WO2007045807A1 - Bruleur pour four a clinker - Google Patents

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WO2007045807A1
WO2007045807A1 PCT/FR2006/051079 FR2006051079W WO2007045807A1 WO 2007045807 A1 WO2007045807 A1 WO 2007045807A1 FR 2006051079 W FR2006051079 W FR 2006051079W WO 2007045807 A1 WO2007045807 A1 WO 2007045807A1
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WO
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duct
burner
annular
injection
tubo
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PCT/FR2006/051079
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Alexandre Magno Duarte Jorge
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Lafarge
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F23C6/045—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • F23C6/047—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure with fuel supply in stages
    • 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
    • F23D14/24—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 at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
    • F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06043—Burner staging, i.e. radially stratified flame core burners

Definitions

  • the present invention relates to a burner for a clinker furnace for simultaneous combustion of a liquid fuel and a gaseous fuel or the combustion of one or the other of these fuels separately.
  • Clinker kilns are used in the cement industry to convert high-temperature base materials such as limestone, marl, sand and iron ore into clinker.
  • These furnaces comprise a burner that can use a single gaseous or liquid fuel or simultaneously a gaseous fuel and a liquid fuel.
  • the liquid fuel may be heavy or domestic fuel oil or alternatively an alternative fuel (especially spent oil or fuel oil), the most commonly used fuel oil; and the gaseous fuel commonly used is natural gas.
  • Known burners such as the Kobe burner or the Rotaflam® burner of Pillard, which is shown in FIGS. 1 and 2, comprise a central longitudinal liquid fuel injection channel, two longitudinal gaseous fuel injection ducts and two ducts. longitudinal air injection. One of the gas injection ducts provides a low pressure gas stream and the other a high pressure gas stream.
  • One of the air injection ducts provides an axial air flow, that is to say parallel to the central longitudinal axis of the burner and the other a radial (or rotational) air flow.
  • These conduits surround the central longitudinal channel of liquid fuel injection.
  • the shape of the conduits and their arrangement in the injection head of the burner vary from one burner to another.
  • the burner of the patent FR2251239 is known which tends to solve these problems.
  • This burner comprises a set of coaxial annular conduits surrounding a liquid fuel injection rod centered with respect to the central longitudinal axis of the burner. These ducts are supplied with gaseous fuel or with air. They all open on the outside at one end of the burner.
  • the swirl index should preferably remain very low (0.01 to 0.03).
  • This index corresponds to the ratio between the tangential component of the radial flux and the sum of the axial components of the axial and radial flows.
  • These burners also generate a low power flame, corresponding to a specific impulse (Is) weak (generally less than 10 N.h / Gcal).
  • the specific impulse represents the ratio between the sum of the quantities of movement produced by all the axial components (flow of high pressure gas and air) making it possible to obtain a flame of a certain length and the thermal power injected into the furnace.
  • the process of transforming basic materials into clinker is not optimized.
  • the clinker yield and its quality can be improved.
  • the furnace walls near the combustion zone are subjected to high temperatures which can damage the furnace.
  • the object of the present invention is therefore to provide a burner for clinker furnace for obtaining a regular flame glued to the end of the burner, narrow, non divergent and powerful.
  • the invention relates to a burner for a clinker furnace for the combustion of a liquid and / or gaseous fuel, comprising: a burner body having a central longitudinal axis and a first end forming an injection head having a outer face orthogonal to the central longitudinal axis and a second end longitudinally opposite to the first,
  • a central longitudinal injection channel made of liquid fuel centered with respect to the central longitudinal axis, a first longitudinal duct for injecting low pressure gaseous fuel,
  • a second longitudinal duct for injecting air with an axial flow.
  • the channel and these conduits all open into the outer face of the injection head and are all connected near the second end to appropriate sources of fuel or air. According to the invention, in the injection head:
  • the first low-pressure gaseous fuel injection duct is a tubo-annular duct arranged coaxially around the central liquid fuel injection duct,
  • the first radial flow air injection duct is an annular duct provided with guide vanes disposed coaxially around the first low pressure gaseous fuel injection duct,
  • the second high pressure gaseous fuel injection conduit is a tubo-annular conduit disposed coaxially around the first radial-flow air injection duct
  • the second axial-flow air injection duct is a Tubo-annular conduit disposed coaxially around the second high pressure gaseous fuel injection conduit.
  • the present invention also relates to the features which will emerge during the following description, which should be considered in isolation or in all their technically possible combinations:
  • each guide fin has a central longitudinal axis oriented at an angle ⁇ between 5 ° and 30 ° with respect to the central longitudinal axis
  • the angle ⁇ is 15 °, - the tubo-annular injection ducts end in the injection head by tubo-annular orifices of circular cross section on the outer face,
  • annular injection duct ends in the injection head by orifices of trapezoidal cross section on the outer face.
  • the tubo-annular orifices of the tubular annular conduits extend from the outer face towards the second end over a length L greater than or equal to their diameter
  • the ducts are connected to valves and valves to adjust the pressure and flow of fuel and air,
  • the number of orifices and their surface on the external face of the burner are determined as a function of the power of the burner
  • the first tubo-annular low-pressure gas fuel injection duct comprises 9 tubular-annular orifices
  • the first radial-flow air injection duct comprises 24 guide vanes
  • the second tubo-annular high-pressure gas fuel injection duct comprises 10 tubo-annular orifices
  • the second tubo-annular axial flow air injection duct comprises 25 tubo-annular orifices
  • tubo-annular low-pressure gas fuel orifices each comprise a diameter of 23 mm
  • the guide vanes each comprise a thickness of 9 mm and a length of 14.9 mm; the tubo-annular high-pressure gaseous fuel orifices each comprise a diameter of 13.6 mm,
  • tubo-annular axial flow air injection orifices each comprise a diameter of 21.5 mm.
  • FIG. 1 represents an example of a known burner: the Rotaflam® burners burner;
  • FIG. 2 represents the top view of the Rotaflam® burner of the gunner
  • FIG. 3 represents an example of a burner according to the invention
  • - Figure 4 shows the end of the burner according to the invention with the injection head
  • FIG. 5 shows the top view of the burner according to the invention
  • - Figure 6 shows the longitudinal duct air injection radial flow and fins
  • FIG. 1 shows an example of a burner known as the Rotaflam® burner from Pillard.
  • This burner comprises a burner body 1 having a central longitudinal axis 2 and a first end 26 forming an injection head 3.
  • the injection head 3 has an outer face 4 orthogonal to the central longitudinal axis 2.
  • Burner body 1 also includes a second end 5 longitudinally opposite the first.
  • the burner comprises a central longitudinal injection channel made of liquid fuel 6 of cylindrical shape, centered with respect to the central longitudinal axis 2.
