Brevet FR2683620A1 — publié le 19930514

La présente invention a pour objet une enceinte thermique pour le traitement de produits industriels, comprenant au moins un brûleur industriel permettant d'effectuer une combustion d'un mélange de comburant et d'au moins un combustible, notamment dans le domaine de la fabrication de la chaux. Dans la plupart des secteurs industriels, notamment la sidérurgie, les enceintes thermiques comme par exemple les fours sont le siège de phénomènes physiques qui perturbent notamment le déroulement des réactions de combustion qui ont lieu dans les brûleurs. Pour ne citer que quelques exemples d'enceintes thermiques de traitement de produits industriels, les fours à chaux, les générateurs de bains acides ou basiques, les fours de destruction de buées, les fours de destruction d'effluents polluants ou gazeux et les fours de nitruration ou de cémentation génèrent chacun des problèmes particuliers. Ces problèmes sont inhérents aux exigences de la production industrielle ainsi qu'aux installations elles-mêmes. Dans les fours de destruction d'effluents, la principale difficulté réside dans la nature même du corps qui se prête mal à une oxydation, comme par exemple des buées d'ammoniaque ou des gaz de haut-fourneaux. Certaines enceintes sont soumises à une surpression en raison du procédé technique utilisé et il s'ensuit une dégradation de la qualité de la combustion. Dans un cas particulier, qui est celui de la fabrication de la chaux, CaO, on utilise des fours à chaux généralement verticaux et équipés, par exemple à deux hauteurs différentes, de deux rangées de cinq brûleurs, appelées rangée inférieure et supérieure, convergeant vers le centre du four, les brûleurs d'une même rangée étant disposés en quinconce par rapport à ceux de l'autre rangée. Le four à chaux fonctionne selon le principe d'un réacteur à contre courant dans lequel la castine, CaC03, est enfournée par le haut dudit four et la chaux sort par le bas, alors que les produits de combustion et l'air circulent du bas vers le haut. En regard de chaque brûleur sont placés respectivement un ouvreau et une chambre de combustion qui débouche à l'intérieur du four sur une voussette. Cette voussette est une voûte formée de briques réfractaires et qui permet de part sa présence d'éviter le bouchage de la chambre de combustion par les produits solides qui descendent dans le four. Au centre du four, se trouve une cheminée pour l'évacuation d'une partie des fumées issues de la combustion de l'air et du combustible utilisé, à savoir du gaz, vers le haut du four. Ainsi, lorsque l'on charge les pierres de castine par le sommet du four, celles-ci roulent sur les voussettes et réagissent au contact des fumées. Les voussettes étant également disposées en quinconce, les pierres tombent successivement sur deux voussettes, ce qui augmente leur temps de contact avec les fumées contribuant ainsi à une meilleure réaction. I1 est indispensable que la température des fumées ne soit pas trop élevée, c'est à dire inférieure à 1200"C pour que les pierres laissent échapper un dégagement de dioxyde de carbone mais que la structure cristalline de celles-ci ne se modifie pas. En effet, si la surface extérieure des pierres atteint une température de 1300"C, la température des fumées étant approximativement de 1200"C, les pierres s'agglomèrent entre elles du fait de la fusion de leur surface, formant ainsi des amas de pierres qui ne roulent plus. Le four est alors obstrué par ces amas dont la température s'élève, entraînant au cours du temps la fusion des briques en réfractaires qui forment les voussettes. Dans le but d'abaisser la température des fumées, on prévoit un fonctionnement des brûleurs en défaut d'air, celui-ci atteignant 70*. Chaque rangée est équipée de brûleurs identiques formés par une tuyère d'alimentation en mélange air-gaz logée dans un boîtier métallique. La tuyère comprend un conduit central à l'intérieur duquel circule le gaz et un conduit annulaire pour la circulation de l'air qui est mis en rotation par des