Brevet FR2038114A1 — publié le 19710108

La présente invention concerne un brûleur à gaz perfectionné et, plus particulièrement, un brûleur utilisable pour la combustion de gaz à faible pouvoir calorifique. Les brûleurs pour gaz à faible pouvoir calorifique compor-5 tent, en général, un dispositif quelconque qui améliore la combustion en vue de rendre leur fonctionnement efficace. Le mode de fonctionnement des brûleurs de ce.type actuellement en usage est, en général basé sur le principe d'une diffusion turbulente par laquelle lrair et le gaz sont mélangés dans une zone prévue pour la 10 combustion. Cependant, de tels brûleurs présentent des inconvénients du fait que l'intervalle de leurs allures de combustion est limité et que le rendement de cette combustion est relativement médiocre, même dans des conditions optimales de marche, du fait que le combustible et l'air ne sont pas parfaitement mélangés 1'un à 15 l'autre avant la combustion. Lorsqu'il s'agit de brûleurs destinés à équiper un four à régénération ou cowper, il est désirable que ces brûleurs puissent opérer à haut rendement sur des combustibles à faible, pouvoir calorifique et soient capables de fournir une flamme stable dans un 20 large intervalle drallures de combustion. Plus spécifiquement, à cause de sa disponibilité, il est désirable d'utiliser conœe combustible le gaz en provenance d'un haut fourneau. Un gaz de haut fourneau typique non enrichi a un pouvoir calorifique de J00 à 770 kcal/m-^, contient environ 27 % de C0 et la température de sa flamme 25 en combustion adiabatique est d'environ de 1.320®C. Les résultats des études récentes faites sur les flammes en vue de mieux comprendre l'effet des divers paramètres qui ont une influence sur les combustions n'ont pas, en général, été utilisés pour l'étude des équipements de combustion employés en sidérur-30 gie, pour, par exemple, le chauffage des fours à régénération ou cowper. On sait pourtant que l'amélioration des conditions de la combustion peut améliorer le rendement thermique des installations existantes et, par suite, le rendement économique global de ces installations. 35 Cette non utilisation des résultats d'expérience est mise en évidence par le fait que les brûleurs couramment utilisés dans les fours à régénération ou cowper doivent, pour que la combustion y soit complète, être munis de chsunbres de combustion de grand volume, le mélange air-combustible réalisé par leurs brûleurs étant 40 imparfait. Si ce mélange était meilleur, le volume des chambres de 70 11653 2 2038114 combustion des fours pourrait être réduit, ce qui laisserait plus de place pour les empilages de régénérateur qui amélioreraient le rendement de ces fours. . Certains brûleurs actuellement employés pour la combustion 5 des gaz de hauts-fourneaux sont basés sur le principe des flammes de diffusion qui permet au combustible-et à l'air d'entrer en interaction sur une interface située dans la zone de mélange du brûleur . Ce procédé a, en général, pour résultats un mélange imparfait et un accroissement des variations de la température de com-10 bustion, l'établissement de conditions opératoires qui se traduisent par de forts gradients de température sur les briquetages du four à régénération, des brûlures locales de ces briquetages dues aux points chauds qui y apparaissent, et l'établissement de conditions de marche telles que les mesures de température faites dans 15 le dôme du four à régénération ne permettent pas de déceler la présence- de ces points chauds, du fait que ces mesures ne donnent que la température moyenne des gaz dans ce dôme. Il a été antérieurement mis au point un brûleur qui supprime certains des Inconvénients précités et qui est une version 20 des brûleurs à orifices d'éjection multiples. Cependant, le fonctionnement de ce type de brûleur est très sensible aux variations du rapport air/combustible, et la perte de charge du mélange combustible dans ses orifices dréjection est relativement forte. Dans un autre type de brûleur antérieurement mis aû point 25 en. vue de supprimer certains des inconvénients précités, le mélange combustible-air indispensable pour obtenir les interactions qui établissent et maintiennent de bonnes conditions de combustion s'effectue sur des jets parallèles. La présente invention a pour objet,la réalisation d'un 30 brûleur perfectionné utilisable pour la combustion de gaz à faible pouvoir calorifique, capable de fonctionner dans un intervalle relativement large de vitesses d'éjection et dans lequel la perte de charge est minimale et le mélange de l'air.et du gaz-combustible et les caractéristiques thermiques des gaz: brûlés sont améliorés. 