  • One end of this liquid fuel injection channel 6 opens into the outer face 4 of the injection head 3 by a liquid fuel port 12.
  • the other end is connected to a source of liquid fuel.
  • a first longitudinal axial flow air injection duct 27 surrounds the central longitudinal liquid fuel injection channel 6. This first axial flow axial air injection longitudinal duct 27 terminates in the injection head. burner 3 by two sets of concentric injection orifices 16a, 16b, the injection orifices of each of the assemblies 16a, 16b being distributed regularly along a circumference centered on the central longitudinal axis 2 of the burner.
  • tubo-annular orifices In the following description of such injection ports, whether their cross section is circular or not, distributed circularly around the central longitudinal axis 2 of the burner, will be designated “tubo-annular orifices”.
  • Trobo-annular conduits will also denote conduits ending in the injection head 3 by “tubo-annular orifices”.
  • the injection ports of the two concentric assemblies 16a, 16b open on the outer face 4 of the burner and are of circular cross section.
  • the longitudinal axial flow air injection duct 27 is connected to an air source via a flange orifice 24. This connection is close to the second end 5 of the burner.
  • a first longitudinal low-pressure gaseous fuel injection duct 28 surrounds the first longitudinal axial-flow air injection duct 27. This first tubular-annular duct 28 terminates in the injection head 3 via fuel orifices. tubo-annular low-pressure gas 13 of rectangular cross section on the outer face 4 of the injection head 3.
  • the first longitudinal low pressure gaseous fuel injection pipe 28 is connected to a source of gaseous fuel near the second end 5 of the burner.
  • a second longitudinal radial flow air injection duct 29 surrounds the first longitudinal low pressure gaseous fuel injection duct 28. This second duct 29 terminates in the injection head 3 via an injection port of FIG. annular air surrounding the tubo-annular low-pressure fuel gas ports 13 and provided with guide vanes 11 (not shown in Figures 1 and 2).
  • a multitude of radial flow air injection orifices 14 of rectangular cross section is obtained on the outer face 4 of the injection head 3.
  • the second longitudinal radial air injection duct 29 is connected to an air source via a flange orifice 25, near the second end 5 of the burner.
  • a second longitudinal high pressure gaseous fuel injection duct 30 surrounds the second longitudinal radial flow air injection duct
  • This second tubular-annular duct 30 terminates in the injection head 3 by tubo-annular high-pressure gaseous fuel orifices 15 of circular cross section on the outer face 4 of the injection head 3.
  • the longitudinal high pressure gaseous fuel injection duct 30 is connected to a source of gaseous fuel near the second end 5 of the burner.
  • FIGS. 1-10 an embodiment of which is shown in FIGS.
  • the burner comprises a burner body 1 having a central longitudinal axis 2 and a first end 26 forming an injection head 3.
  • the injection head 3 has an outer face 4 orthogonal to the axis 2.
  • the burner body 1 also comprises a second end 5 longitudinally opposite to the first.
  • the burner comprises a central longitudinal injection channel made of liquid fuel 6 of cylindrical shape, centered with respect to the central longitudinal axis 2. One end of this channel opens into the outer face 4 of the injection head 3 by a liquid fuel port 12.
  • the other end is connected to a source of liquid fuel.
  • a first longitudinal low pressure gaseous fuel injection duct 7 coaxially surrounds the central longitudinal injection channel with liquid fuel 6. This first tubular annular duct 7 terminates in the injection head 3 via low gaseous fuel orifices. tubo-annular pressure 18 of circular cross section on the outer face 4 of the injection head 3.
  • the first longitudinal low pressure gaseous fuel injection pipe 7 is connected to a source of gaseous fuel near the second end 5 of the burner.
  • the liquid fuel which is commonly oil, as previously said, serves to ignite the burner. This makes it possible to dispense with preheating and to obtain a cold stable flame. It is possible to inter-ignite one fuel with another.
  • the ignition fuel can be replaced by an alternative fuel with a steam or compressed atomization system.
  • the central liquid fuel injection channel 6 is fed by the liquid fuel source via a nebulization / atomization device (by high pressure or by an auxiliary fluid such as compressed air or steam).
  • the first tubo-annular low-pressure gaseous fuel injection longitudinal duct 7 makes it possible to obtain a flame that is well attached to the outer face 4 of the injection head 3.
  • the gaseous fuel which is the main fuel of the burner may be natural gas, as previously said. It is clean and easy to control. It is mainly composed of methane. The sulfur content is advantageously low.
  • a first longitudinal radial flow air injection duct 8 coaxially surrounds the first tubo-annular low-pressure gaseous fuel injection longitudinal duct 7. This first duct 8 terminates in the injection head 3 via an orifice annular air injection surrounding tubo-annular low-pressure gaseous fuel ports 18 and provided with guide vanes 11.
  • the guide vanes 11, as shown in FIG. 6, are evenly distributed around the first low-pressure gaseous fuel injection duct 7.
  • a multitude of air injection orifices 19 of trapezoidal cross-section are obtained on the outer face 4 of the injection head 3.
  • Each guide fin 11 has a central longitudinal axis 22 oriented at an angle ⁇ between 5 ° and 30 °, advantageously at an angle of 15 °, with respect to the central longitudinal axis 2.
  • the burners of the art prior art usually have an angle ⁇ of about 35 ° to 45 °.
  • the first longitudinal radial flow air duct 8 is connected to an air source through a flange orifice 25, near the second end 5 of the burner.
  • the tubo-annular radial flow air injection duct 8 generates a rotating air flow that mixes with the fuels by swirling, improving ignition and combustion.
  • the orientation of the guide vanes 11 directly influences the diameter of the flame.
  • a low angle ⁇ is chosen to avoid excessive divergence of the flame, which would lead to deterioration of the refractory lining 23 of the furnace.
  • a second longitudinal duct for injecting high pressure gaseous fuel 9 coaxially surrounds the first longitudinal radial flow air injection duct 8. This second tubular annular duct 9 terminates in the injection head 3 tubular high-pressure gas fuel 20 of circular cross section on the outer face 4 of the injection head 3.
  • the longitudinal duct for high pressure gaseous fuel injection 9 is connected to a source of gaseous fuel near the second end 5 of the burner.
  • the flow of high pressure gas contributes to the increase of the specific pulse of the flame, which results in a narrower, nondifferent and more powerful flame.
  • a second longitudinal axial flow air injection duct 10 coaxially surrounds the second longitudinal high-pressure gaseous fuel injection duct 9. This second tubular-annular duct 10 terminates with flow-air injection orifices. tubo-annular axial axis 21 of circular cross section on the outer face 4 of the injection head 3.
  • the longitudinal axial flow air injection duct 10 is connected to an air source via a flange orifice 24. This connection is close to the second end 5 of the burner.
