Brevet FR2217410A1 — publié le 19740906

La présente invention concerne la combustion des fuelsoils. Elle a pour objet un procédé qui permet d'améliorer cette combustion gracie à l'addition, au fuel-oil, d'une certaine proportion, de pré- férence faible, d'un combustible hydrocarbone beaucoup plus léger Les fuels-oils, plus particulierement les fuels-oils rési- duels, ou "mazout", sont utilisés comme combustibles liquides dans des installations industrielles, chaudieres ou fours On sait qu'un fuel-oil résiduel est un mélange qui renferme une proportion plus ou moins importante de résidu de la distillation du pétrole A cause de leur très faible volatilité, ces liquides ne peuvent brûler convenablement au contact de l'air que s'ils sont sous une forme très divisée.En général, pour utiliser le fuel-oil, on le réchauffe de manière à diminuer sa viscosité et on l'injecte sous pression dans un dispositif, dit brûleur, qui le pulvérise dans le foyer de la chaudière ou du four. Malgré les nombreux perfectionnements qui ont été apportés aux brûleurs pour améliorer leur efficacité, on n'a pas encore réussi à pulvériser le fuel-oil de façon pleinement satisfaisante. Il en résulte que les fumées contiennent une quantité plus ou moins importante de matière imbrûlée solide, meme lorsque la combustion est effectuée en présence d'un excès d'air. On a envisagé d'utiliser les fuels-oils pour produire des gaz réducteurs, en faisant brûler ces fuels avec une proportion d'air inférieure à la proportion stoechiométrique. Certaines industries consomment des gaz réducteurs, principalement de l'oxyde de carbone et de I'hydrogène, en très grandes quantités. Des gaz réducteurs obtenus par combustion incomplète des fuels-oils résiduels pourraient aussi etre utilisés en sidérurgie comme substituts du coke métallurgique.En effet, les charbons à coke se raréfiant, on s'efforce de trouver des procédés pour diminuer la quantité de coke nécessaire à la fabrication de la fonte, notamment en injectant un-gaz réducteur dans les hauts-fourneaux On s'efforce mame de mettre au point des procédés de réduction directe, au moyen d'un gaz réducteur, procédés qui permettraient de réduire à néant les besoins en coke métallurgiqueo Toutefois, quand on ajuste les conditions de combustion du fuel-oil de manière à produire des gaz réducteurs, c'est-à-dire un mélange gazeux ayant des teneurs en anhydride carbonique et en vapeur d'eau aussi faibles que possible, on produit egalement des quantités importantes de matière imbrûlée solide qui sont très genantes et qui diminuent le rendement. Le procédé qui est l'objet de la présente invention a pour but d'améliorer la combustion des fuels-oils, plus particulièrement celle des fuelnoils lourds. Il a notamment pour but d'améliorer la fabrication de gaz réducteurs par combustion incomplète des fuels-oils Au moyen de ce procédé, on vise particulièrement, mais non exclusivement, à réduire la quantité de matière imbrûlée solide, suie ou carbone, qui se forme lors de la combustion totale ou partielle des fuels-cils. Ce precédé consiste essentiellement à faire brûler le fuel-oil préalablement mélangé, en phase liquide, avec une faible proportion d'un combustible hydrocarboné beaucoup plus léger, c'est-à-dire distillant à des températures beaucoup plus basses que celles auxquelles distille le fuel-oil. Le mélange de fuel-oil et de combustible léger est maintenu sous une pression suffisamment élevée pour qu'il soit entièrement liquide jusqu'à son introduction dans l'enceinte où on le fait brûler. Là, sous l'effet de la détente et de l'échauffement pratiquement instantanés de ce mélange, le combustible léger se volatilise immédiatement, ce qui a pour effet d'améliorer l'atomisation du fuel-oil,- Il en résulte que le mélange du combustible et du comburant est plus intime. On constate que la formation de matière imbrûlée solide, constituée principalement par du carbone, est sensiblement réduite par ce moyen. Selon l'invention, on