Brevet FR2837916A1 — publié le 20031003

Dis 257 283791 6 l L'invention concerne un procédé pour chauffer la charge d'un four par injection de combustible ét de comburant dans un brûleur pour produire une flamme s'étendant en saillie dans l'espace intérieur du four. Sur les fours rotatifs, à bain, tunnels et sur les petites enceintes; équipés de brGieurs et destinés à la fusion ou à la chauffe d'une charge (verre, acier, ciment...) il est souvent nécessaire, à puissance constante, de ma^'triser le positionnement du point chaud des flammes o le transfert radiatif est maximum. Les inconvénients inhérents à ce point chaud sont: - la fragilisation des réfractaires différemment exposées, - un transfert thermique vers la charge non homogène. Dans ce dernier cas, la différence de température engendre des courants convectifs, voire des réactions du produit chauffé, différentes en fonction de la zone exposée à la flamme. Il peut donc étre nocessaire de déplacer en continu ce point pour réduire cet effet. Il peut aussi étre préférable, comme avec le verre, d'ajuster et de maintenir le positionnement du point chaud en un point voulu, au-dessus du bain, en fonction de l'état de ce dernier. Lorsqu'il y a présence d'infondus, il est souhaitable de leur transférer le maximum d'énergie. Le positionnement du point chaud au-dessus de ces derniers améliore alors le rendement de combustion. Le principe décrit ci-dessous, permet de déplacer automatiquement à une fréquence définie, le point chaud de la flamme ou bien d'asservir sa position à un besoin dépendant du procédé. La recherche de l'homogénéité thermique des produits de fusion ou traités (chauffés) est aujourd'hui une priorité pour les sociétés qui veulent garantir une qualité reproductible et constante et rébuire la maintenance de leurs équipements. Dans des industries telles que les cimenteries, le manque d'homogénéité thermique décrit, amène la formation de bouchons de matière première qui doivent être détruits à partir de moyens lourds et dommageables (explosifs...). Dans d'autres domaines, lorsqu'il y a présence d'infondus, des défauts apparaissent sur le produit final. Il est donc nécessaire de surveiller l'évolution de ces produits non fondus et augmenter la puissance des brûleurs lors de leur passage. Le transfert augmente alors sur la surface du bain et sur les infondus exposés. Ce réglage demande l'intervention d'un opérateur et l'augmentation de la puissance sur toute la surface du bain. La présente invention permet: - d'assurer une homogénéité des produits traités, - d'éviter toute présence d'infondu et formation de bouchons, - de réduire l'usure des réfractaires. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on introduit dans le brûleur un comburant et un combustible, et on fait circuler le comburant à travers au moins deux tubes d'amenée de comburant montés endérivation l'un par rapport à l'autre, tandis que l'on fait circuler le combustible à travers un autre tube d'amenée de combustible, la répartition du comburant entre les deux tubes d'amenée de comburant étant réglée de manière à faire varier la longueur de la flamme engendrée par le brûleur et donc déplacer la position du point chaud de celle-ci. Selon différents modes de réalisation de l'invention, on règle continûment la répartition du comburant entre les tubes d'amenée de comburant, ou on règle manuellement la répartition du comburant entre les tubes d'amenée de comburant, ou on règle de manière motorisée la répartition du comburant entre les tubes d'amenée de comburant, ou on réqule ou on asservit la répartition du comburant entre les tubes d'amenée de comburant. De préférence, les trois tubes de comburant et de combustible sont disposés concentriquement, le tube de combustible étant situé entre les deux tubes de comburant. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on détecte des matériaux non fondus présents à la surface de la charge du four et on règle la répartition du combu rant entre les deux tubes de combu rant de manière à amener le point chaud de la flamme dans la zone ou subsistent des matériaux non fondus. L'invention présente notamment les avantages suivants: - diminution de l'usure des réfractaires et la maintenance des fours: homogénéité thermique, élimination de la formation de bouchons, 5. diminution des points chauds et zones froides propices à l'usure rapide; - amélioration du rendement de combustion: homogénéité du transfert positionnement du point chaud selon besoin de transfert; - amélioration de la qualité des produits traités: gestion et contrôle du transfert thermique vers la charge à puissance constante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, d'une forme de réalisation de cette invention donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale schématique de profil d'un brûleur tri-tubes conventionnel, - la figure 2 est une vue extérieure de profil d'un brûleur tri-tubes selon l'invention, - la figure 3 est une coupe schématique du brûleur tri-tubes de la figure 2, par un plan lil-lil perpendiculaire au plan de projection de cette figure 2, et -_la figure 4 est une coupe schématique du brûleur des fg_res 2 et 3, par un plan IV-IV perpendiculaire à son axe central longitudinal. Sur les figures, on a représenté schématiquement un brûleur Br dont une région d'extrémité est logée dans un ouvreau d'un bloc ouvreau Bo d'un four par exemple à verre. Plus précisément, sur la figure 1, sont montrés schématiquement la région d'extrémité d'un brûleur tri-tubes conventionnel logée dans l'ouvreau pour y produire une flamme s'étendant en saillie dans l'espace intérieur du four, et la région d'extrémité opposée du brûleur en saillie hors de l'ouvreau extérieurement au four par laquelle le brGleur est alimenté en combustible et en comburant. Ce brûleur tri-tubes présente une structure générale coaxiale et comporte un tube central 1 d'amenée de comburant, un tube 2 d'amenée de combustible entourant le tube central et dont l'espace de circulation du combustible s'étend annulairement autour de ce tube central, et un troisième tube 3, extérieur, d'amenée de comburant, entourant le tube 2 d'amenée de combustible et dont l'espace de circulation du comburant s'étend annulairement autour de ce tube d'amenée de combustible. Les extrémités des trois tobes débouchant dans l'ouvreau sont prolongées chacune par une buse d'injection. Les trois tubes 1, 2, 3 du brûleur tri-tubes conventionnel ne communiquent pas entre eux et sont alimentés séparément, chacun comportant un orifice d'entrée et étant équipé d'un court conduit d'entrée 4, 5, 6 débouchant dans cet orifice et relié soit à une alimentation en comburant, pour le tube central 1 et le tube extérieur 3, soit à une alimentation en combustible, pour le tube intermédiaire 2; chacun des con du its d' entrée 4, 5, 6 s'étend approximativeme nt rad ialement par rap port à l'axe iongitudinal central du brûleur autour duquel s'étendent les trois tubes. Il faut donc gérer trois fluides, le brûleur est relativement volumineux, il est nscessaire d'utiliser trois flexibles d'alimentation, et les longueurs de tuyauterie à utiliser sont importantes. Le brûleur tri-tubes selon l'invention (figures 2 à 4), monté dans I'ouvreau comme le brûleur tri-tubes conventionnel, présente comme lui une structure générale coaxiale et comporte un tube central 1 d'amenée de comburant, un tube 2 d'amenée de combustible entourant le tube central et dont l'espace de circulation du combustible s'étend annulairement autour du tube central, et un troisième tube 3, extérieur, d'amenée de comburant, entourant le tube 2 d'amenée de combustible et dont l'espace de circulation du comburant s'étend annulairement autour de ce tube d'amenée de combustible, les extrémités des trois tubes débouchant dans i'ouvreau étant prolongées chacune par une buse d'injection. Ainsi, on fait circuler et on injecte le combustible dans l'ouvreau de man ière annulaire autou r d' un premier courant, central, de comburant, et à l'intérieur d'un deuxième courant, annulaire du même comburant. Cependant, contrairement au brûleur tri-tubes conventionnel, les deux tubes 1, 3 d'amenée de comburant du brûleur selon l'invention communiquent l'un avec l'autre par leur extrémité opposée