  • the axial airflow also contributes to the increase of the specific pulse of the flame.
  • the sequence of axial air / high pressure gas / radial air / low pressure gas makes it possible to better control the flame.
  • Axial air and high pressure gas flows increase the impulse (strong and narrow flame).
  • the radial air flow makes it possible to accelerate the combustion and the flow of low pressure gas makes it possible to stick the flame to the end 4 of the burner.
  • tubo-annular orifices 18, 20 and 21 of tubo-annular conduits 7, 9 and 10 extend, in the injection head 3, from the outer face 4 towards the second end 5 over a length L greater than or equal to their diameter. This makes it possible to avoid a divergence of the air and gaseous fuel flows.
  • the conduits 7, 8, 9 and 10 can be connected to valves and valves that adjust the pressure and flow of fuel and air.
  • valves and valves avoids having moving parts between the ducts.
  • the ducts 7, 8, 9, 10 and the central channel 6 are held together by fastening means 27.
  • the burner comprises means for measuring the temperature and pressure (static and dynamic) for adjusting and to control the flame. These means make it possible to calculate directly and in real time the specific impulse and the index of swirling of the flame.
  • the burner is equipped with a temperature sensor and a dynamic pressure sensor to control the flow of air and a temperature sensor for the gas flow. These sensors control the flows before their arrival in the burner body 1.
  • the burner is also equipped with four static pressure sensors (one for each air and gas duct), arranged in the burner body 1.
  • These sensors are connected to a central unit.
  • the flow control valves can be motorized.
  • thermocouple may be installed between the second longitudinal axial flow air injection duct 10 and the refractory liner 23 to control the temperature of the latter and prevent its deterioration.
  • the furnace may include a gas analyzer to control combustion by measuring O 2 , CO, NOx and SO 2 levels .
  • the number of orifices 18, 19, 20, 21 and their surface on the outer face 4 are determined as a function of the power of the burner. An embodiment of the invention is presented below.
  • the central longitudinal injection channel of liquid fuel 6 has a diameter of 76.1 mm.
  • the first tubo-annular low-pressure gas fuel injection duct 7 has a diameter of 168.3 mm. It comprises 9 tubular annular low-pressure gas fuel ports 18 each having a diameter of 23 mm.
  • the first radial flow air injection duct 8 has a diameter of 198.1 mm.
  • It comprises 24 guide vanes 11 each having a thickness of 9 mm and a length of 14.9 mm.
  • the central longitudinal axis 22 of each fin is oriented at an angle ⁇ of 15 ° with respect to the central longitudinal axis 2 of the burner body 1.
  • the second tubo-annular high-pressure gaseous fuel injection pipe 9 has a diameter of 323.9 mm. It comprises 10 tubular annular high pressure gas fuel ports 20 each having a diameter of 13.6 mm.
  • the second tubo-annular axial flow air injection duct 10 has a diameter of 406 mm.
  • tubo-annular axial flow air injection orifices 21 each having a diameter of 21.5 mm.
  • the gas flow velocity can reach 339 to 247 m / s in the first tubo-annular low-pressure gaseous fuel injection pipe 7.
  • the speed of the air flow can vary from 74 to 144 m / s in the first radial flow air injection duct 8.
  • the speed of the gas flow can vary from 412 to 339 m / s in the second tubo-annular high-pressure gaseous fuel injection pipe 9.
  • the speed of the air flow can vary from 84 to 163 m / s in the second tubo-annular axial flow air injection duct 10.
  • the air flow arrives at the inlet of the two air injection ducts 8, 10 with a flow rate of 9600 m 3 / h before being divided into two flows.
  • Table 1 describes the characteristics of each conduit according to this other embodiment:
  • the first tubo-annular low-pressure gas fuel injection pipe 7 has a diameter of 203.1 mm.
  • tubo-annular low-pressure gaseous fuel ports 18 each having a diameter of 25.5 mm.
  • the first radial flow air injection duct 8 has a diameter of 253 mm.
  • each fin has a thickness of 9.8 mm and a length of 16.5 mm.
  • the central longitudinal axis 22 of each fin is oriented at an angle ⁇ of 15 ° with respect to the central longitudinal axis 2 of the burner body 1.
  • the second tubo-annular high-pressure gaseous fuel injection pipe 9 has a diameter of 330.6 mm.
  • It comprises 16 tubular annular high pressure gas fuel ports 20 each having a diameter of 12.4 mm.
  • the second tubo-annular axial flow air injection duct 10 has a diameter of 437.2 mm.
  • tubo-annular axial flow air injection orifices 21 each having a diameter of 22 mm.
  • the following values are given for a gaseous fuel consisting of 100% natural gas.
  • the speed of the gas flow reaches approximately 350 m / s.
  • the speed of the air flow is about 100 m / s.
  • the speed of the gas flow is approximately 410 m / s.
  • the speed of the air flow is about 170 m / s.
  • the nozzle may comprise one or more flame detectors, which may be positioned at the flame at the outlet of the nozzle and / or upstream of the furnace.
  • the burner according to the invention has a number of advantages. With simultaneous combustion of liquid and gaseous fuels, the burner flame can reach a specific impulse Is high (12 to 13 Nh / Gcal). It is also possible to obtain a swirling index SW of low flux (from 0.01 to 0.03) thanks to the guide vanes 11 slightly inclined with respect to the central longitudinal axis 2. The capacity of the burner is 60 Gcal / h .
  • the variation of the flow of the two gas flows does not disturb the shape of the flame because the fluxes are both axial flows.
  • the specific impulse Is varies between 10 and 15 Nh / Gcal and the swirling index SW from 0.01 to 0.024 for an air content varying from 5 to 10%.
  • the gas flow is 6300 Nm 3 / h.
  • the specific pulse Is is around 5.5 Nh / Gcal and the swirl index SW around 0.07 for an air content of 9%.
  • the swirl index SW is the ratio of the tangential component produced by the rotating air to the sum of the axial components
  • Ix various air and primary gas circuits (axial, radial, conveying, central).
  • Ig tangential pulse
  • Ig lx.tg
  • Ix is the axial impulse of the rotational circuit; a is the angle of the fins;
  • Qm is the total air mass flow rate of the injected air
  • p m is the average specific density of the air
  • Ix is the total axial impulse
  • the air and gas flows can be controlled with precision and reliability thanks to the orifices regularly distributed on the outer face 4 of the head of the burner 3.
  • the burner flame can then be adjusted accurately and reliably.
  • the holes are wide and therefore difficult to obstruct or deform.
  • the temperature of the oven walls is more stable. In the areas close to the combustion zones, it varies from 300 to 350 ° C. The walls of the oven become less dirty, which improves its cooling.
  • the clinker processing process is optimized, resulting in a better quality clinker (more stable and uniform composition) with less variation in SO 3 and lime levels and a higher C 3 S ratio ( 2 to 4% more).
