EP2017529B1 - Brûleur - Google Patents

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EP2017529B1
EP2017529B1 EP08160478.7A EP08160478A EP2017529B1 EP 2017529 B1 EP2017529 B1 EP 2017529B1 EP 08160478 A EP08160478 A EP 08160478A EP 2017529 B1 EP2017529 B1 EP 2017529B1
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EP
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burner
tube
tubes
flange
air
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EP08160478.7A
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German (de)
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EP2017529A1 (fr
Inventor
Louis Ricci
Gaël Le Piver
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Fives Pillard SA
Original Assignee
Fives Pillard SA
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Publication date
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    • 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 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/008—Flow control devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/11402—Airflow diaphragms at burner nozzle

Definitions

  • the present invention relates to a burner, in particular a burner for a cement plant.
  • An axially extending type burner comprising an axial flow primary air supply annulus which surrounds all of the fuel supply lines and which is delimited by an inner tube extending along the axis of the burner and a co-axial outer tube to the inner tube, the two tubes being axially movable relative to each other in translation in the axial direction between an open position and a closed position .
  • Such a burner is for example disclosed in the patent application EP 967 434 , is usually used for cement plants, and includes two primary air supply lines surrounding all fuel supply lines of the burner. These two lines are the axial flow air supply line at the outlet of which the flow of air is parallel to the burner axis, possibly with a slight radial component, and a flow air supply line. tangential output of which the flow of air has a tangential component so as to form a swirling flow around the axis of the burner. In addition, such a burner is generally surrounded by secondary air supply lines.
  • this difficulty is solved by the implementation of a burner according to claim 1.
  • the outlet air coming both from the grooves formed in the flange and the annular space between the flange and the second tube, is distributed continuously over the entire periphery of the pipe, and thus surrounds the flame and thus protects the beginning of the latter from the rapid introduction of secondary air, which in particular reduces the rate of nitrogen oxides.
  • the outlet air originating solely from the grooves formed in the flange, is distributed discontinuously over the entire periphery of the pipe, and the air jets (corresponding to each groove) attract air secondary (usually having a high temperature) from the origin of the flame, which activates the latter and allows to activate the cooking of the material in the oven.
  • the figure 1 illustrates a portion of a burner 1 which extends along an axis 2 and which conventionally comprises solid fuel supply lines and / or liquid and / or gas and a central duct air intake which is used to allow the attachment of the flame to a flame stabilizer and to cool the latter.
  • the burner 1 also comprises a tangential flow primary air supply peripheral duct 3 which surrounds the central air supply duct and, in the present example, all the fuel supply ducts.
  • This tangential flow primary air supply peripheral duct 3 comprises devices making it possible to impart a tangential component to the flow of air at its outlet.
  • the tangential flow air supply line 3 is in accordance with one or the other of the conduits disclosed in the two patent applications. FR 2,887,597 and FR 06 04 829 .
  • the burner 1 further comprises a peripheral axial flow primary supply pipe 4 at the outlet of which the air has a substantially axial flow, that is to say without tangential component (or at least whose component tangential is weak, less than 10 ° with respect to the axis 2 of the burner 1).
  • the airflow is axial.
  • This axial flow primary air supply peripheral pipe 4 surrounds all the fuel supply pipes and the central air supply pipe.
  • the axial flow air supply pipe 4 surrounds the tangential flow air supply pipe 3.
  • the axial flow air supply line 4 is delimited by two tubes 5, 6 movable relative to one another in translation along the axis 2 of the burner 1, an inner tube 5 which, in the present embodiments, defines the axial flow air supply line 4 of the supply line tangential flow air 3, and an outer tube 6 which is coaxial with the inner tube 5 and forms the tube defining the burner 1 of the secondary air supply lines.
  • the two tubes 5, 6 are axially movable between an open position and a closed position.
  • one of the two tubes (in this case, the inner tube 5) carries, near its downstream end 7 (here, at its downstream end 7), an annular flange 8 (stationary relative to the inner tube 5) .
  • This annular flange 8 has grooves 9 which are regularly distributed angularly, which pass through it from one side, and which extend parallel to the axis 2 of the burner 1. In this case, the grooves represent about one third of the periphery of the flange 8.
  • each groove 9 is delimited on the one hand by a bottom wall 10 which, in this case, does not have any inclination in the direction of a displacement along the axis 2 of the burner 1, and, secondly, by two side walls 11 which, in this case, are parallel to each other and to the direction of the axis 2 of the burner 1, and are normal to the bottom wall 10.
  • the grooves 9 made in the annular flange 8 are open radially along their length, the flange 8 not carrying an upper wall facing the bottom wall 10.
