Brevet FR2522115A1 — publié le 19830826

l 2522115 La présente invention est relative à un brûleur utilisant un combustible pulvérisé. Les récentes variations du prix des produits pé- troliers ont entraîné un intérêt accru pour les brûleurs utilisant un combustible pulvérisé, en particulier le char- bon et les brûleurs mixtes capables d'utiliser soit un com- bustible solide, soit un combustible liquide, soit les deux en même temps. Les brûleurs couramment utilisés pour un combusti- ble liquide ou solide comprennent deux tubes concentriques dont l'un amène un mélange air-combustible, ce mélange étant fait avant d'être envoyé au brûleur, ou bien se faisant dans le brûleur ou au bec de celui- ci, et l'autre amène de l'air pur en lui conférant un mouvement de rotation autour de l'a- xe Ce mouvement de rotation se combine avec le déplacement axial du flot gazeux pour donner un mouvement hélicoidal qui sert à contr 8 ler la divergence de la flamme Cet air est sou- vent appelé "air rotationnel" Par "air pur" il faut évidem- ment entendre tout gaz comburant non mélangé avec le combus- tible, par exemple de l'air enrichi en oxygène. Dans certaines réalisations le mélange air-combus- tible est envoyé par le tube périphérique du brûleur et l'air rotationnel par le tube central, alors que dans d'autres cas cette disposition est inversée Avec l'une ou l'autre dispo- sition, on dispose parfois, dans l'axe du brûleur un tube en- core plus central par lequel on envoie de l'air pur addition- nel. A débit thermique constant, une flamme peut être définie par sa longueur et sa divergence On a constaté pour un brûleur de géométrie donnée,que la longueur de la flamme diminue quand la vitesse des gaz projetés par le brûleur aug- mente, ce fait paradoxal en apparence résulte de l'influence des turbulences au contact de l'air secondaire non projeté par le brûleur Plus précisément, on a trouvé que la longueur de flamme est à peu près inversement proportionnelle à la ra- cine carrée de l'impulsion axiale, c'est-à-dire le produit massique du débit/gazeux par sa vitesse axiale moyenne La divergence 2 22522115 de la flamme est sous la dépendance du rapport A/R, A étant le débit gazeux en mouvement axial (mélange air-combustible plus éventuellement air pur additionnel), et R étant le dé- bit d'air rotationnel. Dans un four tubulaire, par exemple un four de ci- menterie, alimenté au charbon, on cherche à marcher avec une divergence de flamme constante, cette divergence devant être faible en raison de la proximité du garnissage réfractaire et de la nature corrosive des cendres de charbon à l'état fondu En revanche, on désire pouvoir modifier à volonté la longueur de flamme, car ce facteur commande le gradient de température dans le four, paramètre important dans l'indus- trie du ciment à cause des phénomènes physico-chimiquesqui en découlent. Avec un brûleur de type classique, pour modifier la ne longueur de flamme, on/peut changer l'impulsion axiale qu'en agissant sur les débits de gaz, car la vitesse des courants gazeux est fixée par leur débit et par la géométrie du brû- leur Si on désire modifier la longueur de flamme sans faire varier la divergence, on doit agir simultanément sur les deux débits d'air axial et rotationnel,afin de maintenir le rapport A/R à une valeur constante Cela présente des inconvénients. Il faut deux réglages simultanés, d'o complication En agis- sant sur le débit de mélange air-combustible on risque d'ê- tre amené à modifier aussi la quantité de combustible, donc la quantité d'énergie dégagée En effet, on n'est maître de la composition du mélange air-combustible que dans des limi- tes relativement étroites car ce mélange n'est pas fait dans le brûleur lui-même, en général, et il doit assurer le trans- port du combustible vers le brûleur dans des conditions satis- faisantes Si, cependant on fait varier le débit gazeux total Sans modifier le débit de