  • LSF Lith Generation Factor
  • Table 2 showing a comparison of the contents of SO 2 and NOx produced by a burner of the prior art (Kobe burner) and by a burner according to the invention:
  • the SO 2 content was between 300 and 400 ppm. With the burner according to the invention, it is between 280 and 360 ppm.
  • the NOx content has not changed. It was between 1200 and

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Abstract

L'invention concerne un brûleur pour four à clinker pour la combustion d'un combustible liquide et/ou gazeux comprenant un corps de brûleur (1), un canal longitudinal central d'injection en combustible liquide (6), un premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression (7), un premier conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial (8), un second conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux haute pression (9) et un second conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial (10). Selon l'invention, dans la tête d'injection (3), le premier conduit d'injection de combustible gazeux (7) est un conduit disposé autour du canal central (6), le premier conduit d'injection d'air (8) est un conduit disposé autour du premier conduit d'injection de combustible gazeux (7), le second conduit d'injection de combustible gazeux (9) est un conduit disposé autour du premier conduit d'injection d'air (8), et le second conduit d'injection d'air (10) est un conduit disposé autour du second conduit d'injection de combustible gazeux (9).

Description

BRULEUR POUR FOUR A CLINKER
La présente invention concerne un brûleur pour four à clinker permettant la combustion simultanée d'un combustible liquide et d'un combustible gazeux ou la combustion de l'un ou l'autre de ces combustibles séparément.
Les fours à clinker sont utilisés dans l'industrie du ciment pour transformer à haute température des matériaux de base comme le calcaire, la marne, le sable et le minerai de fer, en clinker. Ces fours comprennent un brûleur pouvant utiliser un seul combustible gazeux ou liquide ou simultanément un combustible gazeux et un combustible liquide.
Le combustible liquide peut être du fioul lourd ou domestique ou encore un combustible alternatif (notamment huile ou fioul usés), le plus communément utilisé étant le fioul ; et le combustible gazeux communément utilisé est le gaz naturel. Des brûleurs connus, comme, le brûleur Kobe ou le brûleur Rotaflam® de Pillard qui est représenté sur les figures 1 et 2, comprennent un canal longitudinal central d'injection en combustible liquide, deux conduits longitudinaux d'injection de combustible gazeux et deux conduits longitudinaux d'injection d'air. Un des conduits d'injection de gaz fournit un flux de gaz à basse pression et l'autre un flux de gaz haute pression.
Un des conduits d'injection d'air fournit un flux d'air axial, c'est-à-dire parallèle à l'axe longitudinal central du brûleur et l'autre un flux d'air radial (ou rotationnel). Ces conduits entourent le canal longitudinal central d'injection en combustible liquide. La forme des conduits et leur disposition dans la tête d'injection du brûleur varient d'un brûleur à l'autre.
Les principaux problèmes rencontrés avec ces brûleurs utilisant simultanément des combustibles liquides et gazeux résident dans la difficulté à obtenir une flamme homogène, stable et bien accrochée à la tête d'injection du brûleur.
Il est aussi difficile de faire varier la proportion entre les deux combustibles sans modifier les caractéristiques de la flamme. On connaît le brûleur du brevet FR2251239 qui tend à résoudre ces problèmes. Ce brûleur comprend un ensemble de conduits annulaires coaxiaux entourant une canne d'injection de combustible liquide centrée par rapport à l'axe longitudinal central du brûleur. Ces conduits sont alimentés en combustible gazeux ou en air. Ils débouchent tous sur l'extérieur à l'une des extrémités du brûleur.
Néanmoins, ces anneaux sont facilement déformables, ce qui entraîne des problèmes d'homogénéité et de stabilité de la flamme.
La plupart des brûleurs utilisés génèrent une flamme dispersée, correspondant à un indice de tourbillonnement élevé (généralement supérieur à 0,1 ). Or, quand on brûle du gaz, l'indice de tourbillonnement doit de préférence rester très bas (0,01 à 0,03). Cet indice correspond au rapport entre la composante tangentielle du flux radial et la somme des composantes axiales des flux axiaux et radiaux. Ces brûleurs génèrent également une flamme de faible puissance, correspondant à une impulsion spécifique (Is) faible (généralement inférieure à 10 N.h/Gcal). L'impulsion spécifique représente le rapport entre la somme des quantités de mouvement produites par toutes les composantes axiales (flux de gaz haute pression et air) permettant d'obtenir une flamme d'une certaine longueur et la puissance thermique injectée au four.
Le processus de transformation des matériaux de base en clinker n'est pas optimisé. Le rendement en clinker et sa qualité peuvent être améliorés. De plus, les parois du four proches de la zone de combustion subissent des températures élevées pouvant endommager le four. L'objectif de la présente invention est donc de proposer un brûleur pour four à clinker permettant d'obtenir une flamme régulière, collée à l'extrémité du brûleur, étroite, non divergente et puissante.
A cet effet, l'invention concerne un brûleur pour four à clinker pour la combustion d'un combustible liquide et/ou gazeux comprenant : - un corps de brûleur ayant un axe longitudinal central et une première extrémité formant une tête d'injection ayant une face extérieure orthogonale par rapport à l'axe longitudinal central et une seconde extrémité longitudinalement opposée à la première,
- un canal longitudinal central d'injection en combustible liquide centré par rapport à l'axe longitudinal central, - un premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression,
- un premier conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial,
- un second conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux haute pression,
- un second conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial.
Le canal et ces conduits débouchent tous dans la face extérieure de la tête d'injection et sont tous reliés à proximité de la seconde extrémité à des sources appropriées de combustible ou d'air. Selon l'invention, dans la tête d'injection :
- le premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression est un conduit tubo-annulaire disposé coaxialement autour du canal central d'injection en combustible liquide,
- le premier conduit d'injection d'air à flux radial est un conduit annulaire muni d'ailettes de guidage disposé coaxialement autour du premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression,
- le second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression est un conduit tubo-annulaire disposé coaxialement autour du premier conduit d'injection d'air à flux radial, et - le second conduit d'injection d'air à flux axial est un conduit tubo- annulaire disposé coaxialement autour du second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression.
Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles :
- chaque ailette de guidage présente un axe longitudinal central orienté d'un angle θ compris entre 5° et 30° par rapport à l'axe longitudinal central,
- l'angle θ est de 15°, - les conduits d'injection tubo-annulaires se terminent dans la tête d'injection par des orifices tubo-annulaires de section droite circulaire sur la face extérieure,
- le conduit d'injection annulaire se termine dans la tête d'injection par des orifices de section droite trapézoïdale sur la face extérieure. - dans la tête d'injection, les orifices tubo-annulaires des conduits tubo- annulaires se prolongent de la face extérieure vers la seconde extrémité sur une longueur L supérieure ou égale à leur diamètre,
- les conduits sont reliés à des valves et à des soupapes pour ajuster la pression et le flux du combustible et de l'air,
- le nombre d'orifices et leur surface sur la face extérieure du brûleur sont déterminés en fonction de la puissance du brûleur,
- le premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression tubo-annulaire comprend 9 orifices tubo-annulaires, - le premier conduit d'injection d'air à flux radial comprend 24 ailettes de guidage,
- le second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression tubo-annulaire comprend 10 orifices tubo-annulaires,
- le second conduit d'injection d'air à flux axial tubo-annulaire comprend 25 orifices tubo-annulaires,
- les orifices de combustible gazeux basse pression tubo-annulaires comprennent chacun un diamètre de 23 mm,
- les ailettes de guidage comprennent chacune une épaisseur de 9 mm et une longueur de 14,9 mm, - les orifices de combustible gazeux haute pression tubo-annulaires comprennent chacun un diamètre de 13,6 mm,
- les orifices d'injection d'air à flux axial tubo-annulaires comprennent chacun un diamètre de 21 ,5 mm.
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente un exemple de brûleur connu : le brûleur Rotaflam® de Pillard ;
- la figure 2 représente la vue de dessus du brûleur Rotaflam® de Pillard ;
- la figure 3 représente un exemple de brûleur selon l'invention ; - la figure 4 représente l'extrémité du brûleur selon l'invention avec la tête d'injection ;
- la figure 5 représente la vue de dessus du brûleur selon l'invention ; - la figure 6 représente le conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial et ses ailettes ;
La figure 1 représente un exemple de brûleur connu sous le nom de brûleur Rotaflam® de Pillard. Ce brûleur comprend un corps de brûleur 1 ayant un axe longitudinal central 2 et une première extrémité 26 formant une tête d'injection 3. La tête d'injection 3 comporte une face extérieure 4 orthogonale par rapport à l'axe longitudinal central 2. Le corps de brûleur 1 comprend également une seconde extrémité 5 longitudinalement opposée à la première. Le brûleur comprend un canal longitudinal central d'injection en combustible liquide 6 de forme cylindrique, centré par rapport à l'axe longitudinal central 2. L'une des extrémités de ce canal d'injection en combustible liquide 6 débouche dans la face extérieure 4 de la tête d'injection 3 par un orifice de combustible liquide 12. L'autre extrémité est reliée à une source de combustible liquide.
Un premier conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial 27 entoure le canal longitudinal central d'injection en combustible liquide 6. Ce premier conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial 27 se termine dans la tête d'injection du brûleur 3 par deux ensembles d'orifices d'injection 16a, 16b concentriques, les orifices d'injection de chacun des ensembles 16a, 16b étant répartis régulièrement suivant une circonférence centrée sur l'axe longitudinal central 2 du brûleur.
Dans la suite de la description de tels orifices d'injection, que leur section droite soit circulaire ou non, repartis circulairement autour de l'axe longitudinal central 2 du brûleur, seront désignés par « orifices tubo- annulaires ».
On désignera également par « conduits tubo-annulaires » les conduits se terminant dans la tête d'injection 3 par des « orifices tubo-annulaires ».
Comme le montre la figure 2, les orifices d'injection des deux ensembles concentriques 16a, 16b débouchent sur la face extérieure 4 du brûleur et sont de section droite circulaire.
A son autre extrémité, le conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial 27 est relié à une source d'air par l'intermédiaire d'un orifice à bride 24. Cette connexion est proche de la seconde extrémité 5 du brûleur. Un premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression 28 entoure le premier conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial 27. Ce premier conduit tubo-annulaire 28 se termine dans la tête d'injection 3 par des orifices de combustible gazeux basse pression tubo- annulaires 13 de section droite rectangulaire sur la face extérieure 4 de la tête d'injection 3.
A son autre extrémité, le premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression 28 est relié à une source de combustible gazeux à proximité de la seconde extrémité 5 du brûleur. Un second conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial 29 entoure le premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression 28. Ce second conduit 29 se termine dans la tête d'injection 3 par un orifice d'injection d'air annulaire entourant les orifices de combustible gazeux basse pression tubo-annulaires 13 et muni d'ailettes de guidage 11 (non représentées sur les figures 1 et 2). On obtient une multitude d'orifices d'injection d'air à flux radial 14 de section droite rectangulaire sur la face extérieure 4 de la tête d'injection 3.
A son autre extrémité, le second conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial 29 est relié à une source d'air par l'intermédiaire d'un orifice à bride 25, à proximité de la seconde extrémité 5 du brûleur.
Un second conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux haute pression 30 entoure le second conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial
29. Ce second conduit tubo-annulaire 30 se termine dans la tête d'injection 3 par des orifices de combustible gazeux haute pression tubo-annulaires 15 de section droite circulaire sur la face extérieure 4 de la tête d'injection 3.
A son autre extrémité, le conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux haute pression 30 est relié à une source de combustible gazeux à proximité de la seconde extrémité 5 du brûleur.
L'agencement de ces conduits n'est pas idéal puisque ce type de brûleur génère une flamme divergente ayant un indice de tourbillonnement élevé et une faible impulsion spécifique.
Selon l'invention, dont une réalisation est représentée sur les figures 3,
4 et 5, le brûleur comprend un corps de brûleur 1 ayant un axe longitudinal central 2 et une première extrémité 26 formant une tête d'injection 3. La tête d'injection 3 comporte une face extérieure 4 orthogonale par rapport à l'axe longitudinal central 2. Le corps de brûleur 1 comprend également une seconde extrémité 5 longitudinalement opposée à la première.
Le brûleur comprend un canal longitudinal central d'injection en combustible liquide 6 de forme cylindrique, centré par rapport à l'axe longitudinal central 2. L'une des extrémités de ce canal débouche dans la face extérieure 4 de la tête d'injection 3 par un orifice de combustible liquide 12.
L'autre extrémité est reliée à une source de combustible liquide.
Un premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression 7 entoure coaxialement le canal longitudinal central d'injection en combustible liquide 6. Ce premier conduit tubo-annulaire 7 se termine dans la tête d'injection 3 par des orifices de combustible gazeux basse pression tubo-annulaires 18 de section droite circulaire sur la face extérieure 4 de la tête d'injection 3.
A son autre extrémité, le premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression 7 est relié à une source de combustible gazeux à proximité de la seconde extrémité 5 du brûleur.
Le combustible liquide qui est communément le fioul, comme dit précédemment, sert à allumer le brûleur. Cela permet de se dispenser d'un préchauffage et d'obtenir une flamme stable à froid. II est possible d'effectuer un inter-allumage d'un combustible par un autre.
