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Monsieur Pierre Jules Justinien ANDRIEUX assurer l'inflammation d'un mélange d'air chaud ou froid, ou d'oxygène, ou de tout autre gaz et d'un combustible solide fi- nement pulvérisé, liquide ou gazeux, tuyère du type à noyau cen- tral et remarquable, notamment, en ce que ledit noyau à la péri- phérie duquel a lieu l'écoulement du mélange formé par le com- bustible et l'air primaire a une longueur suffisante pour que le jet qui en résulte affecte à la sortie de la tuyère la forme d'un tube ou d'une fraction de tube de faible épaisseur ou. non et de diamètre relativement grand, donc de grande surface exté- rieure, ce qui permet une combustion rapide du mélange combus- tible dès la sortie de la tuyère.
Suivant une autre caractéristique de l'invention un éjec- teur est disposé à l'intérieur du four, à l'extrémité de la tuyère et autour du noyau prolongé au-delà de ladite extrémité, l'air secondaire, ainsi aspiré à l'intérieur du four par suite de l'effet d'éjecteur du mélange combustible qui sort de la tuyère, formant une gaine extérieure autour de la nappe gazeuse dudit mélange combustible.
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D'autres caractéristiques résulteront de la description qui va suivre.
Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple . la figure 1 est une coupe diamétrale et longitudinale d'une tuyère suivant l'invention ; la figure 2 est une vue en bout suivant la ligne A-A de la figure 1 ; la figure 3 est une coupe transversale, perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tuyère suivant la ligne B-B de la figure 1 ; la figure 4 est la coupe de l'extrémité d'un four, par exem- ple à ciment, montrant l'emplacement de la tuyère et la forme de la flamme obtenue avec la tuyère objet de l'invention ; la figure 5 est une coupe transversale, et à plus grande échelle, suivant la ligne C-C de la figure 4, du jet du mélange combustible à la sortie de la tuyère ; la figure 6 représente schématiquement la flamme obtenue avec les tuyères courantes à jet plein.
Suivant l'exemple d'exécution représenté aux figures 1-2 et 3, la totalité du combustible est introduite dans la canalisation cylindrique 1 reliant la tuyère à un ventilateur non représenté, soufflant à très haute pression. Un joint gauche 2 permet de ré- gler l'orientation de la tuyère.
Le ventilateur envoie dans la canalisation une partie seule- ment de l'air nécessaire à la combustion, que l'on appelle air primaire, cet air étant, en outre, destiné à assurer un brassage énergique du combustible et à réaliser une très grande vitesse à la sortie de la tuyère.
Cette tuyère comprend une partie cylindrique 3 dans la ré- gion ab prolongeant la canalisation venant du ventilateur, Ce cylindre 3 est prolongé par une capacité en tôle tronconique, évasée en 4 dans la partie bo, cylindrique en 5 dans la partie od et tronconique inverse, en 6, dans la partie de, prolognée par une partie cylindrique es de quelques centimètres de longueur.
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Dans l'ensemble 3-4-5-6 est disposé un noyau intérieur plein ou creux, conique, en 7, dans la partie fg, cylindrique, en 8, au delà de g jusqu'à l'orfice h de sortie de la tuyère. Ce noyau est maintenu en place au moyen des entretoises 9
Ce dispositif est complète par un cylindre 10 concentrique au cylindre 8 du noyau central, Dans ce cylindre 10 qui s'étend jusqu'en 1 à l'orifice de sortie de la tuyère, débouche la partie tronconique 6, ménageant, entre elle et la base k du cylindre 10, un intervalle 11 servant d'entrée à l'air secondaire. Le cylindre 10 est, de préférence, terminé par un tronc de cône 12 dont on verra plus loin le rôle.
La tuyère fonctionne comme suit :
Le mélange combustible et air primaire arrive dans le cylin- dre 3, en ± la masse cylindrique gazeuse se transforme en cylin- dre creux dont la paroi, épaisse dans la partie b, c, d, samin- cit dans la partie d e correspondant à la partie convergente 6 de la tuyère. Dans le parcours bode la masse gazeuse éprouve de b en o un changement de direction, vitesse et forme, il en ré- sulte la production de remous qui assurent un brassage du mélange combustible et air primaire.
