Brevet FR2487044A1 — publié le 19820122

La présente invention concerne un brûleur compre- nant un tube d'amenée pour l'introduction de combustibles solides dans une chambre de combustion, et en particulier dans un four rotatif. Dans les brûleurs pour fours rotatifs de ce type, l'air nécessaire à la combustion est fourni, pour une part, par l'air porteur - appelé aussi air primaire - qui transporte le combustible solide par effet pneumatique et, pour le reste, par l'air de sortie chaud - appelé aussi air secondaire d'un refroidisseur monté en aval du four rotatif. Cet air secon- daire présente par exemple une température de 8000C et plus dans les refroidisseurs montés en aval des fours rotatifs à ciment, de sorte que, pour des raisons de sécurité, cet air ne peut pas être utilisé pour le transport pneumatique du combustible solide et, en particulier, pour le transport de poussier de charbon. Pour des raisons d'économies d'énergie, la proportion d'air primaire doit être maintenue à une valeur aussi faible que possible. La revue "Zement - Kalk - Gips" (Année 32 - 1979 - Numéro 8, pages 386 à 389) décrit un brûleur à poussier de charbon pour fours rotatifs qui, ainsi qu'on le voit en par- ticulier sur la figure 4, est composé de plusieurs tubes disposés coaxialement les uns à l'intérieur des autres, et dans lequel le mélange d'air primaire et de poussier de char- bon quitte le brûleur axialement ou avec une faible divergence tout en étant entouré des deux côtés, en direction radiale, par un courant d'air pur. Dans ce dispositif, le jet d'air qui est intérieur en direction radiale quitte le brûleur avec un mouvement tourbillonnaire, et le jet d'air extérieur le quitte à travers des organes disposés axialement ou avec une faible divergence. De cette manière, on peut agir sur la forme de la flamme par réglage du jet d'air extérieur et/ou du jet d'air intérieur, et ce, indépendamment de la vitesse d'écou- lement du jet de mélange air-combustible qui est fixée dans une large mesure par les conditions du transport pneumatique. Si l'on veut obtenir une combustion complète et - rapide, on rencontre cependant le problème du mélange aussi intensif que possible du jet mixte d'air primaire et de combustible solide quittant le brûleur, d'une part, et de l'air secondaire chaud, d'autre part. Ceci peut être obtenu 2 2487044 en principe en créant une turbulence suffisante à la sortie du jet de mélange, mais il en résulte des difficultés. En effet, il y a des limites à l'augmentation de la vitesse d'écoulement du mélange car une flamme trop longue peut gêner de manière sensible le processus thermique dans les fours rotatifs et, en particulier la position d'une zone d'agglo- mération et d'une zone de calcination. Une limite inférieure de la vitesse d'écoulement résulte des paramètres qui carac- térisent le transport pneumatique. D'autre part, il est impé- ratif de pouvoir faire varier la quantité de combustible introduite dans le four rotatif, et donc les quantités de chaleur, puisque, contrairement à ce qui se passe pour les combustibles liquides et gazeux, il y a lieu de tenir compte, lors de l'introduction de combustibles solides, de variations considérables qui affectent le pouvoir calorifique et d'autres paramètres influençant le processus de combustion. Il s'agit en conséquence de pouvoir introduire des quantités variables de combustible dans le four tournant et, en même temps, de maintenir suffisamment les conditions nécessaires pour que le mélange et l'air secondaire soient intimement mélangés, et que la flamme qui prend naissance reste courte, concentrée et chaude. Pour pouvoir mélanger plus intimement le combus- tible et l'air secondaire dans les fours rotatifs, on a déjà proposé l'utilisation d'un mouvement tourbillonnaire dans le mélange charbon-air qui quitte le brûleur. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante parce que les particules de charbon les plus grossières parcourent un chemin trop court et rencontrent la matière à brûler ou la paroi du four alors qu'elles sont incomplètement brûlées. Aussi, le but de l'in- vention est d'améliorer le mélange avec l'air secondaire chaud du mélange en écoulement constitué d'air primaire et de combustible solide et d'amener l'air secondaire chaud au coeur du mélange combustible-air, aussi près que possible des orifices de sortie du brûleur. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la section de passage du tube d'amenée et/ou d'au moins un autre tube qui s'étend pour l'essentiel parallèlement au tube d'amenée, se termine du côté de la chambre de combustion par une pluralité d'orifices d'écoulement. Cette disposition se traduit par une répartition du jet de mélange qui quitte le brûleur, de sorte que sa surface disponible pour recevoir de l'air secondaire chaud est nettement augmentée par rapport aux formes de réalisation dans lesquelles un seul jet de mélange quitte le brûleur. Simultanément, la diminution de la section dans la zone des orifices d'écoulement produit une vitesse, et donc une turbulence, plus élevées que dans les tubes d'amenée habituels, ce qui améliore nettement les conditions nécessaires pour que le mélange soit intime. Il se produit une accélération considérable du mélange avec l'air secondaire chaud et donc aussi une accélération considérable du processus de combustion, de sorte que l'on peut régler la flamme qui est nécessaire pour chaque processus de-combustion de telle manière qu'elle soit courte et chaude. En outre, et de manière avantageuse, l'air secondaire chaud arrive au coeur de la flamme. L'invention prévoit également une forme de réalisa- tion dans laquelle la section d'écoulement d'un tube d'amenée d'air qui entoure le tube d'amenée principal se termine, du côté de la chambre de combustion, par une pluralité d'orifices d'écoulement, cependant que le mélange s'écoule par une tuyère annulaire. De cette manière, le mélange, dans la région de l'embouchure, est entouré d'une zone d'aspiration qui est constituée par de nombreux jets d'air individuels et qui agit par rapport à l'air secondaire chaud à la manière d'une pompe à fluide moteur. Par suite du puissant effet d'aspiration, l'air secondaire chaud est ainsi aspiré dans l'espace compris entre les divers jets d'air et il est amené à se mélanger de manière intensive avec le jet de mélange. On peut aussi ima- giner une forme de réalisation dans laquelle aussi bien la section d'écoulement du tube d'amenée que celle d'un tube qui entoure ce dernier, présentent une pluralité d'orifices d'écoulement du côté de la chambre de combustion, ce quipro- duit des conditions optimales pour le mélange. Selon une forme de réalisation avantageuse de la présente invention, les orifices d'écou1errient sont délimités, au moins partiellement, dans leur zone périphérique par des entretoises ou par d'autres pièces encastrées disposées à l'intérieur du tube d'amenée. De telles pièces d'insertion divisent la section d'écoulement du tube d'amenée en au moins h42487044 deux et, de préférence, en quatre sections partielles. Le montage d'entretoises ou de pièces encastrées analogues constitue une mesure constructive extrêmement simple pour obtenir une partition du jet de mélange qui sort du brûleur. La largeur des entretoises ou autres pièces encastrées doit être dimensionnée de telle manière que l'on atteigne dans la zone d'écoulement la diminution de section souhaitée et, respectivement, l'augmentation de vitesse souhaitée. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le tube d'amenée entoure au moins un tube intérieur coaxial. Dans ce cas, un tube intérieur peut être utilisé par exemple pour recevoir un autre système de brûleur, et notamment un brûleur à fuel ou à gaz. Il est également possible de dispo- ser un brûleur d'allumage dans ce tube intérieur. Enfin, le tube intérieur peut également servir à l'introduction d'air tourbillonnant dans la chambre de combustion, de manière à pouvoir influencer de cette façon la forme de la flamme qui est produite. Il est également possible de prévoir plusieurs tubes intérieurs de manière à pouvoir, dans cette région, disposer aussi bien un brûleur.