La présente invention est relative à des brûleurs à combustible
solide, et en particulier aux brûleurs à charbon pulvérisé susceptibles
d'équiper des fours, notamment des fours tournants.
Le secteur technique de l'invention est celui de la fabrication des
brûleurs de fours.
La présente invention s'applique particulièrement à un brûleur
pour fours tubulaires tournants, qui est équipé :
- d'un premier conduit central d'alimentation en combustible
liquide, muni d'un stabilisateur de flamme qui comporte des ouvertures
pour le passage d'une partie de l'air de combustion primaire, circulant
dans un deuxième conduit (annulaire) d'alimentation, dont une
extrémité est disposée coaxialement et extérieurement au premier
conduit,
- d'un troisième conduit (annulaire) d'alimentation en
combustible solide pulvérisé, dont une extrémité est disposée
coaxialement et extérieurement au deuxième conduit,
- d'un quatrième (et éventuellement d'un cinquième) conduit
(annulaire) d'alimentation en air primaire, dont une extrémité est
disposée coaxialement et extérieurement au troisième conduit.
La présente invention a pour objet de proposer un brûleur à
combustible solide qui soit amélioré.
La présente invention a notamment pour objet de diminuer la
production d'oxydes d'azote résultant de la combustion.
La solution au problème posé consiste à proposer un brûleur à
combustible solide qui comporte au moins un conduit de section
annulaire d'alimentation en combustible solide et au moins un conduit
annulaire d'alimentation en air, qui est disposé sensiblement
coaxialement et extérieurement au conduit d'alimentation en
combustible solide ; ledit brûleur comporte au moins deux obstacles
prévus dans le conduit d'alimentation en combustible, qui divisent le
conduit en au moins deux canaux, au voisinage de l'orifice de sortie du
conduit, c'est-à-dire de la buse du brûleur, de manière à provoquer la
séparation de la veine incidente de combustible solide en au moins deux
veines pour permettre la formation d'au moins deux flammes.
Il a été constaté que la formation de plusieurs flammes de
combustion résultant de la formation de plusieurs veines de combustible
solide à la sortie de la buse du brûleur, aboutit à une réduction de la
formation d'oxyde d'azote, cette réduction étant de façon surprenante
en particulier augmentée lorsqu'on applique l'invention à un brûleur
équipé de plusieurs conduits d'alimentation en air axial et en air
tourbillonnant qui sont disposés à l'extérieur du conduit d'alimentation
en combustible solide.
Selon des modes préférés de réalisation de l'invention :
- lesdits obstacles sont en forme de nervures ou cloisons épaisses,
de section transversale variable, de préférence de profil et de section
transversale continûment variable, par exemple en forme de coin et de
forme allongée le long de l'axe longitudinal commun des extrémités de
conduits, pour limiter ou éviter l'abrasion du conduit et/ou des
obstacles par les particules de combustible solide, pour éviter une perte
de vitesse et la nécessité d'une mise en surpression du combustible
solide, tout en séparant le flux de combustible solide en plusieurs veines
nettement séparées à la sortie de la buse ;
- la hauteur (mesurée radialement) des canaux séparés par lesdits
obstacles du conduit d'alimentation en combustible solide, est plus
importante que la hauteur de la partie du conduit situé en amont des
obstacles, pour limiter l'augmentation de vitesse résultant de la
diminution de la section de passage libre du combustible solide dans les
canaux, par exemple pour maintenir la vitesse du combustible solide
sensiblement identique dans les canaux et dans la partie amont du
conduit d'alimentation ;
- ledit brûleur comporte au moins trois et de préférence au plus
douze obstacles, en particulier de trois à six obstacles sensiblement
régulièrement répartis le long de la périphérie ou circonférence du
conduit annulaire et disposés à proximité de l'orifice de sortie du
conduit d'alimentation pour permettre la formation d'au moins trois
flammes de forme et de taille similaire ou identique et réparties autour
de l'axe longitudinal commun selon une symétrie de rotation ;
