Brevet FR2564950A1 — publié le 19851129

L'invention a pour objet un procédé d'obtention d'une flamme par combustion d'un combustible fluide tel que du charbon pulvérisé en suspension dans un courant d'air primaire, ainsi qu'un brûleur à turbulence adapté à sa mise en oeuvre. L'invention vise notamment la combustion du charbon pulvérisé dans une enceinte de dimensions restreintes telle qu'un tambour-sécheur ainsi qu'n brûleur à turbulence pour charbon pulvérisé éventuellement complété par un avant-foyer. On désigne sous le nom de brûleurs à turbulence, des bruleurs dans lesquels un combustible fluide, tel que du charbon pulvérisé en suspension dans un courant d'air primaire, est introduit dans un foyer au moyen d'un ajutage et dans lesquels de l'air secondaire, nécessaire à la combustion du combustible, est mis en rotation autour de l'extrémité de l'ajutage, par exemple au moyen de volets déflecteurs couramment appelés ventelles. Un tel trûleur est notamment décrit dans le brevet français n" 2.054.741. Une bonne combustion du combustible nécessite un brassage énergique de l'air et du charbon. Il en résulte la formation d'une flamme courte, d'un diamètre relativement grand par rapport à celui des flammes obtenues dans les brûleurs classiques à gaz ou à fuel. De tels brûleurs à turbulence sont notamment mis en oeuvre dans le cas de tambours-sécheurs, dans lesquels des matériaux à sécher cheminent à contre-courant des gaz chauds et qui comportent en général une "zone de relevage" dans laquelle les matériaux tournent en même temps que le tambour et occupent pratiquement la totalité du volume de l'enceinte3 puis une "zone de guidage" dans laquelle les matériaux cheminent au fond du tambour avant d'être extraits, par exemple à l'aide d'un rotoélévateur. Il est souhaitable pour des raisons économiques et pour profiter de la chaleur de rayonnement associée à ces brûleur, que la flamme qui produit les gaz chauds s'étende à l'intérieur même du tambour, dans la zone de guidage. Or, pour éviter que les parois du tambour et les matériaux à sécher ne soient portés à une température prohibitive, ii est indispensable que la flamme soit maintenue au voisinage de l'axe du tambour et ait par conséquent une configuration allongée : contrairement à certains brûleurs à gaz ou à fuel, les brûleurs à charbon pulvérisé actuellement connus ne permettent pas d'obtenir une telle flamme.Ces brûleurs à charbon produisent en effet, soit une flamme courte de grand diamètre qui conduit pour les tambourssécheurs à des températures excessives, soit une flamme plus allongée où la combustion du combustible est incomplète. L'invention a pour objet l'obtention, avec un combustible fluide tel que du charbon pulvérisé dans de l'air primaire, d'une flamme suffisamment allongée pour que les pièces avoisinantes restent à des températures raisonnables, mais dans laquelle la combustion du combustible soit aussi complète que possible. Les Demanderesses ont découvert que ce résultat pouvait être obtenu grace à la disposition, dans la partie avant du brûleur, d'une chambre de confinement et de prémélange adaptée à assurer une bonne homogénéisation des gaz et du combustible (charbon notamment) tout en les dirigeant dans l1axe du tambour. L'invention propose ainsi, dans un cadre tres général, un procédé d'obtention d'une flamme suivant un axe donné par combustion d'un combustible fluide selon lequel on injecte ce combustible fluide suivant ledit axe et on injecte un gaz de combustion en lui donnant un mouvement e hélice autour dudit axe, procédé caractérisé en ce que l'on canalise,sur une longueur donnée suivant ledit axe, l'écoulement du mélange du combustible fluide avec le gaz de combustion en sorte d'en autoriser une divergence limitée, puis d'en assurer un confinement transversal. Il s'agit en effet de provoquer une légère détente (détente contrôlée) du mélange du combustible et des gaz associés tout en le maintenant confiné. Il est à noter que dans les brûleurs à turbulence du type décrit ci-dessus, le gaz de combustion ou gaz secondaire (de l'air le plus souvent) décrit un trajet en hélice qui peut facilement etre mis en évidence (par exemple par simple toucher), après une éventuelle injection de fines particules dans ce gaz. Le pas et le diamètre (ou la section) de cette hélice dépendent des caracteristiques du brûleur utilisé. En pratique, cette hélice tend à s'élargir en s'éloignant des points d'injection et son diamètre (ou sa section) augmente ; mais son pas varie peu. Selon des caractéristiques préférées de l'invention, la section de confinement de l'écoulement du mélange (combustible plus gaz associes) vaut environ les quatre-neuvièmes de la section qu'aurait, sans confinement, l'hélice juste après la confluence