  • the annular flange 8 has an upstream end 12 which has a radial inclination in the direction of a coming towards the outer tube 6 for a displacement along the axis 2 of the burner 1 upstream downstream.
  • the upstream end of the flange is conical (to the upstream orifices of the grooves 9) with a cone center disposed upstream of the tube.
  • the other tube (in this case, the outer tube 6) comprises a closing portion 13, 15 (stationary with respect to the outer tube 6) which is arranged so that, when the two tubes 5, 6 are in position d opening, the distance separating the closing portion 13, 15 of the flange 8 allows a significant passage of air between the flange 8 and the second tube 6 in order to have an axial air flow at the outlet of the pipe 4 angularly continuous (cf. figures 1 and 4 ), and when the two tubes 5, 6 are in the closed position, the distance separating the closing portion 13, 15 of the flange 8 is substantially zero in order to have an air flow at the outlet of the pipe 4 angularly discontinuous and limited to the angular sectors corresponding to the grooves 9 (cf. figures 2 and 5 ).
  • the closing portion 13 is a surface having a radial inclination in the direction of a spacing of the inner tube 5 for a displacement along the axis 2 of the burner 1 upstream downstream.
  • the closing portion 13 is conical with a cone center disposed upstream of the tube.
  • the half-angle at the top of the cone is about 10 °.
  • the downstream end 14 of the closing portion 13 is the downstream end 14 of the outer tube 6.
  • the two tubes 5, 6 are in an open position in which an annular space exists (and is relatively large) between the flange 8 and the outer tube 6.
  • the two tubes 5, 6 are in a closed position where the closing portion 13 is substantially in abutment against the annular flange 8 (against the upstream end 12 of the flange 8), thus limiting the passage section of the air in the grooves only 9.
  • the flange 8 is in a position which is upstream of the position it takes when the tube which carries it is in the open position.
  • the closing portion 15 comprises a first surface 16 having a radial inclination in the direction of an approximation of the inner tube 5 for a displacement along the axis 2 of the burner 1 from upstream to the downstream.
  • the first surface 16 is conical with a cone center disposed downstream of the tube.
  • the half-angle at the top of the cone is about 10 °.
  • the closing portion 15 comprises a second surface 17 (cylindrical) extending in the downstream direction, the first surface 16.
  • the second surface 17 has a diameter equal to the outer diameter of the flange 8 (the clearance necessary for the sliding of two tubes close).
  • figure 5 the two tubes 5, 6 are in a closed position where the cylindrical surface 17 covers the annular flange 8, thus limiting the air passage section to the grooves 9 only.
  • the flange is carried by the outer tube and the closing portion by the inner tube.
  • the annular flange prefferably has a different shape, especially at its upstream end, and / or to have upper walls facing the bottom walls and delimiting, with these and the side walls, the grooves. It would also be possible for the bottom walls to have a slight radial inclination (less than 10 °) in order to impart a radial component to the air flow at their outlet, and / or that the lateral walls have a tangential component in order to confer a component tangential to the flow of air at their output.
  • the closure portion could be a surface having a radial inclination in the direction of a spacing of the inner tube for a displacement along the axis of the burner from downstream to upstream (for example, the portion of closure could be tapered with a cone center disposed downstream of the tube, with an apex half-angle of about 10 °).
  • the two tubes define between them an important annular space at the flange, and in the closed position (position in which the flange is downstream of the position it takes when the tube that carries it is in opening position), the closing portion would be substantially in abutment against the annular flange (against the downstream end of the flange), thus limiting the section of passage of the air to the grooves only.

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Description

  • La présente invention concerne un brûleur, notamment un brûleur pour cimenterie.
  • On connaît un brûleur du type s'étendant selon un axe et comprenant une conduite annulaire d'alimentation en air primaire à flux axial qui entoure l'ensemble des conduites d'alimentation en combustible, et qui est délimitée par un tube intérieur s'étendant selon l'axe du brûleur et par un tube extérieur co-axial au tube intérieur, les deux tubes étant mobiles axialement l'un par rapport à l'autre en translation selon la direction axiale entre une position d'ouverture et une position de fermeture.
  • Un tel brûleur est par exemple divulgué dans la demande de brevet EP 967 434 , est usuellement utilisé pour les cimenteries, et comprend deux conduites d'alimentation en air primaire ceinturant l'ensemble des conduites d'alimentation en combustible du brûleur. Ces deux conduites sont la conduite d'alimentation en air à flux axial en sortie de laquelle le flux de l'air est parallèle à l'axe du brûleur, avec éventuellement une légère composante radiale, et une conduite d'alimentation en air à flux tangentiel en sortie de laquelle le flux de l'air présente une composante tangentielle de façon à former un flux tourbillonnant autour de l'axe du brûleur. En outre, un tel brûleur est en général entouré de conduites d'amenées d'air secondaire.
