Brevet FR2803022A1 — publié le 20010629

Procédé d'installation d'alimentation en air d'un brûleur à combustible solide et pulvérisé La présente invention a pour objet un procédé d'installation d'alimentation en air d'un brûleur combustible solide et pulvérisé. Le domaine technique de l'invention est la fabrication d'un brûleur industriel. L'application principale de l'invention est la réalisation de brûleur pour four rotatif dont l'alimentation en combustible se fait directement partir du broyeur, qui permet d'obtenir ledit combustible solide pulvérisé, par transport pneumatique de dernier sans stockage intermédiaire entre ledit broyeur et le brûleur. On connaît en effet de telles installations dans lesquelles la totalité de l'air traversant le broyeur est utilisée comme air de transport. Le dosage du combustible solide pulvérisé est réalisé sur le combustible solide brut qui est pesé et introduit dans le broyeur. Celui-ci peut servir également de sécheur en utilisant de l'air chaud et/ou de la fumée dont la temperature maximale peut atteindre 400 C. L'ensemble de cet air chaud de séchage et de la vapeur d'eau ainsi produite sert ensuite de gaz de transport du combustible solide pulvérisé vers le brûleur. La concentration de combustible solide pulvérisé par rapport à l'air de transport est assez faible, de l'ordre de 0,3 à 0,6 kg par Nm3 d'air à l'allure nominale. Cette valeur varie en fonction de la charge du brûleur puisque le combustible solide pulvérisé est dosé avec un débit gazeux constant. Pour une variation de 1 à 3 la concentraton au minimum est donc divisée par 3. Cette proportion importante d'air de transport qui est alors humide et froid, entre 60 et 90 C, et qui constitue une grande partie de l'air primaire de combustion du combustible dans le brûleur, d'une part, limite le rendement du four rotatif, et d'autre part, ne permet aucun réglage de la forme de la flamme. I1 a été alors développé une variante de ce que l'on peut appeler la combustion directe telle que présentée ci-dessus et qui en reprend le principe, à savoir que le dosage du combustible tel que le charbon est réalisé avant le broyage et qu'il n'y a pas de stockage intermédiaire de celui-ci entre le broyeur et le brûleur ; cependant pour que le débit d'air injecté dans le four puisse être réduit il est installé sur la ligne de transport après le broyeur un cyclone séparateur air/charbon dans lequel est injectée la totalité de l'air chargé de combustible en provenance du broyeur : cette variante est dite de combustion semi- directe. A la sortie du cyclone le combustible solide pulvérisé, dit encore CSP dans la suite de la description, est repris par un transport pneumatique utilisant de l'air épuré récupéré en sortie du séparateur. Le débit d'air injecté ainsi dans le four, assurant le transport du CSP et formant un air primaire de combustion, est plus faible que dans le cas de la combustion directe évoqué précédemment, du fait du recyclage après épuration d'une partie des gaz de séchage : celle-ci, correspondant à la partie de l'air épuré non utilisé comme gaz de transport, est en effet réinjectée dans le circuit d'alimentation en air du sécheur-broyeur. Cependant, la quantité d'air primaire injecté dans le four reste élevée et la concentration du CSP, certes supérieure à celle obtenue dans la combustion directe, reste limitée de 0,6 à 1 kg/Nm3. Ainsi, de telles combustions directes ou semi- directes qui sont des technologies anciennes, ne permettent pas l'emploi de brûleurs modernes tels que celui décrit dans le brevet européen n 421 903 déposé le 10 Avril 1991 par la Demanderesse et utilisé dans des tuyères dites ROTAFLAM : dans de tels brûleurs l'ajustement de la forme de la flamme s'effectue en utilisant les impulsions de deux circuits d'air primaire additionnel à celui permettant le transport du gaz combustible, l'air total primaire utilisé ne représentant qu'un faible pourcentage de l'air total de combustion de l'ordre de 6$, lesquelles impulsions etant effectuées à