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Brûleur céramique
L'invention concerne un brûleur céramique, en particulier pour cowper, avec un conduit de combustible gazeux entouré de façon concentrique par un conduit annulaire d'air de combustion et se prolongeant en un orifice de brûleur évasé, une première couronne de buses étant prévue dont les buses partant du conduit annulaire d'air de combustion débouchent dans l'orifice du brûleur.
Un tel brûleur est décrit dans DE-OS 28 09 521. Dans ce brûleur, seules les buses d'une seule couronne débouchent dans l'orifice du brûleur. De cette manière, on n'obtient qu'une médiocre stabilisation de la flamme, en particulier en cas de grands débits volumiques de milieux de combustion.
Une mauvaise stabilisation de la flamme peut donner lieu par exemple à des problèmes de combustion et à des fluctuations. Ces dernières sont surtout néfastes parce qu'elles peuvent occasionner des pulsations du brûleur. Cela entraîne une forte sollicitation mécanique du brûleur et dans certains cas un développement considérable de bruit dans l'installation de régénération.
Le DE-OS 28 09 521 prévoit une seconde couronne de buses. A partir du conduit annulaire d'air de combustion, ces buses débouchent dans le conduit de combustible gazeux en-dessous de l'orifice
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du brûleur. Ainsi, on obtient un mélange préalable du gaz de combustion avec l'air. Ce mélange préalable renforce par exemple la tendance du brûleur à pulser.
Un tel brûleur est également décrit dans DE-AS 25 41 991.
Le brûleur proposé dans DE-OS 15 51 777 ne présente qu'une seule couronne de buses. Celle-ci débouche dans l'orifice du brûleur.
Le but de l'invention est d'obtenir une combustion sans problème, pauvre en émissions, pour de faibles volumes de gaz et pour de grands volumes de gaz. De plus, le but de l'invention est d'éviter de façon sûre un endommagement du brûleur, en particulier par un mode de fonctionnement sans pulsation, même en cas de volumes de gaz relativement grands et de sollicitation élevée de la chambre de combustion.
Selon l'invention, le but ci-dessus est atteint par un brûleur du genre cité au début en ce que les buses d'une seconde couronne de buses partant du conduit d'air de combustion débouchent également directement dans l'orifice du brûleur.
Il en résulte une pluralité de petites flammes rondes brûlant de façon stable. Les pulsations de haute énergie des flammes sont ainsi évitées. Il est ainsi garanti que le système de brûleur n'est pas incité à pulser, de sorte que la charge dynamique du brûleur et le développement de bruit dans l'installation de régénération sont faibles.
De plus, on obtient un comportement favorable de combustion qui possède, des petites aux grandes puissances de flamme, un rendement de flamme supérieur à 95% dans la zone de la plage de
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fonctionnement stoechiométrique.
Le brûleur offre la possibilité de brûler avec peu d'émissions de grands volumes de gaz de faible valeur calorifique provenant du processus du haut-fourneau, en particulier du gaz du gueulard ou du gaz de haut-fourneau. On obtient également une combustion avec peu de substances toxiques, respectant l'environnement, de grands volumes de gaz de haut-fourneau, avec adjonction de gaz riche comme le gaz de cokerie, le gaz naturel, le gaz de convertisseur, sans développement gênant de bruit dans la gamme audible. De plus, il est de préférence possible d'amener au brûleur du combustible gazeux et/ou de l'air de combustion préchauffé extérieurement.
L'invention rend le besoin en énergie relativement faible puisqu'il se produit en particulier dans le brûleur une perte de pression statique relativement faible des milieux de combustion. L'invention permet de compenser dans une large mesure les amplitudes habituelles de fluctuations dans l'amenée des milieux de combustion.
Dans tous les cas, les valeurs limites des prescriptions relatives aux émissions sont respectées.
Dans une configuration préférée de l'invention, les buses de la deuxième couronne de buses sont prévues décalées en quinconce par rapport à celles de la première. Cela garantit la formation d'une structure de flammes ne présentant pratiquement pas de lacune dans deux cercles concentriques par rapport à l'orifice du brûleur, vu en direction radiale. De préférence, l'angle d'ouverture de l'orifice du brûleur est de 80 à 90 .
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On obtient ainsi une stabilisation de flamme sûre, stable.
Dans la configuration de l'invention, il est prévu dans les buses des éléments qui sont interchangeables avec des éléments de sections différentes. Cela permet d'adapter le volume d'air passant dans les deux couronnes de buses à des conditions de fonctionnement variables en soi, eu égard aux genres de gaz qui changent au cours des années pour des raisons d'ordre énergétique, et à leurs grandeurs d'influence du point de vue technique de la combustion, comme par exemple l'analyse, le pouvoir calorifique, le préchauffage ou les conditions de pression statiques. L'invention présente ici de nouvelles caractéristiques innovantes en ce que le système céramique rigide est pour la première fois pourvu de possibilités de réglage de fonctionnement qui ne nécessitent pas l'arrêt du haut-fourneau.
