FR3053102A1 - METHOD FOR FUEL COMBUSTION IN A CYLINDRICAL COMBUSTION CHAMBER - Google Patents
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Abstract
Procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion cylindrique, comprenant, dans cette chambre de combustion, une projection, à partir d'un brûleur, d'un jet de combustible solide pulvérulent déplacé par un air de transport, et éventuellement d'un flux d'air primaire, et une alimentation en un gaz comburant suivant un sens de propagation de manière à former un courant de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur, à une température occasionnant une combustion du combustible, le jet de combustible solide présentant une composante axiale de projection dans un même sens que ledit sens de propagation du gaz comburant dans la chambre de combustion cylindrique et le rapport entre débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur et débit spécifique de quantité de mouvement du gaz comburant étant égal ou inférieur à 1,0 et supérieur à zéro.A method of fuel combustion in a cylindrical combustion chamber comprising, in said combustion chamber, a projection, from a burner, of a pulverulent solid fuel jet displaced by a transport air, and optionally a primary air flow, and a supply of an oxidizing gas in a direction of propagation so as to form a stream of oxidant gas around the jet of fuel projected by the burner, at a temperature causing a combustion of the fuel, the fuel jet solid having an axial projection component in the same direction as said direction of propagation of the combustion gas in the cylindrical combustion chamber and the ratio between the specific flow rate of the burner momentum and the specific flow rate of the combustion gas being equal to or less than 1.0 and greater than zero.
Description
La présente invention est relative à un procédé de combustion de combustible dans une chambre de combustion cylindrique, comprenant, dans cette chambre de combustion, - une projection, à partir d’un brûleur, d’un jet de combustible solide pulvérulent déplacé par un air de transport, et éventuellement d’un flux d’air primaire, et - une alimentation en un gaz comburant suivant un sens de propagation de manière à former un courant de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur, à une température occasionnant une combustion du combustible.The present invention relates to a method of fuel combustion in a cylindrical combustion chamber, comprising, in this combustion chamber, a projection, from a burner, of a powdery solid fuel jet displaced by an air transport, and possibly a primary air flow, and - a supply of an oxidizing gas in a direction of propagation so as to form a stream of oxidant gas around the jet of fuel projected by the burner, at a temperature causing fuel combustion.
Dans le domaine de la calcination de roches minérales, en particulier de roches calcaires et doîomitiques, on utilise différents types de fours, notamment des fours rotatifs, des fours à cuve, et en particulier des fours droits annulaires.In the field of the calcination of mineral rocks, in particular limestone and doomitic rocks, various types of furnaces are used, in particular rotary kilns, vat furnaces, and in particular straight annular furnaces.
Ces fours droits annulaires mettent en œuvre, pour chauffer la matière, des chambres de combustion supérieures et inférieures. Les chambres de combustion inférieures sont à l’origine conçues pour fonctionner avec du gaz naturel comme combustible et celui-ci brûle quasiment instantanément.These annular straight furnaces implement, for heating the material, upper and lower combustion chambers. The lower combustion chambers are originally designed to work with natural gas as fuel and it burns almost instantaneously.
Or, il devient de plus en plus souhaitable de pouvoir remplacer, dans ces fours actuellement en service, le gaz combustible par un combustible moins coûteux, en particulier un combustible solide pulvérulent du type poudre de charbon, de coke ou de lignite, pépins de raisins, noyaux d’olives, sciure de bois, etc.Now, it becomes more and more desirable to be able to replace, in these furnaces currently in service, the fuel gas with a less expensive fuel, in particular a powdery solid fuel such as coal powder, coke or lignite, grape seeds. , olive stones, sawdust, etc.
Un exemple non conforme à l’invention de brûleur est représenté schématiquement selon une coupe axiale sur la figure 3a et en perspective sur la figure 4a. Le brûleur comprend un conduit de combustible 120 entouré d’un manchon cylindrique 121 comprenant une portion évasée 127 vers l’extrémité du nez du brûleur et comprenant une pluralité de trous 128. Le manchon cylindrique 121 forme avec le conduit 120 un espace annulaire au travers duquel passe un gaz combustible 126. Le manchon 121 et le conduit 120 sont inclus dans une enveloppe externe 122 (représentée sur la figure 3a, non représentée sur la figure 4a) de telle sorte que le nez du conduit 120 dépasse de la portion évasée 127 du manchon 121 et du nez de i’enveloppe externe 122, que la portion évasée 127 du manchon soit en retrait par rapport au nez de l’enveloppe externe 122. De l’air primaire axial 105 peut circuler entre un espace formé par l’enveloppe externe 122 et le manchon 121, ainsi que par la pluralité de trous 128 sur la partie évasée du manchon. L’alimentation des brûleurs dans les chambres de combustion inférieures de fours annulaires de calcination par un tel combustible pulvérulent solide s’est toutefois avérée, lors d’essais expérimentaux effectués par la demanderesse, difficilement appropriée. En effet la combustion est incomplète, ce qui conduit à une combustion des imbrûlés non plus dans la chambre de combustion, mais dans le lit de matière et même dans le cylindre intérieur du four annulaire, par lequel les gaz de fumée chauds sont récupérés. Il en résulte une détérioration de la qualité du produit cuit (perte de réactivité) et de la productivité (arrêts fréquents du four pour le nettoyer). Et on en arrive à devoir continuer à mettre en oeuvre du gaz combustible en combinaison avec du combustible solide pulvérulent pour éviter ces problèmes. La diminution de prix escomptée en est ainsi largement réduite. il faut noter que les chambres de combustion inférieures des fours droits annulaires sont petites et courtes. Elles sont dimensionnées pour du gaz naturel qui brûle instantanément suivant la loi de « aussitôt mélangé, aussitôt brûlé » d’une combustion homogène (combustion gaz-gaz). Dans ces chambres également l'air nécessaire à la combustion arrive prémélangé avec des gaz de fumée remis en circulation, lesquels présentent une concentration réduite en oxygène.An