à fuel qu'introduire de l'air tourbillonnant. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'in- vention, plusieurs tubes sont répartis sur la périphérie de l'espace annulaire qui existe entre le tube intérieur et le tube d'amenée, et leurs axes sont parallèles à celui du tube d'amenée. Très avantageusement, on peut amener de l'air à vitesse élevée à travers ces tubes, ce qui produit un puis- sant effet d'aspiration dans la région de l'embouchure du brûleur. Cet effet d'aspiration est d'autant plus intense qu'il y a plus de tubes sur la section annulaire-définie ci- dessus. En coopération avec le fait que la section d'écoule- ment est déjà divisée par des entretoises ou par des pièces encastrées analogues et que le degré de turbulence du jet de mélange est augmenté, et du fait que les orifices d'écoule- ment des tubes ci-dessus sont aussi disposés dans cette section, on obtient, dans la région de l'embouchure du, brûleur, un mélange optimal de l'air secondaire chaud, d'une part, et du mélange d'air primaire et de combustible, d'autre part. 4o Enfin, les orifices d-écoulement sont équipés de N. dispositifs indépendants les uns des autres pour le réglage de l'écoulement. De cette manière, il est possible d'agir, non seulement sur le nombre des orifices d'écoulement, mais également sur leurs débits respectifs, de sorte que les possibilités de réglage de la forme de la flamme peuvent être encore améliorées. Ces dispositifs de réglage sont réalisés de préférence sous la forme de corps de soupape à déplace- ment axial qui, en fonction de leur position, libèrent une section d'écoulement plus ou moins grande et qui peuvent même fermer cette section. La description qui va suivre, et qui ne présente aucun caractère limitatif, fera bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. Elle doit être lue en regard des figures annexées, parmi lesquelles La figure 1 est une vue en élévation d'une forme de réalisation d'un brûleur conforme à l'invention - La figure 2 est une vue prise selon la ligne II-II de la figure 1; La figure 3 représente une autre forme de réalisa- tion d'un brûleur selon l'invention; La figure 4 montre une vue prise selon la ligne IV-IV de la figure 3; La figure 5 représente une autre forme de réalisa- tion d'un brûleur selon l'invention; La figure 6 est une vue prise selon la ligne VI-VI de la figure 5; La figure 7 montre une forme de réalisation d'un brûleur selon l'invention comprenant deux tubes intérieurs La figure 8 est une vue prise selon la ligne VIII-VIII de la figure 7. Sur les figures 1 et 2, le repère 1 désigne un tube d'amenée pour l'introduction de combustibles solides et le repère 2 désigne des pièces insérées dans la région de l'em- bouchure du brûleur. Les entretoises 2 divisent la section d'écoulement du tube d'amenée 1 en quatre orifices d'écoule- ment, comme on le voit en particulier sur la figure 2. Le combustible qui est transporté par le courant d'air primaire s'écoule en direction de la flèche 3 et il est divisé en quatre courants partiels en fonction du nombre et de la disposition des entretoises 2. Dans la région 4 de 6 2487044 l'embouchure du brûleur, une dépression prend ainsi naissance, de sorte que de l'air secondaire chaud est aspiré selon la flèche 5 et que cet air est soumis à un brassage intensif avec le mélange qui s'écoule du brûleur. Dans les formes de réalisation selon les figures 3 et 4, le tube d'amenée 1 est entouré par un tube-enveloppe 6, *et il entoure lui-même un tube intérieur 7. Le tube-enveloppe 6 comporte des orifices d'écoule- ment 8 qui sont réalisés sous la forme de tuyères de Laval et qui-servent à une amenée d'air. Dans ce cas, le tube inté- rieur 7 peut être utilisé pour recevoir un brûleur d'allumage et/ou pour introduire un autre combustible, par exemple sous forme liquide ou gazeuse. Le mélange de combustible et d'air primaire qui s'écoule en direction de la flèche 9 est soumis à un mélange optimal avec l'air secondaire