BE1024784B1 - Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion tubulaire - Google Patents

Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion tubulaire Download PDF

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BE1024784B1
BE1024784B1 BE2017/5460A BE201705460A BE1024784B1 BE 1024784 B1 BE1024784 B1 BE 1024784B1 BE 2017/5460 A BE2017/5460 A BE 2017/5460A BE 201705460 A BE201705460 A BE 201705460A BE 1024784 B1 BE1024784 B1 BE 1024784B1
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Ziad Habib
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S.A. Lhoist Recherche Et Developpement
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23C3/002—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber having an elongated tubular form, e.g. for a radiant tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D91/00—Burners specially adapted for specific applications, not otherwise provided for
    • F23D91/02—Burners specially adapted for specific applications, not otherwise provided for for use in particular heating operations

Abstract

Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion cylindrique, comprenant, dans cette chambre de combustion, une projection, 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 suivant un sens de propagation 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 jet de combustible solide présentant une composante axiale de projection dans un même sens que ledit sens de propagation du gaz comburant dans la chambre de combustion cylindrique et 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

(73) Titulaire(s) :
S.A. LHOIST RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT 1342, OTTIGNIES-LOUVAIN-LA-NEUVE Belgique (72) Inventeur(s) :
HABIB Ziad 1630 LINKEBEEK Belgique (54) Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion tubulaire (57) Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion cylindrique, comprenant, dans cette chambre de combustion, une projection, 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 suivant un sens de propagation 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 jet de combustible solide présentant une composante axiale de projection dans un même sens que ledit sens de propagation du gaz comburant dans la chambre de combustion cylindrique et 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.
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Figure BE1024784B1_D0001
À
CM
BREVET D'INVENTION BELGE
SPF Economie, PME, Classes Moyennes & Energie
Numéro de publication : 1024784 Numéro de dépôt : BE2017/5460
Office de la Propriété intellectuelle Classification Internationale : F23C 3/00 F23D 1/02 F23D 99/00 Date de délivrance : 02/07/2018
Le Ministre de l'Economie,
Vu la Convention de Paris du 20 mars 1883 pour la Protection de la propriété industrielle ;
Vu la loi du 28 mars 1984 sur les brevets d'invention, l'article 22, pour les demandes de brevet introduites avant le 22 septembre 2014 ;
Vu le Titre 1er “Brevets d’invention” du Livre XI du Code de droit économique, l'article XI.24, pour les demandes de brevet introduites à partir du 22 septembre 2014 ;
Vu l'arrêté royal du 2 décembre 1986 relatif à la demande, à la délivrance et au maintien en vigueur des brevets d'invention, l'article 28 ;
Vu la demande de brevet d'invention reçue par l'Office de la Propriété intellectuelle en date du 28/06/2017.
Considérant que pour les demandes de brevet tombant dans le champ d'application du Titre 1er, du Livre XI du Code de Droit économique (ci-après CDE), conformément à l'article XI. 19, §4, alinéa 2, du CDE, si la demande de brevet a fait l'objet d'un rapport de recherche mentionnant un défaut d'unité d'invention au sens du §ler de l'article XI.19 précité et dans le cas où le demandeur n'effectue ni une limitation de sa demande ni un dépôt d'une demande divisionnaire conformément aux résultats du rapport de recherche, le brevet délivré sera limité aux revendications pour lesquelles le rapport de recherche a été établi.
Arrête :
Article premier. - II est délivré à
S.A. LHOIST RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT, Rue Charles Dubois 28, 1342 OTTIGNIES-LOUVAINLA-NEUVE Belgique;
représenté par
GEVERS PATENTS, Holidaystraat 5, 1831, DIEGEM;
un brevet d'invention belge d'une durée de 20 ans, sous réserve du paiement des taxes annuelles visées à l’article XI.48, §1 du Code de droit économique, pour : Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion tubulaire.
