m3. Un volume de foyer primaire aussi faible a comme intérêt principal de réduire la durée de séjour des produits de la combustion dans ce foyer primaire, dans lequel la flamme est à une température assez élevée. This primary focus will be of reduced volume. We know that it is common to define the volume of the hearth by means of the burn rate, which is the ratio of the power of the burner to the volume of the hearth. In boilers from 100 to 500 kW, this ratio is of the order of 600 to 1,500 kW / m3. In the case of the invention, the primary hearth will have a combustion rate equal to at least 2,000 kW / m3 and which may exceed 3,000 kW / m3. The primary interest in such a small primary hearth volume is to reduce the residence time of the products of combustion in this primary hearth, in which the flame is at a fairly high temperature.

La surface refroidie de ce foyer primaire devra être aussi importante que possible et, dans ce but, on lui donnera une forme enveloppante laissant seulement libres les sections d'entrées du gueulard du brûleur et de passage vers le foyer secondaire des produits de la combustion. The cooled surface of this primary hearth should be as large as possible and, for this purpose, it will be given an enveloping shape leaving only free the inlet sections of the burner top and passage to the secondary hearth of the products of combustion.

Les surfaces de la paroi latérale de ce foyer primaire en contact avec le fluide caloporteur pourront aussi présenter des ondulations ou des ailettes pour augmenter la surface d'échange thermique avec ce fluide. The surfaces of the side wall of this primary focus in contact with the heat transfer fluid may also have undulations or fins to increase the heat exchange surface with this fluid.

Le foyer secondaire a pour fonctions, lui, d'achever la combustion des hydrocarbures, afin de ne pas produire de monoxyde de carbone, et de refroidir efficacement les produits de la combustion, afin de ne pas former d'oxydes d'azote autres que ceux provenant du foyer primaire. Il aura donc un volume relativement faible, afin d'obtenir un temps de séjour très court des produits de la combustion, au moins dans la zone ou la température est susceptible de dépasser 1 4000 C, ou même seulement 1 2000 C, température au-dessous de laquelle il ne se forme presque plus d'oxydes d'azote. The secondary hearth has for its functions, to complete the combustion of hydrocarbons, so as not to produce carbon monoxide, and to effectively cool the products of combustion, so as not to form nitrogen oxides other than those from the primary home. It will therefore have a relatively small volume, in order to obtain a very short residence time of the products of combustion, at least in the zone where the temperature is likely to exceed 1 4000 C, or even only 1 2000 C, temperature at- below which almost no more nitrogen oxides are formed.

En vue d'obtenir un refroidissement efficace du foyer secondaire, celui-ci pourra présenter des parois latérales à surface ondulée, accroissant la surface d'échange thermique avec le fluide caloporteur. Des tubes dans lesquels circule un liquide de refroidissement tel que de l'eau pourront également être disposés dans ce foyer secondaire, soit traversalement à l'axe du foyer, soit parallèlement à celui-ci. Dans le même but, on pourra aussi prévoir un foyer secondaire remplacé par plusieurs tubes de fumées en parallèles. In order to obtain efficient cooling of the secondary hearth, it may have side walls with a corrugated surface, increasing the heat exchange surface with the heat transfer fluid. Tubes in which a coolant such as water circulates may also be placed in this secondary hearth, either transversely to the axis of the hearth, or parallel to it. For the same purpose, one can also provide a secondary fireplace replaced by several smoke tubes in parallel.

Le foyer secondaire aura de façon caractéristique un taux de combustion élevé, d'au moins 3 000 kW/m3 et pouvant dépasser 6 000 kW/m3. The secondary hearth will typically have a high burn rate, at least 3,000 kW / m3 and possibly exceeding 6,000 kW / m3.

Pour obtenir un mélange efficace des produits de la combustion et abaisser leur température le plus rapidement possible au-dessous de 1 4000C et même au-dessous de 1 2000 C, le foyer secondaire présentera de préférence un confinement thermique (rapport de la puissance du brûleur à la section droite du foyer) d'au moins 3 000 kW/m2, pouvant atteindre et même dépasser 4 000 kW/m2. To obtain an effective mixture of the products of combustion and lower their temperature as quickly as possible below 1 4000C and even below 1 2000 C, the secondary hearth will preferably present a thermal confinement (ratio of the power of the burner at the right section of the fireplace) of at least 3,000 kW / m2, which can reach and even exceed 4,000 kW / m2.