à la buse d'injection, le tube central 1 ayant cette extrémité opposée ouverte, à distance de l'extrémité correspondante fermée du tube extérieur 3. Le tube extérieur 3 d'amenée de comburant comporte, à proximité de cette extrémité fermée, un orifice d'entrée 31, et est équipé d'un court condỉt d'entrée 6 débouchant dans cet orifice et adapté pour être relié à une alimentation en comburant, ce conduit d'entrée 6 s'étendant approximativement radialement par rapport à l'axe longitudinal central du brûleur; ainsi, le conduit d'entrée 6 pour l'alimentation en comburant est en communication à la fois avec le tube extérieur 3 et le tube central 1 dont l'extrémité ouverte est en aval du conduit 6 si l'on se réfère au sens d'écoulement du comburant dans le brûleur. La région d'extrémité du tube 2 d'amenée de combustible opposée à la buse d'injection, qui est elle-même située en aval de l'extrémité ouverte du tube central 1 si l'on se réfère au sens d'écoulement du comburant, est logée dans un fourreau 7 annulaire dont la surface intérieure est ajustée sur une partie aval de sa longueur autour du tube intermédiaire 2, et sur une autre partie (amont) de sa longueur autour du tube central 1 d'amenée de comburant; ces deux parties de la surface intérieure du fourreau sont reliées par un épaulement constituant un fond annulaire fermé pour le tube intermédiaire 2; le tube extérieur 3 comportant deux tronçons alignés s'étendant respectivement de part et d'autre du fourreau 7, la surface extérieure du fourreau comporte une région centrale cylindrique insérée entre ces deux tronçons et deux régions d'extrémité cylindriques de plus petit diamètre ajustées et insérées dans les extrémités en vis-à- vis de ces deux tronçons du tube extérieur. Le tube intermédiaire 2 d'amenée de combustible et le tube extérieur 3 d'amenée de comburant comportent en vis-à-vis des orifices respectifs de passage de combustible reliés par un canal 71 d'amenée de combustible (figure 4) creusé et s'étendant radialement dans le fourreau 7. L'orifice de passage de combustible du tube extérieur est équipé d'un court conduit d'entrée 5 adapté pour étre relié à une alimentation en combustible; ainsi, ce conduit d'entrée 5 pour l'alimentation en combustible est en communication à travers le fourreau 7 avec le tube intermédiaire 2 d'amenée de combustible. Le fourreau 7 étant en aval du conduit d'entrée 6 de comburant, il est creusé longitudinalement de deux canaux 72, 73 parallèles à l'axe longitudinal central du brGleur, destinés à permettre l'écoulement du comburant en direction de la buse du tube extérieur 3; ces deux canaux longitudinaux 72, 73 sont centrés sur le diamètre du fourreau 7 qui est perpendiculaire au rayon le long duquel s'étend le canal 71 d'amenée de combustible, respectivement de part et d'autre de l'axe longitudinal central du brûleur, approximativement symétriquement. Le fourreau est en outre creusé de deux canaux de forme générale cylindrique le traversant radialement de sa surface intérieure à sa surface extérieure, le long du diamètre sur lequel sont centrés les deux canaux longitudinaux 72, 73, de manière que de chaque côté du fourreau 7 par rapport à l'axe longitudinal central du brûleur, un canal longitudinal 72, 73 débouche dans un canal radial. L'un des deux canaux radiaux sert de logement à un bouchon interchangeable 8 ajusté dans ce canal, présentant un perçage 81 de petit diamètre parallèle à l'axe longitudinal central du brGleur pour assurer une communication entre les parties amont et aval du canal longitudinal 72. Ce perçage 81 est calibré comme on le verra dans la suite, et l'interchangeabilité des bouchons 8 permet de choisir le bouchon présentant le perçage de calibre désiré. L'autre canal radial sert de boisseau à une clé de vanne pivotante 9 ajustée dans ce canal de telle manière que le fourreau 7 forme corps de vanne; cette clé de vanne 9 présente un perçage 91 de diamètre notabiement plus grand que celui des perçages 81 des bouchons interchangeables 8 et est mobile en pivotement autour de l'axe longitudinal du canal radial entre une position dans laquelle le perçage 