Brûleur comportant un stabilisateur de flamme et au moins deux conduits d'air primaire, axial et en rotation, concentriques autour d'au moins une alimentation en combustible

Abstract

 Brûleur comportant au moins cinq conduits (4, 5, 7, 11, 15) sensiblement concentriques dont au moins deux d'alimentations en combustible (7, 15), l'un ayant une sortie centrale (9) et l'autre une sortie annulaire (16), et dont au moins trois d'alimentation en air de combustion primaire (4, 5, 11) l'un au moins ayant une sortie (12) d'air axial et l'autre une sortie (14) d'air mis en rotation, lesquelles sorties (12,14) d'air axial et d'air primaire étant disposées à l'extérieur de toute ouverture de sortie (9, 16) de combustible (7, 15), et un stabilisateur central (3) à recouvrant au moins la sortie d'un conduit (11) d'amenée d'air primaire dit central; selon l'invention l'alimentation annulaire en combustible est une alimentation en combustible solide pulvérisé (CSP) dont le conduit (15) est situé à l'intérieur de celui (11) d'amenée d'air primaire central et sa sortie (16) débouche à l'intérieur du stabilisateur (3).

Description

[0001] La présente invention concerne un brûleur comportant un stabilisateur de flamme et au moins cinq conduits sensiblement concentriques dont au moins deux d'alimentation en combustible, l'un au moins ayant une sortie centrale et l'autre une sortie annulaire, et dont au moins trois d'alimentation en air de combustion primaire l'un au moins ayant une sortie d'air axial et l'autre une sortie d'air mis en rotation, lesquelles sorties d'air étant concentriques et disposées à l'extérieur des ouvertures de sortie d'alimentation en combustible.

[0002] Le domaine technique de l'invention est la réalisation d'un brûleur pouvant utiliser un ou plusieurs combustibles avec des aménagements particuliers de conduits d'alimentation en air.

[0003] L'application principale de cette invention est son utilisation dans des brûleurs pour fours tubulaires rotatifs dans lesquels l'air de combustion primaire est amené d'une part à plus de 80% par au moins les deux conduits concentriques d'alimentation en air axial et en rotation, et d'autre part par au moins un troisième conduit dont la sortie est recouverte par le stabilisateur et dans lequel est injecté les au plus 20% d'air primaire restant. Pour cela ledit stabilisateur de flammes comporte des ouvertures pour le passage de cet air, soit au plus les 20% ci-dessus, et de préférence moins de 10% de cet air primaire, de telle façon que dans la zone située en aval de se stabilisateur ne se produise aucune combustion notable de combustible, alimenté par l'un ou l'autre des conduits dudit brûleur, qualifiant ladite zone de "morte" : un tel brûleur est décrit et revendiqué dans le brevet européen EP 421 903 publié le 10 avril 1991 et déposé par le même déposant que pour la présente invention.

[0004] Celle-ci peut être en fait considérée comme un perfectionnement apporté à de tels brûleurs et plus généralement à tout brûleur que l'on peut qualifier de moderne, comportant des conduits d'alimentation en combustible et en air de combustion primaire, suivant l'application principale définie ci-dessus, lesquels conduits formant ensemble une buse destinée à être montée sur un orifice prévu pour cela dans la paroi de l'enceinte formant le foyer du four ou chambre à combustion, autour de laquelle est amené l'air secondaire.

[0005] Dans l'application spécifique de la présente invention, et tel qu'enseigné en option dans le brevet EP 421 903 le brûleur comporte une alimentation annulaire en combustible solide pulvérisé disposé entre un conduit central à l'intérieur duquel est glissé au moins une canne d'alimentation de combustible fluide au moins de démarrage et les deux dits conduits annulaires concentriques en air primaire alimentant le brûleur à plus de 80%, l'un sous forme de courant d'air tourbillonnant comportant des composantes d'écoulement périphérique et l'autre sous forme de courant d'air axial comportant des composantes d'écoulement sensiblement axial.

