Brevet FR2772888A1 — publié le 19990625

Amélioration aux brûleurs à combustible solide La présente invention est relative à des brûleurs à combustible solide, et en particulier aux brûleurs à charbon pulvérisé susceptibles d'équiper des fours, notamment des fours tournants. Le secteur technique de l'invention est celui de la fabrication des brûleurs de fours. La présente invention s'applique particulièrement à un brûleur pour fours tubulaires tournants, qui est équipé: - d'un premier conduit central d'alimentation en combustible liquide, muni d'un stabilisateur de flamme qui comporte des ouvertures pour le passage d'une partie de l'air de combustion primaire, circulant dans un deuxième conduit (annulaire) d'alimentation, dont une extrémité est disposée coaxialement et extérieurement au premier15 conduit, - d'un troisième conduit (annulaire) d'alimentation en combustible solide pulvérisé, dont une extrémité est disposée coaxialement et extérieurement au deuxième conduit, - d'un quatrième (et éventuellement d'un cinquième) conduit (annulaire) d'alimentation en air primaire, dont une extrémité est disposée coaxialement et extérieurement au troisième conduit. La présente invention a pour objet de proposer un brûleur à combustible solide qui soit amélioré. La présente invention a notamment pour objet de diminuer la production d'oxydes d'azote résultant de la combustion. La solution au problème posé consiste à proposer un brûleur à combustible solide qui comporte au moins un conduit de section annulaire d'alimentation en combustible solide et au moins un conduit annulaire d'alimentation en air, qui est disposé sensiblement coaxialement et extérieurement au conduit d'alimentation en combustible solide; ledit brûleur comporte au moins deux obstacles prévus dans le conduit d'alimentation en combustible, qui divisent le conduit en au moins deux canaux, au voisinage de l'orifice de sortie du conduit, c'est-à-dire de la buse du brûleur, de manière à provoquer la séparation de la veine incidente de combustible solide en au moins deux veines pour permettre la formation d'au moins deux flammes. Il a été constaté que la formation de plusieurs flammes de combustion résultant de la formation de plusieurs veines de combustible solide à la sortie de la buse du brûleur, aboutit à une réduction de la formation d'oxyde d'azote, cette réduction étant de façon surprenante en particulier augmentée lorsqu'on applique l'invention à un brûleur équipé de plusieurs conduits d'alimentation en air axial et en air tourbillonnant qui sont disposés à l'extérieur du conduit d'alimentation en combustible solide. Selon des modes préférés de réalisation de l'invention - lesdits obstacles sont en forme de nervures ou cloisons épaisses, de section transversale variable, de préférence de profil et de section transversale continûment variable, par exemple en forme de coin et de forme allongée le long de l'axe longitudinal commun des extrémités de conduits, pour limiter ou éviter l'abrasion du conduit et/ou des obstacles par les particules de combustible solide, pour éviter une perte de vitesse et la nécessité d'une mise en surpression du combustible solide, tout en séparant le flux de combustible solide en plusieurs veines nettement séparées à la sortie de la buse; - la hauteur (mesurée radialement) des canaux séparés par lesdits obstacles du conduit d'alimentation en combustible solide, est plus importante que la hauteur de la partie du conduit situé en amont des obstacles, pour limiter l'augmentation de vitesse résultant de la diminution de la section de passage libre du combustible solide dans les canaux, par exemple pour maintenir la vitesse du combustible solide sensiblement identique dans les canaux et dans la partie amont du conduit d'alimentation; - ledit brûleur comporte au moins trois et de préférence au plus douze obstacles, en particulier de trois à six obstacles sensiblement régulièrement répartis le long de la périphérie ou circonférence du conduit annulaire et disposés à proximité de l'orifice de sortie du conduit d'alimentation pour permettre la formation d'au moins trois flammes de forme et de taille similaire ou identique et réparties autour