Brevet FR2667928A1 — publié le 19920417

La présente invention concerne la chauffe d'une enceinte thenrmique. Pour les combustions générées en partant d'un comburant "air", il est aisé de développer de nombreuses fonrmes de flanmes qui sont -adaptées aux géormétries des diverses enceintes thermiques dans lesquelles différents procédés de chauffe sont développés A cet effet, on utilise pour cela la comrbinaison de différents paramètres de mise en oeuvre des fluides comburant et comrbustible, tels que: irrpulsion des fluides impulsions relatives des fluides mise en rotation convergence divergence recirculation Les débits massiques mis en oeuvre lors de ccmbustion avec l'air (environ 1400 kg/Mw) et les quantités de mouvement qui peuvent en résulter permettent de substantiellement façonner les flanmes pour leur donner des formes appropriées par exemple "filiforme" ou à "boule". Lorsque l'on souhaite avoir de hautes perform Tances thermiques de flames, l'utilisation de l'air fortement préchauffé ( 1200-1400 C) s'impose et les facilités de mise en oeuvre telles que citées s'amenuisent pour des raisons technologiques. Par ailleurs, les procédés nécessitant de hautes performances thermiques font parfois apparaître une grande sensibilité à l'oxydation des matériaux à traiter. Un nombre très important d'applications de comrbustion nécessitant des performances thermiques de haut niveau sont aujourd'hui traitées avec utilisation d'oxygène pur conme comburant mis en oeuvre au travers de brûleurs industriels spécifiques. Pour les raisons citées (air masse 1400 kg/Nv, oxygène masse 300 kg/MN), les différentes familles de brûleurs utilisant l'oxygène pur commne comburant ne permettent pas actuellement de juguler les problèmes de mise en fornce des flannes et moins encore le zonage des produits de corbustion réduisant les risques d'oxydation. De plus, en ce qui concerne l'émission de polluants tels que les oxydes d'azote ( lx), les techniques usuelles de recirculation et d'étagement du combustible ou du comrburant ne sont pas sans inconvénient sur le processus thermique En effet, la recirculation consiste à générer des zones proches du nez du brûleur o les gaz déjà brûlés reviennent dans la flaame Il s'ensuit un abaissement des concentrations locales en oxygène et une diminution sensible de la terpérature de flamme Ces deux résultats penrmettent de minimiser les oxydes d'azote, mais l'abaissement de la temrpérature de flamne est souvent préjudiciable à l'efficacité thermique du procédé de chauffe. C'est ainsi que ce type de brûleur n'a à ce jour été utilisé que dans des procédés à teupérature peu élevée ( 1200 c C pour le réchauffement des lingots d'acier). De m me l'étagement de la ccorbustion permet de brûler dans une première zone proche du nez du brûleur, en régime sous-stoéchiarnétrique Le complément de corbustible ou de carburant est alors apporté par une troisième injection qui se mélange plus loin au gaz issu de la première zone de combustion Pour les mnmes raisons ceci est favorable à la minimisation de la production d'oxydes d'azote mais altère l'efficacité thermique. Pour pallier ces difficultés, l'invention vise une nouvelle famille de brûleurs oxy-coxbustibles qui sont conçus pour élaborer les effets suivants: volume de flamme important pour mieux s'adapter aux volunes des enceintes thermiques, et d'une façon générale maîtrise de la fonrme, longueur et orientation des flammes, permettant d'optimiser les rendements thermiques, de générer des flanmes orientées vers différentes zones, de créer des zones réductrices favorables à des réactions de combustion vives sur la charge tout en conservant des propriétés de transferts thermiques acceptables. Ces différentes objectifs sont atteints, selon l'invention, en ce qu'on différentie au moins une des dites flanmes des autres flammres par sa puissance et/ou son orientation spatiale dans l'enceinte thermique et/ou par son pouvoir oxydant réducteur et plus particulièrement on alimente au moins une des dites flanmmes du brûleur avec des débits d'oxygène et de combustible qui sont plus élevés que les débits d'alimentation des autres flanmmnes et/ou on écarte les dites flamnmes l'une de l'autre pour conserver leurs contours propres et avantageusement les flammes s'étendent dans des directions divergentes à partir du nez de brûleur Généralement au moins une flamne est alimentée en mélange oxydo-coirbustible, dont la teneur en oxygène est sous-stoéchicmrétrique et/ou au moins une flanmme est alimentée en mélange oxydo-carbustible, dont la teneur en oxygène est sur-stoéchior étrique et/ou au moins une flamnie est alimentée en mélange oxy do-cmbustible, dont la teneur en oxygène est stoéchianmétrique. Grâce à l'adaptation indépendante des débits de comburant et combustible de chacune de ces flammes, il est possible de générer dans l'enceinte thermique des zones de comrbustion réductrices, neutres ou oxydantes, des formes de flanmies