EP0926434A1 - Brûleur à faible émission d'oxyde d'azote avec circuit de gaz recyclé - Google Patents

Brûleur à faible émission d'oxyde d'azote avec circuit de gaz recyclé Download PDF

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EP0926434A1
EP0926434A1 EP98430027A EP98430027A EP0926434A1 EP 0926434 A1 EP0926434 A1 EP 0926434A1 EP 98430027 A EP98430027 A EP 98430027A EP 98430027 A EP98430027 A EP 98430027A EP 0926434 A1 EP0926434 A1 EP 0926434A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
burner
nozzle
outlet
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98430027A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean Claude Pillard
Jean Claude Gauthier
Jacques Pizant
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA
Original Assignee
Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA filed Critical Entreprise Generale de Chauffage Industriel Pillard SA
Publication of EP0926434A1 publication Critical patent/EP0926434A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/003—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for pulverulent fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F23L7/005—Evaporated water; Steam

Definitions

  • the present invention relates to a low emission burner of nitrogen oxide with recycled gas circuit.
  • the technical sector of the invention is the production of burners can use one or more fuels simultaneously or not, with special arrangements for air supply ducts and / or other gases.
  • the main application of the invention is its use in burners for rotary tube ovens, in which at least one fuel and primary combustion air are brought in at at least two concentric conduits arranged around a conduit central, the rest of the so-called secondary air is brought outside of these ducts.
  • these burners comprise at least two annular ducts supplying the primary air, one under form of a swirling air stream with components peripheral flow, and the other as an axial air stream having substantially axial flow components; which two primary air flow ducts are arranged radially at the outside of any fuel line including in particular at least an annular pulverized coal supply duct; and leads him central, inside which a feeding rod of at least starting fuel, is partially blocked by a flame stabilizer in the form of a flange surrounding its opening central where said rod opens, and having openings for the passage of a small part of the primary combustion air is at most 20% of this air, so that in the central area downstream said stabilizer, no significant combustion of the combustible, qualifying the said central dead zone: such a burner is described and claimed in European patent 421 903 published on April 10 1991 and filed by the same applicant as for the present invention.
  • the present invention can in fact be considered as a improvement made to such burners and more generally to all burner that can be described as modern comprising said conduits supply of fuel and primary combustion air representing a maximum of 15% of the total air, which ducts forming together a nozzle intended to be mounted on an orifice provided for this in the wall of the enclosure forming the hearth of the oven or chamber combustion, and around which secondary air is brought representing at least 85% of the total air and having a temperature of over 500 ° C.
  • the objective of the present invention is to reduce the formation of nitrogen oxides which are formed, either by the oxidation of nitrogenous compounds existing in the fuel and called NO X fuel, or in the combustion air itself by oxidation of nitrogen which occurs in the presence of atomic oxide or other oxidizing radicals, when the temperature is very high in the combustion furnace and qualified as thermal NO X ; which objective must be achieved by maintaining a good range for adjusting the burner operating speed with a stable flame.
  • the objective of the present invention is in fact to reduce, even more than by the devices known to date, the formation of NO X, both thermal and fuel for such burners comprising at least two substantially concentric fuel supply conduits and in primary combustion air representing at most 15% of the total air, which ducts together form a nozzle at the outlet of which the start of combustion can take place and around which secondary air is brought representing at least 85% total air and having a temperature of more than 500 ° C.: according to the present invention, this objective is achieved with a burner comprising at least four independent supply circuits, one of which feeds an annular duct surrounding all of said fuel and primary air supply ducts, inside which oxygen-depleted gas is injected, and outside which secondary air is brought, the inner edge of the outlet orifice of said annular duct being offset radially with respect to the outer edge of the outermost concentric duct of the nozzle by an annular hub with a thickness of at least 25 mm and from 3 to 8% of the diameter of said nozzle.
  • the outlet speed of the oxygen-depleted gas is lower than that V c of the primary air, and of the order of magnitude of that V a of the secondary air; in addition, the outlet opening of the annular duct may diverge and form an angle ⁇ of between 2 and 10 ° relative to the axis of the burner, and said oxygen-depleted gas is preferably recycled flue gas, or steam or a mixture of steam and fumes.
  • said burner can also have outside the duct protection outermost concentric and toward the outlet thereof, obstacles capable of deflecting and diverting the flow of current from the axis of the nozzle secondary air.
  • Such a smoke and or water vapor screen facilitates the creation of eddies between said depleted gas and this primary air, creating a stabilizing annular space maintaining the primary air and the fuel inside the guide thus formed and delaying its mixing with the secondary air all the more.
  • Water vapor by creating a heat shield, enhances the effect of insulation between primary air and secondary air by delaying their mix, all the better since it does not consume energy unlike water spray.
  • Figure 1 is a simplified longitudinal sectional view of a burner according to the invention.
  • Figure 2 is a sectional view of another embodiment of a burner according to the invention.
  • Figure 3 is a front view of a type of burner of the Figure 1 and 2 with a continuous annular duct.
  • Figures 4a and 4b are front views of the same burners of Figures 1 and 2 as for Figure 3 but with an annular duct discontinuous.
  • Figure 5 is a longitudinal sectional view of a burner according to the invention and used as an improvement of a burner such as described in patent EP421903.
