Brûleurs de combustibles solides combinés avec des combustibles liquides et/ou gazeux

Abstract

 La présente invention a pour objet des brûleurs de combustibles solides finement divisés combinés avec des combustibles liquides et/ou gazeux. Un brûleur selon l'invention comporte quatre tubes coaxiaux qui délimitent quatre conduits qui véhiculent, en allant de l'axe vers la périphérie, un combustible liquide et/ou gazeux (conduit 1); de l'air de combustion propre (conduit 2); un mélange de particules de combustible solide à l'état finement divisé en suspension dans un gaz porteur (conduit 3) et de l'air de combustion propre (conduit4). Une application est l'équipement de fours, notamment de fours de cimenterie.

Description

[0001] La présente invention se rapporte à un brûleur pour la combustion de combustibles solides, pulvérisés ou finement divisés, seuls ou en combinaison avec des combustibles liquides et/ou gazeux, pour fours et appareils relatifs à la technique thermique,plus particulièrement pour fours rotatifs, échangeurs de chaleur par mise en suspension dans les gaz, grilles et chambres de combustion, pour lesquels il est nécessaire de pouvoir effectuer, même en cours de marche un règlage très large de la forme de flamme.

[0002] De tels brûleurs doivent permettre à des combustibles et combinaisons de combustibles de brûler dans les conditions optimales du procédé en utilisant l'air disponible, soit au titre d'air de combustion, soit à celui d'air primaire qui peut être véhi-. culé au travers du brûleur.

[0003] Il est donc nécessaire de régler la forme de l'écoulement du combustible et de l'air et également, dans le cas de combustibles solides peu abrasifs, celle du mélange gaz de transport-charbon pulvérisé, dans les plages les plus larges de façon à atteindre les résultats de combustion nécessaires.

[0004] Par ailleurs, il est nécessaire, et en particulier dans le cas de combustibles solides abrasifs, d'atteindre pour le brûleur et l'installation chauffée des temps de disponibilité élevés.

[0005] La construction du brûleur doit donc être choisie de façon que le mélange de gaz de transport et de combustible solide soit dévié le moins possible et circule à la vitesse la plus faible possible.

[0006] Pour éviter tout dommage à l'installation soumise au feu, il faut également pouvoir régler à tout moment la forme de flamme la mieux adaptée.

[0007] L'économie de l'exploitation est également favorablement influencée par une adaptation optimale du déroulement de la combustion parce que,ce faisant, on s'astreint à utiliser le moins de combustible possible.

[0008] Il doit de plus être possible de mettre en oeuvre des combustibles de pouvoir calorifique moyen par exemple avec une faible proportion de produits volatils ou une teneur en cendres très élevée.

[0009] Il est connu que pour remplir partiellement ces conditions, on emploie des brûleurs constitués par un seul circuit par lequel s'écoule au travers d'une buse-injecteur la quantité de combustible choisie ou disponible préalablement mélangée à l'air et/ou au gaz porteur.

[0010] Dans ce cas, il n'est possible d'avoir qu'une influence très limitée sur la forme de flamme, car le débit d'air de transport est modifié et en conséquence la vitesse d'éjection change.

[0011] On peut en outre exercer une certaine influence, toujours limitée, en agissant sur le combustible par modification de sa finesse ou de sa nature.

[0012] On a obtenu une amélioration notable lorsque l'on a utilisé un brûleur à deux circuits où le mélange air de transport-combustible-s'écoule en direction axiale par le canal extérieur et où on influence la divergence et la rotation par une composante d'air propre, que l'on peut régler et introduire à l'intérieur du courant combustible-air.

[0013] Dans un tube central, on peut de plus introduire une composante liquide ou gazeuse pour le démarrage et l'allumage.

[0014] La composante axiale de l'air amené étant déjà chargée de combustible, elle ne peut varier que dans une plage très limitée, ce qui réduit fortement l'influence qu'elle peut avoir sur la forme de la flamme. De plus, le combustible solide doit être amené par le tube à la vitesse qui donne la vitesse d'écoulement nécessaire sur la base du débit volumique mis en oeuvre. Ceci accroît en conséquence l'usure et sollicite plus fortement aussi les pièces d'usure qui se trouvent dans la partie admission par suite de débits volumiques plus importants.