combustible, on observe néanmoins des variations de l'énergie dégagée à la suite du phénomène suivant: l'ensemble de l'air qui sort du brûleur ne repré- sente qu'une partie de l'air utilisé dans la flamme, le com- plément est de l'air secondaire pris dans le four lui-même 3 2522115 L'air envoyé dansle brûleur est froid alors que l'air secon- daire est chaud, et par suite une variation du rapport des dé- bits de l'air secondaire et de l'air délivré par le brûleur entraîne une variation indésirée de la température de flamme. On conçoit que la conduite d'un four équipé d'un brûleur au charbon pulvérisé soit une technique délicate et difficile à maîtriser. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et en particulier de fournir un br leur dans lequel on puisse modifier de façon simple la longueur de flam- me sans changer les autres caractéristiques de celle-ci, telles que la divergence ou l'énergie dégagée. Un autre but de l'invention est de faire un tel brû- leur qui, en outre, puisse être utilisé comme brûleur mixte à combustible liquide et solide, ou à combustible liquide seul. L'invention fournit donc un brûleur uti- lisant un combustible solide pulvérisé, comportant un tube cy- lindrique par lequel un mélange air-combustible est projeté vers la flamme, qui présente pour particularité principale qu'à l'intérieur dudit tube, une pièce cylindrique coaxiale est mobile le long de l'axe entre une position proche de l'ex- trémité dudit tube et une position plus reculée pour permet- tre le réglage de l'impulsion axiale du courant gazeux. Ainsi l'idée qui est à la base de la présente in- vention consiste à agir sur la poussée axiale, qui condition- ne la longueur de flamme non plus en modifiant le débit ga- geux, mais en changeant la géométrie du brûleur de façon à changer la vitesse d'éjection d'un écoulement gazeux, à sa- voir l'écoulement du mélange air-combustible sans modifier son débit. Cette nouvelle conception a des conséquences sur la structure même du brûleur En particulier, la structure habi- tuelle dans laquelle l'injection de combustible dans le flux gazeux se fait le long de l'axe du brûleur entraîne des dif- ficultés en ce qui concerne la tenue à l'érosion des organes de centrage et de réglage de la pièce coaxiale mobile Ce pro- 4 2522115 blème a été résolu en adoptant une structure selon laquelle le mélange air-combustible arrive obliquement dans le tube cylindrique, la pièce coaxiale étant pourvue d'un bouclier de protection contre l'érosion par les particules de combus- tible solide Cette structure, à son tour entraînant le ris- que d'accumulation de poussières de combustible dans le tube cylindrique, en arrière du point d'arrivée du mélange air- combustible Cette nouvelle difficulté a été résolue en trans- formant cette zone en une chambre pressurée Il est donc pré- vu, selon une modalité avantageuse que ladite paroi interne est disposée sensiblement juste en arrière de l'arrivée du mélange air-combustible dans le tube et fait avec la di- rection d'arrivée de ce mélange un angle au plus égal à 100. D'autres problèmes se posaient alors, celui de la fixation du bouclier et celui de la fixation de la paroi in- terne Un bouclier solidaire de la pièce coaxiale devant a- voir une grande longueur: somme de la longueur de la zone soumise à érosion pour une position donnée de la pièce coa- xiale, et de la latitude de déplacement de cette dernière, d'o un prix élevé Une fixation du bouclier et de la paroi interne sur le tube cylindrique rendait tout démontage très difficile La solution consiste en ce que le bouclier de pro- tection et la paroi interne sont portés par une pièce de sou- tien emmanchée dans le tube et de dimensions suffisantes pour assurer également la protection de la surface interne de ce tube contre lérosion par les particules de combustible. Le brûleur selon l'invention est un brûleur pour combustible solide qui peut fonctionner