La diminution progressive de la section d'écoulement dans la partie d e a pour corollaire une augmentation continue de la vitesse du mélange, celle-ci atteignant son maximum en e à la sortie du tronc de cône 6, assurant la formation d'un cylindre creux qui, par suite de la grande vitesse, conserve sa forme sur une distance relativement grande même après sa sortie de la tuyère.
A partir de s, le mélange du combustible et de l'air pri- maire se déplace le long de la paroi cylindrique 8 sur une fai- ble épaisseur, sans s'écarter de la paroi 8 par suite du phéno- mène de l'écoulement des fluides le long des parois.
L'air secondaire nécessaire pour assurer la combustion du
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combustible mélangé à l'air primaire arrive en 11 ; lagrande vitesse d'écoulement de la masse gazeuse sortant en s assure par induction l'aspiration automatique de l'air secondaire. L'évase- ment 12 de l'extrémité du cylindre 10 favorise l'entrée de l'air secondaire. Cet air peut être froid ou chaud, en particulier il peut être réchauffé par contact avec les matières chaudes, en cours de refroidissement dans une zone froide du four ou dans un refroidisseur annexé audit four.
Dans la capacité cylindrique 8, terminée par le cône 7, cas du noyau creux, on peut par la tuyauterie 13, injecter de l'air, froid ou chaud, au moyen d'un ventilateur par exemple.
Il résulte de la construction que l'on vient de décrire que le cylindre gazeux sortant de l'extrémité h de la tuyère n'est pas homogène, mais nettement hétérogène et comprend trois zones distinctes à partir de l'axe longitudinal de la tuyère ( figures 4 et 5); a) au centre, un cylindre d'air 14, si l'on injecte de l'air en 17, dans le cas contraire, le vide ; b) à la périphérie du cylindre d'air 14, une nappe cylin- drique à paroi mince 15, composée du combustible et de l'air primaire froid ; c) un cylindre d'air secondaire 16, froid ou chaud, de même axe que la tuyère et constituant la zône extérieure du jet gazeux injecté par la tuyère.
Avec une telle tuyère qui pénètre relativement loin dans le four 17, par exemple, à cause de sa longueur, la combustion steffectue comme suit : le cylindre d'air 16 s'échauffe par suite du rayonnement des parois du four et se dilate dès qu'il pénètre dans l'enceinte à température élevée et cela d'autant plus que le jet s'éloigne de la tuyère ; cela constitue, autour du cylindre 15, formé d'un mélange de combustible et d'air froid primaire, une enveloppe de gaz comburant très chaud, et par suite éminemment favorable à la combustion dudit mélange de @
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combustible et d'air primaire et au développement de la flamme vers l'extérieur, dans un sens normal à l'axe de la tuyère.
Après échauffement de l'air 16, le cylindre gazeux 15 constitué par le mélange combustible et air primaire subit donc à son tour un échauffement sur sa partie extérieure qui s'enflamme, à une certaine distance de la tuyère. La combus- tion gagne à travers la masse de proche en proche. Elle se propage dans tout le mélange en peu de temps ; l'épaisseur de la nappe gazeuse étant faible et la surface recevant la chaleur par l'action du rayonnement ambiant étant importante.
Les gaz produits par la combustion du mélange primaire se dilatent de façon violente et cherchent à se développer et à terminer leur combustion. Ils trouvent vers l'extérieur un milieu particulièrement favorable à cet effet dans la zone d'air chaud 16.
Vers l'intérieur, au contraire, le cylindre d'air central 14 reste à plus basse température jusqu'au moment où la masse gazeuse est en complète combustion ; la température de cet air étant plus basse n'est pas favorable, en effet, au développe- ment de la flamme vers l'intérieur ; d'autre part, la dilata- tion que cet air subit au contact des gaz enflammés tend à éloigner la masse gazeuse, chargée de combustible, et par suite la zone de combustion de l'axe de la tuyère.
