Brevet FR2644227A1 — publié le 19900914

_ 4 BRULEUR CERAMIQUE L'invention se rapporte à un brQleur céramique, en particulier pour cowpers, comprenant un canal de gaz de combustion qui est entouré concentriquement par un canal annulaire d'air de combustion et qui se transforme en un orifice de brûleur allant en s'élargissant, une première couronne de tuyères étant prévue dont les tuyères débouchent dans l'orifice du brûleur à partir du canal annuiaire d'air de combustion. Un tel brûlleur est décrit dans le DE-OS 28 09 521. Dans ce brûleur, ce sont seulement les tuyères d'une unique couronne de tuyères qui débouchent dans l'orifice .. du brûleur. Par conséquent, on ne peut obtenir qu'une stabilisation imparfaite des flammes, en particulier en cas d'un grand débit volumique de l'agent combustible. En cas de stabilisation imparfaite des flammes, il peut, par exemple, se produire des combustions incomplètes et des vibrations. Ces dernières sont particulièrement néfastes attendu qu'elles peuvent provoquer des pulsations du brûleur. Cela s'accompagne d'une grande contrainte mécanique du brûleur et, dans certains cas, d'une émission de bruit considérable-dans l'installation du cowper. Dans le DE-OS 28 09 521, il est prévu une seconde couronne de tuyères. Les tuyères de celle-ci débouchent en dessous de l'orifice du brûleur dans le canal de gaz de combustion à partir du canal annulaire d'air de combustion. On obtient ainsi- un mélange préalable du gaz de combustion et de l'air. Le mélange préalable amplifie par exemple la tendance aux pulsations du brûleur. Un brûleur de ce type est également décrit dans le DE-AS 25 41 991. Dans le brûleur, proposé dans le DE-OS 15 51 777, il n'est prévu qu'uneseule couronne de tuyères. Celle-ci débouche dans l'orifice du brûleur. L'objet de l'invention est d'obtenir une combustion parfaite sans émission en cas de petits et de grands volumes de gaz. L'invention vise, par ailleursr à empêcher efficacement une détérioration du brûleur, en particulier par un mode de fonctionnement sans pulsation, même en cas de relativement grands volumes de gaz et de fortes contraintes de l'espace de combustion. Avec un brûleur du type précité, ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que les tuyères d'une deuxième couronne de tuyères débouchent également directement dans l'orifice du brQleur à partir du canal annulaire d'air de combustion. Il en résulte une multitude de flammes légèrement bombées qui brûlent de façon localement stable. On évite ainsi des oscillations de haute énergie des flammes. De ce 'fait, on a la garantie que le système du brûleur ne sera pas soumis à des pulsations, si bien que la contrainte dynamique du brQleur et l'émission de bruit dans l'installation du cowper restent faibles. On obtient, de surcroît, une bonne tenue à la combustion qui, pour des petites ou grandes puissances calorifiques, a Un rendement de flammes supérieur à 95% dans la plage de fonctionnement quasi-stoechiométrique. Le brûleur donne la possibilité de brQler sans émission, de grands volumes de gaz à faibles valeurs calorifiques provenant des installations de hauts fourneaux, en particulier des gaz de gueulards ou de hauts fourneaux. On obtient également une combustion sans produits nocifs ni polluants de grands volumes de gaz de hauts fourneaux avec additions de gaz riches, comme du gaz de four à coke, du gaz naturel, du gaz de convertisseur, sans émission de bruit gênant dans la gamme des sons audibles. Il est, en outre, possible d'amiener au brQleur du gaz de combustion et/ou de l'air de combustion préchauffé à l'extérieur. Grâce à l'invention, la consommation d'énergie est relativement faible, car en particulier dans le brûleur il se produit une faible perte de pression statique des agents de combustion. Grâce à l'invention, les variations normales, intervenant en cours d'exploitation, dans l'amenée des agents de combustion, sont compensées dans de larges limites. Dans tous les cas, les valeurs limites des prescriptions d'émission sous la protection de l'air peuvent être respectées. Dans un mode de réalisation préféré-de l'invention, les tuyères de la deuxième couronne sont disposées en quinconce par rapport aux tuyères de la première couronne. On a ainsi la garantie qu'il se forme une structure légèrement bombée des flammes qui est pratiquement sans créneau dans deux cercles concentriques à l'orifice du brûleur, vu dans le sens radial. L'angle d'ouverture de l'orifice du brûleur est de