du combustible et du gaz (ou les diamètres sont dans un rapport 2/3), tandis que le confinement a lieu sur 3 a 6 fois le pas de cette helice, de préférence 4 fois ce pas. L'invention propose parallêlement un brûleur à turbulences comportant une paroi de foyer percée d'une lumière, un ajutage pour l'injection au travers de cette lumiere, selon un axe perpendiculaire à la paroi, d'un combustible fluide, et un dispositif d'alimentation annexe pour l'injection, au travers également de cette lumiere, d'un gaz de combustion suivant un mouvement en hélice autour dudit axe, brûleur caractérisé par la disposition, en avant de la paroi du foyer, d'une chambre de confinement et de prémélange en forme de tuyère qui comporte un tronçon divergent accolé à la paroi du foyer autour de la lumière puis une portion globalement cylindrique. La chambre de prémélange (ou préchambre) peut avoir pour l'essentiel la forme d'un cylindre, par exemple raccordée à la lumière de la paroi de foyer par un tronc de cône. La portion globalement cylindrique de la chambre de confinement et de préméange se prolonge avantageusement par un tronc de cône légèrement convergent (une dizaine de degrés par exemple par rapport al'aye3 définissant une section de sortie toutefois supérieure à la section de la lumière pre- citée. Suivant une forme de réalisation préférée, le premier tronc de cône et la partie cylindrique s'étendent chacun sur une longueur correspondant environ à un pas de l'hélice précitee, tandis que le tronc de cône convergent s'étend sur une longueur d environ deux pas de cette hélice. Lorsque l'on utilise des charbons riches en matières volatiles tels que des flambants, sous une forme pulvérisée par exemple caractérisée par une ranulométrie de 75 % en poids inférieurs à 80 microns, une préchambre selon 1 invention permet d'obtenir, avec les brûleurs à turbulence, une combustion complète du charbon, c'est- -dire sans imbrû- les, avec une flamme allongée selon l'axe du brûleur. Par contre, lorsque le charbon utilise est un charbon pauvre en matières volatiles, il peut être nécessaire, pour assurer une combustion parfaite, d'injecter dans la chambre de combustion, par exemple au niveau du brûleur, une petite quantité d'un gaz tel que du méthane ou gaz naturel. En vue de réduire, voire éviter une telle adjonction de gaz, l'invention préconise que la préchambre selon l'invention soit placée à l'intérieur d'un avant foyer globalement cylindrique, en sorte de définir conjointement un volume annulaire. L'invention préconise tout particulièrement que le diamètre intérieur et la longueur de cet avant-foyer soient dans des rapports sensiblement égaux, de préférence compris entre 1,5 et 2,5 environ, avec, respectivement, le diamètre de sortie et la longueur de la chambre de confinement et de prémélange Selon des caractéristiques avantageuses de l'invention, la longueur de cette chambre est supérieure aux deux tiers de son diamètre de sortie, de préférence comprise entre une fois et une fois et demie ce diamètre. Une fente est avantageusement ménagée dans la chambre de confinement et de prémélange, par exemple près de la jonction du tronçon divergent et de la portion globalement cylindrique, grace à quoi une partie du gaz de combustion, canalisée par l'avant-foyer vient entourer la flamme de combustion du mélange (combustible plus gaz associés), d'ob un effet de protection thermique plus ou moins prononcé. Bien qu'ils ne soient pas directement en contact avec la flamme du brûleur, la chambre (ou préchambre) et l'avant-foyer sont de préférence réalisés en un matériau résistant aux températures élevées, tel qu'un acier réfractaire. La mise en oeuvre de l'invention se révèle particulièrement avantageuse lorsque l'on désire brûler du charbon pulvérisé dans une enceinte de faible largeur. L'invention s'applique notamment à la production de gaz chauds dans les séchoirs à tambour rotatif tels que ceux qui sont utilisés pour le séchage de matériaux destinés à la production des enrobés employés pour la confection de revêtements routiers. