Brevet FR2535018A1 — publié le 19840427

"BRULUR A CHM PULVERISE" La présente invention concerne les brûleurs à charbon pul- vérisé. Les brûleurs industriels à charbon pulvérisé utilisent ac- tuellement comme comburant de l'air Différentes techniques d'injec- tion de l'air sont utilisées, selon que celui-ci est préchauffé ou non et que l'utilisation se fait en four "froid" ou en four chaud, et également suivant le type de charbon utilisé. Ces brûleurs ne donnent pas entière satisfaction, du fait de l'importance des volumes d'air nécessaires, qui entraînent une dimension importante des brûleurs, et du fait de la présence d'un ballast d'azote, qui provoque, outre une température de flamme rela- tivement peu élevée et un rendement thermique médiocre, un mauvais accrochage et une déstabilisation de la flamme ayant pour conséquences: l'impossibilité de fonctionner en four "froid" sans air préchauffé l'impossibilité de démarrer à froid une installation; le préchauf- fage de l'installation est alors réalisé avec un autre combustible, parfois très onéreux; dans de nombreux cas, l'obligation d'utiliser en permanence un com- bustible auxiliaire (gaz naturel ou fuel notamment), par exemple en entretenant une flamme pilote au centre du brûleur la nécessité d'adapter le brûleur au type de charbon utilisé et au type de four ou de chaudière d'une façon très précise l'absence de souplesse de réglage au niveau du brûleur l'impossibilité de contrôler le processus de combustion dans la flamme, ce qui entraine des accumulations d'imbrûlés ou des chutes de température néfastes au procédé; pour la même raison, la forme de la flamme ne peut pas être adaptée à volonté à l'application con- sidérée. On a déjà cherché à remplacer l'air comburant par de l'air enrichi en oxygène ou par de l'oxygène pur Cependant, à la connais- sance de la demanderesse, aucun brûleur industriel utilisant un tel comburant n'a pu être mis au point, du fait des nombreuses difficultés qui se présentent tn particulier, il existe un risque d'explosion si l'oxygène est mélangé trop tôt au charbon, et, par ailleurs, l'augmen- tation de la teneur en oxygène du gaz comburant accroît la vitesse de propagation de la flamme, de sorte que celle-ci risque de trop se rap- procher du brûleur et, par suite, de le détériorer. L'invention a pour but de fournir un brûleur à cnarbon fonc- tionnant de façon fiable avec comme comburant de l'air fortement en- richi en oxygène ou de l 'oxygène pur. A cet effet, l'invention a pour objet un brûleur à charbon pulvérisé, caractérisé en ce qu'il comprend une conduite d'alimenta- tion en un mélange d'air et de charbon entourée concentriquement par une première conduite d'amenée d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène pur, et des moyens d'amenée d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène pur situés radialement à l'intérieur par rapport à ladite première con- duite d'amenée. Lesdits moyens d'amenée peuvent être réalisés de plusieurs manières: dans un premier mode de réalisation, ils sont constitués par une conduite annulaire entourée concentriquement par la conduite d'ali- mentation en-mélange-air-charbon; dans un second mode de réalisation, ils sont constitués par une con- duite centrale qui se termine par un diffuseur annulaire divergent; dans un troisième mode de réalisation, Jla conduite d'alimentation en mélange air-charbon est une conduite centrale, et lesdits moyens d'amenée comprennent un dispositif d'injection centripète d'air en- richi en oxygène ou d'oxygène pur dans la partie d'extrémité de cette conduite. Quelques exemples de réalisation de l'invention vont mainte- nant être décrits en regard des dessins annexées, sur lesquels: -les figures 1 à 3 sont des vues schématiques en coupe longitudinale de trois modes de réalisation du brûleur suivant l'invention; et la figure 4 est une vue analogue d'une variante du brûleur de la figure 3. Le brûleur 1 représenté à la figure 1 est constitué d'un corps de brûleur 2 et d'un ouvreau 3. Le corps 2 comprend un tube central 4 qui s'étend sur toute sa longueur, est ouvert à ses deux extrémités et porte à son extrémité amont (à gauche en considérant la figure 1) une bride exté- rieure 5. Un deuxième tube 6 entoure concentriquement le tube 4 sur toute sa longueur; il est soudé à son extrémité amont à la bride 5 et débouche à l'aval dans le même plan transversal