EP4643058A1 - Bruleur a precombustion - Google Patents

Bruleur a precombustion

Info

Publication number
EP4643058A1
EP4643058A1 EP23837722.0A EP23837722A EP4643058A1 EP 4643058 A1 EP4643058 A1 EP 4643058A1 EP 23837722 A EP23837722 A EP 23837722A EP 4643058 A1 EP4643058 A1 EP 4643058A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
longitudinal axis
injection
solid fuel
pilot
pilot injection
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.)
Pending
Application number
EP23837722.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-David SALLA
Loïc GIACONIA
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.)
Fives Pillard SA
Original Assignee
Fives 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 Fives Pillard SA filed Critical Fives Pillard SA
Publication of EP4643058A1 publication Critical patent/EP4643058A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

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
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/26—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid with provision for a retention flame
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/005—Burners for combustion simultaneously or alternately of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or pulverulent fuel

Definitions

  • the technical field of the invention concerns combustion devices, more particularly burners configured to use fuels of different natures, intended to be integrated into an industrial oven or an industrial boiler as well as a method of implementing the burner.
  • the burners are configured to supply and maintain combustion, by injecting a flow of oxidant and a flow of fuel, so as to heat a flow of gas which circulates in the oven.
  • the heated gas flow exchanges by convection and radiation with a bed of material present in the oven.
  • Some burners are configured to actively mix the fuel and oxidizer by injection at high speed, creating mixture by their impulse (the impulse being the multiplication of the flow rate by the output speed).
  • These burners can burn multiple fuels, typically gaseous fuels, for example natural gas, liquid fuels, for example heavy fuel oil, but also solid fuels, for example coal, petroleum coke (petcoke), or solid alternative fuels ( ASF: alternative solid fuels ) in particular fuels derived from waste, which make it possible to recover any combustible waste.
  • burners In the field of solid fuel combustion, burners generally start and maintain combustion by means of a gaseous or liquid fuel mixed with an air flow, and inject solid fuel particles into the flame so as to increase the power developed by combustion without increasing the consumption of liquid or gaseous fuel.
  • solid alternative fuels cannot be injected at high speed into the burner in order to avoid wear problems, and are therefore generally injected at a speed lower than 30 meters per second. This lack of speed degrades the efficiency of the fuel/oxidizer mixture and the residence time of solid alternative fuel particles in the flame. Indeed, even if the volatile materials of the particles of solid alternative fuels are burned quickly in the first meters of the flame, the solid carbon constituting the rest of the particles tends to fall into the bed of ores to be treated where its combustion continues. If solid alternative fuel particles are injected into the flame at a greater speed, their inertia allows them to cross the flame over a greater distance before falling back, which increases their residence time in the flame and improves their rate of combustion. In this case, the flow of solid alternative fuels is reduced in order to satisfy the quality criteria of the finished product and avoid problems induced by poor combustion of solid alternative fuels.
  • solid alternative fuels are classically made up of particles of different size, shape, mass and density
  • the increase in the injection speed is often inhomogeneous because the quality of supply of solid alternative fuels is very variable. depending on the solid alternative fuel supplier, which degrades the combustion of solid particles.
  • solid fuel injection systems inject a mixed flow comprising solid fuel particles transported by a flow of carrier fluid, typically an air flow.
  • the solid fuel concentration of the mixed stream must be controlled to avoid several technical limits. If the concentration is too high, the combustion of the solid fuel is degraded, which produces too large a quantity of unburned fuel. If the concentration is too low, the amount of energy required to set in motion the carrier air flow that carries the fuel particles becomes too great compared to the additional energy provided by the combustion of the solid fuel particles, which by definition reduces the efficiency of the system.
  • the invention proposes a burner for an industrial oven comprising a fluidic fuel supply capable of supplying a combustion reaction maintained by the burner, and a solid fuel supply capable to supply solid fuel to the combustion reaction maintained by the burner, the solid fuel supply comprising: - a first injection assembly extending along a longitudinal axis, configured to inject a gaseous fuel and comprising an ejection head at a downstream end of the first injection assembly, the ejection head opening at the level of an first annular straight section normal to the longitudinal axis, - a second injection assembly extending along the longitudinal axis and configured to inject a solid fuel transported by a flow of carrier fluid, the second injection assembly opening at a second straight section normal to the axis longitudinal located radially internally to the first straight section, - an oxidizer supply line extending along the longitudinal axis comprising an annular ring through which are provided a plurality of oxidizer injection channels distributed around the longitudinal axis, the oxidizer injection
  • the injection of solid fuel radially internally to an injection of oxidant radially internally to an injection of gaseous fuel allows, when using the burner, to begin the combustion of the solid fuel particles as soon as they are ejected from the second set of injection by means of a pilot flame supplied by the first injection assembly, the enrichment of the gaseous fuel/solid fuel mixture with oxidant making it possible to improve the combustion of the solid fuel. This extends the burn time of solid fuel particles, improving their combustion and reducing waste fallout.
  • the radially intermediate oxidant injection allows the burner to support very stable combustion when only the gaseous fuel injection is supplied, which facilitates the start of the pilot flame before the injection of the solid fuel and promotes combustion solid fuel as soon as the second injection assembly is started.
  • the mixture of fuel and oxidizer upstream of the burner nose allows premixing of the reactive agents which limits temperature peaks and the formation of nitrogen oxides.
  • the invention comprises the following characteristics, taken alone or in combination:
  • the second straight section is positioned upstream or in the plane of the first straight section; this allows the solid fuel particles to pass through the entire area heated by the pilot flame, thereby improving the combustion of the solid fuel;
  • the ejection head comprises a plurality of pilot injection channels configured to inject gaseous fuel into the furnace, the pilot injection channels being distributed around the longitudinal axis in an at least partially circular pattern, each channel d pilot injection extending in a respective pilot injection direction which has an inclination relative to the longitudinal axis, the respective inclinations of the pilot injection channels being configured so that the pilot injection directions are distributed so as to form a pattern;
  • the pilot injection channels are uniformly distributed around the longitudinal axis, and in which the pattern formed by the pilot injection directions is a hyperboloid; such a pattern makes it possible both to concentrate the fuels and oxidants towards the longitudinal axis, which improves the combustion of the solid fuel particles, and to impart kinetic energy to the solid fuel particles by blowing, which delays their fall by gravity and increases their duration of passage within the combustion reaction, which improves their combustion;
  • the pilot injection channels are uniformly distributed around the longitudinal axis, and in which the pattern formed by the pilot injection directions is cylindrical; this makes it possible to redirect the fuels, gaseous and solid, in a direction substantially parallel to the longitudinal axis so as to extend the passage time of the fuels within the combustion;
  • the pilot injection channels are distributed over an angular portion around the longitudinal axis, and in which the pilot injection directions are respectively included in vertical parallel planes under normal conditions of use, and inclined by one angle between 5° and 45° relative to the longitudinal axis; this makes it possible to impart kinetic energy to the solid fuel particles opposing their fall by gravity, which extends their duration of passage within the combustion and improves their combustion;
  • the burner includes: - a substantially cylindrical envelope extending along the longitudinal axis, - a first substantially cylindrical pipe extending along the longitudinal axis radially internally to the envelope, radially delimiting with the envelope a first downstream portion of a first supply circuit configured to convey the gaseous fuel, - a second pipe extending along the longitudinal axis radially internally to the first pipe, radially delimiting with the first pipe an oxidizer supply circuit, and radially externally delimiting a second downstream portion of a second configured supply circuit to convey solid fuel; such a structure offers great compactness;
  • the ejection head includes: - a substantially cylindrical body extending along the longitudinal axis, - a crown arranged to radially center the first pipe in the envelope, the pilot injection channels being provided through the crown, and - a threaded or tapped portion, arranged to cooperate with a complementary portion provided on the first pipe so as to removably assemble the ejection head to the first pipe; this allows the ejection head to be simply removed, which facilitates maintenance operations or easily adapts the burner to the type of solid fuel used by changing the ejection head.
  • the invention proposes a method of using a burner according to the invention, comprising the following steps: - generation of a pilot flame, - maintaining the pilot flame by injecting gaseous fuel by means of the first injection assembly, - injection of solid fuel by means of the second injection assembly.
  • the step of maintaining the pilot flame is configured so that at least part of the combustion of the gas takes place in sub-stoichiometric conditions. This makes it possible to limit the formation of polluting emissions, in particular nitrogen oxides.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a straight section of a burner according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic profile sectional view of a solid fuel supply to an industrial burner according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic profile sectional view centered on the solid fuel supply of an industrial burner according to the invention.
  • FIG. 4 is a detailed view showing three embodiments of an ejection head for a solid fuel supply to a burner according to the invention: - the figure represents a first embodiment of an ejection head configured to perform an injection in the shape of a hyperboloid type pattern; - the figure represents a second embodiment of an ejection head configured to carry out an injection in the form of a cylindrical type pattern; - the figure represents a third embodiment of an ejection head configured to perform an injection in the form of a web-type pattern.
  • the invention relates to a burner A for an industrial oven, as illustrated in , comprising a gaseous fuel supply B configured to inject a gaseous fuel into an industrial oven so as to power a combustion reaction, an oxidizer supply C configured to inject an oxidant into the industrial oven so as to power the combustion reaction, and a solid fuel supply 1 configured to inject solid fuel into the industrial furnace so as to power the combustion reaction.
  • the solid fuel supply 1 includes: - a first injection assembly 2 extending along a longitudinal axis longitudinal axis
  • a second injection assembly 4 configured to inject into the furnace a solid fuel transported by a flow of carrier fluid, the second injection assembly 4 opening downstream at the level of a second straight section S2 normal to the longitudinal axis X located radially internally to the first straight section S1.
  • radial direction is meant a direction orthogonal to the longitudinal axis X passing through the longitudinal axis X.
  • a first element positioned radially external to a second element is therefore further from the longitudinal axis X than the second element.
  • a tangential direction is also defined as orthogonal to the axial and radial directions.
  • the solid fuel supply 1 may comprise an envelope 5 extending along the longitudinal axis X and opening downstream at an outlet section S3.
  • the outlet section S3 marks the downstream limit of the solid fuel supply 1, through which the solid fuel is injected into the furnace to fuel the combustion reaction.
  • the ejection head 3 is mounted in the casing 5 in such a way that the first straight section S1 is located upstream relative to the outlet section S3 of the solid fuel supply 1.
  • a prechamber 6 is thus formed by a portion of the envelope 5 extending between the second straight section S2 and the outlet section S3 of the solid fuel supply 1.
  • the prechamber 6 is thus substantially cylindrical and opens into the oven in which the combustion reaction is maintained, and the first straight section S1 extends within the prechamber 6.
