Brevet FR3006037A1 — publié le 20141128

BRULEUR DE FOUR ROTATIF ASYMETRIQUE Domaine technique La présente invention concerne des brûleurs utilisés sur les fours tournants de calcination de produit tels que par exemple les fours à ciment, les fours à chaux. Etat de la technique 10 Dans la grande majorité des installations à four tournant, la majorité de l'air de combustion, généralement appelé « air secondaire », arrive par le dessous du four tournant après avoir été utilisé comme air de refroidissement de la matière chaude tombant du four. L'air de combustion chaud, ou air secondaire, arrive donc de manière 15 asymétrique à l'extrémité du brûleur, avec principalement une composante axiale et une verticale. L'extrémité du brûleur est généralement placée à proximité immédiate de l'axe du four tournant et à l'entrée. Sur un four à ciment cet air secondaire chaud représente entre 80 et 95 % de l'air de combustion. 20 L'air primaire est l'air injecté directement dans le brûleur. Il représente entre 5% et 20% de l'air de combustion. Il est injecté à haute pression, généralement entre 100 et 600 mbar. Il est utilisé principalement pour aspirer l'air secondaire chaud et assurer son mélange rapide avec le combustible du brûleur et accélérer ainsi la combustion tout en maitrisant 25 la forme de flamme. Dans la majorité des procédés à four tournant, et notamment les procédés ciments, il faut éviter le contact entre la flamme et la matière à chauffer qui forme un talus en partie basse du four pour : - assurer la combustion complète des combustibles par l'oxygène 30 apporté par l'air secondaire et éviter l'introduction de combustible imbrûlé dans la matière - éviter des zones réductrices dans la matière et/ou en surface du lit matière qui - peuvent en changer les caractéristiques du produit fabriqué - diminuer l'efficacité de la combustion, - et/ou générer des effets indésirables comme la volatilisation du soufre contenu dans la matière (par exemple : K2SO4 -> K20 + S02) ce qui peut créer des problèmes opératoires sur les unités de production, comme un bouchage par dépôt de sulfates. Cette problématique devient particulièrement sensible lors de l'utilisation de combustibles solides (et notamment de combustibles alternatifs solides: chips de bois, résidus papier plastiques, pneus déchiquetés, résidus issus de tri de déchets banaux...) dont le broyage est faible et la masse unitaire importante et dont la tendance naturelle est de tomber sur ce talus de matière par gravité avant leur combustion complète dans l'air secondaire. Or les brûleurs de fours rotatifs ont des injections d'air primaire symétrique qui ne tiennent pas compte de : - l'asymétrie de l'air secondaire, - de la tendance naturelle des combustibles solides à tomber sur le talus de matière et - de la nécessité pour certains procédés comme le ciment, d'avoir une zone oxydante en surface du talus de matière pour ne pas altérer la qualité du produit fabriqué ou l'exploitation du procédé. L'objet de l'invention est de proposer un nouveau système d'injection d'air primaire qui permet d'améliorer à la fois: - les conditions oxydantes sur le talus de matière (clinker) sans apport d'air primaire additionnel dont l'ajout serait préjudiciable au rendement du procédé, - la sustentation des particules lourdes pour augmenter leur taux de combustion avant leur contact avec le talus de matière. - d'assurer par une circulation d'air primaire plus importante, le refroidissement de la partie basse du brûleur qui est plus affectée thermiquement par le rayonnement et la proximité du talus de matière. Le brûleur de four tournant selon l'invention comprend un circuit d'injection d'air primaire avec un débit d'air primaire, ledit brûleur présente une partie haute et une partie basse, il est caractérisé en ce que le débit d'air primaire est plus important dans la partie basse du brûleur. Le débit d'air primaire dans la moitié inférieure du brûleur est donc plus important que le débit d'air primaire dans la moitié supérieure du brûleur. Cette injection d'air primaire asymétrique, plus importante en partie basse du brûleur, entraîne une augmentation du volume d'air