DUARTE JORGE, Alexandre Magno (Rodovia MG170-Km4, CEP 35.588-000, ARCOS-MG, BR)
| 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. |
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 O 2 , CO, NOx et SO 2 .
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 m 3 /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 :
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 Nm 3 /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 (Re 3 - Ri 3 ) / (Re 2 - Ri 2 ) où Re = rayon externe ;
Ri = rayon interne ; Le diamètre équivalent De du flux est donné par la relation :
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 0 C. 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 SO 3 et de chaux moins importantes et un taux de C 3 S 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 AI 2 O 3 + 0,65 Fe 2 O 3 ).
Comme représenté dans le tableau 2, la teneur en SO 2 , produit lors du processus de transformation du clinker, a légèrement diminué. Tableau 2 représentant une comparaison des teneurs en SO 2 et NOx produits par un brûleur de l'art antérieur (brûleur Kobe) et par un brûleur selon l'invention :
Avec le brûleur Kobe, la teneur en SO 2 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.
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