Brevet FR3091331A1 — publié le 20200703

Description Titre de l'invention : BRÛLEUR A FLAMME AJUSTABLE Domaine technique [0001] L'invention concerne de façon générale le domaine des brûleurs, par exemple les brûleurs pour fours rotatifs, tels que les fours à ciment ou les fours à chaux. Plus particulièrement, l'invention porte sur un brûleur qui comprend des moyens permettant d'ajuster la forme de sa flamme. Technique antérieure [0002] Dans les installations à four rotatif connues de l'état de la technique, la majorité de l'air de combustion, généralement appelé air secondaire, arrive à très haute température (souvent entre 300 et 1200°C) après avoir été utilisé comme air de refroidissement dc la matière chaude tombant du four. Par exemple, sur un four à ciment, l'air secondaire représente entre 80 et 95 % de l'air de combustion. [0003] Pour assurer un bon fonctionnement du four, de l'air complémentaire est injecté dans le brûleur à plus basse température, souvent à température ambiante. Cet air complémentaire, appelé aussi air primaire, est injecté à l'extrémité du bruleur, à haute pression (généralement entre 100 et 500 mbar) dans le but : d'aspirer l'air secondaire chaud au coeur de la flamme et d'assurer son mélange rapide avec le combustible du brûleur pour activer la combustion. de contrôler, par ses composantes axiales et radiales, la forme de la flamme (largeur et longueur) et permettre ainsi une adaptation aux conditions spécifiques du four. [0004] Dans les brûleurs connus, un problème se pose lors de l'injection d'un grand volume de combustible, par exemple sous forme gazeuse ou sous forme d'un solide pulvérisé et transporté par un grand volume d'air. En effet, dans ce cas, la quantité de mouvement générée par cette injection de combustible peut être bien supérieure à la quantité de mouvement générée par l'air primaire. En conséquence, la forme de la flamme et son profil thermique peuvent être très impactés par cette injection de combustible et de cc fait l'influence de l'air primaire sur la forme de la flamme devient insuffisante. [0005] Cependant, maitriser la forme de la flamme est importante, car dans le cas contraire des conséquences négatives peuvent en résulter, parmi lesquelles : une réduction de la flexibilité du brûleur, une inadéquation des profils de température dans le four, ce qui impacte son fonctionnement et augmente les risques d'endommagement de composants tels que les briques réfractaires, 2 une mauvaise maitrise du niveau d'émissions d'oxydes d'azote (N0x) produit par la combustion. [0006] L'objectif dc la présente invention est de proposer un brûleur présentant un meilleur ajustement de la forme de la flamme et permettant en conséquence de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. DESCRIPTION DE L'INVENTION [0007] A cet effet, l'invention a pour objet un brûleur comprenant un circuit annulaire de transport de combustible délimité par un tube interne et un tube externe sensiblement concentriques selon un axe longitudinal, ledit circuit présentant : une partie amont et une partie avale dans le sens d'écoulement du combustible, la partie avale se terminant par une extrémité ouverte, et une distance entre le tube interne et le tube externe variable entre la partie amont et la partie avale dudit circuit annulaire. [0008] Le brûleur comprenant en outre un élément dc déviation configure pour conférer une composante radiale à la direction d'écoulement d'un combustible se déplaçant dans ledit circuit annulaire de la partie amont vers l'extrémité ouverte. [0009] Selon l'invention, ledit élément de déviation est place dans le circuit annulaire dc transport de combustible et il est mobile en translation entre la partie amont et la partie avale dudit circuit. [0010] Le combustible peut être sous forme d'un fluide, par exemple un gaz, ou sous forme d'un solide pulvérise et transporté par un fluide tel qu'un gaz, éventuellement ayant un pouvoir calorifique, ou de l'air. [0011] Le brûleur selon l'invention comprend un élément dc déviation configure pour ajuster la forme dc la flamme