secondaire entrainé en partie basse du four, d'où une meilleure aération et une limitation des zones réductrices en partie basse du four, une plus grande sustentation des particules de combustible solide lourdes par l'air primaire puis par l'air secondaire et un plus grand débit de refroidissement pour la partie basse du brûleur. Selon une caractéristique particulière, la différence de débit d'air primaire entre la partie haute du brûleur et la partie basse est comprise entre 10% et 40%. Cette différence permet une plus grande sustentation des particules qui restent plus longtemps dans la flamme. Selon une autre caractéristique, que la différence de débit d'air primaire entre la partie haute et la partie basse est réalisée suivant un plan légèrement incliné d'un angle a entre 0° et 45° par rapport à un plan horizontal. Cet angle permet de prendre en compte la rotation du four qui en entrainant le talus du lit de matière le décale sur le côté du four dans lequel ledit four tourne. Ainsi en vue de face, si le four tourne dans le sens horaire, le talus sera à gauche et si le four tourne dans le sens trigonométrique, le talus sera à droite. L'inclinaison de l'angle a est du même côté que l'inclinaison du talus. Selon une caractéristique particulière, les injections d'air primaire comprennent des sections et en ce que la différence de débit d'air primaire entre la partie haute et la partie basse est obtenue par adaptation des sections d'injection d'air primaire. Cette différence de débit peut être obtenue en changeant le nombre d'orifices assurant le débit et/ou en modifiant les dimensions desdits orifices. Il est par exemple possible de diminuer le nombre d'orifices dans la partie haute et/ou d'augmenter leur nombre en partie basse. Il est aussi possible de diminuer la taille des orifices dans la partie haute et/ou d'augmenter leur taille en partie basse. Selon une disposition particulière, l'injection d'air primaire est répartie en deux composantes. Une composante axiale (injection de l'air dans l'axe du brûleur) et une composante radiale (injection de l'air avec un angle de déviation généralement compris entre 10 et 50°), et la différence de débit d'air primaire est appliquée à la composante axiale centrifuge. Cette composante axiale a une influence importante sur la quantité d'air secondaire aspirée dans la flamme ce qui permet une sustentation plus importante des particules solides dans la flamme du brûleur, donc un temps de résidence plus long et ainsi améliorer leur combustion. Cette disposition permet également une zone plus oxydante au niveau du talus par un débit d'air secondaire circulant plus important le long du talus. Selon une deuxième disposition, l'injection d'air primaire est répartie en une composante axiale et une composante radiale, et la variation de débit d'air primaire est appliquée à la composante radiale. Cette composante radiale a une influence importante sur la turbulence et la sustentation des particules solides dans la flamme du brûleur, et donc une amélioration de leur combustion. Selon une troisième disposition, la différence des débits d'air primaire est appliquée aux deux composantes axiale et radiale. Selon une caractéristique particulière, les sections d'air primaire sont constituées d'orifices (cylindrique ou non), ou de groupe d'orifices et en ce que cette différence de débit entre la partie haute et la partie basse est obtenue par une augmentation de la section de ces orifices de la partie basse. Les orifices placés en partie basse du coté du talus sont plus importantes, pour les composantes radiales et/ou axiales. Selon une autre caractéristique, les combustibles sont injectés à l'intérieur de l'injection d'air primaire. Ce qui permet une sustentation optimale des combustibles dans la flamme et une optimisation des rejets d'oxyde d'azote. Dans un autre mode de réalisation, le combustible principal gaz ou pulvérulent (charbon / pet coke ...) est injecté entre l'air primaire axial et l'air primaire radial, les autres combustibles (secondaire ou alternatifs) sont injectés au centre du brûleur. De même les tubes d'injection des combustibles alternatifs solides