préférence de 80 à 100'. Il en résulte une stabilisation sûre et localement stable des flammes. Dans un mode de réalisation de l'invention, dans les tuyères sont insérées des garnitures qui peuvent être échangées contre des garnitures d'autres sections transversales. Le volume d'air, traversant les tuyères des deux couronnes, peut-ainsi être adapté aux conditions de fonctionnement susceptibles de se modifier en ce qui concerne les types de gaz qui varient au cours des années pour des raisons énergétiques et leurs grandeurs d'influence intervenant dans les techniques de combustion, comme par exemple la composition, la valeur calorifique, le:préchauffage ou les conditions de pression statique. L'1tivention ouvre la voie à de nouvelles caractéristiques, en ce sens que le système de brûleur céramique, pr:mitivement rigide, est désormais doté de possibilités de réglage qui ne nécessitent aucun arrêt du haut fourneau. Les possibilités de réglage sont de préférence en plus complétées en installant dans le canal annulaire d'air de combustion entre les, couronnes des tuyères un écran chicane dont la section transversale peut aussi être réglée. Pour la combustion avec un seul brûleur céramique de très grands courants volumiques de puissances calorifiques comprises entre 120 et 200 MW, une extension de l'invention prévoit une troisième couronne de tuyères dont les tuyères, partant du canal annulaire d'air de combustion, débouchent dans le canal de gaz de combustion loin en dessous de l'orifice du brûleur. On obtient ainsi un très bon mélange préalable. Pour obtenir un mélange ZO préalable judicieusement composé, les tuyères de la troisième couronne peuvent de préférence être mises en circuit ou hors circuit. En cas de perturbations, de démarrages ou d'arrêts des cowpers, il y a souvent risque d'enrichissements incontr8lés en gaz pauvres ou en gaz riches. Il peut en résulter des déflagrations dans le br leur céramique. Pour empêcher que le brûleur soit endommagé, dans un mode de réalisation de l'invention, la paroi, séparant le canal annulaire d'air de combustion du f canal de gaz et constituée de briques réfractaires, est entourée d'une frette métallique résistant -à la- chaleur et aux calamines. Par ailleurs, la formation de courts-circuits entre le canal de gaz et le canal d'air est exclue par l'enveloppe métallique et par conséquent la sécurité de fonctionnement est considérablement augmentée par rapport aux constructions connues purement céramiques. Ces dispositions prévoyant l'emploi d'une frette métallique sont réalisables aussi bien pour la totalité du cowper que pour l'ensemble de l'installation de cowper. Les avantages essentiels de l'invention résident dans les possibilités de règlage du brûleur céramique pour l'amortissement et le déplacement des ondes stationnaires se formant, des vibrations du système de combustion ou des pulsations. Elle offre, en outre, la possibilité du décalage de fréquence à partir de la gamme de fréquence dangereuse pour les installations de cowpers. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexée sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un brûleur céramique; la figure 2 est une vue partielle du brQleur dans la zone de. son orifice; lia figure 3 est une vue partielle correspondant à la figure 2 avec garnitures de tuyères; la figure 4 est une vue suivant la ligne IVIV de la figure 3 la figure 5 est une tuyère avec un élément de séparation de courant à titre d'exemple; la figure 6 est une vue suivant la ligne VI-VI de la figure 5; la figure 7 est une vue correspondant à la figure 1 et & la figure 2 d'une troisième couronne de tuyères installée en dessous de l'orifice du brûleur. Un brûleur céramique comporte une chambre de combustion 1 à l'intérieur d'une maçonnerie 2 qui est entourée par une enveloppe de tôle 3. Le brûleur forme un canal de gaz de combustion 4 dans lequel débouche une tubulure de gaz 5. Le canal de gag de combustion 4 est séparé d'un canal annulaire d'air de combustion.7 par une paroi cylindrique 6 en briques réfractaires. Dans ce canal 7 débouche une tubulure d'air de combustion 8. Au-dessus de l'orifice 9 du brQleur, le canal de gaz de combustion 4 se transforme en chambre de combustion 1. Dans sa zone de transition se transformant en chambre de combustion 1, l'orifice 9 du brûleur présente un angle d'ouverture W compris entre 80 et 100-. Dans l'orifice 9 du brûleur débouchent des tuyères 10 d'une première couronne de tuyères 11 et des tuyères 