en ajustant l'angle effectif d'injection de combustible dans le four. En effet, d'une part, la distance entre le premier tube et le deuxième tube est variable entre la partie amont et la pallie avale. [0012] D'autre part, l'élément de déviation est mobile en translation entre la partie amont et la partie avale du circuit de transport de combustible. [0013] L'angle effectif d'injection étant la résultante de sa composante axiale et de sa composante radiale, sa valeur dépend de la position de l'élément de déviation dans le circuit. En effet, plus il est positionné dans une zone où le circuit est étroit (la distance entre les deux tubes est réduite), plus le fluide passe par l'élément de déviation et donc plus la composante radiale augmente. A l'inverse, plus l'élément de déviation est positionné dans une zone où le circuit s'élargie (la distance entre les deux tubes augmente), moins la composante radiale est élevée, car une partie impornuite du combustible continue sa trajectoire axiale et ne passe pas à travers l'élément de déviation. [0014] En d'autres termes, selon la position de l'élément de déviation dans le circuit annulaire et la distance entre le tube interne et le tube externe au droit de l'élément de 3 déviation, l'élément de déviation occupe tout ou partie du circuit annulaire de transport de combustible. Ainsi, lorsque l'élément de déviation occupe tout le circuit annulaire, l'ensemble du combustible traverse l'élément de déviation. A l'inverse, lorsque l'élément de déviation n'occupe qu'une partie du circuit annulaire, une partie seulement du combustible traverse l'élément de déviation, le solde passant par l'espace libre autour de l'élément de déviation. La part de combustible traversant l'élément de déviation est ainsi d'autant plus grande que le rapport entre la section de l'élément de déviation et celle du circuit annulaire est faible. [0015] En conséquence, l'angle effectif d'injection du combustible peut être modifié en avançant ou en reculant l'élément de déviation entre la partie amont et la partie avale du brûleur. [0016] De cette manière, il est donc possible d'ajuster la forme de la flamme pour s'adapter à des variations des conditions de fonctionnement du four ou des propriétés du combustible injecté, en particulier lorsque la quantité de mouvement générée par l'injection de cc combustible est supérieure à celle générée par l'injection de l'air primaire. [0017] Un tel ajustement permet en outre de diminuer le niveau d'émissions d'oxyde d'azote en plaçant l'élément de déviation à une position appropriée. [0018] Selon un mode de réalisation, le tube interne est fixe par rapport au tube externe. [0019] Selon un autre mode de réalisation, ladite distance entre le tube interne et le tube externe est plus élevée dans la partie amont que dans la partie avale du circuit de transport de combustible. Le rétrécissement du circuit dans la partie en aval permet, en particulier dans le cas des combustibles gazeux, d'augmenter la composante radiale conférée par l'élément de déviation lorsque celui-ci est en position avancée dans la partie avale. [0020] Avantageusement, l'extrémité ouverte est pourvue d'un système de convergents configurés pour converger le combustible en sortie du brûleur vers l'axe longitudinal. Le fait de converger le combustible vers le centre du brûleur permet, en particulier dans le cas d'un gaz pauvre, de favoriser un mélange air/gaz et de raccourcir la flamme. [0021] Selon un mode de réalisation, la distance entre le tube interne et le tube externe est plus faible dans la partie amont que dans la partie avale. [0022] L'augmentation de la distance entre les deux tubes en aval permet de réduire la composante radiale en sortie du tube et de réduire en conséquence la vitesse de sortie du combustible, de sorte à l'approcher de la vitesse à l'entrée du circuit. [0023] Lorsque l'élément de déviation est positionné dans la partie avale, il couvre une partie de la distance entre les deux tubes. Dans ce cas, plus la distance entre le tube externe et l'élément de déviation est