CA1253745A

CA1253745A - Bruleur a charbon pulverise

Info

Publication number: CA1253745A
Application number: CA000439404A
Authority: CA
Inventors: Serge Laurenceau; Luc Moufflet; Bernard Genies
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1982-10-22
Filing date: 1983-10-20
Publication date: 1989-05-09
Also published as: FR2535018B1; US4556384A; FR2535018A1; AU2043683A; AU566486B2

Abstract

Ce brûleur est conçu de manière à pouvoir fonctionner de façon stable et sans risque d'explosion avec comme comburant de l'oxygène pur ou de l'air fortement enrichi en oxygène. Dans un mode de réalisation, un flux d'oxygène est envoyé par un tube central qui se termine par un diffuseur annulaire divergent, un mélange air-charbon pulvérisé est envoyé en une couronne intermédiaire autour de ce diffuseur, et un flux annulaire d'oxygène tourbillonnant est envoyé en une couronne extérieure. Application aux fours à chauffage indirect, aux fours où existe un laitier et aux fours de cimenterie, et aux cas où l'on désire obtenir des atmosphères particulières (réductrices par exemple).

Description

~2s3q4s La présente invention concerne les brûleurs à
charbon pulvérisé.
Les brûleurs industriels à charbon pulvérisé utili-sent actuellement comme comburant,de l'air. Différentes techniques d'injection de l'air sont utilisées, selon que celui-ci est préchauffé ou non et que l'utilisation se fait en four "froid" ou en four chaud, et également suivant le type de charbon utilisé.
Ces brûleurs ne donnent pas entière satisfaction, du fait de l'importance des volumes d'air nécessaires, qui entraînent une dimension importante des brûleurs, et du fait de la présence d'un ballast d'azote, qui provoque, outre une température de flamme relativement peu élevée et un rendement thermique médiocre, un mauvais accrochage et une déstabili-sation de la flamme ayant pour conséquences:
- l'impossibilité de fonctionner en four "~roid"
sans air préchauffé, - l'impossibilité de démarrer à froid une installa-tion le préchauffage de l'installation est alors réalisé avec un autre combustible, parfois tras onéreux, - dans de nombreux cas, l'obligation d'utiliser en permanence un combustible auxiliaire (gaz naturel ou fuel notamment), par exemple en entretenant une flamme pilote au centre du brûleur;
- la nécessité d'adapter le brûleur au type de charbon utilisé et au type de four ou de chaudière d'une facon très précise, - l'absence de souplesse de réglage au niveau du brûleur, - l'impossibilité de contrôler le processus de 1~53745 combustion dans la flamme, ce qui entraîne des accumulations d'imbrûlés ou des chutes de température néfastes au procédé, pour la même raison, la forme de la flamme ne peut pas être adaptée à volonté à l'application considérée.
On a déjà cherché à remplacer l'air comburant par de l'air enrichi en oxygène ou par de l'oxygène pur. Cependant, à la connaissance de la demanderesse, aucun brûleur industriel utilisant un tel comburant n'a pu etre mis au point, du fait des nombreuses difficultés qui se présentent. En particulier, il existe un risque d'explosion si l'oxygène est mélangé
trop tôt au charbon, et,par ailleurs, l'augmentation de la teneur en oxygène du gaz comburant accroît la vitesse de propagation de la flamme, de sorte que celle-ci risque de trop se rapprocher du brûleur et, par suite, de le détériorer.
L'invention a pour but de fournir un brûleur à charbon fonctionnant de facon souple et fiable sans flamme pilote avec comme comburant de l'air fortement enrichi en oxygène ou de l'oxygène pur et avec comme combustible des types très divers de charbon pulvérisé, même pauvres en volatiles.
A cet effet, l'invention a pour objet un brûleur à charbon pulvérisé à combustion auto-entretenue, caractérisé
en ce qu'il comprend une conduite libre d'alimentation en un mélange d'air et de charbon entourée concentriquement par une première conduite d'amenée d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène pur, et des moyens d'amenée d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène pur radialement à l'intérieur par rapport à ladite première conduite d'~menée, les deux conduites débouchant à
l'aval dans un même plan transversal à partir duquel s'étend un ouvreau divergent muni de moyens de refroidissement.
Lesdits moyens d'amenée peuvent être réalisés de plusieurs manières:
lZ53745 - dans un premier mode de r~alisation, ils sont constitués par une conduite annulaire entourée concentriquement par la conduite d'alimentation en mélange air-charbon et débouchant également à l'aval dans ledit plan transversal;
- dans un second mode de réalisation, ils sont cons-titués par une conduite centrale se terminant par un diffuseur annulaire divergent et débouchant également à l'aval dans ledit plan transversal, - dans un troisième mode de réalisation, la conduite d'alimentation en mélange air-charbon est une conduite centrale, et lesdits moyens d'amenée comprennent un dispositif d'injec-tion centripète d'air enrichi en oxygène ou d'oxygène pur dans la partie d'extrémité de cette conduite.