vitesse élevée. I1 y est nécessaire de fonctionner avec un circuit. de transport à forte concentration de l'ordre de 3 à 6 kg/ Nm3 soit environ 10 fois plus qu'en combustion directe, afin de réduire le plus possible l'effet de l'air de transport. Pour cela, il a été réalisé des installations, que on peut appeler de combustion indirecte, dans lesquelles il est disposé un stockage de CSP entre le broyeur et le brûleur, ce qui apporte l'avantage une indépendance de fonctionnement de l'installation par rapport au broyeur. Le dosage du CSP est réalisé à la sortie du silo de stockage par un système de pesée continue. Le transport du CSP est ensuite réalisé avec de l'air ambiant dont la pression peut être augmentée librement, et le débit minimisé permet une concentration de assez forte de 4 à 8 kg par Nm3 et ainsi un gain sur rendement du four. I1 devient alors possible d'utiliser des brûleurs multi-circuits tels que ceux décrits dans la demande de brevet citée ci-dessus avec un taux d'air primaire faible, et qui permettent, d'une part, un réglage de la forme de la flamme améliorant la cuisson, et une réduction des émissions de polluants tels que les oxydes d'azote et oxyde de carbone. L'inconvénient majeur de tels schémas de combusion indirecte est cependant son coût élevé ; il s'y rajoute la necessité d'utiliser un filtre à manches sur le dépoussiérage de l'air de séchage rejeté alors à l'atmosphère et qui peut présenter des dangers d'explosions pour des combustibles forte teneur en matières volatiles. Le problème posé est donc de pouvoir réaliser des installations d'alimentation en air d'un brûleur à combustible solide pulvérisé qui permettent, d'une part, de régler la forme de la flamme pour améliorer son rendement et, d'autre part, de réduire la formation des oxydes d'azote conformément aux règlementations récentes comme dans le cas des brûleurs.décrits dans le brevet EP 421 903 évoqué précédemment, et cela en augmentant en particulier la concentration du combustible solide pulvérisé par rapport à son air de transport à au moins 2 kg par m3 pour son injection dans le brûleur. De telles installations d'alimentation en air et en combustible doivent également ne pas rejeter d'air de transport ayant également servi au séchage, même épuré car il y reste des matières solides en suspension, polluantes et inflammables, et s'adapter aux installations existantes sans nécessiter de gros investissements tels que le rajout d'équipements lourds comme dans les installations de combustion indirecte. Une solution au problème posé est un procédé d'alimentation en air d'un brûleur à combustible solide pulvérisé et disposé à travers le capot de chauffe d'un four, suivant lequel on sèche puis on transporte ledit combustible au moyen d'une quantité donnée importante d'air chaud, appauvri ou non en oxygène, dans un dispositif séparateur où on en extrait ledit combustible, que l'on transporte ensuite vers ledit brûleur au moyen d'une première partie seulement de l'air qui en a été épuré; on utilise cette partie d'air de transport comme air primaire de combustion du combustible dans ledit brûleur, dans lequel on introduit cette première partie d'air, mélangé au combustible qu'elle transporte, axialement par un conduit annulaire; selon l'invention on utilise l'autre deuxième partie, de air chaud épuré dans le séparateur, au moins comme air primaire additionnel de combustion et de réglage de flamme, et on introduit celui-ci dans le bruleur périphériquement et centralement par rapport à l'autre partie air chargé de combustible ; on utilise une partie de cet autre deuxième partie de l'air épuré comme air secondaire additionnel de combustion et on introduit. celui-ci dans le four à travers le capot de chauffe, en amont et sur le côte par rapport à l'extrémité de la tête du brûleur. Dans un mode préférentiel de réalisation spécifiquement adapté aux brûleurs tels que ceux dits à trois circuits, ou ceux correspondant à la demande de brevet 421 903 on introduit dans ledit brûleur l'air