35 La réalisation.d'un brûleur à grande capacité calorifique exige un équilibre approprié des caractéristiques d'un brûleur à étranglement d'éjection et comportant une chambre d'entrée à paroi cylindrique dans laquelle le combustible et le gaz se mélangent d'un mouvement tourbillonnaire avant d'entrer en réaction de cora-40 bustion. Les extinctions spontanées sont réduites à un minimum 70 11653 ' 2038114 dans les brûleurs de ce type. Leur structure est telle qu'il s'y produit vin mélange préalable de combustible et d'air par tourbillonnement et une augmentation de l'intensité de la combustion par accélération de la vitesse d'éjection des gaz du fait que cette 5 éjection s'effectue par une buse convergente. Par suite, l'objet principal de la présente invention est la réalisation d'un brûleur perfectionné, particulièrement adapté pour être alimenté en combustible à faible pouvoir calorifique et capable de brûler de grandes quantités d'un tel combustible dans 10 tme chaunbre de combustion de volume plus petit que celles normalement nécessaires. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un brûleur perfectionné utilisable pour l'équipement des fours à régénération ou des cowpers. 15 Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un brû leur perfectionné dans lequel le combustible et l'air sont introduits tangentiellement dans une chambre de mélange dans laquelle leur mélange s'effectue par un mouvement tourbillonnaire. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un brû-20 leur perfectionné, à haute capacité calorifique et dans lequel des mouvements tourbillonnaires imprimés au combustible et à l'air permettent d'obtenir un intervalle d'allures de combustion plus étendu. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un brûleur perfectionné dans lequel les gaz sont mélangés dans une cham-25 bre de mélange où ils sont animés de mouvements tourbillonnaires et ne subissent qu'une perte de charge minime. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un brûleur perfectionné de construction peu coûteuse, dans lequel sont mises à profit des techniques opératoires perfectionnées et dont 30 l'emploi est commode et le fonctionnement sûr. La présente invention a, d'autre part, pour objet la réalisation d'un brûleur de structure et de fonctionnement perfectionnés, faisant partie intégrante d'une chambre de combustion et étudié pour pouvoir être construit en matières céramiques, dans lequel 35 la disposition des orifices d'entrée a pour effet une circulation tourbillonnaire à contre-courant du combustible et de l'air qui permet de les mélanger intimement, et dans lequel l'éjection du mélange de combustible et d'air s'effectue par un orifice qui accroît la vitesse de ce mélange, en assure la détente rapide et la turbu-40 lerice et diminue les risques de retours de flamme et d'extinctions 70 11653 4 2038114 spontanées. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui .va suivre, description faite à titre purement explicatif et nullement limitatif et avec 5 référence aux dessins ci-joints dans lesquels : • La figure 1 est une vue schématique en élévation d'un four à régénération ou cowper associé à un haut-fourneau et dans lequel est utilisé le brûleur perfectionné de l'invention. La figure 2 est une coupe axiale partielle faite dans un 10 brûleur conforme à l'invention. La figure 3 est une vue partielle en plan du brûleur de la figure 2 avec coupe suivant le plan 3-3 de cette figure. La figure 4 est une vue de profil d'un autre mode de réalisation du brûleur de l'invention, montrant la buse convergente 15 dans la chambre du brûleur et les orifices par lesquels le combustible et l'air sont introduits dans cette chambre. La figure 5 est une vue en plan du brûleur de la figure 4, et La figure 6 est un schéma représentant un autre mode de 20 réalisation du brûleur de l'invention dans lequel le combustible et l'air sont introduits tangentiellement dans une chambre de mélange de façon qu'ils circulent à contre-courant l'un de l'autre en vue d'obtenir leur mélange intime avant leur entrée en réaction de combustion, le mélange s'effectuant en toute sécurité dans la chambre 25 du brûleur. Une combustion est une oxydation rapide effectuée à haute température, cette réaction d'oxydation s'effectuant en très grande partie dans une région étroite où la réactivité chimique des gaz est élevée. En général, les constituants essentiels de tous les j5Q„_ combustibles organiques usuels sont le carbone et L'hydrogène. Les conditions dans lesquelles s'effectue une combustion dépendent lardes constituants du combustible, 4e la température initiale des gaz et du degré de mélange du combustible et de l'air. 35 La structure du brûleur de l'invention et son mode opéra toire réalisent en combinaison toutes les caractéristiques de marche nécessaires pour obtenir et maintenir la combustion, et ceci particulièrement dans le cas des combustibles à faible pouvoir calorifique tels que, par exemple, les gaz de hauts-fourneaux. 