de l'axe longitudinal commun selon une symétrie de rotation - la portion du conduit d'alimentation en combustible solide comportant lesdits obstacles et lesdits canaux délimités par les obstacles, est de forme sensiblement tronconique évasée, et est en particulier munie d'une face interne sensiblement cylindrique et d'une face externe sensiblement tronconique ou divergente en direction de l'orifice de sortie du combustible;o10 - ledit brûleur comporte un conduit d'alimentation en air dit axial, éjecté par un orifice de sortie selon une direction sensiblement parallèle à l'axe longitudinal commun des conduits, et guidé par des cloisons ou nervures ou ailettes prévues dans le conduit, qui est disposé autour du conduit d'alimentation en combustible solide, lequel conduit15 d'alimentation en air axial comporte des cloisons ou nervures épaisses, dont le nombre est au moins égal au nombre d'obstacles prévus dans le conduit d'alimentation en combustible solide, pour former au moins autant de canaux de passage de l'air axial que le brûleur comporte de canaux de passage du combustible solide, afin de permettre la formation d'au moins un jet d'air distinct, associé à chaque veine du flux sortant de combustible solide; - le nombre de canaux et de cloisons prévus dans le conduit d'alimentation en air axial, est multiple du nombre de canaux et d'obstacles prévus dans le conduit d'alimentation en combustible solide, pour permettre la formation de plusieurs (au moins deux) jets d'air axial, associés à chacun des jets ou veines de combustible solide sortant de la buse du brûleur; - les canaux délimités dans le conduit d'alimentation en air par les cloisons et/ou les orifices de sortie d'air et/ou les jets d'air sortant de ces canaux, sont décalés angulairement par rapport aux canaux délimités par les obstacles du conduit d'alimentation en combustible solide et/ou par rapport aux orifices de sortie de combustible solide et/ou aux veines de combustible solide sortant de la buse, dans le sens de rotation imprimée au combustible et à la flamme par un flux d'air tourbillonnant délivré par un conduit d'alimentation en air muni d'ailettes ou déflecteurs; - les canaux et/ou les jets d'air axial sortant de ces canaux sont inclinés, par exemple divergents par rapport à l'axe longitudinal commun de la buse de brûleur et des conduits d'alimentation; - ledit brûleur comporte en outre un conduit externe annulaire périphérique d'injection d'un gaz pauvre en oxygène, à l'extérieur des orifices de sortie des canaux de combustible et d'air primaire.10 Selon un autre aspect, l'invention consiste à mettre en oeuvre un procédé de conduite d'un four équipé d'un brûleur, dans lequel on maintient la vitesse moyenne du combustible solide dans le conduit et dans les canaux séparés par les obstacles à une valeur au moins égale à 20 mètres par seconde et au plus égale à 30 mètres par seconde, et dans lequel on délivre autour de la veine de combustible solide une partie de l'air primaire sous forme tourbillonnante et une partie de l'air primaire sous forme sensiblement axiale et en maintenant un débit d'air axial supérieur au débit d'air tourbillonnant, par exemple un débit d'air axial voisin du double du débit d'air tourbillonnant. Les avantages procurés par l'invention seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent, sauf indication contraire, les mêmes références d'une figure à l'autre. La figure 1 illustre de façon schématique et en vue en perspective un mode de réalisation d'un conduit d'alimentation en combustible solide faisant partie de la buse du brûleur, équipé à son extrémité de cinq obstacles en forme de coins triangulaires profilés séparant la veine de combustible solide en cinq veines s'écoulant dans des canaux délimités par ces obstacles. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale partielle de la buse d'un brûleur conforme à l'invention. La figure 3 est une vue de face et est une vue selon III de la figure 2, de la buse d'un brûleur selon l'invention. Le brûleur, illustré particulièrement figures 2 et 3, est équipé - d'un premier conduit central 3 d'alimentation en combustible liquide, muni d'un stabilisateur 16 de flamme en forme de bride qui comporte des ouvertures pour le passage d'une partie de l'air de combustion primaire, circulant dans un deuxième conduit annulaire 5 d'alimentation, dont une extrémité est disposée coaxialement et extérieurement au premier conduit 3,10 - d'un troisième conduit annulaire 7 d'alimentation en combustible solide pulvérisé, dont une extrémité est disposée coaxialement et extérieurement au deuxième conduit 5, - d'un quatrième et d'un cinquième conduit 9, 11 annulaire d'alimentation en air primaire, dont une extrémité est disposée coaxialement et extérieurement au troisième conduit 7. Les conduits 3, 5, 7, 9, 11 sont disposés selon un axe 1 longitudinal commun à ces différents conduits, au voisinage de leur extrémité (en partie gauche de la figure 2) constituant la buse du brûleur, permettant la production d'une flamme; les produits (air et20 combustibles) s'écoulent dans ces conduits selon la flèche 15, c'est-à- dire de droite à gauche par référence à la figure 2; ces conduits 3, 5, 7, 9, 11 sont délimités et séparés les uns des autres par des parois tubulaires respectivement 4, 6, 8, 10. Dans le brûleur illustré figures 2 et 3, qui est tel que décrit dans le brevet EP 421 903, les quatrième et cinquième conduits 9, 11 d'alimentation en air servent à délivrer un premier flux d'air de combustion axial, c'est-à-dire se déplaçant sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal commun des extrémités (formant une buse) des différents conduits, et servent à délivrer un deuxième flux d'air de combustion mis en rotation, c'est-à-dire se déplaçant sensiblement en tourbillons selon une hélice dont l'axe est confondu avec ledit axe longitudinal commun 1. Comme décrit dans le brevet EP 421 903, on introduit dans une zone 200 centrale, dite morte, soit directement tout autour du conduit central 3 d'alimentation en combustible et/ou radialement à l'intérieur du conduit annulaire 7 d'alimentation en combustible solide, une5 quantité d'air primaire d'au plus 20 % de la totalité de l'air primaire, de telle façon que dans la zone centrale ne se produise aucune combustion notable du combustible; grâce à la présence d'une zone morte centrale, la combustion commence a une plus grande distance en avant du centre de la buse 2 du brûleur en comparaison des procédés et des brûleurs10 antérieurs. Ainsi, vue en coupe longitudinale, en partant du centre de l'extrémité avant de la buse, l'enveloppe des flammes résultantes comporte une zone centrale qui s'étend vers l'avant et radialement, dans laquelle il ne se produit pratiquement aucune combustion notable du15 combustible avec l'oxygène de l'air; un flux d'air primaire dans cette zone centrale, qui se situe au-dessous de 20 % et de préférence au- dessous de 10 % de l'air primaire total, évite un retour en arrière des produits de la combustion, sans pour autant fournir beaucoup d'oxygène qui diminuerait la zone centrale riche en combustible.20 Grâce à la présence d'une zone morte centrale agrandie, la plage de réglage du brûleur est augmentée jusqu'à moins de 10 % de l'allure maximale, pour laquelle le brûleur est conçu; dans la mesure o un tel brûleur doit fonctionner avec des combustibles solides et pulvérulents, après un bref préchauffage avec de l'huile, il peut déjà fonctionner avec25 le combustible solide. La proportion d'air primaire qui doit être utilisée pour stabiliser la flamme, peut être réduite de 2 à 10 % et, de préférence, au-dessous de 6 % par rapport à la quantité globale d'air de combustion; la consommation réduite d'air primaire permet une économie d'énergie pour une performance égale, et permet la réduction de la proportion d'oxydes d'azote dans les gaz de combustion. Les rayons de l'ouverture centrale du stabilisateur 16 de flamme et de l'orifice annulaire pour le courant d'air primaire se situant le plus à l'intérieur sont choisis, de telle sorte que le courant d'air primaire intérieur se trouve à une distance de l'axe 1 qui correspond au moins au double de l'ouverture centrale du stabilisateur de flamme. L'ouverture centrale du stabilisateur de flamme correspond sensiblement à l'orifice5 de la buse du conduit 3 de combustible central; on évite