- la portion du conduit d'alimentation en combustible solide
comportant lesdits obstacles et lesdits canaux délimités par les
obstacles, est de forme sensiblement tronconique évasée, et est en
particulier munie d'une face interne sensiblement cylindrique et d'une
face externe sensiblement tronconique ou divergente en direction de
l'orifice de sortie du combustible ;
- ledit brûleur comporte un conduit d'alimentation en air dit
axial, éjecté par un orifice de sortie selon une direction sensiblement
parallèle à l'axe longitudinal commun des conduits, et guidé par des
cloisons ou nervures ou ailettes prévues dans le conduit, qui est disposé
autour du conduit d'alimentation en combustible solide, lequel conduit
d'alimentation en air axial comporte des cloisons ou nervures épaisses,
dont le nombre est au moins égal au nombre d'obstacles prévus dans le
conduit d'alimentation en combustible solide, pour former au moins
autant de canaux de passage de l'air axial que le brûleur comporte de
canaux de passage du combustible solide, afin de permettre la formation
d'au moins un jet d'air distinct, associé à chaque veine du flux sortant
de combustible solide ;
- le nombre de canaux et de cloisons prévus dans le conduit
d'alimentation en air axial, est multiple du nombre de canaux et
d'obstacles prévus dans le conduit d'alimentation en combustible solide,
pour permettre la formation de plusieurs (au moins deux) jets d'air
axial, associés à chacun des jets ou veines de combustible solide sortant
de la buse du brûleur ;
- les canaux délimités dans le conduit d'alimentation en air par les
cloisons et/ou les orifices de sortie d'air et/ou les jets d'air sortant de
ces canaux, sont décalés angulairement par rapport aux canaux délimités
par les obstacles du conduit d'alimentation en combustible solide et/ou
par rapport aux orifices de sortie de combustible solide et/ou aux veines
de combustible solide sortant de la buse, dans le sens de rotation
imprimée au combustible et à la flamme par un flux d'air
tourbillonnant délivré par un conduit d'alimentation en air muni
d'ailettes ou déflecteurs ;
- les canaux et/ou les jets d'air axial sortant de ces canaux sont
inclinés, par exemple divergents par rapport à l'axe longitudinal
commun de la buse de brûleur et des conduits d'alimentation ;
- ledit brûleur comporte en outre un conduit externe annulaire
périphérique d'injection d'un gaz pauvre en oxygène, à l'extérieur des
orifices de sortie des canaux de combustible et d'air primaire.
Selon un autre aspect, l'invention consiste à mettre en oeuvre un
procédé de conduite d'un four équipé d'un brûleur, dans lequel on
maintient la vitesse moyenne du combustible solide dans le conduit et
dans les canaux séparés par les obstacles à une valeur au moins égale à
20 mètres par seconde et au plus égale à 30 mètres par seconde, et dans
lequel on délivre autour de la veine de combustible solide une partie de
l'air primaire sous forme tourbillonnante et une partie de l'air primaire
sous forme sensiblement axiale et en maintenant un débit d'air axial
supérieur au débit d'air tourbillonnant, par exemple un débit d'air axial
voisin du double du débit d'air tourbillonnant.
Les avantages procurés par l'invention seront mieux compris au
travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui
illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de
réalisation de l'invention.
Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent,
sauf indication contraire, les mêmes références d'une figure à l'autre.
La figure 1 illustre de façon schématique et en vue en perspective
un mode de réalisation d'un conduit d'alimentation en combustible
solide faisant partie de la buse du brûleur, équipé à son extrémité de
cinq obstacles en forme de coins triangulaires profilés séparant la veine
de combustible solide en cinq veines s'écoulant dans des canaux
délimités par ces obstacles.
La figure 2 est une vue en coupe longitudinale partielle de la buse
d'un brûleur conforme à l'invention.
La figure 3 est une vue de face et est une vue selon III de la figure
2, de la buse d'un brûleur selon l'invention.
