Brevet FR2509436A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne des dispositifs brûleurs à vent, et plus précisément, des brûleurs destinés à la combustion simultanée et séparée de plusieurs combustibles. L'invention peut être appliquée dans des générateurs de vapeur et dans des fours chauffés par plusieurs combustibles, y compris des gaz pauvres tels que gaz de haut fourneau, pour améliorer l'efficacité de l'utilisation des combustibles. Etant donné que le coût des combustibles organiques a augmenté brusquement, leur remplacement partiel par des ressources énergétiques secondaires, sans diminution du rendement économique de la combustion, estun problème important pour tous les pays développés. On connaît des brûleurs pour la combustion de combustibles solides, liquides et gazeux à caractéris- tiques thermiques et physiques différentes, comprenant des canaux annulaires concentriques pour l'amenée d'air et de combustibles (voir les Ouvrages de V.A. Speisher, A.D. Gorbanenko, "Povyshenie effektivnosti ispolzovahiia gaza i mazuta v energeticheskikh ustanovkah", M., "Energiia", 1974, p. 208, en langue russe ; V.I. Maslov , " Ekspluatatsiia kotelnykh agregatov chernoi metallurgil", M., "Energiia", 1956, p. 296, en langue russe ; A. K. Vnukov, "Nadezhnost i ekonomichnost kotlov dlia gaza i mazuta", M., L., "E- nergiia", 1966, p. 368, en langue russe). A l'heure actuelle, certains types de brûleurspermettent d'atteindre une haute efficacité de combustion avec différents combustibles amenés simultanément et séparément, ce qui facilite l'utilisation de ces combustibles et permet de diminuer nettement la formation d'oxydes d'azote en cas d'addition de gaz à faible pouvoir calorifique. On connaît un brûleur pour la combustion de gaz de différents pouvoirs calorifiques, comprenant des canaux annulaires disposés de façon concentrique, pour l'amenée du gaz de haut fourneau (canal périphérique), de l'air et d'un gaz à haut pouvoir calorifique (canaux disposés plus près du centre (voir le brevet RFA nO 1 060 082). Dans ce brûleur, la portion de sortie du canal périphérique est dotée d'un ajutage convergent, le diamètre de la section de sortie de cet ajutage convergent étant supérieur au diamètre du canal d'air disposé à son intérieur, et les tranches de sortie de tous les canaux étant disposés dans un même plan. L'inconvénient du brûleur ainsi réalisé est que l'intensité de la formation du mélange air-gaz de haut fourneau n'est pas suffisante, alors que le chauffage intense par radiation de la portion de sortie du canal périphérique à gaz de haut fourneau,en en cas de coupure de ce canal, diminue la sécurité de fonctionnement. On connaît également un brûleur comprenant un canal annulaire périphérique à tourbillonnement par aubage axial dans la portion de sortie, et des canaux concentriques d'amenée d'air et de charbon en poussière disposés à l'intérieur du canal périphérique (voir le certificat d'auteur URSS nO 191.734). La portion de sortie cylindrique du canal à gaz de haut fourneau de ce brûleur est supérieure au diamètre du canal à air intermédiaire dans lequel sont disposés des tubes. d'amenée de gaz naturel et de gaz de coke. L'inconvénient du brûleur de ce type est que l'ef- ficacité de la formation du mélange est insuffisante et que les éléments de sortie du canal à gaz de haut fourneau se chauffent intensément, lorsqu'il est coupé. La cause de ces inconvénients consiste en ce qu'il se forme des courants annulaires parallèles d'air et de gaz de haut fourneau dont les vitesses sont pratiquement égales et que les parties périphériques du brûleur ne sont pas refroidies, lorsque l'amenée du gaz de haut fourneau est coupée. Les coefficients angulaires de rayonnement de la chaleur du jet de flamme sur les éléments non refroidis sont suffisants pour provoquer leur surchauffe par les flux de chaleur provenant de leur propre brûleur et des brûleurs voisins, à cause de la différence des diamètres du canal à gaz de haut fourneau et du canal à air. On connait encore un brûleur comprenant un canal d'air secondaire, un canal de gaz à haut pouvoir calorifique et un canal d'air primaire disposés de manière coaxiale. La paroi extérieure cylindrique du canal de gaz à haut pouvoir calorifique sert de paroi intérieure du canal d'air secondaire , et la paroi intérieure, également cylindrique, du canal de gaz sert de paroi extérieure du canal de mélange à air (voir Z.S. Talibdzhanov, A.V. Golovanov, "Reversivnye pylegazomazutnye gorelki s reguliruyemym fakelom", l'article "Ispolzovanie gaza v narodnom khoziaistve, M. VNIIE Gazprom, 1975, p. 3-12, en langue russe). Ce brûleur assure une combustion séparée et simultanée et efficace des gaz combustibles et d'un combustible solide d'une composition constante. L'inconvénient de ce type de brûleur est que les caractéristiques de combustion deviennent plus mauvaises, lorsque la composition du combustible solide s'écarte nettement de la composition prévue. En outre, après une longue période de combustion de la poussière abrasive