ailettes. Un diffuseur conique en métal est percé de trous et disposé en aval de ces conduits et permet un mélange des fluides. En aval du diffuseur est également placé un ouvreau divergent qui est une sorte de couloir permettant d'accrocher la flamme précédemment formée en contenant la base de celle-ci et d'initier la combustion. L'ouvreau débouche sur une chambre de combustion dans laquelle la flamme se développe. Sur chacun des brûleurs de la rangée inférieure est aménagée une arrivée d'air secondaire, tangentielle au flux des produits de combustion en aval de ouvreau afin d'obtenir une dilution de l'air et desdits produits. Cet air est réchauffé au contact de la chaux au fur et à mesure qu'il s'élève dans une conduite installée au centre du four, et il est mélangé à une partie des fumées de combustion puis ensuite distribué vers chacun des cinq brûleurs de la rangée inférieure. En bout de chambre de combustion, l'excédent d'air atteint 60 à 80% et rejoint les produits imbrûlés issus de la combustion en défaut d'air réalisée dans les brûleurs de la rangée supérieure afin d'achever leur combustion. Par ailleurs, pour que la décarbonatation de la castine s'effectue selon la réaction il faut déplacer l'équilibre vers la droite et, pour ce faire on doit placer le four en dépression, celle-ci étant de 1 'ordre de 100mm de colonne d'eau à la côte à laquelle sont situées les chambres de combustion. Une telle installation présente toutefois des inconvénients majeurs sur la rangée inférieure des brûleurs. En effet, la flamme de combustion est insuffisamment maîtrisée et donc se décroche aisément du brûleur Ce phénomène est aggravé, d'une part, à cause des mouvements tourbillonnants de l'air secondaire autour de la flamme qui créent ainsi un effet vortex l'étirant et tendant à la décrocher du brûleur, et d'autre part, la flamme étirée qui débouche hors de la chambre de combustion est influencée par les courants ascendants dus à la mise en dépression du four. Etant donné que la flamme est décollée de l'ouvreau du brûleur, l'air secondaire injecté tangentiellement à la sortie de l'ouvreau ne rencontre plus directement la flamme, ce qui contribue à un mauvais mélange air-gaz et donc à une grande quantité d'imbrûlés. De plus, il s'ensuit que le profil de températures qui résulte du lieu de combustion n'est pas maîtrisé, ceci ayant pour effet de provoquer des dégradations sur les voussettes à savoir une érosion et une surchauffe de celles-ci. On a également pu constater que la présence de gaz carbonique dans le four provoque une action inhibitrice de la combustion. Ces inconvénients ont tous pour conséquence une dégradation des matériaux réfractaires constituant les voussettes. La présente invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant une enceinte thermique équipée d'au moins un brûleur qui permet d'apporter une meilleur maîtrise de la flamme de combustion et donc de la combustion elle-même. La présente invention a donc pour objet une enceinte thermique pour le traitement de produits industriels, équipée d'au moins un brûleur partiellement engagé dans une des parois de ladite enceinte, ledit brûleur comprenant, d'une part, une tuyère d'alimentation en comburant et en combustible formée par un conduit central d'arrivée du combustible, d'axe dit de brûleur, et un conduit annulaire d'arrivée du comburant et, d'autre part, un corps en matériau réfractaire d'axe longitudinal confondu avec l'axe de brûleur et sur lequel est fixée la tuyère, caractérisée en ce que le comburant et le combustible dit primaire sont injectés à grande vitesse et en ce que le corps comprend - une chambre de combustion alignée avec la tuyère et ouverte à ses deux extrémités sur ladite tuyère, - des moyens d'augmentation de la vitesse du jet formé par les produits issus de la combustion, à l'extrémité opposée de ladite chambre, - des moyens d'amenée d'un combustible secondaire, - et des moyens de répartition de l'injection du combustible secondaire dans le jet. Selon d'autres caractéristiques de l'inven tion - les