  • Figure 6 is a simplified perspective view in cutaway of a powder fuel supply line to create separate flames, completing a particular embodiment of a burner according to the invention.
  • the present invention applies to any burner comprising at at least two substantially concentric supply lines fuel and primary combustion air representing at most 15% of the total air, which ducts together form a nozzle 1 with an axis XX 'as shown in Figures 1 to 4 by a simple cylinder of diameter D and specified in a particular embodiment on the figure 5.
  • Combustion 2 therefore takes place downstream from the outlet of this nozzle 1 around which is brought the secondary air 3 representing at least 85% of the total air and having a temperature of more than 500 ° C.
  • a general external representation of an example of a complete burner can be viewed according to Figure 1 of European patent EP421903.
  • such a burner comprises at least four independent supply circuits, one of which supplies an annular duct 4 surrounding the assembly 1 of said fuel and primary air supply ducts, inside which is injected oxygen-depleted gas, and outside of which the secondary air is brought 3.
  • the internal edge 5 1 of the outlet orifice 5 of said annular duct 4 is offset radially with respect to the external edge 6 1 of the concentric duct the more external of the nozzle 1 by an annular hub 6 of thickness "d" of at least 25 mm and from 3 to 8% of the diameter D of the said nozzle 1 in order to generate a ripple by the creation of Karman vortex, all by not being too thick to avoid problems of fouling of the external surface of the hub 6 and too great a break in aerodynamic flow which could go against the desired goal; a person skilled in the art taking cognizance of the effect sought by the present invention is able to determine the characteristics of said annular hub 6 without it being necessary to give all the explanations in this description.
  • the outlet port 5 of the conduit annular 4 can diverge and form an angle ⁇ between 2 and 10 ° relative to the axis XX 'of the burner in order to spread the air even more secondary 3 and thus delay its mixing with that constituted by the primary air and the fuel supplied by the conduits of the nozzle 1.
  • the outlet orifice of said annular duct 5 can also be concentric without divergence with respect to the XX 'axis.
  • the exit velocity V g of the gas depleted in oxygen or smoke is of the order of magnitude that that V a of secondary air 3, that is to say from 10 to 50 meters per second, preferably of the order of 15 meters per second, which is significantly lower than that V c of the primary air which is supplied at a sufficiently high pressure to obtain an outlet speed of the order of 150 to 200 meters per second, or in general of the order of 170 meters per second.
  • the definition of oxygen-depleted gas is that of a gas composed of less than 21% oxygen: it can therefore be the recycled smoke gas leaving the combustion chamber where the burner according to the invention is located, or smoke gas from other sources, or even water vapor, or a mixture of steam and smoke.
  • the outlet orifice 5 of said annular duct 4 can be a continuous open crown as shown in FIG. 3 or discontinuous and have several openings, either rectangular in shape over the entire thickness e of duct 4 such as shown in Figure 4a, either in the form of orifices 5 2 of rounded shape, such as circular, shown in Figure 4b.
  • the nozzle 1 of axis XX ′ is that described in patent EP421903 already mentioned previously, and constituting a preferred embodiment of the burner according to the invention: the outlet orifices of the primary air supply conduits are arranged radially outside any outlet of the fuel conduit, both by the rod 10 located in the axis of the central conduit 8 as by the peripheral conduit 9 into which is preferably sent pulverized coal.
  • Said outlet orifices supply the nozzle 1 with axial air and swirling air through at least two concentric ducts 12, 13 and the central duct 8, inside which is positioned a nozzle holder 10, is partially blocked by a stabilizer of flame 8 in the form of a flange surrounding its central opening 10 1 where said nozzle holder 10 opens; said flame stabilizer 8 has openings for the passage of part of the primary combustion air, ie at most 20% of this air, so that, in the central zone 2 1 located downstream of said stabilizer 8, does not produces no significant combustion of the fuel qualifying said central zone 2 1 as dead.
  • the quantity of primary air sent to said central dead zone 2 1 is between 1% and 20% of the total primary air and preferably less than 10%, and the proportion of primary combustion air is between 2 and 10% of the total combustion air and preferably less than 6%.
  • the flame stabilizer 8 is preferably axially offset behind the set of concentric openings of outlet of primary air and solid or gaseous fuels.
  • the flame stabilizer 8 is disposed at the front end of a nozzle holder 10 inside which is in fact a liquid fuel supply rod, essentially used for starting the burner.
  • the axial air outlet opening 13 is the one located radially as far outside as possible from the set of primary air supply conduits and has an outer edge 14 which projects axially forward and constitutes the internal edge 6 1 of the hub 6 separating it from the external channel 4 of oxygen-depleted gas.
  • the secondary air itself can also be staggered by adding outside the protection 7 of the outermost concentric duct, in fact that 4 of the supply of smoke or depleted gas in oxygen, and towards the outlet orifice 5 thereof, obstacles 7 1 capable of deflecting and deviating from the axis XX 'of the nozzle 1 the flow of the secondary air current 3; such obstacles 7 1 can form a continuous crown in the form of a cone diverging from the external continuous surface of the protection 7 or consist of separate blocks forming a notched crown from the front.