du combustible solide,- il se produit l'usure de la paroi séparant le canal de mélange à air et le canal de gaz à haut pouvoir calorifique, donc le danger d'explosion s'accroît. Le but de l'invention est d'éviter les inconvénients précités, de normaliser le brûleur en ce qui concerne les combustibles solides, d'améliorer l'efficacité de la combustion séparée et simultanée des différents combustibles et d'augmenter la sécurité de fonctionnement du brûleur. L'invention a donc pour objet de réaliser un brûleur qui assurerait une haute sécurité de fonctionnement des éléments de sortie du brûleur et permettrait d'éviter le danger d'explosion des gaz combustibles, en empechant leur pénétration dans le système de préparation du charbon pulvérisé, et ceci grâce à une modification de la disposition des éléments du brûleur et grâce au fait qu'ils sont disposés à- des distances déterminées les uns des autres. Selon l'invention, le brûleur comprend : des viroles concentriques formant des canaux annulaires ; un canal périphérique pour un gaz à faible pouvoir calorifique ; un canal intermédiaire d'air secondaire doté de viroles supplémentaires formant un canal annulaire pour un gaz à haut pouvoir calorifique ; et un canal central pour un mélange à air ; et il est caractérisé en ce que la circonférence du diamètre moyen du canal annulaire pour le gaz à haut pouvoir calorifique délimite, dans la section de sortie, une zone centrale égale à 0,38 à 0,5 la surface totale de la section de sortie du brûleur, et en ce que les viroles extérieures du canal périphérique et du canal intermédiaire sont dotées d'ajutages convergents dont les diamètres minima sont égaux. I1 est avantageux que la distance entre les tranches des ajutages convergents soit égale à 0,3 à 0,6 de valeur de leurs diamètres minimaux. Un tel mode de réalisation-du brûleur permet de diviser le courant de gaz à haut pouvoir calorifique et le courant de mélange à air en cas de sa combustion, par un courant d'air, ce qui diminue le degré de chargement de la base du jet de charbon pulvérisé par des produits de combustion du gaz à haut pouvoir calorifique et assure la combustion complète du charbon pulvérisé brûlé simultanément avec le gaz à haut pouvoir calorifique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré et en se référant au dessin annexé dans lequel: La fig. 1 représente, en coupe longitudinale, le brûleur, selon l'invention ; la fig. 2 est une coupe selon I-I fig. 1. Le brûleur selon l'invention comprend des viroles disposées de façon concentrique et délimitant extérieurement les canaux, et notamment : une virole 1 du canal périphérique de gaz à faible pouvoir calorifique une virole 2 du canal intermédiaire d'air secondaire une virole 3 du canal des gaz à haut pouvoir calorifique une virole 4 du canal d'air primaire ou de mélange à air; une virole 5 du tube recevant un injecteur de mazout, et une virole 6 délimitant intérieurement le canal de gaz à haut pouvoir calorifique.Les canaux indiqués cidessus communiquent avec des tubulures d'amenée, avec une tubulure 7 d'amenée de gaz à faible pouvoir calorifique, avec une tubulure 8 d'amenée de gaz à haut pouvoir calorifique, avec une tubulure 9 d'amenée d'air primaire ou de mélange à air, et avec une tubulure 10 d'amenée d'air secondaire dotée d'une vanne de coupure et de réglage 11 servant à régler le courant d'air secondaire dans le canal entre les viroles 2 et 3 et d'une vanne 12 servant au réglage du courant d'air secondaire dans le canal formé par les viroles 4 et 6. La virole 1 du canal périphérique est doté d'un ajutage convergent 13 et la virole 2 du canal intermédiaire, d'un ajutage convergent 14. Le diamètre minimal d1 de 1' ajutage convergent 13 est égal au diamètre minimal d2 de l'ajutage convergent 14 et la distance 1 entre les tranches des ajutages 13 et 14 est choisie égale à 0,3 à 0,6 de leur diamètre minimal respectif. Les viroles 3 et 6 (fig. 2) sont disposées de manière que la circonférence du diamètre moyen D du canal de gaz à haut pouvoir calorifique formé par ces viroles délimite une zone centrale d'une surface égale à 0,38 à 0,5 de surface totale de la section de sortie du brûleur. Examinons le fonctionnement du brûleur. Le gaz à faible pouvoir calorifique arrive par la tubulure 7 dans le canal délimité extérieurement par la virole 1 et l'ajutage convergent 13 et,intérieurement, par l'ajutage convergent 14. L'air secondaire arrive dans le canal entre les viroles 2 et 3 par la tubulure 10 et la vanne de coupure et de réglage 11. Une autre partie d'air secondaire est amenée par la tubulure 10 au canal entre les viroles 4 et 6 à travers la vanne de coupure et de réglage 12.Le mélange à air ou une partie d'air nécessaire à assurer la combustion sont amenés au canal entre les viroles 4 et 5 par la tubulure 9 dotée, si nécessaire, d'une vanne de coupure et de réglage ou d'un aubage directeur, alors que le gaz à haut pouvoir calorifique arrive dans le canal formé par les viroles 3 et 4, par la tubulure 8 branchée sur une canalisation