De préférence, les possibilités de réglage sont élargies en ce qu'il est prévu entre les couronnes de buses, dans le conduit annulaire d'air de combustion, une chicane dont la section d'obturation est également réglable.
Pour la combustion de très grands débits volumiques avec des puissances calorifiques de 120 à 200 MW avec un seul brûleur céramique, il est prévu dans une autre exécution de l'invention une troisième couronne de buses dont les buses aboutissent du conduit annulaire d'air de combustion dans le conduit de combustible gazeux, loin en-dessous de l'orifice du brûleur. Cette exécution permet un pré-mélange adapté. Pour obtenir un pré-mélange adapté, les buses de la troisième couronne peuvent de préférence être mises en et hors service.
En cas de perturbations de fonctionnement
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lors de la mise en marche ou de l'arrêt de régénérateurs, il y a souvent un risque de concentrations incontrôlées de gaz pauvre ou de gaz riche.
Il peut en résulter des déflagrations dans le brûleur céramique. Pour éviter que le brûleur n'en soit endommagé, une configuration de l'invention prévoit que la paroi en briques réfractaires séparant le conduit annulaire d'air de combustion du conduit de gaz soit entourée d'un bandage métallique résistant à la chaleur et au calaminage.
De plus, cette enveloppe métallique empêche la formation de courts-circuits entre le conduit de gaz et le conduit d'air, ce qui augmente considérablement la sécurité d'emploi par rapport aux constructions purement céramiques connues. Ce bandage métallique est également réalisable pour l'ensemble du régénérateur.
Les avantages substantiels de l'invention résident dans les possibilités de réglage du brûleur céramique pour l'amortissement ou la diminution des ondes stationnaires, fluctuations du système de combustion ou pulsations qui se produisent.
De plus, il est possible de décaler la fréquence en-dehors de la gamme de fréquence dangereuse pour le régénérateur.
D'autres configurations avantageuses de l'invention se dégagent des revendications subordonnées et de la description suivante. Les dessins représentent : Fig. 1 une représentation schématique d'un brûleur céramique en coupe longitudinale, Fig. 2 une vue partielle du brûleur dans la zone de l'orifice du brûleur, Fig. 3 une vue partielle selon la figure 2 avec les
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éléments intérieurs des buses, Fig. 4 une vue selon la ligne IV-IV de la figure 3, Fig. 5 une buse avec un corps de division du flux indiqué à titre d'exemple, Fig. 6 une vue selon la ligne IV-IV de la figure 5, et Fig. 7 une vue selon la figure 1 ou la figure 3 d'une troisième couronne de buses sous l'orifice du brûleur.
Un brûleur céramique présente une chambre de combustion 1 à l'intérieur d'une enveloppe en maçonnerie 2 entourée d'une chemise en tôle 3.
Le brûleur forme un conduit de combustible gazeux 4 dans lequel débouche une tubulure de gaz 5. Le conduit de gaz 4 est séparé d'un conduit annulaire d'air de combustion 7 par une paroi cylindrique 6 en briques réfractaires. Dans ce conduit annulaire débouche une tubulure d'air de combustion 8.
Le conduit de combustible gazeux 4 aboutit dans la chambre de combustion 1 par un orifice de brûleur 9. L'orifice 9 présente, dans sa zone aboutissant à la chambre de combustion l, un angle d'ouverture W compris entre 80 et 1000. Dans l'orifice de brûleur 9 débouchent les buses 10 d'une première couronne 11 et les buses 12 d'une seconde couronne 13. Les buses 10, 12 se trouvent en liaison avec le conduit d'air de combustion 7. Durant le fonctionnement, il se produit dans l'orifice du brûleur, à toutes les buses 10, 12, une flamme centrale propre.
Dans l'orifice 9 du brûleur, les buses 12 se trouvent plus près de l'extérieur que les buses 10. Les buses 12 débouchent dans la zone de l'angle d'ouverture W dans l'orifice 9 du brûleur. Les buses
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12 débouchent dans l'orifice 9 du brûleur dans sa zone de passage au conduit de combustible gazeux 4.
Les buses 12 sont décalées en quinconce par rapport aux buses 10 dans l'orifice 9 du brûleur. La largeur a des buses 10, 12 se trouve de préférence dans un rapport maximal de 1 : 4,4 vis à vis de leur longueur b. Les buses rectangulaires 10 et les buses rectangulaires 12 sont de préférence chaque fois identiques entre elles. Selon les conditions d'utilisation, les sections transversales des buses 10 peuvent différer de celles des buses 12.