[0006] L'objectif de la présente invention est

• d'une part d'obtenir une ambiance oxydante à proximité et autour de la flamme afin d'éviter la volatilisation du soufre qui peut être présent dans la matière première des fours rotatifs à ciment sous forme d'oxyde de soufre SO₃ et dans le combustible lui même, et de l'évacuer alors avec la matière cuite ("clinker")
• et d'autre part de réduire la quantité d'oxygène disponible au contact de chaque grain de combustible solide pulvérisé (dit CSP tel que charbon, anthracite, coke de pétrole ou combustible solide alternatif) dans la zone d'inflammation afin de réduire les émissions d'oxyde d'azote (NOx).

[0007] Suivant l'invention on atteint les objectifs ci-dessus en disposant le conduit d'alimentation annulaire en combustible solide pulvérisé à l'intérieur de celui dit central d'amenée des 20% au plus de préférence 10% d'air primaire, tel que défini précédemment, ladite sortie d'alimentation en combustible solide pulvérisé débouchant à l'intérieur du stabilisateur.

[0008] Dans un mode préférentiel de réalisation ledit conduit de combustible solide pulvérisé est disposé immédiatement et radialement autour d'un tube central dans lequel est glissé le conduit central d'alimentation en combustible fluide.

[0009] Le résultat est de rapprocher l'injection de combustible solide pulvérisé de l'axe du brûleur, ce qui l'éloigne et en retarde le contact avec d'une part la plus grande partie d'air primaire du brûleur amené par les circuits extérieurs concentriques axiaux et en rotation, et d'autre part l'air secondaire chaud périphérique, ce qui en retarde la dilution et par voie de conséquence réduit l'oxygène disponible dans la première zone de flamme tout en maintenant alors plus Longtemps la périphérie de la flamme oxydante, ce qui répond à l'objectif recherché.

[0010] En effet le taux de volatilisation de l'oxyde de soufre SO₃ sous forme de dioxyde SO₂ gazeux est extrêmement sensible à la teneur en oxygène (ce taux peut en effet doublé lorsque l'on passe de 3% d'oxygène à 0,5% d'oxygène au contact du clinker ) : il faut donc absolument éviter les conditions réductrices à la surface de celui-ci, ce qui est obtenu par le rapprochement de l'injection du combustible solide pulvérisé de l'axe du brûleur.

[0011] Dans des modes particuliers de réalisation afin de réduire encore plus les émissions d'oxyde d'azote, on réduit suivant l'invention la quantité d'air de transport du combustible solide pulvérisé, ou ce qui est la même chose on augmente la concentration de celui-ci par rapport au volume d'air de transport qui le véhicule, de telle façon que la concentration, rapportée au fluide gazeux de transport, en combustible solide pulvérisé dans son conduit d'alimentation est au moins égale à 4 Kg de combustible solide pulvérisé par kilo de fluide de transport.

[0012] De même et dans le même objectif, suivant un mode particulier de réalisation, le fluide de transport de combustible solide pulvérisé est constitué d'un mélange d'air et de gaz combustible, tel que par exemple de l'air appauvri en oxygène par mélange avec des fumées de combustion recyclées.

[0013] Par ailleurs, du fait du rapprochement de l'injection du combustible solide pulvérisé de l'axe du brûleur, la flamme à tendance à se rallonger : aussi suivant la présente invention, dans un mode particulier de réalisation, on augmente l'impulsion spécifique ou la quantité de mouvement axiale du brûleur en utilisant une pression d'air primaire, à l'entrée des circuits d'alimentation en air de combustion primaire, d'au moins égale à 3000 decaPascal : on obtient ainsi des flammes non seulement oxydantes, mais aussi courtes et vives, tout en obtenant une réduction de l'oxyde d'azote.

[0014] On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt.

[0015] La description ci-après et les figures ci-jointes représentent deux exemples de réalisation de l'invention mais n'ont aucun caractère limitatif; d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de l'invention, qui peut en effet s'adapter à d'autres types de brûleurs ayant les caractéristiques principales rappelées précédemment et définies ci-après : en particulier le stabilisateur peut affecter n'importe quelle forme dès lors qu'il crée une surface plane générant un remous aérodynamique de stabilisation de front de flammes par effet de sillage.