example not according to the invention of burner is shown schematically in axial section in Figure 3a and in perspective in Figure 4a. The burner comprises a fuel duct 120 surrounded by a cylindrical sleeve 121 comprising a flared portion 127 towards the end of the nose of the burner and comprising a plurality of holes 128. The cylindrical sleeve 121 forms with the duct 120 an annular space through which passes a fuel gas 126. The sleeve 121 and the duct 120 are included in an outer casing 122 (shown in Figure 3a, not shown in Figure 4a) so that the nose of the duct 120 protrudes from the flared portion 127 the sleeve 121 and the nose of the outer envelope 122, that the flared portion 127 of the sleeve is recessed relative to the nose of the outer casing 122. Axial primary air 105 can flow between a space formed by the outer shell 122 and the sleeve 121, as well as the plurality of holes 128 on the flared portion of the sleeve. The feeding of the burners in the lower combustion chambers of annular calcination furnaces by such a solid powdery fuel has, however, proved, in experimental tests carried out by the Applicant, that it is hardly appropriate. In fact, the combustion is incomplete, which leads to a combustion of unburnt not in the combustion chamber, but in the bed of material and even in the inner cylinder of the annular furnace, by which the hot flue gas is recovered. This results in a deterioration of the quality of the cooked product (loss of reactivity) and productivity (frequent stops of the oven to clean it). And we have to continue to use fuel gas in combination with solid fuel powder to avoid these problems. The expected price reduction is thus greatly reduced. it should be noted that the lower combustion chambers of the annular straight furnaces are small and short. They are sized for natural gas that instantly burns according to the law of "immediately mixed, immediately burned" with a homogeneous combustion (gas-gas combustion). In these chambers also the air required for combustion comes premixed with flue gas recirculated, which have a reduced concentration of oxygen.
Quand du combustible solide est projeté dans la chambre de combustion, la situation est différente, on est devant une combustion hétérogène (solide-gaz) où la loi de « aussitôt mélangé, aussitôt brûlé » n’est plus d’application. Le temps de combustion est très supérieur et dépend de beaucoup de facteurs, tels que la taille des particules, la réactivité de la surface solide, la disponibilité de l’oxygène près de la surface solide.When solid fuel is projected into the combustion chamber, the situation is different, one is in front of a heterogeneous combustion (solid-gas) where the law of "immediately mixed, immediately burned" is no longer applicable. The burning time is much higher and depends on many factors, such as particle size, reactivity of the solid surface, availability of oxygen near the solid surface.
Simplement remplacer du combustible gazeux par du combustible solide dans des chambres de combustion existantes s’est donc avéré réellement problématique.Simply replacing gaseous fuel with solid fuel in existing combustion chambers has proved to be a real problem.
En vue d’améliorer la combustion du combustible solide, on a déjà prévu des artifices mécaniques qui obligent le combustible solide à se mélanger plus intimement au comburant (voir par exemple BE 1015604 et EP2143998). Cependant de tels systèmes restent compliqués et coûteux à la fabrication et surtout à la maintenance, lis présentent des risques non négligeables de dysfonctionnement, tels que bouchages, usure rapide des pièces mécaniques, etc.In order to improve the combustion of the solid fuel, mechanical devices have already been provided which force the solid fuel to mix more intimately with the oxidant (see for example BE 1015604 and EP2143998). However, such systems are complicated and expensive to manufacture and especially to maintain, they have significant risks of malfunction, such as clogging, rapid wear of mechanical parts, etc.
La présente invention a pour but de porter remède à ces inconvénients et donc de proposer un procédé de combustion applicable dans les chambres de combustion de fours, en particulier de fours existants, qui soit efficace avec une consommation uniquement de combustible solide pulvérulent.The present invention aims to remedy these drawbacks and therefore to provide a combustion process applicable in the furnace combustion chambers, in particular existing furnaces, which is effective with a consumption of only solid powdery fuel.
Pour résoudre ce problème on a prévu un procédé de combustion tel qu’indiqué au début, dans lequel le jet de combustible solide présente une composante axiale de projection dans un même sens que ledit sens de propagation du gaz comburant dans la chambre de combustion cylindrique et dans lequel le rapport entre débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur et débit spécifique de quantité de mouvement du gaz comburant est égal ou inférieur à 1,0 et supérieur à zéro.To solve this problem there is provided a combustion method as indicated at the beginning, wherein the solid fuel jet has an axial projection component in the same direction as said direction of propagation of the oxidant gas in the cylindrical combustion chamber and wherein the ratio of specific burner momentum flow rate to the specific momentum flow rate of the oxidant gas is equal to or less than 1.0 and greater than zero.
Le débit spécifique de quantité de mouvement est la mesure de la force d’un jet (par exemple jet du brûleur ou courant du comburant) divisée par la puissance du brûleur.The specific flow rate of momentum is the measurement of the force of a jet (for example burner jet or oxidant flow) divided by the power of the burner.
Le débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur utilisé est calculé selon l’équation (1) suivante :The specific flow rate of the burner used is calculated according to the following equation (1):
Gax_brûleur = (Qmcs+Qmat) x Vinj / P + Qmap x Vap / P, où Qmcs = débit massique du combustible solide (kg/sec),Gax_burner = (Qmcs + Qmat) x Vinj / P + Qmap x Vp / P, where Qmcs = mass flow rate of the solid fuel (kg / sec),
Qmat = débit massique de l’air de transport (kg/sec),Qmat = mass flow rate of the transport air (kg / sec),
Qmap = débit massique de l’air primaire (kg/sec),Qmap = mass flow rate of the primary air (kg / sec),
Vinj = vitesse d’injection axiale du combustible (m/sec)Vinj = axial fuel injection speed (m / sec)
Vap = vitesse d’injection axiale de l’air primaire, et P = puissance du brûleur (MW).Vap = axial injection velocity of the primary air, and P = burner power (MW).