sont parfois accompagnés d'air primaire de dispersion. Cet air primaire de dispersion, à pression élevée (généralement 50 à 600 mbar) et représentant généralement 10 à 50% de l'air de transport du combustible alternatif solide) est généralement injecté de manière concentrique au tube d'injection de combustible alternatif. Cet air primaire de dispersion est injecté avec une composante radiale de 0° à 40° (et de préférence 10 à 30°) soit de manière centrifuge soit en hyperboloïde pour permettre une meilleure dispersion des particules solides dans la flamme. Or certaines de ces particules ayant une masse importante, elles ont une tendance naturelle à tomber par gravité sur le talus matière. Pour éviter leur chute trop rapide dans le talus matière, la dissymétrie de l'air primaire peut donc également s'appliquer à cet air primaire de dispersion, comme elle s'applique à l'air primaire axial ou l'air primaire radial avec l'avantage d'être à proximité directe du flux de ces particules de combustible alternatif solide. Dans ce cas, est compte tenu de la taille de ces injections de combustible alternatif, la dissymétrie du débit d'air primaire de dispersion peut être obtenue par 6 3006037 - Une augmentation du nombre d'orifices (cylindrique ou pas) en partie basse, ou par - Une augmentation de la section des orifices en partie base et aller jusqu'à la suppression du débit d'air de dispersion en partie haute. 5 Il est possible de prévoir un montage non coaxial entre le tube d'injection de combustible alternatif et le tube d'air de dispersion. Dans ce dernier cas l'injection d'air peu également avoir une composante légèrement verticale comprise de préférence entre 0 et + 25° et la composante radiale de l'air de dispersion est alors faible voire nulle. 10 Il existe également des brûleurs de four tournant conforme à l'invention comprenant au moins un orifice d'injection de combustible avec un circuit d'injection d'air primaire de dispersion avec un débit d'air primaire de dispersion, l'orifice comprenant deux tubes concentriques, ledit brûleur présentant une partie haute et une partie basse, il est caractérisé en ce 15 que le débit d'air primaire asymétrique est celui de l'air primaire de dispersion, il est ainsi plus important dans la partie basse du brûleur que dans la partie haute. Cette injection d'air primaire de dispersion asymétrique, plus importante en partie basse de l'orifice d'injection de combustible, entraine une augmentation du volume d'air en partie basse 20 qui permet une meilleure dispersion des particules de combustible dans la flamme. Selon une première variante, la différence de débit d'air primaire de dispersion est obtenue par augmentation de la section de passage en partie basse par augmentation de la section des trous. 25 Selon une deuxième variante, la différence de débit d'air primaire de dispersion est obtenue par augmentation du nombre de trous. Selon une disposition particulière, la différence de débit d'air primaire de dispersion est obtenue avec tubes non concentriques. Dans ce cas l'excentricité peut aller jusqu'à la suppression des trous en partie haute de 30 l'orifice d'injection de combustible. Selon une autre caractéristique, les trous du bas ont une inclinaison (3 donnant une composante verticale à l'air primaire de dispersion. Les trous du bas font ainsi un angle 6 avec l'axe de l'orifice d'injection de combustible qui est sensiblement horizontal. D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre d'exemple. Brève description des figures 10 - La figure 1 représente une vue générale d'un four tournant, - La figure 2 est une vue de face du four de la figure 1, - La figure 3 est le détail du brûleur du four de la figure 1, - La figure 4 est une vue de face d'une première variante de brûleur selon l'invention, 15 - La figure 5 est une vue de face d'une deuxième variante de brûleur selon l'invention, - La figure 6 est une vue de face d'une troisième variante de brûleur selon l'invention, - La figure 7 est une vue de face d'une quatrième variante de 20 brûleur selon l'invention, - La figure 8 est une vue de face d'un autre type de four, - La figure 9 est une