  • oxygen-depleted gas such as smoke and / or water vapor
  • Said burner has at least two obstacles 67 for this, such as shown in Figures 5 and 6, provided in the conduit fuel supply 9, and which divide it into at least two channels in the vicinity of the outlet of this conduit, i.e. of the burner nozzle 1, so as to cause the separation of the incident vein of solid fuel in at least two veins for allow the formation of at least two flames.
  • said conduit 9 for supplying solid fuel has an upstream part located on the right in these figures, which is provided an annular cross section; due to the presence, such as represented in FIG. 6, of five obstacles 67 in the form of a profiled wedge triangular, the conduit 9 is divided into five channels 91, 92, 93, 94, 95 which are each delimited by, on the one hand, the external face 66A of the wall 66 separating the conduit 9 from the conduit 11, on the other hand the internal face 68A of the wall 68 separating the conduit 9 from the conduit 12, and also faces lateral 73 obstacles 67 in the form of a wedge; these extend to from their tapered or profiled rear end 70, and their section transverse widens or increases from their leading edge 70 to their terminal section 71 corresponding to the end or front face of the nozzle.
  • a section of substantially constant passage of solid fuel between the part upstream of the completely annular section duct and the downstream part fitted with obstacles 67 and divided into five channels the internal radius of the vein remains constant for example due to a cylindrical surface 66A, the external radius 61 corresponding to the radius of the face 68A external to the vicinity of the outlet openings of channels 91 to 95, is greater than radius 60 of the upstream part of the duct 9 of annular section, in order to compensate for the reduction in free cross-section resulting from the presence of these obstacles 67.
  • the height (measured radially) of the separate channels 91 to 95 by said obstacles 67 of the fuel supply duct 9 solid is then more important than the height of the part of the duct located upstream of obstacles.

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Abstract

La présente invention a pour objet un brûleur à faible émission d'oxyde d'azote avec circuit de gaz recyclé comportant au moins deux conduits sensiblement concentriques d'alimentation en combustible et en air de combustion primaire représentant au maximum 15% de l'air total, lesquels conduits forment ensemble une buse (1) d'axe XX' à la sortie de laquelle peut se réaliser le début de la combustion (2) et autour de laquelle est amené l'air secondaire (3) représentant au moins 85% de l'air total et ayant une température de plus de 500 °C ; ledit brûleur comporte au moins quatre circuits d'alimentation indépendants dont l'un alimente un conduit annulaire (4) entourant l'ensemble (1) desdits conduits d'alimentation en combustible et en air primaire, à l'intérieur duquel est injecté du gaz appauvri en oxygène, et à l'extérieur duquel est amené l'air secondaire (3), l'orifice de sortie (5) dudit conduit annulaire (4) étant décalé radialement par rapport au conduit concentrique le plus externe de la buse (1) par un moyeu annulaire d'épaisseur d d'au moins 25 mm et de 3 à 8 % du diamètre D de ladite buse. <IMAGE>

Description

La présente invention a pour objet un brûleur à faible émission d'oxyde d'azote avec circuit de gaz recyclé.
Le secteur technique de l'invention est la réalisation de brûleur pouvant utiliser un ou plusieurs combustibles simultanément ou non, avec des aménagements particuliers de conduits d'alimentation en air et/ou autres gaz.
L'application principale de l'invention est son utilisation dans des brûleurs pour fours tubulaires rotatifs, dans lesquels au moins un combustible et de l'air de combustion primaire sont amenés dans au moins deux conduits concentriques disposés autour d'un conduit central, le reste de l'air dit secondaire est amené à l'extérieur de ces conduits.
Dans un mode de réalisation préférentiel, ces brûleurs comportent au moins deux conduits annulaires alimentant l'air primaire, l'un sous forme d'un courant d'air tourbillonnant comportant des composants d'écoulement périphériques, et l'autre sous forme de courant d'air axial comportant des composants d'écoulement sensiblement axial ; lesquels deux conduits de courant d'air primaire sont disposés radialement à l'extérieur de tout conduit de combustible dont en particulier au moins un conduit annulaire d'alimentation en charbon pulvérisé ; et le conduit central, à l'intérieur duquel est glissé une canne d'alimentation de combustible au moins de démarrage, est partiellement obturé par un stabilisateur de flamme en forme de bride entourant son ouverture centrale où débouche ladite canne, et comportant des ouvertures pour le passage d'une petite partie de l'air de combustion primaire soit au plus 20% de cet air, de telle façon que, dans la zone centrale située en aval dudit stabilisateur, ne se produise aucune combustion notable du combustible, qualifiant ladite zone centrale de morte : un tel brûleur est décrit et revendiqué dans le brevet européen 421 903 publié le 10 avril 1991 et déposé par le même déposant que pour la présente invention.
La présente invention peut être en fait considérée comme un perfectionnement apporté à de tels brûleurs et plus généralement à tout brûleur que l'on peut qualifier de moderne comportant lesdits conduits d'alimentation en combustible et en air de combustion primaire représentant au maximum 15% de l'air total, lesquels conduits formant ensemble une buse destinée à être montée sur un orifice prévu pour cela dans la paroi de l'enceinte formant le foyer du four ou chambre à combustion, et autour de laquelle est amené l'air secondaire représentant au moins 85% de l'air total et ayant une température de plus de 500°C.
