BE1023896B1 - Procede de combustion de combustible dans une chambre de combustion tubulaire - Google Patents

Abstract

Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion tubulaire, comprenant, dans cette chambre de combustion, une projection axiale, à partir d'un brûleur, d'un jet de combustible solide pulvérulent déplacé par un air de transport, et éventuellement d'un flux d'air primaire, et une alimentation en un gaz comburant de manière à former un courant de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur, à une température occasionnant une combustion du combustible, le rapport entre débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur et débit spécifique de quantité de mouvement du gaz comburant étant égal ou inférieur à 1,0 et supérieur à zéro.

Description

Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion tubulaire

La présente invention est relative à un procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion tubulaire, comprenant, dans cette chambre de combustion, - une projection axiale, à partir d’un brûleur, d’un jet de combustible solide pulvérulent déplacé par un air de transport, et éventuellement d’un flux d’air primaire, et - une alimentation en un gaz comburant de manière à former un courant de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur, à une température occasionnant une combustion du combustible.

Dans le domaine de la calcination de roches minérales, en particulier de roches calcaires et dolomitiques, on utilise différents types de fours, notamment des fours rotatifs, des fours à cuve, et en particulier des fours droits annulaires.

Ces fours droits annulaires mettent en oeuvre, pour chauffer la matière, des chambres de combustion supérieures et inférieures. Les chambres de combustion inférieures sont à l’origine conçues pour fonctionner avec du gaz naturel comme combustible et celui-ci brûle quasiment instantanément.

Or, il devient de plus en plus souhaitable de pouvoir remplacer, dans ces fours actuellement en service, le gaz combustible par un combustible moins coûteux, en particulier un combustible solide pulvérulent du type poudre de charbon, de coke ou de lignite, pépins de raisins, noyaux d’olives, sciure de bois, etc. L’alimentation des brûleurs existants dans les chambres de combustion inférieures de fours annulaires de calcination connus par un tel combustible pulvérulent solide s’est toutefois avérée, lors d’essais expérimentaux effectués par la demanderesse, difficilement appropriée. En effet la combustion est incomplète, ce qui conduit à une combustion des imbrûlés non plus dans la chambre de combustion, mais dans le lit de matière et même dans le cylindre intérieur du four annulaire, par lequel les gaz de fumée chauds sont récupérés. Il en résulte une détérioration de la qualité du produit cuit (perte de réactivité) et de la productivité (arrêts fréquents du four pour le nettoyer). Et on en arrive à devoir continuer à mettre en œuvre du gaz combustible en combinaison avec du combustible solide pulvérulent pour éviter ces problèmes. La diminution de prix escomptée en est ainsi largement réduite.

Il faut noter que les chambres de combustion inférieures des fours droits annulaires sont petites et courtes. Elles sont dimensionnées pour du gaz naturel qui brûle instantanément suivant la loi de « aussitôt mélangé, aussitôt brûlé » d’une combustion homogène (combustion gaz-gaz). Dans ces chambres également l’air nécessaire à la combustion arrive prémélangé avec des gaz de fumée remis en circulation, lesquels présentent une concentration réduite en oxygène.

Quand du combustible solide est projeté dans la chambre de combustion, la situation est différente, on est devant une combustion hétérogène (solide-gaz) où la loi de « aussitôt mélangé, aussitôt brûlé » n’est plus d’application. Le temps de combustion est très supérieur et dépend de beaucoup de facteurs, tels que la taille des particules, la réactivité de la surface solide, la disponibilité de l’oxygène près de la surface solide.

Simplement remplacer du combustible gazeux par du combustible solide dans des chambres de combustion existantes s’est donc avéré réellement problématique.

En vue d’améliorer la combustion du combustible solide, on a déjà prévu des artifices mécaniques qui obligent le combustible solide à se mélanger plus intimement au comburant (voir par exemple EP2143998). Cependant de tels systèmes restent compliqués et coûteux à la fabrication et surtout à la maintenance. Ils présentent des risques non négligeables de dysfonctionnement, tels que bouchages, usure rapide des pièces mécaniques, etc.

La présente invention a pour but de porter remède à ces inconvénients et donc de proposer un procédé de combustion applicable dans les chambres de combustion de fours, en particulier de fours existants, qui soit efficace avec une consommation uniquement de combustible solide pulvérulent.