première variante du détail d'un tube de la figure 8, - La figure 10 est une deuxième variante du détail d'un tube de la 25 figure 8, La figure 11 est une vue en coupe du tube de la figure 10, La figure 12 est une vue en coupe d'un tube de l'état de la technique La figure 13 est une vue de face de l'état de la technique. Dans toute la description on considèrera que le bas est placé en bas des figures et le haut en haut des figures à l'exception de la figure 12. Le four 1 illustré à la figure 1 comprend un brûleur 2, une arrivée d'air primaire 3 combustible et une arrivée d'air secondaire 4. L'air primaire 2 comprend un combustible solide 5 qui se dépose sur un talus 6. Le brûleur 2 émet une flamme 7 de combustion du combustible avec ses particules solides. Dans le détail de la figure 3, le brûleur 2 selon l'invention présente à une arrivée d'air primaire 3 centrale et une arrivée d'air secondaire 4 par le dessous. On peut voir que le débit d'air secondaire supérieur 40 est plus faible que le débit d'air secondaire inférieur 41 et que le débit d'air primaire supérieur 30 est plus faible que le débit d'air primaire inférieur 31. L'air primaire 3 arrive par des orifices 8 et le combustible arrive au centre par un orifice 9 (cf. figure 4). La différence de débit est obtenue par des orifices 8 de section circulaire de tailles différentes et placés sur la périphérie du bruleur 2. Ainsi comme visible sur les figures 4 à 6, les orifices supérieurs 80 sont de diamètre inférieur à celui des orifices inférieurs 81. Le combustible peut être composé d'un combustible principal, comme par exemple un mélange charbon/gaz, et d'un combustible secondaire ou alternatif. Dans ce cas le brûleur présente deux zones concentriques 90 et 91, une zone 90 placée au centre et destinée à injecter le combustible alternatif et une zone 91 périphérique autour de la zone centrale 90 pour injecter le combustible principal. L'arrivée de l'air primaire peuvent avoir une composante radiale et une composante axiale, dans ce cas illustré figures 5 et 6, les orifices 8 se décomposent en des orifices axiaux 80 et 81 et radiaux 82 et 83. Les orifices axiaux 80 et 81 sont périphériques tandis que les orifices radiaux 82 et 83 sont placés plus au centre soit autour de la zone centrale 90 soit autour de la zone périphérique 91. Les orifices radiaux 82, 83 et axiaux 80, 81 se décomposent dans deux parties : une supérieure avec les orifices supérieurs 80 et 82, une inférieure avec les orifices 81 et 83. Les orifices radiaux 83 situés dans la partie inférieure sont soit de plus grande taille, soit plus nombreux (cf. figure 7). Les orifices inférieurs 81 axiaux et 83 radiaux, et les orifices supérieurs 80 axiaux et 82 radiaux sont décalés angulairement d'un angle a les uns par rapport aux autres dans le sens de rotation du four, à gauche sur les figures 4 à 6. Quand des combustibles alternatifs sont injectés via un ou plusieurs 10 tubes positionnés au centre du brûleur, ils arrivent dans la partie centrale du brûleur par des orifices non concentriques mais par des orifices circulaires adjacents comme illustré figure 8. L'orifice 92 de l'état de la technique, détaillé aux figures 12 et 13, comprend deux tubes concentriques 920 et 921. Le tube 920 intérieur a 15 une partie 920a en contact avec l'intérieur 921i du tube 921 extérieur et une partie 920b distante de l'intérieur 921i dudit tube 921. L'espace entre le tube 920 et la partie 920b du tube intérieur 920 constitue un conduit 93 pour l'air primaire de dispersion 50. Ce conduit 93 débouche dans le tube 921 extérieur par des conduits 94 orientés avec une composante radiale 20 de 0° à 40° (et de préférence 10 à 30°), soit de manière centrifuge, soit en hyperboloïde pour permettre une meilleure dispersion des particules solides dans la flamme. Du fait de la gravité, les particules ont tendance à tomber en partie basse du four, il peut donc être souhaitable d'augmenter le flux d'air 25 primaire de dispersion 50 en partie basse du tube extérieur 921. Ainsi, on voit à la figure 9 que des conduits supplémentaires 940 ont été ajoutés dans la partie inférieure du tube intérieur 920. Dans la