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe axiale partielle d'un brûleur a turbulence selon l'invention, monté dans un tambour-sécheur, et - la figure 2 est une coupe axiale partielle d'un autre brûleur à turbulence selon l'invention. La figure 1 représente à titre d'exemple un brûleur à turbulence 1 monté en bout d'un tambour sécheur 2 adapté à tourner autour de son axe X-X grâce à des organes de roulement (non représentés). Le brûleur l, orienté suivant l'axe X-X, est rapporté à une paroi de foyer 3 percée d'une lumière 4 centrée sur ledit axe. Le brûleur 1 comporte, d'un coté de la paroi 3 (extérieur du foyer) un ajutage 5 orienté suivant l'axe X-X, destiné à l'injection d'un cobus- tible fluide ; il s'agit de préférence d'un charbon pulvérisé en suspension dans un courant gazeuxou gaz primaire, de l'air le plus souvent (voir la flèche CF à la figure lBl. Autour de l'extrémité de l'ajutage 5 est disposé un dispositif d'alimentation annexe 6, accolé à la paroi de foyer 3, qui injecte au travers de la lumière 4, un courant de gaz de combustion en le faisant turner autour de l'axe X-X s ce gaz est le plus souvent de l'air, appelé air secondaire (voir flèche AS). Ce dispositif comporte à cet effet une pluralité de volets déflecteurs ou ventelles 7, répartis en couronne, qui provoquent un mouvement en hélice de l'air secondaire après la traversée de la lumière 4. Les caractéristiques de cette hélice varient avec celles du brûleur 1 ; elles varient notaarfient avec le débit (réglable) d'air secondaire, la largeur (mesurée axialement) de l'écoulement gazeux au travers de la couronne des ventelles, et l'inclinaison de ces ventelles par rapport à des plans radiaux les interceptant. Dans l'exemple représenté, l'écoulement gazeux est canalisé entre la paroi de foyer 3 et un flasque 8 fixe. Dans une variante non représentée, ce flasque 8 est monté coulissant le long de 1 'ajutage 5 et est percé de fentes traversées par les ventelles 7 : la largeur de l'écoulement d'air secondaire peut ainsi être ajustée en fonction des besoins. Selon l'invention, le brûleur l comporte en outre, à l'opposé du dispositif d'alimentation 6 (intérieur du foyer), une chambre 9 de confinement et de prémélange, en forme de tuyère, qui comporte un tronçon divergent 10 accolé à la paroi du foyer, autour de la lumière 4, puis une portion globalement cylindrique 11. Dans l'exemple représenté, le tronçon divergent est défini par un tronc de cône dont le demi-angle au sommet est de préférence de 30 à 45". Quant à la portion globalement cylindrique, elle est composée d'un tronçon cylindrique 11A prolongé parun tronc de cone faiblement convergent llB, dont le demi-angle au sommet est par exemple de l'ordre de 10 . Il est à noter que la section de sortie 12 de ce tronc de cône 11B est ici supérieure à celle de la lumière 4. La longueur de la chambre 9 est de préférence supérieure aux deux tiers de son diamètre ; elle est avantageusement comprise entre une fois et une fois et demi ce diamètre. Il est à noter qu'il s'agit à d'un ordre de grandeur, le diamètre à prendre en compte étant une valeur moyenne du diamètre intérieur de la portion globalement cylindrique de la chambre 9. Dans l'exemple représenté, la longueur de cette chambre est sensiblement egale au diamètre du tronçon 11A, celui-ci s'étendant, ainsi que le tronc de cône 10,sur un quart de cette longueur tandis que le tronc de cône convergent 11B s'étend sur la moitié de cette longueur Le but de cette chambre est d'assurer une détente contrôlée des gaz pour les homogénéiser tout en les maintenant confinés. Il convient pour cela que la section d'écoulement au travers de cette chambre soit ou devienne inférieure, au moins en sa partie terminale, à la section (croissante) qu'aurait cet ecoulement en l'absence d'une telle chambre.En pratique, on peut estimer que cette dernière section, variable, est celle de l'hélice décrite par de l'air secondaire mis en rotation, meme sans combustible fluide, en l'absence de chambre ; les caracteristiques de cette hélice (pas et diamètre) peuvent aisément être évaluées, ne serait-ce que par simple toucher après, de préfé- rence, addition de particules dans le gaz secondaire. Le diamètre de l'écoulement du melange (combustible fluide plus air secondaire) est de préférence de l'ordre des deux tiers du diamètre de cette hélice à la sortie de la lumière du foyer, tandis que le confinement a lieu de préférence sur une distance comprise entre 3 et 6 fois le pas de cette hélice, de préférence 4 fois ce pas. L'exemple représenté à la figure 1 satisfait grosso modo ces relations ; à titre indicatif, la chambre 9 a par exemple un diamètre maximum de 450 mm, un diamètre de sortie de 400 mm, et une longueur de 400 mm, pour un diamètre de lumière de 295 mm environ. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre 9 est délimitée par une paroi 13 de faible épaisseur et est disposée à l'intérieur d'un avant-foyer cylindrique 14 en sorte de définir conjointement un volume annulaire 15. Une telle disposition permet l'obtention d'une combustion complète même dans jeu cas d'un charbon pauvre en matières volatiles. Les rapports des longueurs et des diamètres respectifs de l'avant l'avant-foyer 14 et ae la chambre 9 sont avantageusetncnt étaux, de preférence compris entre 1,5 et 2,5. Dans l'exemple représenté, la longueur ae l'avant-foyer 14 est égaie ci son diamètre et vaut environ 1,6 fois la longueur de la cambre 9 (cette longueur est par exemple de o50 mm). La figure 2 représente un brûleur 16 comprenant une chambre 17 de confinement et de prémelange comportant un tronçon divergent 18 et one portion 19 strictement cylindrique. Cette chambre est, comme prece demment, disposée à l'intérieur d'un avant-foyer 14. Une ou plusieurs fentes 20 sont avantageusement ménagées prés de la jonction des tronçons 18 et 19. Ces fentes conduisent à une déri- vation d'une partie de l'air secondaire au travers du volume annulaire 21 défini entre la chambre 17 et l'avant-foyer 14. A titre d'exemple, le tronçon cylindrique 19 a un diamètre de 320 mm, une longueur de 400 mn et les fentes 20 ont 20 mm de large (pour un diamètre de lumière de 295 mm). Avec des ventelles inclinées à 600, un débit d'air primaire de 1030 m3/h contenant 490 kg/h de charbon pulvérisé, un débit d'air secondaire de 3530 m3/h (avec une largeur de passage de 45 mn au- travers des ventelles), on a obtenu un faible taux d'imbrûlés (indice Bacharach = 4) et une température d'avant-foyer de 7800 à peine. Le brûleur de la figure 1 a été testé dans un tambour-sécheur de 1600 mm de diamètre avec des charbons ayant des pouvoirs calorifiques inférieurs (PCI) de 71/60, 49/30,ou 58/50 (avec soutien en gaz 10 %),eut a permis un débit de 50 tonnes/h en matériaux avec des débits de 4000 m3/h en air secondaire et de 10100 m3/h en air primaire, avec une humidité variable de 2 à 7 ,. I1 va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre indicatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. Celle-ci préconise en fait une chambre de prémélange et de confinement qui s'étende suffisamment en longueur, pour un diamètre moyen donne, pour interférer avec I 'écoulement (combustible + air secondaire et primaire), compte tenu de ce que cet écoulement s'élargit progressivement. REVENDICATIONS 1. Procédé d'otention d'une flamme suivant un axe donné par combustion d'un combustible fluide selon lequel on injecte ce combustible fluide suivant ledit axe et on injecte un gaz de combustion en lui donnant un mouvement en hélice autour dudit axe3 ca- ractérsé en ce que 'o canalise (9,17), sur une longueur donnée suivant ledii axe, l'écoulement du mélange du combustible fluide (CF) avec le gaz de combustion (AS) en sorte d'en autoriser une diver- gence limitée (lO,l8) pis d'en assurer un confinement transversal (11,19). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on confine l'écoulement du mélange du combustible fluide avec le gaz de ccmbustion sur use distance représentant de 3 à 6 fois le pas de l'hélice que parcourerait le melange sans confinement, de préfé- rence sur une distance représentant environ 4 fois ce pas. 3. Brûleur à turbulences comportait une paroi de foyer percée d'une lumière, un ajutage pour l'injection au travers de cette lumière, selon un axe perpendiculaire à la paroi, d'un combustible fluide et un dispositif d'alimentation annexe pour l'injection, au travers également de cette lumière, dun gaz de combustion suivant un mouvement en hélice autour dudit. axe, caractérisé par la disposi- tiono en avant de la parti (3) du foyer, d'une chambre de confinement et de prémêlange (9,17) en forme de tuyère qui comporte un tron çon divergent accolé à a paroi du foyer autour de la lumière puis une portion globalement cylindrique (11,19). 4. Bruleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la longueur axiale de ladite chambre (9.17) est supérieure aux 2/3 de son diamètre. 5. Brûleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur axiale de ladite chambre (9,17) vaut entre une fois et une fois et demi son diamètre. 6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la chambre (9) de confinement et de prémélange se termine par un tronçon convergent (lob) dont la section de sortie (12) est supérieure à la section de la lumière (4) ménagée dans la paroi de foyer (3). 7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la chambre de confinement et de prémélange (9, 17) est disposée à l'intérieur d'un avant-foyer cylindrique (14) en sorte de délimiter conjointement un volume globalement annulaire (15, 21). 8. Bruleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le diamètre intérieur et la longueur de cet avant-foyer sont dans des rapports sensiblement égaux avec, respectivement, le diamètre de sortie et la longueur de la chambre de confinement et de prémélange. 9. Brûleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ces diamètres et ces longueurs sont dans des rapports compris entre 1,5 et 2,5. 10. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé par la présence d'une fente (20) au voisinage de la jonction entre le tronçon divergent et la portion globalement cylindrique de la chambre de confinement et de premélange.