mélange donc, sous pression, un courant de combustible léger à un courant de fuel-oil ses-iOueX-, puis le mélange ainsi constitué est pulvérisé dans un foyer où il brûle au contact d'un gaz comburant contenant de l'oxygène. Le combustible léger est un hydrocarbure ou un mélange d'hydrocarbures, liquides ou liquéfiés, distillant à la pression normale à des températures inférieures à 200 O environ. Onpeut utiliser du gaz naturel liquéfié, produit constitué principalement par du méthane et contenant de très faibles proportions d'éthane, de propane et de butane. On peut utiliser des gaz de pétrole liquéfiés. Il s'agit essentiellement d'hydrocarbures liquéfiés dont la molécule comprend 5 ou 4 atomes de carbone. En général, ces produits ne contiennent pas plus de 2% d'éthane ou d'éthylène et pa plus de 2% d'hydrocarbures ayant 5 ou 6 atomes de carbone. Ainsi, on peut utiliser du propane technique liquéfié ou du butane technique liquéfié, produits qui sont constitués, respectivement, par une coupe d'hydrocarbures à 3 atomes de carbone et par une coupe d'hydrocarbures à 4 atomes de carbone ; ces hydrocarbures sont indifféremment des paraffines ou des oléfines. Enfin, on-peut utiliser une essence, ctest-à-dire un mélange d'hydrocarbures, saurés ou non, distillant dans un intervalle de températures compris environ entre 30pC et 2000C. Bien qu'on puisse utiliser une essence lourde, -c"est-à-direune essence distillant environ entre 100qu et 2O00C, on préfère utiliar une essence légère, c'est-à-dire une essence distillant environ entre 30 C et 100 C. La composition de l'es- sence légère est très variable.Une essence- légère peut comprendre par exemple 3 à 4% d'hydrocarbures à 4 atomes de carbone, 30 à 40% d'hydrocar- bures à 5 ou 6 atomes de carbone, le complément à 100 étant constitué par des hydrocarbures à 6 ou 7 atomes de carbone. On dispose d'une très grande latitudesdans le choix du combustible léger . Toutefois, il est nécessaire que celui-ci se volatilise très rapidement en sortant de la buse d'injection. Par conséquent, il est recommandé de choisir le combustible-léger en tenant compte de la température à laquelle le combustible sera réchauffé avant d'entre introduit dans le brûleur et de celle régnant au voisinage de la tette du brûleur. Pour améliorer la combustion du fuel-oil, l'addition d'une infime proportion de combustible léger est suffisante. Lorsqu'on augmente cette proportion à partir de 1 partie en poids de combustible léger, et meme moins, jusqu'à 25 parties en poids, environ, pour 100 parties en poids du mélange, on observe une amélioration croissante de la combustion. Il est possible d'introduire dans le mélange une proportion de combustible léger très supérieure à 25%, par exemple une proportion de 50%, mais cela présente peu d'intértt car au-delà de 25%, tout accrois- sement de la proportion de combustible léger produit une amélioration marginale de la combustion, qui est pratiquement négligeable. Le fuel-oil résiduel a un pouvoir calorifique supérieur à celui du combustible léger et coûte moins cher que celui-ci. On n'a donc pas intérêt à utiliser une très grande. proportion de combustible léger dans le mélange. C'est-pourquoi on utilise de préférence un mélange contenant entre 0,5 et 25% ou, mieux encore, entre 0,5 et 15% de son poids de combustible léger. Le gaz comburant utilisé pour brûler le fuel-cil additionné de combustible léger peut etre l'air, l'oxygène, de l'air enrichi en oxygène, ou tout autre melange-gazeux approprié contenant de l'oxygène La combustion peut être effectuée avec la quantité stoechiométrique ou avec un certain excès d'oxygène dans le comhurant. Elle peut etre utilisée ainsi pour chauffer un four industriel, une chaudière, etc.. La combustion effectuée dans ces conditions dans un haut-fourneau constitue un chauffage d'appoint qui permet de réaliser une économie de. coke. Dans les applications précitées, le procédé qui est l'objet de la présente invention permet de réduire