FR3006037B1 - Bruleur de four rotatif asymetrique - Google Patents

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Abstract

La présente invention se rapporte à un brûleur (2) de four tournant (1) comprenant un circuit d'injection d'air primaire (3) avec un débit d'air primaire et un circuit d'injection d'air secondaire (4) avec un débit d'air secondaire, ledit brûleur (2) présente une partie haute et une partie basse, il est caractérisé en ce que le débit d'air primaire (3) est plus important dans la partie basse du brûleur (2). Le débit d'air primaire dans la moitié inférieure du brûleur (2) est donc plus important que le débit d'air primaire dans la moitié supérieure du brûleur (2). Cette injection d'air primaire asymétrique, plus importante en partie basse du brûleur (2), entraîne une augmentation du volume d'air secondaire entraîné en partie basse du four (1), d'où une meilleure aération et une limitation des zones réductrices en partie basse du four (1), une plus grande sustentation des particules (5) de combustible solide lourdes par l'air primaire puis par l'air secondaire et un plus grand débit de refroidissement pour la partie basse du brûleur (2).

Description

BRULEUR DE FOUR ROTATIF ASYMETRIQUE
Domaine technique
La présente invention concerne des brûleurs utilisés sur les fourstournants de calcination de produit tels que par exemple les fours à ciment,Ses fours à chaux.
Etat de la technique
Dans la grande majorité des installations à four tournant, la majoritéde l’air de combustion, généralement appelé « air secondaire », arrive parle dessous du four tournant après avoir été utilisé comme air derefroidissement de la matière chaude tombant du four. L’air de combustion chaud, ou air secondaire, arrive donc de manièreasymétrique à l’extrémité du brûleur, avec principalement une composanteaxiale et une verticale. L’extrémité du brûleur est généralement placée àproximité immédiate de l’axe du four tournant et à l’entrée. Sur un four àciment cet air secondaire chaud représente entre 80 et 95 % de l’air decombustion. L’air primaire est l’air injecté directement dans le brûleur. Il représenteentre 5% et 20% de l’air de combustion. Il est injecté à haute pression,généralement entre 100 et 600 mbar. Il est utilisé principalement pouraspirer l’air secondaire chaud et assurer son mélange rapide avec lecombustible du brûleur et accélérer ainsi la combustion tout en maîtrisantla forme de flamme.
Dans la majorité des procédés à four tournant, et notamment lesprocédés ciments, il faut éviter le contact entre la flamme et la matière àchauffer qui forme un talus en partie basse du four pour : • assurer la combustion complète des combustibles par l’oxygèneapporté par l’air secondaire et éviter l’introduction de combustible imbrûlédans la matière T’A ' éviter des zones réductrices dans la matière et/ou en surface du litmatière qui « peuvent en changer les caractéristiques du produit fabriqué • diminuer l’efficacité de la combustion, • et/ou générer des effets indésirables comme la volatilisation dusoufre contenu dans la matière (par exemple : K2SO4 -> K2O+ SO2) ce qui peut créer des problèmes opératoires sur lesunités de production, comme un bouchage par dépôt desulfates.
Cette problématique devient particulièrement sensible lors del’utilisation de combustibles solides (et notamment de combustiblesalternatifs solides: chips de bois, résidus papier plastiques, pneusdéchiquetés, résidus issus de tri de déchets banaux...) dont le broyage estfaible et la masse unitaire importante et dont la tendance naturelle est detomber sur ce talus de matière par gravité avant leur combustion complètedans l’air secondaire.