[0015] La possibilité d'influencer l'écoulement à partir de ce circuit est très limitée, du fait que, pour des questions de risque d'usure, il faut éliminer les déviations trop importantes au travers des pièces prévues pour assurer la divergence ou même la rotation. Egalement, il n'est plus possible d'utiliser des éjecteurs en deux parties qui, par un glissement axial permettent pour un débit volumique donné, de règler la vitesse d'écoulement.

[0016] En cas d'usure particulièrement forte, le tube-enveloppe extérieur se perce et il se forme une flamme parasite, ce qui peut causer des dommages très graves.

[0017] On sait par ailleurs que,pour la combustion de combustibles solides pulvérulents, on a également utilisé des brûleurs constitués de trois tubes concentriques, dans lesquels on a introduit tangentiellement les différents composants air propre,gaz de transport,poussière de charbon, pour produire une certaine rotation. Du fait de l'absence de pièces d'écoulement pour créer de la divergence et de la rotation, on ne peut obtenir, particulièrement dans les plages intermédiaires, qu'un effet très limité.

[0018] En particulier, il n'a pas été possible de réaliser des for_- mes déterminées d'écoulement, telles qu'un fort écoulement axial à faible divergence, du fait de la rotation imposée.

[0019] De même, la vitesse d'écoulement à partir des circuits d'air propre ne pouvait pas être modifiée pour un débit volumique donné.

[0020] Le brûleur doit donc offrir la possibilité d'un règlage de la forme de la flamme et donc du déroulement de la combustion dans la plage la plus grande possible et ceci en marche.

[0021] Le combustible doit être allumé immédiatement après sa sortie du brûleur.

[0022] Dans le brûleur et dans l'installation qui le suit, le pouvoir abrasif des combustibles doit causer l'usure la plus réduite possible.

[0023] Pour permettre d'adapter la puissance au besoin à tout moment, il faut offrir la plage de régulation la plus élevée possible pour le débit du combustible.

[0024] On doit pouvoir fonctionner avec toutes les combinaisons possibles de combustibles, telles que plusieurs combustibles solides de différentes qualités ou des combustibles solides avec des combustibles liquides et/ou gazeux.

[0025] La forme de flamme doit être conservée, en particulier lorsque la proportion entre les différents types de combustible doit être réglée en marche.

[0026] En ce qui concerne les combustibles qui présentent des caractéristiques défavorables du point de vue de la combustion, on doit néanmoins obtenir un bon allumage et la combustion doit s'effectuer dans le délai souhaité.

[0027] Dans les brûleurs dans lesquels on ne peut, pour influencer la forme de la flamme par le système d'écoulement, introduire qu'une proportion souvent très faible de l'air de combustion sous forme d'air primaire, le reste de l'air de combustion s'écoulant de façon non contrôlée dans le foyer en provenance des refroidisseurs installés en aval, il importe de pouvoir régler à la valeur qui convient le mieux, pour un débit volumique donné, en marche, la vitesse d'écoulement des différentes composantes d'air propre qui se combinent pour créer la forme de la flamme.

[0028] Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen de brûleurs de combustibles solides pulvérisés ou finement divisés, combinés avec des combustibles liquides et/ou gazeux, qui comportent quatre tubes coaxiaux délimitant quatre conduits : un premier conduit central qui contient des canalisations de combustible liquide et/ou gazeux, un deuxième conduit annulaire, qui entoure le premier conduit et qui véhicule de l'air propre, un troisième conduit annulaire qui entoure le deuxième conduit et qui véhicule un mélange de particules de combustible solide en suspension dans un gaz de transport et un quatrième conduit externe qui entoure le troisième conduit et qui véhicule de l'air propre. Les deuxième et quatrième conduits comportent chacun au voisinage de l'extrémité avant, un dispositif de réglage qui est muni d'un organe de commande à distance, qui permet de modifier, même en marche, la direction de la vitesse de l'air à la sortie desdits conduits.

[0029] Selon un mode de réalisation préférentiel, les dispositifs de réglage sont des rosaces composées de deux parties séparées qui peuvent être décalées axialement ou angulairement, à distance, au moyen de tiges de commande.