sans air rotationnel ni air additionnel Selon un aspect intéressant de l'inven- tion, il peut être transformé en brûleur capable de fonc- tionner en régime mixte ou avec du combustible liquide seul. Dans ce cas, la pièce axiale mobile est un tube central pour- vu d'une tubulure axiale pour l'injection d'un combustible liquide et de moyens pour imprimer un mouvement de rotation à un gaz qui passe entre ce tube central et cette tubulure, c'est-à-dire, en pratique, donner naissance à del'air rota- tionnel Avantageusement ce tube central est pourvu d'un 25221 15 moyen amovible d'obturation situé près de son extrémité et qui sert à empêcher la dépôt dépoussières de combustible solide dans ce tube central lorsqu'il n'est pas en service. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide d'un exemple pratique, non limitatif de ré- alisation d'un brûleur, illustré par les dessins parmi les- quels: Fig 1 est une vue perspective en coupe partielle du brûleur; Fig 2 est une vue en coupe longitudinale du me- me brûleur; Fig 3 est une coupe transversale selon la ligne A-A de la figure 2, et Fig 4 est un diagramme expérimental montrant la variation de la poussée axiale en fonction de la position de la pièce cylindrique. Le brûleur donné à titre d'exemple comprend un corps tubulaire cylindrique en acier 1 obturé à son extré- mité arrière par une pièce 2 qui forme paroi de fond, en- tourée à son extrémité avant par un garnissage 3 de matiè- re réfractaire Des moyens 4 pour fixer le brûleur sur un rap- port mobile sont prévus dans la partie centrale du corps 1. Un conduit 5 d'amenée du mélange air-charbon débouche à l'in- térieur du corps 1 avec lequel il se raccorde par un angle très faible, de l'ordre de 15 , en amont des moyens de fixa- tion 4. Un tube central cylindrique 6 en acier est dispo- sé à l'intérieur du corps 1, il dépasse de l'extrémité ar- rière de celui-ci et traverse la pièce 2 à travers une pres- se-étoupe 2 a qui permet un déplacement axial à frottement doux de ce tube central Ce presse-étoupe est monté flottant dans la pièce 2, pour s'adapter à une déformation éventuel- le du tube central 6 La partie arrière 7 de l'espace annu- laire qui existe entre le corps 1 et le tube central 6 est remplie d'un bourrage de fibres de verre depuis la pièce de fond 2 jusqu'à une cloison oblique 8 qui est située juste en amont du débouché du conduit 5 dans le tube 1 et fait a- vec l'axe du tube un angle de l'ordre de 200,soit 5 avec la direc- tion d'arrivée du mélange air-charbon. La cloison oblique 8 est solidaire d'une pièce- support 8 a qui a la forme d'un tube qui vient s'emmancher à frottement dur à l'intérieur du corps tubulaire 1 Cette pièce-support présente une ouverture latérale qui corres- pond au débouché du conduit d'amenée 5 du mélange air-char- bon La cloison oblique 8 présente dans sa partie centrale un passage dans lequel passe le bouclier de protection 9. Celui-ci est constitué par un tube en deux parties sépa- rées par un plan axial La partie tournée vers l'arrière du courant du mélange air-combustible est en carbure de sili- cium, la partie tournée du côté opposé en acier spécial, moins résistant que le carbure mais de coûtmoinsélevé Le diamè- tre intérieur du bouclier tubulaire 9 est calculé pour per- mettre au tube central 6 de le traverser sans frotter mais avec un jeu réduit En effet, les conditions de température ne permettent pas, à cet endroit, de prévoir un presse-étou- pe Pour empêcher les poussières de charbon de pénétrer dans la chambre 7, elle est soumise à une surpression de l'ordre de 30 mbar. L'ensemble formé par la cloison oblique 8, la piè- ce-support 8 a et le bouclier 9 peut être facilement retiré en le faisant coulisser dans le corps 1 On notera que la pièce-support 8 a dépasse,vers l'avant,la cloison oblique 8, et contribue ainsi à protéger la face interne du corps 1 con- tre l'abrasion des particules de charbon arrivant