à robinetterie (non représentée sur le dessin) se trouvant en dehors du brûleur. La formation du mélange du gaz à faible pouvoir calorifique avec une partie d'air secondaire s'effectue sur un tronçon d'une longueur égale à 0,3 à a,6 de diamètre minimal des ajutages convergents 13 et 14, et stin- tensifie grâce au croisement des cônes d'air et de gaz à faible pouvoir calorifique, ces cônes étant formés par l'ajutage convergent 13 et par la tranche de sortie de l'ajutage convergent 14. Du fait que les diamètres minima d1 et d2 des ajutages convergents 13 et 14 sont égaux, le courant résultant est rétréci davantage-par la tranche de sortie de l'ajutage convergent 13, ce qui intensifie la formation du mélange. En outre, l'égalité des diamètres d1 et d2 assure l'évacuation de la chaleur par convection hors des élé- ments de sortie du canal de gaz à faible pouvoir calorifique même en cas de coupure de ce canal. En cas de combustion du charbon pulvérisé, le courant de mélange à air formé dans le canal annulaire entre les viroles 4 et 5 arrive dans la zone de formation du mélange avec l'air secondaire. Grâce au fait qu'il y a un courant d'air entre le canal de gaz à haut pouvoir calorifique,on empêche la pénétration du gaz dans le canal de charbon pulvérisé et dans le système de préparation du charbon pulvérisé même en cas d'un endommagement important de la virole 4 par abrasion et l'on assure l'amenée d'air secondaire non chargé par des produits de combustion du gaz à la base du jet de charbon pulvérisé. Même en cas d'une variation importante de la composition du charbon à brûler, le fait de prévoir un canal formé par les viroles 4 et 6 permet de maintenir un rapport optimal, en ce qui concerne les conditions de combustion complète du combustible solide, des vitesses du mélange à air et de l'air secondaire dans la zone de leur contact, et cela grâce à une répartition convenable des débits d'air secondaire entre le canal formé par les viroles 4 et 6 et le canal formé par les viroles 2 et 3, à l'aide des vannes de coupure et de réglage 11 et 12. On utilise pour cela un rapport, déduit par calcul, entre les surfaces de la zone centrale comprenant un tube servant au montage de l'injecteur, un canal central, un espace d'air entre les viroles 4 et 6, ainsi que la surface de l'anneau entre la surface intérieure de la virole 6 et la circonférence suivant le diamètre moyen du canal annulaire de gaz à haut pouvoir calorifique, d'une part, et la surface totale de la section de sortie du brûleur, d'autre part. Pour les brûleurs à différents rapports entre le diamètre extérieur du tube pour le montage de l'injecteur et le diamètre intérieur de la virole 4, ledit rapport des surfaces varie entre 0,38 et 0,5 et assure une telle amenée d'air secondaire à la base du jet de charbon pulvérisé qu'elle soit suffisante pour la combustion complète du combustible solide. Une telle répartition d'air dans le même but sera nécessaire en cas de changement du rapport des combustibles brûlés dans un même brûleur. La combustion simulténée des différents combustibles par un même brûleur facilite l'utilisation des combusti bles et les opérations de réglage de régimes et d'ajustage et diminue la formation d'oxydes d'azote dans les cas, où le mélange des combustibles brûlés contient certaines quantités de-gaz à faible pouvoir calorifique, par exemple, de gaz de haut fourneau. Le brûleur selon l'invention élargit la gamme des combustibles pouvant être brûlés par un même brûleur, améliore l'efficacité de leur combustion simultanée et séparée, augmente la fiabilité et la sécurité de l'utilisation des installations dé combustion et de leurs systèmes de préparation de combustibles. L'addition de gaz à faible pouvoir calorifique tels que gaz de haut fourneau permet de diminuer la teneur en oxydes d'azote des produits de combustion, sans que les autres caractéristiques de combustion soient affectées. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au brûleur qui vient d' être décrit uniquement à titre d'exemple non-limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Brûleur comprenant des viroles concentriques (1 à 6) formant des canaux annulaires : un canal périphérique pour un gaz à faible pouvoir calorifique ; un canal intermédiaire pour l'air secondaire, doté de viroles supplémentaires formant un canal annulaire pour un gaz à haut pouvoir calorifique et un canal central pour un mélange à air, caractérisé en ce que la circonférence du diamètre moyen du canal annulaire de gaz à haut pouvoir calorifique délimite, dans la section de sortie, une zone centrale égale à o,38 à 0,5 la surface totale de la section de sortie du brûleur, et en ce que les viroles extérieurs (1 et 2) du canal périphérique et du canal intermédiaire sont dotées d'ajutages convergents respectivement (13 et 14) dont les diamètres minima sont égaux. 2.- Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre les tranches des ajutages convergents (13 et 14) est égale à 0,3 à 0,6 la valeur de leurs diamètres minimaux.