chaud qui s'écoule en direction de la flèche 10, et ce, grâce à la dépression qui prend naissance du fait de l'air sortant des tuyères de Laval. La figure 4 montre la position et le nombre exacts des orifices d'écoulement 8 et des entretoises 2. Les figures 5 et 6 représentent une forme de réali- sation d'un brûleur dans laquelle le tube d'amenée 1 entoure un tube intérieur 11 qui lui est coaxial. A l'intérieur de l'espace annulaire 12 défini par la paroi extérieure du tube intérieur 11 et la paroi intérieure du tube d'amenée 1 se trouvent d'autres tubes 13 qui sont répartis régulièrement sur la périphérie de cet espace annulaire et qui s'étendent axialement par rapport au tube d'amenée 1. Les tubes 13 sont maintenus par des entretoises 14 dans la zone de leur extré- mité tournée vers la chambre de combustion, et leurs orifices d'écoulement 15, dans la région de ces entretoises, sont équipés de tuyères de Laval à direction d'écoulement axiale. Dans cette forme de réalisation, les tubes 13 sont utilisés pour l'amenée d'air pur qui sort des tuyères de Laval à une vitesse élevée. La dépression qui en résulte produit une aspiration de l'air secondaire chaud selon les flèches 16, du au voisinage immédiat mélange air- combustible qui sort des orifices d'écoulement 17 définis par les intervalles entre les entretoises 14. Il en résulte ainsi un brassage intensif du mélange avec l'air secondaire, de sorte que toutes les conditions sont réunies pour que la combustion soit rapide. Dans cette forme de réalisation, le tube intérieur il peut être utilisé pour recevoir des systèmes de brûleurs pour d'autres combustibles qui sont introduits en supplément, ou aus9l mettre en place un brûleur d'allumage. Les figures 7 et 8 montrent une forme de réalisa- tion d'un brûleur selon l'invention dans laquelle deux tubes intérieurs 18 et 19 disposés l'un dans l'autre sont montés coaxialement dans un tube d'amenée 1. Dans ce cas, le tube intérieur 19 sert à recevoir un brûleur pour l'allumage de combustibles gazeux ou liquides. Dans la région de l'extré- mité du tube intérieur 18 qui est tournée vers la chambre de combustion, et entre la paroi intérieure de ce tube et la paroi extérieure du tube intérieur 19, sont montées des pièces d'insertion 20 engendrant un mouvement tourbillonnaire et d'un genre connu en soi. Ces pièces sont représentées sur les figures de manière schématique et elles délimitent plu- sieurs orifices d'écoulement 18' entre la paroi extérieure du tube intérieur 19 et la paroi intérieure du tube intérieur 18. Dans la forme de réalisation représentée, le tube d'amenée 1 présente un orifice d'écoulement annulaire 21 dont la direc-- tion d'écoulement diverge faiblement par rapport à l'axe longitudinal du tube d'amenée 1. Ce dernier est entouré par un tube-enveloppe 22 qui, dans la région de son extrémité tournée vers la chambre de combustion, présente des orifices d'écoulement 23 qui sont visibles en particulier sur la figure 8 et dont la direction d'écoulement diverge faible- ment, elle aussi, par rapport à l'axe longitudinal du tube d'amenée 1, de préférence avec un angle de 150. Dans cette forme de réalisation, il est possible de réaliser un réglage simple de la vitesse du mélange qui sort de l'orifice d'écoulement annulaire 21, grâce au fait - que le tube intérieur 18 est monté de manière à pouvoir être déplacé en direction de l'axe longitudinal du tube d'amenée 1. De l'air est véhiculé à travers le tube intérieur 18 et le tube-enveloppe 22, et l'on peut faire varier ces quantités d'air, de manière à pouvoir agir ainsi sur la forme de la flamme qui en résulte dans le four rotatif et donc, sur le processus thermique. Dans ce cas, la vitesse élevée de l'air qui sort des orifices d'écoulement 23 équipés de tuyères 8 2487044 provoque une aspiration d'air secondaire chaud selon les flèches 24, de sorte que l'on obtient un brassage intensif avec cet air secondaire du mélange air-combustible qui sort de l'orifice d'écoulement annulaire 21,et ainsi donc une combustion rapide. Pour