[0030] Dans de nombreux cas d'utilisation, par exemple lors de la mise en oeuvre dans des fours rotatifs, il est nécessaire de maintenir aussi faible que possible la proportion d'air primaire amenée par l'intermédiaire du brûleur pour influencer la forme de la flamme, de façon à valoriser une plus grande proportion de la chaleur perdue en provenant des refroidisseurs installés en aval du processus.

[0031] Dans ce but, on installe en amont et au plus près du brûleur, des volets qui permettent de régler les débits volumiques dans les divers circuits et de répartir, en cours de fonctionnement, l'air primaire en fonction des différentes formes d'écoulement.

[0032] Pour protéger le brûleur de l'usure, on dispose, à tous les changements de direction du circuit véhiculant le charbon pulvérisé, des pièces d'usure facilement remplaçables.

[0033] La poussière de charbon qui se dépose est de nouveau mélangée au gaz de transport avant la section de sortie, grâce à un accessoire disposé dans le circuit correspondant.

[0034] Jusqu'ici, de manière générale et habituelle, la partie d'admission était montée sur le support du brûleur et en cas de réparation, il était nécessaire de sortir le brûleur du four.

[0035] Grâce à la fixation du tube enveloppe sur le support du brû_- leur, il est possible d'effectuer en cours de fonctionnement, des réparations sur les pièces internes et aussi de réduire notablement les durées d'intervention.

[0036] Par ailleurs, en transposant à d'autres cas de marche qui nécessitent le remplacement de certaines pièces du brûleur, on peut effectuer celui-ci de façon particulièrement rapide.

[0037] La forme de flamme dépendant presque uniquement des courants d'air propre disposés des deux côtés du circuit d'amenée du mélange charbon pulvérisé, gaz de transport, les possibilités de réglage ne sont pas limitées par les risques d'usure dus au charbon pulvérisé.

[0038] On peut donc réaliser toutes les formes d'écoulement en les adaptant aux conditions spécifiques de l'installation recevant les calories et à la conduite optimale de la chauffe.

[0039] Il est également possible, si on le désire, de travailler à contre-courant. En outre, des formes de flamme dissymétriques peuvent être obtenues en utilisant des dispositifs particuliers placés dans les circuits d'air propre.

[0040] Malgré toutes ces possibilités, et même en employant des combustibles très abrasifs, l'usure dans ce brûleur est considérablement réduite par rapport aux réalisations antérieures qui se caractérisaient déjà par des possibilités limitées de réglage de la forme de flamme. En effet, dans chaque cas, le mélange gaz porteur-charbon pulvérisé peut être amené avec la vitesse la plus faible possible sans retour de flamme dans le circuit. Par ce fait, on améliore également les conditions nécessaires à un allumage immédiat du combustible.

[0041] Même dans la partie admission on atteint des durées de vie élevées grâce à l'adoption de faibles vitesses et de déviations optimales et à l'utilisation de débits particulièrement réduits d'air de transport conduisant à la mise en place de pièces d'usure de petites dimensions.

[0042] Le fait que le circuit gaz de transport-charbon pulvérisé soit situé entre deux circuits d'air propre, élimine, en cas d'usure très importante, le risque de voir l'enveloppe extérieure se percer et d'endommager le circuit central véhiculant le combustible liquide et/ou le combustible gazeux. Ainsi, des accidents très graves sont évités.

[0043] Le fait que le charbon pulvérisé qui s'est déposé se remette dans le circuit présente l'avantage de conserver un jet homogène qui ne conduit pas à un apport de calories unidirectionnel.

[0044] Au choix-, le circuit gaz de transport-charbon pulvérisé peut recevoir plusieurs types différents de charbon pulvérisé, dont l'alimentation s'effectue par des systèmes pneumatiques séparés.

[0045] Le passage à des combustibles solides très différents est facilité parce que le réglage de la formé de flamme s'éffectue presque sans intervention sur le circuit gaz de transport-charbon pulvérisé.