Quelques exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels:
- les figures 1 à 3 sont des vues schématiques en coupe longitudinale de trois modes de réalisation du brûleur suivant l'invention, et - la figure 4 est une vue analogue d'une variante du brûleur de la figure 3.
Le brûleur 1 représenté à la figure 1 est constitué
d'un corps de brûleur 2 et d'un ouvreau 3.
Le corps 2 comprend un tube central 4 qui s'étend sur toute sa longueur, est ouvert à ses deux extrémités et porte à son extrémité amont (à gauche en considérant la figure 1) une bride extérieure 5.
Un deuxième tube 6 entoure concentriquement le tube 4 sur toute sa longueur, il est soudé à son extrémité amont à la bride 5 et débouche à l'aval dans le même plan transversal izs3q4s P que le tube 4. Il comporte près de son extrémité amont une tubulure 7 raccordée à une source d'oxygène (non représentée).
En aval de la tubulure 7, le tube 6 porte une collerette extérieure 8 sur laquelle est soudée l'extrémité
amont d'un troisième tube 9 qui s'étend jusqu'au plan P.
Ce tube 9 comporte près de son extrémité amont une tubulure 10 raccordée à un dispositif (non représenté) fournissant un mélange air-charbon pulvérisé, et, plus en aval, une tubulure 11 raccordée à une source d'oxygène (non représentée). Entre les tubulures 10 et 11, un déflecteur tronconique 12, conver-gent vers l'aval, est soudé par sa grande base à l'intérieur du tube 9, ce déflecteur se prolonge jusqu'au plan P par un tronçon de tube 13 de diamètre intermédiaire entre ceux des tubes 6 et 9.
Ainsi, dans la région de sa sortie, le corps de brûleur 2 définit trois intervalles annulaires concentriques qui débouchent tous dans le plan P : un intervalle intérieur 14 alimenté en oxygène, un intervalle intermédiaire 15 alimenté en mélange air-charbon pulvérisé, et un intervalle extérieur 16 alimenté en oxygène. Chacun des intervalles 14 et 16 est pourvu d'un dispositif à aubes inclinées, 17 et 18 respectivement, de mise en rotation du flux d'oxygène corres-pondant autour de l'axe X-X du brûleur. En amont du déflecteur 12, les tubes 6 et 9 délimitent une chambre annulaire 19 de grande section qui forme une chambre de distribution homogène du mélange air-charbon.
L'extrémité aval du tube extérieur 9 porte une bride extérieure 20, contenue dans le plan P, sur laquelle se boulonne la bride amont 21 de l'ouvreau 3, qui a une forme tronconique divergente. Dans l'exemple représenté, l'ouvreau 3 lZS374S
est du type "ouvreau froid", c'est-à-dire qu'il est constitué
d'une ~ouble paroi dans laquelle circule un fluide de refroi-dissement, par exemple de l'eau. C'est ainsi que la double paroi 22 est divisée en plusieurs compartiments 23 dont certains sont reliés à une entrée d'eau 24,25 et d'autres à
une sortie d'eau 26. L'ouvreau 3 porte extérieurement à son extrémité de sortie une bride de fixation 27.
Des essais ont été effectués par la demanderesse dans les conditions suivantes:
- vitesse de sortie du mélange air-charbon: 10 à
25 m/s, ce qui évite le colmatage par les particules de charbon tout en garantissant une bonne homogéneité du mélange. La vitesse dans la conduite d'amenée (non représentée) peut être légèrement supérieure à 25 m/s~ Le ratio air-transport sur charbon transporté varie de 0,5 kg d'air/kg de charbon à 1,5 kg d'air/kg de charbon;
- le volume total d'oxygène injecté correspond à
une proportion stoechiométrique dans la flamme par rapport à
la réaction de combustion C + ~2-~ CO2~ soit un taux de suroxygénation global variant de 68 % à 86 ~/O selon le ratio air-transport sur charbon transporté, - angles d'inclinaison des aubes des dispositifs 17 et 18 par rapport à l'axe X-X : cet angle peut varier de 0~ à
60~, les deux angles étant de préférence dans le même sens.
On choisira de préférence des angles supérieurs à 0~, étant donné l'effet bénéfique de la mise en rotation des flux d'oxy-gène sur la stabilité de la flamme.
Ces essais ont montré qu'un tel brûleur peut fonctionner de fa,con stable sans combustible auxiliaire, en particulier sans flamme pilote, même en four "froid" et ~253745 lors d'un démarrage à fxoid. En d'autres tenmes, la recir-culation des gaz chauds qui se produit au centre du brûleur suffit pour assurer l'allumage continu du mélange combustible-comburant. Il est seulement nécessaire de disposer d'un allumeur, qui peut être par exemple un petit brûleur oxy-combustible 28 débouchant dans l'ouvreau 3 à travers la bride 20 et incliné vers l'axe X-X, dès que l'allumage est obtenu, ce brûleur auxiliaire peut être éteint, puisque la combustion ~'entretient d'elle-même.
En variante, le brûleur latéral 28 peut être remplacé par un petit brûleur oxy-combustible 29, schématisé
en trait mixte à la figure 1, que l'on introduit suivant l'axe X-X dans le tube central 4 par l'amont, puis qu'on retire dès que l'allumage est obtenu, afin de le protéger de la flamme. On peut alors obturer llextrémité de sortie du tube 4 par une pièce d'obturation appropriée (non repré-sentée) afin d'empêcher l'accumulation à cet endroit de cendres recirculées. Il peut être avantageux que cette pièce d'obturation soit refroidie par circulation d'eau pour en ~viter la surchauffe sous l'action des gaz chauds recirculés.