moyens d'augmentation de la vitesse du jet sont formés par un Venturi dont la partie appelée divergent débouche dans l'enceinte thermique, - les moyens d'amenée du combustible secondaire sont formés par une couronne entourant le corps et étant alimentée en combustible, ladite couronne étant disposée dans un plan sensiblement transversal, - les moyens de répartition de l'injection du combustible secondaire dans le jet sont disposés à la périphérie dudit jet et présentent une inclinaison par rapport à la perpendiculaire à l'axe de brûleur suivant un angle compris entre 5 et 45 , lesdits moyens étant orientés dans le sens du jet, ouverts à une extrémité sur la couronne et à 1 'extrémité opposée sur le divergent, - l'angle d'inclinaison est de préférence égal à 20 , - les moyens de répartition de l'injection du combustible secondaire dans le jet sont formés par un fente tronconique continue, - les moyens de répartition de l'injection du combustible secondaire dans le jet sont formés par plusieurs canaux régulièrement espacés, - les canaux sont disposés dans un plan de coupe transversal, radialement par rapport au divergent, - les canaux sont disposés dans un plan de coupe transversal, tangentiellement au divergent, - les canaux sont disposés dans des plans de coupe transversaux différents, - le comburant est l'air, les combustibles primaire et secondaire étant un gaz combustible. La présente invention a également pour objet un four à chaux industriel comportant une enceinte thermique, telle que mentionnée ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique partielle en coupe longitudinale d'un four à chaux industriel comportant une enceinte thermique selon l'invention, - la Fig. 2 est une vue schématique de dessus et en coupe transversale d'un brûleur de l'enceinte thermique selon l'invention, - la Fig. 3 est une vue schématique en coupe longitudinale et à plus grande échelle du brûleur, - la Fig. 4 est une vue schématique en coupe transversale des moyens de répartition de l'injection du combustible secondaire dans le jet selon un mode de réalisation de la présente invention. Comme représentée à la Fig. 1 et désignée dans son ensemble par la référence 1, 1 1enceinte thermique selon l'invention est un four à chaux industriel dans lequel le comburant utilisé est l'air et les combustibles primaire et secondaire sont tous deux du gaz de four à coke, mais peuvent être également un gaz d'aciérie ou de haut-fourneau, le produit à traiter étant de la castine CaC03. L'enceinte thermique 1 est équipée de deux rangées de cinq brûleurs 2 placées à deux hauteurs différentes, appelées rangée inférieure et supérieure, convergeant vers le centre de l'enceinte thermique 1, les brûleurs 2 d'une même rangée étant disposés en quinconce par rapport à ceux de 1 ' autre rangée, comme représenté à la Fig. 2. Le four à chaux fonctionne selon le principe d'un réacteur à contre-courant dans lequel la castine est enfournée par le haut de l'enceinte 1 et la chaux sort par le bas, alors que les produits de combustion et l'air circulent du bas vers le haut. En regard de chaque brûleur 2 sont placés respectivement un ouvreau 3a et une chambre de combustion qui débouche à l'intérieur de l'enceinte 1 sur une voussette 5a. Chaque voussette 5a est une voûte formée de briques réfractaires et qui permet de part sa présence d'éviter le bouchage de la chambre de combustion par les produits solides qui descendent dans le four. Ainsi, lorsque l'on charge les pierres de castine par le sommet de 1 'enceinte 1, celles-ci roulent sur les voussettes 5a et réagissent au contact des fumées. Les voussettes 5a étant également disposées en quinconce, les pierres tombent successivement sur deux voussettes, ce qui augmente leur temps de contact avec les fumées, contribuant ainsi à une meilleure réaction. En se reportant aux figures 2 et 3, on va maintenant décrire un brûleur 2 par exemple de la rangée inférieure, les brûleurs de la rangée supérieure étant identiques. Chaque brûleur 2 est constitué d'un boîtier métallique 3 faisant