WO2024141509A1 - Bruleur a precombustion - Google Patents

Abstract

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

Description

BRULEUR A PRECOMBUSTION DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

Le domaine technique de l’invention concerne les dispositifs de combustion, plus particulièrement les bruleurs configurés pour utiliser des combustibles de différentes natures, destiné à être intégré dans un four industriel ou une chaudière industrielle ainsi qu’un procédé de mise en œuvre du brûleur.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Classiquement, les fours industriels, notamment les fours rotatifs utilisés dans le domaine de la cimenterie pour calciner différents minéraux (ciment, chaux…) et oxyde métalliques (nickel, pelletisation de fer, chrome, alumine…) sont équipés de brûleurs à une de leurs extrémités.

Les brûleurs sont configurés pour alimenter et maintenir une combustion, par injection d’un flux de comburant et d’un flux de combustible, de manière à chauffer un flux de gaz qui circule dans le four. Le flux de gaz chauffé échange par convection et rayonnement avec un lit de matière présent dans le four.

Certains bruleurs sont configurés pour mélanger activement le combustible et le comburant par injection à haute vitesse, créant du mélange par leur impulsion (l’impulsion étant la multiplication du débit par la vitesse de sortie). Ces brûleurs peuvent brûler de multiples combustibles, typiquement des combustibles gazeux, par exemple du gaz naturel, liquides, par exemple du fioul lourd, mais aussi solides, par exemple du charbon, du coke de pétrole (petcoke), ou des combustibles alternatifs solides (ASF : alternative solid fuels) notamment des combustibles dérivés de déchets, qui permettent de valoriser n’importe quel déchet combustible.

Dans le domaine de la combustion des combustibles solides, les brûleurs démarrent et entretiennent généralement une combustion au moyen d’un combustible gazeux ou liquide mélangé à un flux d’air, et injectent dans la flamme des particules de combustible solide de manière à augmenter la puissance développée par la combustion sans augmenter la consommation de combustible liquide ou gazeux.

Toutefois, les combustibles alternatifs solides ne peuvent pas être injectés à haute vitesse dans le bruleur afin d’éviter les problèmes d’usures, et sont donc généralement injectés à une vitesse inférieure à 30 mètres par seconde. Ce manque de vitesse dégrade l’efficacité du mélange combustible/comburant et le temps de séjour des particules de combustibles alternatifs solides dans la flamme. En effet, même si les matières volatiles des particules de combustibles alternatifs solides sont brulées rapidement dans les premiers mètres de la flamme, le carbone solide constituant le reste des particules à tendance à tomber dans le lit de minerais à traiter où sa combustion se poursuit. Si les particules de combustibles alternatifs solides sont injectées dans la flamme avec une vitesse plus importante, leur inertie leur permet de traverser la flamme sur une plus grande distance avant de retomber, ce qui augmente leur temps de séjour dans la flamme et améliore leur taux de combustion. Dans ce cas, le débit de combustibles alternatifs solides est réduit afin de satisfaire les critères de qualité du produit fini et éviter des problèmes induits par la mauvaise combustion des combustibles alternatifs solides.

Ce phénomène est l’une des principales raisons qui limite l’utilisation des combustibles alternatifs solides dans les fours rotatifs.

Des dispositifs permettant d’augmenter la vitesse d’injection des combustibles alternatifs solides dans une partie terminale du bruleur ont été proposés, mais sont d’une faible utilité car ils permettent au mieux de doubler la vitesse d’injection, ce qui reste insuffisant au regard de la vitesse d’injection des autres combustibles dans le dispositif de combustion. En effet, pour un brûleur de ce type, le combustible gazeux est injecté dans le four à une vitesse de l’ordre de 200 à 300 m/s, ce qui génère une zone de combustion de taille importante. Le combustible liquide est plus généralement injecté à des vitesses de l’ordre de 100m/s mais est pulvérisé en gouttes plus fines et présentant une inflammabilité plus élevée que les particules de carburant alternatif solide.

De plus, les combustibles alternatifs solides étant classiquement constitués de particules de taille, de forme, de masse et de densité différentes, l’augmentation de la vitesse d’injection est souvent inhomogène car la qualité d’approvisionnement des combustibles alternatifs solides est très variable selon le fournisseur de combustibles alternatifs solides, ce qui dégrade la combustion des particules solides.