L'objectif de la présente invention est de diminuer la formation des oxydes d'azote qui se forment, soit par l'oxydation de composés azotés existant dans le combustible et dit NOX combustible, soit dans l'air de combustion lui-même par l'oxydation de l'azote qui se produit en présence d'oxyde atomique ou d'autres radicaux oxydants, quand la température est très élevée dans le foyer de combustion et qualifiée de NOX thermique ; lequel objectif devant être atteint en conservant une bonne plage de réglage de l'allure de marche du brûleur avec une flamme stable.
De nombreux procédés et dispositifs ont été développés, et certains ont été brevetés, tel qu'en particulier ceux réduisant la teneur en oxygène dans la flamme par l'utilisation d'une recirculation des fumées présentes dans le foyer afin de les recombiner avec l'air de combustion : une telle recirculation utilisant des systèmes d'aspiration et d'injection de ce gaz de fumées est connue depuis longtemps et est parfois combinée suivant le cas avec l'étagement de l'alimentation en combustible.
On peut citer par exemple dans ce domaine les demandes de brevet précédentes de la société EGCI PILLARD, déposant de la présente invention, telle que la demande de brevet FR2706985 publiée le 30 décembre 1994 et intitulée "brûleur à combustibles liquides ou gazeux à très faible émission d'oxyde d'azote", ou encore la demande de brevet FR2518222 publiée le 6 octobre 1995 et intitulée "perfectionnement de brûleur à combustibles gazeux à très faible émission d'oxyde d'azote" ; on pourra se reporter utilement à l'introduction et à la description de ces deux demandes de brevet pour bien comprendre l'intérêt et les diverses possibilités connues de réalisation pour diminuer l'émission d'oxyde d'azote : cette diminution est en effet de plus en plus recherchée par les utilisateurs de brûleurs, en particulier du fait des normes existantes en matière d'environnement et de rejets dans l'atmosphère, qui sont de plus en plus contraignantes.
On pourrait citer également le brevet européen 0279913 publié le 31 août 1988 et déposé sous priorité allemande par la société INGENIEURBUREAU SONVICO intitulé "brûleur pour la combustion de combustibles liquides ou gazeux" : ce document enseigne un dispositif apportant l'air sous forme étagée en trois parties (air primaire, air secondaire, air tertiaire) avec un apport de gaz de fumées entre l'air secondaire et l'air tertiaire afin de retarder le déroulement de la combustion et empêcher d'atteindre des températures de flammes élevées, ce qui agit à l'encontre de la formation des oxydes azotés qui dans le cas de combustibles liquides ou gazeux, sont essentiellement thermiques.
En effet, dans le brûleur décrit dans ce document, l'essentiel de l'air est amené à l'intérieur du cylindre défini par le conduit apportant lesdites fumées, contrairement à la présente invention pour laquelle l'air primaire ne représente au maximum que 15% de l'air total, et seul l'air tertiaire est situé à l'extérieur de celui-ci et alimenté par des buses convergeant vers l'axe du foyer (contrairement également à la présente invention pour laquelle on retarde la mélange de l'air extérieur avec la flamme) ; de tels brûleurs peuvent comporter des lances à combustibles extérieures aux conduits d'air primaire et secondaire, et au conduit de fumée pour injecter du combustible vers l'intérieur de la chambre de combustion et d'une manière convergente. Il s'agit donc d'un brûleur particulier dans lequel l'apport étagé de l'air tertiaire et l'addition de fumées recyclées permettent de baisser la température de la flamme et donc de réduire la formation du NOX essentiellement thermique.
Cependant, la configuration et les moyens décrits permettant une telle addition de fumée ne permettent pas de réduire suffisamment le taux de NOX pour les brûleurs dans lesquels l'air primaire représente déjà moins de 15% de l'air total, comme pour les brûleurs objet de l'application principale de la présente invention tel qu'indiqué en introduction et en particulier utilisant du combustible solide ; et de plus dans une application de fours de cimenterie, il ne faut pas réduire la température de la flamme comme recherché dans ce document de l'art antérieur : au contraire dans les applications de l'invention, si l'on veut réduire les oxydes d'azote il faut en même temps garder une flamme rayonnante.
L'objectif de la présente invention est en effet de réduire, encore plus que par les dispositifs connus à ce jour, la formation de NOX tant thermique que combustible pour de tels brûleurs comportant au moins deux conduits sensiblement concentriques d'alimentation en combustible et en air de combustion primaire représentant au maximum 15% de l'air total, lesquels conduits formant ensemble une buse à la sortie de laquelle peut se réaliser le début de la combustion et autour de laquelle est amené l'air secondaire représentant au moins 85% de l'air total et ayant une température de plus de 500 °C : suivant la présente invention, on atteint cet objectif avec un brûleur comportant au moins quatre circuits d'alimentation indépendants dont l'un alimente un conduit annulaire entourant l'ensemble desdits conduits d'alimentation en combustible et en air primaire, à l'intérieur duquel est injecté du gaz appauvri en oxygène, et à l'extérieur duquel est amené l'air secondaire, le bord intérieur de l'orifice de sortie dudit conduit annulaire étant décalé radialement par rapport au bord externe du conduit concentrique le plus externe de la buse par un moyeu annulaire d'épaisseur d'au moins 25 mm et de 3 à 8 % du diamètre de ladite buse.