saillie vers l'extérieur de l'en- ceinte 1 et qui est assujetti à un corps 4 en céramique partiellement engagé à l'intérieur d'un logement 5 prévu à cet effet dans la paroi 6 de l'enceinte thermique 1. Le boîtier métallique 3 est cylindrique de diamètre D1 et renferme une tuyère 7 qui se compose de deux conduits 7a et 7b cylindriques coaxiaux, d'axe dit de brûleur, le conduit central 7a permettant l'écoulement du gaz primaire et le conduit annulaire 7b permettant l'écoulement de l'air. Deux tubulures 8a et 8b munies chacune d'une bride sont prévues à une extrémité du boîtier métallique 3 pour l'admission de gaz primaire et d'air. Les tubulures 8a et 8b sont diamétralement alimentent. A cette extrémité, une plaque 9 dite de regard équipée d'une fenêtre 10 en son centre est fixée par exemple par boulonnage perpendiculairement à l'axe de brûleur sur le boîtier métallique 3. Cette plaque 9 est utilisée pour l'allumage du brûleur et peut également servir à contrôler visuellement la présence de la flamme de combustion ainsi qu'à vérifier l'encrassement des éléments placés à l'extrémité opposée du boîtier 3 et qui constitue la tête 11 d'injection du brûleur. Le boîtier 3 présente à cette extrémité un épaulement 12 de diamètre D2 supérieur à D1. En regard de cet épaulement 12, une collerette 13 de diamètre D2 entourant le conduit central 7a est fixée au moyen par exemple de vis et de boulons, non représentés, sur ledit épaulement 12. La collerette 13 est pourvue d'orifices 14 formant un anneau, placés sur l'arrivée d'air et qui sont inclinés sur l'axe de brûleur dans le sens d'éjection de la flamme. Ces orifices 14 ont pour fonction de canaliser l'air et de le mettre en rotation sur l'écoulement gazeux injecté à travers un gicleur 15 au centre de la collerette 13 et faisant saillie par rapport à celle-ci. Le corps 4 a une forme longitudinale de révolution autour de l'axe de brûleur et comporte sur sa face externe à partir de son extrémité en contact avec la tête 11 d'injection du brûleur, une première partie cylindrique 4a, de diamètre D3 supérieur à D2, un méplat 4b perpendiculaire à l'axe de brûleur reliant ladite partie 4a à une seconde partie cylindrique 4c de diamètre D4 supérieur à D3 qui s'étend jusqu'à l'extrémité du corps 4. Ainsi que représenté à la Fig. 3, la seconde partie cylindrique 4c du corps 4 est totalement encastrée dans le logement 5 de la paroi 6 ne laissant dépasser hors de l'enceinte 1 que le boîtier 3 et la première partie cylindrique 4a. Le corps 4 est muni d'une enceinte métallique cylindrique 16 périphérique autour de sa première partie 4a ainsi que d'une bride 17 de diamètre D5 légèrement supérieur à D4 entourant ladite première partie 4a et s'appuyant en partie sur le méplat 4b et en partie sur la paroi 6 de l'enceinte 1. La bride 17 est boulonnée sur la paroi 6 de l'enceinte 1. Le corps 4 comporte sur sa face interne depuis l'extrémité en contact avec la tête d'injection 11 du brûleur, une première chambre de combustion 20 dite primaire de forme cylindrique alignée avec la tuyère 7, ouverte à une de ses extrémités sur ladite tuyère et s'étendant sur plus d'une demi-longueur dudit corps 4, le gicleur 15 du brûleur pénétrant dans ladite chambre de combustion 20. Le brûleur est de type jet, signifiant par là même que l'air et le gaz primaire sont injectés à grande vitesse dans la chambre de combustion 20 et intimement mélangés. La température de combustion régnant dans la chambre 20 est voisine de 2000"C, ce qui a pour effet de provoquer une importante dilatation de produits de combustion qui sont alors éjectés à une vitesse comprise entre 100 et 200 m/s. La réaction de combustion primaire est stoechiométrique. On obtient ainsi avantageusement une combustion primaire parfaitement maîtrisée, à forte turbulence et à très grande vitesse d'éjection du produit de combustion, ceci définissant un jet. Le corps 4 comporte, à l'extrémité opposée de la chambre de combustion 20, des moyens pour augmenter la vitesse du jet donc son impulsion. Ces moyens sont formés par une