La vitesse d’injection axiale se calcule selon l’équation (2) suivante : Pour le combustible Vinj = Qvat/Sb, oùThe axial injection speed is calculated according to the following equation (2): For fuel Vinj = Qvat / Sb, where
Qvat = débit volumique réel de l’air de transport (m3/sec), et Sb = section droite du conduit d’injection du combustible dans le brûleur (m2). Pour l’air primaire Vap= Qvap/SapQvat = actual flow rate of the transport air (m3 / sec), and Sb = straight section of the fuel injection duct in the burner (m2). For primary air Vap = Qvap / Sap
Qvap = débit volumique réel de l’air primaire (m3/sec)Qvap = actual volume flow of the primary air (m3 / sec)
Sap = section droite du conduit d’injection de l’air primaire dans le brûleur (m2)Sap = cross section of the primary air injection duct in the burner (m2)
La puissance du brûleur se calcule selon l’équation (3) suivante : P = Qmcs x PCI, où PCI = pouvoir calorifique inférieur du combustible (MJ/kg).The power of the burner is calculated according to the following equation (3): P = Qmcs x PCI, where PCI = lower calorific value of the fuel (MJ / kg).
Le débit spécifique de quantité de mouvement du gaz comburant est calculé selon l’équation (4) suivante :The specific flow rate of the oxidizing gas is calculated according to the following equation (4):
Gax_comburant = Qmgc x Vgc/P, où Qmgc = débit massique du gaz comburant (kg/sec), et Vgc = vitesse axiale du gaz comburant autour du jet de combustible solide (m/sec).Gax_comburant = Qmgc x Vgc / P, where Qmgc = mass flow of the oxidant gas (kg / sec), and Vgc = axial velocity of the oxidant gas around the solid fuel jet (m / sec).
La vitesse axiale du gaz comburant se calcule selon l’équation (5) suivante :The axial velocity of the oxidizing gas is calculated according to the following equation (5):
Vgc = Qvgc/Sch, oùVgc = Qvgc / Sch, where
Qvgc = débit volumique du gaz comburant (m3/sec), et Sch = section droite de la chambre de combustion (m2).Qvgc = volume flow rate of the oxidizing gas (m3 / sec), and Sch = cross section of the combustion chamber (m2).
Le principe de base dans la conception des brûleurs est qu’un brûleur doit avoir un débit de quantité de mouvement (vitesse d’injection x débit massique) important et suffisant pour que le jet central de combustible puisse aspirer le comburant arrivant à sa périphérie, en forçant ainsi le mélange combustible/comburant, ce qui accélère la combustion. L’aérodynamique d'une flamme de conception traditionnelle est donc déterminée par le brûleur lui-même (voir figure 1).The basic principle in the design of the burners is that a burner must have a flow of momentum (injection speed x mass flow) large and sufficient for the central jet of fuel to suck the oxidant arriving at its periphery, thus forcing the fuel / oxidant mixture, which accelerates combustion. The aerodynamics of a flame of traditional design is therefore determined by the burner itself (see Figure 1).
Au contraire, le procédé suivant fa présente invention s'appuie sur une aérodynamique qui est déterminée par le comburant arrivant dans la chambre de combustion. Le comburant force ici ie combustible à pénétrer dans son courant par une adaptation du débit de quantité de mouvement du brûleur à celle du comburant (voir figure 2). Ce n’est donc plus le jet de combustible qui est moteur, c’est ie combustible qui est entraîné par le comburant, il en résulte un temps de séjour augmenté du combustible, avec pour effet la possibilité de mettre en œuvre un combustible uniquement sous une forme solide pulvérulente et d’obtenir une combustion totale de ce combustible dans la chambre de combustion.On the contrary, the method according to the present invention is based on an aerodynamics which is determined by the oxidant arriving in the combustion chamber. The oxidant here forces the fuel to enter its current by an adjustment of the flow rate of the burner to that of the oxidizer (see Figure 2). It is therefore no longer the fuel jet that is driving, it is the fuel that is driven by the oxidant, it results in an increased residence time of the fuel, with the effect of the possibility of implementing a fuel only under a pulverulent solid form and to obtain a total combustion of this fuel in the combustion chamber.
Pour adapter ce débit de quantité de mouvement du brûleur on peut par exemple prévoir d’augmenter la section d'injection du combustible dans le nez du brûleur, ce qui a pour effet immédiat de diminuer la vitesse d’injection du combustible tout en conservant inchangés les débits de combustible et de comburant et la vitesse du comburant et ce qui est sans influence sur le fonctionnement du four lui-même. Il s’agit d’une modification mineure et aisée du nez du brûleur, avec effet immédiat sur le rapport revendiqué entre les débits spécifiques de quantité de mouvement qui est adapté de façon à devenir égal ou inférieur à 1,0. De préférence ce rapport sera compris entre 0,5 et 0,9.To adapt this burner momentum flow rate, it is possible, for example, to increase the fuel injection section in the nose of the burner, which has the immediate effect of reducing the injection speed of the fuel while maintaining unchanged the fuel and oxidant flows and the speed of the oxidizer and which has no influence on the operation of the furnace itself. This is a minor and easy modification of the burner nose, with immediate effect on the ratio claimed between specific flow rates that are adapted to become equal to or less than 1.0. Preferably this ratio will be between 0.5 and 0.9.