Pour résoudre ce problème on a prévu un procédé de combustion tel qu’indiqué au début, dans lequel le rapport entre débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur et débit spécifique de quantité de mouvement du gaz comburant est égal ou inférieur à 1,0 et supérieur à zéro.

Le débit spécifique de quantité de mouvement est la mesure de la force d’un jet (par exemple jet du brûleur ou courant du comburant) divisée par la puissance du brûleur.

Le débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur utilisé est calculé selon l’équation (1) suivante :

Gax_brûleur = (Qmcs+Qmat) x Vinj / P + Qmap x Vap / P, où Qmcs = débit massique du combustible solide (kg/sec),

Qmat = débit massique de l’air de transport (kg/sec),

Qmap = débit massique de l’air primaire (kg/sec),

Vinj = vitesse d’injection axiale du combustible (m/sec)

Vap = vitesse d’injection axiale de l’air primaire, et P = puissance du brûleur (MW).

La vitesse d’injection axiale se calcule selon l’équation (2) suivante : Pour le combustible Vinj = Qvat/Sb, où

Qvat = débit volumique réel de l’air de transport (m3/sec), et Sb = section droite du conduit d’injection du combustible dans le brûleur (m2). Pour l’air primaire Vap= Qvap/Sap

Qvap = débit volumique réel de l’air primaire (m3/sec)

Sap = section droite du conduit d’injection de l’air primaire dans le brûleur (m2)

La puissance du brûleur se calcule selon l’équation (3) suivante : P = Qmcs x PCI, où PCI = pouvoir calorifique inférieur du combustible (MJ/kg).

Le débit spécifique de quantité de mouvement du gaz comburant est calculé selon l’équation (4) suivante :

Gax_comburant = Qmgc x Vgc/P, où Qmgc = débit massique du gaz comburant (kg/sec), et Vgc = vitesse axiale du gaz comburant autour du jet de combustible solide (m/sec).

La vitesse axiale du gaz comburant se calcule selon l’équation (5) suivante :

Vgc = Qvgc/Sch, où

Qvgc = débit volumique du gaz comburant (m3/sec), et

Sch = section droite de la chambre de combustion (m2).

Le principe de base dans la conception des brûleurs est qu’un brûleur doit avoir un débit de quantité de mouvement (vitesse d’injection x débit massique) important et suffisant pour que le jet central de combustible puisse aspirer le comburant arrivant à sa périphérie, en forçant ainsi le mélange combustible/comburant, ce qui accélère la combustion. L’aérodynamique d’une flamme de conception traditionnelle est donc déterminée par le brûleur lui-même (voir figure 1 ).

Au contraire, le procédé suivant la présente invention s’appuie sur une aérodynamique qui est déterminée par le comburant arrivant dans la chambre de combustion. Le comburant force ici le combustible à pénétrer dans son courant par une adaptation du débit de quantité de mouvement du brûleur à celle du comburant (voir figure 2). Ce n’est donc plus le jet de combustible qui est moteur, c’est le combustible qui est entraîné par le comburant. Il en résulte un temps de séjour augmenté du combustible, avec pour effet la possibilité de mettre en œuvre un combustible uniquement sous une forme solide pulvérulente et d’obtenir une combustion totale de ce combustible dans la chambre de combustion.

Pour adapter ce débit de quantité de mouvement du brûleur on peut par exemple prévoir d’augmenter la section d’injection du combustible dans le nez du brûleur, ce qui a pour effet immédiat de diminuer la vitesse d’injection du combustible tout en conservant inchangés les débits de combustible et de comburant et la vitesse du comburant et ce qui est sans influence sur le fonctionnement du four lui-même. Il s’agit d’une modification mineure et aisée du nez du brûleur, avec effet immédiat sur le rapport revendiqué entre les débits spécifiques de quantité de mouvement qui est adapté de façon à devenir égal ou inférieur à 1,0. De préférence ce rapport sera compris entre 0,5 et 0,9.

Suivant un mode de réalisation du procédé suivant l’invention, la chambre de combustion tubulaire présente une première et une seconde extrémités axiales et le jet de combustible solide pulvérulent est projeté par le brûleur depuis la première extrémité axiale de la chambre de combustion vers la seconde extrémité axiale. Avantageusement le brûleur est agencé dans un ouvreau prévu dans la paroi frontale de la première extrémité de la chambre de combustion. Le jet de combustible solide peut ainsi entrer en contact avec le comburant sur toute la longueur de la chambre de combustion.