  • the first straight section S1 merges with the outlet section S3, the first injection assembly 2 emerging directly into the oven.
  • the first injection assembly 2 comprises a first supply circuit 7, configured to convey the gaseous fuel, for example natural gas, towards the oven, the ejection head 3 being located at a downstream end of the first injection circuit. supply 7 and opening into the oven or into the pre-chamber 6 so as to inject gaseous fuel into the oven.
  • a first supply circuit 7 configured to convey the gaseous fuel, for example natural gas
  • the second injection assembly 4 comprises a second supply circuit 9 configured to convey solid fuel carried by a flow of carrier fluid, for example an air flow, and opening into the oven or into the prechamber 6 at the level of the second straight section S2.
  • a flow of carrier fluid for example an air flow
  • the first injection assembly 2 is thus used to generate and maintain a pilot flame at the outlet of the ejection head 3, in the direction of the flow of fluids in normal use of the device.
  • This pilot flame allows the instantaneous ignition of the gaseous fuel at the exit of the ejection head 3.
  • the second injection assembly 4 injects a flow of solid fuel through the pilot flame.
  • the injection of solid fuel inside the pilot flame makes it possible to contain the flow of solid fuel in a zone at sufficient temperature to support the combustion of the solid carbon of the solid fuels.
  • the rapid combustion of solid fuel volatiles helps promote the combustion of gaseous fuel.
  • the combustion rate of solid fuels is increased, which reduces the deposition of carbonaceous and unburned waste.
  • the second straight section S2 is advantageously positioned upstream or at the level of the first section S1, which allows the solid fuel particles to pass through the entire pilot flame and improves the combustion rate of the solid fuel.
  • a structure comprising a prechamber 6 makes it possible to confine the combustion reaction of the solid fuel coming from the second injection assembly 4 passing through the pilot flame, which makes it possible to benefit from a local increase in pressure and thus makes it possible to transfer a rate of energy superior to solid fuel, which improves its combustion.
  • the burner A comprises the envelope 5 which has a substantially cylindrical geometry extending along the longitudinal axis X.
  • first substantially cylindrical pipe 10 Radially internal to the envelope 5 extends a first substantially cylindrical pipe 10 extending along the longitudinal axis X.
  • the envelope 5 and the first pipe 10 radially delimit a volume of annular section extending along the longitudinal axis X, delimited radially externally by envelope 5 and radially radially by the first conduct 9.
  • the volume of annular section thus delimited Forms a first downstream portion 11 of the first supply circuit 7 configured to convey the gas fuel to the oven.
  • a second substantially cylindrical pipe 12 extending along the longitudinal axis solid carried by a flow of fluid towards the oven.
  • the first pipe 10 and the second pipe 12 radially delimit a volume of annular section extending along the longitudinal axis forms an oxidizer supply line 14, configured to convey oxidizer, for example a flow of air, to the oven.
  • the second downstream portion 13 of the second supply circuit 9 extends along the longitudinal axis X, the first downstream portion 11 of the first supply circuit 7 extending along the longitudinal axis 13.
  • This structure offers great compactness and makes it possible to limit the bulk in the center of the burner, at the level of the longitudinal axis
  • the burner A includes a supply of oxidizer making it possible to support the combustion reaction within the oven.
  • the burner A can therefore comprise a so-called main injection of gaseous fuel to power the combustion reaction in the oven, supplied by the supply of gaseous fuel B, a supply of oxidant to power the combustion reaction in the oven, an injection of gaseous fuel by means of the first injection assembly 2 to supply the pilot flame of the solid fuel supply 1, and an oxidant supply carried out by the oxidant supply line to supply the combustion of the pilot flame of the solid fuel supply 1.
  • the oxidant supply line 14 also extends along the longitudinal axis X, radially externally to the second downstream portion 13 and radially internally to the first downstream portion 11.
  • the second pipe 12 comprises an annular crown 15 forming a projection and extending radially outwardly from the second pipe 12, which makes it possible to center the second pipe 12 radially in the first pipe 10.
  • a plurality of oxidizer injection channels 16 are provided through the annular crown 15.
  • the oxidant injection channels 16 are distributed uniformly around the longitudinal axis X, which makes it possible to ensure the homogeneity of the combustion reaction by ensuring an equivalent supply by oxidizing over the entire angular range of the flow section.
  • the annular crown 15 is positioned at one end of the second pipe 12, so that the oxidizer injection channels 16 open directly into the oven.
  • the injection of oxidizer at this location can improve the combustion of gaseous fuel, which can improve the combustion of solid fuel.
  • the oxidant injection channels 16 can extend parallel to the longitudinal axis combustion and improve their combustion rate.
  • the oxidant injection channels 16 can extend with an inclination in a tangential direction relative to the longitudinal axis X, so as to induce a rotational component in the flow of the oxidant flow in the furnace . This makes it possible to improve the mixing of fuels and oxidants within combustion, and therefore to improve the homogeneity of the combustion reaction.
  • the oxidant injection channels 16 can extend with an inclination in a radial direction relative to the longitudinal axis oxidant towards the periphery of the oven.
  • the annular crown 15 is positioned upstream relative to the end of the second pipe 12.
  • the first injection assembly 2 comprises a plurality of pilot injection channels 17 of gaseous fuel, opening into the furnace and configured to inject the gaseous fuel into the furnace.
  • the pilot injection channels 17 are distributed around the longitudinal axis in a substantially circular distribution, or in an arc of a circle, radially externally at the downstream end of the second pipe 12.
  • the oxidant injection channels 16 are thus located radially externally at the downstream end of the second injection assembly 6, or more precisely at the downstream end of the second pipe 12, and radially internally to the pilot injection channels 17
  • Such a structure makes it possible to enrich the gaseous fuel/solid fuel mixture with oxidizer, which makes it possible to improve the combustion of the solid fuel and stabilize the flame at the burner outlet. Additionally, this allows the burner to support combustion when only gaseous fuel injection is supplied.
  • the mixture of fuel and oxidizer upstream of the burner nose allows premixing of the reactive agents which limits temperature peaks and the formation of nitrogen oxides during combustion.
  • the ejection head 3 has a substantially cylindrical body 18 extending along the longitudinal axis extending radially outwardly from the body 18 of the ejection head 3. This ensures the centering of the first pipe 10 in the envelope 5.
  • the pilot injection channels 17 are provided through the crown 19 and thus ensure supplying the oven with gaseous fuel from the downstream portion 11 of the first supply circuit 7.
  • the body 18 of the ejection head 3 comprises a threaded or tapped portion 20, configured to interact with a complementary portion provided on the first pipe 10. This makes it possible to facilitate the mounting of the first pipe 10 in the envelope 5 , and the replacement of the ejection head 3, in the event of wear or maintenance operation.
  • Each pilot injection channel 17 extends in a respective pilot injection direction Di which has an inclination relative to the longitudinal axis, the respective inclinations of the pilot injection channels being configured so that the pilot injection directions are distributed so as to form a pattern.
  • the pilot injection channels 17 are distributed uniformly around the longitudinal axis X and have a pilot injection direction Di inclined tangentially and radially with respect to the longitudinal axis set of pilot injection directions Di is substantially a hyperboloid.
  • each direction of pilot injection then presents an inclination comprising a component in a radial plane and a component in a tangential plane.
  • the injection of the gaseous fuel in the form of a hyperboloid makes it possible to maximize the mixing between the gaseous fuel and the solid fuel, by concentration of the flows towards the longitudinal axis ejection 3.
  • This embodiment is also particularly advantageous in the case of a combination with an oxidant supply located radially between the gaseous fuel supply and the solid fuel supply, the oxidant also being deflected towards the longitudinal axis , which helps promote the combustion of solid fuel.
  • Such an injection makes it possible to blow the solid fuel particles and transfer kinetic energy to them, directing their movement along the longitudinal axis X, which delays their fall and prolongs the residence time of the solid fuel particles in the combustion.
  • the concentration of particles of solid fuel, gaseous fuel and oxidant towards the longitudinal axis obtained by means of the hyperboloid pattern formed by the pilot injection directions Di, improves the combustion of solid fuel and is versatile whatever the type of solid fuel used.
  • the crown 19 of the ejection head 3 can be shaped so as to present a frustoconical portion 21, which facilitates the drilling of the pilot injection channels 17.
  • the slope of the frustoconical portion 21 is thus dimensioned as a function of the inclination of the pilot injection channels 17 so as to reduce the risks when drilling and reaming the pilot injection channels 17.
  • the pilot injection channels 17 are distributed uniformly around the longitudinal axis X and have a pilot injection direction Di substantially parallel to the longitudinal axis X, thus together forming a substantially cylindrical pattern.
  • This type of injection pattern is particularly advantageous for solid fuel particles which have a low level of volatile components and high humidity levels because the longer time in the flame allows them to dry and burn the material.
  • the pilot injection channels 17 are distributed along an arc of a circle, or an angular range, around the longitudinal axis X and have a pilot injection direction Di inclined relative to the longitudinal axis X, the pilot injection directions Di being parallel to each other and included in respective planes parallel to each other.
  • the pilot injection directions Di are arranged such that, under normal conditions of use, the directions are included in parallel vertical planes and inclined so that the pilot injection channels 17 inject gaseous fuel following an upward slope, typically the pilot injection directions Di are inclined at an angle between 5° and 45° relative to the longitudinal axis (X).
  • the oxidant supply channels 16 are located radially externally to the pilot injection channels 17, and the oxidant supply line 14 extends radially externally to the first downstream portion 11 of the first circuit d supply 7. The oxidant is thus injected at the periphery of the gaseous fuel, itself injected at the periphery of the solid fuel.
  • burner A is operated by carrying out the following steps: Ignition, or generation of a flame, can be carried out by means of an ignition device.
  • Gaseous fuel for example natural gas
  • gaseous fuel supply B is injected into the furnace by means of the gaseous fuel supply B, so as to generate and maintain a combustion reaction within the furnace.
  • Gaseous fuel is injected by means of the first injection assembly 2 so as to maintain a pilot flame at the outlet of the ejection head 3.
  • the combustion of the pilot flame can be triggered by means of the ignition device, or simply by heating by combustion within the oven.
  • the solid fuel carried by a carrier fluid is then injected into the furnace, through the pilot flame, by means of the second injection assembly 6.
  • the pilot flame thus makes it possible to instantly ignite the solid fuel as soon as it is sprayed.
  • Combustion is carried out in two stages in the oven: - in an upstream zone, the combustion of the solid fuel takes place partly in sub-stoichiometric conditions, which has the effect of limiting the temperature of the flame and therefore the production of NOx (nitrogen oxides), and of generating conditions favorable to the production of NOx-reducing HCN and NH3 radicals (secondary combustion phenomenon, or reburning in English); - in a downstream zone, combustion continues under oxidizing conditions, in the super-stoichiometric presence of oxidant and at higher temperature.
  • the separate and controllable injection of oxidizer by means of the oxidizer supply circuit 14 makes it possible to adjust the mass flow proportions of oxidizer and fuel in the furnace. In order to ensure combustion in sub-stoichiometric conditions, it is thus possible to reduce the oxidizer supply.
  • the solid fuel supply 1 has a mode of operation using gaseous fuel alone.
  • the gaseous fuel is injected by means of the first injection assembly 5 to supply the pilot flame, and by means of the second injection assembly 6 in larger proportions to supply the combustion in the furnace.
  • the solid fuel supply 1 then comprises a second pipe 12 connected upstream to a solid fuel supply source on the one hand, and a gaseous fuel supply source on the other hand.
  • Such operation makes it possible to maintain an equivalent heating power of burner A during a solid fuel supply interruption, by replacing the flow of solid fuel with a flow of gaseous fuel.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gas Burners (AREA)