Suivant un mode de réalisation du procédé suivant l’invention, la chambre de combustion cylindrique présente une première et une seconde extrémités axiales et le jet de combustible solide pulvérulent est projeté par le brûleur depuis la première extrémité axiale de la chambre de combustion vers la seconde extrémité axiale. Avantageusement le brûleur est agencé dans un ouvreau prévu dans la paroi frontale de la première extrémité de la chambre de combustion. Le jet de combustible solide peut ainsi entrer en contact avec le comburant sur toute la longueur de la chambre de combustion.According to one embodiment of the process according to the invention, the cylindrical combustion chamber has a first and a second axial end and the powdery solid fuel jet is projected by the burner from the first axial end of the combustion chamber to the second axial end. Advantageously, the burner is arranged in a hole provided in the front wall of the first end of the combustion chamber. The solid fuel jet can thus come into contact with the oxidant along the entire length of the combustion chamber.
Suivant l’invention le gaz comburant est principalement un gaz de fumée remis en circulation, par exemple depuis le four de calcination. Ce gaz de fumée peut être enrichi en oxygène, par exemple par un apport d’air.According to the invention, the oxidizing gas is mainly a recirculated flue gas, for example from the calcination furnace. This flue gas can be enriched with oxygen, for example by a supply of air.
Avantageusement, le gaz comburant est alimenté tangentiellement dans la chambre de combustion à ladite première extrémité de celle-ci, de manière à former un courant hélicoïdal de gaz comburant autour du jet de combustible projeté par le brûleur. Cela favorise le mélange combustible-comburant. On peut naturellement aussi prévoir que le gaz comburant soit alimenté dans la chambre de combustion à ladite première extrémité de celle-ci, parallèlement à son axe et autour du jet de combustible projeté par le brûleur. La propagation du gaz comburant doit de toute manière suivre un sens de propagation vers l’extrémité aval de la chambre de combustion.Advantageously, the oxidizing gas is fed tangentially into the combustion chamber at said first end thereof, so as to form a helical stream of oxidizing gas around the jet of fuel projected by the burner. This favors the fuel-oxidant mixture. Of course, it is also possible for the oxidizing gas to be fed into the combustion chamber at said first end thereof, parallel to its axis and around the jet of fuel projected by the burner. The propagation of the oxidizing gas must in any case follow a direction of propagation towards the downstream end of the combustion chamber.
Pour favoriser encore en outre le mélange combustible-comburant on peut prévoir, suivant l’invention, une mise en rotation partielle ou totale du jet de combustible transporté par de l’air de transport. Celle-ci peut par exemple être obtenue en donnant un mouvement de rotation à l’air de transport, à l'aide d’ailettes directrices.To further promote further the fuel-oxidant mixture can be provided, according to the invention, a partial or total rotation of the fuel jet transported by the transport air. This can for example be obtained by giving a rotational movement to the transport air, with the aid of guide vanes.
Le procédé suivant l’invention est prévu pour être de préférence mis en œuvre dans une chambre de combustion inférieure de four droit annulaire de calcination de roche calcaire ou dolomitique.The process according to the invention is intended to be preferably carried out in a lower annular furnace of calcareous or dolomitic rock calcination furnace.
La présente invention concerne également une telle chambre de combustion comprenant, à une première extrémité axiale, un brûleur agencé pour projeter un jet de combustible solide pulvérulent dans cette chambre, et éventuellement un flux d’air primaire axial, et une entrée d’alimentation pour un gaz comburant disposée de manière à former un courant de gaz comburant suivant un sens de propagation autour du jet de combustible projeté par le brûleur, le brûleur étant agencé pour projeter le combustible solide suivant une composante axiale de projection ayant un même sens que le sens de propagation du courant de gaz comburant dans la chambre de combustion cylindrique, de manière à permettre la mise en œuvre du procédé suivant l’invention. Elle concerne aussi un four droit annulaire de calcination de roche calcaire ou dolomitique, comprenant au moins une telle chambre de combustion ainsi qu’un four droit annulaire de calcination de roche calcaire ou dolomitique, mettant en œuvre un procédé suivant l’invention. L’invention va à présent être décrite de manière plus détaillée en se référant aux dessins annexés donnés à titre non limitatif.The present invention also relates to such a combustion chamber comprising, at a first axial end, a burner arranged to project a powdery solid fuel jet into this chamber, and optionally an axial primary air flow, and a feed inlet for an oxidizing gas arranged so as to form a stream of oxidizing gas along a direction of propagation around the jet of fuel projected by the burner, the burner being arranged to project the solid fuel according to an axial projection component having the same direction as the direction propagation of the combustion gas stream in the cylindrical combustion chamber, so as to allow the implementation of the method according to the invention. It also relates to an annular calcic or dolomitic calcination furnace, comprising at least one such combustion chamber and an annular calcined calcareous or dolomitic calcination furnace, implementing a method according to the invention. The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings given without limitation.
La figure 1 représente de manière schématique une projection non conforme à l’invention d’un jet de combustible solide pulvérulent dans un four rotatif conventionnel.Figure 1 schematically shows a projection not according to the invention of a pulverulent solid fuel jet in a conventional rotary kiln.
La figure 2 représente de manière schématique une projection suivant l’invention d’un combustible solide pulvérulent dans une chambre de combustion par exemple de four de calcination droit annulaire.FIG. 2 schematically represents a projection according to the invention of a pulverulent solid fuel in a combustion chamber, for example an annular right annealing furnace.
La figure 3a représente une vue schématique selon une coupe longitudinale d’un brûleur non conforme à l’invention.Figure 3a shows a schematic view in longitudinal section of a burner not according to the invention.