12 d'une deuxième couronne de tuyères 13. Les tuyères 10, 12 communiquent avec le canal annulaire d'air de combustion 7. Pendant le fonctionnement, il se produit des flammes centrales propres au niveau de toutes les tuyères 10, 12 de l'orifice 9 du brûleur. Dans l'orifice 9 du brûleur, les tuyères 12 sont situées plus loin à l'extérieur que les tuyères 10. Les tuyères 12 débouchent dans la-zone de l'angle d'ouverture W de l'orifice 9 du brûleur. Les tuyères 10 débouchent dans l'orifice 9 du brûleur dans sa zone de transition avec le canal de gaz de combustion 4. Les tuyères 12 sont disposées en quinconce par rapport aux tuyères 10 de l'orifice 9 du brûleur. La largeur a des tuyères 10, 12 et leur longueur b se situent de préférence tout au plus dans un rapport de 1:4,4. Les tuyères rectangulaires 10 et les tuyères rectangulaires 12 sont de préférence mutuellement identiques. Selon les conditions d'utilisation, les sections transversales des tuyères 10 peuvent être différentes de celles des tuyères 12. L'entraxe c des couronnes de tuyères 11, 13 représente environ 7 à 8 fois, en particulier 7,8 fois la largeur a des tuyères 10, 12. La paroi 6 est entourée d'une frette cylindrique 14 (voir figure 2). La frette 14 se compose.de préférence de plusieurs segments métalliques et est constituée en plusieurs viroles. Pour l'assemblage des segments et des viroles, on prévoit de préférence des raccordements par brides. Entre la frette 14 et la paroi 16 est prévu un espace de dilatation 15, de préférence formé par un matelas isolant réfractaire. Des dispositifs de retenue métalliques 16, s'engageant dans les tuyères 10, 12, sont raccordés à la frette 14. Ces dispositifs de retenue 16 sont conçus pourla fixation des garnitures 17 des tuyères, de manière que ces garnitures 17 puissent être rapidement et facilement changées. Les garnitures 17 des tuyères sont de préférence réalisées en matériaux métalliques ou en matériaux céramiques. On dispose de garnitures 17 de différentes sections transversales libres afin de pouvoir réadapter les tuyères en cas de besoin ou à des fins d'optimisation. Cela peut se faire à partir du canal annulaire d'air de combustion 7 sans interrompre le fonctionnement. Un écran chicane 18 est installé sur la frette 14 entre les couronnes de tuyères 11, 13. Cet écran se compose de préférence de segments en métal ou en cermets et sa section transversale peut être réglée afin d'obtenir une répartition appropriée du couranit d'air de combustion sur les couronnes de tuyères 11, 13. A la place des garnitures 17, il est également possible d'installer sur les dispositifs de retenue 16 des grilles 19 (voir figure 5, 6). Ces grilles servent à diviser le courant d'air traversant les tuyères 10, 12. La stabilité de la flamme principale est encore augmentée par ces grilles 19 par production de flammes de maintien. Les grilles 19 sont de préférence réalisées en matériaux céramiques comme par exemple le SiSiC recristallisé. La figure 7 représente une troisième couronne de tuyères 20 avec tuyères 21. Lés tuyères 21 vont du canal annulaire d'air de combustion 7 au canal de gaz de combustion 4. Elles débouchent dans celui-ci loin en amont en dessous de l'orifice 9 du brûleur, de sorte que la couronne de tuyère 20 assure un mélange préalable adéquat de gaz de combustion et d'air. Dans la zone de la troisième couronne de tuyères 20, le canal de gaz de combustion 4 est réalisé de façon analogue à une tuyère de Laval 22. Les tuyères 21 débouchent dans la tuyère de Laval 22 dans une zone o celleci s'élargit à nouveau, vue dans le sens de l'écoulement du gaz de combustion. Des dispositifs de retenue 16 pour les garnitures 17, 19 sont également prévus dans les tuyères 21. Dans le canal annulaire d'air de combustion 7, au- dessus de la troisième couronne de tuyère 20 est installé un autre écran chicane 23 qui a la même structure que l'écran chicane 18. L'écran chicane 23 sert à régler la répartition de l'air entre la troisième couronne de tuyères 20 et les couronnes de tuyères 11 et 13. Le nombre total minimal Z des tuyères 10, 12 se calcul d'après le volume du débit d'établissement V en Nm3/h du gaz combustible. On le détermine d'après 1 'équation Z = V / 1250. Le nombre de tuyères ainsi -déterminé est régulièrement réparti sur les couronnes de tuyères 11, 13. Le brQleur qui vient d'être décrit fonctionne à peu près de la façon suivante: Les deux couronnes de tuyères 11, 13 produisent des flammes faiblement bombées qui