Le brûleur, illustré particulièrement figures 2 et 3, est équipé :
- d'un premier conduit central 3 d'alimentation en combustible
liquide, muni d'un stabilisateur 16 de flamme en forme de bride qui
comporte des ouvertures pour le passage d'une partie de l'air de
combustion primaire, circulant dans un deuxième conduit annulaire 5
d'alimentation, dont une extrémité est disposée coaxialement et
extérieurement au premier conduit 3,
- d'un troisième conduit annulaire 7 d'alimentation en
combustible solide pulvérisé, dont une extrémité est disposée
coaxialement et extérieurement au deuxième conduit 5,
- d'un quatrième et d'un cinquième conduit 9, 11 annulaire
d'alimentation en air primaire, dont une extrémité est disposée
coaxialement et extérieurement au troisième conduit 7.
Les conduits 3, 5, 7, 9, 11 sont disposés selon un axe 1
longitudinal commun à ces différents conduits, au voisinage de leur
extrémité (en partie gauche de la figure 2) constituant la buse du
brûleur, permettant la production d'une flamme ; les produits (air et
combustibles) s'écoulent dans ces conduits selon la flèche 15, c'est-à-dire
de droite à gauche par référence à la figure 2 ; ces conduits 3, 5, 7,
9, 11 sont délimités et séparés les uns des autres par des parois
tubulaires respectivement 4, 6, 8, 10.
Dans le brûleur illustré figures 2 et 3, qui est tel que décrit dans
le brevet EP 421 903, les quatrième et cinquième conduits 9, 11
d'alimentation en air servent à délivrer un premier flux d'air de
combustion axial, c'est-à-dire se déplaçant sensiblement parallèlement à
l'axe longitudinal commun des extrémités (formant une buse) des
différents conduits, et servent à délivrer un deuxième flux d'air de
combustion mis en rotation, c'est-à-dire se déplaçant sensiblement en
tourbillons selon une hélice dont l'axe est confondu avec ledit axe
longitudinal commun 1.
Comme décrit dans le brevet EP 421 903, on introduit dans une
zone 200 centrale, dite morte, soit directement tout autour du conduit
central 3 d'alimentation en combustible et/ou radialement à l'intérieur
du conduit annulaire 7 d'alimentation en combustible solide, une
quantité d'air primaire d'au plus 20 % de la totalité de l'air primaire, de
telle façon que dans la zone centrale ne se produise aucune combustion
notable du combustible ; grâce à la présence d'une zone morte centrale,
la combustion commence à une plus grande distance en avant du centre
de la buse 2 du brûleur en comparaison des procédés et des brûleurs
antérieurs.
Ainsi, vue en coupe longitudinale, en partant du centre de
l'extrémité avant de la buse, l'enveloppe des flammes résultantes
comporte une zone centrale qui s'étend vers l'avant et radialement, dans
laquelle il ne se produit pratiquement aucune combustion notable du
combustible avec l'oxygène de l'air ; un flux d'air primaire dans cette
zone centrale, qui se situe au-dessous de 20 % et de préférence au-dessous
de 10 % de l'air primaire total, évite un retour en arrière des
produits de la combustion, sans pour autant fournir beaucoup
d'oxygène qui diminuerait la zone centrale riche en combustible.
Grâce à la présence d'une zone morte centrale agrandie, la plage
de réglage du brûleur est augmentée jusqu'à moins de 10 % de l'allure
maximale, pour laquelle le brûleur est conçu ; dans la mesure où un tel
brûleur doit fonctionner avec des combustibles solides et pulvérulents,
après un bref préchauffage avec de l'huile, il peut déjà fonctionner avec
le combustible solide.
La proportion d'air primaire qui doit être utilisée pour stabiliser
la flamme, peut être réduite de 2 à 10 % et, de préférence, au-dessous de
6 % par rapport à la quantité globale d'air de combustion ; la
consommation réduite d'air primaire permet une économie d'énergie
pour une performance égale, et permet la réduction de la proportion
d'oxydes d'azote dans les gaz de combustion.
Les rayons de l'ouverture centrale du stabilisateur 16 de flamme
et de l'orifice annulaire pour le courant d'air primaire se situant le plus
à l'intérieur sont choisis, de telle sorte que le courant d'air primaire
intérieur se trouve à une distance de l'axe 1 qui correspond au moins au
double de l'ouverture centrale du stabilisateur de flamme. L'ouverture
centrale du stabilisateur de flamme correspond sensiblement à l'orifice
de la buse du conduit 3 de combustible central ; on évite ainsi que le
combustible liquide ne vienne en contact trop tôt avec l'oxygène des
courants d'air primaire sortant des conduits 9, 11.