La figure 3b représente une vue en coupe axiale d’un brûleur utilisable pour la mise en oeuvre du procédé suivant l’invention.Figure 3b shows an axial sectional view of a burner used for carrying out the method according to the invention.
La figure 4a représente une vue schématique en perspective d’un brûleur non conforme à l’invention.Figure 4a shows a schematic perspective view of a burner not according to the invention.
La figure 4b représente une vue schématique en perspective d’une forme de réalisation d’un brûleur utilisable pour la mise en œuvre du procédé suivant l’invention.FIG. 4b represents a schematic perspective view of an embodiment of a burner that can be used for carrying out the method according to the invention.
La figure 4c représente une vue schématique en perspective d’une autre forme de réalisation d’un brûleur utilisable pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention.FIG. 4c represents a schematic perspective view of another embodiment of a burner that can be used for carrying out the method according to the invention.
La figure 5 représente une vue en coupe axiale d’un four de calcination droit annulaire pourvu de chambres de combustion inférieures mettant en œuvre le procédé suivant l’invention.FIG. 5 represents an axial sectional view of an annular straight calcining furnace provided with lower combustion chambers embodying the method according to the invention.
Sur les différents dessins les éléments identiques portent les mêmes références.On the different drawings the identical elements bear the same references.
Il est usuel de mettre en œuvre, dans les chambres de combustion de fours rotatifs industriels, des brûleurs qui sont alimentés uniquement en combustible solide pulvérulent. Les conditions prévues pour (e fonctionnement de brûleurs de ce genre, dont la puissance est de 66 MW, dans un four rotatif dont le débit est de 1100t/jour sont résumées dans le tableau 1 ci-dessous.It is customary to use, in the combustion chambers of industrial rotary kilns, burners that are fed solely with pulverulent solid fuel. The conditions provided for the operation of such burners, whose power is 66 MW, in a rotary kiln with a flow rate of 1100 t / day are summarized in Table 1 below.
Tableau 1Table 1
*Le comburant est dans ce cas de l’air.* The oxidizer is in this case air.
Comme on peut le constater le débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur (air de transport + charbon) est très supérieur à celui du comburant.As can be seen, the specific flow rate of the burner (transport air + coal) is much higher than that of the oxidizer.
Sur la figure 1 cette chambre de combustion 1 est illustrée de manière schématique. Le combustible est projeté par le brûleur 2 à une vitesse d’injection 3 très élevée et le cône d’injection 4 formé par le combustible projeté hors du nez du brûleur a une forme très effilée. Grâce à cette vitesse d’injection élevée le comburant 5, alimenté autour du jet de combustible, est aspiré dans celui-ci.In Figure 1 this combustion chamber 1 is schematically illustrated. The fuel is thrown by the burner 2 at a very high injection speed 3 and the injection cone 4 formed by the fuel projected out of the nose of the burner has a very tapered shape. Thanks to this high injection speed the oxidant 5, fed around the fuel jet, is sucked into it.
Ainsi qu’il ressort de la figure 5, un four droit annulaire usuel pour la calcination de roche calcaire ou dolomitique comprend un cylindre extérieur 6 et un cylindre intérieur 7 formant un espace annulaire 8 dans lequel descend la matière à cuire. La matière crue est introduite par le haut du four en 9 et le produit cuit est déchargé par le bas en 10. Le combustible est injecté à deux niveaux, à travers plusieurs chambres de combustion supérieures 11 et inférieures 12 (de 4 à 6 chambres selon la capacité du four). De manière générale, 1/3 du combustible est injecté dans les chambres 11 et 2/3 dans les chambres 12. La totalité des fumées des chambres supérieures 11 et une partie des fumées des chambres inférieures 12 sont tirées vers le haut par un ventilateur de tirage 13, donc à contre-courant du mouvement de la charge de matière. Dans cette zone il se produit une calcination à contre-courant. L’autre partie des gaz de fumées des chambres de combustion inférieures 12 est tirée vers le bas par une dépression créée au niveau des ouïes de reprise 14 prévues dans le cylindre intérieur 7, plus bas que les chambres de combustion 12. C’est la zone de calcination en cocourant, Au niveau des ouïes les fumées de la zone de calcination en co-courant se mélangent avec l’air de refroidissement introduit au bas du four en 15. Ce mélange forme les fumées de recirculation qui, en 16, sont récupérées du cylindre intérieur 7 et ramenées aux chambres de combustion inférieures 12 pour y devenir le gaz comburant. Par un conduit 17, ce gaz comburant 31 arrive à chacune des chambres 12 de manière tangentielle à Taxe de la chambre et donc au jet du brûleur 18 injecté axialement. De ce fait, le gaz comburant 31 acquiert un mouvement rotationnel qui induit une force centrifuge poussant le gaz comburant 31 vers les parois de la chambre de combustion cylindrique.As is apparent from FIG. 5, a conventional annular right furnace for the calcination of calcareous or dolomitic rock comprises an outer cylinder 6 and an inner cylinder 7 forming an annular space 8 into which the material to be fired. The raw material is introduced from the top of the oven at 9 and the cooked product is discharged from below at 10. The fuel is injected at two levels, through several upper and lower combustion chambers 11 (from 4 to 6 chambers according to the capacity of the oven). In general, 1/3 of the fuel is injected into the chambers 11 and 2/3 in the chambers 12. All the fumes of the upper chambers 11 and a portion of the fumes of the lower chambers 12 are pulled upwards by a fan of draw 13, so against the flow of the material charge. In this zone a countercurrent calcination occurs. The other part of the flue gases of the lower combustion chambers 12 is pulled downwards by a depression created at the inlet openings 14 provided in the inner cylinder 7, which is lower than the combustion chambers 12. calcination zone cocurrent, At the level of the gills the fumes of the co-current calcination zone are mixed with the cooling air introduced at the bottom of the oven 15. This mixture forms the recirculation fumes which, in 16, are recovered from the inner cylinder 7 and returned to the lower combustion chambers 12 to become the oxidizing gas. Through a conduit 17, this oxidizing gas 31 arrives at each of the chambers 12 tangentially at room temperature and thus at the jet of the burner 18 injected axially. As a result, the oxidizing gas 31 acquires a rotational movement which induces a centrifugal force pushing the oxidizing gas 31 towards the walls of the cylindrical combustion chamber.