Classiquement, les systèmes d’injection de combustible solide injectent un flux mélangé comprenant des particules de combustibles solides transporté par un flux de fluide porteur, typiquement un flux d’air. La concentration en carburant solide du flux mélangé doit être maîtrisée pour éviter plusieurs limites techniques. Si la concentration est trop élevée, la combustion du combustible solide est dégradée, ce qui produit une quantité trop importante d’imbrûlés. Si la concentration est trop faible, la quantité d’énergie nécessaire pour mettre en mouvement le flux d’air porteur qui transporte les particules de combustible devient trop importante comparée à l’énergie supplémentaire apportée par la combustion des particules de combustible solide, ce qui par définition fait chuter le rendement du système.

En outre, à cause de la taille des particules de combustibles alternatifs solides, qui peut être de l’ordre de 50mm, les équipements de transport et d’injection ont besoin de sections suffisantes pour éviter les bouchages. Cela implique, pour augmenter la vitesse d’éjection des particules de combustible solide, d’augmenter le débit du flux mélangé, car il n’est alors pas souhaitable d’utiliser une réduction de section des éléments d’injection pour générer un effet de détente à cause de ce risque de bouchage. Le débit de flux mélangé est cependant limité par la puissance de la combustion, afin d’éviter de produire une trop grande quantité d’imbrûlés.

D’autres solutions ont été proposées comprenant un stabilisateur de flamme et des dispositifs agencés pour créer une zone dépressionnaire en aval du stabilisateur et générer une mise en rotation du gaz, de manière à « accrocher » et stabiliser la flamme en créant des recirculations de fumées chaudes dans le four.

Ces dispositifs rencontrent des limites lors de la phase d’allumage du four pendant laquelle les fumées recirculées sont froides et dégradent l’inflammation du gaz.

De plus, en fonctionnement établi, les fumées recirculées bien que chaudes sont appauvries en oxygène ce qui dégrade la stabilité de la flamme principale.

Enfin, la mise en rotation du gaz, pour créer une zone dépressionnaire en aval du stabilisateur, est obtenue par l’intermédiaire de pièces mécaniques en mouvement dans des atmosphères difficiles (humidité, chaleur, poussière…), ce qui génère des problématiques de maintenance.

Afin de surmonter les problèmes techniques rencontrés par les dispositifs de l’art antérieur, l’invention propose un brûleur pour four industriel comprenant une alimentation en combustible fluidique apte à alimenter une réaction de combustion entretenue par le brûleur, et une alimentation en combustible solide apte à alimenter en combustible solide la réaction de combustion entretenue par le brûleur, l’alimentation en combustible solide comprenant :
- un premier ensemble d’injection s’étendant selon un axe longitudinal, configuré pour injecter un combustible gazeux et comprenant une tête d’éjection à une extrémité aval du premier ensemble d’injection, la tête d’éjection débouchant au niveau d’une première section droite annulaire normale à l’axe longitudinal,
- un deuxième ensemble d’injection s’étendant selon l’axe longitudinal et configuré pour injecter un combustible solide transporté par un flux de fluide porteur, le deuxième ensemble d’injection débouchant au niveau d’une deuxième section droite normale à l’axe longitudinal située radialement intérieurement à la première section droite,
- une ligne d’approvisionnement en comburant s’étendant selon l’axe longitudinal comprenant une couronne annulaire à travers laquelle sont ménagés une pluralité de canaux d’injection de comburant répartis autour de l’axe longitudinal, les canaux d’injection de comburant étant situés radialement extérieurement à la deuxième section droite et radialement intérieurement à la tête d’éjection.

L’injection de combustible solide radialement intérieurement à une injection de comburant radialement intérieurement à une injection de combustible gazeux permet, lors de l’utilisation du brûleur, d’entamer la combustion des particules de combustible solide dès leur éjection depuis le deuxième ensemble d’injection au moyen d’une flamme pilote alimentée par le premier ensemble d’injection, l’enrichissement en comburant du mélange combustible gazeux/combustible solide permettant d’améliorer la combustion du combustible solide. Cela allonge la durée de combustion des particules de combustible solide, ce qui améliore leur combustion et réduit les retombées de déchets. En outre, l’injection de comburant radialement intermédiaire permet au brûleur de soutenir une combustion très stable lorsque seule l’injection de combustible gazeux est alimentée, ce qui facilite le démarrage de la flamme pilote avant l’injection du combustible solide et favorise la combustion du combustible solide dès la mise en route du deuxième ensemble d’injection. De plus, le mélange de combustible et de comburant en amont du nez du brûleur permet un prémélange des agents réactifs qui limite les pics de température et la formation d’oxydes d’azote.

