La présente invention concerne un brûleur
comportant un stabilisateur de flamme et au moins cinq
conduits sensiblement concentriques dont au moins deux
d'alimentation en combustible, l'un au moins ayant une
sortie centrale et l'autre une sortie annulaire, et dont
au moins trois d'alimentation en air de combustion
primaire l'un au moins ayant une sortie d'air axial et
l'autre une sortie d'air mis en rotation, lesquelles
sorties d'air étant concentriques et disposées à
l'extérieur des ouvertures de sortie d'alimentation en
combustible.
Le domaine technique de l'invention est la
réalisation d'un brûleur pouvant utiliser un ou
plusieurs combustibles avec des aménagements
particuliers de conduits d'alimentation en air.
L'application principale de cette invention est
son utilisation dans des brûleurs pour fours tubulaires
rotatifs dans lesquels l'air de combustion primaire est
amené d'une part à plus de 80% par au moins les deux
conduits concentriques d'alimentation en air axial et en
rotation, et d'autre part par au moins un troisième
conduit dont la sortie est recouverte par le
stabilisateur et dans lequel est injecté les au plus 20%
d'air primaire restant. Pour cela ledit stabilisateur de
flammes comporte des ouvertures pour le passage de cet
air, soit au plus les 20% ci-dessus, et de préférence
moins de 10% de cet air primaire, de telle façon que
dans la zone située en aval de se stabilisateur ne se
produise aucune combustion notable de combustible,
alimenté par l'un ou l'autre des conduits dudit brûleur,
qualifiant ladite zone de "morte" : un tel brûleur est
décrit et revendiqué dans le brevet européen EP 421 903
publié le 10 avril 1991 et déposé par le même déposant
que pour la présente invention.
Celle-ci peut être en fait considérée comme un
perfectionnement apporté à de tels brûleurs et plus
généralement à tout brûleur que l'on peut qualifier de
moderne, comportant des conduits d'alimentation en
combustible et en air de combustion primaire, suivant
l'application principale définie ci-dessus, lesquels
conduits formant ensemble une buse destinée à être
montée sur un orifice prévu pour cela dans la paroi de
l'enceinte formant le foyer du four ou chambre à
combustion, autour de laquelle est amené l'air
secondaire.
Dans l'application spécifique de la présente
invention, et tel qu'enseigné en option dans le brevet
EP 421 903 le brûleur comporte une alimentation
annulaire en combustible solide pulvérisé disposé entre
un conduit central à l'intérieur duquel est glissé au
moins une canne d'alimentation de combustible fluide au
moins de démarrage et les deux dits conduits annulaires
concentriques en air primaire alimentant le brûleur à
plus de 80%, l'un sous forme de courant d'air
tourbillonnant comportant des composantes d'écoulement
périphérique et l'autre sous forme de courant d'air
axial comportant des composantes d'écoulement
sensiblement axial.
L'objectif de la présente invention est
- d'une part d'obtenir une ambiance oxydante à proximité
et autour de la flamme afin d'éviter la volatilisation
du soufre qui peut être présent dans la matière première
des fours rotatifs à ciment sous forme d'oxyde de soufre
SO3 et dans le combustible lui même, et de l'évacuer
alors avec la matière cuite ("clinker")
- et d'autre part de réduire la quantité d'oxygène
disponible au contact de chaque grain de combustible
solide pulvérisé (dit CSP tel que charbon, anthracite,
coke de pétrole ou combustible solide alternatif) dans
la zone d'inflammation afin de réduire les émissions
d'oxyde d'azote (NOx).
Suivant l'invention on atteint les objectifs ci-dessus
en disposant le conduit d'alimentation annulaire
en combustible solide pulvérisé à l'intérieur de celui
dit central d'amenée des 20% au plus de préférence 10%
d'air primaire, tel que défini précédemment, ladite
sortie d'alimentation en combustible solide pulvérisé
débouchant à l'intérieur du stabilisateur.
Dans un mode préférentiel de réalisation ledit
conduit de combustible solide pulvérisé est disposé
immédiatement et radialement autour d'un tube central
dans lequel est glissé le conduit central d'alimentation
en combustible fluide.
Le résultat est de rapprocher l'injection de
combustible solide pulvérisé de l'axe du brûleur, ce qui
l'éloigne et en retarde le contact avec d'une part la
plus grande partie d'air primaire du brûleur amené par
les circuits extérieurs concentriques axiaux et en
rotation, et d'autre part l'air secondaire chaud
périphérique, ce qui en retarde la dilution et par voie
de conséquence réduit l'oxygène disponible dans la
première zone de flamme tout en maintenant alors plus
Longtemps la périphérie de la flamme oxydante, ce qui
répond à l'objectif recherché.
En effet le taux de volatilisation de l'oxyde de
soufre SO3 sous forme de dioxyde SO2 gazeux est
extrêmement sensible à la teneur en oxygène (ce taux
peut en effet doublé lorsque l'on passe de 3% d'oxygène
à 0,5% d'oxygène au contact du clinker ) : il faut donc
absolument éviter les conditions réductrices à la
surface de celui-ci, ce qui est obtenu par le
rapprochement de l'injection du combustible solide
pulvérisé de l'axe du brûleur.