Dans la pratique, on obtient une flamme en forme d'el- lipsoïde, sans pointe axiale à température très élevée, et ayant sa zone de combustion la plus vive sur sa partie exté- rieure alors qu'avec une tuyère courante 18, à jet plein par exemple, la flamme affecte la forme, indiquée à la figure 6, comportant trois régions une région 19, intérieure, sans éclat,où. existe le mélange air et combustible qui ne brûle pas, l'action du rayonnement extérieur n'ayant pu la réchauf- fer suffisamment pour assurer son inflammation ; une région 20 où la combustion progresse par contact de @
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l'extérieur vers l'axe de la flamme, région de combustion in- complète à allure réductrice ;
une région 21, située à la pointe et dans l'axe de la flamme, où la masse achève sa combustion complète dans un milieu ambiant à température élevée.
Bien entendu dans la tuyère, objet de l'invention, le dia- mètre de la flamme dans un plan normal à l'axe de la tuyère peut être réglé. La flamme, en effet, peut être raccourcie augmentée de diamètre et cela d'autant plus que la quantité d'air secondaire arrivant en 11 est plus grande et que sa tem- pérature est plus élevée. Ce réglage peut se faire notamment grâce au tronc de cône 12 dont le déplacement fait varier la section d'entrée 11. En conséquence, on conçoit qu'il est possi- ble de régler la flamme; pour obtenir un rendement thermique élevé, d'une part, par rayonnement sur la matière, et d'autre part, par contact direct de la flamme avec la matière à ré- chauffer .
L'invention peut, bien entendu, être appliquée à des tuyè- res ou brûleurs quelconques.
Tout système de récupération de gaz et d'air chauds, soit directement par l'effet d'aspiration de la tuyère, soit indi- rectement, peut être envisagé pour réchauffer l'air secondaire.
L'invention est particulièrement intéressante dans les fours tournants de l'industrie métallurgique, cimentière, chi- mique, etc... Dans ces fours cylindriques ou cylindroconiques, la tuyère ci-dessus décrite permet à la flamne de lécher les parois du four et de venir au contact même de la matière à chauffer et de la paroi du four.
Dans ces mêmes fours, lorsque le traitement de la matière comporte à la suite d'une zone de température maxima une zone de refroidissement de la matière traitée, telle que la zone' mn de la figure 4, la tuyère assure la récupération d'une partie des calories emportées par cette matière par l'intermédiaire @
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de l'air secondaire qui circule, avant son aspiration dans la tuyère, autour desdites matières en cours de refroidissement.
Cette tuyère permet, en particulier dans le four rotatif à oi- ment, où le combustible brûlé est du charbon finement pulvérisé, de supprimer l'excès d'air par rapport à la quantité strictement nécessaire à la combustion. En effet, dans les fours de ce genre, qui comportent un refroidisseur (non représenté) dans lequel tom- be par un ou des conduits 21, la matière qui ciroule dans le four dans le sens de la flèche! on introduit une masse d'air impor- tante dans le four par le refroidisseur et le ou lesdits conduits 21; cet air, après avoir récupéré les calories cédées par le olinker pendant son refroidissement, pénètre dans la tête du four en subissant une élévation progressive de température au contact du clinker qui vient de la zone de cuisson pour aller au refroidisseur.
Cet air réchauffé arrive ensuite dans la zone de la tuyère, puis de la flamme. Avec la tuyère ordinaire, on constate que cet air passe en majeure partie autour de la flam- me, entre sa paroi extérieure et le réfractaire du four, car la flamme produite par une tuyère ordinaire a un faible diamètre et une grande étendue en longueur dans le sens de l'axe de la tuyè- re et du four et se trouve, par conséquent, à une certaine dis- tance de la paroi du four.
La tuyère suivant l'invention a les avantages suivants : d'une part, elle répartit par aspiration automatique dans la tuyère autour du mélange combustible et air primaire, la plus grande partie de l'air réchauffé par récupération et facilite la combustion complète des éléments ; d'autre part, elle pro- duit une flamme de grand diamètre dont le volume occupe presque toute la section du four jusqu'à la paroi.
L'air de récupération venant de la tête du four et arrivant dans la zone de combustion, rencontre la flamme qui constitue un véritable barrage, cette flamme s'étendant depuis l'axe jus- qu'à la paroi du four ; par suite,la totalité de l'air chaud récupéré est utilisée pour la combustion complète. Dans la
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pratique, on règle l'injection d'air primaire à la demande pour obtenir une combustion complète sans excès d'air, en fonction des analyses de gaz faites à la sortie du four. On règle aussi le diamètre du cylindre 10 de façon à faire passer dans la tuyè- re la quantité d'air chaud donnant les meilleurs résultats.