Des essais expérimentaux ont alors été réalisés pour appliquer à chacune des chambres de combustion d’un te! four de calcination annulaire usuel une alimentation du brûleur uniquement en combustible solide pulvérulentExperimental tests were then made to apply to each of the combustion chambers of a te! conventional annular calcination furnace a burner feed only in pulverulent solid fuel
La figure 3b représente une coupe axiale d’une forme de réalisation de brûleur selon l’invention. Le brûleur comprend un manchon 21 comprenant un conduit central 20 par lequel est amené le combustible solide pulvérulent. Le manchon 21 comprend en outre au moins un conduit supplémentaire 23 par lequel du gaz combustible 26 peut être alimenté au moment de l'allumage du four, et uniquement à ce moment-là. Une enveloppe externe 22 enveloppe le manchon 21 et forme avec lui un espace au travers duquel de l’air primaire axial 5 peut être alimenté pour aider à la combustion. L’enveloppe externe 22 comprend une portion 19 dont le diamètre interne se réduit progressivement vers le nez du brûleur, et le manchon comprend une portion 27 dont le diamètre externe augmente progressivement vers le nez du brûleur de sorte à réduire l’espace entre le nez de l’enveloppe externe 22 et le nez du manchon 21. Cette réduction d’espace entre l’enveloppe externe 22 et le manchon permet d’augmenter la vitesse d’injection de l’air primaire axial 5 dans la chambre de combustion sans avoir à fournir un débit élevé d’air primaire axial. Le nez de l’enveloppe externe 22, le nez du manchon 21, le nez du conduit central 20 et le nez dudit au moins un conduit supplémentaire 23 passent par un plan orthogonal à l’axe 30 du brûleur.Figure 3b shows an axial section of a burner embodiment according to the invention. The burner comprises a sleeve 21 comprising a central conduit 20 through which the powdery solid fuel is fed. The sleeve 21 further comprises at least one additional conduit 23 through which fuel gas 26 can be supplied at the time of ignition of the furnace, and only at that time. An outer shell 22 surrounds the sleeve 21 and forms with it a space through which axial primary air 5 can be supplied to aid combustion. The outer casing 22 comprises a portion 19 whose internal diameter is progressively reduced towards the nose of the burner, and the sleeve comprises a portion 27 whose external diameter increases progressively towards the nose of the burner so as to reduce the space between the nose of the outer casing 22 and the nose of the sleeve 21. This reduction in space between the outer casing 22 and the sleeve makes it possible to increase the rate of injection of the primary axial air 5 into the combustion chamber without having to provide a high flow of axial primary air. The nose of the outer casing 22, the nose of the sleeve 21, the nose of the central duct 20 and the nose of said at least one additional duct 23 pass through a plane orthogonal to the axis 30 of the burner.
La figure 4b représente une vue en perspective d'une première forme de réalisation de brûleur suivant i’invention. Le manchon 21 comprend un conduit centra! 20 par lequel est amené le combustible solide pulvérulent. Le manchon 21 comprend en outre un conduit supplémentaire 23 formant un mince espace annulaire, par lequel du gaz combustible 26 peut être alimenté au moment de l’allumage du four, et uniquement à ce moment-là. Une enveloppe externe 22 (non représentée sur la figure 4b) enveloppe le manchon 21 et forme un espace au travers duquel de l’air primaire axial 5 peut être alimenté pour aider à la combustion.Figure 4b shows a perspective view of a first embodiment of the burner according to the invention. The sleeve 21 comprises a central duct! 20 through which is fed the pulverulent solid fuel. The sleeve 21 further comprises an additional conduit 23 forming a thin annular space, through which fuel gas 26 can be supplied at the time of ignition of the oven, and only at that time. An outer shell 22 (not shown in FIG. 4b) surrounds the sleeve 21 and forms a space through which axial primary air can be supplied to aid combustion.
La figure 4c représente une vue en perspective d’une autre forme de réalisation du brûleur suivant l’invention. Le manchon 21 comprend un conduit central 20 par lequel est amené le combustible solide pulvérulent. Le manchon 21 comprend en outre une pluralité de conduits supplémentaires 23 répartis autour du conduit central 20, ces conduits supplémentaires 23 par lequel du gaz combustible 26 peut être alimenté au moment de l’allumage du four, et uniquement à ce moment-là. Une enveloppe externe 22 (non représentée sur la figure 4c) enveloppe le manchon 21 et forme un espace au travers duquel de l’air primaire axial 5 peut être alimenté pour aider à la combustion.FIG. 4c represents a perspective view of another embodiment of the burner according to the invention. The sleeve 21 comprises a central conduit 20 through which the solid powdery fuel is fed. The sleeve 21 further comprises a plurality of additional conduits 23 distributed around the central duct 20, these additional ducts 23 through which fuel gas 26 can be supplied at the time of ignition of the oven, and only at that time. An outer shell 22 (not shown in FIG. 4c) surrounds the sleeve 21 and forms a space through which axial primary air 5 can be supplied to aid combustion.