Après le démarrage du four, le combustible liquide d'allumage peut être remplacé par un combustible alternatif avec un système d'atomisation à vapeur ou air comprimé. Le canal central d'injection en combustible liquide 6 est alimenté par la source de combustible liquide par l'intermédiaire d'un dispositif de nébulisation/atomisation (par haute pression ou par un fluide auxiliaire comme l'air comprimé ou la vapeur).
Le premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression tubo-annulaire 7 permet d'obtenir une flamme bien accrochée sur la face extérieure 4 de la tête d'injection 3.
Le combustible gazeux qui est le combustible principal du brûleur peut être du gaz naturel, comme dit précédemment. Il est propre et facile à contrôler. Il est principalement constitué de méthane. La teneur en souffre est avantageusement faible. Un premier conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial 8 entoure coaxialement le premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression tubo-annulaire 7. Ce premier conduit 8 se termine dans la tête d'injection 3 par un orifice d'injection d'air annulaire entourant les orifices de combustible gazeux basse pression tubo-annulaires 18 et muni d'ailettes de guidage 11.
Les ailettes de guidage 11 , comme le montre la figure 6, sont réparties régulièrement autour du premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression 7. On obtient une multitude d'orifices d'injection d'air 19 de section droite trapézoïdale sur la face extérieure 4 de la tête d'injection 3.
Chaque ailette de guidage 11 présente un axe longitudinal central 22 orienté d'un angle θ compris entre 5° et 30°, avantageusement d'un angle de 15°, par rapport à l'axe longitudinal central 2. Les brûleurs de l'art antérieur présentent habituellement un angle θ d'environ 35° à 45°.
A son autre extrémité, le premier conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial 8 est relié à une source d'air par l'intermédiaire d'un orifice à bride 25, à proximité de la seconde extrémité 5 du brûleur.
Le conduit tubo-annulaire d'injection d'air à flux radial 8 génère un flux d'air en rotation qui se mélange aux combustibles en tourbillonnant, améliorant l'inflammation et la combustion. L'orientation des ailettes de guidage 11 influence directement le diamètre de la flamme. On choisit avantageusement un angle θ faible pour éviter une trop grande divergence de la flamme ce qui entraînerait une détérioration du revêtement réfractaire 23 du four. Un second conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux haute pression 9 entoure coaxialement le premier conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial 8. Ce second conduit tubo-annulaire 9 se termine dans la tête d'injection 3 par des orifices de combustible gazeux haute pression tubo- annulaires 20 de section droite circulaire sur la face extérieure 4 de la tête d'injection 3.
A son autre extrémité, le conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux haute pression 9 est relié à une source de combustible gazeux à proximité de la seconde extrémité 5 du brûleur. Le flux de gaz haute pression contribue à l'augmentation de l'impulsion spécifique de la flamme, ce qui se traduit par une flamme plus étroite, non divergente et plus puissante.
Un second conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial 10 entoure coaxialement le second conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux haute pression 9. Ce second conduit tubo-annulaire 10 se termine par des orifices d'injection d'air à flux axial tubo-annulaires 21 de section droite circulaire sur la face extérieure 4 de la tête d'injection 3.
A son autre extrémité, le conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial 10 est relié à une source d'air par l'intermédiaire d'un orifice à bride 24. Cette connexion est proche de la seconde extrémité 5 du brûleur.
Le flux d'air axial contribue également à l'augmentation de l'impulsion spécifique de la flamme.
L'enchaînement air axial / gaz haute pression / air radial / gaz basse pression permet de mieux contrôler la flamme. Les flux d'air axial et de gaz haute pression permettent d'augmenter l'impulsion (flamme puissante et étroite). Le flux d'air radial permet d'accélérer la combustion et le flux de gaz basse pression permet de coller la flamme à l'extrémité 4 du brûleur.
Les orifices tubo-annulaires 18, 20 et 21 des conduits tubo-annulaires 7, 9 et 10 se prolongent, dans la tête d'injection 3, de la face extérieure 4 vers la seconde extrémité 5 sur une longueur L supérieure ou égale à leur diamètre. Ceci permet d'éviter une divergence des flux d'air et de combustible gazeux.
Les conduits 7, 8, 9 et 10 peuvent être reliés à des valves et à des soupapes qui permettent d'ajuster la pression et le flux du combustible et de l'air. L'utilisation de valves et de soupapes évite d'avoir des parties mobiles entre les conduits.
Les conduits 7, 8, 9, 10 et le canal central 6 sont maintenus solidairement entre eux par des moyens de fixation 27. Le brûleur comprend des moyens de mesure de la température et de la pression (statique et dynamique) permettant d'ajuster et de contrôler la flamme. Ces moyens permettent de calculer directement et en temps réel l'impulsion spécifique et l'indice de tourbillonnement de la flamme.
Le brûleur est équipé d'un capteur de température et d'un capteur de pression dynamique pour contrôler le flux d'air et d'un capteur de température pour le flux de gaz. Ces capteurs contrôlent les flux avant leur arrivée dans le corps de brûleur 1.
Le brûleur est également équipé de quatre capteurs de pression statiques (un pour chaque conduit d'air et de gaz), disposés dans le corps de brûleur 1.
Ces capteurs sont reliés à une unité centrale.
Les soupapes de réglage des flux peuvent être motorisées.
Un thermocouple peut être installé entre le second conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial 10 et le revêtement réfractaire 23 afin de contrôler la température de ce dernier et éviter sa détérioration.
Le four peut comprendre un analyseur de gaz afin de contrôler la combustion en mesurant les taux de O2, CO, NOx et SO2.
Le nombre d'orifices 18, 19, 20, 21 et leur surface sur la face extérieure 4 sont déterminés en fonction de la puissance du brûleur. Un mode de réalisation de l'invention est présenté ci-dessous.
Selon ce mode réalisation, le canal longitudinal central d'injection en combustible liquide 6 présente un diamètre de 76,1 mm.
Le premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression tubo-annulaire 7 présente un diamètre de 168,3 mm. II comprend 9 orifices de combustible gazeux basse pression tubo- annulaires 18 ayant chacun un diamètre de 23 mm.
Le premier conduit d'injection d'air à flux radial 8 a un diamètre de 198,1 mm.
Il comprend 24 ailettes de guidage 11 ayant chacune une épaisseur de 9 mm et une longueur de 14,9 mm.
L'axe longitudinal central 22 de chaque ailette est orienté d'un angle θ de 15° par rapport à l'axe longitudinal central 2 du corps de brûleur 1.
Le second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression tubo-annulaire 9 présente un diamètre de 323,9 mm. II comprend 10 orifices de combustible gazeux haute pression tubo- annulaires 20 ayant chacun un diamètre de 13,6 mm.