primaire additionnel de combustion, constitué par l'autre deuxième partie de l'air épuré, suivant au moins deux conduits annulaires, l'un débouchant axialement et l'autre suivant une mise en rotation à l'extrémité de la tête du brûleur ; on règle le débit d'air entre les différents circuits d'alimentation du brûleur par l'autre deuxième partie l'air épuré en déplaçant axialement les uns par rapport aux autres les conduits annulaires correspondants. Quel que soit le brûleur considéré, on introduit de préférence dans le dispositif séparateur la totalité de l'air chaud chargé du combustible solide pulvérisé qui y a été séché, et on réutilise en sortie dudit dispositif séparateur, la totalité dudit air chaud épuré, comme air de combustion, ce qui évite tout rejet à l'atmosphère. Une autre solution au problème posé est une installation d'alimentation en air d'un brûleur à combustible pulvérisé permettant la mise en ceuvre du procédé d'alimentation suivant l'invention tel que présente ci-dessus et décrit plus en détail ci-après. Le résultat est de nouveaux procédés et installations d'alimentation en air d'un brûleur à combustible solide et pulvérisé, qui répondent au problème posé sans avoir les inconvénients des installations dites directes, semi directes ou indirectes actuelles : en fait la présente invention peut être considérée comme .un perfectionnement aux installations dites semi-directes dans lesquelles la totalite de l'air chaud en sortie du broyeur et chargé de CSP est introduit dans un dispositif separateur pour y être epuré en totalité. Selon l'invention, en pouvant diminuer ainsi l'air primaire injecté dans le brûleur, on augmente le rendement du four et on réduit les émissions d'oxyde d'azote qui sont très sensibles à la quantité d'oxygène introduite au niveau du brûleur ; le surplus d'air récupère en sortie du dispositif séparateur étant évacué dans le four lui-même au niveau du capot de chauffe n'a pas d'influence sur la combustion car il se mélange à l'air secondaire plusieurs mètres en amont du début de la flamme ; par ailleurs, l'air de transport pouvant être réduit au minimum, son impulsion est faible par rapport aux autres alimentations périphériques en air primaire et il est donc possible de régler la forme de la flamme et donc d'optimiser la cuisson du produit que l'on veut traiter, tel que les matériaux bruts en provenance des carrières pour former le clinker utilisé dans les cimenteries et dont la température doit être portée à 1400 C environ. On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention mais ceux cités ci-dessus en montrent suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt. La description et les dessins annexés représentent un exemple de réalisation de l'invention mais n'ont aucun caractère limitatif : d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et l'étendue de l'invention - la figure 1 est un schéma d'ensemble d'une installation d'alimentation en air et en combustible solide pulvérisée tel que le charbon, pour un four rotatif et incluant un type d'installation suivant l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe axiale simplifiée d'un brûleur à combustible solide pulvérisé de type ROTAFLAM, dont les références du brevet correspondant sont données en introduction, et alimente en air de combustion suivant le procédé de l'invention. L'installation d'alimentation en air du brûleur 1 combustible solide pulvérisé, ou dit CSP, et disposé à travers le capot de chauffe 11, comprend au moins dispositif séparateur 10 dans lequel est extrait le combustible de l'air chaud 21 qui a permis de le sécher et l'y transporter, et au moins un circuit d'alimentation en air primaire 211 dans lequel est transporté le combustible solide pulvérisé depuis le dispositif séparateur .10 et qui est constitué d'une première partie de l'air épuré dans ce séparateur lequel circuit d'alimentation débouchant dans le brûleur 1 à travers un conduit annulaire 23 axial. Le four 13 tel que représenté sur les figures 1 et 2 jointes