réduite, plus la vitesse de sortie du combustible est élevée. Cependant, une augmentation excessive de cette vitesse de sortie peut créer une usure rapide du brûleur et serait dommageable pour la partie avale du circuit, du fait du caractère abrasif de certains combustibles, en particulier les combustibles solides. Une augmentation de la partie avale permet donc de résoudre cc problème. [0024] Avantageusement, l'extrémité ouverte, comprend un élément additionnel réduisant la distance entre le tube interne et tube externe au voisinage de ladite extrémité ouverte. [0025] Dans ce cas, lorsque la partie avale du circuit présente une distance entre le tube interne et le tube externe plus élevée que dans la partie amont, ladite distance est de nouveau réduite, au niveau de l'extrémité ouverte, par l'élément additionnel de sorte, par exemple, à l'approcher de la distance entre les deux tubes dans la partie amont. Ainsi, on peut conserver une distance effective identique ou proche entre les deux tubes en entrée et en sortie de la partie avale. Ceci permet de limiter la variation de vitesse du combustible en fonction de la position de l'élément de déviation. [0026] Avantageusement, l'élément additionnel présente une forme configurée pour converger le fluide en sortie du brûleur vers l'axe longitudinal. [0027] Dans le cas de combustibles solides, la concentration du combustible au centre du brûleur permet de maintenir un faible niveau de formation d'oxydes d'azote. En effet, la concentration du combustible avec un faible taux d'oxygène favorise la formation de radicaux HCN et NH3 qui évoluent en N2 plutôt qu'en NOx. [0028] Avantageusement, l'élément de déviation présente une forme annulaire. Il en résulte une flamme homogène sur sa circonférence. La forme annulaire permet également de faciliter la fabrication du brûleur. En variante, l'élément de déviation peut présenter une forme dissymétrique de sorte de favoriser le développement de la flamme dans une direction particulière, par exemple vers la sole ou vers la voûte du four. Dans ce cas, le moyen de déplacement de l'élément de déviation peut comprendre un moyen d'ajustement de la position angulaire de l'élément de déviation de sorte d'orienter la flamme dans la direction souhaitée. [0029] Avantageusement, la distance entre le tube interne et le tube externe présente une valeur minimale et l'élément de déviation présente une hauteur égale à ladite valeur minimale. [0030] Ainsi, lorsque l'élément de déviation est dans la partie où la distance entre les deux tubes est minimale, la totalité du combustible passe par l'élément de déviation, ce qui permet de maximiser la composante radiale de l'angle d'injection. [0031] Selon un mode de réalisation, la distance entre le tube interne et le tube externe présente une valeur minimale et une valeur maximale, la valeur minimale étant inférieure ou égale à 85% de la valeur maximale. [0032] Avantageusement, l'élément de déviation comprend des pales, lesdites pales pouvant présenter un angle radial fixé entre 50 et 50°. [0033] L'invention porte également sur un four, en particulier un four rotatif, comprenant un brûleur selon la description ci-dessus. [0034] Les caractéristiques des modes de réalisations décrits ci-dessus peuvent être prises séparément ou ensemble ou encore selon différentes combinaisons. Brève description des dessins [0035] L'invention sera mieux comprise, et d'autres particularités et avantages apparaîtront, à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : [0036] [fig.11 représente une vue partielle d'un brûleur selon l'invention avec l'élément de déviation dans une première position ; [0037] [fig.2] représente le brûleur de la figure 1 avec l'élément de déviation dans une deuxième position ; [0038] [fig.3] représente schématiquement une vue en coupe longitudinale du brûleur avec l'élément de déviation dans la position de la figure 1 ; [0039] [fig.4] représente schématiquement une vue en coupe longitudinale du brûleur avec l'élément de déviation dans la position de la figure 2 ; [0040] [fig.5] représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'un brûleur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention avec l'élément de déviation dans une première position ; [0041] [fig.6] représente schématiquement une vue en coupe longitudinale du brûleur de la figure 5 avec l'élément de déviation dans une deuxième position ; [0042] [fig.7] représente schématiquement une vue en coupe longitudinale du brûleur selon un troisième mode de réalisation de l'invention avec l'élément de déviation dans une première position ; [0043] [fig.8] représente schématiquement une vue en coupe longitudinale du brûleur de la figure 7 avec l'élément de déviation dans une deuxième position ; [0044] [fig.9] [Fig. 10] représentent des variantes du brûleur de la figure 8 avec l'élément de déviation dans une même position. Description des modes de réalisation 6 [0045] Les figures 1 et 2 représentent une vue partielle d'un exemple de brûleur selon l'invention qui peut être utilisé avec des combustibles gazeux, par exemple dans un four à cimenterie. [0046] Le brûleur 1, comprend un tube interne 3 et un tube externe 4 sensiblement concentriques selon un axe longitudinal X visible sur la figure 3. Les deux tubes 3 et 4 forment un circuit annulaire 2 de transport de combustible. Le circuit de transport de combustible 2, présente dans le sens de l'écoulement du combustible une partie amont 2A et une partie avale 2B se terminant par une extrémité 2C. [0047] Le brûleur 1 comprend en outre un élément de déviation 5 comprenant par exemple des pales 6 orientées de sortes à donner une rotation au flux de combustible qui passe par cet élément de déviation 5. Ainsi, le flux de combustible en sortie de l'élément de déviation comprend une composante axiale et une composante radiale. On notera qu'à la figure 1, la paroi extérieure de l'élément de déviation 5 n'a pas été représentée afin de mieux visualiser les pales 6. Cette paroi extérieure est visible sur la figure 2. [0048] Tel que représenté dans la figure 1, l'élément de déviation 5 est dans une première position PO au niveau de l'extrémité 2C du circuit 2. La flamme formée par le brûleur 1 résultant de la position PO de l'élément de déviation 5 présente une première forme FO. [0049] Selon l'invention, l'élément de déviation 5 est mobile en translation dans le circuit 2 de transport de combustible entre la partie amont 2A et la partie avale 2B. Un mécanisme, non représenté, permettant d'assurer le déplacement de l'élément de déviation 5 peut, par exemple, être installé à l'arrière du brûleur 1. [0050] Conformément à l'invention, dans la figure 2, éléments de déviation 5 a été déplacé pour être positionné dans la partie amont 2A du circuit 2. En conséquence, dans cette position Pl, la forme de la flamme FI résultante est différente. [0051] Dans ce mode de réalisation, le tube interne 3 et le tube externe 4 sont fixes l'un par rapport à l'autre. Dans d'autres modes de réalisation, non illustrés, le tube interne peut être mobile par rapport au tube externe. Par exemple, l'élément de déviation peut être solidaire du tube interne et être en conséquence mobile en même temps que le tube interne par rapport au tube externe. [0052] La figure 3 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale du brûleur 1 tel que représenté par la figure 1. Le circuit 2 dans ce mode de réalisation présente une distance S entre le tube interne 3 et le tube externe 4 variable d'amont en aval. Plus précisément, la distance présente une valeur maximale Smax dans la partie amont 2A et une valeur minimale Smin dans la partie avale 2B. Dans ce mode de réalisation, la distance S baisse progressivement d'amont en aval sur la longueur Cmin représentée en figure 4. Cependant, dans d'autres modes de réalisations, non illustrés, la variation de la distance S peut être brusque. [0053] L'élément de déviation 5 présente une hauteur H qui est, dans ce mode de réalisation, 7 égale à la valeur minimale Smin. [0054] Dans d'autres modes de réalisation, non illustrés. H peut être différente de Smin en particulier plus petite que