Les conduits 9, 11 annulaires d'amenée d'air primaire ont des
parois coniques et ces parois ainsi que les tubes concentriques connectés
à celles-ci sont déplaçables axialement l'un par rapport à l'autre ; on
peut ainsi régler la section transversale libre du passage annulaire ; les
extrémités de chaque conduit 9, 11 sont cylindriques afin d'éviter un
écoulement divergent en sortie de buse ; dans le conduit 11 annulaire
d'alimentation en air axial, sont disposées des cloisons 19 radiales
destinées à l'orientation axiale et à la circulation de l'air primaire dans
des canaux séparés.
Ces cloisons contribuent à une orientation axiale supplémentaire
de l'air primaire correspondant et augmentent également la vitesse de
sortie axiale, par le fait qu'elles réduisent la section libre du conduit
annulaire et qu'elles le divisent en une pluralité de canaux 111 ...114
disposés tout autour d'un anneau. Quelques uns de ces canaux peuvent
être fermés ou être réglables. A cet effet, les cloisons peuvent être
réalisées suffisamment larges en direction périphérique pour qu'elles
obturent un canal au moins en partie ou qu'elles correspondent à un
canal fermé ; l'augmentation de la vitesse d'écoulement axiale de l'air
contribue à stabiliser la flamme.
Le stabilisateur 16 de flamme est décalé vers l'arrière (par
référence au sens 15 de circulation) par rapport aux orifices de sortie
70, 90, 110 de la partie principale de l'air primaire et du combustible
solide, en fixant le stabilisateur de flamme au tube enveloppe de la
canne du brûleur, qui est déplaçable axialement.
Par référence à la figure 1 en particulier, le conduit 7
d'alimentation en combustible solide comporte une partie amont située
à droite sur cette figure, qui est munie d'une section transversale
annulaire ; du fait de la présence des cinq obstacles 17 en forme de coin
profilé triangulaire, le conduit 7 se divise en cinq canaux 71, 72, 73, 74,
75 qui sont chacun délimités par, d'une part la face externe 6A de la
paroi 6 séparant le conduit 7 du conduit 5, d'autre part la face interne
8A de la paroi 8 séparant le conduit 7 du conduit 9, et également des
faces latérales 173 des obstacles 17 en forme de coin, qui s'étendent à
partir de leur extrémité arrière 170 effilée ou profilée, et dont la section
transversale s'élargit ou augmente de leur bord d'attaque 170 jusqu'à
leur section terminale 171 correspondant à l'extrémité ou face frontale
de la buse ; afin par exemple de maintenir une section de passage du
combustible solide sensiblement constante entre la partie amont du
conduit de section complètement annulaire et la partie avale muni des
obstacles et divisée en cinq canaux, le rayon interne de la veine restant
par exemple constant du fait d'une surface 6A cylindrique, le rayon
externe 21 correspondant au rayon de la face 8A externe au voisinage
des orifices de sortie des canaux 71 à 75, est supérieur au rayon 20 de la
partie amont du conduit 7 de section annulaire, afin de pallier la
diminution de section libre résultant de la présence de ces obstacles.
Par référence aux figures 2 et 3 et à la figure 3 en particulier, on
peut noter qu'au canal 71 de passage de combustible solide situé entre
deux obstacles 17 consécutifs, sont associés quatre canaux 111, 112, 113,
114 délimités par des cloisons 191, 192, 193, 194 qui sont prévues dans le
conduit annulaire 11 d'alimentation en air primaire axial et permettent
la formation de quatre jets d'air axiaux associés au flux de combustible
solide sortant du canal 71 pour favoriser la combustion de ce
combustible ; à cet effet, les trois premiers canaux 111, 112, 113 sont
sensiblement disposés radialement en regard du canal 71 d'éjection du
combustible solide, et sont complétés par un quatrième canal 114
disposé en aval des canaux 111, 112, 113 par référence au sens 91 de
rotation de l'air tourbillonnant délivré en sortie de la buse du brûleur
par le conduit 9 d'alimentation en air primaire tourbillonnant ; de la
sorte, l'ensemble des canaux 111, 112, 113, 114 associés au canal 71 est
décalé angulairement, en position, par rapport à la position angulaire de
ce canal, afin de tenir compte de l'effet d'entraínement du combustible
et de la flamme par l'air tourbillonnant sortant du conduit 9, et est
donc décalé dans le même sens 91 que le sens du tourbillon.