[0046] Une chose particulièrement significative c'est que lors du passage a des combustibles très différents, par exemple d'un combustible solide à un combustible liquide et/ou gazeux, on puisse, grâce au réglage de la forme de flamme par action sur les circuits d'air propre, compenser les différences existant entre les caractéristiques thermiques de ces combustibles.

[0047] L'absence de réglage conduirait à un déplacement de la zone de chauffe.

[0048] Dans les installations où le brûleur ne véhicule qu'une faible partie de l'air de combustion appelée air primaire, et où la partie principale arrive dans le foyer en provenance d'un refroidisseur situé en aval sans qu'elle puisse être influencée, ce nouveau brûleur présente l'avantage de pouvoir fonctionner avec des proportions très réduites d'air primaire et donc d'augmenter la valorisation de la chaleur perdue provenant du refroidisseur.

[0049] La description suivante se réfère au dessin annexé qui représente, sans aucun caractère limitatif, une coupe axiale d'un brûleur, par exemple d'un brûleur de four rotatif, pour brûler à la fois des combustibles solides, a l'état pulvérisé ou en grains fins, et des combustibles liquides et/ou gazeux.

[0050] Le brûleur est composé d'une partie admission des combustibles et de l'air, du dispositif d'amenée des combustibles et de l'air constitué de quatre tubes coaxiaux comportant un stabilisateur dans le conduit du combustible solide et d'un dispositif de réglage de l'écoulement et de l'éjection des différents composants combustibles et de l'air.

[0051] Le dispositif d'amenée des combustibles et de l'air est disposé dans une enveloppe extérieure 13 qui comporte un revêtement réfractaire et qui sert en même temps à la fixation du brûleur sur son support 13a. Cette fixation est telle que toutes les pièces d'usure et les garnitures peuvent être facilement remplacées même en marche grâce à des systèmes d'insertion par coulissement. Les admissions d'air propre comportent des volets ou des registres qui permettent de régler le débit volumique choisi.

[0052] Pour assurer la protection contre l'abrasivité des combustibles solides, le conduit d'admission du mélange d'air de transport et combustible solide comporte des pièces d'usure facilement remplaçables, dont l'échange peut être fait en quelques minutes.

[0053] Le dispositif qui véhicule les combustibles jusqu'au nez du brûleur où se situe la flamme comporte quatre tubes coaxiaux qui définissent un conduit central et trois conduits annulaires intermédiaires entre deux tubes. En allant de l'axe vers la périphérie, ces quatre conduits sont numérotés de 1 à 4. Dans le premier conduit 1, c'est-à-dire dans le conduit central ou axial se situent des canalisations la et lb d'amenée de combustible liquide et/ou gazeux servant d'une part au démarrage du brûleur et d'autre part à soutenir la combustion dans le cas où l'on brûle des combustibles solides ayant un pouvoir calorifique particulièrement faible.

[0054] L'extrémité avant du conduit central 1, c'est-à-dire l'extrémité située au nez du brûleur, est équipée d'un dispositif connu 1c de pulvérisation ou d'éjection des combustibles.

[0055] Le deuxième conduit 2 véhicule de l'air de combustion propre. Ce conduit comporte à son extrémité avant ou au voisinage de celle-ci, un dispositif 5 qui sert à régler la direction de la vitesse d'écoulement de l'air sortant du conduit 2 en communiquant à celle-ci un mouvement de rotation, c'est-à-dire une composante tangentielle de la vitesse,et/ou une direction divergente par rapport à l'axe.

[0056] Selon un mode de réalisation préférentiel le dispositif 5 est une rosace réglable composée de deux moitiés montées séparées. L'une des deux moitiés est reliée à des tiges ou tringles de manoeuvre 7 qui permettent, même en marche et à distance,de décaler les deux parties axialement et/ou en rotation pour faire varier la rotation et/ou la divergence de la vitesse d'écoulement de l'air à la sortie du dispositif 5.

[0057] Le troisième conduit 3 véhicule un mélange de gaz de transport et d'un combustible solide à l'état divisé, par exemple un mélange de charbon pulvérisé en suspension dans de l'air. Le mélange s'écoule axialement le long du conduit 3 avec la vitesse la plus faible possible sans qu'il soit nécessaire de disposer aucun dispositif à l'extrémité avant du conduit 3. Dans le cas de combustibles pour abrasifs, on peut cependant équiper l'extrémité avant du conduit 3 d'un dispositif qui permet de communiquer à la vitesse de sortie du mélange une direction divergente par rapport à l'axe.

