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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
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