Afin d'augmenter l'efficacité de la combustion à la sortie du foyer primaire et d'intensifier l'échange de chaleur avec le fluide caloporteur à l'entrée du foyer secondaire, un élément de liaison se présentant sous la forme d'une virole de courte longueur, coaxiale au foyer primaire et au foyer secondaire, mais de section transversale inférieure à celles de ces deux foyers, sera avantageusement interposé entre ceux-ci, en vue de les mettre en communication, tout en produisant une turbulence à l'entrée du foyer secondaire. In order to increase the combustion efficiency at the outlet of the primary hearth and to intensify the heat exchange with the heat transfer fluid at the entrance of the secondary hearth, a connecting element in the form of a ferrule of short length, coaxial with the primary hearth and the secondary hearth, but of cross section smaller than those of these two hearths, will be advantageously interposed between them, in order to put them in communication, while producing a turbulence at the entry secondary home.

Une forme de mise en oeuvre de l'invention va être décrite ci-après, en référence à la figure unique du dessin schématique annexé, qui est une vue en élévation d'une chaudière conforme à l'invention. An embodiment of the invention will be described below, with reference to the single figure of the accompanying schematic drawing, which is an elevational view of a boiler according to the invention.

Sur ce dessin, on voit une chaudière 1, contenant un liquide caloporteur 2, dans lequel est noyé un foyer de chaudière comprenant
- un foyer primaire 3, disposé à la base de la chaudière et alimenté par un brûleur 4
- un foyer secondaire 5, disposé au-dessus du foyer primaire 3;
- et un anneau de liaison constitué par une virole 6 réunissant le foyer primaire 3 et le foyer secondaire 5 et les mettant en communication mutuelle.In this drawing, we see a boiler 1, containing a heat transfer liquid 2, in which is embedded a boiler hearth comprising
- a primary hearth 3, placed at the base of the boiler and fed by a burner 4
- a secondary focus 5, disposed above the primary focus 3;
- And a connecting ring constituted by a ferrule 6 joining the primary focus 3 and the secondary focus 5 and putting them in mutual communication.

Le foyer 3, le foyer 5 et la virole 6 sont disposés coaxialement au brûleur 4 et ont des formes sensiblement cylindriques, mais le foyer primaire 3 a une section transversale supérieure à celle du foyer secondaire 5, lequel a lui-même une section transversale supérieure à celle de la virole 6. Comme il a été indiqué, il en résulte un effet de turbulence à l'entrée du foyer secondaire 5. The hearth 3, the hearth 5 and the ferrule 6 are arranged coaxially with the burner 4 and have substantially cylindrical shapes, but the primary hearth 3 has a cross section greater than that of the secondary hearth 5, which itself has a higher cross section to that of the shell 6. As indicated, this results in a turbulence effect at the entrance to the secondary focus 5.

Comme on le voit, le foyer primaire 3 a une forme enveloppante, favorisant les courants de recirculation des produits de la combustion. La paroi latérale de ce foyer peut avantageusement comporter des ondulations pour favoriser et accroître les échanges thermiques avec le fluide caloporteur 2. As can be seen, the primary hearth 3 has an enveloping shape, favoring the recirculation currents of the products of combustion. The side wall of this hearth can advantageously include undulations to promote and increase the heat exchanges with the heat transfer fluid 2.

La virole 6 a une très courte longueur parallèlement à l'axe de la chaudière. Cette longueur peut représenter environ 30 mm. The ferrule 6 has a very short length parallel to the axis of the boiler. This length can represent approximately 30 mm.

Le foyer secondaire 5 peut lui-même avoir une paroi latérale ondulée, afin d'accroître la surface d'échange thermique avec le fluide caloporteur. Dans ce foyer 5 sont logés un ou plusieurs tubes 7 à circulation d'eau, destinés à maintenir la température de ce foyer au-dessous de 1 4O00C et même, de préférence, au-dessous de 1 2000 C, en vue d'éviter ou de limiter la formation d'oxydes d'azote autres que ceux déjà formés dans le foyer primaire 3. Dans le cas présent, les tubes 7 sont parallèles à l'axe du foyer, mais ils pourraient être aussi disposés transversalement à ce tube. On pourrait d'ailleurs, dans le même but, prévoir un faisceau de tubes de fumées à l'intérieur du foyer secondaire. The secondary hearth 5 may itself have a corrugated side wall, in order to increase the heat exchange surface with the heat transfer fluid. In this hearth 5 are housed one or more tubes 7 with water circulation, intended to maintain the temperature of this hearth below 1400C and even, preferably, below 1200C, in order to avoid or to limit the formation of nitrogen oxides other than those already formed in the primary hearth 3. In the present case, the tubes 7 are parallel to the axis of the hearth, but they could also be arranged transversely to this tube. We could also, for the same purpose, provide a bundle of smoke tubes inside the secondary home.