• La figure 1 est une demi-vue en coupe longitudinale simplifiée d'un exemple de brûleur selon l'invention et représentant un premier exemple de perfectionnement d'un brûleur tel que décrit dans le brevet EP 421 903.
• La figure 2 est une demi-vue en coupe longitudinale simplifiée d'un autre exemple de brûleur selon l'invention avec une particularité supplémentaire par rapport à celui représenté sur la figure 1.

[0016] La présente invention s'applique à tous brûleurs tels que représentés sur ces deux figures comportant au moins cinq conduits 4, 5, 7, 11 et 15 sensiblement concentriques dont

• au moins deux d'alimentation en combustible 7, 15, l'un au moins ayant une sortie centrale 9 et l'autre une sortie annulaire 16, et
• au moins trois d'alimentation en air de combustion primaire 4, 5, 11, l'un au moins ayant une sortie 12 d'air axial et l'autre une sortie 14 d'air mis en rotation, lesquelles sorties 12, 14 d'air axial et d'air primaire étant disposées à l'extérieur de toutes ouvertures de sortie de combustible.

[0017] Le brûleur comporte également un stabilisateur 3 placé autour de ladite sortie centrale 9 de combustible fluide au moins de démarrage, et débordant radialement par rapport à celle-ci jusqu'à recouvrir au moins la sortie du au moins troisième conduit 11 d'amené d'air primaire dit central débouchant à travers des orifices 13 dudit stabilisateur.

[0018] Selon l'invention l'alimentation annulaire en combustible est une alimentation en combustible solide pulvérisé (CSP) dont le conduit 15 est situé à l'intérieur de celui 11 d'amené d'air primaire central et sa sortie 16 débouche à l'intérieur du stabilisateur 3.

[0019] De préférence le conduit 15 de combustible solide pulvérisé est disposé immédiatement et radialement autour d'un tube central 8 dans lequel est glissé le conduit central 7 d'alimentation en combustible fluide.

[0020] Comme dans le brevet EP 421 903, la distance radiale minimale desdites ouvertures de sorties 12, 14 d'air axial et d'air mis en rotation, constituant la majeur partie d'air primaire débouchant à l'avant de la tête du brûleur 1 et en aval du stabilisateur 3, laquelle distance étant comptée par rapport au centre de la buse du brûleur 1, est au moins égale à deux fois le rayon de l'ouverture centrale 17 correspondant sensiblement à l'orifice 9 du conduit 7 du combustible central.

[0021] De plus ledit stabilisateur 3 déborde nettement en direction radiale par rapport à l'ouverture centrale 17 et ses ouvertures 13 pour le passage d'une petite quantité de l'air de combustion primaire dit central sont disposées à la sortie du conduit 11 annulaire de conduit d'alimentation de cet air.

[0022] L'ensemble des ouvertures des conduits débouchant à l'intérieur du stabilisateur 3 sont situées en amont et à une distance X de la sortie au moins de l'orifice 12 du conduit annulaire 5 d'air axial primaire.

[0023] Selon l'invention et conformément aux caractéristiques du brevet précédent cité ci-dessus, la totalité de l'air primaire débouchant dans ledit stabilisateur 3 par le dit conduit annulaire 11 à travers les orifices 13 représente tout au plus une petite quantité d'air primaire de préférence de 2 à 10 % de la totalité de l'air primaire alimentant ledit brûleur 1, de telle façon que dans la zone centrale 2 située immédiatement en aval dudit stabilisateur 3 ne se produise aucune combustion notable du combustible qualifiant ladite zone centrale 2 de morte.

[0024] Dans le mode de réalisation de la figure 1 cette zone morte 2 forme un disque continu correspondant à la totalité de la surface des ouvertures de sorties des conduits situés à l'intérieur du stabilisateur 3 à savoir le conduit 7 d'amené du combustible fluide central dans la canne 10, le conduit 15 d'amené du charbon pulvérisé et le conduit annulaire 11 d'amené d'air primaire dans cette zone morte 2.