Le second conduit d'injection d'air à flux axial tubo-annulaire 10 présente un diamètre de 406 mm.
Il comprend 25 orifices d'injection d'air à flux axial tubo-annulaires 21 ayant chacun un diamètre de 21 ,5 mm. En utilisant 100% de gaz naturel, la vitesse du flux de gaz peut atteindre 339 à 247 m/s dans le premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression tubo-annulaire 7.
La vitesse du flux d'air peut varier de 74 à 144 m/s dans le premier conduit d'injection d'air à flux radial 8.
La vitesse du flux de gaz peut varier de 412 à 339 m/s dans le second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression tubo-annulaire 9.
Et la vitesse du flux d'air peut varier de 84 à 163 m/s dans le second conduit d'injection d'air à flux axial tubo-annulaire 10.
Le flux d'air arrive à l'entrée des deux conduits d'injection d'air 8, 10 avec un débit de 9600 m3/h avant d'être divisé en deux flux.
Un autre mode de réalisation de l'invention est présenté ci-dessous.
Le tableau 1 décrit les caractéristiques de chaque conduit selon cet autre mode de réalisation :
Figure imgf000013_0001
Selon cet autre mode de réalisation, le premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression tubo-annulaire 7 présente un diamètre de 203,1 mm.
Il comprend 10 orifices de combustible gazeux basse pression tubo- annulaires 18 ayant chacun un diamètre de 25,5 mm.
Le premier conduit d'injection d'air à flux radial 8 a un diamètre de 253 mm.
Il comprend 28 ailettes de guidage 11 ayant chacune une épaisseur de 9,8 mm et une longueur de 16,5 mm. L'axe longitudinal central 22 de chaque ailette est orienté d'un angle θ de 15° par rapport à l'axe longitudinal central 2 du corps de brûleur 1.
Le second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression tubo-annulaire 9 présente un diamètre de 330,6 mm.
Il comprend 16 orifices de combustible gazeux haute pression tubo- annulaires 20 ayant chacun un diamètre de 12,4 mm.
Le second conduit d'injection d'air à flux axial tubo-annulaire 10 présente un diamètre de 437,2 mm.
Il comprend 30 orifices d'injection d'air à flux axial tubo-annulaires 21 ayant chacun un diamètre de 22 mm. Les valeurs suivantes sont données pour un combustible gazeux constitué de 100% de gaz naturel.
En sortie du premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression tubo-annulaire 7, la vitesse du flux de gaz atteint environ 350 m/s.
En sortie du premier conduit d'injection d'air à flux radial 8, la vitesse du flux d'air est d'environ 100 m/s.
En sortie du second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression tubo-annulaire 9, la vitesse du flux de gaz est d'environ 410 m/s.
En sortie du second conduit d'injection d'air à flux axial tubo-annulaire 10, la vitesse du flux d'air est d'environ 170 m/s. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la tuyère peut comprendre un ou plusieurs détecteurs de flamme, qui peuvent être positionnés au niveau de la flamme à la sortie de la tuyère et / ou en amont du four.
Ainsi, le brûleur selon l'invention, présente un certain nombre d'avantages. Avec une combustion simultanée des combustibles liquide et gazeux, la flamme du brûleur peut atteindre une impulsion spécifique Is élevée (12 à 13 N.h/Gcal). On peut également obtenir un indice de tourbillonnement SW des flux faible (de 0,01 à 0,03) grâce aux ailettes de guidage 11 faiblement inclinées par rapport à l'axe longitudinal central 2. La capacité du brûleur est de 60 Gcal/h.
On obtient alors une flamme étroite, non divergente et puissante.
La variation du débit des deux flux de gaz ne perturbe pas la forme de la flamme car les flux sont tous les deux des flux axiaux. En utilisant seulement le combustible gazeux, l'impulsion spécifique Is varie entre 10 et 15 N.h/Gcal et l'indice de tourbillonnement SW de 0.01 à 0,024 pour une teneur en air variant de 5 à 10%. Le flux de gaz est de 6300 Nm3/h.
En utilisant seulement le combustible liquide, l'impulsion spécifique Is se situe aux alentours de 5,5 N.h/Gcal et l'indice de tourbillonnement SW aux alentours de 0,07 pour une teneur en air de 9%.
Ces paramètres de flamme peuvent être calculés à partir d'un tableur de type Excel. On utilise les méthodes de mesure et de calcul classiques.
La notion d'impulsion spécifique Is d'un brûleur, a été développée à partir des travaux du GEFGN (Groupe d'Etude des Flammes de Gaz Naturel) et de la FRIF (Fédération de Recherche Internationale de la Flamme) et caractérise approximativement le rapport air primaire/air secondaire quel que soit le four. Elle est définie par la relation :
-1 \ /(N) ls{NΛGJ-" ) = v ' Q(GJ. h~' ) où I est la quantité de mouvement de l'air exprimée en Newtons et Q est la quantité d'énergie produite par la tuyère en joule. La quantité de mouvement I satisfait la relation : l = m.V où m est le débit-masse d'air en kg/s et V la vitesse de l'air en m/s.
I = Qma Vsa (axial) + Qmt Vst (transport de charbon)
+ Qmr Vsr (composante rotationnelle) où Qma est la masse d'air axiale, Qmt est la masse d'air de transport et Qmr est la composante rotationnelle de la masse d'air exprimées en kg. Plus la quantité de mouvement de l'air primaire est élevée par rapport à celle produite par l'air secondaire, plus courte est la flamme (turbulence).
Pour l'air et le gaz primaires, toutes les composantes axiales des fluides primaires sont prises en compte (à l'exception des combustibles solides). Pour l'air secondaire :
- la puissance calorifique et le débit d'air secondaire sont proportionnels;
- la vitesse et la température de l'air secondaire sont supposées être identiques pour tous les fours. II est bien évident que les valeurs d'ajustement à adopter au cas par cas peuvent être légèrement différentes étant donné les approximations faites.
L'indice de tourbillonnement SW est le rapport de la composante tangentielle produite par l'air en rotation à la somme des composantes axiales
Ix des divers circuits d'air et de gaz primaires (axial, radial, convoyage, central).
Il est exprimé par la relation :
SW=(Rg.lg)/(De.lx)
Ig (impulsion tangentielle) est la composante tangentielle de l'impulsion du circuit rotationnel et Ig = lx.tg(a)
Ix est l'impulsion axiale du circuit rotationnel ; a est l'angle des ailettes ;
Le rayon de giration Rg est défini sur la base des rayons respectifs du circuit rotationnel à l'extrémité du brûleur : Rg = 2/3 (Re3 - Ri3) / (Re2 - Ri2) où Re = rayon externe ;
Ri = rayon interne ; Le diamètre équivalent De du flux est donné par la relation :
Figure imgf000016_0001
où Qm est le débit-masse d'air total de l'air injecté, pm est la densité spécifique moyenne de l'air et Ix est l'impulsion axiale totale.