différentiées longues ou épanouies: Le choix d'écoulements spécifiques des deux fluides, pour chacune des flammes, et l'interaction de celles-ci entre elles contribuent finalement à l'obtention d'un taux d'émission réduit d'oxydes d'azote. La ma trise de la stoéchicétrie, de l'impulsion et de l'orientation de chaque flanne permet d'agir sur la qualité du mélanrge des fluides (gaz et/ou liquides) et, pour une application donnée, de minimiser la production de polluants tels les oxydes d'azote Des niveaux relativement bas d'oxyde d'azote de 80 à 100 ppm ont ainsi pu être obtenus. L'invention concerne également un brûleur à ccomburant oxygène du type à injecteurs nultiples, caractérisé en ce qu'au moins un injecteur est de section supérieure à celle des autres injecteurs et avantageusement les dits injecteurs sont orientés dans des directions divergentes par rapport à l'axe du nez de brûleur De préférence, l'angle entre un quelconque injecteur et l'axe du nez de brûleur est compris entre 300 et 60 . Les caractéristiques et avantages de l'irnvention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un brûleur; la figure 2 est une vue en coupe transversale de ce mime brûleur. En se référant aux dessins, un brûleur i coporte un corps tubulaire 2 avec un conduit axial de carombustible 3 formant avec une enveloppe cylindrique 4 un conduit interstitiel 5 pour de l'oxygène industriel introduit par un erbout latéral 6. Le corps 2 se termine par un nez de brûleur 11 avec six perforations divergentes 12 d'unr angle de 300 par rapport à l'axe du brûleur, dont trois ( 12 a, 12 b, 12 c) sont de dimensions plus importantes que les autres ( 12 d, 12 e, 12 f) Chaque perforation porte un injecteur 13 ( 13 ', 13 ") qui se prolonge dans des perforations plus larges 14 ( 14 a à 14 f) c-muniquant par des passages transversaux 15 avec le conduit annulaire d'amenée d'oxygène 5 En fonctionnement, le brûleur émet deux types de flamre, selon qu'elles sont émises par les injecteurs de fort diamètre 13 ' ou de plus faible diamètre 13 " Les trois flanmes telles que 21 correspondant aux injecteurs 13 ' sont puissantes et orientées plutôt vers le haut par exemple vers la voûte d'un four Elles peuvent être de caractère oxydante (oxygène en sur-stoéchiomértrie) tandis que les trois flarrmes 22 correspondant aux injecteurs 13 " sont monins puissantes, moins longues, plus ramassées et plutôt orientées vers la charge du four Elles peuvent être à caractère réducteur (sous-stoéchicaétrie d'oxygène). Le brûleur décrit répond particulièrement aux problèmes posés dans les deux familles d'application suivantes: Les flanmes de gros volumes et de longueurs modérées générées par ce type de brûleur sont bien adaptées pour le chauffage et le frittage d'enceintes telles que fours et poches de métallurgie, fusion à four induction. Le zonage de carombustion rendu possible par l'enploi de ce brûleur est particulièrement adaptée aux fours de fusion de matériaux oxydables tels que les métaux, fonte, aluminium, plomb, etc, ou les flammes réductrices sont orientées vers le matériau à fondre. Dans les procédés à haute température, comae le brûleur offre la possibilité de minimiser l'émission d'oxydes d'azote, il s'avère être un outil particulièrement intéressant dans les fours de verrerie, de cimenterie et d'émaux notamment. R Eve D ICATIC(}ZS 1 Procédé de chauffe d'une enceinte thermique à l'aide d'au moins un brûleur à carburant oxygène, du type générant plusieurs flamoes, caractérisé en ce qu'on différentie au moins une des dites flames des autres flanmes par sa puissance et/ou son orientation spatiale dans l'enceinte thermique et/ou par son pouvoir oxydant-réducteur. 2 Procédé de chauffe d'une enceinte thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en alimente au moins une des dites flannmes du brûleur avec des débits d'oxygène et de combustible qui sont plus élevés que les débits d'alimentation des autres flanies. 3 Procédé de chauffe d'ure enceinte thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les dites flammres scnt suffisarment écartées l'une de l'autre pour conserver leurs ccntours propres. 4 Procédé de chauffe d'une enceinte therxiqule selon la revendication 3, caractérisé en ce lue les flammes s'étendent dans des directions divergentes à partir d'un nez de brûleur. Procédé de chauffe d'une enceinte thermique selon l'une quelconque des revendications i 4, caractérisé en ce qu'au moins une flanme est alimentée en mélange oxydo-ccrrbustible, dont la teneur en oxygène est sous-stoéchioarétrique. 6 Procédé de chauffe d'une enceinte thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins une flan Tme est alinentée en mélange oxydo-ccirbustible, dont la teneur en oxygène est sur-stoéchiométrique. 7 Procédé de chauffe d'une enceinte thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins ture flamme est alimentée en nmélange oxydo-ccrbustible, dont la teneur en oxygène est stoéchiométrique.