91 est parallèle à l'axe longitudinal central du brûleur (figure 3) pour assurer une communication entre les parties amont et aval du canal longitudinal 72 et ainsi entre les deux tronçons du tube extérieur 3, et une position dans laquelle le perçage 91 est orthogonal à cet axe du brûleur et n'assure pas une telle communication. La clé 9 présente dans le canal radial une forme extérieure de révolution, et comporte hors du canal, extérieurement au tube extérieur du brûleur, un organe de man_uvre 92 permettant son action nement en p ivotement de man iè re man ue lle, ou u n organe d'entranement relié à un dispositif de motorisation permettant son actionnement en pivotement de manière motorisée, par exemple régulée ou asservie. Sur le plan pratique, le bouchon interchangeable 8 peut présenter, également intérieurement au canal radial, une forme générale cylindrique, et, comporter hors du canal, une bride 82 de fixation par vis au fourreau. La clé de vanne 9 peut présenter également intérieurement au canai radial, une forme générale cylindrique, et comporter hors du canal, une tige 93 à laquelle est fixé par vis l'organe de man_uvre constitué par une ailette 92, le cylindre intérieur au canal radial ét la tige 93 étant reliés par une gorge annulaire servant de logement aux branches latérales d'une plaquette de butée en U 94 fixée au fourreau 7 par une ou plusieurs vis 95 de fixation de la clé, vissées dans le fourreau 7 autour du canal radial et s'étendant parallèlement à celui-ci. Pour la fixation du brûleur Br dans l'ouvreau creusé dans un bloc ... ..... .... . réfractaire Bo intégré dans la paroi du four, ce bloc-ouvreau Bo est équipé d'un support 10 de brûleur comportant une plaque d'ancrage 101 fixée à lui et qui est appliquée contre sa face extérieure au four. La plaque d'ancrage 101 comporte, en vis-à-vis de l'orifice de l'ouvreau débouchant à l'extérieur du four, une ouverture par laquelle le brûleur est inséré dans l'ouvreau de teile manière que, comme on l'a vu, sa région d'extrémité munie de buses d'injection produise une flamme s'étendant en saillie dans l'espace intérieur du four, et sa région d'extrémité opposée par laquelle il est adapté pour être alimenté en combustible et en comburant soit en saillie hors de l'ouvreau extérieurement au four. Le support 10 de brûleur est muni, respectivement de part et d'autre de l'ouverture pour le brûleur de la plaque d'ancrage 101, de deux dispositifs de fixation comportant chacun une chape 102 dont les branches portent un pivot 103 autour duquel est articulée une tige filetée 104 portant un écrou de serrage 105. Pour coopérer avec ces dispositifs de fixation, le brûleur comporte une bride de fixation 32 s'étendant dans un plan perpendiculaire à son axe longitudinal central et qui est fixée, par exemple soudée ou brasée, au tube extérieur 3. Deux bords opposés de cette bride 32 comportent respectivement deux échancrures dans lesquelles pénètrent les deux tiges filetées articulées 104 du support 100 quand elles s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal central du brûleur, et contre le pourtour desquelles on peut bloquer les écrous de serrage 105 pour fixer le brûleur au bloc ouvreau; pour pouvoir retirer le brûleur de l'ouvreau, il suffit de desserrer les écrous 105 et de basculer les tiges filetées 104 de telle manière qu'elles se dégagent de l'emprise des échancrures de la bride 32. Lorsque, le brûleur étant fixé dans l'ouvreau, I'entrée 6 de comburant est en communication avec une alimentation en comburant, il suffit de tourner la clé 9 de la vanne pour modifier ia répartition du comburant entre les tubes central 1 et extérieur 3 d'amenée de comburant et régler cette répartition de la manière désirée. Plus précisément, le perçage calibré 81 du bouchon interchangeable 8 détermine le déhit minimal dans le tube extérieur 3 d'amenée de comburant lorsque la vanne de réglage est fermée (perçage 91 de ia clé 9 approximativement orthogonal à l'axe longitudinal central du brûleur) et l'on obtient alors le débit maximal dans le tube central 1 d'amenée de comburant. Au fur et à mesure que l'on ouvre