[0025] Dans le mode de réalisation de la figure 2, le conduit 4 d'alimentation en air mis en rotation est disposé immédiatement, radialement et concentriquement autour du circuit 15 d'alimentation en combustible solide pulvérisé et à l'intérieur de celui 11 d'amenée d'air primaire central, le sortie 14 de cet air mis en rotation débouchant à l'intérieur du stabilisateur central 3.

[0026] En ce cas et comme dans l'autre mode de réalisation de la figure 1, l'air primaire dit central alimenté par ledit conduit 11 débouchant dans le stabilisateur 3 représente également tout au plus une petite quantité d'air primaire de 2 à 10% de la totalité de cet air primaire, de telle façon que dans la zone constituée par la couronne de sortie dudit air primaire central ne se produise aucune combustion notable du combustible qualifiant ladite zone primaire de morte.

[0027] Cette zone provoque alors des remous opposés, sur chacun de des bords circulaires, créant un obstacle aux deux écoulements l'un extérieur et l'autre intérieur à la couronne, et crée un effet dépressionnaire.

[0028] Dans cette variante de la figure 2, certes l'alimentation en combustible solide pulvérisé est moins éloignée de l'alimentation 4 en air mis en rotation mais est encore éloignée du circuit d'air primaire axial 5 et de l'air secondaire, ce qui maintient l'effet recherché. Par contre cette disposition présente l'avantage que l'effet aérodynamique du circuit d'air radial 4 sur la forme de l'écoulement du flux du combustible solide pulvérisé du conduit 15 est, du fait de leur proximité, beaucoup plus efficace : en effet l'écoulement d'air radial sortant de l'ouverture 14 tend à imposer sa forme au flux de combustible solide pulvérisé du fait de la proximité des lignes de courant, et comme l'on peut régler ce circuit d'air radial, on peut plus facilement régler et adapter ledit brûleur aux conditions d'utilisation particulière de chaque four rotatif.

[0029] Dans ce mode de réalisation de la figure 2, la quantité totale d'air primaire radial 4 et d'air central débouchant à l'intérieur du disque défini par le pourtour externe dudit stabilisateur 3, représente au plus 30% de l'air primaire total alimenté par l'ensemble des conduits dudit brûleur.

[0030] Dans le brûleur selon l'invention, comme dans le brûleur suivant le brevet précédent EP 421 903, la totalité de l'air de combustion primaire alimentant ledit brûleur 1 par l'ensemble des conduits situés dans ledit brûleur est au plus égal à 6% de l'air total de combustion, le reste de l'air dit secondaire arrivant périphériquement par l'extérieur de la tête du brûleur 1 autour du tube externe 6 de celui-ci.

[0031] Dans le mode de réalisation de la figure 2, les au plus 30% d'air primaire débouchant à l'intérieur du disque défini par le pourtour externe du stabilisateur 3 est donc de : 30% × 6% = 1,8% de l'air de combustion, ce qui est très peu; et dans les deux modes de réalisations des figures 1 et 2 l'air primaire débouchant à travers les orifices 13 du stabilisateur ne représente que 2 à 10% desdits 6% soit de 0,12 à 0,6 % de l'air de combustion total.

[0032] Cette faible quantité d'air confirme que la zone 2 située en aval dudit stabilisateur, qu'il soit en couronne périphérique du conduit d'air primaire radial 4 suivant la figure 2, ou formant un disque continu autour des seuls conduits d'alimentation en combustible 7 et 15 suivant la figure 1, constitue une zone dépréssionnaire dans laquelle ne se produit aucune combustion notable du combustible qualifiant bien ladite zone 2 de morte.

[0033] Suivant la présente invention dans le cas où des combustibles alternatifs supplémentaires seraient utilisés, les autres cannes d'amenée de ce combustible sont placées dans le conduit 11 d'alimentation en air primaire dit central et débouchent dans des ouvertures 13 dudit stabilisateur 3.