On obtient ainsi une combustion complète avec un minimum d'air per- mettant de réduire les pertes de cheleur résultant de l'évacua- tion des gaz de la combustion. A cette faible quantité d'air, correspond également une diminution de la quantité de poussiè- res, entraînées par les gaz de la combustion, en raison de leur vitesse plus réduite, faoilitant ainsi l'utilisation des cha- leurs perdues dans les chaudières de récupération.
Naturellement l'invention n'est nullement limitée au mode d'exécution représenté et décrit qui n'a été choisi qu'à titre d'exemple. C'est ainsi qu'à la double cloison à l'intérieur de laquelle circule le mélange combustible pourrait être remplacée par une série de tuyères élémentaires disposées tout autour du noyau central conservant la même longueur et parallèlement à son axe longitudinal ; chacune de ces tuyères élémentaires com- portant un éjecteur d'air secondaire.
L'éjecteur représenté pourrait être également remplacé par tout autre éjecteur jouant le même rôle, sans que l'on sorte pour cela du domaine de l'in- vention,
REVENDICATIONS
1 , Une tuyère du type à noyau central destinée à l'in- flammation d'un mélange d'air chaud ou froid ou d'oxygène ou de tout autre gaz comburant, et d'un combustible solide, pulvérisé, liquide on gazeux, caractérisée en ce que le noysu intérieur de forme appropriée a une longueur suffisante pour que le mélan- ge air primaire-combustible, sorte sous f/orme d'une nappe mince
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Mr. Pierre Jules Justinien ANDRIEUX ensure the ignition of a mixture of hot or cold air, or oxygen, or any other gas and a finely pulverized solid fuel, liquid or gas, core type nozzle central and remarkable, in particular, in that said core at the periphery of which the flow of the mixture formed by the fuel and the primary air takes place has a length sufficient for the resulting jet to affect the outlet of the nozzle in the form of a tube or a fraction of a thin tube or. no and of relatively large diameter, therefore of large external surface area, which allows rapid combustion of the fuel mixture as soon as it leaves the nozzle.
According to another characteristic of the invention, an ejector is placed inside the furnace, at the end of the nozzle and around the core extended beyond said end, the secondary air, thus sucked in. interior of the furnace as a result of the ejector effect of the combustible mixture which leaves the nozzle, forming an outer sheath around the gas layer of said combustible mixture.
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Other characteristics will result from the description which follows.
In the accompanying drawing, given only by way of example. Figure 1 is a diametral and longitudinal section of a nozzle according to the invention; Figure 2 is an end view taken along line A-A of Figure 1; Figure 3 is a cross section, perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle along the line B-B of Figure 1; FIG. 4 is a section through the end of a furnace, for example a cement furnace, showing the location of the nozzle and the shape of the flame obtained with the nozzle which is the subject of the invention; Figure 5 is a cross section, and on a larger scale, along the line C-C of Figure 4, of the jet of the combustible mixture at the outlet of the nozzle; FIG. 6 diagrammatically represents the flame obtained with current full jet nozzles.
According to the exemplary embodiment shown in Figures 1-2 and 3, all of the fuel is introduced into the cylindrical pipe 1 connecting the nozzle to a fan, not shown, blowing at very high pressure. A left seal 2 is used to adjust the orientation of the nozzle.
The fan sends into the pipe only part of the air necessary for combustion, which is called primary air, this air being, moreover, intended to ensure energetic mixing of the fuel and to achieve a very high speed. at the outlet of the nozzle.
This nozzle comprises a cylindrical part 3 in the region ab extending the pipe coming from the fan, This cylinder 3 is extended by a capacity in tapered sheet metal, flared at 4 in the part bo, cylindrical in 5 in the od part and the reverse tapered , in 6, in the part of, extended by a cylindrical part a few centimeters in length.