comprend un tube tournant incliné 9 dont le volume intérieur constitue la chambre de combustion 11 à l'intérieur de laquelle s'écoule la matière 25 qui y est mise en fusion et qui est dirigée ensuite vers le refroidisseur 2. Le tube tournant 9 dudit four rotatif 13 tourne ainsi autour de la tête 1z du brûleur débouche dans le capot de chauffe 19 à travers un dispositif d'étanchéité 91. Le dispositif séparateur 10 qui peut être un cyclone est alimenté par la totalité de l'air 21 chaud, chargé de CSP en provenance d'un broyeur 6; celui-ci peut incorporer un ventilateur qui assure avec l'air chaud 21 le séchage du CSP et le transport de l'ensemble vers le dispositif séparateur 10. Le charbon combustible brut est amené dans le broyeur 6 par une trémie 7 et un chargeur bande peseuse 8 qui permet de contrôler la quantité de charbon apportée dans le circuit d'alimentation 21. Ce circuit de transport et d'alimentation en air chaud 21 est lui-même alimenté à travers le broyeur- ventilateur 6 par de l'air chaud 22 en provenance du refroidisseur 2 dont il est extrait par un ventilateur 26 et dans lequel il a récupéré des calories de la matière 25 chauffée dans la chambre de combustion 11 du four 13 et qui en sort à 800 à 1000 C : si cet air 22 n'est pas assez chaud, soit au moins de l'ordre de 250 400 C pour sécher le charbon, surtout au démarrage du four, on le réchauffe par tout générateur de gaz chaud 5 et s'il est, au contraire, trop chaud on le refroidit par injection d'air frais 4. Ce générateur additionnel de gaz chaud 5 peut être lui-même un brûleur, qui introduit ainsi des fumées dans le circuit 22 d'air, qui est alors appauvri en oxygène. Sur le circuit de sortie de l'air épuré du dispositif séparateur 10, l'installation suivant l'invention comprend au moins un ventilateur 14 apte à assurer au moins le transport du combustible solide pulvérisé, avec la première partie 211 de l'air épuré jusqu'au four 11 où il est introduit 3 à travers le brûleur 1. Ledit ventilateur 14 peut être seul à assurer l'alimentation de l'ensemble des circuits d'alimentation en air épuré en sortie du séparateur 10 vers le brûleur 1 et cela à toute pression souhaitée grâce à tous dispositifs de réglage connus pour cela. La première partie de l'air 211 épuré, utilisée comme air de transport vers le brûleur 1, est envoyée à la base du dispositif séparateur 10 à travers un injecteur 12 est entraîné le CSP qui y tombe par une vanne 11 de type rotatif permettant de séparer le volume intérieur du cyclone séparateur 10 et le circuit de transport, qui sont à des pressions différentes : selon l'invention, on transporte alors vers le brûleur 1 le combustible solide pulvérisé au moyen de cette première partie 211 de l'air épuré dans lequel il est mélangé suivant une concentration d'au moins 2 kg par m3 et pouvant atteindre 4 kg par Nm3. L'autre deuxième partie 212 de l'air épuré qui alimente un deuxième circuit d'air primaire additionnel est introduite au moins en partie dans le brûleur 1 par au moins deux conduits disposés périphériquement 24 et centralement 13 par rapport au conduit annulaire 23 de l'alimentation en combustible solide pulvérisé. De plus, une partie 18 de cette autre deuxième partie 212 de l'air épuré est utilisée comme air secondaire additionnel de combustion et est introduit dans le four 13 à travers le capot de chauffe 19, en amont et sur le côté par rapport à l'extrémité de la tête 12 du brûleur. De préférence, on injecte cet air secondaire additionnel 18 dans un conduit annulaire 20 entourant le brûleur 1, ce qui évite de modifier le capot de chauffe 19, ledit conduit annulaire 20 étant intégré alors au brûleur; mais dans un autre mode de réalisation, cet air secondaire additionnel 18 peut être injecté par des buses disposées à travers le capot de chauffe 19 : il s'y mélange à l'air secondaire 15 principal en provenance du refroidisseur 2 où il s'est réchauffé comme l'air chaud 22 de séchage qui en est extrait : cet air secondaire 15 étant entre 800 et 1200 C suivant