  • Un autre brûleur est divulgué par le document EP421903 .
  • L'inconvénient d'un tel brûleur est la relative difficulté de faire varier les caractéristiques de la flamme dans une large plage, et de les contrôler, alors que, notamment dans les fours à ciment, ces caractéristiques ont une très grande influence sur la qualité de la cuisson de la matière pour la fabrication du ciment.
  • Selon l'invention, cette difficulté est résolue par la mise en oeuvre d'un brûleur selon la revendication 1.
  • Par cette disposition il est ainsi possible, de façon aisée, d'activer de façon plus ou moins importante la flamme produite par le brûleur. En position d'ouverture, l'air en sortie, provenant à la fois des rainures réalisées dans la bride et de l'espace annulaire situé entre la bride et le second tube, est réparti de façon continue sur toute la périphérie de la conduite, et de ce fait, entoure la flamme et protège ainsi le début de cette dernière de l'introduction rapide d'air secondaire, ce qui permet notamment de réduire le taux d'oxydes d'azote. Au contraire, en position de fermeture, l'air en sortie, provenant uniquement des rainures réalisées dans la bride, est réparti de façon discontinue sur toute la périphérie de la conduite, et les jets d'air (correspondant à chaque rainure) attirent l'air secondaire (ayant généralement une température élevée) dès l'origine de la flamme, ce qui active cette dernière et permet d'activer la cuisson de la matière se trouvant dans le four.
  • D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description de deux modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés dans les dessins mis en annexe dans lesquels :
    • La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une portion de la tête d'un brûleur, les tubes agencés conformément à un premier mode de réalisation de la présente invention, étant en position d'ouverture ;
    • La figure 2 est une vue du premier mode de réalisation, similaire à la figure 1, les tubes étant en position de fermeture ;
    • La figure 3 est une vue partielle en perspective d'un tube portant une bride conformément à la présente invention ;
    • La figure 4 est une vue d'un second mode de réalisation, similaire à la figure 1, les tubes étant en position d'ouverture ; et
    • La figure 5 est une vue du second mode de réalisation, similaire à la figure 4, les tubes étant en position de fermeture.
  • La figure 1 illustre une portion d'un brûleur 1 qui s'étend selon un axe 2 et qui comprend classiquement des conduites d'alimentation en combustible solide et/ou liquide et/ou gazeux ainsi qu'une conduite centrale d'amenée d'air qui est utilisé pour permettre l'accrochage de la flamme à un stabilisateur de flamme et pour refroidir ce dernier.
  • Le brûleur 1 comprend également une conduite périphérique d'alimentation en air primaire à flux tangentiel 3 qui entoure la conduite centrale d'alimentation en air et, dans le présent exemple, l'ensemble des conduites d'alimentation en combustible. Cette conduite périphérique d'alimentation en air primaire à flux tangentiel 3 comprend des dispositifs permettant de conférer une composante tangentielle au flux d'air en sa sortie. Par ailleurs, de préférence, la conduite d'alimentation en air à flux tangentiel 3 est conforme à l'une ou l'autre des conduites divulguées dans les deux demandes de brevet FR 2 887 597 et FR 06 04 829 .
  • Le brûleur 1 comprend en outre une conduite périphérique d'alimentation en air primaire à flux axial 4 en sortie de laquelle l'air à un flux essentiellement axial, c'est-à-dire sans composante tangentielle (ou du moins, dont la composante tangentielle est faible, inférieure à 10° par rapport à l'axe 2 du brûleur 1). En l'occurrence, le flux d'air est axial. Cette conduite périphérique d'alimentation en air primaire à flux axial 4 entoure l'ensemble des conduites d'alimentation en combustible et la conduite centrale d'alimentation en air. Ici, la conduite d'alimentation en air à flux axial 4 entoure la conduite d'alimentation en air à flux tangentiel 3.
  • De façon plus précise, comme on peut le voir aux figures 1, 2, 4 et 5, la conduite d'alimentation en air à flux axial 4 est délimitée par deux tubes 5, 6 mobiles l'un par rapport à l'autre en translation selon l'axe 2 du brûleur 1, un tube intérieur 5 qui, dans les présents modes de réalisation, délimite la conduite d'alimentation en air à flux axial 4 de la conduite d'alimentation en air à flux tangentiel 3, et un tube extérieur 6 qui est co-axial au tube intérieur 5 et forme le tube délimitant le brûleur 1 des conduites d'alimentation en air secondaire. Les deux tubes 5, 6 sont mobiles axialement entre une position d'ouverture et une position de fermeture.