Smin. [0055] Ainsi, dans la position PO représentée par la figure 3, le flux du combustible passe entièrement par l'élément de déviation 5 au niveau de l'extrémité 2C. De cc fait, lors de ce passage, le flux du combustible est dans son entièreté dévié par l'élément de déviation 5 en lui procurant un composante radiale, résultant ainsi dans la forme de la flamc FO représentée par la figure 1. [0056] L'angle effectif d'injection du combustible dans le four étant la résultante de sa composante axiale et de sa composante radiale, il prend donc dans la position PO une valeur maximale. [0057] La figure 4 représente une vue en coupe longitudinale du brûleur 1 tel que représenté par la figure 2 et dans lequel l'élément de déviation est dans la position Pl. [0058] Dans ce cas, une partie du combustible Ch circulant entre la partie amont 2A et la partie avale 2B passe par éléments de déviation 5. L'autre partie passe directement de la partie amont 2A vers la partie avale 2B sans passer par l'élément de déviation 5, comme illustré par les flèches. Ainsi, seule la partie passant par l'élément de déviation 5 présente une composante radiale. En conséquence la forme de la flamme Fi dans la position P1 est modifiée. [0059] La distance Cmin est la distance minimale entre la partie du circuit 2 dans laquelle la distance S est minimale Smin et la partie dans laquelle la distance S est maximale Smax. [0060] Dans d'autres modes de réalisation non illustrés, l'élément de déviation 5 peut prendre n'importe quelle autre position entre la partie amont 2A et la partie avale 2B par ajustement d'un moyen de déplacement?. De cette manière, il est possible de modifier la forme de la flamme selon le besoin. [0061] En outre, le tube interne 3 peut transporter en son intérieur, de manière connue ou discontinue, un combustible, de l'air ou bien un mélange combustible / air. [0062] Enfin, le brûleur 1, peut comprendre d'autres éléments présents dans les brûleurs connus pour l'homme du métier. [0063] Les figures 5 et 6 représentent schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un brûleur selon l'invention, destiné en particulier, à la combustion de gaz pauvres en vue de leur valorisation, par exemple pour la production de vapeur. [0064] Le brûleur 10, comprend un tube interne 30 et un tube externe 40. Les deux tubes 30 et 40 forment un circuit annulaire 20 de transport de combustible. Le circuit de transport de combustible 20, présente une partie amont 20A et une partie avale 20B se terminant par une extrémité 20C. [0065] Le brûleur 10 comprend en outre un élément de déviation 50 positionné dans le 8 circuit 20 et configure pour être mobile en translation entre la partie amont 20A comme illustré par la figure 6 (position P1') et la partie avale 20B comme illustré par la figure 5 (position P0'). [0066] Dans ce mode de réalisation, un gaz pilote G est injecté via un tube central 60 pour assurer la fonction de flamme pilote avant l'injection du gaz pauvre Gp. Une fois que la flamme du gaz pauvre Gp est établie, la flamme pilote peut être éteinte en fermant l'arrivée de gaz pilote G. Dans certains cas, néanmoins, la flamme pilote peut être maintenue. [0067] Pour assurer le bon fonctionnement du brûleur, la majorité de l'air A (air secondaire) est injecté entre les tubes 60, 61 et 61, 30 qui sont coaxiaux au tube central 60. Cet air A peut avantageusement passer par un élément de déviation 62 pour procurer à son mouvement une composante radiale. [0068] Le gaz pauvre Gp arrive par une entrée latérale E avec un angle proche de 90' puis celui-ci est dirigé vers la partie amont 20A comme indiqué par les flèches. Le gaz pauvre Gp est ensuite transporté dans le circuit 20 jusqu'à l'extrémité 20C où il est dirigé pour être brûlé dans la chambre de combustion et produire de la vapeur. [0069] De manière similaire au mode de réalisation des figures 1 à 4, selon la position de l'élément de déviation 50, qui peut être similaire à l'élément de déviation 5 décrit précédemment, obtenue par ajustement d'un moyen de déplacement Si, il est possible d'ajuster