Dans une réalisation pratique d'une chaudière conforme à l'invention, les différents constituants de cette chaudière ont, par exemple, les dimensions suivantes:
- diamètre de la chaudière 1 : 700 mm,
- dimension de la chaudière 1 parallèlement à l'axe du brûleur : 1 700 mm,
- diamètre du foyer primaire 3 : 400 mm,
- dimension de ce foyer 3 parallèlement à l'axe du brûleur : 500 mm,
- diamètre de la virole 6 : 195 mm,
- longueur de cette virole 6 parallèlement à l'axe du brûleur : 30 mm,
- diamètre du foyer secondaire 5 : 260 mm,
- dimension de ce foyer 5 parallèlement à l'axe du brûleur : 1 000 mm.In a practical embodiment of a boiler according to the invention, the various constituents of this boiler have, for example, the following dimensions:
- diameter of the boiler 1: 700 mm,
- dimension of the boiler 1 parallel to the axis of the burner: 1,700 mm,
- diameter of primary focus 3: 400 mm,
- dimension of this hearth 3 parallel to the axis of the burner: 500 mm,
- diameter of the ferrule 6: 195 mm,
- length of this ferrule 6 parallel to the axis of the burner: 30 mm,
- diameter of the secondary focus 5: 260 mm,
- dimension of this hearth 5 parallel to the axis of the burner: 1000 mm.

Dans cette forme de réalisation, le brûleur est alimenté à l'aide de gaz naturel et a une puissance de 1 kW. Le foyer primaire a un taux de combustion égal à 2 400 kW/m3, tandis que le foyer secondaire a un taux de combustion égal à 3 800 kW/m3, et un confinement thermique de 4 200 kW/m2. La durée de séjour des produits de combustion dans le foyer primaire est de 0,18 s et dans le foyer secondaire de 0,14 s. In this embodiment, the burner is supplied with natural gas and has a power of 1 kW. The primary hearth has a burn rate of 2,400 kW / m3, while the secondary hearth has a burn rate of 3,800 kW / m3, and a thermal confinement of 4,200 kW / m2. The residence time of the combustion products in the primary hearth is 0.18 s and in the secondary hearth 0.14 s.

Dans ces conditions, il est possible de ramener à moins de 5 ppm le taux de monoxyde de carbone des effluents de la chaudière et à 30 ppm la teneur en oxydes d'azote de ces effluents. Under these conditions, it is possible to reduce the carbon monoxide level of the boiler effluents to less than 5 ppm and the nitrogen oxide content of these effluents to 30 ppm.

Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur le dessin annexé, les foyers primaire et secondaire sont disposés verticalement. Cette forme de mise en oeuvre est préférée, car elle favorise une bonne homogénéité des températures dans chaque section transversale et élimine les zones de surchauffe susceptibles de favoriser la production d'oxydes d'azote. In the embodiment of the invention shown in the accompanying drawing, the primary and secondary hearths are arranged vertically. This form of implementation is preferred because it promotes good temperature uniformity in each cross section and eliminates the overheating zones which may promote the production of nitrogen oxides.

Cette réalisation n'a toutefois aucun caractère limitatif et la chaudière pourrait être aussi bien réalisée avec des foyers disposés horizontalement. However, this embodiment has no limiting character and the boiler could also be produced with fireplaces arranged horizontally.

Claims

1- Boiler containing a heat transfer fluid (2), a hearth embedded in the heat transfer fluid and comprising a burner (4) supplied with fuel based on hydrocarbons and a means of evacuation of the products of combustion, this boiler being characterized by what it comprises, arranged in the extension of one another along the axis of the burner (4) and in mutual communication, a primary hearth (3) substantially cylindrical into which the burner (4) opens, and a secondary hearth (5) also of substantially cylindrical shape, but of smaller cross section than that of the primary hearth (3).

2- Boiler according to claim 1, characterized in that a connecting element (6) of substantially cylindrical shape, but of cross section smaller than that of the primary and secondary hearths (3,5), joins these two hearths and puts them in communication, with a view to causing turbulence of the products passing from the primary focus to the secondary focus.

3- Boiler according to claim 1, characterized in that the primary hearth (3) has a combustion rate equal to or greater than 2000 kW / m3.

4- Boiler according to one of claims 1 to 3, characterized in that the surface of the side wall of the primary hearth (3) in contact with the heat transfer fluid has corrugations or has fins.

5- Boiler according to one of claims 1 to 4, characterized in that the secondary hearth (5) has a combustion rate equal to or greater than 3000 kW / m3 and a thermal confinement equal to at least 3000 kW / m2 .

6- Boiler according to one of claims 1 to 5, characterized in that, in the secondary hearth (5), are housed water circulation tubes (7), arranged parallel or transverse to the axis of the hearth.

7- Boiler according to one of claims 1 to 6, characterized in that the surface of the side wall of the hearth (7) in contact with the heat transfer fluid has undulations.

8- Boiler according to one of claims 1 to 7, characterized in that the hearths (3 and 5) have their axis arranged vertically.