Avantageusement, l’invention comporte les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :

- la deuxième section droite est positionnée en amont ou dans le plan de la première section droite ; cela permet aux particules de combustible solide de traverser l’intégralité de la zone chauffée par la flamme pilote, ce qui permet d’améliorer la combustion du combustible solide ;

- la tête d’éjection comprend une pluralité de canaux d’injection pilote configurés pour injecter du combustible gazeux dans le four, les canaux d’injection pilote étant distribués autour de l’axe longitudinal selon un motif au moins partiellement circulaire, chaque canal d’injection pilote s’étendant selon une direction d’injection pilote respective qui présente une inclinaison par rapport à l’axe longitudinal, les inclinaisons respectives des canaux d’injection pilote étant configurées pour que les directions d’injection pilote soient réparties de manière à former un motif ; cela permet d’injecter le comburant sous forme de jets formant des zones de forte pression et des zones de faible pression, générant un effet de diffusion du carburant gazeux et des espèces volatiles des particules de carburant solide vers les zones de faible pression, ce qui améliore le mélange et la combustion des combustibles ;

- les canaux d’injection pilote sont répartis uniformément autour de l’axe longitudinal, et dans lequel le motif formé par les directions d’injection pilote est une hyperboloïde ; un tel motif permet à la fois de concentrer les carburants et comburants vers l’axe longitudinal, ce qui améliore la combustion des particules de combustible solide, et de conférer par soufflage une énergie cinétique aux particules de combustible solide, ce qui retarde leur retombée par gravité et augmente leur durée de passage au sein de la réaction de combustion, ce qui améliore leur combustion ;

- les canaux d’injection pilote sont répartis uniformément autour de l’axe longitudinal, et dans lequel le motif formé par les directions d’injection pilote est cylindrique ; cela permet rediriger les combustibles, gazeux et solides, dans une direction sensiblement parallèle à l’axe longitudinal de manière à prolonger le temps de passage des combustibles au sein de la combustion ;

- les canaux d’injection pilote sont répartis sur une portion angulaire autour de l’axe longitudinal, et dans lequel les directions d’injection pilote sont comprises respectivement dans des plans parallèles verticaux dans des conditions normales d’utilisation, et inclinées d’un angle compris entre 5° et 45° par rapport à l’axe longitudinal ; cela permet de conférer une énergie cinétique aux particules de combustible solide s’opposant à leur chute par gravité, ce qui prolonge leur durée de passage au sein de la combustion et améliore leur combustion ;

– le brûleur comprend :
- une enveloppe sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal,
- une première conduite sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal radialement intérieurement à l’enveloppe, délimitant radialement avec l’enveloppe une première portion aval d’un premier circuit d’approvisionnement configuré pour convoyer le combustible gazeux,
- une deuxième conduite s’étendant selon l’axe longitudinal radialement intérieurement à la première conduite, délimitant radialement avec la première conduite un circuit d’approvisionnement de comburant, et délimitant radialement extérieurement une deuxième portion aval d’un deuxième circuit d’approvisionnement configuré pour convoyer du combustible solide ; une telle structure offre une grande compacité ;

- la tête d’éjection comporte :
- un corps sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal,
- une couronne agencée pour centrer radialement la première conduite dans l’enveloppe, les canaux d’injection pilote étant ménagés à travers la couronne, et
- une portion filetée ou taraudée, agencée pour coopérer avec une portion complémentaire ménagée sur la première conduite de manière à assembler de manière amovible la tête d’éjection à la première conduite ; cela permet de retirer la tête d’éjection simplement, ce qui permet de faciliter les opération de maintenance ou d’adapter facilement le brûleur au type de combustible solide utilisé en changeant la tête d’éjection.

Selon un autre aspect, l’invention propose un procédé d’utilisation d’un brûleur selon l’invention, comprenant les étapes suivantes :
- génération d’une flamme pilote,
- maintien de la flamme pilote par injection de combustible gazeux au moyen du premier ensemble d’injection,
- injection de combustible solide au moyen du deuxième ensemble d’injection.