INVENTEUR(S) :
HABIB Ziad, Rue Arthur Van Dormael 10, 1630, LINKEBEEK;
PRIORITE(S) :
28/06/2016 BE 2016/5489;
DIVISION :
divisé de la demande de base : date de dépôt de la demande de base :
Article 2. - Ce brevet est délivré sans examen préalable de la brevetabilité de l'invention, sans garantie du mérite de l'invention ou de l'exactitude de la description de celle-ci et aux risques et périls du (des) demandeur(s).
Bruxelles, le 02/07/2018, Par délégation spéciale :
B E2017/5460
Figure BE1024784B1_D0002
La présente invention est relative à un procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion cylindrique, comprenant, dans cette chambre de combustion,
- une projection, 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 suivant un sens de propagation de ίο 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, is notamment des fours rotatifs, des fours à cuve, et en particulier des fours droits annulaires.
Ces fours droits annulaires mettent en œuvre, 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 naturei 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.
Un exemple non conforme â l’invention de brûleur est représenté schématiquement selon une coupe axiale sur la figure 3a et en perspective sur la figure 4a, Le brûleur comprend un conduit de combustible 120 entouré d’un manchon cylindrique 121 comprenant une portion évasée 127 vers l’extrémité du nez du brûleur ef comprenant une pluralité de trous 128. Le manchon cylindrique
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121 forme avec le conduit 120 un espace annulaire au travers duquel passe un gaz combustible 126. Le manchon 121 et le conduit 120 sont indus dans une enveloppe externe 122 (représentée sur la figure 3a, non représentée sur la figure
4a) de telle sorte que le nez du conduit 120 dépasse de la portion évasée 127 du manchon 121 et du nez de l’enveloppe externe 122t que la portion évasée 127 du manchon soit en retrait par rapport au nez de l'enveloppe externe 122, De I’air primaire axial 105 peut circuler entre un espace formé par l’enveloppe externe 122 et le manchon 121, ainsi que par la pluralité de trous 128 sur la partie évasée du manchon.
ίο L'alimentation des brûleurs dans les chambres de combustion inférieures de fours annulaires de calcination 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 ts 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. II 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 â 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,
II 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 I’air nécessaire à la combustion arrive prémélangê 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
B E2017/5460 de facteurs, tels que te taille des particules, ia réactivité de ia 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 ie combustible solide à se mélanger plus intimement au comburant (voir par exemple BE 1015804 et 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 ie jet de combustible solide présente une composante axiale de projection dans un même sens que ledit sens de propagation du gaz comburant dans la chambre de combustion cylindrique et 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 â zéro.
Le débit spécifique de quantité de mouvement est ia mesure de ia 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 ~ (Gmcs+Qmat) x Vinj / P + Qmap x Vap / P, où Qmcs ~ débit massique du combustible solide (kg/sec),
Qmat - débit massique de i’air de transport (kg/sec),
Qmap ™ débit massique de l'air primaire (kg/sec),
B Ε2017/5460 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). ’air primaire ίΖί
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/Scb, 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 centrai 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
B E2017/5460 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 ia chambre s 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. II en résulte un temps de séjour augmenté du combustible, avec pour effet la pessibilité de mettre en œuvre ίο 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 xs combustible tout en conservant inchangés tes débits de combustible et de comburant et la vitesse du comburant et ce qui est sans influence sur le fonctionnement du four lui-même, II 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 cylindrique présente une première et une seconde extrémités axiales ef 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 ie 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 exempte par un apport d’air.
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Avaretagsusement, te gaz comburant est alimenté tangentiellement dans ia 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 combustible5 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. La propagation du gaz comburant doit de toute manière suivre un sens de propagation vers l'extrémité aval de la chambre de combustion.
io 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 œuvre 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 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 suivant un sens de propagation autour du jet de combustible projeté par le brûleur, le brûleur étant agencé pour projeter le combustible solide suivant une composante axiale de projection ayant un même sens que le sens de propagation du courant de gaz comburant dans la chambre de combustion cylindrique, 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.
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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
S 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 3a représente une vue schématique selon une coupe io longitudinale d’un brûleur non conforme à l’invention.