Or les brûleurs de fours rotatifs ont des injections d’air primairesymétrique qui ne tiennent pas compte de : • l’asymétrie de l’air secondaire, de la tendance naturelle des combustibles solides à tomber sur letalus de matière et • de la nécessité pour certains procédés comme le ciment, d’avoirune zone oxydante en surface du talus de matière pour ne pas altérer laqualité du produit fabriqué ou l’exploitation du procédé. L’objet de l’invention est de proposer un nouveau système d’injectiond’air primaire qui permet d’améliorer à la fois: les conditions oxydantes sur le talus de matière (clinker) sansapport d’air primaire additionnel dont l’ajout serait préjudiciable aurendement du procédé, la sustentation des particules lourdes pour augmenter leur taux decombustion avant leur contact avec le talus de matière. d’assurer par une circulation d’air primaire plus importante, lerefroidissement de la partie basse du brûleur qui est plus affectéethermiquement par le rayonnement et la proximité du talus de matière.
Le brûleur de four tournant selon l’invention comprend un circuitd’injection d’air primaire avec un débit d’air primaire, ledit brûleur présenteune partie haute et une partie basse, il est caractérisé en ce que le débitd’air primaire est plus important dans la partie basse du brûleur. Le débitd’air primaire dans la moitié inférieure du brûleur est donc plus importantque le débit d’air primaire dans la moitié supérieure du brûleur. Cetteinjection d’air primaire asymétrique, plus importante en partie basse dubrûleur, entraîne une augmentation du volume d’air secondaire entraîné enpartie basse du four, d’où une meilleure aération et une limitation deszones réductrices en partie basse du four, une plus grande sustentationdes particules de combustible solide lourdes par l’air primaire puis par l’airsecondaire et un plus grand débit de refroidissement pour la partie bassedu brûleur.
Selon une caractéristique particulière, la différence de débit d’airprimaire entre la partie haute du brûleur et la partie basse est compriseentre 10% et 40%. Cette différence permet une plus grande sustentationdes particules qui restent plus longtemps dans la flamme.
Selon une autre caractéristique, que la différence de débit d’airprimaire entre la partie haute et la partie basse est réalisée suivant un planlégèrement incliné d’un angle a entre 0° et 45° par rapport à un planhorizontal. Cet angle permet de prendre en compte la rotation du four quien entraînant le talus du lit de matière le décale sur le côté du four danslequel ledit four tourne. Ainsi en vue de face, si le four tourne dans le senshoraire, le talus sera à gauche et si le four tourne dans le senstrigonométrique, le talus sera à droite. L'inclinaison de l’angle a est dumême côté que l’inclinaison du talus.
Selon une caractéristique particulière, les injections d’air primairecomprennent des sections et en ce que la différence de débit d’air primaire entre la partie haute et la partie basse est obtenue par adaptation dessections d’injection d’air primaire. Cette différence de débit peut êtreobtenue en changeant le nombre d’orifices assurant le débit et/ou enmodifiant les dimensions desdits orifices. Il est par exemple possible dediminuer le nombre d’orifices dans la partie haute et/ou d’augmenter leurnombre en partie basse. Il est aussi possible de diminuer la taille desorifices dans la partie haute et/ou d’augmenter leur taille en partie basse.
Selon une disposition particulière, l’injection d’air primaire est répartieen deux composantes. Une composante axiale (injection de l’air dansl’axe du brûleur) et une composante radiale (injection de l’air avec un anglede déviation généralement compris entre 10 et 50°), et la différence dedébit d’air primaire est appliquée à la composante axiale centrifuge. Cettecomposante axiale a une influence importante sur la quantité d’airsecondaire aspirée dans la flamme ce qui permet une sustentation plusimportante des particules solides dans la flamme du brûleur, donc untemps de résidence plus long et ainsi améliorer leur combustion. Cettedisposition permet également une zone plus oxydante au niveau du taluspar un débit d’air secondaire circulant plus important le long du talus.
Selon une deuxième disposition, l’injection d’air primaire est répartieen une composante axiale et une composante radiale, et la variation dedébit d’air primaire est appliquée à la composante radiale. Cettecomposante radiale a une influence importante sur la turbulence et lasustentation des particules solides dans la flamme du brûleur, et donc uneamélioration de leur combustion.
Selon une troisième disposition, la différence des débits d’air primaireest appliquée aux deux composantes axiale et radiale.