40 Le brûleur de l'invention sera décrit ci-après dans son 70 11653 5 2038114 application à la combustion dans un four à régénération ou cowper du gaz en provenance d'un haut-fourneau auquel il est associé. Il doit être entendu, toutefois, que les principes de la construction et du fonctionnement de ce brûleur sont utilisables dans des cir-5 constances similaires pour d'autres applications que celle spécifiquement décrite. Sur la figure 1 des dessins joints, la référence 10 désigne un cowper de haut-fourneau. Ce cowper comprend une enveloppe 11, une chambre de récupération 12, une chambre de combustion lj5, 10 un brûleur à gaz 14, une arrivée de gaz 15, une arrivée d'air de combustion 16, une sortie de vent chaud 17, une arrivée de vent froid 18, un carne au 19 et une cheminée 20. Dans ion eowper normal à renversement de marche, pendant le cycle de réchauffage des empilages de briques ou briquetages, le gaz brûle dans l'air de combus-15 tion et les produits de cette combustion circulent d'un mouvement ascendant dans la chambre de combustion 13, circulent ensuite d'un mouvement descendant entre les empilages de briques de la chambre de récupération 12 et sortent de cette chambre par le earneau 19 en direction de la cheminée d'évacuation 20. Pendant le cycle de 20 récupération de la chaleur, du vent froid en provenance d'une soufflante est introduit dans la partie inférieure de la chambre de récupération 12 et circule dans cette chambre d'un mouvement ascendant en se chauffant au contact des empilages de briques qu'elle contient. Après avoir été ainsi chauffé, ce vent circule d'un mou-25 vement descendant dans la chambre de combustion 13 et se dirige vers le haut-fourneau par la sortie de vent chaud 17. Diverses vannes, qui ne font pas partie de l'invention, commandent et contrôlent les débits de gaz, d'air de combustion, de vent froid et de vent chaud. 30 Un mode de réalisation du brûleur 14 qui peut être utilisé dans le cowper 10 et qui est conforme aux caractéristiques de l'invention est représenté sur les figures 2 et 3. Il est prévu, au travers de l'enveloppe extérieure 11 du cowper 10, deux conduits 24 et 25 dans lesquels débouchent respec-35 tivement des tuyauteries d'arrivée d'air 16 et d'arrivée de gaz 15 par lesquelles cet air et ce gaz sont introduits dans la chambre de mélange 23 du brûleur 14. Ainsi qu'on le voit sur les figures 2 et 3, le conduit d'arrivée d'air 24 et le conduit d'arrivée de gaz 25 débouchent tangentiellement dans la chambre de mélange 23 du brû-40 leur et de façon que ces fluides circulent dans cette chambre à 70 11653 6 2038114 îontre-Gourant l'un de l'autre, oe- qui a pour ®ff«t ûe réaliser- sa; aéxange optimal du gaz et de l'air avant corabustion de ce mëlange. Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, le gaz est, introduit dans la partie inférieure de la chambre 23» amorce -un ruouve-5 sent tourbillonnaire (en sens invei*se de la rotation des aiguilles d'una contre sur la figure 3} dans cette chambre et se dirige vers \cï étranglement convergent 26 prévu dans l'orifice d'éjection du brûleur. On notera que l'invention s'étend aussi au cas où cet étranglement convergent ou venturi est remplacé par un simple orî-10 fioe d'un certain diamètre. L'air est introduit dans la chambre 23 au-dassus de l'arrivée du gaz dans cette chambre et tourbillonne dans le sens de rotation des aiguilles d'une montre, c'est-à-dire 3n sens inverse de l'écoulement du gaz. Le tourbillonnement à contre-courant de l'air et du.gaz assure leur mélange parfait dans 15 la chambre 23 pendant leur trajet en direction du venturi 26. L'air et le gaz sont introduits continuellement dans la chambre 23 et forcent leur mélange à s'échapper du brûleur d'un mouvement ascendant par le venturi 26. Dans son mouvement ascendant au passage de oe venturi, le mélange de gaz et d;air accélère sa vitesse du fait 20 qu'il doit franchir un étranglement. Ce mélange s'allume sur l'aval du venturi et sa combustion se poursuit spontanément au front de flamme, front dont la position dans le brûleur dépend de la vitesse d'écoulement du mélange d'air et de gaz. La présence du venturi sur l'orifice d'éjection du brûleur a pour effet d'accélérer 25 la vitesse du mélange éjecté et, par suite, d'accroître l'intensité