P que le tube 4 Il comporte près de son extrémité amont une tubulure 7 raccordée à une source d'oxygène (non représentée). En aval de la tubulure 7, le tube 6 porte une collerette extérieure 8 sur laquelle est soudée l'extrémité amont d'un troisième tube 9 qui s'étend jusqu'au plan P Ce tube 9 comporte près de son extrémité amont ur e tubulure 10 raccordée à un dispositif (non repré- senté) fournissant un mélange air-charbon pulvérisé, et, plus en aval, une tubulure 11 raccordée à une source d'oxygène (non représentée). Entre les tubulures 10 et 11, un déflecteur tronconique 12, convergent vers l'aval, est soudé par sa grande base à l'intérieur du tube 9; ce déflecteur se prolonge jusqu'au plan P par un tronçon de tube 13 de diamètre intermédiaire entre ceux des tubes 6 et 9. Ainsi, dans la région de sa sortie, le corps de brûleur 2 définit trois intervalles annulaires concentriques qui débouchent tous dans le plan P: un intervalle intérieur 14 alimenté en oxygène, un intervalle intermédiaire 15 alimenté en mélange air-charbon pulvérisé, et un intervalle extérieur 16 alimenté en oxygène Chacun des inter- valles 14 et 16 est pourvu d'un dispositif à aubes inclinées 1 17 et 18 respectivement, de mise en rotation du flux d'oxygène correspondant autour de l'axe X-X du;brxleur En amont du déflecteur 12, les tubes 6 et 9 délimitent une chambre annulaire 19 de grande section qui forme une chambre de distribution homogène du mélange air-charbon. L'extrémité aval du tube extérieur 9 porte une bride exté- rieure 20, contenue dans le plan P, sur laquelle se boulonne la bride amont 21 de-l'ouvreau 3, qui a une forme tronconique divergente Dans l'exemple représenté, l'ouvreau 3 est du type "ouvreau froid", c'est- à-dire qu'il est constitué d'une double paroi dans laquelle circule un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau C'est ainsi que la double paroi 22 est divisée en plusieurs compartiments 23 dont cer- tains sont reliés à une entrée d'eau 24,25 et d'autres à une sortie d'eau 26 L'ouvreau 3 porte extérieurement à son extrémité de sortie une bride de fixation 27. Des essais ont été effectués par la demanderesse dans les conditions suivantes: vitesse de sortie du mélange air-charbon: 10 a 25 m/s, ce qui évite le colmatage par les particules de charbon tout en garantissant une bonne homogénéité du mélange La vitesse dans la conduite d'amenée (non représentée) peut être légèrement supérieure à 25 m/s Le ra- tio air-transport sur charbon transporté varie de 0,5 kg d'air/kg de charbon a 1,5 kg d'air/kg de charbon; le volume total d'oxygène injecté correspond à une proportion stoe- chiométrique dans la flamme par rapport à la réaction de combustion C + U 2 U 02, soit un taux de suroxygénation global variant de 68 % à 86 % selon le ratio air-transport sur charbon transporté; angles d'inclinaison des aubes des dispositifs 17 et 18 par rapport à l'axe X-X: cet angle peut varier de O à 600, les deux angles étant de préférence dans le même sens On choisira de préférence des angles supérieurs à O , étant donné l'effet bénéfique de la mise en rotation des flux d'oxygène sur la stabilité de la flamme. Ces essais ont montré qu'un tel brûleur peut fonctionner de façon stable sans combustible auxiliaire, en particulier sans flamme pilote, même en four "froid" et lors d'un d'un démarrage à froid En d'autres termes, la recirculation des gaz chauds qui se produit au centre du brûleur suffit pour assurer l'allumage continu du mélange combustible-comburant Il est seulement nécessaire de lisposer d'un allumeur, qui peut être par exemple un petit brûleur oxy-combustible 28 débouchant dans l'ouvreau 3 à travers la bride 20 et incliné vers l'axe X-X; dès que l'allumage est obtenu, ce brûleur auxiliaire peut être éteint, puisque la combustion s'entretient d'elle-même. En variante, le brûleur latéral 28 peut être remplacé par un petit brûleur oxy-combustible 29, schématisé en trait mixte à la figure 1, que l'on introduit suivant l'axe X-X dans le tube central 4 par l'amont, puis qu'on retire dès que l'allumage est obtenu, afin de le protéger de la flamme On peut alors obturer l'extrémité de sortie du tube 4 par une pièce d'obturation appropriée (non représentée) afin d'empêcher l'accumulation à cet endroit de cendres recirculées Il peut être avantageux que cette pièce d'obturation soit refroidie par circu- lation d'eau pour en