Les flux d'air et de gaz peuvent être contrôlés avec précision et fiabilité grâce aux orifices régulièrement répartis sur la face extérieure 4 de la tête de brûleur 3. On peut alors ajuster la flamme du brûleur avec précision et fiabilité. Les orifices sont larges et par conséquent difficiles à obstruer ou à déformer.
La température des parois du four est plus stable. Dans les parties proches des zones de combustion, elle varie de 300 à 350 0C. Les parois du four s'encrassent moins ce qui améliore son refroidissement.
De plus, la mise en œuvre du brûleur est économique.
Elle permet également d'augmenter la production journalière en clinker.
Par exemple, sur une cimenterie dont la production journalière en clinker était de 3943 tonnes/jour en moyenne avec un brûleur de l'art antérieur (brûleur Kobe), elle est de 4100 tonnes/jour en moyenne avec le brûleur selon l'invention.
Le processus de transformation du clinker est optimisé, ce qui permet d'obtenir un clinker de meilleure qualité (plus stable et composition uniforme) avec une variation des taux de SO3 et de chaux moins importantes et un taux de C3S plus élevé (2 à 4 % de plus).
Le facteur LSF (Lime Saturation Facteur) est plus élevé. Il se calcule de la manière suivante : LSF = CaO / (2,8 SiOx + 1 ,18 AI2O3 + 0,65 Fe2O3).
Comme représenté dans le tableau 2, la teneur en SO2, produit lors du processus de transformation du clinker, a légèrement diminué. Tableau 2 représentant une comparaison des teneurs en SO2 et NOx produits par un brûleur de l'art antérieur (brûleur Kobe) et par un brûleur selon l'invention :
Figure imgf000017_0001
Avec le brûleur Kobe, la teneur en SO2 était comprise entre 300 et 400 ppm. Avec le brûleur selon l'invention, elle est comprise entre 280 et 360 ppm.
La teneur en NOx n'a pas évolué. Elle était comprise entre 1200 et
1700 ppm avec le brûleur de l'art antérieur. Elle est comprise entre 1200 et
2200 ppm, avec le brûleur selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Brûleur pour four à clinker pour la combustion d'un combustible liquide et/ou gazeux comprenant : - un corps de brûleur (1 ) ayant un axe longitudinal central (2) et une première extrémité (26) formant une tête d'injection (3) ayant une face extérieure (4) orthogonale par rapport à l'axe longitudinal central (2) et une seconde extrémité (5) longitudinalement opposée à la première,
- un canal longitudinal central d'injection en combustible liquide (6) centré par rapport à l'axe longitudinal central (2),
- un premier conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux basse pression (7),
- un premier conduit longitudinal d'injection d'air à flux radial (8),
- un second conduit longitudinal d'injection de combustible gazeux haute pression (9),
- un second conduit longitudinal d'injection d'air à flux axial (10), ledit canal (6) et lesdits conduits (7, 8, 9, 10) débouchant tous dans la face extérieure (4) de la tête d'injection (3) et étant tous reliés à proximité de la seconde extrémité (5) à des sources appropriées de combustible ou d'air, caractérisé en ce que dans la tête d'injection (3) :
- le premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression (7) est un conduit tubo-annulaire disposé coaxialement autour du canal central d'injection en combustible liquide (6),
- le premier conduit d'injection d'air à flux radial (8) est un conduit annulaire muni d'ailettes de guidage (11 ) disposé coaxialement autour du premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression (7),
- le second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression (9) est un conduit tubo-annulaire disposé coaxialement autour du premier conduit d'injection d'air à flux radial (8), et - le second conduit d'injection d'air à flux axial (10) est un conduit tubo- annulaire disposé coaxialement autour du second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression (9).
2. Brûleur pour four à clinker selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque ailette de guidage (11 ) présente un axe longitudinal central (22) orienté d'un angle θ compris entre 5° et 30° par rapport à l'axe longitudinal central (2).
3. Brûleur pour four à clinker selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle θ est de 15°.
4. Brûleur pour four à clinker selon l'une quelconque des revendications
1 à 3, caractérisé en ce que les conduits d'injection tubo-annulaires (7, 9, 10) se terminent dans la tête d'injection (3) par des orifices tubo-annulaires (18, 20, 21 ) de section droite circulaire sur la face extérieure (4).
5. Brûleur pour four à clinker selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le conduit d'injection annulaire (8) se termine dans la tête d'injection (3) par des orifices (19) de section droite trapézoïdale sur la face extérieure (4).
6. Brûleur pour four à clinker selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans la tête d'injection (3), les orifices tubo- annulaires (18, 20, 21 ) des conduits tubo-annulaires (7, 9, 10) se prolongent de la face extérieure (4) vers la seconde extrémité (5) sur une longueur L supérieure ou égale à leur diamètre.
7. Brûleur pour four à clinker selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les conduits (7, 8, 9, 10) sont reliés à des valves et à des soupapes pour ajuster la pression et le flux du combustible et de l'air.
8. Brûleur pour four à clinker selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le nombre d'orifices (18, 19, 20, 21 ) et leur surface sur la face extérieure (4) du brûleur sont déterminés en fonction de la puissance du brûleur.
9. Brûleur pour four à clinker selon la revendication 8, caractérisé en ce que :
- le premier conduit d'injection de combustible gazeux basse pression tubo-annulaire (7) comprend 9 orifices de combustible gazeux basse pression tubo-annulaires (18), - le premier conduit d'injection d'air à flux radial (8) comprend 24 ailettes de guidage (11 ),
- le second conduit d'injection de combustible gazeux haute pression tubo-annulaire (9) comprend 10 orifices de combustible gazeux haute pression tubo-annulaires (20), - le second conduit d'injection d'air à flux axial tubo-annulaire (10) comprend 25 orifices d'injection d'air à flux axial tubo-annulaires (21).
10. Brûleur pour four à clinker selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que : - les orifices de combustible gazeux basse pression tubo-annulaires
(18) ont chacun un diamètre de 23 mm,
- les ailettes de guidage (11 ) ont chacune une épaisseur de 9 mm et une longueur de 14,9 mm,
- les orifices de combustible gazeux haute pression tubo-annulaires (20) ont chacun un diamètre de 13,6 mm,
- les orifices d'injection d'air à flux axial tubo-annulaires (21 ) ont chacun un diamètre de 21 ,5 mm.
PCT/FR2006/051079 2005-10-21 2006-10-20 Bruleur pour four a clinker WO2007045807A1 (fr)

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