[0058] Le quatrième conduit 4 véhicule également de l'air de combustion propre. Il comporte également à l'extrémité avant ou au voisinage de celle-ci un dispositif 6, analogue au dispositif 5, qui sert à régler, même en marche, la composante tangentielle et la composante divergente de la vitesse de sortie de l'air propre au moyen d'une commande à distance 8.

[0059] Le dispositif 6 est par exemple une rosace composée de deux parties 6a et 6b qui délimitent entre elles des canaux 6c de passage de l'air.

[0060] Le mécanisme de commande à distance 8 comporte des tiges qui permettent de décaler axialement et/ou angulairement les deux pièces 6a et 6b l'une par rapport à l'autre.

[0061] Tandis que la direction du vecteur vitesse de l'air propre à la sortie des conduits 2 et 4 est réglée au moyen des dispositifs à rosace 5 et 6 commandés à distance par les organes 7 et 8, les gaines 2a et 10a qui alimentent en air propre respectivement les conduits 2 et 4 sont équipés respectivement d'organes de réglage du débit volumique 9 et 10, par exemple des registres ou des volets mobiles,qui permettent de régler la valeur du vecteur vitesse de l'air à la sortie des conduits. Les registres 9 et 10 permettent d'ajuster en marche la répartition de l'air primaire entre les conduits 2 et 4 en fonction des différentes formes d'écoulement et de flamme. Seuls les conduits d'air propre 2 et 4 comportent des organes de réglage ayant une section variable.

[0062] Le conduit 3 qui véhicule le mélange de gaz porteur et de combustible solide à l'état divisé ne comporte pas de zone morte dans laquelle de la poussière de combustible solide pourrait se déposer en créant un risque de feu dormant.

[0063] On voit sur la figure que le conduit 3a qui amène le mélange de combustible pulvérisé et de gaz porteur dans le conduit 3 se raccorde à l'extrémité arrière du conduit 3 en faisant avec celui-ci un angle très faible d'où un changement de direction minimum.

[0064] De plus, on utilise une quantité de gaz de transport du combustible solide la plus réduite possible afin que la vitesse dans le conduit 3 reste faible. La disposition du conduit 12, peu incliné par rapport au conduit 3,et la faible vitesse du mélange permettent d'obtenir des durées de vie élevées des pièces d'usure 12 malgré l'abrasivité des combustibles solides, notamment du charbon pulvérisé. Grâce à l'utilisation d'une quantité réduite de gaz de transport du combustible solide pulvérisé, les pièces d'usure 12 ont des dimensions relativement faibles et on peut les remplacer dans un temps très court grâce à une construction judicieuse.

[0065] Du fait que le conduit 3 qui véhicule le combustible solide se situe entre deux conduits 2 et 4 qui véhiculent de l'air propre qui peut servir d'air de combustion du combustible solide, il est possible d'utiliser pour le transport pneumatique du combustible solide, un gaz combustible auxiliaire qui améliore l'allumage du combustible solide, notamment lorsque ce dernier a une faible teneur en matières volatiles et est ri_- che en cendres. De plus, cette disposition du conduit 3 entre deux conduits annulaires 2 et 4 qui l'isolent de l'enveloppe externe 13 et du tube central 1, élimine les risques de détériorer l'enveloppe externe 13 ou le tube central amenant le combustible liquide ou gazeux par suite de l'action abrasive de certains combustibles solides pulvérisés.

[0066] Toutes ces dispositions font que les coûts des réparations sont faibles, même après une longue durée d'utilisation.

[0067] Le repère 11 représente une garniture qui est insérée dans le conduit 3, de préférence à l'entrée de celui-ci, par exemple un turbulateur ou stabilisateur à ailettes qui communiquent au mélange un mouvement de rotation tourbillonnantgrâce auquel les poussières de combustible solide qui se déposent sur les parois du conduit 3 sont reprises et mélangées à nouveau au gaz porteur.