considérablement la quantité de suie formée aussi bien que l'excès d'air qui est habituellement nécessaire. Mais l'emploi de ce procédé est tout particulièrement recommandé pour améliorer la combustion lorsque la proportion d'oxygène qui est présente dans le gaz comburant est inférieure à la proportion stoechiométrique, qui est d'environ 3 atomes d'oxygène pour chaque atome de carbone présent dans le combustible considéré. La combustion peut être effectuée avec une proportion d'oxygène inférieure à la proportion stoechiométrique, par exemple avec 1,3 à 2 atomes d'oxygène pour chaque atome de carbone présent dans le combustible. Dans ces conditions, on obtient une réduction particulièrement importante de la quantité de matière imbrûlée solide en ajoutant, selon l'invention, une faible proportion de combustible léger au fueloil. Par exemple, 10% à 20 en poids d'essence légère dans un mélange à base de fuel-oil lourd permettent de réduire de moitié environ la quantité de matière solide imbrûlée. L'invention permet ainsi d'améliorer considérablement la fabrication de gaz réducteurs. La combustion en présence d'une proportion substoechiomé- trique d'oxygène peut store effectuée dans une chambre de réaction appropriée ; les gaz réducteurs ainsi obtenus peuvent être utilisés de diverses façons, éventuellement après avoir été refroidis et fractionnés. Par exemple, l'oxyde de carbone et l'hydrogène présents dans ces gaz peuvent être utilisés dans des réactions d'oxo-synthèse, l'hydrogène peut être utilisé pour la fabrication de l'ammoniac, etc.. Ces gaz peuvent entre particulièrement utiles en sidérurgie, pour réduire le minerai de fer en fonte. On peut les injecter dans un haut-fourneau, comme réducteur d'appoint, pour économiser du coke. On peut envisager aussi de les utiliser pour réaliser la réduction directe du minerai de fer, sans apport de coke. La combustion en présence d'une proportion substoechiométrique d'oxygène peut encore titre effectuée directement dans le four ou le réacteur à l'intérieur desquels le pouvoir réducteur des gaz formés doit être utilisé. Ainsi, on peut injecter le fuel-cil additionné d'un combustible léger, conformément à l'invention, dans un haut-fourneau et lty faire brûler avec une proportion substoechiométrique d'air. Pour mélanger le fuel-oil et le combustible léger et alimenter le(s) brAleur(s) avec le mélange combustible ainsi obtenu, on utilise un dispositif quelconque approprié connu en soi. La figure 1 représente schématiquement un dispositif qui convient à la mise en oeuvre de 1-' invention. Il va de soi que ce schéma est donné à titre d'exemple non limitatif, et qu'il ne suffirait pas, pour sortir du cadre de l'invention, d'utiliser un dispositif différent. Le fuel-oiI (1) et le combustible léger (2) sont stockés séparément. Le fuel-oil, préalablement réchauffé, est aspiré par une pompe d'alimentation (3) qui le refoule à la pression voulue dans le circuit qui alimente le bruleur (5). Le combustible léger est injecté dans ce circuit, en aval delapompe (3) par l'intermédiaire d'un régulateur de débit (6) qui est asservi au débit du fuel-oil. Il est nécessaire que ce régulateur permette de maintenir à la valeur voulue le rapport entre le débit du fuel-oil et le débit du combustible léger qui sont consommés par le brûleur Le mélange du fuel-oil et du combustible léger s'effectue en ligne, dans le conduit (7) du brûleur.Il est souhaitable qu'un mélangeur statique approprié (8) soit intercalé sur ce conduit, en aval du point d'introduction du combustible léger Le dispositif comprend comme d'habitude un conduit (9) assurant le retour de l'excès de mélange combustible, par l'intermédiaire d'un régulateur de pression (10) et d'un réfrigérant (14), vers le conduit d'aspiration de la pompe d'alimentation (3). Le dispositif comprend des réchauffeurs (11) qui permettent de porter le fuel-oil et le mélange de fuel-oil et de combustible léger à la température voulue. Quand on interrompt le