de la combustion. La présence du venturi 26 est aussi importante en ce qu'elle permet l'établissement d'une combustion stable et exempte de battements. L'introduction du combustible et de l'air dans la chambre 30 du brûleur de façon qu'ils s'y mélangent suivant des mouvements tourbillonnaires opposés a pour effet d'étendre l'intervalle des allures de marche possibles du brûleur au prix d'une perte de charge minime par comparaison avec un brûleur à éjection directe. La stabilité de la flamme assurée par ce mélange tourbillonnaire de 35 l'air et du gaz qui se produit dans le brûleur diminue les risques de retours de flamme et d'extinctions spontanées. Le mélange préalable du combustible et de l'air qui se produit ainsi dans le brûleur lui-même rend plus stable la zone de combustion. Il y a lieu de remarquer, d'autre part, qu'un mélange 40 préalable de combustible et d'air (effectué avant leur introduction 70 11653 7 2038114 dans le brûleur) pourrait donner lieu à l'établissement de conditions de marche dangereuses s'il n'était pas prévu des dispositifs de maintien de flamme appropriés. Un autre mode de réalisation du brûleur de l'invention est 5 représenté sur les figures 4 et 5. Le brûleur représenté sur ces figures et désigné dans son ensemble par la référence 74 comprend une enveloppe extérieure 76 entourant une chambre de mélange 80. Cette chaunbre de mélange 80 est munie à sa partie supérieure d'une buse convergente ou d'éjection 82 qui accélère la vitesse d'écoule-10 ment des gaz à leur sortie de cette chambre. Le gaz combustible et l'air de combustion sont introduits dans la chambre 80 de façon que l'un d'eux, ou les deux, prennent dans cette chambre un mouvement tourbillonnaire qui facilite leur mélange. Dans le brûleur des figures 4 et 5, le combustible peut 15 être introduit dans la chambre 80 sous forme d'un courant ou écoulement de direction axiale et sur l'araont de l'entrée d'air. Ce courant primaire de combustible s'écoule à partir d'un point situé sur l'amont de l'entrée d'air et en direction de la buse d'éjection 82 suivant la direction générale indiquée par la flèche 84. Un tel 20 écoulement classique, direet et non perturbé, ne donnerait pas à la combustion qu'effectue le brûleur de l'invention les caractéristiques désirées. L'air constituant l'autre partie du mélange de combustion est introduit par un conduit 86 dans un canal 88 ouvert à ses deux 25 extrémités et formé intérieurement par la paroi latérale du brûleur. Il est prévu une pluralité d'ouvertures ou fentes 90 verticales et diversement orientées en direction horizontale qui font communiquer le conduit 88 et la chambre 80 dans line zone de cette chaunbre située sur le trajet axial suivi par le courant de combus-30 tible et sur l'amont du venturi 82. La structure du brûleur des figures 4 et 5 est représentée schématiquement sur la figure 6, laquelle montre clairement le fonctionnement de ce brûleur. Le tourbillonnement ou écoulement à contre-courant nécessaire pour obtenir un bon mélange du combustible et de l'air à la 35 façon précédemment décrite est obtenu par l'arrivée latérale de l'air dans la chambre 80. Le gaz combustible pénètre dans cette chambre sur l'amont des fentes d'entrée d'air 90 et s'écoule vers la buse 82 suivant la direction générale indiquée par la flèche 84. Les fentes 90, qui sont situées de part et d'autre de l'axe A-A de 40 l'arrivée d'air 86, sont orientées de façon que l'air introduit 70 11653 8 2038114 prenne un mouvement tourbillonnaire contre les parois opposées de la chambre 80. L'air balaie la chambre suivant des directions opposées, ce qui a pour effet de produire .des circulations à contre-courant qui assurent un bon mélange du combustible et de l'air à 5 l'intérieur de la chambre 80 et sur l'amont du-venturi 82. Dans un brûleur conforme aux principes exposés ci-dessus, le mélange de combustible et d'air est effectué dans le brûleur lui-même et est amélioré par la réalisation d'un tourbillonnement dans la chambre du brûleur obtenu par l'introduction du combustible, ou 10 de l'air, ou des deux suivant une direction oblique par rapport à un rayon donné de cette chambre. Le tourbillonnement des gaz ainsi obtenu rend plus rapide et plus intime le mélange du combustible et de l'air sans occasionner une perte de charge capable d'affecter défavorablement les caractéristiques de combustion du brûleur. 