On va maintenant donner un exemple de mise en oeuvre d'un tel brûleur:
- four : four à parois "froides" creuses refroidies à l'eau, de dimensions suivante~ : longueur : 4,4 m : largeur :
1,2 m ; hauteur : 1,2 m - deux types de charbon ont été utilisés, dont les caractéristiques sont les suivantes:
TYPE I TYPE II
(anthracite) % de volatiles 30 6 P.C.I.* 31,4 kJ/kg32,6 kJ/kg Granulométrie à 50%30 ,u ou 80 ~u 30 ~
P.C.I.: pouvoir calc rifique inférieur, c'est-à-dire sans ~2~;3745 récupération de la chaleur de la vapeur d'eau produite.
~ - quantité d'air transport/kg de charbon transporté :
1,5 kg , - débits utilisés : oxygène : 314 Nm3/h air: 232 Nm /h charbon: 200 kg/h, ce qui correspond à une puissance calorifique d'environ 1840 kW, - taux de suroxygénation théorique : 66 %, taux réel de suroxygénation (en tenant compte des entrées d'air dans le four du fait des fuites) : 54 % , - vitesse du charbon : 16 m/s , - vitesse de l'oxygène dans l'intervalle 14 : 67 m/s, avec un nombre de swirl de 0, 20, - vitesse de l'oxygène dans l'intervalle 16 : 12 ~ 5 m/s, avec un nombre de swirl de 0,60.
Le nombre de swirl mentionné ci-dessus est défini par la formule:
S = 2 tg 0 1 - Z3, avec a = inclinaison des aubes du dispositif considéré 17 OU 18 z = rayon extérieur des aubes rayon intérieur des aubes On a obtenu ainsi un rendement en chaleur utile ~rapport de la chaleur récupérée dans les parois du four au débit calorifique introduit) de 60% pour une température des fumées de 800~C. L ~ analyse des fumées permet de calculer un rendement théorique, compte tenu de l'air transport, de 86%~
avec une température adiabatique de flamme de 2759~C ~ ce qui est à comparer avec un rendement théorique de 68 %, avec une température adiabatique de flamme de 2 076~C, pour un brûleur classique air-charbon.
~53745 On a constaté que, par réglage des débits, il était possible de faire varier du simple au triple la puissance calorifique (de 1.100 à 3.300 kW) avec le même brûleur, ce qui montre sa grande souplesse d'utilisation. De plus, il est possible d'obtenir une flamme stable tout en étant en excès ou en défaut d'oxygène par rapport à la stoechiométrie, ce qui est bien entendu avantageu~ en pratique.
On observe un rayonnement très important de la fla~ne, d'autant plus élevé que la granulométrie est plus grosse; cette augmentation de la granulométrie ne d~stabilise pas la flamme, de sorte qu'elle n'est limitée que par les problèmes de transport du charbon et par la nécessité d'éviter d'évacuer a la cheminée du four des particules encore en cours de combustion. Cette possibilité d'utiliser du charbon à grosse granulométrie est très avantageuse du point de vue du broyage et du stockage du charbon.
La longueur de la flamme peut être évaluée à 1,3 m, avec un transfert thermique très important dans les cinquante premiers centimètres. Il est à noter que, en modifiant les paramètres d'utilisation, le brûleur permet d'obtenir diffé-rentes formes et différentes longueurs de flammes, ce qui permet de l'utiliser dans de nombreuses applications.
De façon générale, ce brûleur peut être utilisé dans tous les cas où une puissance thermique sous forme d'un brûleur est nécessaire et où la présence de cendres ne risque pas d'être préjudiciable au procédé. Il est particulièrement approprié lorsque la présence d'une flamme stable est nécessaire, pour des raisons de sécurité, et lorsqu'on désire une grande intensité de combustion, un niveau élevé de température (2 500~~ p.ex.) et une forte intensité de rayonnement.
i253745 On peut citer notamment les fours à chauffage indirect tels que les fours à pots, les fours où existe un laitier (fours à
arc, poches de fusion), ou bien les fours de cimenterie. Dans de nombreuses applications, la quantité de c~aleur importante transférée par la flamme du brûleur suivant l'invention permet de réduire les temps de séjour des produits à cuire et donc d'augmenter la productivité des fours ou, dans le cas des fours-tunnels, d'en diminuer les dimensions. De plus, la possi-bilité, indiquée plus haut, de s'écarter de la stoechiométrie permet d'obtenir dans l'enceinte associée au brûleur des atmosphères particulières, par exemple réductrices.
Le brûleur lA de la figure 2 comprend un corps 2A
à l'extrémité aval duquel est fixé l'ouvreau 3. Le corps 2A
diffère du corps 2 de la figure 1 par le fait que le tube intérieur 4 et le dispositif à aubes 17 sont supprimés et remplacés par un tube central 4A qui se termine en aval par un diffuseur annulaire 30 et est centré dans le tube 6 par des ailettes radiales 31. L'extrémité amont du tube 4A est reliée à une source d'oxygène (non représentée), et la tubulure 7 de la figure 1 est également supprimée.
Le diffuseur 30 est délimité extérieurement par une paroi tronconique 32 dont l'extrémité de petit diamètre est reliée au tube 4A et dont l'autre extrémité est reliée à