Optionnellement mais avantageusement, au cours d’un tel procédé l’étape de maintien de la flamme pilote est configurée pour qu’au moins une partie de la combustion du gaz s’effectue en conditions sous-stœchiométrique. Cela permet de limiter la formation d’émissions polluantes, en particulier des oxydes d’azote.

L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.

est une vue schématique en coupe d’une section droite d’un brûleur conforme à l’invention.

est une vue schématique en coupe de profil d’une alimentation en combustible solide d’un brûleur industriel conforme à l’invention.

est une vue schématique en coupe de profil centrée sur alimentation en combustible solide d’un brûleur industriel selon l’invention.

[Fig. 4] est une vue de détail représentant trois modes de réalisation d’une tête d’éjection d’une alimentation en combustible solide d’un brûleur selon l’invention :
- la figure représente un premier mode de réalisation de tête d’éjection configuré pour réaliser une injection en forme de motif de type hyperboloïde ;
- la figure représente un deuxième mode de réalisation de tête d’éjection configuré pour réaliser une injection en forme de motif de type cylindrique ;
- la figure représente un troisième mode de réalisation de tête d’éjection configuré pour réaliser une injection en forme de motif de type nappe.

DESCRIPTION DETAILLEE

Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.

L’invention concerne un brûleur A pour four industriel, tel qu’illustré en , comprenant une alimentation de combustible gazeux B configurée pour injecter un carburant gazeux dans un four industriel de manière à alimenter une réaction de combustion, une alimentation de comburant C configurée pour injecter un comburant dans le four industriel de manière à alimenter la réaction de combustion, et une alimentation de combustible solide 1 configurée pour injecter un carburant solide dans le four industriel de manière à alimenter la réaction de combustion.

L’alimentation de combustible solide 1 comprend :
- un premier ensemble d’injection 2 s’étendant selon un axe longitudinal X, configuré pour injecter dans le four un combustible gazeux et comprenant une tête d’éjection 3 débouchant en aval au niveau d’une première section droite S1 annulaire normale à l’axe longitudinal X,

- un deuxième ensemble d’injection 4 configuré pour injecter dans le four un combustible solide transporté par un flux de fluide porteur, le deuxième ensemble d’injection 4 débouchant en aval au niveau d’une deuxième section droite S2 normale à l’axe longitudinal X située radialement intérieurement à la première section droite S1.

Dans la description, il est entendu que les références géométriques utilisent un référentiel cylindrique, il est donc entendu par direction radiale une direction orthogonale à l’axe longitudinal X passant par l’axe longitudinal X. Un premier élément positionné radialement extérieurement à un deuxième élément est donc plus éloigné de l’axe longitudinal X que le deuxième élément. Une direction tangentielle est également définie comme orthogonale aux directions axiales et radiales. Les notions d’amont et d’aval réfèrent à la direction d’écoulement des fluides dans des conditions normales d’utilisation du dispositif.

L’alimentation en combustible solide 1 peut comprendre une enveloppe 5 s’étendant selon l’axe longitudinal X et débouchant en aval au niveau d’une section de sortie S3. La section de sortie S3 marque la limite aval de l’alimentation en combustible solide 1, à travers laquelle le combustible solide est injecté dans le four pour alimenter la réaction de combustion. La tête d’éjection 3 est montée dans l’enveloppe 5 de telle manière que la première section droite S1 est située en amont par rapport à la section de sortie S3 de l’alimentation de combustible solide 1. Dans cette variante, une préchambre 6 est ainsi formée par une portion de l’enveloppe 5 s’étendant entre la deuxième section droite S2 et la section de sortie S3 de l’alimentation de combustible solide 1. La préchambre 6 est ainsi sensiblement cylindrique et débouche dans le four dans lequel la réaction de combustion est entretenue, et la première section droite S1 s’étend au sein de la préchambre 6. Dans une variante non représentée, la première section droite S1 est confondue avec la section de sortie S3, le premier ensemble d’injection 2 débouchant directement dans le four.

Le premier ensemble d’injection 2 comprend un premier circuit d’approvisionnement 7, configurée pour convoyer le combustible gazeux, par exemple du gaz naturel, vers le four, la tête d’éjection 3 étant située à une extrémité aval du premier circuit d’approvisionnement 7 et débouchant dans le four ou dans la préchambre 6 de manière à injecter du combustible gazeux dans le four.