Selon d’autres formes de réalisations possibles du brûleur, une réduction d’espace entre le manchon 21 et l’enveloppe externe 22 peut être réalisée uniquement en diminuant le diamètre interne de l’enveloppe 22 au niveau du nez du brûleur et en gardant le diamètre externe du manchon 21 constant, ou alternativement en augmentant le diamètre externe du manchon 21 au niveau du nez du bruleur tout en gardant le diamètre interne de l’enveloppe 22 constant. Cette réduction d’espace entre le manchon 21 et l’enveloppe permet de fournir une vitesse d’injection d’air primaire plus élevée à la sortie du brûleur.According to other possible embodiments of the burner, a space reduction between the sleeve 21 and the outer casing 22 can be achieved only by decreasing the internal diameter of the casing 22 at the nose of the burner and keeping the external diameter of the sleeve 21 constant, or alternatively by increasing the outer diameter of the sleeve 21 at the nose of the burner while keeping the internal diameter of the envelope 22 constant. This reduction in space between the sleeve 21 and the envelope makes it possible to provide a higher primary air injection rate at the exit of the burner.
Selon une autre forme de réalisation possible du brûleur, le diamètre interne de l’enveloppe 22, le diamètre externe du manchon 21 et l’espace entre le manchon 21 et l’enveloppe externe restent constant. Dans ce cas, le débit d’air primaire axial ou le volume du manchon 21 ou le volume de l’intérieur de l’enveloppe 22 sont adaptés pour permettre à l’air primaire axial de sortir à une vitesse prédéfinie au nez du brûleur.According to another possible embodiment of the burner, the internal diameter of the casing 22, the outer diameter of the sleeve 21 and the space between the sleeve 21 and the outer casing remain constant. In this case, the axial primary air flow rate or the volume of the sleeve 21 or the volume of the inside of the casing 22 are adapted to allow the axial primary air to exit at a predetermined speed to the nose of the burner.
La figure 5 représente un schéma d’un four annulaire et comprend une représentation d’une forme de réalisation d’une chambre de combustion 12 cylindrique selon l'invention. Dans cette forme de réalisation, la chambre de combustion comprend une entrée formant l’enveloppe 22 du brûleur 18 et l’axe 30 du brûleur est préférablement situé dans l’axe 30’ de la chambre de combustion cylindrique 12. La chambre de combustion 12 comprend en outre une entrée de gaz comburant 31 située tangentiellement par rapport à l’axe 30, 30’ du brûleur et de la chambre de combustion cylindrique, tel que décrit plus haut. Les gaz de combustion sont ensuite évacués de la chambre de combustion par un conduit.Figure 5 shows a schematic of an annular furnace and includes a representation of an embodiment of a cylindrical combustion chamber 12 according to the invention. In this embodiment, the combustion chamber comprises an inlet forming the casing 22 of the burner 18 and the axis 30 of the burner is preferably located in the axis 30 'of the cylindrical combustion chamber 12. The combustion chamber 12 further comprises an oxidizing gas inlet 31 located tangentially to the axis 30, 30 'of the burner and the cylindrical combustion chamber, as described above. The combustion gases are then removed from the combustion chamber by a conduit.
Les conditions prévues pour le fonctionnement d’un brûleur tel que décrit à l’aide de l'exemple de la figure 3b, dont la puissance est de 1,13 MW, dans un four annulaire doté de 4 chambres de combustion inférieures et dont le débit de chaux est de 150t/jour, sont résumées dans le tableau 2 ci-dessous.The conditions provided for the operation of a burner as described with the aid of the example of Figure 3b, whose power is 1.13 MW, in an annular furnace with 4 lower combustion chambers and whose lime flow is 150t / day, are summarized in Table 2 below.
Tableau 2Table 2
*Le comburant est dans ce cas formé des gaz de recirculation.* The oxidant is in this case formed of recirculation gases.
La vitesse d’injection du combustible transporté par de l’air est obtenue par passage dans le conduit 20 qui présente une section de 0,001 m2. La « force » du brûleur, c’est-à-dire son débit spécifique de quantité de mouvement (air primaire axial + air de transport + charbon) est encore légèrement supérieure à celle du comburant, mais elle est insuffisante pour aspirer le comburant dans le combustible. Elle n’est pas à comparer avec celle du four rotatif décrit plus haut. Et on observe donc une combustion insatisfaisante avec un four présentant les inconvénients décrits précédemment.The injection rate of the fuel transported by air is obtained by passing through the conduit 20 which has a section of 0.001 m 2. The "force" of the burner, ie its specific flow rate (axial primary air + transport air + coal) is still slightly higher than that of the oxidant, but it is insufficient to suck the oxidant into the fuel. It is not to be compared with that of the rotary kiln described above. And so we observe an unsatisfactory combustion with an oven with the disadvantages described above.
On a à présent prévu, pour un four de calcination annulaire ayant le même débit de chaux de 150 t/jour et doté de chambres de combustion inférieures identiques avec des brûleurs de même puissance, de diminuer le débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur, au contraire de ce qu’aurait imaginé l’homme de métier sur base de ses connaissances. Les conditions nouvelles appliquées sont celles indiquées dans le tableau 3.It has now been provided, for an annular calcination furnace having the same lime flow rate of 150 t / day and with identical lower combustion chambers with burners of the same power, to reduce the specific flow rate of the burner momentum, contrary to what the skilled person would have imagined on the basis of his knowledge. The new conditions applied are those shown in Table 3.
Tableau 3Table 3
*Le comburant est dans ce cas formé des gaz de recirculation.* The oxidant is in this case formed of recirculation gases.