améliorer encore le mélange et la capacité d'aspiration de l'air secondaire dans la forme de réalisation représentée sur les figures 7 et 8, il est clair qu'il est également possible de monter une section d'écoulement pour le mélange aircombustible qui soit divisée en sections partielles par des entretoises ou d'une mnière analogue. Enfin, le tube d'amenée 1 peut en outre être entouré, en plus du tube-enveloppe 22, d'autres tubes qui ne sont pas repré- sentés pour simplifier le dessin et qui entourent le tube- enveloppe de manière coaxiale ou qui sont disposés avec leurs axes parallèles à ce tube. Au moyen de ces autres tubes, il est possible, par exemple, d'introduire un combus- tible supplémentaire dans la chambre de combustion, ce qui conduit à un brûleur à combustibles multiples. Cependant, ces tubes peuvent également servir de manière très avantageuse à l'apport d'un fluide de refroidissement. - REVENDICATIONS - 1. Brûleur comprenant un tube d'amenée pour l'intro- duction de combustibles solides dans une chambre de combus- tion, et en particulier dans un four rotatif, caractérisé par le fait que la section de passage du tube d'amenée (1) et/ou d'au moins un autre tube (6, 18, 22) qui s'étend pour l'essentiel parallèlement au tube d'amenée (1), se termine du côté de la chambre de combustion par une pluralité d'ori- fices d'écoulement (2', 2", 8, 17, 18', 23). 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les orifices d'écoulement (2', 2", 17) sont déli- mités au moins partiellement dans leur zone périphérique par des entretoises (2) ou d'autres pièces encastrées disposées à l'intérieur du tube d'amenée (1). 3. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le tube d'amenée (1} entoure au moins un tube intérieur coaxial (7, 11, 18, 19). 4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'une pluralité de tubes (13) sont répartis sur la périphérie de l'espace annulaire (12) qui existe entre le tube intérieur (11) et le tube d'amenée (1) et que leurs axes sont parallèles à celui du tube d'amenée (1). 5. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les tubes (13) comportent des orifices d'écoule- ment (15) qui sont équipés de tuyères, et en particulier de tuyères de Laval, dirigées axialement. 6. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les tubes (13) comportent des orifices d'écoule- ment (15) qui sont équipés de tuyères, et en particulier de tuyères de Laval, dont la direction d'écoulement fait un angle de O à 20 , et de préférence de 15 , avec l'axe longitudinal du tube d'amenée (1). - 7. Brûleur selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'au moins le tube intérieur (18) est équipé, du côté de la chambre de combustion, de pièces encastrées (20) pour engendrer un mouvement tourbillonnaire. 8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 2487044 1 à 3, caractérisé par le fait que le tube d'amenée (1) est disposé de manière coaxiale à l'intérieur d'au moins un tube- enveloppe (6, 22). 9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le tube d'amenée (1) est entouré de plusieurs tubes disposés de manière à ce que leurs axes soient parallèles. 10. Brûleur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la section d'écoulement du tube-enveloppe (6, 22) se termine, du côté de la chambre de combustion, par une pluralité d'orifices d'écoulement (8, 23). i1. Brûleur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les orifices d'écoulement (8, 23) sont équipés de tuyères, et en particulier de tuyères de Laval, dirigées axialement. 12. Brûleur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les orifices d'écoulement (8, 23) sont équipés de tuyères, et en particulier de tuyères de Laval, dont la direc- tion d'écoulement fait un angle de 0 à 20 ., et de préférence de 15 , avec l'axe longitudinal du tube d'amenée (1). 13. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que les orifices d'écoulement (8, 15, 23) sont équipés de dispositifs indépendants les uns des autres pour le réglage de l'écoulement.