Le deuxième ensemble d’injection 4 comprend un deuxième circuit d’approvisionnement 9 configurée pour convoyer du combustible solide porté par un flux de fluide porteur, par exemple un flux d’air, et débouchant dans le four ou dans la préchambre 6 au niveau de la deuxième section droite S2.

Le premier ensemble d’injection 2 est ainsi utilisé pour générer et maintenir une flamme pilote à la sortie de la tête d’éjection 3, dans le sens de l’écoulement des fluides dans une utilisation normale du dispositif. Cette flamme pilote permet l’inflammation instantanée du combustible gazeux à la sortie de la tête d’éjection 3.

Le deuxième ensemble d’injection 4 injecte à travers la flamme pilote un flux de combustible solide. L’injection de combustible solide à l’intérieur de la flamme pilote permet de contenir le flux de combustible solide dans une zone à température suffisante pour soutenir la combustion du carbone solide des combustibles solides. La combustion rapide des volatiles des combustibles solides permet quant à elle de favoriser la combustion du combustible gazeux. Le taux de combustion de combustibles solide est augmenté, ce qui réduit le dépôt de déchets carbonés et imbrûlés.

La deuxième section droite S2 est avantageusement positionnée en amont ou au niveau de la première section S1, ce qui permet aux particules de combustible solide de traverser l’intégralité de la flamme pilote et améliore le taux de combustion du combustible solide.

Une structure comprenant une préchambre 6 permet de confiner la réaction de combustion du combustible solide issu du deuxième ensemble d’injection 4 traversant la flamme pilote, ce qui permet de profiter d’une augmentation locale de pression et permet ainsi de transférer un taux d’énergie supérieur au combustible solide, ce qui améliore sa combustion.

Dans un mode de réalisation représenté en , le brûleur A comporte l’enveloppe 5 qui présente une géométrie sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal X.

Radialement intérieurement à l’enveloppe 5 s’étend une première conduite 10 sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal X. L’enveloppe 5 et la première conduite 10 délimitent radialement un volume de section annulaire s’étendant selon l’axe longitudinal X, délimité radialement extérieurement par l’enveloppe 5 et radialement intérieurement par la première conduite 9. Le volume de section annulaire ainsi délimité forme une première portion aval 11 du premier circuit d’approvisionnement 7 configuré pour convoyer le combustible gazeux vers le four.

Radialement intérieurement à la première conduite 10 s’étend une deuxième conduite 12 sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal X. La deuxième conduite 12 délimite radialement extérieurement une deuxième portion aval 13 du deuxième circuit d’approvisionnement 9 agencé pour convoyer le combustible solide porté par un flux de fluide vers le four.

La première conduite 10 et la deuxième conduite 12 délimitent radialement un volume de section annulaire s’étendant selon l’axe longitudinal X, délimité radialement extérieurement par la première conduite 10 et radialement intérieurement par la deuxième conduite 12. Le volume de section annulaire ainsi délimité forme une ligne d’approvisionnement en comburant 14, configuré pour convoyer du comburant, par exemple un flux d’air, vers le four.

La deuxième portion aval 13 du deuxième circuit d’approvisionnement 9 s’étend selon l’axe longitudinal X, la première portion aval 11 du premier circuit d’approvisionnement 7 s’étendant selon l’axe longitudinal X radialement extérieurement à la deuxième portion aval 13.

Cette structure offre une grande compacité et permet de limiter l’encombrement au centre du brûleur, au niveau de l’axe longitudinal X, ce qui favorise l’écoulement des différents flux de combustibles et comburants.

De manière évidente, le brûleur A comprend une alimentation en comburant permettant de soutenir la réaction de combustion au sein du four.

Le brûleur A peut donc comprendre une injection dite principale de combustible gazeux pour alimenter la réaction de combustion dans le four, alimentée par l’alimentation de combustible gazeux B, une alimentation de comburant pour alimenter la réaction de combustion dans le four, une injection de combustible gazeux au moyen du premier ensemble d’injection 2 pour alimenter la flamme pilote de l’alimentation de combustible solide 1, et une alimentation en comburant réalisée par la ligne d’approvisionnement en comburant pour alimenter la combustion de la flamme pilote de l’alimentation en combustible solide 1.

La ligne d’approvisionnement en comburant 14 s’étend également selon l’axe longitudinal X, radialement extérieurement à la deuxième portion aval 13 et radialement intérieurement à la première portion aval 11.