fonctionnement de l'installation, on peut injecter en (12) de la vapeur d'eau ou un autre fluide approprié pour purger les brûleurs, et on peut recueillir dans un ballon (13) le mélange de fuel-oil et de combustible léger contenu dans le circuit. Les conditions de température et de pressions auxquelles on maintient le courant du fuel-oil, celui du combustible léger et celui du mélange sont choisies de telle sorte qu'aucune vaporisation du combus tible léger ne puisse se produire à'l'intérieur des lignes, des réchauffeurs et des pompes de l'installation au moyen de laquelle on introduit dans le brûleur le mélange de fuel-oil et de combustible léger. Il importe en effet que le mélange combustible dont on alimente le brûleur soit un liquide homogène et il importe également qu'aucune cavitation due à la formation d'une phase gazeuse ne se produise dans les pompes. Le choix des conditions de température et de pression est évidemment gouverné par les caractéristiques du brûleur, du fuel-oil et du combustible léger. Il dépend aussi de la proportion de combustible léger utilisée. Ce choix est à la portée de tout homme de l'art, ainsi qu'on le verra par les exemples suivants. Il va de soi que ces exemples ne sont nullement limitatifs. EXEMPLE 1. Cet exemple concerne l'amélioration de la combustion stoechiométrique d'un fuel-oil lourd au moyen de l'addition d'essence légère. On a utilisé un fuel-oil dit "iourd nO 2",selon la nomenclature qui est couramment utilisée dans l'industrie. Ce fuel-oil avait les caractéristiques suivantes Densité à 15 G 0,95 Viscosité à 37,80C 800 cSt Viscosité à 1000C 28 cSt Point initial de distillation 2000C Volume distillé à 2500C 5% " " à 2800C 10% " à à 3300C 25% i " à 3700C 50% On a ajouté à ce fuel-oil une essence légère dont le point initial de distillation était de 420C et dont le point final de distillation était de 950C. En se rapportant à la Figure 2, on trouvera définis les domaines de température et de pression dans lesquels des mélanges d'essence et de fuel-oil forment un liquide homogène. Sur ce diagramme, la température (OC) est portée en abscisses, sur une échelle linéaire, et la valeur absolue de la tension de vapeur correspondante, exprimée en atmosphères, est portée en ordonnées, sur une échelle logarithmique. Les courbes 3, 5, 7, 10 représentent, en fonction de la température, la tension de vapeur des mélanges contenant respectivement 3%, 5%, 7% et 10% en poids d'essence légère. La courbe 100 représente la tension de vapeur de l'essence légère. Pour étudier la combustion du fuel-oil nO 2 additionné d'essence légère, on a employé le dispositif qui est représenté schématiquement sur la Figure 3. Le fuel-oil, préalablement chauffé à 124GC, était introduit dans le dispositif par une pompe doseuse (1) et l'essence légère par une pompe doseuse (2). Un mélangeur statique (3) assurait le mélange des deux liquides. Le mélange, sous une pression de 25 bars, traversait un réchauffeur (4) où sa température était portée à 140 C, alimentait un brûleur (5) et brûlait avec la proportion stoechiométrique d'air, dans une chambre de combustion (6) à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique. Le débit du mélange combustible consommé par le brûleur était de 25kg/heure.Les fumées sortaient de la chambre de combustion (6) par la cheminée (7). Un regard (8) pratiqué dans cette cheminée permettait de prélever des échantillons. La température de la chambre de combustion était de 100000 environ. On a fait varier la proportinn essence légère dans le mélange de combustibles alimentant le brûleur pour étudier son influence sur la quantité de suie présente dans les fumées. La quantité de suie présente dans les fumées a été évaluée au moyen de la méthode qui est décrite dans la norme ASTM-D-2156 Cette méthode consiste à faire passer un volume déterminé de gaz de combustion à travers un papier-filtre normalisé. L'intensité de la tache ainsi produite est comparée à une série de dix étalons gris