Selon une caractéristique particulière, les sections d’air primaire sontconstituées d’orifices (cylindrique ou non), ou de groupe d’orifices et en ceque cette différence de débit entre la partie haute et la partie basse estobtenue par une augmentation de la section de ces orifices de la partie basse. Les orifices placés en partie basse du coté du talus sont plusimportantes, pour les composantes radiales et/ou axiales.
Selon une autre caractéristique, les combustibles sont injectés àl’intérieur de l’injection d’air primaire. Ce qui permet une sustentationoptimale des combustibles dans la flamme et une optimisation des rejetsd’oxyde d’azote.
Dans un autre mode de réalisation, le combustible principal gaz oupulvérulent (charbon / pet coke ...) est injecté entre l’air primaire axial etl’air primaire radial, les autres combustibles (secondaire ou alternatifs) sontinjectés au centre du brûleur.
De même les tubes d’injection des combustibles alternatifs solidessont parfois accompagnés d’air primaire de dispersion. Cet air primaire dedispersion, à pression élevée (généralement 50 à 600 mbar) etreprésentant généralement 10 à 50% de l’air de transport du combustiblealternatif solide) est généralement injecté de manière concentrique au tubed’injection de combustible alternatif.
Cet air primaire de dispersion est injecté avec une composanteradiale de 0° à 40° (et de préférence 10 à 30°) soit de manière centrifugesoit en hyperboloïde pour permettre une meilleure dispersion desparticules solides dans la flamme.
Or certaines de ces particules ayant une masse importante, elles ontune tendance naturelle à tomber par gravité sur le talus matière. Pouréviter leur chute trop rapide dans le talus matière, la dissymétrie de l’airprimaire peut donc également s’appliquer à cet air primaire de dispersion,comme elle s’applique à l’air primaire axial ou l’air primaire radial avecl’avantage d’être à proximité directe du flux de ces particules decombustible alternatif solide.
Dans ce cas, est compte tenu de la taille de ces injections decombustible alternatif, la dissymétrie du débit d’air primaire de dispersionpeut être obtenue par • Une augmentation du nombre d’orifices (cylindrique ou pas) enpartie basse, ou par • Une augmentation de la section des orifices en partie base et allerjusqu’à la suppression du débit d’air de dispersion en partie haute.
Il est possible de prévoir un montage non coaxial entre le tubed’injection de combustible alternatif et le tube d’air de dispersion. Dans cedernier cas l’injection d’air peu également avoir une composantelégèrement verticale comprise de préférence entre 0 et + 25° et lacomposante radiale de l’air de dispersion est alors faible voire nulle.
Il existe également des brûleurs de four tournant conforme àl’invention comprenant au moins un orifice d’injection de combustible avecun circuit d’injection d’air primaire de dispersion avec un débit d’air primairede dispersion, l’orifice comprenant deux tubes concentriques, ledit brûleurprésentant une partie haute et une partie basse, il est caractérisé en ceque le débit d’air primaire asymétrique est celui de l’air primaire dedispersion, il est ainsi plus important dans la partie basse du brûleur quedans la partie haute. Cette injection d’air primaire de dispersionasymétrique, plus importante en partie basse de l’orifice d’injection decombustible, entraîne une augmentation du volume d’air en partie bassequi permet une meilleure dispersion des particules de combustible dans laflamme.
Selon une première variante, la différence de débit d’air primaire dedispersion est obtenue par augmentation de la section de passage enpartie basse par augmentation de la section des trous.
Selon une deuxième variante, la différence de débit d’air primaire dedispersion est obtenue par augmentation du nombre de trous.
Selon une disposition particulière, la différence de débit d’air primairede dispersion est obtenue avec tubes non concentriques. Dans ce casl’excentricité peut aller jusqu’à la suppression des trous en partie haute del’orifice d’injection de combustible.