Cela permet d’injecter du comburant supplémentaire lors de l’alimentation des deux combustibles, le flux mélangé de combustible solide assurant une alimentation en air par le flux de fluide porteur. Cela permet d’influer sur la combustion du combustible solide par un ajustement de l’alimentation en comburant sans influer sur le débit de combustible solide.

Avantageusement, la deuxième conduite 12 comprend une couronne annulaire 15 formant saillie et s’étendant radialement extérieurement depuis la deuxième conduite 12, ce qui permet de centrer radialement la deuxième conduite 12 dans la première conduite 10. Une pluralité de canaux d’injection de comburant 16 sont ménagés à travers la couronne annulaire 15. Avantageusement, les canaux d’injection de comburant 16 sont distribués uniformément autour de l’axe longitudinal X, ce qui permet d’assurer l’homogénéité de la réaction de combustion en assurant une alimentation équivalente en comburant sur toute la plage angulaire de la section d’écoulement des flux.

Avantageusement, la couronne annulaire 15 est positionnée à une extrémité de la deuxième conduite 12, de sorte que les canaux d’injection de comburant 16 débouchent directement dans le four. L’injection de comburant à cet endroit peut permettre d’améliorer la combustion du combustible gazeux, ce qui peut permettre d’améliorer la combustion du combustible solide.

L’injection par jets d’air plutôt que par couronne d’air permet de générer des zones de faible pression entre les jets d’air qui entraînent des déplacements du flux de combustible gazeux vers ces zones à faible pression. Cet effet d’aspiration du combustible gazeux entre chaque jet d’air permet un meilleur mélange et une meilleure combustion du carburant gazeux, ce qui peut permettre une meilleure combustion du combustible solide.

Les canaux d’injection de comburant 16 peuvent s’étendre parallèlement à l’axe longitudinal X, de manière à générer un effet de soufflage qui confère une énergie cinétique supplémentaire aux particules de combustible solide, ce qui permet de prolonger leur temps de passage dans la combustion et d’améliorer leur taux de combustion.

En variante, les canaux d’injection de comburant 16 peuvent s’étendre en présentant une inclinaison dans une direction tangentielle par rapport à l’axe longitudinal X, de manière à induire une composante rotationnelle dans l’écoulement du flux de comburant dans le four. Cela permet d’améliorer le mélange des combustibles et comburants au sein de la combustion, et donc d’améliorer l’homogénéité de la réaction de combustion.

Dans une autre variante, les canaux d’injection de comburant 16 peuvent s’étendre en présentant une inclinaison dans une direction radiale par rapport à l’axe longitudinal X, de manière à concentrer le flux de comburant vers le centre du four ou répartir le comburant vers le pourtour du four.

Dans une variante non représentée, la couronne annulaire 15 est positionnée en amont par rapport à l’extrémité de la deuxième conduite 12.

Le premier ensemble d’injection 2 comprend une pluralité de canaux d’injection pilote 17 de combustible gazeux, débouchant dans le four et configurés pour injecter le combustible gazeux dans le four. Les canaux d’injection pilote 17 sont distribués autour de l’axe longitudinal selon une répartition sensiblement circulaire, ou en arc de cercle, radialement extérieurement à l’extrémité aval de la deuxième conduite 12.

Les canaux d’injection de comburant 16 sont ainsi situés radialement extérieurement à l’extrémité aval du deuxième ensemble d’injection 6, ou plus précisément à l’extrémité aval de la deuxième conduite 12, et radialement intérieurement aux canaux d’injection pilote 17. Une telle structure permet d’enrichir en comburant le mélange combustible gazeux/combustible solide, ce qui permet d’améliorer la combustion du combustible solide et de stabiliser la flamme en sortie du brûleur. En outre, cela permet au brûleur de soutenir une combustion lorsque seule l’injection de combustible gazeux est alimentée. Le mélange de combustible et de comburant en amont du nez du brûleur permet un prémélange des agents réactifs qui limite les pics de température et la formation d’oxydes d’azote lors de la combustion.

Avantageusement, la tête d’éjection 3 présente un corps 18 sensiblement cylindrique s’étendant selon l’axe longitudinal X monté à une extrémité aval de la première conduite 10. Le corps 18 de la tête d’éjection 3 comporte une couronne 19 s’étendant radialement extérieurement depuis le corps 18 de la tête d’éjection 3. Cela permet d’assurer le centrage de la première conduite 10 dans l’enveloppe 5. Les canaux d’injection pilote 17 sont ménagés à travers la couronne 19 et assurent ainsi l’alimentation du four en combustible gazeux depuis la portion aval 11 du premier circuit d’approvisionnement 7.