la forme de la flamc résultante. [0070] Avantageusement, l'extrémité 20C peut comprendre un système de convergents 21 configurés pour converger le combustible en sortie du brûleur 10 vers l'axe longitudinal X. [0071] Le corps du brûleur B n'est représenté que partiellement. Il peut prendre n'importe quelle forme et/ou élément connue pour l'homme du métier. [0072] Les figures 7 et 8 représentent un autre exemple de brûleur 100 selon l'invention. Le brûleur 100 est destiné à bruler des combustibles solides pulvérisés, tels que du charbon, avec une émission réduite de gaz NOx. [0073] Le brûleur 100, comprend un tube interne 300 et un tube externe 400. Les deux tube 300 et 400 forment un circuit annulaire 200 de transport d'un combustible PC. Le circuit de transport de combustible 200 présente dans le sens de l'écoulement du combustible une partie amont 200A et une partie avale 200B se terminant par une extrémité 200C. [0074] Contrairement aux modes de réalisation précédents, la distance S entre le tube interne 300 et le tube externe 400 présente une valeur maximale Smax dans la partie avale 200B et une valeur minimale Smin dans la partie amont 200A. [0075] La variation de la distance S entre la partie amont et la partie avale est abrupte dans ce mode de réalisation. Cependant, elle peut être progressive dans d'autres modes de 9 réalisation non représentés. [0076] Le brûleur 100 comprend en outre un élément de déviation 500 qui peut être similaire à l'élément de déviation 5 décrit précédemment. Cet élément de déviation 500 est configure pour être mobile en translation dans le circuit 200. Dans l'exemple représenté, l'élément de déviation 500 est plus précisément mobile entre une extrémité de la partie amont représentée par le décrochement 301 et l'extrémité aval 200C. [0077] Dans cet exemple de réalisation de l'invention représenté en figure 7 (position PO") et en figure 8 (position Pl"), le brûleur comprend également deux circuits externes pour véhiculer deux autres fluides AA et RA, par exemple d'autres combustibles, de l'air de combustion ou un mélange entre un combustible et de l'air. En variante, le tube interne 300 peut également véhiculer en son sein un fluide complémentaire Q. [0078] La figure 9 représente une variante du mode de réalisation de la figure 8 dans lequel l'extrémité 200C est pourvue d'un élément additionnel 201 permettant de réduite la distance S au niveau de cette extrémité. Avantageusement, la distance S résultante est égale à la hauteur H de l'élément de déviation. Par exemple, ceci peut permettre de conserver la même distance S=Stnin à l'entrée et à la sortie de la partie avale 200B. Ainsi, la variation de vitesse du combustible en fonction de la position de l'élément de déviation 500 est limitée. [0079] La figure 10 représente une autre variante du mode de réalisation de la figure 8 dans lequel l'extrémité 200C est pourvue d'un élément additionnel 202 qui présente une forme configurée pour converger le fluide en sortie du brûleur 100 vers l'axe longitudinal X. Cette variante permet de réduire davantage les NOx et de concentrer le combustible au centre du brûleur 100, notamment s'il s'agit d'un combustible solide pulvérisé. [0080] Dans chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus, l'élément de déviation 5 ; 50 ; 500 peut présenter une forme annulaire. Il peut en outre comprendre des pales et d'autres éléments ou formes connus pour l'homme du métier [0081] Avantageusement, lesdites pales présentent un angle de déviation entre 50 et 50°. [0082] Avantageusement, dans chacun des modes de réalisation décrits Smin peut être inférieur ou égale à 85% de Smax. [0083] Dans les exemples de réalisation décrits précédemment et représentés sur les figures, le combustible qui ne passe pas dans l'élément de déviation passe par l'extérieur de celui-ci, c'est-à-dire dans l'espace situé entre l'élément de déviation et le tube externe. En variante, le combustible qui ne passe pas dans l'élément de déviation circule dans l'espace situé entre l'élément de déviation et le tube interne. [0084] 10