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On the whole 3-4-5-6 is arranged a solid or hollow inner core, conical, in 7, in the part fg, cylindrical, in 8, beyond g to the orifice h of exit of the nozzle. This core is held in place by means of spacers 9
This device is completed by a cylinder 10 concentric with cylinder 8 of the central core, In this cylinder 10 which extends to 1 at the outlet of the nozzle, opens the frustoconical part 6, leaving between it and the base k of cylinder 10, an interval 11 serving as an inlet for secondary air. The cylinder 10 is preferably terminated by a truncated cone 12, the role of which will be seen later.
The nozzle operates as follows:
The fuel and primary air mixture arrives in cylinder 3, at ± the gaseous cylindrical mass is transformed into a hollow cylinder whose wall, thick in part b, c, d, samin- cit in the part corresponding to the converging part 6 of the nozzle. In the bode path, the gaseous mass experiences from b to o a change of direction, speed and shape, the result of which is the production of eddies which ensure a stirring of the fuel and primary air mixture.
The gradual decrease in the flow section in the part of a corollary to a continuous increase in the speed of the mixture, the latter reaching its maximum at e at the outlet of the truncated cone 6, ensuring the formation of a hollow cylinder which , as a result of the high speed, retains its shape over a relatively large distance even after it exits the nozzle.
From s, the mixture of fuel and primary air moves along the cylindrical wall 8 over a small thickness, without moving away from the wall 8 owing to the phenomenon of flow of fluids along the walls.
The secondary air required to ensure combustion of the
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fuel mixed with the primary air arrives at 11; the high flow rate of the gas mass exiting by induction ensures the automatic suction of the secondary air. The widening 12 of the end of the cylinder 10 promotes the entry of secondary air. This air can be cold or hot, in particular it can be reheated by contact with hot materials, during cooling in a cold zone of the oven or in a cooler attached to said oven.
In the cylindrical capacity 8, terminated by the cone 7, in the case of the hollow core, it is possible through the pipe 13, to inject air, cold or hot, by means of a fan for example.
It follows from the construction just described that the gas cylinder leaving the end h of the nozzle is not homogeneous, but clearly heterogeneous and comprises three distinct zones starting from the longitudinal axis of the nozzle ( Figures 4 and 5); a) in the center, an air cylinder 14, if air is injected at 17, otherwise, vacuum; b) at the periphery of the air cylinder 14, a thin-walled cylindrical sheet 15, composed of the fuel and the cold primary air; c) a secondary air cylinder 16, cold or hot, having the same axis as the nozzle and constituting the outer zone of the gas jet injected by the nozzle.
With such a nozzle which penetrates relatively far into the furnace 17, for example, because of its length, combustion takes place as follows: the air cylinder 16 heats up as a result of the radiation from the walls of the furnace and expands as soon as 'it penetrates into the enclosure at high temperature and this all the more so as the jet moves away from the nozzle; this constitutes, around the cylinder 15, formed of a mixture of fuel and primary cold air, an envelope of very hot oxidizing gas, and therefore eminently favorable to the combustion of said mixture of @
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fuel and primary air and to the development of the flame towards the outside, in a direction normal to the axis of the nozzle.
After heating of the air 16, the gas cylinder 15 formed by the fuel and primary air mixture therefore undergoes in turn heating on its outer part which ignites, at a certain distance from the nozzle. The combustion gradually gains through the mass. It spreads throughout the mixture in a short time; the thickness of the gas layer being small and the surface receiving heat by the action of ambient radiation being large.
The gases produced by the combustion of the primary mixture expand violently and seek to develop and complete their combustion. They find a particularly favorable environment towards the outside for this purpose in the hot air zone 16.
Towards the interior, on the contrary, the central air cylinder 14 remains at a lower temperature until the moment when the gaseous mass is in complete combustion; the temperature of this air being lower is not favorable, in fact, to the development of the flame towards the interior; on the other hand, the expansion which this air undergoes on contact with the ignited gases tends to move the gaseous mass, loaded with fuel, and consequently the combustion zone away from the axis of the nozzle.
In practice, an ellipsoid-shaped flame is obtained, without an axial tip at very high temperature, and having its brightest combustion zone on its outer part, whereas with a running nozzle 18, with a jet full for example, the flame takes the form, indicated in figure 6, comprising three regions a region 19, interior, without glare, where. there is the air and fuel mixture which does not burn, the action of the external radiation not having been able to heat it sufficiently to ensure its ignition; a region 20 where combustion progresses by contact with @
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the outside towards the flame axis, a region of incomplete combustion with a reducing appearance;
a region 21, located at the tip and in the axis of the flame, where the mass completes its complete combustion in an ambient medium at high temperature.