  • Comme on peut le voir aux figures 1 à 5, l'un des deux tubes (en l'occurrence, le tube intérieur 5) porte, à proximité de son extrémité aval 7 (ici, à son extrémité aval 7), une bride annulaire 8 (immobile par rapport au tube intérieur 5). Cette bride annulaire 8 comporte des rainures 9 qui sont angulairement régulièrement répartis, qui la traversent de part en part, et qui s'étendent parallèlement à l'axe 2 du brûleur 1. En l'occurrence, les rainures représentent environ un tiers de la périphérie de la bride 8.
  • Dans les présents modes de réalisation, chaque rainure 9 est délimitée d'une part, par une paroi de fond 10 qui, en l'occurrence, ne présente pas d'inclinaison dans le sens d'un déplacement selon l'axe 2 du brûleur 1, et, d'autre part, par deux parois latérales 11 qui, en l'occurrence, sont parallèles entre elles et à la direction de l'axe 2 du brûleur 1, et sont normales à la paroi de fond 10. Ici, les rainures 9 réalisées dans la bride annulaire 8 sont ouvertes radialement sur toute leur longueur, la bride 8 ne portant pas de paroi supérieure faisant face à la paroi de fond 10.
  • Par ailleurs, la bride annulaire 8 présente une extrémité amont 12 qui présente une inclinaison radiale dans le sens d'un rapprochement vers le tube extérieur 6 pour un déplacement selon l'axe 2 du brûleur 1 de l'amont vers l'aval. En l'occurrence, l'extrémité amont de la bride est conique (aux orifices amont des rainures 9 près) avec un centre de cône disposé vers l'amont du tube.
  • L'autre tube (en l'occurrence, le tube extérieur 6) comprend une portion de fermeture 13, 15 (immobile par rapport au tube extérieur 6) qui est agencée de sorte que, quand les deux tubes 5, 6 sont en position d'ouverture, la distance séparant la portion de fermeture 13, 15 de la bride 8 permet un passage important de l'air entre la bride 8 et le second tube 6 afin d'avoir un flux d'air axial en sortie de la conduite 4 angulairement continu (cf. figures 1 et 4), et quand les deux tubes 5, 6 sont en position de fermeture, la distance séparant la portion de fermeture 13, 15 de la bride 8 est sensiblement nulle afin d'avoir un flux d'air en sortie de la conduite 4 angulairement discontinu et limité aux secteurs angulaires correspondants aux rainures 9 (cf. figures 2 et 5).
  • En l'occurrence, dans le premier mode de réalisation, la portion de fermeture 13 est une surface présentant une inclinaison radiale dans le sens d'un écartement du tube intérieur 5 pour un déplacement selon l'axe 2 du brûleur 1 de l'amont vers l'aval. En l'occurrence, la portion de fermeture 13 est conique avec un centre de cône disposé vers l'amont du tube. Ici, le demi-angle au sommet du cône est d'environ 10°. De plus, l'extrémité aval 14 de la portion de fermeture 13 est l'extrémité aval 14 du tube extérieur 6.
  • Ainsi, à la figure 1, les deux tubes 5, 6 sont dans une position d'ouverture dans laquelle un espace annulaire existe (et est relativement important) entre la bride 8 et le tube extérieur 6. Au contraire, à la figure 2, les deux tubes 5, 6 sont dans une position de fermeture où la portion de fermeture 13 est sensiblement en butée contre la bride annulaire 8 (contre l'extrémité amont 12 de la bride 8), limitant ainsi la section de passage de l'air aux seules rainures 9. En position de fermeture, la bride 8 est dans une position qui est en amont de la position qu'elle prend quand le tube qui la porte est en position d'ouverture.
  • Dans le second mode de réalisation, la portion de fermeture 15 comprend une première surface 16 présentant une inclinaison radiale dans le sens d'un rapprochement du tube intérieur 5 pour un déplacement selon l'axe 2 du brûleur 1 de l'amont vers l'aval. En l'occurrence, la première surface 16 est conique avec un centre de cône disposé vers l'aval du tube. Ici, le demi-angle au sommet du cône est d'environ 10°. De plus, la portion de fermeture 15 comprend une seconde surface 17 (cylindrique) prolongeant, en direction aval, la première surface 16. La seconde surface 17 a un diamètre égal au diamètre externe de la bride 8 (au jeu nécessaire pour le coulissement des deux tubes près).