Avantageusement, le corps 18 de la tête d’éjection 3 comporte une portion filetée ou taraudée 20, configurée pour interagir avec une portion complémentaire ménagée sur la première conduite 10. Cela permet de faciliter le montage de la première conduite 10 dans l’enveloppe 5, et le remplacement de la tête d’éjection 3, en cas d’usure ou d’opération de maintenance.

Chaque canal d’injection pilote 17 s’étend selon une direction d’injection pilote Di respective qui présente une inclinaison par rapport à l’axe longitudinal, les inclinaisons respectives des canaux d’injection pilote étant configurées pour que les directions d’injection pilote soient réparties de manière à former un motif.

Dans un premier mode de réalisation représenté en , les canaux d’injection pilote 17 sont distribués uniformément autour de l’axe longitudinal X et présentent une direction d’injection pilote Di inclinée tangentiellement et radialement par rapport à l’axe longitudinal X, de telle manière que le motif formé par l’ensemble des directions d’injection pilote Di est sensiblement une hyperboloïde. Typiquement, chaque direction d’injection pilote présente alors une inclinaison comportant une composante dans un plan radial et une composante dans un plan tangentiel.

L’injection du combustible gazeux sous forme d’hyperboloïde permet de maximiser le mélange entre le combustible gazeux et le combustible solide, par concentration des flux vers l’axe longitudinal X et par composante rotationnelle du flux de combustible gazeux injecté par la tête d’éjection 3. Ce mode de réalisation est également particulièrement avantageux dans le cas d’une combinaison avec une alimentation en comburant située radialement entre l’alimentation en combustible gazeux et l’alimentation en combustible solide, le comburant étant également dévié vers l’axe longitudinal, ce qui permet de favoriser la combustion du combustible solide. Une telle injection permet de souffler les particules de combustible solide et de leur transférer une énergie cinétique, en dirigeant leur mouvement le long de l’axe longitudinal X, ce qui retarde leur chute et prolonge le temps de séjour des particules de combustible solide dans la combustion. La concentration des particules de combustible solide, de combustible gazeux et de comburant vers l’axe longitudinal, obtenue au moyen du motif hyperboloïde formé par les directions d’injection pilote Di, améliore la combustion du combustible solide et se montre polyvalent quel que soit le type de combustible solide utilisé.

Avantageusement, la couronne 19 de la tête d’éjection 3 peut être conformée de sorte à présenter une portion tronconique 21, qui facilite le perçage des canaux d’injection pilote 17. La pente de la portion tronconique 21 est ainsi dimensionnée en fonction de l’inclinaison des canaux d’injection pilote 17 de manière à réduire les risques lors du perçage et de l’alésage des canaux d’injection pilote 17.

Dans un deuxième mode de réalisation représenté en , les canaux d’injection pilote 17 sont répartis uniformément autour de l’axe longitudinal X et présentent une direction d’injection pilote Di sensiblement parallèle à l’axe longitudinal X, formant ainsi ensemble un motif sensiblement cylindrique.
Cela permet de rediriger les combustibles, gazeux et solides, dans une direction sensiblement parallèle à l’axe longitudinal X de manière à prolonger le temps de passage des combustibles au sein de la combustion. Ce type de motif d’injection est particulièrement avantageux pour des particules de combustible solide qui présentent un taux de composants volatiles faibles et des taux d’humidité importants car le temps dans la flamme plus important leur permet de sécher et brûler la matière.

Dans un troisième mode de réalisation représenté en , les canaux d’injection pilote 17 sont répartis le long d’un arc de cercle, ou une plage angulaire, autour de l’axe longitudinal X et présentent une direction d’injection pilote Di inclinée par rapport à l’axe longitudinal X, les directions d’injection pilote Di étant parallèles entre elles et comprises dans des plans respectifs parallèles entre eux. Ainsi, dans ce mode de réalisation, les directions d’injection pilote Di sont agencées de telle sorte que, dans des conditions normales d’utilisation, les directions sont comprises dans des plans verticaux parallèles et inclinées de sorte que les canaux d’injection pilote 17 injectent du carburant gazeux suivant une pente vers le haut, typiquement les directions d’injection pilote Di sont inclinées d’un angle compris entre 5° et 45° par rapport à l’axe longitudinal (X). Cela permet de générer un effet de soufflage sur les particules de combustible solide s’opposant à leur chute par gravité, ce qui permet de prolonger leur temps de passage dans la réaction de combustion et améliore la combustion du combustible solide. Un tel type d’injection convient bien lors d’une utilisation de particules de carburant solide lourdes, qui ont tendance à retomber rapidement.