La distance c entre axes des buses des couronnes 11 et 13 est égale à environ 7 à 8 fois, en particulier 7,8 fois la largeur a des buses 10, 12.
La paroi 6 est entourée d'un bandage cylindrique 14 (voir fig. 2). Le bandage 14 se compose de préférence de plusieurs segments métalliques et est assemblé en plusieurs tronçons.
Pour l'assemblage des segments et tronçons, on prévoit de préférence des assemblages à brides. Entre le bandage 14 et la paroi 6 est prévu un espace de dilatation 15, réalisé de préférence par un matelas isolant réfractaire. Au bandage 14 sont reliés des dispositifs de support 16 pénétrant dans les buses 10, 12. Ces dispositifs sont prévus pour porter les éléments intérieurs 17 dans les buses de manière telles qu'ils puissent être changés rapidement et aisément.
Les éléments intérieurs 17 des buses sont de préférence constitués de matériaux métalliques ou céramiques techniques. Des éléments intérieurs 17 de buses sont disponibles en différentes sections quelconques, pour pouvoir adapter les buses en cas de besoin ou à des fins d'optimalisation. Cela est possible depuis le conduit
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annulaire 7 d'air de combustion sans interruption de fonctionnement.
Le bandage 14 présente une chicane 18 entre les couronnes de buses 11, 13. Celle-ci se compose de préférence de segments métalliques et est ajustable pour obtenir une division appropriée du flux d'air de combustion entre les couronnes de buses 11, 13.
Il est également possible de prévoir sur les supports 16, au lieu des éléments de buses 17, des grilles 19 (voir fig. 5,6). Celles-ci servent à diviser le flux d'air passant dans les buses 10, 12.
Par ces grilles 19, la stabilité de la flamme principale est encore augmentée par la production de flammes d'entretien. Les grilles 19 sont de préférence en matériaux céramiques techniques, comme par exemple le SiSiC recristallisé.
La figure 7 montre une troisième couronne 20 de buses 21. Les buses 21 vont du conduit annulaire d'air de combustion 7 au conduit de combustible gazeux 4. Elles débouchent dans ce dernier largement en amont, en-dessous de l'orifice 9 du brûleur, de sorte qu'il se produit par la couronne de buses 20 un pré-mélange adapté d'air de combustion et de gaz.
Dans la zone de la troisième couronne de buses 20, le conduit de gaz de combustion 4 est
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configuré à la manière d'une tuyère Laval 22. Les buses 21 débouchent dans la tuyère Laval 22 dans une zone où cette dernière s'élargit à nouveau dans le sens d'écoulement.
Les buses 21 contiennent également des supports 16 pour des éléments intérieurs de buse 17.
Dans le conduit d'air de combustion 7 est prévue, au-dessus de la troisième couronne de buses
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20, une autre chicane 23 de construction analogue à celle de la chicane 18. La répartition de l'air entre la troisième couronne 20 et les couronnes 11, 13 peut être ajustée au moyen de la chicane 23.
Le nombre total minimal Z des buses 10, 12 dépend du volume transporté prévu V en Nm3/h de combustible gazeux. Il s'obtient à partir de la formule
Z = V/1250 Le nombre de buses ainsi obtenu est régulièrement réparti sur les couronnes 11, 13.
Le mode de fonctionnement du brûleur décrit est pratiquement le suivant.
Par les deux couronnes 11, 13 sont produites de petites flammes rondes qui ne s'influencent guère entre elles. Il en résulte un comportement stable de combustion. Cela évite les fluctuations à haute énergie qui provoquent dans la combustion des pulsations nuisibles. L'adaptation des éléments intérieurs 17 des premières buses 10 d'une part, et des éléments intérieurs 12 de la deuxième couronne 13 d'autre part, ainsi que l'ajustement de la chicane 18, permettent de régler les impulsions, les vitesses d'écoulement et le débit volumique passant par les buses 10 et 12 de façon que la tendance acoustique soit à l'amortissement des pulsations (obtention d'un comportement capacitif acoustique à l'orifice du brûleur).
De plus, on obtient une fréquence de flamme bien supérieure à la fréquence critique de base (zone infrasonore) du système brûleur-chambre de combustion.
L'adaptation des éléments intérieurs 17 de buse et le positionnement de la chicane 18 sont possibles lorsque le brûleur est monté dans le régénérateur, car les éléments 17 et la chicane 18
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sont facilement accessibles depuis le conduit annulaire 7 d'air de combustion qui est d'un accès aisé.
En cas de déflagrations, le bandage 14 garantit la paroi 6 contre les chocs de pression. En même temps, il empêche les courts-circuits dangereux qui se produisent au fil des ans entre le conduit de gaz et le conduit d'air.