Abstract

L'invention concerne un brûleur pour four industriel comprenant une alimentation en combustible solide (1) apte à alimenter en combustible solide une réaction de combustion entretenue par le brûleur, comprenant : - un premier ensemble d'injection (2) s'étendant selon un axe longitudinal (X), configuré pour injecter un combustible gazeux et comprenant une tête d'éjection (3) à une extrémité aval du premier ensemble d'injection (2)débouchant au niveau d'une première section droite (S1) annulaire, - un deuxième ensemble d'injection (4) s'étendant selon l'axe longitudinal (X) et configuré pour injecter un combustible solide transporté par un flux de fluide porteur, débouchant au niveau d'une deuxième section droite (S2) située radialement intérieurement à la première section droite (S1) - une ligne d'approvisionnement en comburant (14) comprenant une pluralité de canaux d'injection de comburant (16) situés radialement extérieurement à la deuxième section droite (S2) et radialement intérieurement à la tête d'éjection (3).

Description

    BRULEUR A PRECOMBUSTION DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
  • Le domaine technique de l’invention concerne les dispositifs de combustion, plus particulièrement les bruleurs configurés pour utiliser des combustibles de différentes natures, destiné à être intégré dans un four industriel ou une chaudière industrielle ainsi qu’un procédé de mise en œuvre du brûleur.
    • ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
  • Classiquement, les fours industriels, notamment les fours rotatifs utilisés dans le domaine de la cimenterie pour calciner différents minéraux (ciment, chaux…) et oxyde métalliques (nickel, pelletisation de fer, chrome, alumine…) sont équipés de brûleurs à une de leurs extrémités.
  • Les brûleurs sont configurés pour alimenter et maintenir une combustion, par injection d’un flux de comburant et d’un flux de combustible, de manière à chauffer un flux de gaz qui circule dans le four. Le flux de gaz chauffé échange par convection et rayonnement avec un lit de matière présent dans le four.
  • Certains bruleurs sont configurés pour mélanger activement le combustible et le comburant par injection à haute vitesse, créant du mélange par leur impulsion (l’impulsion étant la multiplication du débit par la vitesse de sortie). Ces brûleurs peuvent brûler de multiples combustibles, typiquement des combustibles gazeux, par exemple du gaz naturel, liquides, par exemple du fioul lourd, mais aussi solides, par exemple du charbon, du coke de pétrole (petcoke), ou des combustibles alternatifs solides (ASF : alternative solid fuels) notamment des combustibles dérivés de déchets, qui permettent de valoriser n’importe quel déchet combustible.
  • Dans le domaine de la combustion des combustibles solides, les brûleurs démarrent et entretiennent généralement une combustion au moyen d’un combustible gazeux ou liquide mélangé à un flux d’air, et injectent dans la flamme des particules de combustible solide de manière à augmenter la puissance développée par la combustion sans augmenter la consommation de combustible liquide ou gazeux.
  • Toutefois, les combustibles alternatifs solides ne peuvent pas être injectés à haute vitesse dans le bruleur afin d’éviter les problèmes d’usures, et sont donc généralement injectés à une vitesse inférieure à 30 mètres par seconde. Ce manque de vitesse dégrade l’efficacité du mélange combustible/comburant et le temps de séjour des particules de combustibles alternatifs solides dans la flamme. En effet, même si les matières volatiles des particules de combustibles alternatifs solides sont brulées rapidement dans les premiers mètres de la flamme, le carbone solide constituant le reste des particules à tendance à tomber dans le lit de minerais à traiter où sa combustion se poursuit. Si les particules de combustibles alternatifs solides sont injectées dans la flamme avec une vitesse plus importante, leur inertie leur permet de traverser la flamme sur une plus grande distance avant de retomber, ce qui augmente leur temps de séjour dans la flamme et améliore leur taux de combustion. Dans ce cas, le débit de combustibles alternatifs solides est réduit afin de satisfaire les critères de qualité du produit fini et éviter des problèmes induits par la mauvaise combustion des combustibles alternatifs solides.
  • Ce phénomène est l’une des principales raisons qui limite l’utilisation des combustibles alternatifs solides dans les fours rotatifs.
  • Des dispositifs permettant d’augmenter la vitesse d’injection des combustibles alternatifs solides dans une partie terminale du bruleur ont été proposés, mais sont d’une faible utilité car ils permettent au mieux de doubler la vitesse d’injection, ce qui reste insuffisant au regard de la vitesse d’injection des autres combustibles dans le dispositif de combustion. En effet, pour un brûleur de ce type, le combustible gazeux est injecté dans le four à une vitesse de l’ordre de 200 à 300 m/s, ce qui génère une zone de combustion de taille importante. Le combustible liquide est plus généralement injecté à des vitesses de l’ordre de 100m/s mais est pulvérisé en gouttes plus fines et présentant une inflammabilité plus élevée que les particules de carburant alternatif solide.
  • De plus, les combustibles alternatifs solides étant classiquement constitués de particules de taille, de forme, de masse et de densité différentes, l’augmentation de la vitesse d’injection est souvent inhomogène car la qualité d’approvisionnement des combustibles alternatifs solides est très variable selon le fournisseur de combustibles alternatifs solides, ce qui dégrade la combustion des particules solides.
  • Classiquement, les systèmes d’injection de combustible solide injectent un flux mélangé comprenant des particules de combustibles solides transporté par un flux de fluide porteur, typiquement un flux d’air. La concentration en carburant solide du flux mélangé doit être maîtrisée pour éviter plusieurs limites techniques. Si la concentration est trop élevée, la combustion du combustible solide est dégradée, ce qui produit une quantité trop importante d’imbrûlés. Si la concentration est trop faible, la quantité d’énergie nécessaire pour mettre en mouvement le flux d’air porteur qui transporte les particules de combustible devient trop importante comparée à l’énergie supplémentaire apportée par la combustion des particules de combustible solide, ce qui par définition fait chuter le rendement du système.
  • En outre, à cause de la taille des particules de combustibles alternatifs solides, qui peut être de l’ordre de 50mm, les équipements de transport et d’injection ont besoin de sections suffisantes pour éviter les bouchages. Cela implique, pour augmenter la vitesse d’éjection des particules de combustible solide, d’augmenter le débit du flux mélangé, car il n’est alors pas souhaitable d’utiliser une réduction de section des éléments d’injection pour générer un effet de détente à cause de ce risque de bouchage. Le débit de flux mélangé est cependant limité par la puissance de la combustion, afin d’éviter de produire une trop grande quantité d’imbrûlés.
  • D’autres solutions ont été proposées comprenant un stabilisateur de flamme et des dispositifs agencés pour créer une zone dépressionnaire en aval du stabilisateur et générer une mise en rotation du gaz, de manière à « accrocher » et stabiliser la flamme en créant des recirculations de fumées chaudes dans le four.
  • Ces dispositifs rencontrent des limites lors de la phase d’allumage du four pendant laquelle les fumées recirculées sont froides et dégradent l’inflammation du gaz.
  • De plus, en fonctionnement établi, les fumées recirculées bien que chaudes sont appauvries en oxygène ce qui dégrade la stabilité de la flamme principale.
  • Enfin, la mise en rotation du gaz, pour créer une zone dépressionnaire en aval du stabilisateur, est obtenue par l’intermédiaire de pièces mécaniques en mouvement dans des atmosphères difficiles (humidité, chaleur, poussière…), ce qui génère des problématiques de maintenance.
    •
  • Afin de surmonter les problèmes techniques rencontrés par les dispositifs de l’art antérieur, l’invention propose un brûleur pour four industriel comprenant une alimentation en combustible fluidique apte à alimenter une réaction de combustion entretenue par le brûleur, et une alimentation en combustible solide apte à alimenter en combustible solide la réaction de combustion entretenue par le brûleur, l’alimentation en combustible solide comprenant :
    - un premier ensemble d’injection s’étendant selon un axe longitudinal, configuré pour injecter un combustible gazeux et comprenant une tête d’éjection à une extrémité aval du premier ensemble d’injection, la tête d’éjection débouchant au niveau d’une première section droite annulaire normale à l’axe longitudinal,
    - un deuxième ensemble d’injection s’étendant selon l’axe longitudinal et configuré pour injecter un combustible solide transporté par un flux de fluide porteur, le deuxième ensemble d’injection débouchant au niveau d’une deuxième section droite normale à l’axe longitudinal située radialement intérieurement à la première section droite,
    - une ligne d’approvisionnement en comburant s’étendant selon l’axe longitudinal comprenant une couronne annulaire à travers laquelle sont ménagés une pluralité de canaux d’injection de comburant répartis autour de l’axe longitudinal, les canaux d’injection de comburant étant situés radialement extérieurement à la deuxième section droite et radialement intérieurement à la tête d’éjection.