éviter la surchauffe sous l'action des gaz chauds recirculés. On va maintenant donner un exemple de mise en oeuvre d'un tel brûleur: four: four à parois "froides" creuses refroidies à l'eau, de dimen- sions suivantes: longueur: 4,4 m; largeur: 1,2 m; hauteur: 1,2 n deux types de charbon ont été utilisés, dont les caractéristiques sont les suivantes: TYPE I TYPE I ________ ____ _(anthracite) 3)5 % de volatiles 30 6 P.C I 31,4 Ck J/kg 32, 6 k J/kg Granuiomêtrie 30 y ou 80 30 à 50 o% P.C I: pouvoir calorifique inférieur, o'est-a-dire sans récupé- ration de la chaleur de la vapeur d'eau produite. quantité d'air transport/kg de charbon transporté: 1,5 kg débits utilisés: oxygène 314 Nm 3/h air: 232 Nm 3/h charbon: 200 kg/h, ce qui correspond à une puis- sance calorifique d'environ 1840 k W; taux de suroxygénation théorique 66 %; taux réel de suroxygéna- tion (en tenant compte des entrées d'air dans le four du fait des fuites) : 54 %,; vitesse du charbon: 16 m/s vitesse de l'oxygène dans l'intervalle 14 67 m/s, avec un nombre de swirl de 0,20; vitesse de l'oxygène dans l'intervalle 16: 12,5 m/s avec un nom- bre de swirl de 0,60. Lae nombre de swirl mentionné ci-dessus est défini par la formule: 2 1 z 23 s= 3 tge Z 2 ' av' e = inclinaison des aubes du dispositif considéré 17 ou 18 Z = rayon extérieur des aubes rayon intérieur des aubes On a obtenu ainsi un rendement en chaleur utile (rapport de la chaleur récupérée dans les parois du four au débit calorifique introduit) de 60 % pour une température des fumées de 800 C L'ana- lyse des fumées permet de calculer un rendement théorique, compte tenu de l'air transport, de 86 '0, avec une température adiabatique de flamme de 275900, ce qui est à comparer avec un rendement théori- que de 68 %, avec une température adiabatique de flamme de 2 076 C, pour un brûleur classique air-charbon. On a constaté que, par réglage des débits, il était possible de faire varier du simple au triple la puissance calorifique (de 1.100 à 3 300 k'l) avec le même brûleur, ce qui montre sa grande sou- plesse d'utilisation De plus, il est possible d'obtenir une flamme stable tout en étant en excès ou en défaut d'oxygène par rapport à la stoechiométrie, ce qui est bien entendu avantageux en pratique. On observe un rayonnement très important de la flamme, d'au- tant plus élevé que la granulométrie est plus grosse; cette augmen- tation de la granulométrie ne déstabilise pas la flamme, de sorte qu'elle n'est limitée que par les problèmes de transport du charbon et par la nécessité d'éviter d'évacuer à la cheminée du four des par- ticules encore en cours de combustion Uette possibilité d'utiliser du charbon à grosse granulométrie est très avantageuse du point de vue du broyage et du stockage du charbon. La longueur de la flamme peut être évaluée à 1,8 m, avec un transfert thermique très important dans les cinquante premiers centi- mètres Il est à noter que, en modifiant les paramètres d'utilisation, le brûleur permet d'obtenir différentes formes et différentes longuea de flammes, ce qui permet de l'utiliser dans de nombreuses applica- tions. De façon générale, ce brûleur peut être utilisé dans tous les cas o une puissance thermique sous forme d'un brûleur est néces- saire et o la présence de cendres ne risque pas d'être préjudiciable au procédé Il est particulièrement approprié lorsque la présence d'une flamme stable est nécessaire, pour des raisons de sécurité, et lorsqu'on désire une grande intensité de combustion, un niveau élevé de température ( 2 500 K p ex) et une forte intensité de rayonnement. On peut citer notamment les fours à chauffage indirect tels que les fours à pots, les fours o existe un laitier (fours à arc, poches de fusion), ou bien les fours de cimenterie Dans de nombreuses applica- tions, la quantité de chaleur importante transférée par la flamme du brûleur suivant l'invention permet de réduire les temps de séjour des produits à cuire et donc d'augmenter la productivité des fours oudais le cas des fours-tunnels, d'en diminuer les dimensions De plus, la possibilité, indiquée plus haut,de s'écarter de la stoechiométrie permet d'obtenir dans l'enceinte associée au brûleur des atmosphères particulières, par exemple réductrices. Le brûleur 1 A de la figure 2 comprend un corps 2 à à l'extré- mité aval duquel est fixé l'ouvreau 3 Le corps 2 U diffère du corps 2 de la figure 1 par le fait