La figure 3b représente une vue en coupe axiale d’un brûleur utilisable pour la mise en œuvre du procédé suivant l’invention,
La figure 4a représente une vue schématique en perspective d'un brûleur non conforme à l’invention.
La figure 4b représente une vue schématique en perspective d'une forme de réalisation d’un brûleur utilisable pour la mise en œuvre du procédé suivant l'invention.
La figure 4c représente une vue schématique en perspective d'une autre forme de réalisation d’un brûleur utilisable pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
La figure 5 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 88 MW, dans un four rotatif dont le débit est de 11 ÛOt/jour sont résumées dans le tableau 1 ci-dessous.
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Débit tco Vitesse (m/sec) Gax (N/MW)
Comburant* ï 65808 m'7h 550 2,5 0,74
Air de transport 22Ï27 mVh 50 60 6,10
Charbon 9ÛG0 kg/h 50 60 2,28
Total brûleur 8,38
Gaxjarüleur/Gax^comburanl 11,29
*Le comburant est dans ce cas de I’air.
Comme on peut te constater le débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur (air de transport -r charbon) est très supérieur â 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 te cône d’injection 4 formé par le combustible projeté io hors du nez du brûleur a une forme très effilée, Grâce â cette vitesse d'injection élevée 1e comburant 5, alimenté autour du jet de combustible, est aspiré dans celui-ci,
Ainsi qu’il ressort de la figure 5, 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 â 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 â deux niveaux, à travers plusieurs chambres de combustion supérieures 11 et inférieures 12 (de 4 à 8 chambres selon la capacité du four). De manière générale, 1/3 du combustible est injecté dans ies chambres 11 et 2/3 dans ies chambres 12, La totalité des fumées des chambres supérieures 11 et une partie des fumées des chambres inférieures 12 sont tirées vers te 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
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UT chambres de combustion inférieures 12 est tirée vers te bas par une dépression créée au niveau des ouïes de reprise 14 prévues dans ie cyiindre intérieur 7, pius bas que ies chambres de combustion 12, C’est ia zone de calcination en cocourant, Au niveau des ouïes ies fumées de la zone de calcination en co-courant se mélangent avec l'atr de refroidissement introduit au bas du four en 15. Ce mélange forme les fumées de recirculation qui. en 18, sont récupérées du cylindre inférieur 7 et ramenées aux chambres de combustion inférieures 12 pour y devenir le gaz comburant. Par un conduit 17, ce gaz comburant 31 arrive à chacune des chambres 12 de manière tangentielte à l’axe de la chambre et donc au jet du ίο brûleur 18 injecté axialement. De ce fait, le gaz comburant 31 acquiert un mouvement rotationnel qui induit une force centrifuge poussant le gaz comburant 31 vers les parois de la chambre de combustion cylindrique.
Des essais expérimentaux ont alors été réalisés pour appliquer à chacune des chambres de combustion d’un tel four de calcination annulaire usuel is une alimentation du brûleur uniquement en combustible solide pulvérulent,
La figure 3b représente une coupe axiale d’une forme de réalisation de brûleur selon l’invention. Le brûleur comprend un manchon 21 comprenant un conduit central 20 par lequel est amené te combustible solide pulvérulent, Le manchon 21 comprend en outre au moins un conduit supplémentaire 23 par lequel 20 du gaz combustible 28 peut être alimenté au moment de l’allumage du four, et uniquement à ce moment-là. Une enveloppe externe 22 enveloppe le manchon 21 et forme avec lui un espace au travers duquel de l’air primaire axial 5 peut être alimenté pour aider à la combustion, L’enveloppe externe 22 comprend une portion 19 dont le diamètre interne se réduit progressivement vers le nez du 25 brûleur, et le manchon comprend une portion 27 dont te diamètre externe augmente progressivement vers le nez du brûleur de sorte à réduire l’espace entre le nez de l’enveloppe externe 22 et le nez du manchon 21. Cette réduction d’espace entre l’enveloppe externe 22 et te manchon permet d’augmenter la vitesse d’injection de l’air primaire axial 5 dans te chambre de combustion sans 30 avoir à fournir un débit élevé d’air primaire axial. Le nez de l’enveloppe externe 22, le nez du manchon 21, le nez du conduit central 20 et te nez dudit au moins un conduit supplémentaire 23 passent par un plan orthogonal à l’axe 30 du brûleur.