Suivant un mode préférentiel de réalisation la vitesse de sortie du gaz appauvri en oxygène est plus faible que celle Vc de l'air primaire, et de l'ordre de grandeur de celle Va de l'air secondaire ; de plus, l'orifice de sortie du conduit annulaire peut diverger et former un angle α compris entre 2 et 10° par rapport à l'axe du brûleur, et ledit gaz appauvri en oxygène est de préférence du gaz de fumées recyclé, ou de la vapeur d'eau ou un mélange de vapeur et de fumées.
Suivant un mode de réalisation particulier ledit brûleur peut comporter également à l'extérieur de la protection du conduit concentrique le plus externe et vers l'orifice de sortie de celui-ci, des obstacles aptes à dévier et écarter de l'axe de la buse le flux du courant d'air secondaire.
Le résultat est de nouveaux brûleurs à faible émission d'oxyde d'azote spécifiquement adaptés aux fours tubulaires rotatifs et permettant en particulier de perfectionner les brûleurs suivant l'application principale énoncée en introduction et plus particulièrement ceux du type décrit dans le brevet EP421903.
En effet, d'une part la présence d'obstacles en couronne extérieure sur le brûleur, et surtout et d'autre part le rajout d'un conduit annulaire, qui entoure l'ensemble des conduits d'alimentation en combustibles et en air primaire, est alimenté en gaz appauvri en oxygène, et est disposé à une distance minimum par rapport au conduit le plus externe d'alimentation en air primaire, éloignent de celui-ci le flux d'air secondaire et permet de retarder l'échange d'énergie, et donc leur mélange, entre ces divers flux : ceux-ci arrivent en effet à des vitesses différentes, la vitesse de l'air secondaire étant de l'ordre de 10 à 50 mètres par seconde, alors que celle de l'air primaire est de l'ordre de 150 à 200 mètres par seconde.
En l'absence de l'écran suivant l'invention, créé par le gaz appauvri en oxygène ou les fumées et/ou vapeur d'eau, les deux flux d'air se mélangent alors bien entendu très rapidement et, enrichissant en oxygène le mélange air combustible, provoque tout aussi rapidement l'oxydation de l'azote de l'air de combustion et/ou du combustible en NOX : par contre avec un tel écran réalisé suivant l'invention, on crée d'une manière inattendue une sorte de guide isolant pendant un trajet, plus ou moins long dépendant des modes particuliers de réalisation tels que décrits ci-après, entre l'air secondaire et l'air primaire, retardant ainsi leur mélange. Un tel écran de fumée et ou de vapeur d'eau, dont l'orifice de sortie est décalé par rapport à celui de l'air primaire le plus externe, et ayant une vitesse plus faible que celui-ci, facilite la création de remous entre cedit gaz appauvri et cet air primaire, créant un espace annulaire stabilisateur maintenant l'air primaire et le combustible à l'intérieur du guide ainsi formé et retardant d'autant plus son mélange avec l'air secondaire.
De plus, par ce rajout de fumées et/ou de vapeur d'eau, le mélange d'air primaire et de combustibles est ainsi appauvri en oxygène, ce qui a certes un effet de réduction de NOX, déjà obtenu et réalisé dans de nombreuses demandes de brevet antérieures telles que rappelées ci-dessus, mais ici, on l'obtient sans vouloir trop refroidir la flamme (la vapeur d'eau crée un écran thermique réfléchissant en particulier les infrarouges) : cependant un tel appauvrissement affaiblit normalement la stabilité de la flamme alors que suivant la présente invention, la création d'un espace annulaire stabilisateur formant guide permet, malgré cet appauvrissement, de maintenir une bonne stabilité de ladite flamme, ce qui est un avantage supplémentaire d'un tel écran disposé suivant la présente invention.
La vapeur d'eau, en créant un écran thermique, renforce l'effet d'isolant entre l'air primaire et l'air secondaire en retardant leur mélange, et cela d'autant mieux qu'elle ne consomme pas d'énergie contrairement à de la vaporisation d'eau.
On pourrait citer d'autres avantages de celle-ci, mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt.
La description et les figures ci-après représentent des exemples de réalisation de l'invention, mais n'ont aucun caractère limitatif : d'autres réalisations sont possibles, dans le cadre de la portée et de l'étendue de l'invention, en particulier en utilisant diverses configurations de brûleurs connus avec des conduits d'alimentation en air et en combustible constituant la buse centrale.
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale simplifiée d'un brûleur suivant l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe d'un autre exemple de réalisation d'un brûleur suivant l'invention.
La figure 3 est une vue de face d'un brûleur de type de ceux de la figure 1 et 2 avec un conduit annulaire continu.
Les figures 4a et 4b sont des vues de face des mêmes brûleurs des figures 1 et 2 que pour la figure 3 mais avec un conduit annulaire discontinu.
La figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un brûleur suivant l'invention et utilisé comme perfectionnement d'un brûleur tel que décrit dans le brevet EP421903.
La figure 6 est une vue perspective simplifée en écorché d'un conduit d'alimentation en combustible pulvérulent afin de créer des flammes séparées, complétant un mode de réalisation particulier d'un brûleur suivant l'invention.
La présente invention s'applique à tout brûleur comportant au moins deux conduits sensiblement concentriques d'alimentation en combustible et en air de combustion primaire représentant au maximum 15% de l'air total, lesquels conduits forment ensemble une buse 1 d'axe XX' tel que représenté sur les figures 1 à 4 par un simple cylindre de diamètre D et précisé dans un mode particulier de réalisation sur la figure 5.