oblique- ment après avoir éventuellement contourné le bouclier 9 ou rebondi sur celui-ci. Le tube central 6, à son extrémité arrière, est relié à une amenée d'air pur 10. Pour obtenir une vitesse d'éjection convenable, le corps 1 comporte, à son extrémité avant une partie 11 de plus faible diamètre, et dans le même but le tube cen- tral 6 comporte lui aussi une partie de plus faible diamè- tre intérieur 12 à son extrémité avant Des ailettes en hé- lice 13 sont disposées dans cette partie rétrécie 12, de à: 7 2522115 façon à mettre en rotation l'air qui passe à travers cette dernière. Le tube central 6 porte extérieurement, à son ex- trémité avant, deux bossages de soutien 14 qui prennent ap- pui sur la face interne du corps 1 en coulissant sur elle et assurent le centrage correct du tube central parrapport au corps 1. Le tube central 6 peut se déplacer entre une po- sition "extrême avant" ou son extrémité avant est au ni- veau de l'extrémité avant du tube 1, et une position "ex- trême arrière" o son extrémité avant est voisine de l'ex- trémité arrière de la partie 11, de plus faible diamètre du tube 1 Le tube central peut occuper toutes les positions intermédiaires. Le tube central 6 comporte en outre une tubulure , disposée selon son axe, A l'intérieur de cette tubulure sont placées deux cannes d'injection non représentées et reliées, à l'arrière à deux conduits d'alimentation en fuel, 16 et 17, respectivement"haute pression" et "basse pression'" selon la technique courante La tubulure centrale 15 se pro- longe jusqu'à l'extrémité avant du tube central et est des- tinée à la marche mixte avec un combustible liquide en plus du combustible solide ou à la marche avec un combustibleliquide seul Bien entendu, le diamètre de cette tubulure est infé- rieur à celui de la partie rétrécie 12 du tube central pour laisser le libre passage de l'air de combustion. La tubulure 15 est maintenue de façon fixe et é- tanche par la collerette arrière 18 du tube central 6, et el- le est centrée par rapport à celui-ci par les ail Ettes, lé- gèrement en arrière de sa partie de faible diamètre 12. Un disque annulaire'19 est monté coulissant sur la tubulure 15, il est solidaire d'une tige de commande 20 qui sort du tube 6 à son extrémité arrière Le disque 19 peut venir en contact avec la surface tronconique 21 qui consti- tue la transition entre la partie à plus grand diamètre du tube central 6 etla partie rétrécie 12 de ce dernier pour 8 2522115 constituer un clapet qui empêche les retours éventuels de charbon dans ce tube en cas d'arrêt ou de diminution du dé- bit d'air. Les équipements extérieurs du brûleur, tels qu'ils sont représentés sur la figure 1 comprennent des moyens de visualisation de la position du tube central 6, représentés par un curseur 22 solidaire de ce tube et par une régie gra- duée 23 Il est évident que bien d'autres capteurs de posi- tion peuvent être utilisés L'alimentation en mélange air- charbon comporte un dispositif d'injection 25, relié au con- duit 5 Une dérivation 26 relie la chambre en surpression 7 à un point de l'alimentation en air de ce dispositif situé en amont de l'arrivée de charbon Ainsi, l'envoi de mélange air-charbon au brûleur s'accompagne automatiquement de la mise en surpression de cette chambre. L'amenée d'air pur 10 du tube central 6 est reliée à un ventilateur fixe 27 par un conduit souple 28 capable d'absorber les déplacements importants jusqu'à 1,25 m, de ce tube central Il en est de même pour les tubulures 16, 17 d'a- menée de fuel. Le fonctionnement du brûleur est le suivant ) au charbon pulvérisé seul, le clapet 19 est avancé, et l'air pur est supprimé Le charbon est donc mélan- gé à la totalité de l'air utilisé Il n'y a qu'un seul régla- ge, celui de l'impulsion axiale par déplacement du tube cen- tral 6 On constate que la divergence est pratiquement cons- tante et voisine de 22 . ) aufuel seul ou en marche mixte, le