portion convergente 21 et par une portion de tube cylindrique 22 d'axe de brûleur et qui se prolonge jusqu'à l'extrémité libre du corps 4 par un divergent 23 de même axe, les moyens étant appelés communément Venturi. De manière avantageuse, les produits de combustion à l'intérieur du Venturi sont confinés dans un espace de petites dimensions rapidement en équilibre thermique avec lesdits produits évitant ainsi l'échange de calories par rayonnement et donc d'abaisser leur température. Des moyens d'amenée de gaz secondaire sont formés par une couronne 25 dans la seconde partie cylindrique 4c contre la bride 17 de fixation. Cette couronne 25 est alimentée en gaz par une tubulure 26 d'admission équipée d'une bride 27 et disposée sensiblement sous la première partie 4a du corps 4, comme représenté à la Fig. 3. Le corps 4 est également muni de moyens de répartition de l'injection du gaz à la périphérie du jet qui mettent en communication la couronne 25 et le divergent 23. Ces moyens de répartition de l'injection du gaz à la périphérie du jet présentent une inclinaison par rapport à la perpendiculaire à l'axe de brûleur suivant un angle qui est compris entre 5 et 45" et de préférence égale à 20", le gaz étant injecté avec une orientation de même sens que la direction du jet. Selon un premier mode de réalisation représenté à la Fig. 4, les moyens de répartition sont constitués par quatre canaux 30 de même longueur disposés dans un plan de coupe transversal tangentiellement au divergent 23 et faisant entre eux un angle droit. Selon un second mode de réalisation, les moyens de répartition sont constitués de quatre canaux de même longueur disposés dans un plan de coupe transversal radialement par rapport au divergent 23. Selon un troisième mode de réalisation, les moyens de répartition sont constitués par une fente tronconique continue. Grâce à l'accélération communiquée aux produits de combustion à haute température lors du passage dans le Venturi, le gaz secondaire circulant dans la couronne 25 est aspiré à travers les canaux d'injection 30 et l'énergie emmagasinée par lesdits produits permet d'initier une combustion dite secondaire en "craquant" les molécules de gaz produisant ainsi des radicaux libres. Les brûleurs de la rangée inférieure ont donc pour but de réaliser une combustion étagée à fort défaut d'air. En aval du divergent 23, une seconde chambre de combustion 31 est aménagée en regard du brûleur et débouche à l'intérieur de l'enceinte 1 sur une voussette 5a (Fig.2). A la sortie immédiate du divergent 23, une arrivée 32 d'air supplémentaire (Fig. 2) concourante à la flamme est prévue dans le but de se mélanger aux produits de la combustion primaire et aux molécules "craquées" de gaz, créeant instantanément une réaction d'oxydation proche du brûleur. La flamme de combustion se développant dans la seconde chambre de combustion 31 est parfaitement maîtrisée en longueur, en qualité et en intensité de combustion. Cette maîtrise est due à la combustion primaire chambrée qui fournit un auto-allumage permanent pour la combustion secondaire. La rencontre, localisée dans le divergent 23, entre le gaz secondaire et les produits de combustion à grande vitesse et à haute température permet de maîtriser le lieu de la combustion secondaire et donc d'accrocher la flamme aux brûleurs. La très grande vitesse d'éjection des produits de combustion contribue à rendre la flamme insensible à la dépression qui règne dans l'enceinte et à l'effet Vortex de l'air supplémentaire qui tendent à la décrocher du brûleur. Ainsi, en bout de chambre de combustion, tous les produits sont brûlés et il règne un excès d'air de l'ordre de 60 à 80% qui est utilisé pour achever la combustion des produits imbrûlés localisés en regard des brûleurs de la rangée supérieure. Chaque brûleur doit par exemple, brûler 1000 th/h, à savoir 250 th/h avec la combustion stoechiométrique et 750 th/h avec la combustion secondaire, le défaut d'air avoisinant 75%. On peut utiliser un combustible secondaire particulièrement difficile à brûler, différent