Suivant l’invention le gaz comburant est principalement un gaz de fumée remis en circulation, par exemple depuis le four de calcination. Ce gaz de fumée peut être enrichi en oxygène, par exemple par un apport d’air.

Avantageusement, le gaz comburant est alimenté tangentiellement dans la chambre de combustion à ladite première extrémité de celle-ci, de manière à former un courant hélicoïdal de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur. Cela favorise le mélange combustible-comburant. On peut naturellement aussi prévoir que le gaz comburant soit alimenté dans la chambre de combustion à ladite première extrémité de celle-ci, parallèlement à son axe et autour du jet de combustible projeté par le brûleur.

Pour favoriser encore en outre le mélange combustible-comburant on peut prévoir, suivant l’invention, une mise en rotation partielle ou totale du jet de combustible transporté par de l’air de transport. Celle-ci peut par exemple être obtenue en donnant un mouvement de rotation à l’air de transport, à l’aide d’ailettes directrices.

Le procédé suivant l’invention est prévu pour être de préférence mis en oeuvre dans une chambre de combustion inférieure de four droit annulaire de calcination de roche calcaire ou dolomitique.

La présente invention concerne également une telle chambre de combustion comprenant, à une première extrémité axiale, un brûleur agencé pour projeter axialement un jet de combustible solide pulvérulent dans cette chambre et éventuellement un flux d’air primaire axial et une entrée d’alimentation pour un gaz comburant disposée de manière à former un courant de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur, de manière à permettre la mise en œuvre du procédé suivant l'invention. Elle concerne aussi un four droit annulaire de calcination de roche calcaire ou dolomitique, comprenant au moins une telle chambre de combustion ainsi qu’un four droit annulaire de calcination de roche calcaire ou dolomitique, mettant en œuvre un procédé suivant l’invention. L’invention va à présent être décrite de manière plus détaillée en se référant aux dessins annexés donnés à titre non limitatif.

La figure 1 représente de manière schématique une projection non conforme à l’invention d'un jet de combustible solide pulvérulent dans un four rotatif conventionnel.

La figure 2 représente de manière schématique une projection suivant l’invention d’un combustible solide pulvérulent dans une chambre de combustion par exemple de four de calcination droit annulaire.

La figure 3 représente une vue en coupe axiale d’un brûleur utilisable pour la mise en œuvre du procédé suivant l’invention.

La figure 4 représente une vue en coupe axiale d’un four de calcination droit annulaire pourvu de chambres de combustion inférieures mettant en œuvre le procédé suivant l’invention.

Sur les différents dessins les éléments identiques portent les mêmes références.

Il est usuel de mettre en œuvre, dans les chambres de combustion de fours rotatifs industriels, des brûleurs qui sont alimentés uniquement en combustible solide pulvérulent. Les conditions prévues pour le fonctionnement de brûleurs de ce genre, dont la puissance est de 66 MW, dans un four rotatif dont le débit est de 110Ot/jour sont résumées dans le tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1

*Le comburant est dans ce cas de l’air.

Comme on peut le constater le débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur (air de transport + charbon) est très supérieur à celui du comburant.

Sur la figure 1 cette chambre de combustion 1 est illustrée de manière schématique. Le combustible est projeté par le brûleur 2 à une vitesse d’injection 3 très élevée et le cône d’injection 4 formé par le combustible projeté hors du nez du brûleur a une forme très effilée. Grâce à cette vitesse d’injection élevée le comburant 5, alimenté autour du jet de combustible, est aspiré dans celui-ci.