que le tube intérieur 4 et le dispositif à aubes 17 sont supprimés et remplacés par un tube central 4 A qui se termine en aval par un diffuseur annulaire 3 U et est centré dans le tube 6 par des ailettes radiales 31 L'extrémité amont du tube 4 A est reliée à une source d'oxyjgne (non représentée), et la tubulure 7 de la figure 1 est également supprimée. Le diffuseur 30 est dé imité extérieurement par une paroi tronconique 32 dont l'extrémité de petit diamètre est reliée au tube 4 A et dont l'autre extrémité est reliée à l'extrémité aval du tube 6. Intérieurement, ce diffuseur est délimité par une pièce 33 extérieure- ment tronconique et dont la face avant est bombée Cette pièce est centrée dans la paroi 32 par un petit nombre d'ailettes radiales 34. Avec le brûleur 1 A, l'oxygène introduit par le tube central 4 A est directement injecté, sans mouvement de rotation autour de l'axe X-X, dans la veine annulaire de mélange air-charbon sortant par l'intervalle annulaire 15 eci crée une intense recirculation des gaz chauds et conduit à une combustion encore meilleure que celle obtenue avec le brûleur de la figure 1 La forme bombée de la pièce 33 permet de mieux maitriser la recirculation et de limiter le dépôt de particules encore combustibles sur le brûuleur. Le brûleur l B de la figure 3 permet également d'obtenir une combustion très intense Son corps 2 B, auquel est fixé le même ouvreau 3 que précédemment, comprend un tube central 35 raccordé à l'amont à la source de mélange air-charbon Ce tube porte à son extrémité amont une collerette extérieure 36 et se prolonge vers l'aval par un injec- teur d'oxygène 37 qui s'étend jusqu'au plan transversal P de sortie du corps 2 B. L'injecteur 37 est un corps annulaire de forte épaisseur limité par deux surfaces cylindriques reliées à l'amont par une face tronconique 38 qui diverge vers l'aval, et à l'aval par une face plane 39 contenue dans le plan P De la face 38 partent plusieurs ajutages répartis sur sa périphérie Ues ajutages ont une double inclinaison, d'une part centripète vers l'aval, comme on le voit sur la figure 2, d'autre part dans le sens circonférentiel par rapport aux directions radiales qui passent par leurs orifices d'entrée. Les ajutages 40, dont deux ont été ramenés dans le plan de la figure 3 pour la clarté du dessin, débouchent sur la surface cylin- drique intérieure de l'injecteur, dont le diamètre est égal au dia- mètre intérieur du tube 35 Pour permettre de modifier facilement l'impulsion donnée à l'oxygène par les ajutages 40 pour un débit d'a- limentation donné, on peut, comme représenté, ménager ces ajutages dans des douilles interchangeables rapportées sur le corps d'injec- teur 37, et les faire communiquer avec le tube 35 par des perçagesde plus grand diamètre du corps 37. Le tube intérieur 35 et l'injecteur 37 sont entourés sur toute leur longueur par un tube intermédiaire 41 L'intervalle annu- laire ainsi formé est obturé à l'amont par la collerette 36 et à l'aval par une entretoise annulaire 42, et il communique avec une sour- ce d'oxygène (non représentée) par une tubulure latérale 43. Le tube 41 porte, en aval de la tubulure 43, une collerette extérieure 44 sur laquelle est soudée l'extrémité amont d'un tube extérieur 45 Ce dernier s'étend jusqu'au plan P et comporte une tu- bulure latérale 46 reliée à une source d'oxygène (non représentée). A son extrémité aval, l'intervalle annulaire 47 formé entre les tubes 41 et 45 est équipé d'un dispositif à aubes inclinées 48 de mise en rotation du flux d'oxygène autour de l'axe X-X. En service, le mélange air-charbon est injecté en une veine cylindrique pleine par le tube intérieur 35 A une courte distance du 1 o plan P sont envoyés dans cette veine, par la tubulure 43 et les aju- tages 40, plusieurs jets d'oxygène orientés suivant des hélices Ceci crée un puissant brassage oxygène-charbon juste avant la sortie du charbon dans l'ouvreau 3 et a pour résultat une combustion très inten- se, avec une flamme qui prend naissance très près du plan P Le brû- leur 1 B est ainsi particulièrement approprié pour les applications o une flamme relativement courte est nécessaire. La figure 4 représente un br leur 1 C dont le corps 2 C, équipé de l'ouvreau 3, ne diffère du corps 2 B de la figure 3 que par le fait qu'une alimentation unique en oxygène est prévue pour l'injec- teur 37 et pour le flux annulaire