du combustible primaire, et se servir de l'énergie élevée des produits de combustion pour le brûler. Par exemple, on peut réaliser une combustion primaire très oxydante d'un mélange air-gaz naturel puis injecter comme combustible secondaire un matériau difficile à oxyder tel que l'ammoniac. De même on peut concevoir de produire des imbrûlés, c'est à dire de réaliser une combustion en fort défaut d'air sans injection d'air supplémentaire, en vue de la fabrication de gomme pour pneumatiques. Parmi les applications envisageables, on peut citer également le séchage du laitier concassé qui consiste à injecter comme combustible secondaire du laitier pulvérulent sous forme de granulés afin de sécher à coeur. REVENDICATIONS 1. Enceinte thermique (1) pour le traitement de produits industriels, équipée d'au moins un brûleur (2) partiellement engagé dans une des parois (6) de ladite enceinte (1), ledit brûleur comprenant, d'une part, une tuyère (7) d'alimentation en comburant et en combustible formée par un conduit central (7a) d'arrivée de combustible, d'axe dit de brûleur, et un conduit annulaire (7b) d'arrivée de comburant et, d'autre part, un corps (4) en matériau réfractaire d'axe longitudinal confondu avec l'axe de brûleur et sur lequel est fixée la tuyère (7), caractérisée en ce que le comburant et le combustible dit primaire sont injectés à grande vitesse et en ce que le corps (4) comporte - une chambre de combustion (20) alignée avec la tuyère (7) et ouverte à une de ses extrémité sur ladite tuyère, - des moyens (21, 22, 23) d'augmentation de la vitesse du jet formé par les produits de la combustion, à l'extrémité opposée de ladite chambre (20), - des moyens (25, 26) d'amenée d'un combustible secondaire, - des moyens (30) de répartition de l'injection du combustible secondaire dans le jet. 2. Enceinte thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'augmentation de la vitesse du jet sont formés par un Venturi dont une partie (23), appelée divergent, débouche dans l'enceinte thermique (1). 3. Enceinte thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'amenée du combustible secondaire sont formés par une couronne (25) entourant le corps (4) et alimentée en combustible, ladite couronne (25) étant disposée dans un plan sensiblement transversal. 4. Enceinte thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens (30) de répartition de l'injection du combustible secondaire dans le jet sont disposés à la périphérie dudit jet et présentent une inclinaison par rapport à la perpendiculaire à 1 'axe de brûleur suivant un angle compris entre 5 et 45 , lesdits moyens étant orientés dans le sens du jet, ouverts à une extrémité sur la couronne (25) et à l'extrémité opposée sur le divergent (23). 5. Enceinte thermique selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison est de préférence égal à 20 . 6. Enceinte thermique selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de répartition de l'injection du combustible secondaire dans le jet sont formés par une fente tronconique continue. 7. Enceinte thermique selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de répartition de l'injection du combustible secondaire dans le jet sont formés par plusieurs canaux (30) espacés. 8. Enceinte thermique selon la revendication 7, caractérisée en ce que les canaux (30) sont disposés dans un plan de coupe transversal, radialement par rapport au divergent (23). 9. Enceinte thermique selon la revendication 7, caractérisée en ce que les canaux (30) sont disposés dans un plan de coupe transversal, tangentiellement au divergent (23). 10. Enceinte thermique selon la revendication 7, caractérisée en ce que les canaux (30) sont disposés dans des plans de coupe transversaux différents. 11. Enceinte thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le comburant est l'air, les combustibles primaire et secondaire étant un gaz combustible. 12. Four à chaux industriel, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte thermique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.