[0068] La suspension des particules de combustible solide dans le gaz porteur est stabilisée et homogénéisée par le dispositif 11, ce qui améliore nettement l'allumage.

[0069] Le dispositif selon l'invention comportant quatre conduits coaxiaux autorise un démarrage progressif, sans intervention sur l'équipement.

[0070] Au démarrage un combustible liquide ou gazeux est amené à travers le tube central 1 dans les conditions les plus favorables, ce qui permet d'éviter tout risque d'endommager le revêtement réfractaire s'il manque des garnissages.

[0071] Le brûleur selon l'invention permet d'utiliser plusieurs qualités de charbons pulvérisés soit séparément soit simultanément dans toutes les proportions compatibles avec leur pouvoir calorique. Le passage à d'autres combustibles solides à l'état finement divisé est facilité du fait que les possibilités de réglage de la flamme sont très étendues.

[0072] La combinaison d'un tube central pour amener au nez du brûleur un combustible gazeux et d'un conduit séparé pour véhiculer pneumatiquement un combustible solide mélangé à un gaz de transport permet d'alimenter temporairement le brûleur avec du gaz combustible seul tout en faisant varier la forme de la flamme dans des limites étendues.

[0073] Un brûleur selon l'invention peut être également utilisé pour brûler simultanément des combustibles solides à l'état divisé et des combustibles liquides et gazeux.

[0074] Lors d'un fonctionnement mixte, la suppression de l'un des combustibles ne nécessite pas le changement de la forme de la flamme.

[0075] Une application avantageuse des brûleurs selon l'invention est l'équipement de fours de cimenterie dans lesquels le combustible solide est particulièrement abrasif et nécessite des appareils qui résistent à la corrosion et à l'abrasion.

[0076] Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications pourront être apportées par l'Homme de l'Art aux dispositifs qui viennent d'être décrits à titre d'exemple non limitatif.

Revendications

₁. Brûleur de combustibles solides, pulvérisés ou finement divisés, combinés avec des combustibles liquides et/ou gazeux, autorisant des réglages étendus de la forme de la flamme et de la vitesse d'écoulement des combustibles et de l'air, caractérisé en ce qu'il comporte quatre tubes coaxiaux délimitant quatre conduits : un premier conduit central (1) qui contient des canalisations (la, lb) de combustible liquide et/ou gazeux, un deuxième conduit annulaire (2) qui entoure le conduit (1) qui véhicule de l'air propre, un troisième conduit annulaire (3) qui entoure le conduit (2) et qui véhicule un mélange de particules de combustible solide en suspension dans un gaz de transport et un quatrième conduit externe (4) qui entoure le conduit 3 et qui véhicule de l'air propre.

2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième et le quatrième conduits (2,4) comportent chacun, au voisinage de l'extrémité avant, un dispositif de réglage (5,6) qui est muni d'un organe de commande à distance (7,8) qui permet de modifier,même en marche, la direction de la vitesse de l'air à la sortie desdits conduits.

3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits dispositifs de réglage (5,6) sont des rosaces composées de deux parties séparées qui peuvent être décalées axialement ou angulairement,à distance, au moyen de tiges de commande.

4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit conduit central (1) comporte à l'extrémité avant un dispositif(lc)de pulvérisation ou d'éjection du combustible liquide ou gazeux.

5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications ₁ à 4, caractérisé en ce que les gaines(2a et 4a)qui alimentent en air propre respectivement les conduits 2 et 4 comportent chacune un organe (9,10) pour régler le débit volumique d'air.

6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, destiné à brûler des combustibles solides pulvérisés peu abrasifs, caractérisé en ce que ledit conduit(3)comporte un stabilisateur à ailettes(ll).

7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit conduit(3)comporte des pièces d'usure démontables(12)placées dans les zones de changement de direction de la vitesse d'écoulement du mélange.

8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le mélange qui circule dans le conduit(3) est composé de particules d'un combustible solide en suspension dans un gaz combustible.

9. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube enveloppe externe(13)est fixé au support de brûleur(13a) de façon telle que les pièces d'usure(12)et les garnitures (5, 6, 11) peuvent être déposées et réintroduites, en totalité ou en partie, même en position de marche.

Dessins