neutre, caractérisés par un indice de noircissement de O i 9, c'est-i-dire par une diminution de 0%, 10% ... et 90% de la réflectance du papier-filtre. On a obtenu les résultats suivants Proportion d'essence- légère dans le mélange Indice de noircissement (x en poids) 0,00 7 2,15 5 3,30 4 7,70 3 15,50 2 Ces résultats sont représentés graphiquement sur la figure 4.Sur ce diagramme, la proportion d'essence iégère dans le mélange combustible est portée en abscisses (pourcentages en poids) et l'indice de noircissement lié à la présence de suie dans les fumées est porté en ordonnées En partant du fuel-oil seul, et en augmentant la proportion d'essence légère dans le mélange, on observe que l'indice de noircissement décroît d'abord linéairement en fonction du pourcentage d'essence légère, jusqu a ce que ce pourcentage soit d'environ 3 ou 4%. Avec des pourcentages d'essence légère croissant environ de 8 à 15%, l'influence du taux d'essence légère sur le noircissement est de plus en plus faible. Il convient de noter que les fumées caractérisées par un indice de noircissement supérieur ou égal à 6 sont chargées d'une proportion de suie telle que cette suie est visible à l'oeil nu Par contre, 1'examen direct ne permet pas de voir la suie dans les fumées càractéri- sées par un indice de noircissement inférieur ou égal à 5. EXEMPLE 2. Cet exemple concerne la combustion d'un fuel-oil lourd avec des proportions d'air inférieures à la proportion stoechiométrique On a fait des essais de combustion, en laboratoire, en utilisant le dispositif qui est représenté schématiquement par la Figure 5. Le combustible est stocké dans un réservoir pressurisé (1) qui est chauffé dans un bain thermostaté (2) à une température suffisante pour que ce combustible soit fluide. On remplit le réservoir par la canalisation (3), et la pression est ajustée à la valeur voulue par de l'azote introduit en (4). L'évent (5) permet d'évacuer liazote lors du remplissage du réservoir. Le combustible est amené au brAleur (6) par l'intermédiaire d'un préchauffeur (7) et d'une canalisation (8) pourvue d'un manomètre (9) et d'une purge (10). Le brûleur, la chambre de combustion (11) et l'extracteur (12) sont assemblés verticalement. La Figure 6 représente de façon plus détaillée l'assemblage du brûleur et de la chambre de combustion. Celle-ci comporte deux sections. Le brûleur (6) est adapté à la base de la section inférieure (11) dans laquelle se produit la combustion partielle des hydrocarbures, l'air nécessaire étant admis en (15)o La section supérieure (13) est pourvue d'une double enveloppe (non représentée) refroidie par circulation d'eau elle est pourvue aussi d'orifices permettant d'introduire un thermocouple et de prélever des échantillons de gaz. Les gaz ayant traversé la section supérieure de la chambre de combustion sont brûlés à la sortie de celle ci avec de l'air qui est admis en (14). L'ensemble est assujetti verticalement à un support (16). Au moyen de ce dispositif, on a fait brûler un fuel-oil lourd nO 2 additionné d'essence, en utilisant des proportions substoe chiométriques d'air. Le fuel-oil lourd avait les caractéristiques suivantes Densité à 150C 0,964 Point d'éclair 1540C Point de figeage 120C Viscosité à 820C 62 cSt Teneur en soufre 3,35% L'essence avait les caractéristiques suivantes Intervalle de distillation (norme ASTI) 400C-1500C Densité à 159C 0,706 On a fait brûler le fuel lourd, un mélange composé de 75% en poids de ce fuel et de 25% en poids- d'essence et un mélange composé de poids égaux de fuel et d'essence, On a fait varier le débit de l'air admis comme comburant, de manière à faire-varier de 1,3 à 2,0 le nombre d'atome d'oxygène admis pour chaque atome de carbone Le combustible fourni au brûleur était préchauffé à une température ille que sa viscosité soit de 13 cSt. Le débit du combustible était compris entre 1,89 l/h et 2,46 l/h. On a utilisé unbrûleur pourvu d'un gicleur dont l'angle d'ouverture était de 30 degrés pour brûler le