les fours, l'inflammation des poussières, non arrêtées par le cyclone séparateur 10 et présentes dans l'air rejeté 18 dans le capot de chauffe 19, est immédiate. Les sections de sortie des buses ou de l'espace annulaire 20 sont prévues pour éviter toute remontée de flamme grâce à une vitesse de sortie élevée largement supérieure à la vitesse de propagation de la flamme. L'installation suivant l'invention peut comprendre des vannes 16 de répartition de débit entre les différents circuits d'alimentation du brûleur 1 par l'autre deuxième partie 212 de l'air épuré. La règle doit être le. maintien de l'impulsion axiale à la sortie du nez ou tête 12 du brûleur, (l'impulsion étant le produit de la vitesse par la masse) : l'augmentation de pression assurée par le ventilateur de reprise 14 permet d'augmenter la vitesse en sortie du nez de brûleur à environ 130 mètres par seconde, au lieu des 70 à 90 mètres par seconde que l'on obtient seulement avec un schéma de combustion directe il est alors possible de diminuer par deux la quantité d'air primaire pour une même impulsion, condition que la quantité disponible initiale soit bien sûr suffisante, un minimum (à savoir 6 à 8% de l'air de combusion théorique) étant nécessaire pour un bon fonctionnement du brûleur, sachant que suivant l'invention on utilise de préférence comme air primaire 211 de combustion et de transport du combustible dans le brûleur 1, 5% maximum de l'air total de combustion introduit dans ledit brûleur. Un exemple de répartition des débits d'air suivant le procédé de l'invention peut être - la quantité d'air chaud 22 puis 21 utilisée dans les circuits d'alimentation en air suivant l'invention peut être de 30$ de l'air total de combustion nécessaire, et la concentration en CSP entre le ventilateur-broyeur 6 et le cyclone séparateur 10, peut être de 0,33 kg par Nm3; - en sortie du cyclone séparateur 10 l'air épuré 21 représente toujours les 30% d l " total de combustion, ne contient pratiquement plus de CSP et est séparé en deux parties 211 et 212 ; - la première partie 211 peut être de 2,25% de l'air total de combustion et transporte le CSP en sortie du séparateur 10 jusqu'au four 13 suivant une concentration de 4 kg par Nm3; - l'autre deuxième partie 212 de l'air épuré représentant alors 27,75% de l'air total de combustion est séparé lui-même en une, partie d'air primaire additionnel périphérique 17 et central 13 représentant 15% de l'air total de combustion, et la dernière partie restante soit 12,75% de l'air total de combustion est utilisé comme air secondaire additionnel 18. La quantité d'air primaire totale introduite dans le brûleur 1 est donc de, dans ce cas de figure, 17,25% de l'air total de combustion, soit une réduction d'environ 40% par rapport au procédé de combustion directe connu ce jour dans lequel la totalité de l'air de transport 21 est injectée comme air primaire dans le brûleur, d'où une réduction importante dans la présente invention des oxydes d'azote. De plus, l'air" de transport 211 ne représente plus que 2,25% de l'air de combustion au lieu des 30% dans les schémas à combustion directe actuelle. REVENDICATIONS 1. Procédé d'alimentation en air d'un brûleur (1) combustible solide pulvérisé et disposé travers le capot de chauffe (19) d'un four (13), suivant lequel on sèche (6) puis on transporte ledit combustible au moyen d'une quantité donnée importante d'air chaud (21) appauvri ou non en oxygène dans un dispositif séparateur (10) où on en extrait ledit combustible, que l'on transporte ensuite vers ledit brûleur (1) au moyen d'une première partie seulement (211) de l'air (21) qui en a été épuré, et on utilise cette partie (211) d'air de transport comme air primaire de combustion du combustible dans ledit brûleur (1), dans lequel on introduit (3) cette première partie (211) d'air, mélangé au combustible qu'elle transporte, par un conduit annulaire (23), caractérisé en ce qu'on utilise l'autre deuxième partie (212), de l'air chaud épuré (21) dans le séparateur (10), au moins comme air primaire additionnel (17) de combustion et de réglage de flamme, et on introduit celui-ci dans le brûleur (1) périphériquement (24) et centralement (13) par rapport à l'autre partie (211) d'air chargé de combustible. 