La combustion 2 a donc lieu en aval de la sortie de cette buse 1 autour de laquelle est amené l'air secondaire 3 représentant au moins 85% de l'air total et ayant une température de plus de 500°C. Une représentation générale extérieure d'un exemple de brûleur complet peut être consultée suivant la figure 1 du brevet européen EP421903.
Suivant la présente invention, un tel brûleur comporte au moins quatre circuits d'alimentation indépendants dont l'un alimente un conduit annulaire 4 entourant l'ensemble 1 desdits conduits d'alimentation en combustible et en air primaire, à l'intérieur duquel est injecté du gaz appauvri en oxygène, et à l'extérieur duquel est amené l'air secondaire 3. Le bord interne 51 de l'orifice de sortie 5 dudit conduit annulaire 4 est décalé radialement par rapport au bord externe 61 du conduit concentrique le plus externe de la buse 1 par un moyeu annulaire 6 d'épaisseur "d" d'au moins 25 mm et de 3 à 8% du diamètre D de ladite buse 1 afin de générer un remous par la création de tourbillon de Karman, tout en n'étant pas trop épais pour éviter des problèmes d'encrassement de la surface externe du moyeu 6 et une rupture trop importante d'écoulement aérodynamique qui pourrait aller à l'encontre du but recherché ; un homme du métier prenant connaissance de l'effet recherché par la présente invention est à même de déterminer les caractéristiques dudit moyeu annulaire 6 sans qu'il soit nécessaire d'en donner toutes les explications dans la présente description.
Comme représenté sur la figure 1, l'orifice de sortie 5 du conduit annulaire 4 peut diverger et former un angle α compris entre 2 et 10° par rapport à l'axe XX' du brûleur afin d'écarter encore plus l'air secondaire 3 et de retarder ainsi son mélange avec celui constitué par l'air primaire et le combustible alimenté par les conduits de la buse 1.
Suivant la représentation de la figure 1, l'orifice de sortie dudit conduit annulaire 5 peut être également concentrique sans divergence par rapport à l'axe XX'.
La vitesse de sortie Vg du gaz appauvri en oxygène ou fumée est de l'ordre de grandeur de celle Va de l'air secondaire 3, soit de 10 à 50 mètres par seconde, de préférence de l'ordre de 15 mètres par seconde, soit significativement plus faible que celle Vc de l'air primaire qui est alimenté en assez grande pression pour obtenir une vitesse de sortie de l'ordre de 150 à 200 mètres par seconde, soit en général de l'ordre de 170 mètres par seconde. La définition du gaz appauvri en oxygène est celle d'un gaz composé de moins de 21% en oxygène : il peut donc s'agir du gaz de fumée recyclé sortant de la chambre de combustion où se situe le brûleur suivant l'invention, ou de gaz de fumée en provenance d'autres sources, ou même de vapeur d'eau, ou d'un mélange de vapeur et de fumées.
Suivant différentes possibilités de réalisation, l'orifice de sortie 5 dudit conduit annulaire 4 peut être une couronne ouverte continue telle que représentée sur la figure 3 ou discontinue et comporter plusieurs ouvertures, soit de forme rectangulaire sur toute l'épaisseur e du conduit 4 tel que représenté sur la figure 4a, soit sous forme d'orifices 52 de forme arrondie, tel que circulaire, représentés sur la figure 4b.
Sur la figure 5, la buse 1 d'axe XX' est celle décrite dans le brevet EP421903 déjà évoqué précédemment, et constituant un mode de réalisation préférentiel du brûleur suivant l'invention : les orifices de sortie des conduits d'alimentation en air primaire sont disposés radialement à l'extérieur de toute sortie de conduit de combustibles, aussi bien par la canne 10 située dans l'axe du conduit central 8 que par le conduit périphérique 9 dans lequel est envoyé préférentiellement du charbon pulvérisé. Lesdits orifices de sortie alimentent la buse 1 en air axial et en air tourbillonnant par au moins deux conduits 12, 13 concentriques et le conduit central 8, à l'intérieur duquel est positionné un porte-buse 10, est partiellement obturé par un stabilisateur de flamme 8 en forme de bride entourant son ouverture centrale 101 où débouche ledit porte-buse 10 ; ledit stabilisateur de flamme 8 comporte des ouvertures pour le passage d'une partie de l'air de combustion primaire soit au plus 20% de cet air de telle façon que, dans la zone centrale 21 située en aval dudit stabilisateur 8, ne se produit aucune combustion notable du combustible qualifiant ladite zone centrale 21 de morte.
De préférence, la quantité d'air primaire envoyée dans ladite zone centrale morte 21 est comprise entre 1% et 20% de la totalité de l'air primaire et de préférence inférieure à 10%, et la proportion d'air de combustion primaire est comprise entre 2 et 10% de l'air total de combustion et de préférence inférieure à 6%.
Le stabilisateur de flamme 8 est de préférence décalé axialement en arrière par rapport à l'ensemble des ouvertures concentriques de sortie de l'air primaire et des combustibles solides ou gazeux.