  • L’injection de combustible solide radialement intérieurement à une injection de comburant radialement intérieurement à une injection de combustible gazeux permet, lors de l’utilisation du brûleur, d’entamer la combustion des particules de combustible solide dès leur éjection depuis le deuxième ensemble d’injection au moyen d’une flamme pilote alimentée par le premier ensemble d’injection, l’enrichissement en comburant du mélange combustible gazeux/combustible solide permettant d’améliorer la combustion du combustible solide. Cela allonge la durée de combustion des particules de combustible solide, ce qui améliore leur combustion et réduit les retombées de déchets. En outre, l’injection de comburant radialement intermédiaire permet au brûleur de soutenir une combustion très stable lorsque seule l’injection de combustible gazeux est alimentée, ce qui facilite le démarrage de la flamme pilote avant l’injection du combustible solide et favorise la combustion du combustible solide dès la mise en route du deuxième ensemble d’injection. De plus, le mélange de combustible et de comburant en amont du nez du brûleur permet un prémélange des agents réactifs qui limite les pics de température et la formation d’oxydes d’azote.
  • Avantageusement, l’invention comporte les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
  • - la deuxième section droite est positionnée en amont ou dans le plan de la première section droite ; cela permet aux particules de combustible solide de traverser l’intégralité de la zone chauffée par la flamme pilote, ce qui permet d’améliorer la combustion du combustible solide ;
  • - la tête d’éjection comprend une pluralité de canaux d’injection pilote configurés pour injecter du combustible gazeux dans le four, les canaux d’injection pilote étant distribués autour de l’axe longitudinal selon un motif au moins partiellement circulaire, chaque canal d’injection pilote s’étendant selon une direction d’injection pilote respective qui présente une inclinaison par rapport à l’axe longitudinal, les inclinaisons respectives des canaux d’injection pilote étant configurées pour que les directions d’injection pilote soient réparties de manière à former un motif ; cela permet d’injecter le comburant sous forme de jets formant des zones de forte pression et des zones de faible pression, générant un effet de diffusion du carburant gazeux et des espèces volatiles des particules de carburant solide vers les zones de faible pression, ce qui améliore le mélange et la combustion des combustibles ;
  • - les canaux d’injection pilote sont répartis uniformément autour de l’axe longitudinal, et dans lequel le motif formé par les directions d’injection pilote est une hyperboloïde ; un tel motif permet à la fois de concentrer les carburants et comburants vers l’axe longitudinal, ce qui améliore la combustion des particules de combustible solide, et de conférer par soufflage une énergie cinétique aux particules de combustible solide, ce qui retarde leur retombée par gravité et augmente leur durée de passage au sein de la réaction de combustion, ce qui améliore leur combustion ;
  • - les canaux d’injection pilote sont répartis uniformément autour de l’axe longitudinal, et dans lequel le motif formé par les directions d’injection pilote est cylindrique ; cela permet rediriger les combustibles, gazeux et solides, dans une direction sensiblement parallèle à l’axe longitudinal de manière à prolonger le temps de passage des combustibles au sein de la combustion ;
  • - les canaux d’injection pilote sont répartis sur une portion angulaire autour de l’axe longitudinal, et dans lequel les directions d’injection pilote sont comprises respectivement dans des plans parallèles verticaux dans des conditions normales d’utilisation, et inclinées d’un angle compris entre 5° et 45° par rapport à l’axe longitudinal ; cela permet de conférer une énergie cinétique aux particules de combustible solide s’opposant à leur chute par gravité, ce qui prolonge leur durée de passage au sein de la combustion et améliore leur combustion ;
  • – le brûleur comprend :
    - une enveloppe sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal,
    - une première conduite sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal radialement intérieurement à l’enveloppe, délimitant radialement avec l’enveloppe une première portion aval d’un premier circuit d’approvisionnement configuré pour convoyer le combustible gazeux,
    - une deuxième conduite s’étendant selon l’axe longitudinal radialement intérieurement à la première conduite, délimitant radialement avec la première conduite un circuit d’approvisionnement de comburant, et délimitant radialement extérieurement une deuxième portion aval d’un deuxième circuit d’approvisionnement configuré pour convoyer du combustible solide ; une telle structure offre une grande compacité ;
  • - la tête d’éjection comporte :
    - un corps sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal,
    - une couronne agencée pour centrer radialement la première conduite dans l’enveloppe, les canaux d’injection pilote étant ménagés à travers la couronne, et
    - une portion filetée ou taraudée, agencée pour coopérer avec une portion complémentaire ménagée sur la première conduite de manière à assembler de manière amovible la tête d’éjection à la première conduite ; cela permet de retirer la tête d’éjection simplement, ce qui permet de faciliter les opération de maintenance ou d’adapter facilement le brûleur au type de combustible solide utilisé en changeant la tête d’éjection.
  • Selon un autre aspect, l’invention propose un procédé d’utilisation d’un brûleur selon l’invention, comprenant les étapes suivantes :
    - génération d’une flamme pilote,
    - maintien de la flamme pilote par injection de combustible gazeux au moyen du premier ensemble d’injection,
    - injection de combustible solide au moyen du deuxième ensemble d’injection.
  • Optionnellement mais avantageusement, au cours d’un tel procédé l’étape de maintien de la flamme pilote est configurée pour qu’au moins une partie de la combustion du gaz s’effectue en conditions sous-stœchiométrique. Cela permet de limiter la formation d’émissions polluantes, en particulier des oxydes d’azote.
  • L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
    •  BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
  • est une vue schématique en coupe d’une section droite d’un brûleur conforme à l’invention.
  • est une vue schématique en coupe de profil d’une alimentation en combustible solide d’un brûleur industriel conforme à l’invention.
  • est une vue schématique en coupe de profil centrée sur alimentation en combustible solide d’un brûleur industriel selon l’invention.
  • [Fig. 4] est une vue de détail représentant trois modes de réalisation d’une tête d’éjection d’une alimentation en combustible solide d’un brûleur selon l’invention :
    - la figure représente un premier mode de réalisation de tête d’éjection configuré pour réaliser une injection en forme de motif de type hyperboloïde ;
    - la figure représente un deuxième mode de réalisation de tête d’éjection configuré pour réaliser une injection en forme de motif de type cylindrique ;
    - la figure représente un troisième mode de réalisation de tête d’éjection configuré pour réaliser une injection en forme de motif de type nappe.
    •  DESCRIPTION DETAILLEE
  • Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
  • L’invention concerne un brûleur A pour four industriel, tel qu’illustré en , comprenant une alimentation de combustible gazeux B configurée pour injecter un carburant gazeux dans un four industriel de manière à alimenter une réaction de combustion, une alimentation de comburant C configurée pour injecter un comburant dans le four industriel de manière à alimenter la réaction de combustion, et une alimentation de combustible solide 1 configurée pour injecter un carburant solide dans le four industriel de manière à alimenter la réaction de combustion.
  • L’alimentation de combustible solide 1 comprend :
    - un premier ensemble d’injection 2 s’étendant selon un axe longitudinal X, configuré pour injecter dans le four un combustible gazeux et comprenant une tête d’éjection 3 débouchant en aval au niveau d’une première section droite S1 annulaire normale à l’axe longitudinal X,
  • - un deuxième ensemble d’injection 4 configuré pour injecter dans le four un combustible solide transporté par un flux de fluide porteur, le deuxième ensemble d’injection 4 débouchant en aval au niveau d’une deuxième section droite S2 normale à l’axe longitudinal X située radialement intérieurement à la première section droite S1.
  • Dans la description, il est entendu que les références géométriques utilisent un référentiel cylindrique, il est donc entendu par direction radiale une direction orthogonale à l’axe longitudinal X passant par l’axe longitudinal X. Un premier élément positionné radialement extérieurement à un deuxième élément est donc plus éloigné de l’axe longitudinal X que le deuxième élément. Une direction tangentielle est également définie comme orthogonale aux directions axiales et radiales. Les notions d’amont et d’aval réfèrent à la direction d’écoulement des fluides dans des conditions normales d’utilisation du dispositif.
  • L’alimentation en combustible solide 1 peut comprendre une enveloppe 5 s’étendant selon l’axe longitudinal X et débouchant en aval au niveau d’une section de sortie S3. La section de sortie S3 marque la limite aval de l’alimentation en combustible solide 1, à travers laquelle le combustible solide est injecté dans le four pour alimenter la réaction de combustion. La tête d’éjection 3 est montée dans l’enveloppe 5 de telle manière que la première section droite S1 est située en amont par rapport à la section de sortie S3 de l’alimentation de combustible solide 1. Dans cette variante, une préchambre 6 est ainsi formée par une portion de l’enveloppe 5 s’étendant entre la deuxième section droite S2 et la section de sortie S3 de l’alimentation de combustible solide 1. La préchambre 6 est ainsi sensiblement cylindrique et débouche dans le four dans lequel la réaction de combustion est entretenue, et la première section droite S1 s’étend au sein de la préchambre 6. Dans une variante non représentée, la première section droite S1 est confondue avec la section de sortie S3, le premier ensemble d’injection 2 débouchant directement dans le four.