clapet 19 est reculé et le tube central 6 est en position avancée De l'air pur envoyé par le tube central 6 est mis en rotation, alors que du fuel est envoyé par la tubulure centrale 15 Par l'espace annulaire entre les tubes 1 et 6, on envoie, selon le cas, soit de l'air avec du charbon pulvérisé, soit de 1 '- air pur Le réglage se fait alors comme dans les brûleurs exis- tants par réglage simultané de la longueur de flamme et de la divergence. M 9 2522115 La figure 4 montre les possibilités de réglage dans le cas de la marche au charbon pulvérisé seul, c'est- à-dire avec le clapet 19 avancé, et le tube central 6 bou- ché et jouant le même rôle qu'une pièce cylindrique pleine. Cette figure montre la poussée axiale, en Newton, en fonc- tion du recul, c'est-à-dire de la distance de l'extrémité avant du tube central 6 à l'extrémité avant du tube 1, pour diverses valeurs du débit gazeux, en Nm 3/h La section in- terne du tube 1 dans sa partie rétrécie Il était de 564 cm 2, et la section externe du tube 6 était 471 cm 2. On constate que, par exemple, pour un débit de 1900 Nm 3/h une variation de recul de O à 100 cm correspond à une variation de la poussée axiale de 50 à 10 N, qui se traduit, pour la flamme par une réaction de longueur dans le rapport 2,24 à 1 environ Pour un débit de 3300 Nm 3/h pour une variation de 10 à 100 cm, la poussée axiale varie de 155 à 30 N ce qui se traduit par une variation de lon- gueur de flamme dans sensiblement le même rapport. Il va de soi que d'autresbrûleurs donnent des résultats différents, mais on observe toujours dans la marche au charbon telle qu'indiquée, de larges plages de variation de longueur de flamme pour une divergence relativement sta- ble. REVENDICATIONS 1 Brûleur utilisant un combustible solide pulvé- risé, comportant un tube cylindrique ( 1) par lequel un mé- lange air-combustible est projeté vers la flamme, caractéri- sé en ce que, à l'intérieur dudit tube, une pièce cylindri- que ( 6) coaxiale est mobile le long de l'axe entre une posi- tion proche de l'extrémité dudit tube et une position plus reculée pour permettre le réglage de l'impulsion axiale du courantgazeux. 2 Brûleur selon la revendicationl, caractérisé en ce que le mélange air-combustible arrive obliquement dans le tube cylindrique ( 1), la pièce coaxiale ( 6) étant pourvue d'un bouclier ( 9) de protection contre l'érosion par les par- ticules de combustible solide. 3 Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu dans le tube cylindrique ( 1), à l'ar- rière du point d'arrivée du mélange air-combustible, une chambre ( 7) fermée et pourvue de moyens pour la mettre en surpression, cette chambre étant limitée d'un côté par une paroi de fond munie d'un presse-étoupe ( 2 a) pour le passage de la pièce coaxiale ( 6) et de l'autre côté par une paroi interne ( 8) traversée par la pièce coaxiale. 4 Brûleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite paroi interne ( 8) est disposée sensiblement juste en arrière de l'arrivée du mélange air-combustible dans le tube ( 1) et fait avec la direction d'arrivée de ce mélange un angle au plus égal à 100. Brûleur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le bouclier de protection ( 9) et la paroi interne ( 8) sont portés par une pièce de soutien ( 8 a) emmanchée dans ledit tube ( 1) et de dimensions suffisante pour assurer également la protection de la surface interne de ce tube contre l'érosion par les particules de combusti- ble. 6 Brûleur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ladite pièce cylindrique est constituée par un 11 2522115 tube central ( 6) pourvu de moyens ( 13) pour imprimer un mou- vement de rotation à un gaz qui le traverse, et d'une tubu- *lure ( 15) d'injection d'un combustible liquide. 7 Brûleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tube central ( 6) est en outre pourvu d'un moyen amovible d'obturation ( 19) situé près de son extrémité.