l'extrémité aval du tube 6. Intérieurement, ce diffuseur est délimité par une pièce 33 extérieurement tronconique et dont la face avant est bombée. Cette pièce est centrée dans la paroi 32 par un petit nombre d'ailettes radiales 34.
Avec le brûleur lA, l'oxygène introduit par le tube central 4A est directement injecté, sans mouvement de rotation autour de l'axe X-X, dans la veine annulaire de mélange air-_ g _ ~Z53745 charbon sortant par l'intervalle annulaire 15. Ceci crée une intense recirculation des gaz chauds et conduit à une combustion encore meilleure que celle obtenue avec le brûleur de la figure 1. La forme bombée de la pièce 33 permet de mieux maitriser la recirculation et de limiter le dépôt de particules encore combustibles sur le brûleur.
Le brûleur lB de la figure 3 permet également d'obtenir une combustion très intense. Son corps 2B, auquel est fixé le même ouvreau 3 que précédemment, comprend un tube central 35 raccordé à l'amont à la source de mélange air-charbon. Ce tube porte à son extrémité amont une collerette extérieure 36 et se prolonge vers l'aval par un injecteur d'oxygène 37 qui s'étend jusqu'au plan transversal P de sortie du corps 2B.
L'injecteur 37 est un corps annulaire de forte épaisseur limité par deux surfaces cylindriques reliées à
l'amont par une face tronconique 38 qui diverge vers l'aval, et à llaval par une face plane 39 contenue dans le plan P.
De la face 38 partent plusieurs ajutages 40 répartis sur sa périphérie. Ces ajutages ont une double inclinaison, d'une part centripète vers l'aval, comme on le voit sur la figure 3, d'autre pàrt dans le sens circonférentiel par rapport aux directions radiales qui passent par leurs orifices d'entrée.
Les ajutages 40, dont deux ont été ramenés dans le plan de la figure 3 pour la clarté du dessin, débouchent sur la surface cylindrique intérieure de l'injecteur, dont le diamètre est ~gal au diamètre intérieur du tube 35. Pour permettre de modifier facilement l'impulsion donnée à
l'oxygène par les ajutages 40 pour un débit a ~ alimentation donné, on peut, comme représenté, ménager ces ajutages dans lZ53745 des douilles interchangeables rapportées sur le corps d'injec-teur 37~, et les faire communiquer avec le tube 35 par des perçages de plus grand diamètre du corps 37.
Le tu~e intérieur 35 et l'injecteur 37 sont entourés sur toute leur longueur par un tube intermédiaire 41. L'in-tervalle annulaire ainsi formé est obturé à l'amont par la collerette 36 et à l'aval par une entretoise annulaire 42, et il communique avec une source d'oxygène (non représentée) par une tubulure latérale 43~-10 . Le tube 41 porte, en aval de la tubulure 43, une collerette extérieure 44 sur laquelle est soudée l'extrémité
amont d'un tube extérieur 45. Ce dernier s'étend jusqu'au plan P et comporte une tubulure latérale 46 reliée à une source d'oxygène (non représentée). A son extrémité aval, l'inter-valle annulaire 47 formé entre les tubes 41 et 45 est équipé
d'un dispositif à aubes inclinées 48 de mise en rotation du flux d'oxygène autour de l'axe X-X.
En service, le mélange air-charbon est injecté en une veine cylindrique pleine par le tube intérieur 35. A une courte distance du plan P sont envoyés dans cette veine, par la tubulure 43 et les ajutages 40, plusieurs jets d'oxygène orientés suivant des héIices. Ceci crée un puissant brassage oxygène-charbon juste avant la sortie du charbon dans l'ouvreau 3 et a pour résultat une combustion très intense, avec une flamme qui prend naissance très près du plan P. Le brûleur lB est ainsi particulièrement approprié pour les appli-cations où une flamme relativement courte est nécessaire.
La figure 4 représente un brûleur lC dont le corps 2C, équipé de l'ouvreau 3, ne diffère du corps 2B de la figure 3 que par le fait qu'une alimentation unique en oxygène i2537~5 est prévue pour l'injecteur 37 et pour le flux annulaire extérieur. Pour cela, la collerette 44 et le tube extérieur 45 de la figure 3 sont supprimés, et l'entretoise 42 est remplacée par le dispositif à aubes 48, précédé d'un organe d'étranglement 49 constitué par exemple par un disque perforé.
En contrepartie de la plus grande simplicité de structure ainsi obtenue, on ne peut pas dans ce cas régler à volonté le rapport des deux débits d'oxygène comme à la figure 3.
On a représenté aux figures 2 à 4 le même allumeur 28 qu'à la figure 1, et le même ouvreau 3. En variante, l'ou-vreau 3 peut être remplacé par un ouvreau "chaud" à paroi pleine en matière réfractaire, dans ce cas, il est souhaitable d'éta-blir une circulation d'eau à l'extérieur de l'ouvreau afin d'éviter qu'une augmentation excessive de la température dans l'ouvreau ne conduise à une détérioration du brûleur et même de l'ouvreau par suite de l'augmentation consécutive de la vitesse de propagation de la flamme.
Dans tout ce qui précède, l'oxygène peut être remplacé par de l'air fortement enrichi en oxygène, c'est-à-dire contenant au moins 40~/O d'oxygène. La combustion estalors moins intense qu'avec ae l'oxygène pur mais permet tout de même d'obtenir l'avantage précité de stabilité de flamme, même en four "froid" et lors d'un démarrage à froid.