  • Ainsi, à la figure 4, les deux tubes 5, 6 sont dans une position d'ouverture dans laquelle un espace annulaire existe entre la bride 8 et le tube extérieur 6.
  • Au contraire, à la figure 5, les deux tubes 5, 6 sont dans une position de fermeture où la surface cylindrique 17 recouvre la bride annulaire 8, limitant ainsi la section de passage de l'air aux seules rainures 9.
  • Il serait possible que la bride soit portée par le tube extérieur et la portion de fermeture par le tube intérieur.
  • Il serait également possible que la bride annulaire présente une forme différente, notamment à son extrémité amont, et/ou qu'elle porte des parois supérieures faisant face les parois de fond et délimitant, avec celles-ci et les parois latérales, les rainures. Il serait également possible que les parois de fond présentent une légère inclinaison radiale (inférieure à 10°) afin de conférer une composante radiale au flux d'air en leur sortie, et/ou que les parois latérales présentent une composante tangentielle afin de conférer une composante tangentielle au flux d'air en leur sortie.
  • Il serait ainsi possible d'utiliser un tel système (bride et portion de fermeture) dans une toute autre conduite, et dans tout autre brûleur.
  • Il serait aussi possible que la portion de fermeture soit une surface présentant une inclinaison radiale dans le sens d'un écartement du tube intérieur pour un déplacement selon l'axe du brûleur de l'aval vers l'amont (par exemple, la portion de fermeture pourrait être conique avec un centre de cône disposé vers l'aval du tube, avec un demi-angle au sommet d'environ 10°). En position d'ouverture les deux tubes définiraient entre eux un espace annulaire important au niveau de la bide, et en position de fermeture (position dans laquelle la bride est en aval de la position qu'elle prend quand le tube qui la porte est en position d'ouverture), la portion de fermeture serait sensiblement en butée contre la bride annulaire (contre l'extrémité aval de la bride), limitant ainsi la section de passage de l'air aux seules rainures.

Claims (9)

  1. Brûleur (1) s'étendant selon un axe (2) et comprenant une conduite périphérique d'alimentation en air primaire à flux axial (4) qui entoure l'ensemble des conduites d'alimentation en combustible et la conduite centrale d'alimentation en air, et qui est délimitée par un tube intérieur (5) s'étendant selon l'axe (2) du brûleur (1), et par un tube extérieur (6) coaxial au tube intérieur (5), les deux tubes (5,6) étant mobiles axialement l'un par rapport à l'autre en translation selon la direction axiale entre une position d'ouverture et une position de fermeture, un premier des deux tubes (5, 6) portant à proximité de son extrémité aval (7), une bride annulaire (8) qui comporte des rainures (9) s'étendant sensiblement selon la direction axiale du tube, caractérisé en ce que le second tube comprend une portion de fermeture (13,15) agencée de sorte que, quand les deux tubes (5,6) sont en position d'ouverture, la distance séparant radialement la portion de fermeture (13,15) de la bride (8) permet un passage important de l'air entre ces deux organes (8,13), et quand les deux tubes (5,6) sont en position de fermeture, cette distance est sensiblement nulle de sorte que la quasi-totalité de l'air passe par les rainures (9).
  2. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures (9) sont angulairement régulièrement répartis.
  3. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les rainures (9) sont ouvertes radialement sur toute leur longueur.
  4. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bride annulaire (8) présente une extrémité amont (12) présentant une inclinaison radiale dans le sens d'un rapprochement vers le second tube (6) pour un déplacement de l'amont vers l'aval.
  5. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la bride annulaire (8) est située à l'extrémité aval (7) du premier tube (5).
  6. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la portion de fermeture (13) présente une inclinaison radiale dans le sens d'un écartement du premier tube (5) pour un déplacement de l'amont vers l'aval, et est sensiblement en butée contre la bride (8) quand les deux tubes (5,6) sont en position de fermeture de façon à limiter la section de passage de l'air aux seules rainures (9).
  7. Brûleur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la portion de fermeture (13) est une surface conique dont le demi-angle au sommet est sensiblement de 10°.
  8. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la portion de fermeture (15) comprend, d'une part, une première surface présentant une inclinaison radiale dans le sens d'un rapprochement du premier tube (5) pour un déplacement de l'amont vers l'aval, et, d'autre part, en aval de la première surface (16), une seconde surface (17) cylindrique d'un diamètre sensiblement égal au diamètre externe de la bride (8).
  9. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la conduite d'alimentation en air à flux axial (4) entoure une conduite périphérique d'alimentation en air primaire à flux tangentiel (3).
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