la vanne, c'est-à-dire que le perçage 91 de la clé 9 est amené en alignement avec le canal 73 du fourreau 7, la perte de charge diminuant dans le tube extérieur 3, le débit augmente dans celui-ci jusqu'à une valeur maximale, et diminue dans le tube central 1 jusqu'à une valeur minimale. La gestion de la perte de charge dans le tube extérieur 3 permet donc le réglage de la répartition du comburant entre les deux tubes 1, 3 d'amenée de comburant. On a ainsi la possibilité de régler continûment la répartition du comburant entre les tubes 1, 3 montés en dérivation l'un par rapport à l'autre, et, en particulier lorsque la vanne est motorisée, on peut agir sur celle-ci à tout moment pour réquler la répartition ou pour l'asservir en fonction des besoins. L'interchangeabilité du bouchon 8 permet d'élargir la gamme de débits de comburant, dans la mesure o i'on possède une gamme de bouchons 8 ayant des perçages 81 de différentes sections. Pour assurer à la flamme une longueur variable, outre le réglage manuel avec la vanne prévue à cet effet, on pourra régler la répartition du comburant, notamment de l'air, de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène pur entre le tube central et le tube intérieur, la variation du débit de comburant notamment dans le tuyau central faisant varier corrélativement la vitesse de ce comburant, du fait que le diamètre du tube central reste le même au cours du temps. Un fort débit central entranera une forte vitesse d'injection du combu rant au centre et une faible vitesse du combu rant en périphérie, provoquant ainsi une flamme longue, avec une combustion étagée, une première combustion incomplète du combustible (comburant extérieur et combustible) permettant de diluer le combustible restant avec les gaz de combustion résultant de la combustion du comburant extérieur et d'une partie du combustible, le combustible dilué brûlant ensuite avec le comburant issu du tuyau central. Ce mode de combustion permet en outre de faire baisser l'émission de NOx. Les moyens de réglage motorisés de la vanne de commande .......... de comburant ne sont pas représentés sur les figures, ni les moyens de commande du moteur de vanne qui peuvent être un simple automate programmé ou un calculateur programmé. IU REVENDICATIONS 1. Procédé pour chauffer la charge d'un four par injection de combustible et de comburant dans un brûleur (Br) pour produire une flamme s'étendant en saillie dans l'espace intérieur du four, caractérisé en ce que l'on introduit dans le brûleur (Br) un comburant et un combustible, et on fait circuler le comburant à travers au moins deux tubes (1, 3) d'amenée de comburant montés en dérivation l'un par rapport à l'autre, tandis que l'on fait circuler le combustible à travers un autre tube (2) d'amenée de combustible, la répartition du comburant entre les deux tubes d'amenée de comburant étant réglée de manière à faire varier la iongueur de la flamme engendrée par le brûleur (Br) et donc déplacer la position du point chaud de celleci. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on règle continûment la répartition du comburant entre les tubes (1, 3) d'amenée de comburant. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on règle maouellement la répartition du comburant entre les tubes (1, 3) d'amenée de comburant. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on règle de manière motorisée la répartition du comburant entre les tubes (1, 3) d'amenée de comburant. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on réqule ou on asservit la répartition du comburant entre les tubes (1, 3) d'amenée de comburant. 6. Procèdé selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisé en ce que les trois tubes (1, 2, 3) de comburant et de combustible sont disposés concentriquement, le tube de combustible (2) étant situé entre les deux tubes de comburant (1, 3). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on détecte des matériaux non fondus présents à la surface de la charge du four et que l'on règle la répartition du comburant entre les deux tubes de comburant de manière à amener le point chaud de la flamme dans