ainsi que le combustible liquide ne vienne en contact trop tôt avec l'oxygène des courants d'air primaire sortant des conduits 9, 11. Les conduits 9, 11 annulaires d'amenée d'air primaire ont des parois coniques et ces parois ainsi que les tubes concentriques connectés à celles-ci sont déplaçables axialement l'un par rapport à l'autre; on peut ainsi régler la section transversale libre du passage annulaire; les extrémités de chaque conduit 9, 11 sont cylindriques afin d'éviter un écoulement divergent en sortie de buse; dans le conduit 11 annulaire d'alimentation en air axial, sont disposées des cloisons 19 radiales destinées à l'orientation axiale et à la circulation de l'air primaire dans des canaux séparés. Ces cloisons contribuent à une orientation axiale supplémentaire de l'air primaire correspondant et augmentent également la vitesse de sortie axiale, par le fait qu'elles réduisent la section libre du conduit annulaire et qu'elles le divisent en une pluralité de canaux 111...114 disposés tout autour d'un anneau. Quelques uns de ces canaux peuvent être fermés ou être réglables. A cet effet, les cloisons peuvent être réalisées suffisamment larges en direction périphérique pour qu'elles obturent un canal au moins en partie ou qu'elles correspondent à un canal fermé; l'augmentation de la vitesse d'écoulement axiale de l'air contribue à stabiliser la flamme. Le stabilisateur 16 de flamme est décalé vers l'arrière (par référence au sens 15 de circulation) par rapport aux orifices de sortie , 90, 110 de la partie principale de l'air primaire et du combustible solide, en fixant le stabilisateur de flamme au tube enveloppe de la canne du brûleur, qui est déplaçable axialement. Par référence à la figure 1 en particulier, le conduit 7 d'alimentation en combustible solide comporte une partie amont située à droite sur cette figure, qui est munie d'une section transversale annulaire; du fait de la présence des cinq obstacles 17 en forme de coin profilé triangulaire, le conduit 7 se divise en cinq canaux 71, 72, 73, 74, qui sont chacun délimités par, d'une part la face externe 6A de la paroi 6 séparant le conduit 7 du conduit 5, d'autre part la face interne 8A de la paroi 8 séparant le conduit 7 du conduit 9, et également des faces latérales 173 des obstacles 17 en forme de coin, qui s'étendent à partir de leur extrémité arrière 170 effilée ou profilée, et dont la section transversale s'élargit ou augmente de leur bord d'attaque 170 jusqu'à o10 leur section terminale 171 correspondant à l'extrémité ou face frontale de la buse; afin par exemple de maintenir une section de passage du combustible solide sensiblement constante entre la partie amont du conduit de section complètement annulaire et la partie avale muni des obstacles et divisée en cinq canaux, le rayon interne de la veine restant par exemple constant du fait d'une surface 6A cylindrique, le rayon externe 21 correspondant au rayon de la face 8A externe au voisinage des orifices de sortie des canaux 71 à 75, est supérieur au rayon 20 de la partie amont du conduit 7 de section annulaire, afin de pallier la diminution de section libre résultant de la présence de ces obstacles. Par référence aux figures 2 et 3 et à la figure 3 en particulier, on peut noter qu'au canal 71 de passage de combustible solide situé entre deux obstacles 17 consécutifs, sont associés quatre canaux 111, 112, 113, 114 délimités par des cloisons 191, 192, 193, 194 qui sont prévues dans le conduit annulaire 11 d'alimentation en air primaire axial et permettent la formation de quatre jets d'air axiaux associés au flux de combustible solide sortant du canal 71 pour favoriser la combustion de ce combustible; à cet effet, les trois premiers canaux 11,, 112, 113 sont sensiblement disposés radialement en regard du canal 71 d'éjection du combustible solide, et sont complétés par un quatrième canal 114 disposé en aval des canaux 111, 112, 113 par référence au sens 91 de rotation de l'air tourbillonnant délivré en sortie de la buse du brûleur par le conduit 9 d'alimentation en air primaire tourbillonnant; de la sorte, l'ensemble des canaux 111, 112, 113, 114 associés au canal 71 est décalé angulairement, en