Of course in the nozzle, object of the invention, the diameter of the flame in a plane normal to the axis of the nozzle can be adjusted. The flame, in fact, can be shortened and increased in diameter and this all the more so as the quantity of secondary air arriving at 11 is greater and its temperature is higher. This adjustment can be made in particular by virtue of the truncated cone 12, the movement of which varies the inlet section 11. Consequently, it will be understood that it is possible to adjust the flame; to obtain a high thermal efficiency, on the one hand, by radiation on the material, and on the other hand, by direct contact of the flame with the material to be heated.
The invention can of course be applied to any nozzles or burners.
Any system for recovering hot gas and air, either directly by the suction effect of the nozzle, or indirectly, can be envisaged to heat the secondary air.
The invention is particularly advantageous in rotary kilns in the metallurgical, cement, chemical, etc. industry. In these cylindrical or cylindro-conical kilns, the nozzle described above allows the flame to lick the walls of the kiln and to come into contact with the material to be heated and the wall of the furnace.
In these same furnaces, when the treatment of the material comprises, following a zone of maximum temperature, a zone for cooling the material treated, such as the zone 'mn of FIG. 4, the nozzle ensures the recovery of a part of the calories carried away by this material via @
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secondary air which circulates, before it is drawn into the nozzle, around said materials being cooled.
This nozzle makes it possible, in particular in the rotary ointment furnace, where the fuel burnt is finely pulverized coal, to remove the excess air with respect to the quantity strictly necessary for combustion. In fact, in ovens of this type, which include a cooler (not shown) into which falls through one or more conduits 21, the material which circulates in the oven in the direction of the arrow! a large mass of air is introduced into the furnace via the cooler and said duct or ducts 21; this air, after having recovered the calories given up by the olinker during its cooling, enters the furnace head undergoing a gradual rise in temperature in contact with the clinker which comes from the cooking zone to go to the cooler.
This heated air then arrives in the zone of the nozzle, then of the flame. With the ordinary nozzle, it can be seen that most of this air passes around the flame, between its outer wall and the refractory of the furnace, since the flame produced by an ordinary nozzle has a small diameter and a large extent in length in direction of the axis of the nozzle and the furnace and is therefore at a certain distance from the wall of the furnace.
The nozzle according to the invention has the following advantages: on the one hand, it distributes by automatic suction in the nozzle around the fuel and primary air mixture, most of the air heated by recovery and facilitates the complete combustion of the elements. ; on the other hand, it produces a flame of large diameter whose volume occupies almost the entire section of the furnace up to the wall.
The recovery air coming from the head of the furnace and arriving in the combustion zone, meets the flame which constitutes a real barrier, this flame extending from the axis to the wall of the furnace; therefore, all of the recovered hot air is used for complete combustion. In the
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In practice, the injection of primary air is adjusted on demand to obtain complete combustion without excess air, according to the gas analyzes carried out at the outlet of the furnace. The diameter of the cylinder 10 is also adjusted so as to pass through the nozzle the quantity of hot air giving the best results.
Complete combustion is thus obtained with a minimum of air making it possible to reduce the chelator losses resulting from the evacuation of the combustion gases. This small quantity of air also corresponds to a reduction in the quantity of dust, entrained by the combustion gases, due to their slower speed, thus facilitating the use of waste heat in the heating boilers. recovery.
Of course, the invention is in no way limited to the embodiment shown and described, which was chosen only by way of example. Thus, the double partition inside which the combustible mixture circulates could be replaced by a series of elementary nozzles arranged all around the central core keeping the same length and parallel to its longitudinal axis; each of these elementary nozzles comprising a secondary air ejector.
The ejector shown could also be replaced by any other ejector playing the same role, without going beyond the scope of the invention,
CLAIMS
1, A nozzle of the central core type intended for the ignition of a mixture of hot or cold air or of oxygen or any other oxidizing gas, and of a solid, pulverized, liquid or gaseous fuel, characterized in that the suitably shaped inner core has a length sufficient for the primary air-fuel mixture to emerge from a thin sheet
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