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Ensemble à brûleur à charbon pulvérisé à
combustion auto-entretenue, caractérisé en ce qu'il comprend:
une première source d'un mélange d'air et de charbon; une seconde source d'oxygène à peu près pur; un corps de brûleur comprenant une conduite libre d'alimentation en mélange air-charbon, des moyens reliant cette conduite libre à ladite première source; une première conduite d'amenée en oxygène à peu près pur, cette première conduite entourant concentri-quement ladite conduite libre; des moyens d'amenée pour amener l'oxygène à peu près pur radialement à l'intérieur par rapport à ladite première conduite d'amenée; des moyens reliant ladite première conduite d'amenée et lesdits moyens d'amenée à ladite seconde source, la conduite libre et ladite première conduite d'amenée débouchant à l'aval dans un même plan transversal, la première conduite d'amenée étant pourvue d'un dispositif de mise en rotation du gaz qu'elle véhicule;
et un ouvreau divergent muni de moyens de refroidissement et s'étendant à partir dudit plan, cet ouvreau comportant des moyens de fixation amont destinés à le fixer de façon amovible au corps du brûleur et des moyens de fixation aval destinés à monter le brûleur de façon amovible, les première et seconde sources fournissant ledit mélange et l'oxygène dans des quantités respectives conduisant à un ratio charbon-oxygène qui est à peu près stoechiométrique par rapport à
la réaction de combustion C+O2?CO2.

2. Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que lesdits moyens d'amenée sont constitués par une deuxième conduite d'amenée entourée concentriquement par ladite conduite d'alimentation et débouchant également à
l'aval dans ledit plan transversal.

3. Brûleur suivant la revendication 2, caractérisé
en ce que ladite deuxième conduite d'amenée est une conduite annulaire pourvue d'un dispositif de mise en rotation du gaz qu'elle véhicule.

4. Brûleur suivant la revendication 2, caractérisé
en ce que ladite deuxième conduite d'amenée est une conduite centrale se terminant par un diffuseur annulaire divergent et débouchant également à l'aval dans ledit plan transversal.

5. Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que ladite conduite d'alimentation est une conduite centrale, lesdits moyens d'amenée comprenant un dispositif d'injection centripète d'oxygène à peu près pur dans la partie d'extrémité de cette conduite.

6. Brûleur suivant la revendication 5, caractérisé
en ce que le dispositif d'injection comprend plusieurs ajutages d'injection inclinés dans le sens circonférentiel par rapport à la direction radiale.

7. Brûleur suivant la revendication 6, caractérisé
en ce que lesdits ajutages sont également inclinés dans le sens longitudinal vers la sortie de la conduite centrale.

8. Brûleur suivant l'une quelconque des revendi-cations 5 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'injec-tion est disposé à l'extrémité de sortie d'une deuxième conduite d'amenée d'oxygène à peu près pur, cette deuxième conduite étant obturée à son extrémité de sortie et étant entourée par ladite première conduite d'amenée.

9. Brûleur suivant l'une quelconque des revendi-cations 5 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'injec-tion est disposé à l'extrémité de sortie de ladite première conduite d'amenée et est alimenté par celle-ci, cette conduite étant équipée d'un organe d'étranglement.