Dans des modes particuliers de réalisation afin
de réduire encore plus les émissions d'oxyde d'azote, on
réduit suivant l'invention la quantité d'air de
transport du combustible solide pulvérisé, ou ce qui est
la même chose on augmente la concentration de celui-ci
par rapport au volume d'air de transport qui le
véhicule, de telle façon que la concentration, rapportée
au fluide gazeux de transport, en combustible solide
pulvérisé dans son conduit d'alimentation est au moins
égale à 4 Kg de combustible solide pulvérisé par kilo de
fluide de transport.
De même et dans le même objectif, suivant un
mode particulier de réalisation, le fluide de transport
de combustible solide pulvérisé est constitué d'un
mélange d'air et de gaz combustible, tel que par exemple
de l'air appauvri en oxygène par mélange avec des fumées
de combustion recyclées.
Par ailleurs, du fait du rapprochement de
l'injection du combustible solide pulvérisé de l'axe du
brûleur, la flamme à tendance à se rallonger : aussi
suivant la présente invention, dans un mode particulier
de réalisation, on augmente l'impulsion spécifique ou la
quantité de mouvement axiale du brûleur en utilisant une
pression d'air primaire, à l'entrée des circuits
d'alimentation en air de combustion primaire, d'au moins
égale à 3000 decaPascal : on obtient ainsi des flammes
non seulement oxydantes, mais aussi courtes et vives,
tout en obtenant une réduction de l'oxyde d'azote.
On pourrait citer d'autres avantages de la
présente invention mais ceux cités ci-dessus en montrent
déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et
l'intérêt.
La description ci-après et les figures ci-jointes
représentent deux exemples de réalisation de
l'invention mais n'ont aucun caractère limitatif;
d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la
portée et de l'étendue de l'invention, qui peut en effet
s'adapter à d'autres types de brûleurs ayant les
caractéristiques principales rappelées précédemment et
définies ci-après : en particulier le stabilisateur peut
affecter n'importe quelle forme dès lors qu'il crée une
surface plane générant un remous aérodynamique de
stabilisation de front de flammes par effet de sillage.
- La figure 1 est une demi-vue en coupe
longitudinale simplifiée d'un exemple de brûleur selon
l'invention et représentant un premier exemple de
perfectionnement d'un brûleur tel que décrit dans le
brevet EP 421 903.
- La figure 2 est une demi-vue en coupe
longitudinale simplifiée d'un autre exemple de brûleur
selon l'invention avec une particularité supplémentaire
par rapport à celui représenté sur la figure 1.
La présente invention s'applique à tous brûleurs
tels que représentés sur ces deux figures comportant au
moins cinq conduits 4, 5, 7, 11 et 15 sensiblement
concentriques dont
- au moins deux d'alimentation en combustible 7,
15, l'un au moins ayant une sortie centrale 9 et l'autre
une sortie annulaire 16, et
- au moins trois d'alimentation en air de
combustion primaire 4, 5, 11, l'un au moins ayant une
sortie 12 d'air axial et l'autre une sortie 14 d'air mis
en rotation, lesquelles sorties 12, 14 d'air axial et
d'air primaire étant disposées à l'extérieur de toutes
ouvertures de sortie de combustible.
Le brûleur comporte également un stabilisateur 3
placé autour de ladite sortie centrale 9 de combustible
fluide au moins de démarrage, et débordant radialement
par rapport à celle-ci jusqu'à recouvrir au moins la
sortie du au moins troisième conduit 11 d'amené d'air
primaire dit central débouchant à travers des orifices
13 dudit stabilisateur.
Selon l'invention l'alimentation annulaire en
combustible est une alimentation en combustible solide
pulvérisé (CSP) dont le conduit 15 est situé à
l'intérieur de celui 11 d'amené d'air primaire central
et sa sortie 16 débouche à l'intérieur du stabilisateur
3.
De préférence le conduit 15 de combustible
solide pulvérisé est disposé immédiatement et
radialement autour d'un tube central 8 dans lequel est
glissé le conduit central 7 d'alimentation en
combustible fluide.
Comme dans le brevet EP 421 903, la distance
radiale minimale desdites ouvertures de sorties 12, 14
d'air axial et d'air mis en rotation, constituant la
majeur partie d'air primaire débouchant à l'avant de la
tête du brûleur 1 et en aval du stabilisateur 3,
laquelle distance étant comptée par rapport au centre de
la buse du brûleur 1, est au moins égale à deux fois le
rayon de l'ouverture centrale 17 correspondant
sensiblement à l'orifice 9 du conduit 7 du combustible
central.
De plus ledit stabilisateur 3 déborde nettement
en direction radiale par rapport à l'ouverture centrale
17 et ses ouvertures 13 pour le passage d'une petite
quantité de l'air de combustion primaire dit central
sont disposées à la sortie du conduit 11 annulaire de
conduit d'alimentation de cet air.