Ainsi qu’il ressort de la figure 4, un four droit annulaire usuel pour la calcination de roche calcaire ou dolomitique comprend un cylindre extérieur 6 et un cylindre intérieur 7 formant un espace annulaire 8 dans lequel descend la matière à cuire. La matière crue est introduite par le haut du four en 9 et le produit cuit est déchargé par le bas en 10. Le combustible est injecté à deux niveaux, à travers plusieurs chambres de combustion supérieures 11 et inférieures 12 (de 4 à 6 chambres selon la capacité du four). De manière générale, 1/3 du combustible est injecté dans les chambres 11 et 2/3 dans les chambres 12. La totalité des fumées des chambres supérieures 11 et une partie des fumées des chambres inférieures 12 sont tirées vers le haut par un ventilateur de tirage 13, donc à contre-courant du mouvement de la charge de matière. Dans cette zone il se produit une calcination à contre-courant. L’autre partie des gaz de fumées des chambres de combustion inférieures 12 est tirée vers le bas par une dépression créée au niveau des ouïes de reprise 14 prévues dans le cylindre intérieur 7, plus bas que les chambres de combustion 12. C’est la zone de calcination en cocourant. Au niveau des ouïes les fumées de la zone de calcination en co-courant se mélangent avec l’air de refroidissement introduit au bas du four en 15. Ce mélange forme les fumées de recirculation qui, en 16, sont récupérées du cylindre intérieur 7 et ramenées aux chambres de combustion inférieures 12 pour y devenir le gaz comburant. Par un conduit 17, ce gaz comburant arrive à chacune des chambres 12 de manière tangentielle à l’axe de la chambre et donc au jet du brûleur 18 injecté axialement. De ce fait, le gaz comburant acquiert un mouvement rotationnel qui induit une force centrifuge poussant le gaz comburant vers les parois de la chambre de combustion tubulaire.

Des essais expérimentaux ont alors été réalisés pour appliquer à chacune des chambres de combustion d’un tel four de calcination annulaire usuel une alimentation du brûleur uniquement en combustible solide pulvérulent.

Sur la figure 3 on a représenté le nez 19 d’un des brûleurs utilisés. Celui-ci présente un conduit central par lequel est amené le combustible solide pulvérulent. Un cylindre 21 entoure le conduit 20 de manière à libérer un mince espace annulaire, par lequel du gaz combustible peut être alimenté au moment de l’allumage du four, et uniquement à ce moment-là. Enfin, entre l’enveloppe externe 22 du nez du brûleur et le cylindre 21, de l’air primaire axial peut être alimenté pour aider à la combustion.

Les conditions prévues pour le fonctionnement d’un tel brûleur, dont la puissance est de 1,13 MW, dans un four annulaire doté de 4 chambres de combustion inférieures et dont le débit de chaux est de 150t/jour, sont résumées dans le tableau 2 ci-dessous.

Tableau 2

*Le comburant est dans ce cas formé des gaz de recirculation.

La vitesse d’injection du combustible transporté par de l’air est obtenue par passage dans le conduit 20 qui présente une section de 0,001 m2. La « force » du brûleur, c’est-à-dire son débit spécifique de quantité de mouvement (air primaire axial + air de transport + charbon) est encore légèrement supérieure à celle du comburant, mais elle est insuffisante pour aspirer le comburant dans le combustible. Elle n’est pas à comparer avec celle du four rotatif décrit plus haut.

Et on observe donc une combustion insatisfaisante avec un four présentant les inconvénients décrits précédemment.

On a à présent prévu, pour un four de calcination annulaire ayant le même débit de chaux de 150 t/jour et doté de chambres de combustion inférieures identiques avec des brûleurs de même puissance, de diminuer le débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur, au contraire de ce qu’aurait imaginé l’homme de métier sur base de ses connaissances. Les conditions nouvelles appliquées sont celles indiquées dans le tableau 3.

Tableau 3

*Le comburant est dans ce cas formé des gaz de recirculation.

Comme on peut le constater, seule la vitesse d’injection du combustible solide pulvérulent déplacé par l’air de transport a été modifiée, à presque la moitié de sa valeur. Une telle modification a pu être obtenue par une adaptation de la section du conduit 20, à une valeur de 0,002 m2. Cette modification mineure a induit l’obtention d’un rapport entre débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur et débit spécifique de quantité de mouvement du comburant nettement inférieur à 1. D’une manière surprenante, on a alors constaté que cette simple modification donnait lieu à une flamme, initiée très vite, aussi rapidement qu’avec du gaz naturel, et surtout que, à présent, c’était le combustible qui était aspiré dans le courant hélicoïdal du gaz comburant.

Ce phénomène est représenté de manière schématique sur la figure 2. Etant donné sa vitesse d’injection 3 faible, le combustible projeté par le brûleur 2 forme un cône de projection 4 plus ouvert et il est en outre aspiré dans le courant de gaz comburant qui devient le moteur.

Une expérience identique a été réalisée sur un brûleur, dont la puissance est de 1,81 MW, dans un four droit annulaire doté de 5 chambres de combustion et dont le débit est de 300t/jour. Les conditions de fonctionnement avec un brûleur dont la section du conduit d’alimentation de combustible est de 0,001 m2 sont données dans le tableau 4.