Le stabilisateur de flamme 8 est disposé à l'extrémité avant d'un porte-buse 10 à l'intérieur duquel est en fait glissée une canne d'alimentation en combustible liquide, servant essentiellement au démarrage du brûleur. L'ouverture de sortie de l'air axial 13 est celle située radialement le plus à l'extérieur possible de l'ensemble des conduits d'alimentation en air primaire et comporte un bord externe 14 qui déborde axialement vers l'avant et constitue le bord interne 61 du moyeu 6 le séparant du canal extérieur 4 de gaz appauvri en oxygène.
Pour compléter l'effet d'écran, créé par l'amenée de gaz appauvri en oxygène, tel que fumées et/ou vapeur d'eau, entre l'air secondaire 3 et l'air primaire, afin d'aider à diminuer la formation d'oxyde d'azote, on peut étager également l'air secondaire lui-même en rajoutant à l'extérieur de la protection 7 du conduit concentrique le plus externe, soit en fait celui 4 de l'alimentation en fumée ou gaz appauvri en oxygène, et vers l'orifice de sortie 5 de celui-ci, des obstacles 71 aptes à dévier et écarter de l'axe XX' de la buse 1 le flux du courant d'air secondaire 3 ; de tels obstacles 71 peuvent former une couronne continue en forme de cône divergeant depuis la surface continue externe de la protection 7 ou être constituée de blocs séparés formant de face une couronne crantée.
Par ailleurs, il a été constaté que la formation de plusieurs flammes de combustion résultant de la formation de plusieurs veines de combustible solide à la sortie de la buse du brûleur, aboutit, en plus de l'écran défini précédemment, à une réduction de la formation d'oxyde d'azote, cette réduction étant en particulier augmentée lorsqu'on applique l'invention à un brûleur équipé de plusieurs conduits d'alimentation en air axial et en air tourbillonnant qui sont disposés à l'extérieur du conduit d'alimentation en combustible solide, tel que décrit ci-dessus.
Ledit brûleur comporte au moins pour cela deux obstacles 67, tels que représentés sur les figures 5 et 6, prévus dans le conduit d'alimentation 9 en combustible, et qui divisent celui-ci en au moins deux canaux au voisinage de l'orifice de sortie de ce conduit, c'est à dire de la buse 1 du brûleur, de manière à provoquer la séparation de la veine incidente de combustible solide en au moins deux veines pour permettre la formation d'au moins deux flammes.
Par référence aux figures 5 et 6, dans un mode particulier de réalisation, ledit conduit 9 d'alimentation en combustible solide comporte une partie amont située à droite sur ces figures, qui est munie d'une section transversale annulaire ; du fait de la présence, tel que représenté sur la figure 6, de cinq obstacles 67 en forme de coin profilé triangulaire, le conduit 9 se divise en cinq canaux 91, 92, 93, 94, 95 qui sont chacun délimités par, d'une part la face externe 66A de la paroi 66 séparant le conduit 9 du conduit 11, d'autre part la face interne 68A de la paroi 68 séparant le conduit 9 du conduit 12, et également des faces latérales 73 des obstacles 67 en forme de coin ; ceux-ci s'étendent à partir de leur extrémité arrière 70 effilée ou profilée, et leur section transversale s'élargit ou augmente de leur bord d'attaque 70 jusqu'à leur section terminale 71 correspondant à l'extrémité ou face frontale de la buse.
Afin de limiter l'augmentation de vitesse résultant de la diminution de la section de passage libre du combustible solide dans lesdits canaux, et même pour maintenir la vitesse du combustible solide sensiblement identique dans les canaux et par rapport à celle dans la partie amont du conduit d'alimentation 9, on maintient une section de passage du combustible solide sensiblement constante entre la partie amont du conduit de section complètement annulaire et la partie avale munie des obstacles 67 et divisée en cinq canaux : le rayon interne de la veine reste par exemple constant du fait d'une surface 66A cylindrique, le rayon externe 61 correspondant au rayon de la face 68A externe au voisinage des orifices de sortie des canaux 91 à 95, est supérieur au rayon 60 de la partie amont du conduit 9 de section annulaire, afin de pallier la diminution de section libre résultant de la présence de ces obstacles 67. La hauteur (mesurée radialement) des canaux séparés 91 à 95 par lesdits obstacles 67 du conduit d'alimentation 9 en combustible solide, est alors plus importante que la hauteur de la partie du conduit situé en amont des obstacles.