  • Le premier ensemble d’injection 2 comprend un premier circuit d’approvisionnement 7, configurée pour convoyer le combustible gazeux, par exemple du gaz naturel, vers le four, la tête d’éjection 3 étant située à une extrémité aval du premier circuit d’approvisionnement 7 et débouchant dans le four ou dans la préchambre 6 de manière à injecter du combustible gazeux dans le four.
  • Le deuxième ensemble d’injection 4 comprend un deuxième circuit d’approvisionnement 9 configurée pour convoyer du combustible solide porté par un flux de fluide porteur, par exemple un flux d’air, et débouchant dans le four ou dans la préchambre 6 au niveau de la deuxième section droite S2.
  • Le premier ensemble d’injection 2 est ainsi utilisé pour générer et maintenir une flamme pilote à la sortie de la tête d’éjection 3, dans le sens de l’écoulement des fluides dans une utilisation normale du dispositif. Cette flamme pilote permet l’inflammation instantanée du combustible gazeux à la sortie de la tête d’éjection 3.
  • Le deuxième ensemble d’injection 4 injecte à travers la flamme pilote un flux de combustible solide. L’injection de combustible solide à l’intérieur de la flamme pilote permet de contenir le flux de combustible solide dans une zone à température suffisante pour soutenir la combustion du carbone solide des combustibles solides. La combustion rapide des volatiles des combustibles solides permet quant à elle de favoriser la combustion du combustible gazeux. Le taux de combustion de combustibles solide est augmenté, ce qui réduit le dépôt de déchets carbonés et imbrûlés.
  • La deuxième section droite S2 est avantageusement positionnée en amont ou au niveau de la première section S1, ce qui permet aux particules de combustible solide de traverser l’intégralité de la flamme pilote et améliore le taux de combustion du combustible solide.
  • Une structure comprenant une préchambre 6 permet de confiner la réaction de combustion du combustible solide issu du deuxième ensemble d’injection 4 traversant la flamme pilote, ce qui permet de profiter d’une augmentation locale de pression et permet ainsi de transférer un taux d’énergie supérieur au combustible solide, ce qui améliore sa combustion.
  • Dans un mode de réalisation représenté en , le brûleur A comporte l’enveloppe 5 qui présente une géométrie sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal X.
  • Radialement intérieurement à l’enveloppe 5 s’étend une première conduite 10 sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal X. L’enveloppe 5 et la première conduite 10 délimitent radialement un volume de section annulaire s’étendant selon l’axe longitudinal X, délimité radialement extérieurement par l’enveloppe 5 et radialement intérieurement par la première conduite 9. Le volume de section annulaire ainsi délimité forme une première portion aval 11 du premier circuit d’approvisionnement 7 configuré pour convoyer le combustible gazeux vers le four.
  • Radialement intérieurement à la première conduite 10 s’étend une deuxième conduite 12 sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal X. La deuxième conduite 12 délimite radialement extérieurement une deuxième portion aval 13 du deuxième circuit d’approvisionnement 9 agencé pour convoyer le combustible solide porté par un flux de fluide vers le four.
  • La première conduite 10 et la deuxième conduite 12 délimitent radialement un volume de section annulaire s’étendant selon l’axe longitudinal X, délimité radialement extérieurement par la première conduite 10 et radialement intérieurement par la deuxième conduite 12. Le volume de section annulaire ainsi délimité forme une ligne d’approvisionnement en comburant 14, configuré pour convoyer du comburant, par exemple un flux d’air, vers le four.
  • La deuxième portion aval 13 du deuxième circuit d’approvisionnement 9 s’étend selon l’axe longitudinal X, la première portion aval 11 du premier circuit d’approvisionnement 7 s’étendant selon l’axe longitudinal X radialement extérieurement à la deuxième portion aval 13.
  • Cette structure offre une grande compacité et permet de limiter l’encombrement au centre du brûleur, au niveau de l’axe longitudinal X, ce qui favorise l’écoulement des différents flux de combustibles et comburants.
  • De manière évidente, le brûleur A comprend une alimentation en comburant permettant de soutenir la réaction de combustion au sein du four.
  • Le brûleur A peut donc comprendre une injection dite principale de combustible gazeux pour alimenter la réaction de combustion dans le four, alimentée par l’alimentation de combustible gazeux B, une alimentation de comburant pour alimenter la réaction de combustion dans le four, une injection de combustible gazeux au moyen du premier ensemble d’injection 2 pour alimenter la flamme pilote de l’alimentation de combustible solide 1, et une alimentation en comburant réalisée par la ligne d’approvisionnement en comburant pour alimenter la combustion de la flamme pilote de l’alimentation en combustible solide 1.
  • La ligne d’approvisionnement en comburant 14 s’étend également selon l’axe longitudinal X, radialement extérieurement à la deuxième portion aval 13 et radialement intérieurement à la première portion aval 11.
  • Cela permet d’injecter du comburant supplémentaire lors de l’alimentation des deux combustibles, le flux mélangé de combustible solide assurant une alimentation en air par le flux de fluide porteur. Cela permet d’influer sur la combustion du combustible solide par un ajustement de l’alimentation en comburant sans influer sur le débit de combustible solide.
  • Avantageusement, la deuxième conduite 12 comprend une couronne annulaire 15 formant saillie et s’étendant radialement extérieurement depuis la deuxième conduite 12, ce qui permet de centrer radialement la deuxième conduite 12 dans la première conduite 10. Une pluralité de canaux d’injection de comburant 16 sont ménagés à travers la couronne annulaire 15. Avantageusement, les canaux d’injection de comburant 16 sont distribués uniformément autour de l’axe longitudinal X, ce qui permet d’assurer l’homogénéité de la réaction de combustion en assurant une alimentation équivalente en comburant sur toute la plage angulaire de la section d’écoulement des flux.
  • Avantageusement, la couronne annulaire 15 est positionnée à une extrémité de la deuxième conduite 12, de sorte que les canaux d’injection de comburant 16 débouchent directement dans le four. L’injection de comburant à cet endroit peut permettre d’améliorer la combustion du combustible gazeux, ce qui peut permettre d’améliorer la combustion du combustible solide.
  • L’injection par jets d’air plutôt que par couronne d’air permet de générer des zones de faible pression entre les jets d’air qui entraînent des déplacements du flux de combustible gazeux vers ces zones à faible pression. Cet effet d’aspiration du combustible gazeux entre chaque jet d’air permet un meilleur mélange et une meilleure combustion du carburant gazeux, ce qui peut permettre une meilleure combustion du combustible solide.
  • Les canaux d’injection de comburant 16 peuvent s’étendre parallèlement à l’axe longitudinal X, de manière à générer un effet de soufflage qui confère une énergie cinétique supplémentaire aux particules de combustible solide, ce qui permet de prolonger leur temps de passage dans la combustion et d’améliorer leur taux de combustion.
  • En variante, les canaux d’injection de comburant 16 peuvent s’étendre en présentant une inclinaison dans une direction tangentielle par rapport à l’axe longitudinal X, de manière à induire une composante rotationnelle dans l’écoulement du flux de comburant dans le four. Cela permet d’améliorer le mélange des combustibles et comburants au sein de la combustion, et donc d’améliorer l’homogénéité de la réaction de combustion.
  • Dans une autre variante, les canaux d’injection de comburant 16 peuvent s’étendre en présentant une inclinaison dans une direction radiale par rapport à l’axe longitudinal X, de manière à concentrer le flux de comburant vers le centre du four ou répartir le comburant vers le pourtour du four.
  • Dans une variante non représentée, la couronne annulaire 15 est positionnée en amont par rapport à l’extrémité de la deuxième conduite 12.
  • Le premier ensemble d’injection 2 comprend une pluralité de canaux d’injection pilote 17 de combustible gazeux, débouchant dans le four et configurés pour injecter le combustible gazeux dans le four. Les canaux d’injection pilote 17 sont distribués autour de l’axe longitudinal selon une répartition sensiblement circulaire, ou en arc de cercle, radialement extérieurement à l’extrémité aval de la deuxième conduite 12.
  • Les canaux d’injection de comburant 16 sont ainsi situés radialement extérieurement à l’extrémité aval du deuxième ensemble d’injection 6, ou plus précisément à l’extrémité aval de la deuxième conduite 12, et radialement intérieurement aux canaux d’injection pilote 17. Une telle structure permet d’enrichir en comburant le mélange combustible gazeux/combustible solide, ce qui permet d’améliorer la combustion du combustible solide et de stabiliser la flamme en sortie du brûleur. En outre, cela permet au brûleur de soutenir une combustion lorsque seule l’injection de combustible gazeux est alimentée. Le mélange de combustible et de comburant en amont du nez du brûleur permet un prémélange des agents réactifs qui limite les pics de température et la formation d’oxydes d’azote lors de la combustion.