2. Procédé d'alimentation en air suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise une partie (18) de cette autre deuxième partie (212) de l'air épuré, comme air secondaire additionnel de combustion et on introduit celui-ci dans le four (13) à travers le capot de chauffe (19), en amont et sur le côté par rapport à l'extrémité de la tête (12) du brûleur. 3. Procédé d'alimentation en air suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on injecte cet air secondaire additionnel (18) dans un conduit annulaire (20) entourant le brûleur (1). . Procédé d'alimentation en air suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on introduit dans ledit brûleur (1) l'air primaire additionnel (17) de combustion, constitué par l'autre deuxième partie (212) de l'air épuré, suivant au moins deux conduits annulaires ,(24), l'un débouchant axialement et l'autre suivant une mise en rotation à l'extrémité de la tête (12) du brûleur. Procédé d'alimentation en air suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on règle le débit d'air entre les différents circuits d'alimentation du brûleur 1), par l'autre deuxième partie (212) l'air épuré, en déplaçant axialement les uns par rapport aux autres les conduits annulaires (23, 24) correspondants. 6. Procédé d'alimentation en air suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on introduit dans le dispositif séparateur 10) la totalité de l'air chaud (21) chargé du combustible solide pulvérisé qui a été séché, et on réutilise en sortie dudit dispositif séparateur (10), la totalité dudit air chaud (21) épuré, comme air de combustion. 7. Procédé d'alimentation en air suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on utilise, comme air (211) primaire de combustion et de transport du combustible dans ledit brûleur (1), 5% maximum de l'air total de combustion introduit dans ledit brûleur. 8. Procédé d'alimentation en air suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qui transporte vers le brûleur (1) le combustible solide pulvérisé au moyen de la première partie de l'air épure dans lequel il est mélangé suivant une concentration d'au moins 2 kilogs par m3. 9. Installation d'alimentation en air d'un brûleur (1) à combustible solide pulvérisé, disposé à travers le capot de chauffe d'un four 11), et comprenant au moins un dispositif séparateur (10) dans lequel est extrait le combustible de l'air chaud (21) qui a permis de le sécher et l'y transporter, et au moins un circuit d'alimentation en air primaire (211) dans lequel est transporté le combustible solide pulvérisé depuis le dispositif séparateur ( et qui est constitué d'une première partie de l'air épuré dans ce séparateur (10), lequel circuit d'alimentation débouchant dans le brûleur (1) à travers un conduit annulaire (23) axial, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un deuxième circuit d'alimentation en air primaire (212) additionnel constitué d'une autre partie de l'air épuré (21) et introduit dans le brûleur (1) dans au moins deux conduits disposés périphériquement (24) et centralement (13) par rapport à celui (23) d'alimentation en combustible solide pulvérisé. 10. Installation d'alimentation en air suivant la 'revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un ventilateur (14) placé sur le circuit de sortie de l'air épuré du dispositif séparateur (10) et apte à assurer au moins le transport du combustible solide pulvérisé avec ladite première partie 211 de l' ' épuré jusqu'au four (11) à travers le brûleur (1). 11. Installation d'alimentation en air suivant l' quelconque des revendications 9 et 10, caractérisée en ce qu'elle comprend des vannes (16) de répartition de débit entre les differents circuits d'alimentation du brûleur (1) par 1 autre deuxième partie (212) de l'air épuré.