Selon une autre caractéristique, les trous du bas ont une inclinaison βdonnant une composante verticale à l’air primaire de dispersion. Les trousdu bas font ainsi un angle β avec l’axe de l’orifice d’injection decombustible qui est sensiblement horizontal. D’autres avantages pourront encore apparaître à l’homme du métierà la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées,donnés à titre d’exemple.
Brève description des figures
La figure 1 représente une vue générale d’un four tournant,
La figure 2 est une vue de face du four de la figure 1,
La figure 3 est le détail du brûleur du four de la figure 1,
La figure 4 est une vue de face d’une première variante debrûleur selon l’invention,
La figure 5 est une vue de face d’une deuxième variante debrûleur selon l’invention,
La figure 6 est une vue de face d’une troisième variante debrûleur selon l’invention,
La figure 7 est une vue de face d’une quatrième variante debrûleur selon l’invention,
La figure 8 est une vue de face d’un autre type de four,
La figure 9 est une première variante du détail d’un tube de lafigure 8,
La figure 10 est une deuxième variante du détail d’un tube de lafigure 8,
La figure 11 est une vue en coupe du tube de la figure 10,
La figure 12 est une vue en coupe d’un tube de l’état de latechnique
La figure 13 est une vue de face de l’état de la technique.
Dans toute la description on considérera que le bas est placé en basdes figures et le haut en haut des figures à l’exception de la figure 12.
Le four 1 illustré à la figure 1 comprend un brûleur 2, une arrivée d’airprimaire 3 combustible et une arrivée d’air secondaire 4. L’air primaire 2comprend un combustible solide 5 qui se dépose sur un talus 6. Le brûleur2 émet une flamme 7 de combustion du combustible avec ses particulessolides.
Dans le détail de la figure 3, le brûleur 2 selon l’invention présente àune arrivée d’air primaire 3 centrale et une arrivée d’air secondaire 4 par ledessous. On peut voir que le débit d’air secondaire supérieur 40 est plusfaible que le débit d’air secondaire inférieur 41 et que le débit d’air primairesupérieur 30 est plus faible que le débit d’air primaire inférieur 31. L’air primaire 3 arrive par des orifices 8 et le combustible arrive aucentre par un orifice 9 (cf. figure 4). La différence de débit est obtenue pardes orifices 8 de section circulaire de tailles différentes et placés sur lapériphérie du bruîeur 2. Ainsi comme visible sur les figures 4 à 6, lesorifices supérieurs 80 sont de diamètre inférieur à celui des orificesinférieurs 81.
Le combustible peut être composé d’un combustible principal, commepar exemple un mélange charbon/gaz, et d’un combustible secondaire oualternatif. Dans ce cas le brûleur présente deux zones concentriques 90 et91, une zone 90 placée au centre et destinée à injecter le combustiblealternatif et une zone 91 périphérique autour de la zone centrale 90 pourinjecter le combustible principal. L’arrivée de l’air primaire peuvent avoir une composante radiale etune composante axiale, dans ce cas illustré figures 5 et 6, les orifices 8 sedécomposent en des orifices axiaux 80 et 81 et radiaux 82 et 83. Lesorifices axiaux 80 et 81 sont périphériques tandis que les orifices radiaux82 et 83 sont placés plus au centre soit autour de la zone centrale 90 soitautour de la zone périphérique 91. Les orifices radiaux 82, 83 et axiaux 80, 81 se décomposent dans deux parties : une supérieure avec les orificessupérieurs 80 et 82, une inférieure avec les orifices 81 et 83.
Les orifices radiaux 83 situés dans la partie inférieure sont soit deplus grande taille, soit plus nombreux (cf. figure 7).
Les orifices inférieurs 81 axiaux et 83 radiaux, et tes orificessupérieurs 80 axiaux et 82 radiaux sont décalés angulairement d’un anglea les uns par rapport aux autres dans te sens de rotation du four, à gauchesur tes figures 4 à 6.