  • Avantageusement, la tête d’éjection 3 présente un corps 18 sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal X monté à une extrémité aval de la première conduite 10. Le corps 18 de la tête d’éjection 3 comporte une couronne 19 s’étendant radialement extérieurement depuis le corps 18 de la tête d’éjection 3. Cela permet d’assurer le centrage de la première conduite 10 dans l’enveloppe 5. Les canaux d’injection pilote 17 sont ménagés à travers la couronne 19 et assurent ainsi l’alimentation du four en combustible gazeux depuis la portion aval 11 du premier circuit d’approvisionnement 7.
  • Avantageusement, le corps 18 de la tête d’éjection 3 comporte une portion filetée ou taraudée 20, configurée pour interagir avec une portion complémentaire ménagée sur la première conduite 10. Cela permet de faciliter le montage de la première conduite 10 dans l’enveloppe 5, et le remplacement de la tête d’éjection 3, en cas d’usure ou d’opération de maintenance.
  • Chaque canal d’injection pilote 17 s’étend selon une direction d’injection pilote Di respective qui présente une inclinaison par rapport à l’axe longitudinal, les inclinaisons respectives des canaux d’injection pilote étant configurées pour que les directions d’injection pilote soient réparties de manière à former un motif.
  • Dans un premier mode de réalisation représenté en , les canaux d’injection pilote 17 sont distribués uniformément autour de l’axe longitudinal X et présentent une direction d’injection pilote Di inclinée tangentiellement et radialement par rapport à l’axe longitudinal X, de telle manière que le motif formé par l’ensemble des directions d’injection pilote Di est sensiblement une hyperboloïde. Typiquement, chaque direction d’injection pilote présente alors une inclinaison comportant une composante dans un plan radial et une composante dans un plan tangentiel.
  • L’injection du combustible gazeux sous forme d’hyperboloïde permet de maximiser le mélange entre le combustible gazeux et le combustible solide, par concentration des flux vers l’axe longitudinal X et par composante rotationnelle du flux de combustible gazeux injecté par la tête d’éjection 3. Ce mode de réalisation est également particulièrement avantageux dans le cas d’une combinaison avec une alimentation en comburant située radialement entre l’alimentation en combustible gazeux et l’alimentation en combustible solide, le comburant étant également dévié vers l’axe longitudinal, ce qui permet de favoriser la combustion du combustible solide. Une telle injection permet de souffler les particules de combustible solide et de leur transférer une énergie cinétique, en dirigeant leur mouvement le long de l’axe longitudinal X, ce qui retarde leur chute et prolonge le temps de séjour des particules de combustible solide dans la combustion. La concentration des particules de combustible solide, de combustible gazeux et de comburant vers l’axe longitudinal, obtenue au moyen du motif hyperboloïde formé par les directions d’injection pilote Di, améliore la combustion du combustible solide et se montre polyvalent quel que soit le type de combustible solide utilisé.
  • Avantageusement, la couronne 19 de la tête d’éjection 3 peut être conformée de sorte à présenter une portion tronconique 21, qui facilite le perçage des canaux d’injection pilote 17. La pente de la portion tronconique 21 est ainsi dimensionnée en fonction de l’inclinaison des canaux d’injection pilote 17 de manière à réduire les risques lors du perçage et de l’alésage des canaux d’injection pilote 17.
  • Dans un deuxième mode de réalisation représenté en , les canaux d’injection pilote 17 sont répartis uniformément autour de l’axe longitudinal X et présentent une direction d’injection pilote Di sensiblement parallèle à l’axe longitudinal X, formant ainsi ensemble un motif sensiblement cylindrique.
    Cela permet de rediriger les combustibles, gazeux et solides, dans une direction sensiblement parallèle à l’axe longitudinal X de manière à prolonger le temps de passage des combustibles au sein de la combustion. Ce type de motif d’injection est particulièrement avantageux pour des particules de combustible solide qui présentent un taux de composants volatiles faibles et des taux d’humidité importants car le temps dans la flamme plus important leur permet de sécher et brûler la matière.
  • Dans un troisième mode de réalisation représenté en , les canaux d’injection pilote 17 sont répartis le long d’un arc de cercle, ou une plage angulaire, autour de l’axe longitudinal X et présentent une direction d’injection pilote Di inclinée par rapport à l’axe longitudinal X, les directions d’injection pilote Di étant parallèles entre elles et comprises dans des plans respectifs parallèles entre eux. Ainsi, dans ce mode de réalisation, les directions d’injection pilote Di sont agencées de telle sorte que, dans des conditions normales d’utilisation, les directions sont comprises dans des plans verticaux parallèles et inclinées de sorte que les canaux d’injection pilote 17 injectent du carburant gazeux suivant une pente vers le haut, typiquement les directions d’injection pilote Di sont inclinées d’un angle compris entre 5° et 45° par rapport à l’axe longitudinal (X). Cela permet de générer un effet de soufflage sur les particules de combustible solide s’opposant à leur chute par gravité, ce qui permet de prolonger leur temps de passage dans la réaction de combustion et améliore la combustion du combustible solide. Un tel type d’injection convient bien lors d’une utilisation de particules de carburant solide lourdes, qui ont tendance à retomber rapidement.
  • Dans une variante non représentée, les canaux d’alimentation de comburant 16 sont situés radialement extérieurement aux canaux d’injection pilote 17, et la ligne d’approvisionnement en comburant 14 s’étend radialement extérieurement à la première portion aval 11 du premier circuit d’approvisionnement 7. Le comburant est ainsi injecté en périphérie du combustible gazeux, lui-même injecté en périphérie du combustible solide.
  • En fonctionnement, le brûleur A est opéré en effectuant les étapes suivantes : la mise à feu, ou génération d’une flamme, peut être effectuée au moyen d’un dispositif d’allumage. Du combustible gazeux, par exemple du gaz naturel, est injecté dans le four au moyen de l’alimentation de combustible gazeux B, de manière à générer et entretenir une réaction de combustion au sein du four. Du combustible gazeux est injecté au moyen du premier ensemble d’injection 2 de manière à entretenir une flamme pilote à la sortie de la tête d’éjection 3. La combustion de la flamme pilote peut être déclenchée au moyen du dispositif d’allumage, ou simplement par chauffage par la combustion au sein du four.
  • Le combustible solide porté par un fluide porteur est ensuite injecté dans le four, à travers la flamme pilote, au moyen du deuxième ensemble d’injection 6. La flamme pilote permet ainsi d’enflammer instantanément le combustible solide dès sa pulvérisation.
  • La combustion est effectuée en deux temps dans le four :
    - dans une zone amont, la combustion du combustible solide s’effectue pour partie en conditions sous-stœchiométriques, ce qui a pour effet de limiter la température de la flamme et donc la production de NOx (oxydes d’azote), et de générer les conditions favorables à la production de radicaux HCN et NH3 réducteurs de NOx (phénomène de combustion secondaire, ou reburning en anglais) ;
    - dans une zone aval, la combustion se poursuit dans des conditions oxydantes, en présence sur-stœchiométrique de comburant et sous température plus élevée.
  • En effet, l’injection séparée et pilotable de comburant au moyen du circuit d’approvisionnement de comburant 14 permet d’ajuster les proportions de débit massique de comburant et de combustible dans le four. Afin d’assurer une combustion en conditions sous-stœchiométriques, il est ainsi possible de réduire l’alimentation en comburant.
  • L’utilisation d’un tel brûleur permet donc de réduire les émissions de composés polluants, particulièrement les NOx, tout en réduisant la formation de monoxyde de carbone CO en améliorant la combustion par amélioration du mélange.
  • En outre, cela permet stabiliser la flamme et de la raccourcir pour une puissance équivalente, donc d’augmenter la température moyenne de la flamme. Une flamme plus stable permet de développer une couche de dépôt (croûtage) plus homogène sur les parois d’un four utilisant un tel brûleur, ce qui améliore la durée de vie du matériau réfractaire qui recouvre la paroi du four.
  • Cela amène notamment un autre avantage dans un four de cimenterie, lors d’un procédé de formation de clinker, en permettant d’améliorer la cristallographie du clinker grâce à l’augmentation de la température moyenne de la flamme.
  • Avantageusement, l’alimentation en combustible solide 1 présente un mode de fonctionnement en combustible gazeux seul. Le combustible gazeux est injecté au moyen du premier ensemble d’injection 5 pour alimenter la flamme pilote, et au moyen du deuxième ensemble d’injection 6 dans des proportions plus importantes pour alimenter la combustion dans le four. Dans ce mode de réalisation, l’alimentation en combustible solide 1 comprend alors une deuxième conduite 12 raccordée en amont à une source d’approvisionnement en combustible solide d’une part, et une source d’approvisionnement en combustible gazeux d’autre part.
  • Un tel fonctionnement permet de conserver une puissance de chauffage du brûleur A équivalente lors d’une rupture d’approvisionnement en combustible solide, en substituant au débit de carburant solide un débit de carburant gazeux.
  • Une telle capacité d’adaptation du brûleur permet de conserver un mode de fonctionnement nominal, en termes de performances, dans un plus grand nombre de situations.