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La figure 4b représente une vue en perspective d'une première forme de réalisation de brûleur suivant l’invention. Le manchon 21 comprend un conduit central 20 par lequel est amené le combustible solide pulvérulent. Le manchon 21 comprend en outre un conduit supplémentaire 23 formant un mince s espace annulaire, par lequel du gaz combustible 26 peut être alimenté au moment de l’allumage du four, et uniquement à ce moment-là. Une enveloppe externe 22 (non représentée sur la figure 4b) enveloppe le manchon 21 et forme un espace au travers duquel de l’air primaire axial 5 peut être alimenté pour aider à la combustion.
1Q La figure 4c représente une vue en perspective d’une autre forme de réalisation du brûleur suivant l’invention. Le manchon 21 comprend un conduit central 20 par lequel est amené le combustible solide pulvérulent. Le manchon 21 comprend en outre une pluralité de conduits supplémentaires 23 répartis autour du conduit central 20, ces conduits supplémentaires 23 par lequel du gaz
X5 combustible 26 peut être alimenté au moment de l’allumage du four, et uniquement à ce moment-là. Une enveloppe externe 22 (non représentée sur la figure 4c) enveloppe te manchon 21 et forme un espace au travers duquel de l’air primaire axial 5 peut être alimenté pour aider â la combustion.
Selon d’autres formes de réalisations possibles du brûleur, une réduction d’espace entre le manchon 21 et l’enveloppe externe 22 peut être réalisée uniquement en diminuant le diamètre interne de l’enveloppe 22 au niveau du nez du brûleur et en gardant le diamètre externe du manchon 21 constant, ou alternativement en augmentant le diamètre externe du manchon 21 au niveau du nez du bruieur tout en gardant le diamètre interne de l’enveloppe 22 constant.
Cette réduction d’espace entre te manchon 21 et l’enveloppe permet de fournir une vitesse d’injection d’air primaire plus élevée à la sortie du brûleur.
Selon une autre forme de réalisation possible du brûleur, le diamètre interne de l’enveloppe 22, le diamètre externe du manchon 21 et l’espace entre le manchon 21 et l’enveloppe externe restent constant. Dans ce cas, te débit d’air primaire axial ou le volume du manchon 21 ou ie volume de l’inférieur de l’enveloppe 22 sont adaptés pour permettre à l’air primaire axial de sortir à une vitesse prédéfinie au nez du brûleur.
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La figure 5 représente un schéma d’un four annulaire et comprend une représentation d’une forme de réalisation d'une chambre de combustion 12 cylindrique selon l’invention. Dans cette forme de réalisation, la chambre de combustion comprend une entrée formant l’enveloppe 22 du brûleur 18 et l’axe 30 du brûleur est préférablement situé dans l’axe 30’ de la chambre de combustion cylindrique 12, La chambre de combustion 12 comprend en outre une entrée de gaz comburant 31 située tangentieilement par rapport à l’axe 30, 30' du brûleur et de la chambre de combustion cylindrique, tel que décrit plus haut. Les gaz de combustion sont ensuite évacués de la chambre de combustion par un conduit ίο Les conditions prévues pour le fonctionnement d’un brûleur tel que décrit à l’aide de l’exemple de la figure 3b, 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 1501/jour, sont résumées dans le tableau 2 ci-dessous.
is Tableau 2
Débit f(°C) | Vitesse (m/sec) Gax (M/MW)
Comburant* ~~lO995 n?/F 700 [ 6,1 5,99
Air primaire axial 700 m3/h 200 ; 34 1,89
Air de transport 199m3/h 50 i 80 3,19
Charbon 185 kg/h 50 i 80 2,73
Total brûleur 7,81
GaxJsrûleur/Gaxjcomburanî 1,30
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
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On a à présent prévu, pour un four de calcination annulaire ayant le même débit de chaux de 150 t/jeur 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.