position, par rapport à la position angulaire de ce canal, afin de tenir compte de l'effet d'entraînement du combustible et de la flamme par l'air tourbillonnant sortant du conduit 9, et est donc décalé dans le même sens 91 que le sens du tourbillon.5 Le brûleur illustré figures 2 et 3 comporte en outre un conduit supplémentaire 13, de section annulaire également, disposé coaxialement aux conduits 3, 5, 7, 9, 11, et à l'extérieur de ceux-ci, qui sert à délivrer par un orifice annulaire de sortie 130 périphérique ou externe un flux de gaz appauvri en oxygène, en particulier de fumée résultant de la10 combustion. Ce mode de réalisation préféré permet de réduire encore plus la formation de NOx tant thermique que combustible pour de tels brûleurs comportant au moins deux conduits sensiblement concentriques: un conduit 7 d'alimentation en combustible et au moins15 un conduit 9, 11 d'alimentation en air de combustion primaire représentant au maximum 15% de l'air total; ces conduits forment ensemble une buse à la sortie de laquelle peut se réaliser le début de la combustion et autour de laquelle est amené l'air secondaire représentant au moins 85% de l'air total et ayant une température de plus de 500 C; suivant un mode préféré, le brûleur comporte au moins quatre circuits d'alimentation indépendants dont l'un alimente le conduit 13 annulaire entourant l'ensemble desdits conduits 3, 5, 7, 9, 11 d'alimentation en combustible et en air primaire; à l'intérieur du conduit 13 circule du gaz appauvri en oxygène, et à l'extérieur de ce conduit est amené l'air secondaire; le bord intérieur de l'orifice 130 de sortie du conduit 13 est décalé radialement (c'est-à-dire éloigné de l'axe 1) par rapport au bord externe des orifices 110 de sortie du conduit 11 concentrique (le plus externe de la buse) par un moyeu 900 annulaire d'épaisseur d'au moins mm et de 3 à 8 % du diamètre de ladite buse. Suivant un mode préférentiel de réalisation la vitesse de sortie du gaz appauvri en oxygène est plus faible que celle (Vc) de l'air primaire, et de l'ordre de grandeur de celle (Va) de l'air secondaire; de plus, l'orifice 130 de sortie du conduit annulaire peut diverger et former un angle a, compris entre 2 et 10 par rapport à l'axe 1 du brûleur; le gaz appauvri en oxygène est de préférence du gaz de fumées recyclé, ou de la vapeur d'eau ou un mélange de vapeur et de fumées. Suivant un mode de réalisation particulier ledit brûleur peut comporter également à l'extérieur de la protection 907 (en béton) du conduit concentrique le plus externe et vers l'orifice de sortie de celui- ci, des obstacles aptes à dévier et écarter de l'axe 1 de la buse le flux VA du courant d'air secondaire 903. La présence d'obstacles en couronne extérieure sur le brûleur d'une part, et d'autre part le rajout d'un conduit 13 annulaire, qui entoure l'ensemble des conduits d'alimentation en combustibles et en air primaire, qui est alimenté en gaz appauvri en oxygène, et qui est disposé à une distance minimum par rapport au conduit 11 le plus externe d'alimentation en air primaire, éloignent de celui-ci le flux d'air15 secondaire et permet de retarder l'échange d'énergie, et donc leur mélange, entre ces divers flux: ceux- ci arrivent en effet à des vitesses différentes, la vitesse de l'air secondaire étant de l'ordre de 10 à 50 mètres par seconde, alors que celle de l'air primaire est de l'ordre de 150 à 200 mètres par seconde. il REVENDICATIONS 1. Brûleur à combustible solide qui comporte au moins un conduit (7) de section annulaire d'alimentation en combustible solide et au moins un conduit (9, 11) annulaire d'alimentation en air, qui est5 disposé sensiblement coaxialement et extérieurement au conduit d'alimentation en combustible solide, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux obstacles (17) prévus dans le conduit (7) d'alimentation en combustible, qui divisent le conduit (7) en au moins deux canaux (71, 72, 73, 74, 75), au voisinage de l'orifice de sortie du conduit (7). 