L'ensemble des ouvertures des conduits
débouchant à l'intérieur du stabilisateur 3 sont situées
en amont et à une distance X de la sortie au moins de
l'orifice 12 du conduit annulaire 5 d'air axial
primaire.
Selon l'invention et conformément aux
caractéristiques du brevet précédent cité ci-dessus, la
totalité de l'air primaire débouchant dans ledit
stabilisateur 3 par le dit conduit annulaire 11 à
travers les orifices 13 représente tout au plus une
petite quantité d'air primaire de préférence de 2 à 10 %
de la totalité de l'air primaire alimentant ledit
brûleur 1, de telle façon que dans la zone centrale 2
située immédiatement en aval dudit stabilisateur 3 ne se
produise aucune combustion notable du combustible
qualifiant ladite zone centrale 2 de morte.
Dans le mode de réalisation de la figure 1 cette
zone morte 2 forme un disque continu correspondant à la
totalité de la surface des ouvertures de sorties des
conduits situés à l'intérieur du stabilisateur 3 à
savoir le conduit 7 d'amené du combustible fluide
central dans la canne 10, le conduit 15 d'amené du
charbon pulvérisé et le conduit annulaire 11 d'amené
d'air primaire dans cette zone morte 2.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, le
conduit 4 d'alimentation en air mis en rotation est
disposé immédiatement, radialement et concentriquement
autour du circuit 15 d'alimentation en combustible
solide pulvérisé et à l'intérieur de celui 11 d'amenée
d'air primaire central, le sortie 14 de cet air mis en
rotation débouchant à l'intérieur du stabilisateur
central 3.
En ce cas et comme dans l'autre mode de
réalisation de la figure 1, l'air primaire dit central
alimenté par ledit conduit 11 débouchant dans le
stabilisateur 3 représente également tout au plus une
petite quantité d'air primaire de 2 à 10% de la totalité
de cet air primaire, de telle façon que dans la zone
constituée par la couronne de sortie dudit air primaire
central ne se produise aucune combustion notable du
combustible qualifiant ladite zone primaire de morte.
Cette zone provoque alors des remous opposés,
sur chacun de des bords circulaires, créant un obstacle
aux deux écoulements l'un extérieur et l'autre intérieur
à la couronne, et crée un effet dépressionnaire.
Dans cette variante de la figure 2, certes
l'alimentation en combustible solide pulvérisé est moins
éloignée de l'alimentation 4 en air mis en rotation mais
est encore éloignée du circuit d'air primaire axial 5 et
de l'air secondaire, ce qui maintient l'effet recherché.
Par contre cette disposition présente l'avantage que
l'effet aérodynamique du circuit d'air radial 4 sur la
forme de l'écoulement du flux du combustible solide
pulvérisé du conduit 15 est, du fait de leur proximité,
beaucoup plus efficace : en effet l'écoulement d'air
radial sortant de l'ouverture 14 tend à imposer sa forme
au flux de combustible solide pulvérisé du fait de la
proximité des lignes de courant, et comme l'on peut
régler ce circuit d'air radial, on peut plus facilement
régler et adapter ledit brûleur aux conditions
d'utilisation particulière de chaque four rotatif.
Dans ce mode de réalisation de la figure 2, la
quantité totale d'air primaire radial 4 et d'air central
débouchant à l'intérieur du disque défini par le
pourtour externe dudit stabilisateur 3, représente au
plus 30% de l'air primaire total alimenté par l'ensemble
des conduits dudit brûleur.
Dans le brûleur selon l'invention, comme dans le
brûleur suivant le brevet précédent EP 421 903, la
totalité de l'air de combustion primaire alimentant
ledit brûleur 1 par l'ensemble des conduits situés dans
ledit brûleur est au plus égal à 6% de l'air total de
combustion, le reste de l'air dit secondaire arrivant
périphériquement par l'extérieur de la tête du brûleur 1
autour du tube externe 6 de celui-ci.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, les
au plus 30% d'air primaire débouchant à l'intérieur du
disque défini par le pourtour externe du stabilisateur 3
est donc de : 30% × 6% = 1,8% de l'air de combustion, ce
qui est très peu; et dans les deux modes de réalisations
des figures 1 et 2 l'air primaire débouchant à travers
les orifices 13 du stabilisateur ne représente que 2 à
10% desdits 6% soit de 0,12 à 0,6 % de l'air de
combustion total.
Cette faible quantité d'air confirme que la zone
2 située en aval dudit stabilisateur, qu'il soit en
couronne périphérique du conduit d'air primaire radial 4
suivant la figure 2, ou formant un disque continu autour
des seuls conduits d'alimentation en combustible 7 et 15
suivant la figure 1, constitue une zone dépréssionnaire
dans laquelle ne se produit aucune combustion notable du
combustible qualifiant bien ladite zone 2 de morte.
Suivant la présente invention dans le cas où des
combustibles alternatifs supplémentaires seraient
utilisés, les autres cannes d'amenée de ce combustible
sont placées dans le conduit 11 d'alimentation en air
primaire dit central et débouchent dans des ouvertures
13 dudit stabilisateur 3.