Selon des modes préférentiels de réalisation de l'invention :
  • lesdits obstacles 67 sont en forme de nervures ou cloisons épaisses, de section transversale variable, de préférence de profil et de section transversale continûment variable, par exemple en forme de coin et de forme allongée le long de l'axe longitudinal commun des extrémités de conduits, pour limiter ou éviter l'abrasion du conduit et/ou des obstacles par les particules de combustible solide, pour éviter une perte de vitesse et la nécessité d'une mise en surpression du combustible solide, tout en séparant le flux de combustible solide en plusieurs veines 91 à 95 nettement séparées à la sortie de la buse ;
  • ledit brûleur comporte au moins trois et de préférence au plus douze obstacles 67, en particulier de trois à six obstacles sensiblement régulièrement répartis le long de la périphérie ou circonférence du conduit annulaire et disposés à proximité de l'orifice de sortie du conduit d'alimentation 9 pour permettre la formation d'au moins trois flammes de forme et de taille similaire ou identique et réparties autour de l'axe longitudinal commun selon une symétrie de rotation ;
  • ledit brûleur comporte un conduit d'alimentation 13 en air dit axial, éjecté par un orifice de sortie selon une direction sensiblement parallèle à l'axe longitudinal commun des conduits du fait en particulier de la surface interne 141 cylindrique du bord externe 14 qui déborde axialement vers l'avant des conduits d'air : cet air primaire est guidé par des cloisons ou nervures ou ailettes prévues dans le conduit 13, qui est disposé autour des conduits d'alimentation en combustible, solide 9 et en air tourbillonnant 12 ; ce conduit d'alimentation en air axial 13 comporte des cloisons ou nervures épaisses, dont le nombre est au moins égal au nombre d'obstacles 67 prévus dans le conduit d'alimentation en combustible solide 9, pour former au moins autant de canaux de passage de l'air axial que le brûleur comporte de canaux de passage du combustible solide, afin de permettre la formation d'au moins un jet d'air distinct, associé à chaque veine du flux sortant de combustible solide ;
  • le nombre de canaux et de cloisons prévus dans le conduit d'alimentation en air axial 13 peut être un multiple du nombre de canaux et d'obstacles 67 prévus dans le conduit d'alimentation 9 en combustible solide, pour permettre la formation de plusieurs (au moins deux) jets d'air axial, associés à chacun des jets ou veines de combustible solide sortant de la buse du brûleur ;
  • les canaux délimités dans le conduit d'alimentation en air 13 par les cloisons et/ou les orifices de sortie d'air et/ou les jets d'air sortant de ces canaux, sont décalés angulairement par rapport aux canaux délimités par les obstacles 67 du conduit d'alimentation en combustible solide 9 et/ou par rapport aux orifices de sortie de combustible solide et/ou aux veines de combustible solide sortant de la buse, dans le sens de rotation imprimée au combustible et aux flammes par le flux d'air tourbillonnant délivré par le conduit d'alimentation 12 en air muni d'ailettes ou déflecteurs ;
  • les canaux et/ou les jets d'air axial sortant de ces canaux peuvent être inclinés axialement dans le sens de la rotation des flammes et du flux d'air tourbillonnnant, et/ou également divergents par rapport à l'axe longitudinal commun de la buse 1 de brûleur et de ces conduits d'alimentation.

Claims (10)

  1. Brûleur comportant au moins deux conduits sensiblement concentriques d'alimentation en combustible et en air de combustion primaire représentant au maximum 15% de l'air total, lesquels conduits forment ensemble une buse (1) d'axe XX' à la sortie de laquelle peut se réaliser le début de la combustion (2) et autour de laquelle est amené l'air secondaire (3) représentant au moins 85% de l'air total et ayant une température de plus de 500 °C, caractérisé en ce qu'il comporte au moins quatre circuits d'alimentation indépendants dont l'un alimente un conduit annulaire (4) entourant l'ensemble (1) desdits conduits d'alimentation en combustible et en air primaire, à l'intérieur duquel est injecté du gaz appauvri en oxygène, et à l'extérieur duquel est amené l'air secondaire (3), le bord interne (51) de l'orifice de sortie (5) dudit conduit annulaire (4) étant décalé radialement par rapport au bord externe (61) du conduit concentrique le plus externe de la buse (1) par un moyeu annulaire (6) d'épaisseur d d'au moins 25 mm et de 3 à 8 % du diamètre D de ladite buse.
  2. Brûleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice de sortie (5) dudit conduit annulaire (4) diverge et forme un angle α compris entre 2 et 10° par rapport à l'axe XX' du brûleur.
  3. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que la vitesse de sortie Vg du gaz appauvri en oxygène est plus faible que celle Vc de l'air primaire, et de l'ordre de grandeur de celle Va de l'air secondaire.
  4. Brûleur suivant la revendication 3 caractérisé en ce que la vitesse de sortie Vg du gaz appauvri en oxygène est de l'ordre de 10 à 50 m par seconde.
  5. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit gaz appauvri en oxygène est du gaz de fumée recyclé, ou de la vapeur d'eau, ou un mélange de fumées et de vapeur d'eau.
  6. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'orifice (5) dudit conduit annulaire (4) est continu.
  7. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'orifice (5) de sortie dudit conduit annulaire (4) est discontinu et comporte plusieurs ouvertures (51, 52).
  8. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte à l'extérieur de la protection (7) du conduit concentrique le plus externe et vers l'orifice de sortie (5) de celui-ci, des obstacles (71) aptes à dévier et écarter de l'axe XX' de la buse (1) le flux du courant d'air secondaire (3).
  9. Brûleur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits obstacles (71) forment une couronne continue en forme de cône divergent depuis la surface continue externe de la protection (7).
  10. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les orifices de sortie des conduits d'alimentation en air primaire sont disposés radialement à l'extérieur de toute ouverture de sortie de combustible (9, 10), et alimentent la buse (1) en air axial et en air tourbillonnant par au moins deux conduits (12, 13) concentriques, un conduit central (8) étant partiellement obturé par un stabilisateur (8) de flammes formant une bride entourant son ouverture centrale (101) où débouche une canne (10) d'alimentation en combustible et comportant des ouvertures (15) pour le passage d'une petite partie de l'air de combustion primaire.
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