combustible contenant 50% d'essence et de 60 degrés pour brûler les deux autres combustibles étudiés. La quantité de matière imbrûlée solide dans les gaz réducteurs formés par la combustion partielle des hydrocarbures a été déterminée au moyen du procédé connu sous le nom d'échantillonnage isocinétique. Un courant de gaz était extrait de la chambre de combustion, à 8400C, par l'u /des orifices prévus à cette fin, dans des conditions telles que la vitesse linéaire de ce courant était identique à celle des gaz s'échappant vers la cheminée. Le gaz ainsi extrait était aspiré à travers un filtre préalablement taré. A la fin de 1.1 essai, on pesait à nouveau le filtre pour connaître le poids de la matière solide retenue. La Figure 7 est une représentation graphique des résultats de ces essais.Le pourcentage en poids de l'essence dans le combustible a été porté en abscisses. La teneur des gaz matière solide a été portée en ordonnées (milligrammes par litre). Chaque courbe correspond à une valeur déterminée du rapport atomes d'oxygène/atomes de carbone. Cette valeur est inscrite en regard de la courbe. La Figure 8 est une autre représentation des memes résultats. Sur cette figure, on a porté en abscisses le rapport atomes d'oxygène/atomes de carbone, et on a porté en ordonnées, comme précédemment, le poids de suie par litre de gaz de combustion à 8400C. La courbe (1) a été obtenue avec le fuel-oil n0 2, la courbe (2) avec le mélange contenant 25% d'essenee et la courbe (3) avec le mélange qui en contenait 50%. Ces résultats montrent bien qu'en ajoutant de faibles pourcentages d'essence au fuel-cil lourd, on obtient une diminution très substantielle de la quantité de matière imbrûlée solide. On voit aussi que l'on n'a pas intéret à augmenter le pourcentage d'essence dans le mélange au-dessus de 25% environ. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé pour améliorer la combustion des fuels-oils, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend essentiellement l'addition, au courant de fuel-oil sous pression alimentant le(s) brûleur(s), d'une faible proportion d'un combustible léger, à l'état liquide, choisi parmi les hydrocarbures ou les mélanges d'hydrocarbures li quides ou liquéfiés distillant,à la pression normale, à des tempéra tures inférieures à 2000C. 2. Procédé selon la revendication 1 et dans lequel le combustible léger est choisi parmi les gaz naturels liquéfiés et les gaz de pétrole liquéfiés. 3. Procédé selon la revendication 1 et dans lequel le combustible léger est un mélange d'hydrocarbures du type des essences, dont l'intervalle de distillation est compris entre 30 C et 2000C. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications lou 3 et dans lequel le combustible léger est un mélange d'hydrocarbures dont l'intervalle de distillation est-compris entre 300G et 1000C, du type des essences légères. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et dans lequel la proportion du combustible léger est comprise entre 0,5 et 25 parties en poids pour 100 parties en poids du mélange formé avec le fuel-oil. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et dans le quel le fuel-oil est un fuel-oil lourd. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications î à 6 et dans le quel le courant de fuel-oil additionné de combustible léger est injec té dans un haut-fourneau. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 å 7, caractérisé en outre par le fait que la combustion est effectuée en présence d'une proportion de comburant égale ou supérieure à la proportion stoechiométrique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 i 7, caractérisé en outre par le fait que la combustion est effectuée en présence d'une proportion de comburant inférieure à la proportion stoechiométrique, cette combustion étant utilisée pour produire un mélange de gaz ré réducteurs. 10. Procédé selon la revendication 9 et dans lequel les gaz réducteurs produits sont introduits dans un haut-fourneau.