variante des figures 10 et 11, il n'y a plus de conduits en partie haute mais seulement des conduits 941 en partie basse du tube intérieur 920. Les conduits 941 30 présentent une inclinaison verticale f3 par rapport à l'horizontal afin d'accentuer l'orientation de la flamme vers le haut grâce à l'orientation de l'air primaire de dispersion 50. Cette inclinaison verticale Ç3 est comprise de préférence entre 0 et +25°. REVENDICATIONS1. Brûleur (2) de four tournant (1) comprenant un circuit d'injection d'air primaire (3, 50) avec un débit d'air primaire, ledit brûleur (2) présentant une partie haute et une partie basse, caractérisé en ce que le débit d'air primaire (2) est plus important dans la partie basse du brûleur que dans la partie haute. 2. Brûleur (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence de débit d'air primaire (3) entre la partie haute du brûleur et la partie basse est comprise entre 10% et 40%. 3. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la différence de débit d'air primaire (3) entre la partie haute et la partie basse est réalisée suivant un axe légèrement incliné d'un angle (a) entre 0° et 45° par rapport à un plan horizontal. 4. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les injections d'air primaire (3) comprennent des sections (8) et en ce que la différence de débit d'air primaire (3) entre la partie haute et la partie basse est obtenue par adaptation des sections (8) d'injection d'air primaire (3). 5. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injection d'air primaire (3) est répartie en une composante axiale et une composante radiale, et en ce que la différence de débit d'air primaire (3) est appliquée à la composante axiale. 6. Brûleur (2) selon une des revendications 'I à 4, caractérisé en ce que l'injection d'air primaire (3) est répartie en une composante axiale etune composante radiale, et en ce que la variation de débit d'air primaire (3) est appliquée à la composante radiale. 7. Brûleur (2) selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la différence des débits d'air primaire (3) est appliquée aux deux composantes axiale et radiale. 8. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sections d'air primaire (3) sont constituées d'orifices (80, 81, 82, 83), ou de groupe d'orifices et en ce que cette différence de débit entre la partie haute et la partie basse est obtenue par une augmentation de la section de ces orifices (81, 83) de la partie basse. 9. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sections d'air primaire (3) sont constituées d'orifices (80, 81, 82, 83), ou de groupe d'orifices et en ce que cette différence de débit entre la partie haute et la partie basse est obtenue par une augmentation du nombre de ces orifices (81, 83) de la partie basse. 10. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des combustibles sont injectés à l'intérieur de l'injection d'air primaire (3). 11. Brûleur (2) selon la revendication 1,comprenant au moins un orifice (92) d'injection de combustible (5) avec un circuit d'injection d'air primaire de dispersion (50) avec un débit d'air primaire de dispersion, l'orifice (92) comprenant deux tubes concentriques (920) et (921), ledit brûleur (2) présentant une partie haute et une partie basse, caractérisé en ce que le débit d'air primaire est celui de l'air primaire de dispersion (50). 12. Brûleur (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la différence de débit d'air primaire de dispersion (50) est obtenuepar augmentation de la section de passage en partie basse par augmentation de la section de trous (94, 940) 13. Brûleur (2) selon la revendication 12, caractérisé en ce que la différence de débit d'air primaire de dispersion (50) est obtenue par augmentation du nombre de trous (94, 941). 14. Brûleur (2) selon une des revendications 12 à 13 dépendantes des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la différence de débit d'air primaire de dispersion (50) est obtenue avec des tubes (920, 921) non concentriques . 15. Brûleur (2) selon une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les orifices (940, 941) du bas ont une composante verticale.15