Quand des combustibles alternatifs sont injectés via un ou plusieurstubes positionnés au centre du brûleur, ils arrivent dans la partie centraledu brûleur par des orifices non concentriques mais par des orificescirculaires adjacents comme illustré figure 8. L’orifice 92 de l’état de la technique, détaillé aux figures 12 et 13,comprend deux tubes concentriques 920 et 921. Le tube 920 intérieur aune partie 920a en contact avec l’intérieur 921 i du tube 921 extérieur etune partie 920b distante de l’intérieur 921 i dudit tube 921. L’espace entrete tube 920 et la partie 920b du tube intérieur 920 constitue un conduit 93pour l’air primaire de dispersion 50. Ce conduit 93 débouche dans te tube921 extérieur par des conduits 94 orientés avec une composante radialede 0° à 40° (et de préférence 10 à 30°), soit de manière centrifuge, soit enhyperboloïde pour permettre une meilleure dispersion des particulessolides dans la flamme.
Du fait de la gravité, les particules ont tendance à tomber en partiebasse du four, il peut donc être souhaitable d’augmenter te flux d’airprimaire de dispersion 50 en partie basse du tube extérieur 921. Ainsi, onvoit à la figure 9 que des conduits supplémentaires 940 ont été ajoutésdans la partie inférieure du tube intérieur 920. Dans la variante des figures10 et 11, il n’y a plus de conduits en partie haute mais seulement desconduits 941 en partie basse du tube intérieur 920. Les conduits 941présentent une inclinaison verticale β par rapport à l’horizontal afind’accentuer l’orientation de la flamme vers le haut grâce à l’orientation de l’air primaire de dispersion 50. Cette inclinaison verticale β est comprise depréférence entre 0 et +25°.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
  2. 1. Brûleur (2) de four tournant (1) comprenant un circuitd’injection d’air primaire (3, 50) avec un débit d’air primaire, ledit brûleur (2)présentant une partie haute et une partie basse, le débit d’air primaire (2)étant plus important dans la partie basse du brûleur que dans la partiehaute, caractérisé en ce que la différence de débit d’air primaire (3) entrela partie haute et la partie basse est réalisée suivant un axe légèrementincliné d’un angle (a) entre 0° et 45° par rapport à un plan horizontal. 2. Brûleur (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladifférence de débit d’air primaire (3) entre la partie haute du brûleur et lapartie basse est comprise entre 10% et 40%.
  3. 3. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes,caractérisé en ce que les injections d’air primaire (3) comprennent dessections (8) et en ce que la différence de débit d’air primaire (3) entre lapartie haute et la partie basse est obtenue par adaptation des sections (8)d’injection d’air primaire (3).
  4. 4. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes,caractérisé en ce que l’injection d’air primaire (3) est répartie en unecomposante axiale et une composante radiale, et en ce que la différencede débit d’air primaire (3) est appliquée à la composante axiale.
  5. 5. Brûleur (2) selon une des revendications 1 à 3, caractérisé ence que l’injection d’air primaire (3) est répartie en une composante axiale etune composante radiale, et en ce que la variation de débit d’air primaire (3)est appliquée à la composante radiale.
  6. 6. Brûleur (2) selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ceque la différence des débits d'air primaire (3) est appliquée aux deuxcomposantes axiale et radiale.
  7. 7. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes,caractérisé en ce que les sections d’air primaire (3) sont constituéesd’orifices (80, 81, 82, 83), ou de groupe d’orifices et en ce que cettedifférence de débit entre la partie haute et la partie basse est obtenue parune augmentation de la section de ces orifices (81, 83) de la partie basse.
  8. 8. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes,caractérisé en ce que les sections d’air primaire (3) sont constituéesd’orifices (80, 81, 82, 83), ou de groupe d’orifices et en ce que cettedifférence de débit entre la partie haute et la partie basse est obtenue parune augmentation du nombre de ces orifices (81, 83) de la partie basse.
  9. 9. Brûleur (2) selon une des revendications précédentes,caractérisé en ce que des combustibles sont injectés à l’intérieur del’injection d’air primaire (3).
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