extérieur Pour cela, la colierette 44 et le tube extérieur 45 de la figure 3 sont supprimés, et l'entre- toise 42 est remplacée par le dispositif à aubes 48, précédé d'un or- gane d'étranglement 49 constitué par exemple par un disque perforé. En contrepartie de la plus grande simplicité de staructure ainsi obte- nue, on ne peut pas dans ce cas régler à volonté le rapport des deux débits d'oxygène comme à la figure 3. On a représenté aux figures 2 à 4 le même allumeur 28 qu'à la figure 1, et le même ouvreau 3 En variante, l'ouvreau 3 peut être remplacé par un ouvreau "chaud" à paroi pleine en matière réfractaire; dans ce cas, il est souhaitable d'établir une circulation d'eau à l'extérieur de l'ouvreau afin d'éviter qu'une augmentation excessive de la température dans l'ouvreau ne conduise à une détérioration du br.leur et même de l'ouvreau par suite de l'augmentation consécutive de la vitesse de propagation de la flamme. Dans tout ce qui précède, l'oxygène peut être remplacé par de l'air fortement enrichi er oxrygène, c'est-à-dire contenant au moins d 'oxygène La combustion est alors moins intense qu'avec de l'oxygène pur mais permet tout de mê-me d'obtenir l'avarntage précité de stabilité de flamme, même en four"froid"et lors d'un démarrage à froid. REVENDICATIONS 1 Brûleur a charbon pulvérisé, caractérisé en ce qu'il comprend une conduits ( 6,13 35,37) d'alimentation en un mélange d'air et de charbon entourée concentriquement par une première conduite ( 9,13; 41,45; 37,41) d'amenée d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène pur, et des moyens ( 4,6; 4 A 930; 37) d'amenée d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène pur radialement à l'intérieur par rapport à ladite première conduite d'amenée. 2 Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première conduite d'amenée ( 9,13, 41,45; 37,41) est pourvue d'un dispositif ( 18; 48) de mise en rotation du gaz qu'elle véhicule. 3 Brûleur suivant l'une des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que lesdits moyens d'amenée sont constitués par une deuxième conduite d'amenée ( 4,6; 4 A,30) entourée concentriquement par ladite conduite d'alimentation ( 6,13)o 4 Brûleur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite deuxième conduite d'amenée est une conduite annulaire ( 4,6) pourvue d'un dispositif ( 17) de mise en rotation du gaz qu'elle véhi- cule. 5 o Brûleur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite deuxième conduite d'amenée est une conduite centrale ( 4 A) qui se termine par un diffuseur annulaire divergent ( 30)o 6 Brûleur suivant l'une des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que ladite conduite d'alimentation est une conduite cen- trale ( 35,37), lesdits moyens d'amenée comprenant un dispositif ( 37) d'injection centripète d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène pur dans la partie d'extrémité de cette conduite ( 35,37) - 7 Brûleur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'injection ( 37) comprend plusieurs ajutages d'injec- tion ( 40) inclinés dans le sens circonférentiel par rapport à la di- rection radiale. 8 Brûleur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits ajutages ( 4 u) sont également inclinés dans le sens longi- tudinal vers la sortie de la conduite centrale ( 35,37). 9 Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le dispositif d'injection ( 37) est disposé à l'extrémité de sortie d'une deuxième conduite ( 35,41) d'amenée d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène pur, cette deuxième conduite étant obturée à son extrémité de sortie et étant entourée par ladite pre- mière conduite d'amenée ( 41,45). Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le dispositif d'injection ( 37) est disposé à l'extrémité de sortie de ladite première conduite d'amenée ( 37,41) et est alimenté par celle-ci, cette conduite étant équipée d'un organe d'étranglement ( 49). 11 3 rlieur suivant l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que ladite conduite d'alimentation ( 6,13; 35,37) et ladite première conduite d'amenée ( 9-13; 41,45; 37,41) débouchent à l'aval dans un même plan transversal (P). 12 Braleur suivant la revendication 11 lorsqu'elle dépend de l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la- dite deuxième conduite d'amenée ( 4,6; 4 A,30) débouche également à l'aval dans ledit plan transversal (P).