Tableau 4

*Le comburant est dans ce cas formé des gaz de recirculation.

Ce résultat s’est avéré insatisfaisant pour obtenir un mélange satisfaisant combustible-comburant dans la chambre de combustion et donc une combustion totale du combustible solide pulvérulent dans celle-ci.

En modifiant la vitesse d’injection du combustible, par un agrandissement de la section du conduit d’injection à 0,002 m2, on obtient les conditions données dans le tableau 5 ci-dessous :

Tableau 5

*Le comburant est dans ce cas formé des gaz de recirculation.

Cet agencement permet un temps de séjour des particules augmenté drastiquement dans la chambre de combustion et donc l’oxygène est mieux disponible et la combustion est complète à l’intérieur de la chambre de combustion.

Il doit être entendu que la présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation indiqués ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.

On peut par exemple ajouter un mouvement propre au brûleur, soit en ajoutant des ailettes de rotation dans le circuit du combustible solide pulvérulent, soit en ajoutant des ailettes de rotation au circuit d’air de transport ou au circuit d’air primaire axial, ou encore une combinaison de ces mesures. On peut aussi ajouter en périphérie du brûleur un circuit d’air supplémentaire amené en rotation pour aider à l’ouverture du cône de projection du combustible dans la chambre.

On peut aussi injecter le combustible directement dans le courant de gaz comburant, par exemple au point d’arrivée de celui-ci dans la chambre de combustion, mais avant sa mise en rotation.

Il est aussi tout à fait envisageable de ne pas alimenter d’air primaire dans le brûleur, ce qui peut modifier les valeurs du rapport revendiqué par rapport à celles obtenues avec un brûleur dans lequel de l’air primaire est fourni.

Dans un brûleur sans air primaire, lorsqu’on met en oeuvre un jet de combustible à une vitesse d’injection Vinj égale à 15 m/sec, le rapport revendiqué peut même devenir égal à 0,25. A une vitesse d’injection Vinj de 45 m/sec, il sera alors de 0,74.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion tubulaire, comprenant, dans cette chambre de combustion, - une projection axiale, à partir d’un brûleur, d’un jet de combustible solide pulvérulent déplacé par un air de transport, et éventuellement d’un flux d’air primaire, et - une alimentation en un gaz comburant de manière à former un courant de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur, à une température occasionnant une combustion du combustible, caractérisé en ce que le rapport entre débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur et débit spécifique de quantité de mouvement du gaz comburant est égal ou inférieur à 1,0 et supérieur à zéro.
2. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur et débit spécifique de quantité de mouvement du gaz comburant est compris entre 0,25 et 0,9.
3. 3. Procédé suivant l’une ou l’autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la chambre de combustion tubulaire présente une première et une seconde extrémités axiales et en ce que le jet de combustible solide pulvérulent est projeté par le brûleur depuis la première extrémité axiale de la chambre de combustion vers la seconde extrémité axiale.
4. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz comburant est alimenté tangentiellement dans la chambre de combustion à ladite première extrémité de celle-ci, de manière à former un courant hélicoïdal de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur.
5. 5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz comburant est alimenté dans la chambre de combustion à ladite première extrémité de celle-ci, parallèlement à son axe et autour du jet de combustible projeté par le brûleur.
6. 6. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend une mise en rotation partielle ou totale du jet de combustible transporté par de l’air de transport.
7. 7. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend une mise en rotation partielle ou totale du flux d’air primaire.
8. 8. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le gaz comburant est un gaz de fumée remis en circulation.
9. 9. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite chambre de combustion est une chambre de combustion inférieure de four droit annulaire de calcination de roche minérale.
10. 10. Chambre de combustion tubulaire comprenant, à une première extrémité axiale, un brûleur agencé pour projeter axialement un combustible solide pulvérulent dans cette chambre et une entrée d’alimentation pour un gaz comburant disposée de manière à former un courant de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur, cette chambre étant agencée pour la mise en œuvre du procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 9.
11. 11. Four droit annulaire de calcination de roche minérale, comprenant au moins une chambre de combustion suivant la revendication 10.
12. 12. Four droit annulaire de calcination de roche minérale, mettant en œuvre un procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 11.