n'interfèrent guère entre elles. On obtient donc une combustion stable. On évite ainsi des vibrations de haute énergie qui impriment des pulsations dommageables au système de combustion. Grâce à l'adaptation des garnitures 17 des tuyères 10 de la première couronne 11, d'une part, et des tuyères 12 de la deuxième couronne 13, d'autre part, ainsi qu'au réglage de l'écran chicane -18, on peut ajuster les impulsions, les vitesses d'écoulement et les courants volumiques traversant les tuyères 10 et 12, de manière que la tendance acoustique consiste dans l'amortissement des pulsations (obtention d'un comportement acoustique capacitif au niveau de l'orifice du brQleur). On peut, pa ailleurs, obtenir une fréquence de flamme qui se situe bien au-dessus de la fréquence de base critique (domaine des infrasons) du système brQleur-chambre de coibustion. L'adaptation des garnitures 17 des tuyères et le positionnement de l'écran chicane 18 sont possibles en montant le brûleur dans le cowper, attendu qu'on peut alors accéder aux garnitures 17 et à l'écran chicane 18 à partir du canal annulaire d'air de combustion 7 facilement accessible. En-cas d'éventuelles déflagrations, la frette 14 assure la paroi 6 contre les coups de bélier qui y sont liés. En même temps, elle empêche lescourts-circuits dangereux se formant au cours des années de fonctionnement entre le canal de gaz et le canal d'air. REVENDICATIONS 1. Brûleur céramique, en particulier pour cowpers, comprenant un canal de gaz de combustion qui est entouré concentriquement par un canal annulaire d'air de combustion et qui se transforme en un orifice de brûleur allant en s'élargissant, une première couronne de tuyères étant prévue dont les tuyères débouchent dans l'orifice du:brûleur à partir du canal annulaire d'air de combustion, caractérisé par le fait que les tuyères (12) d'une deuxième couronne de tuyères (13) débouchent également directement dans l'orifice (9) du brûleur à partir du canal annulaire d'air de combustion (7). 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tuyères (12) de la deuxième couronne de tuyères (13) sont disposées en quinconce par rapport aux tuyères (10) de la première couronne de tuyères (11). 3. Brûleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la largeur (a) des tuyères (10, 12) et leur. longueur (b) se situent tout au plus dans un rapport d'environ 1:4,4. 4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'entraxe (c) entre les tuyères (10) de la première couronne.de tuyères (11) et la deuxième couronne de tuyères (13) représente environ 7 à 8 fois la largeur (a) des tuyères (10, 12). 5. Brûleur selon l'une quelconque des - 14 revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'angle d'ouverture (W) de l'orifice (9) du brQleur est environ de 80 à 100'. 6. Brûleur selon l'une - quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le nombre des tuyères (10, 12) représente au moins V/1250, V étant le volume de gaz d'établissement en -Nm3/h. 7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un écran chicane (18, 23) est installé dans le canal annulaire d'air de combustion (7) entre les couronnes de tuyères (11, 13, 20). 8. Brûleur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'écran chicane (18, 23) est constitué par des segments en métal ou en cermets et que sa section transversale est réglable. 9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que dans les tuyères (10, 12, 21) sont engagées des garnitures (17) qui peuvent être échangées contre des garnitures d'autres sections transversales. 10. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que dans les tuyères (10, 12 et 21-) sont engagées des grilles (19) pour la division du courant. 11. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est prévu une troisième couronne de tuyères (20) dont les tuyères (21), partant du canal annulaire d'air de combustion (7), débouchent dans le canal de gaz de combustion (4)-en dessous de l'orifice (9) du brûleur. 12. Brûleur selon la revendication 11, caractéris$ par le fait que le canal de gaz de combustion (4) dans la zone de la troisième couronne de tuyères (20) est réalisé sous la forme d'une tuyère de Laval (22). 1- 3. BrUleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le canal annulaire d'air de combustion (7) est séparé du canal de gaz de combustion (4) par une paroi (6) en briques profilées réfractaires géométriquement arrêtée et que cette paroi (6) est entourée d'une frette métallique (14).