Figure BE1024784B1_D0003
*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 ts 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.
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Une expérience identique a été réalisée sur un brûleur, dont ia puissance est de 1,81 MW, dans on four droit annulaire doté de 5 chambres de combustion et dont le débit est de 3001/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
Débit TfC) Vitesse (m/sec) Gax (N/MW)
Comburant* Ï7502m¥= 700 6,2 8,13
Air primaire axial Ï4Q0 nr/h 200 34 1,89
Air de transport 318 m3/h 50 60 3,19
Charbon 236 kg/h 50 60 2,73
Total brûleur 7,81
Gaxbrûieur/Gaxcomburanf 1,27
*Le comburant est dans ce cas formé des gaz de recirculation.
ίο Ce résultat s’est avéré insatisfaisant pour obtenir un mélange satisfaisant combustible-comburant dans ia 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 ies is conditions données dans le tableau S ci-dessous :
Tableau 5
Débit τ rc) Vitesse (m/sec) Gax (N/MW)
Comburant* Ï75ÏÏ2 mP/h 700 :::: 6,2 6,13
Air primaire axial 14Ö0 m7h 200 34 1,89
Air de transport 318 nr/h 50 35 1,86
Charbon 296 kg/h 50 35 1,59
Total brûleur 5,34
Gaxjorû!eur/Gax_comburant 0,87
BE2017/5460 *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 s disponible et la combustion est complète à l'intérieur de ia chambre de combustion.
II 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.
ίο 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.
II 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 œuvre 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.
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Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion cylindrique, comprenant, dans cette chambre de combustion,
    - une projection, à partir d’un brûleur, d’un jet de combustible solide
    5 pulvérulent déplacé par un air de transport, et éventuellement d’un flux d’air primaire, et
    - une alimentation en un gaz comburant suivant un sens de propagation de manière à former un courant de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur, à une température occasionnant une ίο combustion du combustible, caractérisé en ce que le jet de combustible solide présente une composante axiale de projection dans un même sens que ledit sens de propagation du gaz comburant dans la chambre de combustion cylindrique, et en ce que le rapport entre débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur et débit spécifique de
    15 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
    20 0,9.
  3. 3. Procédé suivant l'une ou l’autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la chambre de combustion cylindrique 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
    25 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 tangentieliement 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
    B E2017/5460 extrémité de celle-ci, parallèlement â son axe et autour du jet de combustible projeté par te brûleur,
    8. 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
    S combustible transporté par de l’air de transport,
  6. 7, Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend une mise en rotation partielle ou totale du flux d’air primaire.
  7. 8, Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 7, ίο caractérisé en ce que le gaz comburant est un gaz de fumée remis en circulation.
  8. 9. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 â 8, caractérisé en ce que ladite chambre de combustion est une chambre de combustion inférieure de four droit annulaire de calcination de roche minérale.
  9. 10. Chambre de combustion cylindrique comprenant, à une première 15 extrémité axiale, un brûleur agencé pour projeter 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 suivant un sens de propagation autour du jet de combustible projeté par le brûleur, caractérisée en ce que le brûleur est agencé pour projeter le combustible solide
    20 suivant une composante axiale de projection ayant un même sens que ledit sens de propagation des gaz dans la chambre de combustion cylindrique, cette chambre étant agencée pour la mise en œuvre du procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 9.
  10. 11, Four droit annulaire de calcination de roche minérale,
    25 comprenant au moins une chambre de combustion suivant la revendication 10.
  11. 12. Four droit annulaire de calcination de roche minérale, mettant en œuvre un procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 11.
    B E2017/5460 ;
    CM
    B E2017/5460 t—S r~ä
    B E2017/5460
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