Comme on peut le constater, seule la vitesse d’injection du combustible solide pulvérulent déplacé par l'air de transport a été modifiée, à presque la moitié de sa valeur. Une telle modification a pu être obtenue par une adaptation de la section du conduit 20, à une valeur de 0,002 m2. Cette modification mineure a induit l’obtention d’un rapport entre débit spécifique de quantité de mouvement du brûleur et débit spécifique de quantité de mouvement du comburant nettement inférieur à 1. D'une manière surprenante, on a alors constaté que cette simple modification donnait lieu à une flamme, initiée très vite, aussi rapidement qu’avec du gaz naturel, et surtout que, à présent, c'était le combustible qui était aspiré dans le courant hélicoïdal du gaz comburant.As can be seen, only the injection speed of the pulverulent solid fuel displaced by the transport air has been changed to almost half of its value. Such a modification could be obtained by adapting the section of the duct 20 to a value of 0.002 m2. This minor modification induced a ratio between the specific flow rate of the burner momentum and the specific flow rate of the oxidant significantly less than 1. Surprisingly, it was found that this simple modification gave It is a flame, initiated very quickly, as quickly as with natural gas, and especially now that it was the fuel that was sucked into the helical stream of the oxidizing gas.
Ce phénomène est représenté de manière schématique sur la figure 2. Etant donné sa vitesse d’injection 3 faible, le combustible projeté par le brûleur 2 forme un cône de projection 4 plus ouvert et il est en outre aspiré dans le courant de gaz comburant qui devient le moteur.This phenomenon is shown diagrammatically in FIG. 2. Given its low injection speed 3, the fuel projected by the burner 2 forms a more open projection cone 4 and is further drawn into the stream of oxidizing gas which becomes the engine.
Une expérience identique a été réalisée sur un brûleur, dont la puissance est de 1,81 MW, dans un four droit annulaire doté de 5 chambres de combustion et dont !e débit est de 300t/jour, Les conditions de fonctionnement avec un brûleur dont îa section du conduit d’alimentation de combustible est de 0,001 m2 sont données dans le tableau 4.An identical experiment was carried out on a burner, whose power is 1.81 MW, in an annular right furnace with 5 combustion chambers and whose flow rate is 300 t / day, the operating conditions with a burner of which the section of the fuel supply duct is 0.001 m 2 are given in Table 4.
Tableau 4Table 4
*Le comburant est dans ce cas formé des gaz de recirculation.* The oxidant is in this case formed of recirculation gases.
Ce résultat s’est avéré insatisfaisant pour obtenir un mélange satisfaisant combustible-comburant dans la chambre de combustion et donc une combustion totale du combustible solide pulvérulent dans celle-ci.This result proved unsatisfactory to obtain a satisfactory fuel-oxidant mixture in the combustion chamber and therefore a total combustion of the powdery solid fuel therein.
En modifiant la vitesse d’injection du combustible, par un agrandissement de la section du conduit d’injection à 0,002 m2, on obtient les conditions données dans le tableau 5 ci-dessous :By modifying the injection speed of the fuel, by enlarging the section of the injection duct to 0.002 m 2, the conditions given in Table 5 below are obtained:
Tableau 5Table 5
*Le comburant est dans ce cas formé des gaz de recirculation.* The oxidant is in this case formed of recirculation gases.
Cet agencement permet un temps de séjour des particules augmenté drastiquement dans la chambre de combustion et donc l’oxygène est mieux disponible et la combustion est complète à l’intérieur de la chambre de combustion.This arrangement allows a residence time of the particles increased drastically in the combustion chamber and thus the oxygen is better available and the combustion is complete inside the combustion chamber.
Il doit être entendu que la présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation indiqués ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.It should be understood that the present invention is in no way limited to the embodiments set out above and that many modifications can be made without departing from the scope of the appended claims.
On peut par exemple ajouter un mouvement propre au brûleur, sort en ajoutant des ailettes de rotation dans le circuit du combustible solide pulvérulent, soit en ajoutant des ailettes de rotation au circuit d’air de transport ou au circuit d’air primaire axial, ou encore une combinaison de ces mesures. On peut aussi ajouter en périphérie du brûleur un circuit d’air supplémentaire amené en rotation pour aider à l’ouverture du cône de projection du combustible dans la chambre.One can for example add a clean movement to the burner, fate by adding rotating vanes in the solid fuel powder circuit, or by adding rotating vanes to the transport air circuit or the axial primary air circuit, or still a combination of these measures. It is also possible to add, at the periphery of the burner, an additional air circuit rotated to assist in opening the cone for throwing the fuel into the chamber.
On peut aussi injecter le combustible directement dans le courant de gaz comburant, par exemple au point d’arrivée de celui-ci dans la chambre de combustion, mais avant sa mise en rotation.It is also possible to inject the fuel directly into the stream of oxidizing gas, for example at the point of arrival thereof in the combustion chamber, but before it is put into rotation.
Il est aussi tout à fait envisageable de ne pas alimenter d’air primaire dans le brûleur, ce qui peut modifier les valeurs du rapport revendiqué par rapport à celles obtenues avec un brûleur dans lequel de l’air primaire est fourni.It is also quite possible not to supply primary air in the burner, which can modify the values of the claimed ratio compared to those obtained with a burner in which primary air is supplied.
Dans un brûleur sans air primaire, lorsqu’on met en oeuvre un jet de combustible à une vitesse d’injection Vinj égale à 15 m/sec, le rapport revendiqué peut même devenir égal à 0,25. A une vitesse d’injection Vinj de 45 m/sec, il sera alors de 0,74.In a burner without primary air, when a fuel jet is used at an injection speed Vinj equal to 15 m / sec, the claimed ratio can even be equal to 0.25. At a Vinj injection speed of 45 m / sec, it will then be 0.74.
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