15 L'une des caractéristiques importantes de l'invention ré side en ce que la circulation à contre-courant des gaz dans la chambre du brûleur provoque dans cette chambre un tourbillonnement qui assure une rapide diffusion mutuelle des gaz. Par exemple, le brûleur des figures 4, 5 et 6 est du type dans lequel seul l'un des 20 courants de gaz est introduit dans la chambre du brûleur suivant une direction autre que celle de l'axe de cette chambre. Dans ce brûleur, l'air circule dans des sens opposés dans la chambre du brûleur et y crée une turbulence contrôlée qui a pour résultat une rapide diffusion mutuelle des gaz dans le brûleur, l'air se mélangeant 25 rapidement au courant axial principal de combustible. Les avantages importants de la construction et du fonctionnement du brûleur perfectionné de l'invention sont obtenus par une combinaison de particularités et par la réalisation d'un mode opératoire non encore employées dans les brûleurs actuellement utili-30 sés dans les cowpers de hauts-fourneaux. L'une de ces particularités consiste en ce que la structure du brûleur fait partie intégrante de la structure de la chambre de combustion du cowper. Cette particularité est avantageuse du fait qu'elle diminue les risques de retours de flamme et d'extinctions spontanées qui sont inhérents 35 aux brûleurs de ce type et de conception antérieure. D'autre part, au cas où un retour de flamme se produirait, le danger encouru serait minimisé du fait que le brûleur est entièrement logé dans la chambre de combustion du cowper. On voit clairement que, par contre, dans le cas d'un brûleur logé à l'extérieur de la chaunbre de 40 combustion, un retour de flamme peut avoir des conséquences dange 70 11653 9 2038114 reuses. Un autre avantage qui résulte de ce que le brûleur est logé en entier dans la chambre de combustion consiste en ce que ce brûleur peut être fait en une matière céramique relativement peu 5 coûteuse par comparaison avec l'acier des enveloppes qu'il est nécessaire de prévoir pour des brûleurs extérieurs. Le venturi dont est muni le brûleur de l'invention porte la vitesse des gaz à leur éjection à une valeur supérieure à celle de la propagation de la flamme, ee qui a pour effet de réduire les 10 risques de retours de flamme. Il s'ensuit que le brûleur de l'invention est d'une sécurité d'emploi accrue. D'autre part, la disposition des orifices d'admission du brûleur ajssure une distribution uniforme du gaz combustible et de l'air dans la chambre du brûleur et leur imprime des mouvements tourbillonnaires à contre-courant 15 qui les brassent plus intimement et fournissent un meilleur mélange de combustion. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'hora-20 me de l'art. 70 11653 10 2038114 REVENDICATIONS 1 - Brûleur perfectionné permettant d'obtenir dans un foyer la combustion à haut rendement d'un gaz à faible pouvoir calorifique, dans lequel le combustible et de l'air sont mélangés 5 dans une chambre qu'il forme, lequel brûleur est caractérisé en ce qu'il comprend : une chambre de brûleur munie d'une buse d'éjection à son extrémité aval et dans laquelle débouchent un premier et un deuxième conduit munis de vannes, au moins un de ces conduits étant dirigé de façon à forcer le gaz qui y circule à prendre dans 10 la chambre du brûleur un mouvement tourbillonnaire établissant des circulations à contre-courant pour le combustible et pour l'air, ce qui a pour effet de les mélanger intimement, et dans lequel il est imprimé au mélange de gaz sortant par la buse du brûleur une vitesse suffisante pour que leur combustion se produise sur l'aval 15 de cette buse. 2 - Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il peut être entièrement logé dans le foyer qu'il chauffe et en ce qu'aucune de ses parties n'est en saillie sur la paroi extérieure de ce foyer. 20 3 - Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa chambre est agencée de manière que le combustible et l'air soient introduits dans celle-ci suivant des directions d'une obliquité prédéterminée en vue de mélanger intimement ce combustible et cet air avant combustion du mélange. 25 4 - Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa chambre est agencée de manière que le combustible et l'air soient introduits dans celle-ci suivant des directions opposées de façon à provoquer la turbulence du mélange de combustible et d'air avant sa combustion. 30 5 -- Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa buse d'éjection est agencée de manière que le mélangé de gaz éjecté subisse, du fait de son passage dans cette buse, une accélération qui stabilise sa combustion. 6 - Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce 35 que sa chambre et sa buse sont faites en une matière céramique et en ce que ses orifices d'entrée sont disposés de manière à provoquer des circulations à contre-courant du combustible et de l'air et à en assurer ainsi le mélange intime.