Le brûleur illustré figures 2 et 3 comporte en outre un conduit
supplémentaire 13, de section annulaire également, disposé coaxialement
aux conduits 3, 5, 7, 9, 11, et à l'extérieur de ceux-ci, qui sert à délivrer
par un orifice annulaire de sortie 130 périphérique ou externe un flux
de gaz appauvri en oxygène, en particulier de fumée résultant de la
combustion.
Ce mode de réalisation préféré permet de réduire encore plus la
formation de NOX tant thermique que combustible pour de tels
brûleurs comportant au moins deux conduits sensiblement
concentriques : un conduit 7 d'alimentation en combustible et au moins
un conduit 9, 11 d'alimentation en air de combustion primaire
représentant au maximum 15% de l'air total ; ces conduits forment
ensemble une buse à la sortie de laquelle peut se réaliser le début de la
combustion et autour de laquelle est amené l'air secondaire représentant
au moins 85% de l'air total et ayant une température de plus de 500 °C ;
suivant un mode préféré, le brûleur comporte au moins quatre circuits
d'alimentation indépendants dont l'un alimente le conduit 13 annulaire
entourant l'ensemble desdits conduits 3, 5, 7, 9, 11 d'alimentation en
combustible et en air primaire ; à l'intérieur du conduit 13 circule du
gaz appauvri en oxygène, et à l'extérieur de ce conduit est amené l'air
secondaire ; le bord intérieur de l'orifice 130 de sortie du conduit 13 est
décalé radialement (c'est-à-dire éloigné de l'axe 1) par rapport au bord
externe des orifices 110 de sortie du conduit 11 concentrique (le plus
externe de la buse) par un moyeu 900 annulaire d'épaisseur d'au moins
25 mm et de 3 à 8 % du diamètre de ladite buse.
Suivant un mode préférentiel de réalisation la vitesse de sortie du
gaz appauvri en oxygène est plus faible que celle (Vc) de l'air primaire,
et de l'ordre de grandeur de celle (Va) de l'air secondaire ; de plus,
l'orifice 130 de sortie du conduit annulaire peut diverger et former un
angle α , compris entre 2 et 10° par rapport à l'axe 1 du brûleur ; le gaz
appauvri en oxygène est de préférence du gaz de fumées recyclé, ou de
la vapeur d'eau ou un mélange de vapeur et de fumées.
Suivant un mode de réalisation particulier ledit brûleur peut
comporter également à l'extérieur de la protection 907 (en béton) du
conduit concentrique le plus externe et vers l'orifice de sortie de celui-ci,
des obstacles aptes à dévier et écarter de l'axe 1 de la buse le flux VA
du courant d'air secondaire 903.
La présence d'obstacles en couronne extérieure sur le brûleur
d'une part, et d'autre part le rajout d'un conduit 13 annulaire, qui
entoure l'ensemble des conduits d'alimentation en combustibles et en
air primaire, qui est alimenté en gaz appauvri en oxygène, et qui est
disposé à une distance minimum par rapport au conduit 11 le plus
externe d'alimentation en air primaire, éloignent de celui-ci le flux d'air
secondaire et permet de retarder l'échange d'énergie, et donc leur
mélange, entre ces divers flux : ceux-ci arrivent en effet à des vitesses
différentes, la vitesse de l'air secondaire étant de l'ordre de 10 à 50
mètres par seconde, alors que celle de l'air primaire est de l'ordre de
150 à 200 mètres par seconde.