Revendications

1. Brûleur comportant au moins cinq conduits (4, 5, 7, 11, 15) sensiblement concentriques dont au moins deux d'alimentations en combustible (7, 15), l'un au moins ayant une sortie centrale (9) et l'autre une sortie annulaire (16), et dont au moins trois d'alimentation en air de combustion primaire (4, 5, 11) l'un au moins ayant une sortie (12) d'air axial et l'autre une sortie (14) d'air mis en rotation, lesquelles sorties (12,14) d'air axial et d'air primaire étant disposées à l'extérieur de toute ouverture de sortie (9, 16) de combustible (7, 15), et un stabilisateur (3) placé autour de ladite sortie centrale (9) de combustible et débordant radialement par rapport à celle-ci jusqu'à recouvrir la sortie d'un conduit (11) d'amenée d'air primaire dit central débouchant à travers des orifices (13) dudit stabilisateur, caractérisé en ce que l'alimentation annulaire en combustible est une alimentation en combustible solide pulvérisé (CSP) dont le conduit (15) est situé à l'intérieur de celui (11) d'amenée d'air primaire central et sa sortie (16) débouche à l'intérieur du stabilisateur (3).

2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit (15) de combustible solide pulvérisé est disposé immédiatement et radialement autour d'un tube central (8) dans lequel est glissé le conduit central (7) d'alimentation en combustible fluide.

3. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la totalité de l'air primaire débouchant dans ledit stabilisateur (3) représente tout au plus une petite quantité d'air primaire de 2 à 10 % de la totalité de l'air primaire alimentant ledit brûleur (1) de telle façon que dans la zone centrale (2) située immédiatement en aval dudit stabilisateur (3) ne se produise aucune combustion notable du combustible qualifiant ladite zone centrale (2) de morte.

4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en que le conduit (4) d'alimentation en air mis en rotation est disposé immédiatement, radialement et concentriquement autour dudit circuit (15) d'alimentation en combustible solide pulvérisé et à l'intérieur de celui (11) d'amené d'air primaire central, la sortie (14) de cet air mis en rotation débouchant à l'intérieur du stabilisateur central (3).

5. Brûleur selon la revendications 4, caractérisé en ce que la quantité totale d'air primaire radial (4) et d'air central débouchant à l'intérieur du disque défini par le pourtour externe dudit stabilisateur (3) représente au plus 30% de l'air primaire total alimenté par l'ensemble des conduits dudit brûleur (1).

6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'air primaire dit central alimenté par le conduit annulaire (11) débouchant dans le stabilisateur (3) représente tout au plus une petite quantité d'air primaire de 2 à 10 % de la totalité de l'air primaire de telle façon que dans la zone constituée par la couronne de sortie dudit air primaire central ne se produise aucune combustion notable du combustible qualifiant ladite zone annulaire de morte.

7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pression d'air primaire à l'entrée des circuits d'alimentation (4, 5, 11) en air de combustion primaire est au moins égale à 3 000 da Pa.

8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la concentration, rapportée au fluide gazeux de transport, en combustible solide pulvérisé dans le conduit (15) d'alimentation de ce combustible dans le brûleur (1), est au moins égale à 4 Kg de combustible solide pulvérisé par kilo de fluide de transport.

9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le fluide de transport du combustible solide pulvérisé est constitué d'un mélange d'air et de gaz combustible.

10. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la distance radiale minima desdites ouvertures de sorties (12,14) d'air axial et d'air mis en rotation, constituant la majeure partie de l'air primaire débouchant à l'avant de la tête du brûleur (1) et en aval du stabilisateur (3) laquelle distance étant comptée par rapport au centre de la buse du brûleur (1), est au moins égale à deux fois le rayon de l'ouverture centrale (17) correspondant sensiblement à l'orifice (9) du conduit (7) de combustible central.

11. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le stabilisateur (3) comporte des ouvertures (13) pour le passage d'une petite partie de l'air de combustion primaire central et qui sont disposés à la sortie du conduit (11) annulaire d'alimentation de l'air dit central.

12. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la totalité de l'air de combustion primaire alimentant ledit brûleur (1) par l'ensemble des conduits situés dans ledit brûleur est au plus égal à 6% de l'air total de combustion.

Dessins