Dans une variante non représentée, les canaux d’alimentation de comburant 16 sont situés radialement extérieurement aux canaux d’injection pilote 17, et la ligne d’approvisionnement en comburant 14 s’étend radialement extérieurement à la première portion aval 11 du premier circuit d’approvisionnement 7. Le comburant est ainsi injecté en périphérie du combustible gazeux, lui-même injecté en périphérie du combustible solide.

En fonctionnement, le brûleur A est opéré en effectuant les étapes suivantes : la mise à feu, ou génération d’une flamme, peut être effectuée au moyen d’un dispositif d’allumage. Du combustible gazeux, par exemple du gaz naturel, est injecté dans le four au moyen de l’alimentation de combustible gazeux B, de manière à générer et entretenir une réaction de combustion au sein du four. Du combustible gazeux est injecté au moyen du premier ensemble d’injection 2 de manière à entretenir une flamme pilote à la sortie de la tête d’éjection 3. La combustion de la flamme pilote peut être déclenchée au moyen du dispositif d’allumage, ou simplement par chauffage par la combustion au sein du four.

Le combustible solide porté par un fluide porteur est ensuite injecté dans le four, à travers la flamme pilote, au moyen du deuxième ensemble d’injection 6. La flamme pilote permet ainsi d’enflammer instantanément le combustible solide dès sa pulvérisation.

La combustion est effectuée en deux temps dans le four :
- dans une zone amont, la combustion du combustible solide s’effectue pour partie en conditions sous-stœchiométriques, ce qui a pour effet de limiter la température de la flamme et donc la production de NOx (oxydes d’azote), et de générer les conditions favorables à la production de radicaux HCN et NH3 réducteurs de NOx (phénomène de combustion secondaire, ou reburning en anglais) ;
- dans une zone aval, la combustion se poursuit dans des conditions oxydantes, en présence sur-stœchiométrique de comburant et sous température plus élevée.

En effet, l’injection séparée et pilotable de comburant au moyen du circuit d’approvisionnement de comburant 14 permet d’ajuster les proportions de débit massique de comburant et de combustible dans le four. Afin d’assurer une combustion en conditions sous-stœchiométriques, il est ainsi possible de réduire l’alimentation en comburant.

L’utilisation d’un tel brûleur permet donc de réduire les émissions de composés polluants, particulièrement les NOx, tout en réduisant la formation de monoxyde de carbone CO en améliorant la combustion par amélioration du mélange.

En outre, cela permet stabiliser la flamme et de la raccourcir pour une puissance équivalente, donc d’augmenter la température moyenne de la flamme. Une flamme plus stable permet de développer une couche de dépôt (croûtage) plus homogène sur les parois d’un four utilisant un tel brûleur, ce qui améliore la durée de vie du matériau réfractaire qui recouvre la paroi du four.

Cela amène notamment un autre avantage dans un four de cimenterie, lors d’un procédé de formation de clinker, en permettant d’améliorer la cristallographie du clinker grâce à l’augmentation de la température moyenne de la flamme.

Avantageusement, l’alimentation en combustible solide 1 présente un mode de fonctionnement en combustible gazeux seul. Le combustible gazeux est injecté au moyen du premier ensemble d’injection 5 pour alimenter la flamme pilote, et au moyen du deuxième ensemble d’injection 6 dans des proportions plus importantes pour alimenter la combustion dans le four. Dans ce mode de réalisation, l’alimentation en combustible solide 1 comprend alors une deuxième conduite 12 raccordée en amont à une source d’approvisionnement en combustible solide d’une part, et une source d’approvisionnement en combustible gazeux d’autre part.

Un tel fonctionnement permet de conserver une puissance de chauffage du brûleur A équivalente lors d’une rupture d’approvisionnement en combustible solide, en substituant au débit de carburant solide un débit de carburant gazeux.

Une telle capacité d’adaptation du brûleur permet de conserver un mode de fonctionnement nominal, en termes de performances, dans un plus grand nombre de situations.

Claims (10)

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