Claims (10)

  1. Brûleur pour four industriel comprenant une alimentation en combustible fluidique apte à alimenter une réaction de combustion entretenue par le brûleur, et une alimentation en combustible solide (1) apte à alimenter en combustible solide la réaction de combustion entretenue par le brûleur, l’alimentation en combustible solide (1) comprenant :
    - un premier ensemble d’injection (2) s’étendant selon un axe longitudinal (X), configuré pour injecter un combustible gazeux et comprenant une tête d’éjection (3) à une extrémité aval du premier ensemble d’injection (2), la tête d’éjection (3) débouchant au niveau d’une première section droite (S1) annulaire normale à l’axe longitudinal (X),
    - un deuxième ensemble d’injection (4) s’étendant selon l’axe longitudinal (X) et configuré pour injecter un combustible solide transporté par un flux de fluide porteur, le deuxième ensemble d’injection (4) débouchant au niveau d’une deuxième section droite (S2) normale à l’axe longitudinal (X) située radialement intérieurement à la première section droite (S1),
    - une ligne d’approvisionnement en comburant (14) s’étendant selon l’axe longitudinal (X) comprenant une couronne annulaire (15) à travers laquelle sont ménagés une pluralité de canaux d’injection de comburant (16) répartis autour de l’axe longitudinal (X), les canaux d’injection de comburant (16) étant situés radialement extérieurement à la deuxième section droite (S2) et radialement intérieurement à la tête d’éjection (3).
  2. Brûleur selon la revendication 1, dans lequel la deuxième section droite (S2) est positionnée en amont ou dans le plan de la première section droite (S1).
  3. Brûleur selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel la tête d’éjection (3) comprend une pluralité de canaux d’injection pilote (17) configurés pour injecter du combustible gazeux dans le four, les canaux d’injection pilote (17) étant distribués autour de l’axe longitudinal (X) selon un motif au moins partiellement circulaire, chaque canal d’injection pilote (17) s’étendant selon une direction d’injection pilote (Di) respective qui présente une inclinaison par rapport à l’axe longitudinal (X), les inclinaisons respectives des canaux d’injection pilote (17) étant configurées pour que les directions d’injection pilote (Di) soient réparties de manière à former un motif.
  4. Brûleur selon la revendication 3, dans lequel les canaux d’injection pilote (17) sont répartis uniformément autour de l’axe longitudinal (X), et dans lequel le motif formé par les directions d’injection pilote (Di) est une hyperboloïde.
  5. Brûleur selon la revendication 3, dans lequel les canaux d’injection pilote (17) sont répartis uniformément autour de l’axe longitudinal (X), et dans lequel le motif formé par les directions d’injection pilote (Di) est cylindrique.
  6. Brûleur selon la revendication 3, dans lequel les canaux d’injection pilote (17) sont répartis sur une portion angulaire autour de l’axe longitudinal (X), et dans lequel les directions d’injection pilote (Di) sont comprises respectivement dans des plans parallèles verticaux dans des conditions normales d’utilisation, et inclinées d’un angle compris entre 5° et 45° par rapport à l’axe longitudinal (X).
  7. Brûleur selon l’une des revendications précédentes, comprenant :
    - une enveloppe (5) sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal (X),
    - une première conduite (10) sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal (X) radialement intérieurement à l’enveloppe (5), délimitant radialement avec l’enveloppe (5) une première portion aval (11) d’un premier circuit d’approvisionnement (7) configuré pour convoyer le combustible gazeux,
    - une deuxième conduite (12) s’étendant selon l’axe longitudinal (X) radialement intérieurement à la première conduite (10), délimitant radialement avec la première conduite (10) un circuit d’approvisionnement de comburant (14), et délimitant radialement extérieurement une deuxième portion aval (13) d’un deuxième circuit d’approvisionnement (9) configuré pour convoyer du combustible solide.
  8. Brûleur selon la revendication 7, dans lequel la tête d’éjection (3) comporte :
    - un corps (18) sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal (X),
    - une couronne (19) agencée pour centrer radialement la première conduite (10) dans l’enveloppe (5), les canaux d’injection pilote (17) étant ménagés à travers la couronne (19), et
    - une portion filetée ou taraudée (20), agencée pour coopérer avec une portion complémentaire ménagée sur la première conduite (10) de manière à assembler de manière amovible la tête d’éjection (3) à la première conduite (10).
  9. Procédé d’utilisation d’un brûleur selon les revendications 1 à 8, comprenant les étapes suivantes :
    - génération d’une flamme pilote,
    - maintien de la flamme pilote par injection de combustible gazeux au moyen du premier ensemble d’injection (2),
    - injection de combustible solide au moyen du deuxième ensemble d’injection (4).
  10. Procédé d’utilisation selon la revendication 9, dans lequel l’étape de maintien de la flamme pilote est configurée pour qu’au moins une partie de la combustion du gaz s’effectue en conditions sous-stœchiométrique.
EP23837722.0A 2022-12-28 2023-12-22 Bruleur a precombustion Pending EP4643058A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2214590A FR3144646B1 (fr) 2022-12-28 2022-12-28 Bruleur a precombustion
PCT/EP2023/087742 WO2024141509A1 (fr) 2022-12-28 2023-12-22 Bruleur a precombustion