2. Brûleur selon la revendication 1, dans lequel lesdits obstacles (17) sont en forme de nervures ou cloisons épaisses, de section transversale variable, de préférence de profil et de section transversale continûment variable, par exemple en forme de coin et de forme allongée le long de l'axe (1) longitudinal commun des extrémités de15 conduits (7, 9, 11), pour limiter ou éviter l'abrasion par les particules de combustible solide, tout en séparant le flux de combustible solide en plusieurs veines nettement séparées à la sortie de la buse. 3. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la hauteur des canaux séparés par lesdits obstacles (17) du conduit d'alimentation en combustible solide, est plus importante que la hauteur de la partie du conduit (7) située en amont des obstacles, pour limiter l'augmentation de vitesse résultant de la diminution de la section de passage libre du combustible solide dans les canaux. 4. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, qui comporte au moins trois et de préférence au plus douze obstacles, en particulier de trois à six obstacles sensiblement régulièrement répartis le long de la périphérie ou circonférence du conduit annulaire (7) et disposés à proximité de l'orifice de sortie du conduit d'alimentation (7) pour permettre la formation d'au moins trois flammes de forme et de taille similaire ou identique et réparties autour de l'axe longitudinal commun (1) selon une symétrie de rotation. 5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la portion du conduit d'alimentation (7) en combustible solide comportant lesdits obstacles (17) et lesdits canaux délimités par les obstacles, est de forme sensiblement tronconique ou évasée. 6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, qui comporte un conduit (11) d'alimentation en air axial éjecté par un orifice (110) de sortie selon une direction sensiblement parallèle à l'axe longitudinal commun (1) des conduits et guidé par des ailettes (19) prévues dans le conduit (11), lequel conduit (11) d'alimentation en air axial est disposé autour du conduit (7) d'alimentation en combustible solide, et dans lequel le nombre des ailettes (19) est au moins égal au10 nombre d'obstacles (17) prévus dans le conduit d'alimentation en combustible solide, pour former au moins autant de canaux de passage de l'air axial que le brûleur comporte de canaux de passage du combustible solide, afin de permettre la formation d'au moins un jet d'air associé à chaque veine du flux sortant de combustible solide.15 7. Brûleur selon la revendication 6, dans lequel le nombre de canaux et de cloisons (19) prévus dans le conduit (11) d'alimentation en air axial, est multiple du nombre de canaux (71... 75) et d'obstacles (17) prévus dans le conduit (7) d'alimentation en combustible solide, pour permettre la formation de plusieurs jets d'air axial associés à chacun des jets ou veines de combustible solide sortant de la buse du brûleur. 8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel les canaux (11", 112, 113, 114) délimités dans le conduit (11) d'alimentation en air par les cloisons (19) sont décalés angulairement par rapport aux canaux (71) délimités par les obstacles (17) du conduit (7) d'alimentation en combustible solide dans le sens (91) de rotation imprimée au combustible et à la flamme par un flux d'air tourbillonnant délivré par un conduit (9) d'alimentation en air muni d'ailettes ou déflecteurs (18), et dans lequel les canaux (111, 112, 113, 114) sont inclinés ou divergents par rapport à l'axe longitudinal (1) de la buse de brûleur. 9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, qui comporte en outre un conduit (13) annulaire périphérique d'injection d'un gaz pauvre en oxygène extérieur auxdits conduits d'alimentation en air primaire. 10. Procédé de conduite d'un four équipé d'un brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel on maintient la vitesse moyenne du combustible solide dans le conduit (7) et dans les canaux (71...75) séparés par les obstacles (17) à une valeur au moins égale à 20 mètres par seconde et au plus égale à 30 mètres par seconde, et dans lequel on délivre autour de la veine de combustible solide une partie de l'air primaire sous forme tourbillonnante et une partie de l'air10 primaire sous forme axiale, et en maintenant un débit d'air axial supérieur au débit d'air tourbillonnant.