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4643058A1 true EP4643058A1 (fr) 2025-11-05

Family

ID=85685625

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23837722.0A Pending EP4643058A1 (fr) 2022-12-28 2023-12-22 Bruleur a precombustion

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4643058A1 (fr)
CN (1) CN120569595A (fr)
FR (1) FR3144646B1 (fr)
WO (1) WO2024141509A1 (fr)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3933050C2 (de) * 1989-10-04 2000-06-15 Pillard Feuerungen Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Brenners für Drehrohröfen und Brenner hierfür
US5714113A (en) * 1994-08-29 1998-02-03 American Combustion, Inc. Apparatus for electric steelmaking
US6910431B2 (en) * 2002-12-30 2005-06-28 The Boc Group, Inc. Burner-lance and combustion method for heating surfaces susceptible to oxidation or reduction
DE102014215794A1 (de) * 2014-08-08 2016-02-11 Primetals Technologies Austria GmbH Brenner-Lanzen-Einheit
FR3105818B1 (fr) * 2019-12-31 2022-08-26 Fives Pillard Brûleur à faible production de NOx

Also Published As

Publication number Publication date
FR3144646A1 (fr) 2024-07-05
CN120569595A (zh) 2025-08-29
FR3144646B1 (fr) 2025-05-02
WO2024141509A1 (fr) 2024-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4907962A (en) Low NOx burner
CA1253745A (fr) Bruleur a charbon pulverise
CA2443407C (fr) Procede de combustion comportant des injections separees de combustible et d'oxydant et ensemble bruleur pour la mise en oeuvre de ce procede
JP2004100967A (ja) 粉体燃焼用バーナ、粉体燃焼方法および焼却炉
FR2522392A1 (fr) Bruleur a charbon pulverulent
JP6705838B2 (ja) 電気炉用助燃バーナー
EA021028B1 (ru) Горелка для твердого топлива
CN102597629B (zh) 使用燃烧器燃烧微粒固体燃料的方法
CN114959171A (zh) 电炉以及利用电炉制造铁水的方法
EP1065460A1 (fr) Procédé de calcination d'un matériau à base de minerai
EP1618334A1 (fr) PROCEDE DE COMBUSTION ETAGEE D UN COMBUSTIBLE LIQUIDE ET D&a pos;UN OXYDANT DANS UN FOUR
WO2024141509A1 (fr) Bruleur a precombustion
EP4042068B1 (fr) Brûleur pour produire une flamme dans une chambre de combustion d'un four à cuve verticale annulaire, chambre de combustion pour un four à cuve verticale annulaire et procédé de combustion dans une telle chambre de combustion
EP3177872B1 (fr) Brûleur a injection d'air ou de gaz ajustable
BE1024784B9 (fr) Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion cylindrique
RU2350838C1 (ru) Высокотемпературный циклонный реактор
EP3813992B1 (fr) Enrichissement en oxygène et combustion d'un combustible en forme de particules solides entraînées par un gaz porteur
JP4007306B2 (ja) 粉体燃焼装置および粉体燃焼方法
EP3903029B1 (fr) Brûleur a flamme ajustable
JP4016909B2 (ja) 粉体燃焼装置および粉体燃焼方法
FR2701540A1 (fr) Chambre de combustion à brûleur sur façade et système de réduction des émissions de corps polluants, tels qu'oxydes d'azote.
WO2014086660A1 (fr) Brûleur
EP0130913A1 (fr) Réacteur haute température associé à une zone de plasmagenèse, en particulier brûleur mixte électricité-combustible

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20250613

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)